（电力电子与电力传动专业论文）配电自动化条件下配电系统供电可靠性评估.pdf

s u b j e c t r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nf o r d i s t r i b u t i o ns y s t e m sw i t h d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n s p e c i a l t y p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e r n a m e t a n gk a i c h e n g i n s t r u c t o r l i uj i a n a b s t r a c t s i g n a t u s i g n a t u d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n d a i so fg r e a ti m p o r t a n c ef o ri n c r e a s i n gr e l i a b i l i t yo f d i s t r i b u t i o ns y s t e m s t h ea p p r o a c ht oe v a l u a t er e l i a b i l i t yf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e m su n d e rt h e c o n d i t i o no f d ai si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s a s i m p l i f i e dm o d e lo fc o m p l i c a t e dd i s t r i b u t i o ns y s t e mf o rr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o ni s e s t a b l i s h e d ad i s t r i b u t i o ns y s t e mi sd i v i d e di n t om a n yd i s t r i b u t i o np a r t s i ne a c hp a r t t h e r ei s n oo p e r a t i o n a la p p a r a t u s i nt h ep r o c e s so fr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n f a u l t sa r es e tf o re a c hp a r t i n s t e a do f i n d i v i d u a la p p a r a t u s t h u st h ec a l c u l a t i o ne f f i c i e n c yi sr e m a r k a b l yi m p r o v e d t h ei n f l u e n c e so nr e l i a b i l i t yd u et of a u l t so nb u s e sa n ds w i t c h e sa n dm a l f u n c t i o no f c i r c u i tb r e a k e r sa n df u s e sa l ea n a l y z e da n di n c l u d e di nt h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n i na c c o r d a n c ew i t ht h ep r a c t i c eo fu t i l i t i e s t h es c h e d u l e dm a i n t e n a n c ei ss e to ne a c h f e e d e ri n s t e a do fe a c ha p p a r a t u si nt h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n b e s i d e s t h em a i n t e n a n c eo n b u s e sa n dt r a n s f o r m e r sa r ec o n s i d e r e d t h es u b p r o g r a mr e a l i z i n gt h en e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n i t l lt h ei n d e xo fm i n i m a ll o a d s h i e l d i n ga n d t h ec o n s t r a i n tc o n d i t i o no fc a p a c i t yl i m i t a t i o na n dc u r r e n ts e t t i n g so fe l e c t r i c a l a p p a r a t u su n d e rt h ec o n d i t i o n so ff a u l t s m a i n t a i n e n c ea n db e i n go v e r l o a di sc o m p l i s h e do n v c 6 0 b a s e do na b o v ew o r k s a na p p r o a c ht o r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nc o n s i d e r i n gn e t w o r k r e c o n f i g u r a t i o nb yd a i sd e s c r i b e d t h es o f t w a r eo fr e l i a b i l i t ye v m u m i o nf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e m sc o n s i s t i n