本科畢業(yè)設計_分布式電源接入配網(wǎng)后可靠性評估的研究

1、algorithm 目 錄1 緒論11.1 課題研究背景及目的11.2 國內(nèi)外配電網(wǎng)可靠性評估的發(fā)展和研究現(xiàn)狀21.3 國內(nèi)外含分布式電源配電網(wǎng)可靠性研究現(xiàn)狀31.3.1 國內(nèi)含分布式電源配電網(wǎng)可靠性研究現(xiàn)狀31.3.2 國外含分布式電源配電網(wǎng)可靠性研究現(xiàn)狀41.4 論文的主要研究工作42 分布式電源接入配網(wǎng)后可靠性分析方法72.1 概述72.2 配電網(wǎng)可靠性分析的基本指標72.3 配電網(wǎng)可靠性分析的主要故障分析指標82.3.1 串聯(lián)系統(tǒng)主要故障分析指標82.3.2 并聯(lián)系統(tǒng)主要故障分析指標82.3.3 與用戶有關的配電系統(tǒng)可靠性指標102.3.4 與負荷和電量有關的指標122.4 配電系統(tǒng)可

2、靠性分析的解析法132.5 分布式發(fā)電技術132.5.1 分布式電源132.5.2 分布式電源的接入方式142.5.3 分布式電源的并網(wǎng)方式162.5.4 分布式電源的運行方式172.5.5 分布式電源孤島運行方式183 基于MATLAB軟件的介紹與分析193.1 MATLAB軟件介紹193.1.1 MATLAB軟件簡介193.1.2 MATLAB系統(tǒng)主要包含的內(nèi)容203.2 遺傳算法簡介213.2 改進遺傳算法簡介223.3 改進后遺傳算法的選擇操作234 分布式電源接入配網(wǎng)后的MATLAB遺傳算法算例254.1 單電源配電網(wǎng)可靠性分析254.2 含分布式電源配電網(wǎng)可靠性分析315 結論與展

3、望355.1 分布式電源通過MATLAB的仿真結論355.2 展望36參考文獻37致謝381 緒論1.1 課題研究背景及目的 長期以來，能源結構的不合理性以及能源利用效率的持續(xù)偏低帶來了許多環(huán)境和社會問題。隨著電力政策的放開，分布式電源DG（distributed generation)作為一種新興的發(fā)電模式逐步被廣泛關注。IEEE定義的DG是小容量的、可以在電力系統(tǒng)任意位置并網(wǎng)的發(fā)電機，容量范圍小于10MW，并網(wǎng)電壓等級通常連接到配電系統(tǒng)所屬的各個電壓等級。近年來，全球范圍內(nèi)的分布式電源技術發(fā)展迅速，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著越來越重要的作用1。分布式電源不僅能夠提高能源的利用率，而且對于緩解電網(wǎng)峰

4、時缺電的矛盾具有積極意義。從可持續(xù)發(fā)展、國家能源戰(zhàn)略、降低環(huán)境污染和建設和諧社會的觀點來看，發(fā)展分布式電源技術是我國的必然選擇。作為集中式發(fā)電的有益補充，DG的接入位置主要在配電網(wǎng)用戶附近，這樣不僅可以減少電力傳輸時功率的損耗以及由配網(wǎng)升級帶來的費用，而且也為用戶帶來了較低的費用、較高的可靠性、較好的電能質量、較高的能源利用率和獨立性。但是，DG接入中低壓配電網(wǎng)，將使得傳統(tǒng)的配網(wǎng)輻射狀結構變?yōu)槎嚯娫唇Y構，潮流的大小和方向都將發(fā)生改變，下級電網(wǎng)有可能會向上級電網(wǎng)送電，配電網(wǎng)本身的電壓分布也將有所變化；同時，還會增大并網(wǎng)點附近的短路電流水平。DG的接入也將對并網(wǎng)點附近用戶的供電可靠性有所提升，但由

5、于DG本身故障的概率性和出力的隨機性，也將在一定程度上降低系統(tǒng)的供電可靠性。顯然，DG接入對可靠性的影響結果尚待分析。此外，DG的并網(wǎng)和控制需要使用大量的電力電子器件，器件頻繁的開通和關斷易產(chǎn)生相應的諧波分量，以及由于短路電流的變化，原有的電網(wǎng)過電流保護也會受到影響。這些均將對配電網(wǎng)的管理產(chǎn)生一定的影響。隨著分布式電源接入配電網(wǎng)，配電網(wǎng)供電可靠性的評估模型發(fā)生了變化。分布式電源與傳統(tǒng)電源相比，其輸出功率更具有隨機性。另外，在傳統(tǒng)的配電網(wǎng)可靠性評估中，考察的饋線由單一電源點供電，是輻射式供電方式，任何一條饋線上發(fā)生故障，都可能導致饋線后面的負荷全部停電，而分布式電源接入配電網(wǎng)后，網(wǎng)絡變?yōu)橐粋€多電

6、源與用戶相連的網(wǎng)絡，當饋線上發(fā)生故障時，配電網(wǎng)可能會出現(xiàn)含有分布式電源的孤島運行方式，相應的可靠性評估模型和方法也將發(fā)生變化。配電網(wǎng)可靠性評估是研究配電網(wǎng)可靠性的一個重要組成部分。配電網(wǎng)可靠性評估是利用配網(wǎng)拓撲信息和元件可靠性參數(shù)，如元件故障率、平均修復時間、計劃檢修率等，采用解析法或模擬法計算配電網(wǎng)的各項可靠性指標。通過對配電網(wǎng)可靠性的評估分析，配電網(wǎng)規(guī)劃和設計人員就可以對不同的增強性措施所帶來的效益進行定量計算，以保證把有限的資金用于最大可能地增強配電網(wǎng)的可靠性。研究配電網(wǎng)可靠性可實現(xiàn)的目標有：1）研究配電網(wǎng)中元件和系統(tǒng)的可靠性計算模型，獲得元件的可靠性參數(shù)，進而對系統(tǒng)可靠性水平進行定量評

