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摘要：经济的发展，城市化进程的加快，人们对电能的需求也逐渐增加。在现有城市配电网中，传统的交流配电方式仍是主流。但随着电力电子技术的不断发展，相比于交流配电网，直流配电网在许多方面都取得了技术和经济上的优势。比如，节省了分布式电源和直流负载接入所需的换流环节，减少了设备成本和换流损耗；减少了因传输无功引起的功率损耗和电压降落，提高了供电容量和供电半径；拥有可以四象限运行的换流器，增强了配电系统的可控性，提高了交流侧的电能质量。因此，直流配电成为了交流配电之外未来配电网发展的又一方向。本文就交直流配电网关键设备可靠性评估展开探讨。
关键词：交直流配电网；可靠性评估；直流变压器
引言
对于交直流配电网的可靠性评估已有大量学者进行了深入的研究，其中评估方法主要包括解析法与模拟法。但是柔性直流配电网以及交直流配电网的相关研究中，对于可靠性评价方法的研究仍然较少。因此，交直流配电网的可靠性评估具有重要的实际意义和价值。
1交直流配电网结构
交直流配电网结构如图1所示。10kV交流主网1、10kV交流主网2通过PET1、PET2以及直流线路构成手拉手结构的交直流混合配电网，两台PET的低压侧端口可根据实际需要，连接不同类型的交直流负荷，集中式光伏经过DC/DC变换器升压后接入±10kV直流网络。图1中列举了目前较为常用的直流负荷，如电动汽车、LED路灯、储能装置、家电及通信电源等。
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图 1 交直流配电网结构
2直流配电网技术特点
与传统交流配网相比，直流配电网主要有以下特点：（1）提高电能质量。直流系统用户侧电能质量主要考量电压偏差和波动。直流母线的存在隔离了用户侧频率偏差对更高电压等级配电网和输电网的影响，电能质量也可相应地进行区域化管理。柔性直流配电网中的换流器可以灵活发出或吸收无功功率，从而动态补偿交流母线和用户负载的无功功率，并稳定交流母线和用户侧交流电压。（2）有利于电网设备的优化设计。直流配电网只有正负两极，能节省大量的线路建设费用。两条极性相反的架空线通常采取相邻排布，对外界产生的磁场几乎可以完全抵消，故可与煤气、水管敷设在同一管道，节省空间资源。相同有效值的直流电压的峰值约比交流电压小40%，减少电缆绝缘介质的投资。在直流配电网的情况下，分布式电源及储能装置的接口设备与控制技术相对简单，且分布式电源通过直流方式集中并网，较交流分布式并网接入方式对交流电网影响更小，设备投资更低。（3）满足负荷特性的要求。我国用电量的70%左右都由动力负荷消耗，通过直流供电可省去变频器中的整流器部分，传统电机负荷采用变频调速技术可以节能降耗并有效提升电机的工作性能和运行效率。同时，多数家电可以采用直流供电，运行时产生的电压和电流纹波大幅降低，电能损耗可相对减少15%以上。
3交直流配电网可靠性评估方法
3.1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：
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———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。
3.2最小割集法
在多电源、结构复杂的配电网络中，每一个负荷点存在一条或多条连通电源的供电路径。当移除配电网的多个元件使得负荷点停电，放回任一元件负荷点即可恢复供电时，这些元件构成的集合即为该负荷点的最小割集[22]，集合内元件数量即为最小割集的阶数。通常只考虑到二阶最小割集。通过求取各负荷点的最小割集，即可将复杂的网络结构转变为简单的元件串并联关系。二阶割集中的2个元件是并联关系，因此可得等效的故障率和修复时间分别为
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式中
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分别为二阶割集中2个元件的故障率和修复时间。割集间为串联关系，则负荷点的可靠性指标为割集间为串联关系，则负荷点的可靠性指标为
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式中：S为负荷点的一阶和二阶最小供电割集的集合；
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分别为第i个供电割集的等效故障率和修复时间。
3.3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。
结语
随着直流负荷比例的日益增大，直流配电网的可靠性将不断提高，但提高效果有限。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：
［1］黄仁乐．交直流混合配电网关键技术研究［J］．供用电，2019，33（8）：1．
［2］李霞林，郭力，王成山，等．直流微电网关键技术研究综述［J］．中国电机工程学报，2018，36（1）：2-17．
［3］史清芳，徐习东，赵宇明．电力电子设备对直流配电网可靠性影响［J］．电网技术，2018，40（3）：725-732.