go fa l lp r o p o s e d m e t h o d o l o g i e si sp r o g r a m m e do nv c 6 0 w h i c hi st e s t e d v e r i f i e da n dc o m p a r e d 丽t h c o n v e n t i o n a lm e t h o db yt y p i c a le x a m p l e s i ti sc o n c l u d e dt h a tt h ep r o p o s e da p p r o a c hi s f e a s i b l ea n dh a st h ea d v a n t a g e so fh i g h e re f f i c i e n c ya n dm o r ef a c t o r sc a nb ec o n s i d e r e d c o m p a r i s o n sa p p l i e di nt h ed i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e mi nl i n t o n gc o u r l t y t h er e s u l t so f t e s t i n gs h o wt h a tt h ep r o p o s e dm e t h o d s a r ef e a s i b l ea n dt h a tt h ep r o g r a mi ss a t i s f i e d k e y w o r d s d i s t r i b u t i o ns y s t e m s d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n d a r e l i a b i l i t y a n a l y s i s n e t w o r kr e c o n f i g u r a t i o n t h e s i s a p p l i c a t i o nr e s e a r c h 西要料技太学 学位论文独创性说明 本人郑重声明 所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果 尽我所知 除了文中加以标注和致谢的地方外 论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 一 学位论文作者签名 官i 峨 日期 砂一z t 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定 即 研究生在校攻读学位期问 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学 学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版 本人允许论文被查阅和借阅 学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文 同时本人保证 毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学 保密论文待解密后适用本声明 学位论文作者躲忍再嗡指剥币魏叫也 护 年 0 月2 o 目 1 绪论 1 绪论 1 1 配电系统供电可靠性评估研究的必要性 电力系统可靠性是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不问断的向电力用 户供应电力和电能能力的度且 其实质就是用最科学 经济的方式充分发挥发供电设 备的潜力 保证向全部用户不断供给质量合格的电力 从而实现全面的质量管理和全面 的安全管理 它的发展有着深刻的社会背景以及重要原因 随着国民经济和系统规模的 迅速增长 对于电力系统安全可靠性的要求必将越来越高 2 1 1 电力系统不断向超高压 远距离 大机组 大容量方向发展 不但要求提高 系统的经济性 而且对系统的安全可靠性也提出了新的更高的要求 6 0 年代以后 许多 国家的大电网相继发生了重大的事故 引起了大面积的停电 这些停电事件不但造成了 巨大的经济损失 而且危及社会秩序 对整个社会造成了一定的影响 为了预防这些事 故的发生 定量的评价和改善电力系统可靠性的研究 便越来越受到人们的重视 2 为了避免电力系统超高压 远距离 大机组 大容量的优越性被不利因素的 影响所抵消 对可靠性的研究也日益迫切 3 随着国民经济的发展 社会的高度信息化 现代化 办公设备的自动化 人 们对电力的依赖性越来越深 任何短时间的停电 频率偏差 瞬时电压下降 都会对生 产生活带来影响 因此 电力行业作为共用事业 政府从行政及立法上对供电质量 安 全性 可靠性提出了越来越高的要求 4 电力是国民经济发展必不可少的能源 近几年在西方国家的电力行业中引入 了市场竞争机制 其竞争的焦点是电力的可靠性和经济性 为了适应市场的需要 各国 电力公司重点研究和发展可靠性 配电系统的根本任务就是尽可能经济而可靠的将电力分配给各种用户 整个电力系 统的供电能力和质量都必须通过配电系统来实现 配电系统的供电可靠性指标实际上是 整个电力系统结构及运行特性的集中反映 因此 配电系统供电可靠性是整个电力系统 可靠性的一个重要组成部分 1 配电系统处于整个电力系统的最末端 直接与用户相连 是包括发电 输变 电和配电在内的整个电力系统与用户联系 向用户供应电能和分配电能的重要环节 一 旦配电系统或设备发生故障或进行检修 往往就会同时造成系统对用户供电的中断 直 到配电系统及其设备的故障或检修被排除或修复 恢复到原来的完好状态 才能继续对 用户供电 据不完全统计 用户停电故障中8 0 以上是由配电系统故障引起的 3 2 配电系统大多采用辐射式的网状结构 对单故障比较敏感 据国内外统计资 西安科技大学硕士学位论天 料表明 配电网络约占整个配电系统投资的6 0 及运行成本的2 0 它对用户配电系统 供电可靠性的影响也最大 其可靠性直接关系到国民经济和居民生活 3 随着电子科学技术的发展 以计算机为代表的高度信息化设备的广泛普及 用户对配电系统供电可靠性要求也越来越高 4 1 既使仅从加强配电系统供电可靠性所花 费的资金及其对社会和经济所产生的效益来看 配电系统在整个电力系统可靠性工程中 也具有极为重要的地位 因此 对配电系统供电可靠性的研究 是保证供电质量 实现电力工业现代化的重 要手段 对促进和改善电力工业生产技术和管理 