7、估。2）找出配電網(wǎng)中的薄弱環(huán)節(jié)，并研究提高系統(tǒng)可靠性的方案。3)進行可靠性的成本效益分析。分布式電源是一種相對于傳統(tǒng)大容量集中式發(fā)電而言的一種分散的發(fā)電方式，其容量通常在幾十kW到幾十MW,它既可以獨立于公共電網(wǎng)直接為少量用戶提供電能，也可將其接入配電網(wǎng)與公共電網(wǎng)一起為用戶提供電能。它是以資源和環(huán)境效益最大化，以能源利用效率最優(yōu)化確定運行方式和容量的新型能源系統(tǒng)，具有節(jié)省投資、降低損耗、提高系統(tǒng)可靠性、效率高、能源種類多等優(yōu)點2。但是，必須認識到，隨著大量分布式電源接入配電網(wǎng)，將會給配電網(wǎng)帶來諸如繼電保護、能量質量、網(wǎng)損、運行與控制、穩(wěn)定性、可靠性等問題。常規(guī)配電網(wǎng)的網(wǎng)絡結構特點是“環(huán)網(wǎng)設計，

8、開環(huán)運行”，饋線上的負荷由單一電源點供電，任何一條饋線上發(fā)生故障，都有可能導致故障饋線下游的負荷全部停電。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，對分布式電源接入配網(wǎng)后可靠性評估的研究，能讓我們更加了解電力系統(tǒng)的運行可靠性，提高電力系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。1.2 國內(nèi)外配電網(wǎng)可靠性評估的發(fā)展和研究現(xiàn)狀 早在70年代, 分布式電源系統(tǒng)DPS ( Distributing Power System )概念就已出現(xiàn), 最初應用于計算機供電系統(tǒng)和通信電源中。所謂分布式電源系統(tǒng),即是由若干小容量的電源模塊組合而成的一個大容量的電源系統(tǒng)。從理論上說, 分布式電源系統(tǒng)的構成可以有串聯(lián)、并聯(lián)、以及串聯(lián)與并聯(lián)混合等方式,不過實際應用

9、中通常只是對電源的輸出電流要求很高, 應該是負載需要的電流越來越大, 并聯(lián)供電優(yōu)勢就越明顯, 并聯(lián)電源系統(tǒng)得到了更廣泛的應用。相對于傳統(tǒng)集中式供電系統(tǒng), 分布式電源系統(tǒng)是利用最新電源理論和技術做成相對較小的電源功率模塊來組合成積木式、智能化的大功率電源系統(tǒng)。越來越多的電源系統(tǒng)采用模塊并聯(lián)技術, 多個開關電源模塊靈活地并聯(lián)組合成大功率分布式電源體系, 是目前實現(xiàn)開關電源大功率化的主要途徑。近些年，分布式電源的應用越來越廣泛但是把大量的分布式電源引入配電網(wǎng)，會對配電網(wǎng)的結構和運行產(chǎn)生很大的影響。1.3 國內(nèi)外含分布式電源配電網(wǎng)可靠性研究現(xiàn)狀 1.3.1 國內(nèi)含分布式電源配電網(wǎng)可靠性研究現(xiàn)狀對于國內(nèi)

10、含分布式電源配電網(wǎng)可靠性研究現(xiàn)狀，經(jīng)歷了一個漫長的過程，首先，我們必須分布式電源接入配電網(wǎng)的方式，建立等效電源的模式，以及配電網(wǎng)獨立運行方式以及它們對配電網(wǎng)供電可靠性的影響。由于我國建國初期經(jīng)濟狀況發(fā)展水平的限制，我國對含分布式電源配電網(wǎng)可靠性的研究相對較晚，但這并不阻礙我國對此課題研究的成果。有大量文獻都展示了國內(nèi)含分布式電源配電網(wǎng)可靠性的研究現(xiàn)狀。從最初研究分散電源并網(wǎng)對配電網(wǎng)可靠性的影響，然后研究了含分布式電源的配電網(wǎng)發(fā)生故障后的故障恢復策略，再到運用蒙特卡羅模擬法對含多種分布式電源及不同運行方式下的配電網(wǎng)進行可靠性評估等等。包括研究配電網(wǎng)可靠性時進行孤島劃分，如何使用技術進行最優(yōu)孤島的

11、選擇3。在我國，充足保證電力供應對經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展必將起到?jīng)Q定性作用，在已建中央電站及電網(wǎng)的基礎上，大力發(fā)展分布式電源技術將是我國電力系統(tǒng)未來發(fā)展的必然趨勢。目前我國對分布式能源系統(tǒng)的研究在國內(nèi)已經(jīng)開始啟動，一些科研機構，大學已經(jīng)投入人力、財力進行分布式能源系統(tǒng)的研究。我國近年來高度重視可再生能源的開發(fā)利用，把加快發(fā)展風能、太陽能、生物質能等可再生能源作為“十一五”時期能源發(fā)展的一項重要戰(zhàn)略。而對可再生能源利用的有效形式，就是大力發(fā)展分布式能源系統(tǒng)分布式電源。 1.3.2 國外含分布式電源配電網(wǎng)可靠性研究現(xiàn)狀相對于國內(nèi)對含分布式電源配電網(wǎng)可靠性研究來講，國外對含分布式電源配電網(wǎng)可靠性的研究比較早

12、些。國外首先提出了提高分布式電源滲透率的混合網(wǎng)絡結構，再到運用蒙特卡羅模擬法和解析法對含風能發(fā)電和太陽能發(fā)電的配電網(wǎng)進行可靠性評估，從而得出孤島的不同運行方式及故障發(fā)生后孤島形成成功的概率。近年來，分布式發(fā)電技術以其獨有的環(huán)保性和經(jīng)濟性引起人們越來越多的關注?；趯Ψ植际侥茉聪到y(tǒng)的這些認識，目前許多國家已經(jīng)制定了宏偉的分布式能源系統(tǒng)研究發(fā)展計劃，并進行了多方面的相關研究。英國紐卡斯爾大學正在研發(fā)一種綜合的分布式能源系統(tǒng)評估軟件，這種軟件可將理論與工程項目結合在一起，用于微型燃氣輪機、燃料電池和燃氣內(nèi)燃機驅動的分布式能源系統(tǒng)的設計、優(yōu)化及監(jiān)控。美國加州大學、ELCOM等機構針對分布式能源系統(tǒng)制定

