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摘要：近年来研究表明，基于柔性直流技术的交直流配电网在未来更适合现代城市配电网的发展。首先，交直流配电网可以更好地接纳电动汽车蓄电池和分布式电源;其次，可以有效缓解城市电网站点走廊有限和高负荷密度所带来的矛盾，同时在负荷中心提供动态无功支持，提高系统整体可靠性水平，减少系统损耗。因此，发展交直流配电网系统可以有效提升城市配电系统的电能质量、可靠性和运行效率。但是由于当前中压直流断路器、直流变压器等关键设备的技术不成熟，并且建设标准不完善，基于柔性直流配电技术的配电网建设还处于起步阶段，所以有必要针对设备以及配电系统给出相应的经济性水平和可靠性水平进行评估分析。
关键词：交直流配电网；关键设备；可靠性评估
1交直流配电网典型网络结构
目前已有或规划中的交直流配电系统示范工程多为多端供电方式。从高、中、低3个电压等级总结了7种直流配电系统的典型应用场景，其中中高压直流配电网主要可应用于交流配电网的柔性互联、多端柔性直流配电网，以及接入大规模可再生能源发电等。为了不失一般性，本文考虑交直流配电网为3端结构，通过电压源型换流器VSC1—VSC3及相应的隔离变压器连接本地交流配电网。多端供电结构可提高中压直流配电网的运行可靠性，更重要是该结构可实现交流配电网多馈线间的柔性互联与功率灵活控制。交直流配电网内部则可通过直流线路和多节点/母线连接如下2部分：
1）集中交/直流负荷、新能源发电和储能系统。直流配电网可通过DC-AC或DC-DC变流器为集中式交/直流负荷供电；大容量新能源发电系统亦可通过相应的变流器就近接入到直流配电网中；为平抑直流配电网功率波动和提升系统稳定性，还可在关键节点处配置一定容量的储能单元。
2）交/直流微电网。用户侧可以微电网的形式集成本地负荷、分布式电源及储能系统，然后通过双向变流器接入直流配电网，紧急工况下直流配电网可与交/直流微电网进行相互支撑。
2交直流配电网关键设备可靠性评估
2.1配电网可靠性评估方法
适用于柔性直流配电系统的可靠性分析方法不仅需要考虑直流系统具备多端供电的特征，还要充分考虑单/双极运行方式切换、直流负荷的接入以及分布式电源的接入对系统可靠性指标的影响。目前对于配电网的可靠性评估方法主要包括解析法与模拟法。针对直流配电系统典型特点，本文选用解析最小割集法作为交直流配电网可靠性评价方法，其主要具备以下两点优势。
(1)柔性直流配电网与传统交流配电网常用的辐射状的拓扑结构相比，其网络拓扑结构更为复杂，而最小割集法可以将复杂的网络拓扑结构转化为简单的串并联结构进行数学计算和分析。
(2)与蒙特卡罗模拟法相比，解析最小割集法在处理小系统时具有计算速度快、内存需求少的优点。
最小割集法通过搜索各负荷点的最小割集，可将复杂的网络结构转变为简单的元件串并联关系计算系统的等值可靠性指标。一阶割集由单个元件构成，因此一阶割集的等值故障率λe以及修复时间re和元件的参数一致。而割集之中的元件关系是并联的，因此可得一个二阶割集的等效故障率和修复时间分别表示如下:
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式中:λe，re，Ue———二阶割集的等值故障率、等值故障平均修复时间、等值年平均停运时间。
得到负荷点在系统中所有的一阶割集和二阶割集之后，由于系统中割集与割集为串联关系，可以计算负荷点的可靠性指标:
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式中:S———一阶和二阶供电割集的集合。
2.2计及单、双级运行方式可靠性评估方法
在直流配电网系统中通常采用金属导线回流方式。直流电流在线路正常工作时主要流过两极线路，只有少量的不平衡电流流过中间线路;当线路发生单极接地短路或单极开路时，直流断路器通过倒闸迅速将线路切换到单极与金属回路运行，使得该负荷点恢复正常供电，提高了直流配电网系统的可靠性。在直流配电网可靠性评估方法中引入这种影响时，需要相应的对直流线路模型的可靠性参数进行修正。假定直流线路单位长度单极运行方式下故障率为λl1，故障修复时间为rl1，那么正常工作状态下的故障率为λl，故障修复时间为rl，系统直流线路长度为L，则考虑单极运行方式下的线路的故障率以及故障修复时间为
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将原有的线路可靠性参数替换为修正后的线路可靠性参数，并代入直流配电网系统的可靠性指标求解过程，即可得到考虑了直流线路单极运行这一特殊运行方式后的直流配电网系统可靠性。
2.3计及含分布式电源配电系统可靠性评估方法
将风机、光伏等分布式电源接入配电网，将会改变配电系统的运行方式以及系统运行可靠性。当系统正常运行时，分布式电源采用并网运行方式，配电系统由上级电源和分布式电源共同向负荷供电;当系统主供电线路发生故障，系统开关操作将故障隔离后会导致下游负荷点与主电源供电路径切断。通过开关动作使下游失电区域切换至孤岛运行方式，由分布式电源就近向负荷供电。当下游失电系统切换至孤岛运行状态时，由于风力、光照等资源受到地理或气候等因素的影响，所以风力发电以及光伏发电等新能源发电的输出功率具有间隙性以及波动性等特点。同时，负荷功率具备一定的波动性，因此失电范围内的分布式电源在某些情形下无法保障给予负荷点足够的功率支持。在一定的供电恢复方式以及转供电源容量约束下，定义下游失电负荷获得电力供应支撑的概率为负荷转供概率。此时考虑分布式电源接入配电系统，假定失电区域负荷转供率为Prs，则失电范围内负荷点的可靠性指标将修正为
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可靠性指标的修正将会减小不同故障场景下失电区域负荷点的故障停电率以及故障停电时间。当前配电网故障负荷恢复策略制定为下游失电范围的分布式电源联合为失电范围内负荷供电。由于分布式电源出力以及负荷具备一定的随机性，为便于实际计算，采用蒙特卡洛抽样方法，对DG出力和负荷功率进行抽样，当抽样的数量足够大的时候，认定负荷转供的抽样概率作为概率的无偏估计。在先前的可靠性计算流程的基础上，添加了分布式电源与负荷功率的抽样部分，根据抽样计算的结果修正负荷点的可靠性指标，进而修正系统可靠性指标，其中含分布式电源的配电网可靠性评估流程。
结语
随着分布式电源与电动汽车的发展，交直流配电网势必会成为未来配电网发展的一大趋势。但对于目前来说，交直流配电网的建设还处于起步阶段，因此，针对交直流配电网的可靠性评估研究具有重要的实际意义和价值。
参考文献
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