13、了宏偉的研究規(guī)劃。澳大利亞的研究機構正在紐卡斯爾建立能源中心，其目的就是提供能源方面最新的研究成果和開發(fā)設施，對100多個課題組提供技術支持，展示新能源技術的應用案例。國際能源機構（IEA）正在進行一個包括33個國家在內(nèi)的國際性能源技術研發(fā)合作計劃，進行能源生產(chǎn)、能源消費領域的技術發(fā)展與改進，當前已有40個研究項目在進行，包括化石燃料技術、分布式能源系統(tǒng)、終端用戶的能效技術等等這些項目涉及400多家政府或私人的研究機構，年費用為$120000000。分布式能源系統(tǒng)的研究在西方先進國家己經(jīng)取得了豐碩的研究成果，研究領域從單獨運行的分布式能源系統(tǒng)，到剛興起不久的分布式能源系統(tǒng)與大電網(wǎng)的聯(lián)接，已有分

14、布式能源系統(tǒng)運行的豐富經(jīng)驗。1.4 論文的主要研究工作本文研究了分布式電源接入配電網(wǎng)后的可靠性評估模型，并與分布式電源接入配網(wǎng)后可靠性的模擬仿真相結合，利用MATLAB進行模擬仿真之后得出相應的數(shù)據(jù)，進行比對。然后根據(jù)供需平衡原則,提出配電網(wǎng)孤島劃分策略,在此基礎上,建立了計及分布式電源影響的配電網(wǎng)供電可靠性分析計算模型,最后通過對一典型配電網(wǎng)的仿真計算，說明該分布式電源接入配電網(wǎng)的可靠性。同時，由于在計算時必不可少有誤差，因此，本文針對分布式電源接入配電網(wǎng)計算的誤差分析過程中，我們有必要將誤差考慮進去。論文所做的研究工作主要有以下方面： 詳細闡述了課題研究的目的和意義 通過總結國內(nèi)外常規(guī)配電

15、網(wǎng)和含分布式電源配電網(wǎng)的可靠性評估研究現(xiàn)狀，介紹了常規(guī)配電網(wǎng)可靠性評估的方法及其原理、來研究分布式電源接入配電網(wǎng)可靠性評估的研究。 研究分布式電源配電網(wǎng)的可靠性仿真模型 通過建立分布電源配電網(wǎng)的可靠性仿真模型，研究分布式電源接入配電網(wǎng)的可靠性評估指標。包括利用本文所提基于分層區(qū)域的復雜配電網(wǎng)可靠性評估算法，得出含分布式電源配電網(wǎng)可靠性評估的解析模型。 利用MATLAB進行仿真模型的分析與計算利用MATLAB進行仿真模型的分析與計算，得出的模型可以清晰方便的反映分布式電源接入配電網(wǎng)的可靠性。盡管在利用MATLAB進行仿真設計時需要深入研究MATLAB等相關軟件，了解其基本用法，并與分布式電源接入

16、配網(wǎng)后可靠性的模擬仿真相結合，進行思考。這個過程是相當重要的4。 通過對接入分布式電源后的系統(tǒng)進行可靠性評估，計算出含分布式電源的配電網(wǎng)可靠性評價指標分布式電源的配電網(wǎng)可靠性評價指標包括：平均故障率 平均停運時間 平均故障修復時間。含 DG 配電網(wǎng)可靠性所采用的評估指標、評估模型和評估方法不同于傳統(tǒng)配電網(wǎng)的可靠性指標，分布式電源的大量接入給配電網(wǎng)可靠性評估帶來諸多挑戰(zhàn)：（1）需要將整個含分布式電源的配電網(wǎng)視為一個整體從而對這個全新整體的可靠性進行評估，一方面藥考慮到原有系統(tǒng)的可靠性影響因素，另一方面，又不能忽視分布式電源并給系統(tǒng)帶來的相關變化。（2）在分布式電源并網(wǎng)時，由于不同的分布式電源的不

17、同并網(wǎng)方式，需要建立與之相應的可靠性模型才能對新系統(tǒng)做出正確的可靠性評估。（3）針對分布式電源功率的特點，探索能夠對分布式電源并網(wǎng)后的復雜電網(wǎng)結構進行分析與計算，模擬法的概率抽樣的特點使其能夠非常適合的運用于對含分布式電源配電網(wǎng)可靠性評估中。（4）應針對分布式電源并入電網(wǎng)后面對系統(tǒng)整體拓撲結構造成的改變而選取適當?shù)哪Ｐ?，并確定與之相應的算法。（5）分布式電源并網(wǎng)可靠性評估還應考慮相應的如接入過載所引發(fā)的二次動作。以及如何適當并入分布式電網(wǎng)來彌補電網(wǎng)的小范圍內(nèi)的功率缺額。2 分布式電源接入配網(wǎng)后可靠性分析方法2.1 概述分布式電源接入配電網(wǎng)可靠性研究，即是通過對配電系統(tǒng)可靠性進行歷史數(shù)據(jù)的統(tǒng)計計

18、算、分析和評價，來確定現(xiàn)有系統(tǒng)存在的問題，并通過對過去的計算預測未來，對各種運行情況進行比較，從而可以選擇可靠性較高并且經(jīng)濟合理的運行方式。因此，配電網(wǎng)可靠性的評價實際上就是對整個配電系統(tǒng)及其設備進行歷史的和未來的技術經(jīng)濟綜合評價。 （1）配電系統(tǒng)可靠性指標必須能夠反映配電系統(tǒng)及其設備的結構、特性、運行狀況以及對用戶的影響，并能作為衡量各有關因素的尺度。 （2）配電系統(tǒng)可靠性指標應該并可以從配電系統(tǒng)運行的歷史數(shù)據(jù)中計算出來。 （3）配電系統(tǒng)可靠性指標應該并可以應用配電系統(tǒng)可靠性計算技術，從元件數(shù)據(jù)中計算出來。2.2 配電網(wǎng)可靠性分析的基本指標配電網(wǎng)可靠性指標是用來判斷配電網(wǎng)可靠性的主要依據(jù)。在

19、對于配電網(wǎng)的可靠性評估中，可以通過獲取其可靠性指標來對配電網(wǎng)可靠性進行定量分析。通常情況下，可以采用多種指標數(shù)據(jù)從多個方面來對系統(tǒng)可靠性進行整體的評估。配電網(wǎng)供電可靠性指標一般分為負荷點可靠性指標和系統(tǒng)可靠性指標。配電系統(tǒng)可靠性的評價標準是多方面的。用戶的供電質量往往是受到停電頻率、停電持續(xù)時間以及其它因素的影響5。因此，至少可以從兩個方面來分析配電系統(tǒng)的可靠性。（1）對用戶而言任何一個用戶均希望對它能充分保證供電，不受到停電的影響。因此，用戶感興趣的可靠性指標是供電服務的質量。（2）對供電部門而言感興趣的指標則是對系統(tǒng)所有用戶的平均服務質量或最差供電指標。2.3 配電網(wǎng)可靠性分析的主要故障分

20、析指標 2.3.1 串聯(lián)系統(tǒng)主要故障分析指標 所謂串聯(lián)系統(tǒng)（圖2.1),就是由兩個或兩個以上元件組成的系統(tǒng)，若其中一個元件故障，系統(tǒng)就算故障，即只有所有元件同時完好，系統(tǒng)才算完好。 圖2.1 n個元件串聯(lián)系統(tǒng) 對于串聯(lián)系統(tǒng)，根據(jù)馬爾可夫過程理論，可以推導出實用于工程計算的公式 ：等效故障率（或平均故障率） (次/年） （2-1）等效修復時間(或平均停電持續(xù)時間) （小時/次） （2-2）系統(tǒng)不可用率（或負荷點年平均停電時間） （小時/年） （2-3)其中,s表示系統(tǒng)，i 表示系統(tǒng)的第 i 個元件；表示元件i的故障率；表示元件 i 的故障修復時間（或故障停電時間）。2.3.2 并聯(lián)系統(tǒng)主要故障分

21、析指標所謂并聯(lián)系統(tǒng)（圖 2.2），就是由兩個或兩個以上元件組成的系統(tǒng)，必須所有元件同時故障，系統(tǒng)才算故障，即只要其中一個元件正常工作，系統(tǒng)就處于工作狀態(tài)。 圖2.2 n個元件并聯(lián)系統(tǒng)（1）兩元件并聯(lián)的計算公式等效故障率（或平均故障率） （次/年 ） (2-4)等效修復時間(或平均停電持續(xù)時間) (小時/次) （2-5）系統(tǒng)不可用率(或負荷點年平均停電時間) （小時/年） (2-6)(2) 三元件并聯(lián)的計算公式等效故障率(或平均故障率) (次/年） （2-7）等效修復時間(或平均停電持續(xù)時間) （小時/次 ） （2-8）系統(tǒng)不可用率(或負荷點年平均停電時間) （小時/年） （2-9）其中,p 表

22、示系統(tǒng)；、分別為1、2、3的故障率；、分別為元件1、2、3的故障修復時間（或稱故障停電時間）。使用式（2-1）-（2-9）時應注意：a） 應用公式前應先建立系統(tǒng)模型； b）公式只給出參數(shù)的平均期望值，此外，即使元件壽命服從指數(shù)分布，但元件串聯(lián)后形成的系統(tǒng)一般并不服從指數(shù)分布； c）公式雖根據(jù)馬爾可夫過程理論推導出來，并假定元件壽命及修復時間服從指數(shù)分布，但公式仍可用于計算服從其他分布的平穩(wěn)狀態(tài)平均值。分布式電源接入配電網(wǎng)系統(tǒng)一般采用環(huán)形網(wǎng)絡開環(huán)運行，形成輻射型網(wǎng)絡結構，從供電點到負荷點的供電路徑可以看成是幾個元件的串聯(lián)，因而在配電系統(tǒng)可靠性計算中多采用串聯(lián)元件的計算公式。當然并聯(lián)元件的公式也廣

23、泛應用于配電網(wǎng)絡的化簡中。在本文采用的可靠性測試系統(tǒng)RBTS-BTS2 中由于不涉及并聯(lián)元件的化簡工作，所以還是采用串聯(lián)元件的計算公式6。 2.3.3 與用戶有關的配電系統(tǒng)可靠性指標 (1) 系統(tǒng)平均停電頻率指標SAIFI（System average interruption frequency index） （次/用戶.年 ） （2-10）其中，SAIFI系統(tǒng)中運行的用戶在一年時間內(nèi)的平均停電次數(shù)；負荷點 i 的故障率；負荷點 i 的用戶數(shù)。 (2) 用戶平均停電頻率指標 CAIFI（Customer average interruption frequencyindex） （次/停電用戶

24、.年）（2-11） 其中,CAIFI每個受停電影響的用戶在一年時間內(nèi)經(jīng)受的平均停電次數(shù)；負荷點 i 的受停電影響的用戶數(shù)。受停電影響的總用戶數(shù)的統(tǒng)計方法是受停電影響的用戶一年內(nèi)不管被停電的次數(shù)有多少，每戶只按一次計算。 (3) 系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標 SAIDI（System average interruption duration index） （小時/用戶.年） （2-12）其中，SAIDI系統(tǒng)中運行的用戶在一年時間內(nèi)經(jīng)受的平均停電持續(xù)時間；負荷點 i 的年停電時間。 (4) 用戶平均停電持續(xù)時間指標 CAIDI（Customer average interruptionduratio

25、n index） （小時/停電用戶.年）（2-13）其中，CAIDI 一年中被停電的用戶經(jīng)受的平均停電持續(xù)時間。(5) 平均供電可用率指標 ASAI（Average service availability index） (2-14) 其中，ASAI 一年中用戶的可用小時數(shù)與總的要求供電的小時數(shù)之比； 8760 一年的小時數(shù)。(6) 平均供電不可用率指標 ASUI(Average service unavailability index) (2-15) 其中，ASUI 一年中用戶累積停電小時數(shù)與總的要求供電的小時數(shù)之比。2.3.4 與負荷和電量有關的指標(1) 平均負荷停電指標 ALLI (2

26、-16)(2) 平均系統(tǒng)缺電指標 ASCI（kVA.h/用戶 或 kW.h/用戶)(2-17)(3) 平均用戶缺電指標 ACCI （kVA.h/受影響用戶 或 kW.h/受影響用戶） (2-18) （4）總電量不足 ENS 式（2-17）、式（ 2-18）中的總電量不足 ENS 為 （kW.h/年) （2-19） (2-20)其中，ENS系統(tǒng)在一年中因停電而造成用戶總的電量損失；連接在每個負荷點 i 上的平均負荷；負荷點 i 的年平均停電時間；負荷點 i 的峰荷；負荷系數(shù)。(5) 用戶平均停電電量 AENS （kW.h/用戶.年） (2-21)其中,AENS系統(tǒng)一年中總的停電電量損失平均到系統(tǒng)

27、內(nèi)每個由系統(tǒng)供電的用戶的平均電量；負荷點 i 的用戶數(shù)。上述式（2-10）到（2-21）表示與用戶有關的及負荷和電量有關的配電系統(tǒng)可靠性指標，既可用于現(xiàn)有配電系統(tǒng)可靠性的統(tǒng)計分析（即評估過去），又可用于對配電系統(tǒng)未來的可靠性進行預測7。2.4 配電系統(tǒng)可靠性分析的解析法解析法采用故障枚舉法進行狀態(tài)選擇，用解析的方法計算可靠性指標。解析法基于馬爾可夫模型，用數(shù)學方法從數(shù)學模型中估計可靠性指標。在實際工作中這種方法使用的最多，因為大多數(shù)的系統(tǒng)和子系統(tǒng)都可用數(shù)學模型描述，可以用來估計大規(guī)模系統(tǒng)的可靠性指標。解析法一般用于估計負荷點和系統(tǒng)可靠性指標的平均值或期望值，平均值在配電系統(tǒng)可靠性估計中是系統(tǒng)的

28、基本指標，但在指標變化性上不提供任何信息。這種方法描述了存在于實際系統(tǒng)中的因果關系，在給定的假設條件下，一般可求得準確的結果。當系統(tǒng)復雜時數(shù)學方程式會變得十分復雜，因而需要進一步地簡化或近似，許多近似技術因此而發(fā)展起來，得到近似結果。在配電系統(tǒng)可靠性估計中，解析法發(fā)展得已經(jīng)比較成熟了。解析法在美 、加、英等國的應用比較廣泛。解析法中最常用的方法是故障模式后果分析法（FMEA），還可以把網(wǎng)絡法、近似法、狀態(tài)空間法等方法作為工具來簡化故障模式后果分析法。在配電系統(tǒng)可靠性研究的幾十年中，國內(nèi)外專家結合配電系統(tǒng)的特點，提出了許多基于減少計算量的改進算法。本文把這些方法規(guī)類為：故障模式后果分析法、網(wǎng)絡簡

29、化法（在FMEA 的基礎上化簡系統(tǒng)網(wǎng)絡）、區(qū)間算法和智能算法等。2.5 分布式發(fā)電技術 2.5.1 分布式電源分布式發(fā)電一般指距離用戶很近的50MW以下的小型發(fā)電系統(tǒng)，它既可以獨立于公共電網(wǎng)直接為少量用戶提供電能，也可將其接入配電網(wǎng)與公共電網(wǎng)一起為用戶提供電能。它是以資源和環(huán)境效益最大化，以能源利用效率最優(yōu)化確定運行方式和容量的新型能源系統(tǒng)。分布式發(fā)電有助于促進能源的可持續(xù)發(fā)展、改善環(huán)境并提高綠色能源的競爭力。常見的分布式電源及其特點如下：（1） 光伏發(fā)電：光伏發(fā)電是根據(jù)光生伏特效應原理，利用太陽電池將太陽光能直接轉化為電能。光伏發(fā)電的總轉換效率大約為25%，投資成本高，功率輸出具有很強的隨機

30、性和間歇性，夜晚功率輸出為零，穩(wěn)定性和可控性差。（2） 風力發(fā)電：風力發(fā)電是一種將風能轉換成電能的發(fā)電方式。風力發(fā)電的總轉換效率大約為30%，功率輸出也具有很強的隨機性和間歇性，穩(wěn)定性和可控性差，經(jīng)濟指標逐漸接近情結煤發(fā)電。（3） 微型燃汽輪機：微型燃汽輪機是以天然氣、甲烷、汽油、柴油為燃料的超小型汽輪機。微型燃汽輪機的發(fā)電效率可達30%，功率輸出較恒定且可調(diào)，具有很好的穩(wěn)定性和可控性。（4） 燃料電池：燃料電池的工作原理是含氫的燃料與空氣中的氧氣結合生成水，氫氧離子定向移動在外電路形成電流，將化學能轉換成電能。燃料電池的轉換效率可達80%-95%,綜合利用效率可達60%-80%，跟蹤負荷變化

31、的速度很快，適應負荷變化的能力很強，穩(wěn)定性和可控性很好。除了上面介紹的4種分布式發(fā)電外，還有儲能電池、小水電站、生物質能發(fā)電、海洋潮汐發(fā)電、垃圾發(fā)電等。2.5.2 分布式電源的接入方式分布式電源接入配電網(wǎng)的電壓等級一般是10kV-110kV,不同電壓等級的配電網(wǎng)的接線方式不同，分布式電源的接入方式也不同，通常可將分布式電源集中接入變電站母線和分散接入饋線，如圖2.3所示。從提高配電網(wǎng)供電可靠性的角度來看，分布式電源的分散接入饋線方式能提高配電網(wǎng)的可靠性，集中接入母線的方式則等同于主電源，對配電網(wǎng)的可靠性沒有改善作用。由于DG的不同接入模式將對DG的接入容量產(chǎn)生較大影響，因此本文首先介紹DG的幾

32、種主要接入模式。(1) 低壓分散接入模式:是一種基于用戶的接入模式，主要是將小容量DG接入中壓配電變壓器低壓側。(2) 中壓分散接入模式:是指將容量中等的DG接入中壓配電線路支線的方式。(3) 專線接入模式：DG容量較大時，為避免對用戶電能質量產(chǎn)生影響，宜考慮以專線形式接入高壓變電站的中、低壓側母線。受容量所限，采用此模式的 DG所接入的電壓等級通常也為中壓。無論DG采用何種方式接入配電網(wǎng)，都應當滿足的重要原則是不能向上一電壓等級送電，這主要是原本用來降壓的中壓配電變壓器在升壓過程中不僅允許通過容量有所下降，而且傳輸功率的損耗也將大幅提升8。因此，低壓接入的DG的最大出力必須限制在配變最小負荷

33、之內(nèi)，故可將低壓接入的DG與配變原來負荷整體等效為一個負荷，此負荷與其他用戶負荷均具有類似的波動性和不確定性，對配電網(wǎng)運行無特殊影響。(a) DG通過母線接入(b)DG通過饋線接入圖2.3分布式電源的接入方式 2.5.3 分布式電源的并網(wǎng)方式分布式電源并網(wǎng)方式一般有兩種，一種是直接與主電網(wǎng)并聯(lián)，另一種是通過聯(lián)絡開關的切換操縱實現(xiàn)并網(wǎng)，如圖2.4所示。分布式電源直接與主電網(wǎng)并聯(lián)的方式，分布式電源和主電源共同為負荷供電，當主電源和分布式電源中的一個電源發(fā)生故障時，另一個電源繼續(xù)為負荷點供電，負荷點將得到連續(xù)不斷的供電，但是這種并網(wǎng)方式中，分布式電源和主電源都需要配置保護裝置，以防止短路電流損壞主電

34、源和分布式電源。分布式電源通過聯(lián)絡開關的切換操作與主電網(wǎng)并網(wǎng)的方式中，分布式電源和主電源互為備用電源，當主電源和分布式電源中的一個電源發(fā)生故障時，通過聯(lián)絡開關的切換操作，另外一個電源啟動并繼續(xù)為負荷點提供電力，負荷點需經(jīng)過聯(lián)絡開關倒閘操作時間的停運。 （a)并聯(lián)并網(wǎng) （b)切換并網(wǎng)圖2.4分布式電源的并網(wǎng)方式2.5.4 分布式電源的運行方式分布式電源的運行方式主要有三種類型，即分布式電源作為主電網(wǎng)的備用電源、主電網(wǎng)作為分布式電源的后備電源和分布式電源與主電網(wǎng)并網(wǎng)運行。分布式電源作為主電網(wǎng)的備用電源運行方式中，分布式電源在主網(wǎng)正常運行時處于停機閑置狀態(tài)，當主網(wǎng)發(fā)生故障時，分布式電源啟動，通過并網(wǎng)

35、開關的操作實現(xiàn)分布式電源對部分負荷點的供電，從而提高了系統(tǒng)的供電可靠性。但該種運行方式由于分布式電源的投資大，而只是為了故障情況下少量甩負荷，不能刺激投資，但可作為重要負荷的備用電源。主電網(wǎng)作為分布式電源的后備電源運行方式中，分布式電源獨立運行，有強大的主電網(wǎng)作為支撐，電能質量可以得到保證。當分布式電源發(fā)電量不足時，缺額部分由主電網(wǎng)提供；當分布式電源發(fā)電量充裕時，多余電量注入主電網(wǎng)。因此，該種運行方式可使分布式電源在比較經(jīng)濟的工況下運行，能夠刺激投資，但該種運行方式不能提高系統(tǒng)的可靠性。分布式電源與主電網(wǎng)并網(wǎng)運行中，在主電網(wǎng)發(fā)生故障時，電網(wǎng)中將會出現(xiàn)孤島運行。該種運行方式對系統(tǒng)可靠性的影響，既

36、有積極的一面也有消極的一面，如果能與保護控制裝置良好配合，則可以提高系統(tǒng)的可靠性，反之，則會使系統(tǒng)可靠性變差，該種運行方式能夠很好地實現(xiàn)可靠性與經(jīng)濟性間平衡9。2.5.5 分布式電源孤島運行方式 隨著對分布式發(fā)電的逐步發(fā)展、分布式電源發(fā)電容量的穩(wěn)定增長以及分布式電源通過并網(wǎng)對系統(tǒng)容量的提升，為了更好的通過運用分布式電源，使改善系統(tǒng)的供電可靠性得到改善，IEEE新頒布了的一套解決孤島問題的標準：IEEE1547-200337。新標準中允許有意識的孤島存在，并且鼓勵供電方和電力用戶通過技術手段主動地構成分布式電源的孤島運行。通常，分布式電源孤島運行分短時間斷供電及不間斷供電兩種孤島運行兩種模式。3

37、 基于MATLAB軟件的介紹與分析3.1 MATLAB軟件介紹 本文所用到的仿真軟件是 MATLAB 軟件。由于 MATLAB 可信度高、靈活性好、使用方便、人機界面直觀、輸出結果可視化，因而在世界范圍內(nèi)被科學工作者、工程師和大學生們廣泛應用。MATLAB 帶有一些強大的具有特殊功能的工具箱，而且隨著近年來它的版本不斷升級，所含的“工具箱”功能越來越豐富，工具越來越多，應用范圍越來越廣，涵蓋了當今幾乎所有的工業(yè)、電子、醫(yī)療、建筑等各個領域，已經(jīng)成為國際上最流行的軟件之一。 3.1.1 MATLAB軟件簡介MATLAB 的含義是矩陣實驗室（Matrix Laboratory），它的名字是由MAT

38、rix 和LABoratory兩個詞的前3個字母組合而成的。MATLAB自問世以來，就是以數(shù)值計算見長。MATLAB具有很強的數(shù)值計算功能，在MATLAB環(huán)境中，有超過500種數(shù)學、統(tǒng)計、科學及工程方面的函數(shù)可使用。經(jīng)過十多年的完善和擴充，MATLAB現(xiàn)已成為線性代數(shù)課的標準工具。由于它不須定義數(shù)組的維數(shù)，并給出了矩陣函數(shù)、特殊矩陣專門的庫函數(shù)，使之在求解諸如信號處理、建模、系統(tǒng)識別、控制、優(yōu)化等領域的問題時，顯得大為簡捷、搞笑、方便，這是其他高級語言所無法比擬的。MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可

39、以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應用于工程計算、控制設計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設計與分析等領域。MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。 3.1.2 MATLAB系統(tǒng)主要包含的內(nèi)容盡管MATLAB 開始并不是為控制理論與控制系統(tǒng)的設計者們編寫的，但以它的“語言”化的數(shù)值計算，強大的矩陣處理及繪圖功能，以及靈活的

40、可擴充性和產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)思路，很快就成為自動控制界研究人員所矚目。目前，在自動控制、圖像處理、語言處理、信號分析、震動理論、優(yōu)化設計、時序分析和系統(tǒng)建模等領域，由著名專家與學者以MATLAB為基礎開發(fā)的使用工具箱極大的豐富了MATLAB的內(nèi)容。 常見的MATLAB工具箱有以下幾種： （1） Communications Toolbox（通信工具箱） （2） Control Systems Toolbox（控制系統(tǒng)工具箱）（3） Data Acquisition Toolbox（數(shù)據(jù)獲取工具箱） （4） Database Toolbox（數(shù)據(jù)庫工具箱） （5） Filter Design Tool

41、box（濾波器設計工具箱）（6） Fuzzy Logic Toolbox（模糊邏輯工具箱）（7） Image Processing Toolbox（圖像處理工具箱） （8） Neural Network Toolbox（神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱） （9） Model Predictive Control Toolbox（模型預測控制工具箱） （10） Optimization Toolbox（優(yōu)化工具箱） （11） Robust Control Toolbox（魯棒控制工具箱）（12） Signal Processing Toolbox（信號處理工具箱） （13） Statistics Toolbox（

42、統(tǒng)計學工具箱） （14） System Identification Toolbox（系統(tǒng)識別工具箱） （15） Wavelet Toolbox（小波分析工具箱） （16） Partial Differential Equation Toolbox（偏微分方程工具箱）（17） High-order Spectral Analysis Toolbox（高階譜分析工具箱）（18） Spline Toolbox（樣條工具箱） （19） Fixed-Point Blockset （定點預算模塊集） 另外，模型輸入與仿真環(huán)境Simulink更使 MATLAB為控制系統(tǒng)的仿真與 CAD中的應用開辟了嶄新的

43、局面，使MATLAB成為目前國際上最流行的控制系統(tǒng)計算機輔助設計的軟件工具。MATLAB不僅流行于控制界，在生物醫(yī)學工程、語言處理、圖像信號處理、雷達工程、信號分析以及計算機技術行業(yè)中也都有廣泛的應用。 3.2 遺傳算法簡介 標準遺傳算法是一種基于生物自然選擇和基因遺傳學原理的優(yōu)化搜索方法。遺傳算法是模擬達爾文的遺傳選擇和自然淘汰的生物進化過程的計算模型。即根據(jù)生物界適者生存的原理進行優(yōu)化。算法以一個群體中的所有個體為對象，并利用隨機化技術指導對一個被編碼的參數(shù)空間進行高效搜索。其中，選擇、交叉和變異構成了遺傳算法的遺傳操作；參數(shù)編碼、初始群體的設定、適應度函數(shù)的設計、遺傳操作設計、控制參數(shù)設

44、定五個要素組成了遺傳算法的核心內(nèi)容。遺傳算法模擬了自然選擇和遺傳中發(fā)生的選擇、交叉和變異等現(xiàn)象。 遺傳算法的優(yōu)點為：（1) 遺傳算法處理的是參數(shù)的編碼而不是參數(shù)本身，也就是說其操作是在給定的字符串中進行的。這種對決策變量的編碼處理方式，使得在優(yōu)化計算中能充分借鑒生物學中染色體和基因概念，模仿自然界中的生物遺傳和進化機制，方便的運用各種遺傳算子；（2) 遺傳算法的本質并行性。遺傳算法按照并行方式搜索種群中所包含的所有點，而不是單點。它的并行性表現(xiàn)在兩個方面，一是遺傳算法的內(nèi)在并行性，即遺傳算法本身非常適合大規(guī)模并行計算。二是遺傳算法的內(nèi)含并行性，它采用種群的方式組織搜索，同時搜索解空間內(nèi)的多個區(qū)

45、域，并相互交流信息；（3） 遺傳算法只需要影響搜索方向的目標函數(shù)本身，而不需要目標函數(shù)的導數(shù)或其他輔助信息，因而具有廣泛的適應性；（4）遺傳算法使用概率規(guī)則而不是確定性規(guī)則指導搜索，能處理病態(tài)、離散型的優(yōu)化問題；（5） 遺傳算法強調(diào)概率轉換規(guī)則，而不是確定的轉換規(guī)則。 遺傳算法的缺點為：（1) 由于基本遺傳算法的各代方案都直接遺傳，所以各代產(chǎn)生的較好結果有可能在遺傳過程中丟失，最后得到的結果僅僅是最后一次迭代的結果，有可能失去比該結果更好的解，即不能夠得到全局最優(yōu)解；（2) 遺傳算法仿效生物進化和遺傳的過程，從隨機生成的初始可行解出發(fā)，通過選擇操作、交叉操作和變異操作等遺傳操作過程，遵循優(yōu)勝劣

46、汰的原則，不斷循環(huán)執(zhí)行，逐漸逼近全局最優(yōu)解。遺傳算法的交叉概率和變異概率對算法的收斂性和種群中個體的多樣性有重大的影響，基本遺傳算法的交叉概率和變異概率都是根據(jù)具體問題靜態(tài)設置的，這種參數(shù)選擇方法具有一定的盲目性，不能夠隨著問題的變化而變化，導致遺傳算法很容易陷入局部最優(yōu)，發(fā)生早熟現(xiàn)象10。3.2 改進遺傳算法簡介 標準的遺傳算法在選擇的過程中，常常采用輪盤賭的形式進行選擇，具有高適應度的個體容易被選擇，這樣就會導致使用度高的個體在種群中急劇增多，甚至支配整個種群的進化方向。一旦發(fā)生這種情況，即使存在交叉和變異操作，但也很難跳出，從而導致搜索停止在局部很小的范圍，特別容易導致過早收斂的現(xiàn)象?；?/p>

47、于精英策略的改進遺傳算法，從理論說來說可以改善算法的全局收斂的效果，但是由于精英策略只是不斷保留上代的最優(yōu)個體，有可能把包含最優(yōu)解信息的適應度比較低的個體替換了，導致只可能一直保留局部的最優(yōu)解11。 在常規(guī)選擇操作的改進之上。Cavichio 在 1970 年提出了基于預選擇機制的選擇策略，其基本做法是：當新產(chǎn)生的子代個體的適應度超過其父代個體的適應度時，所產(chǎn)生的子代才能代替其父代而遺傳到下一代群體中去，否則父代個體仍保留在下一代群體中。由于子代個體和父代個體之間編碼結構的相似性，所以替換掉的只是一些編碼結構相似的個體，故它能夠有效的維持群體的多樣性12。 共享函數(shù)（Sharing Funct

48、ion）是表示群體中兩個個體之間密切關系程度的一個函數(shù)，可記為S（d）其中表示個體i和j之間的關系。例如，個體基因型之間的海明距離就可以為一種共享函數(shù)。這里，個體之間的密切程度主要體現(xiàn)為個體基因型的相似性或個體表現(xiàn)型的相似性上。當個體之間比較相似時，其共享函數(shù)值就比較大；反之，當個體之間不太相似時，其共享函數(shù)值比較小。共享度是某個個體在群體中共享程度的一中度量，它定義為該個體與群體內(nèi)其它各個個體之間的共享函數(shù)值之和，用S表示：S =（i=1，M）。3.3 改進后遺傳算法的選擇操作 進化初期采用小生境的共享函數(shù)進行選擇，這樣可以確保選擇的多樣性，在進化的后期，引進精英策略，保留每代中的最佳個體，

49、以概率1收斂到全局最優(yōu)解。共享函數(shù)采用基因型的海明距離。兩個碼字的對應比特取值不同的比特數(shù)稱為這兩個碼字的海明距離。 共享度是某個個體在群體中共享程度的度量，它定義為此個體與群體內(nèi)其他各個個體之間的共享函數(shù)之和： （i=1,2,.N) (3-1)式中為兩個個體之間的海明距離的倒數(shù)，N 為個體數(shù)目。通過計算出群體中各個個體的共享度之后，依照下面的公式來調(diào)整個體的適應度。 （i=1,2,.N) （3-2） 進化的后期，通過對個體進行交叉、變異等遺傳操作而不斷的產(chǎn)生出新的個體。雖然隨著種群的進化過程會產(chǎn)生越來越多的優(yōu)良個體，但是由于選擇、交叉和變異等操作的隨機性，它們有可能破壞當前種群中適應度最好的

50、個體。這是我們不希望發(fā)生的，因為這樣會降低種群的平均適應度，對算法朝優(yōu)化方向進化有著不利的影響。因此，我們希望能夠將每一代種群中產(chǎn)生的最優(yōu)秀的個體保存下來，進而進入到下一代的遺傳操作中去，為了達到這個目的，可以將當前最優(yōu)秀的個體不參加交叉、變異等遺傳操作，而是用它來替換當前群體中經(jīng)過交叉、變異等遺傳操作后適應度函數(shù)值最低的個體13。精英選擇策略的具體操作過程如下: （1）找出當前群體中適應度最高的個體和適應度最低的個體。 （2）若當前群體中最佳個體的適應度比目前的最佳個體的適應度還要好，則用當前群體中的最佳個體作為迄今為止最好的個體。 （3）若當前群體中最佳個體的適應度小于目前最佳個體的適應度

51、，則用最佳個體去替換群體中適應度最低的個體。理論已經(jīng)證明精英選擇策略在進化代數(shù)足夠多時，可以以概率1收斂到全局最優(yōu)解。 自適應交叉、變異操作遺傳算法中交叉概率 cP 和變異概率 mP 的選擇直接影響算法的收斂性。交叉概率和變異概率太小使系統(tǒng)陷入局部最優(yōu)解而無法脫離，若太大雖然能脫離局部最優(yōu)解，卻會因變異和交叉次數(shù)過于頻繁而造成系統(tǒng)不易穩(wěn)定和收斂14。為了改進基本遺傳算法的這一不足本文在文獻的基礎上提出了一種新的自適應交叉、變異概率計算公式如下： 當 時； 當 時， 當 時， 當 時， 式中：為群體中最大的適應度值，為每代群體的平均適應值，為要交叉的兩個個體中較大的適應度值，為要變異個體的適應度值。 4 分布式電源接入配網(wǎng)后的MATLAB遺傳算法算例4.1 單電源配電網(wǎng)可靠性分析 如圖系統(tǒng)共有37條支路，具體網(wǎng)絡參數(shù)如下：4-1 算例系統(tǒng)參數(shù)支路首節(jié)點末節(jié)點電阻（）電抗（）有功（Kw)無功（Kw)1120.09220.047100602230.4930.251190403340.3660.1864120804450.38110.194160305560.8190.70760207780.7