提高经济效益和社会效益以及进行城 市电网建设和改造有着重要作用 配电系统供电可靠性问题已越来越为人们所关注 目 前 国际上发达国家对于配电系统的供电可靠性都有着较高的要求 一般都在9 9 9 9 以上 而在我国 电力事故调查规程 中已将1 0 k q 用户供电可靠率列入供电安全考 核项目之中 并且主管部门提出的供电企业的一流标准中 配电系统用户供电可靠率 市 中心 市区 城镇 不低于9 9 9 6 用户年平均停电时间小于8 7 6 小时 显然 这个水 平比起国际先进水平来 差距很大 所以 对配电系统供电可靠性进行研究 并提高其 整体水平 在我国就显得尤为重要 配电系统供电可靠性评估就是根据可靠性工程理论 采用一定的评估方法和评估手 段对整个系统的供电可靠性进行定量的预测 它是配电系统供电可靠性研究问题中的核 心内容 是进行配电系统供电可靠性管理的前提和基础 通过对供电可靠性的预测和评 估 能够找出配电系统的薄弱环节 发现影响供电可靠性的主要因素 从而可以针对存 在的问题提出具体的改进措施 进一步提高供电可靠性管理工作的水平并使整个系统的 安全性能和经济效益得到显著的增加 1 2 配电系统供电可靠性评估研究的现状及方法 国外 对于配电系统供电可靠性评估的研究起步较早 现在 供电可靠性评估已成 为许多国家配电系统规划决策中的一项常规性工作 美国 英国 加拿大 日本 法国 西欧及俄罗斯都成立了专门的研究机构 负责配宅系统供电可靠性评估原始数据的收集 和整理工作 并建立了完善的配电系统供电可靠性评估的指标体系 在配电系统供电可 靠性评估模型和算法上也取得了重要的研究成果 著己将评估结果用于配电网规划等方 面 大大的提高了配电系统的安全性能和经济效益 5 1 7 8 o 国内 对配电系统供电可靠性的研究始于上世纪8 0 年代初期 晚于发电和输电系 统的研究 由于缺乏必要的统计数据和行之有效的分析方法 发展较为缓慢 近年来 随着国民经济的飞速发展 城市用电负荷迅速增长 供需矛盾日益突出 供电可靠性在 生产管理工作中所占的位置也越来越重要 为使有限的资源取得最大的收益 迫切需要 对配电系统进行科学合理的规划 从而促进了配电系统供电可靠一平估的发展 1 绪论 目前求取电力系统可靠性指标的方法主要有模拟法和解析法两大类 模拟法 9 1 0 1 1 是通过对元件的概率分布采样来进行状态的选择和估计 利用统计试验方法得到可靠性 指标 该方法灵活且不受系统规模限制 但是耗时多而且精度不高 主要用于发 输电 组合系统的可靠性评估中 解析法是 1 2 1 3 1 根据电力系统元件的随机参数 建立系统的可 靠性数学模型 通过数值计算方法获得系统的各项指标 它可以进一步分为马尔可夫法 和网络法两类 马尔可夫法能够较好的处理各种复杂情况 但当系统规模大 结构复杂 时 该方法将变得十分繁复 网络法是配电系统供电可靠性评估中最为常用的传统方法 1 2 1 传统的配电系统供电可靠性评估方法 传统的配电系统供电可靠性评估方法是网络法 该方法也称为故障模式与后果分析 法 f a i l u r e m o d ea n d e f f e c t a n a l y s i s f m e a l l 在进行供电可靠性分析的过程中 f m e a 方法通过对系统中各元件状态的搜索 列出全部可能的系统状态 然后根据所规 定的可靠性判据对系统的所有状态进行检验分析 找出系统的故障模式集合 并在此集 合的基础上 求得系统的供电可靠性指标 在对系统中各元件状态的搜索 列出全部可能的系统状态的过程中 首先对系统进 行预想事故的选择 确定负荷点失效事件 即故障集 并对各个预想事件进行潮流分 析和系统补救 形成事故影响报表 将这些失效事件 事故 和影响报表统一存放在预 想事故表中 根据负荷点的故障集 从预想事故表中提取相应故障的后果 计算负荷点 的可靠性指标 系统可靠性指标则可从各个负荷点的可靠性指标中分析得到 负荷点失效事件包括 1 结构性失效又称全部失去连续性事件 t o t a ll o s so fc o n t i n u i t y t l o c 指 当负荷点和所有电源点之间的所有通路都断开时导致的该负荷点全部失电 通过寻找配 电网络的最d n 集可有效判断出导致t l o c 的停运组合 2 功能性失效又称为部分失去连续性事件 p a r t i a ll o s so f c o n t i n u i t y p l o c 它考虑到各元件的负载能力和系统电压约束 如果一个停运事件引起网络超过约束 则 必须断开或者削减某一点的负荷以消除过载或电压越限 可通过最小割集中的元件组合 来寻找可能引起p l o c 事件的停运组合 如二阶停运组合可以通过选择三阶割集中的所 有二阶组合来获得 确定停运组合之后 进行潮流计算并确定是否违反网络约束 即可 鉴别是否会发生p l o c 事件 配电系统对一阶故障敏感 高阶故障发生几率极低 因此 在使用该方法分析配电系统供电可靠性时可以略去三阶及以上停运事件 f m e a 方法比 较简单 并且网络模型与配电系统的拓扑结构有着自然的相似 但当网络规模变大时各 种故障后果分析将变得十分冗长 西安科技大学硕士学位论文 1 2 2 改进的配电系统供电可靠性评估方法 f e m a 法概念清晰 原理简单 但是具有计算过程繁琐 计算量大的不足 因此 大量学者都在f m e a 法的基础上继续经行了探索和研究 并提出了许多改进方法 1 最小路法 1 4 l 叫 连接任意两节点间的有向弧或无向弧组成的集合称为这两个节点间的一条路 如果 一条路中移去任意一条弧后就不再构成路则称这条路为最小路 最小路法是基于最小路 原理的快速评估方法 其基本思想是 对每一负荷点 求取其最小路 根据网络的实际 情况 将非最小路上的元件故障对负荷点可靠性的影响 折算到相应的最小路的节点上 从而对每个负荷点 仅对其最小路上的元件与节点进行计算 即可得到负荷点相应的可 靠性指标 基于最小路原理的快速评估方法的核心是求取每个负荷点的最小路 这样 整个系 统的元件便可分为两类 最小路上的元件和非最小路上的元件 对于最小路上的元件 处理原则为 如果系统无备用电源 那么最小路上的每个元件发生故障或检修 均会引起负荷 点的停运 所以 参与计算的为元件停运率 即故障率与计划检修率之和 和停运时间 如果系统有备用电源 且主馈线上装有分段装置 隔离开关或分段断路器 那 么分段装置前的元件发生故障引起的后段负荷点停运时间仅为m a x s t 其中s 为分 段装置的操作时间 t 为备用电源的倒闸操作时间 并且假设前段元件的检修不会引起 后段负荷的停运 对于非最小路上的元件 先根据系统的结构 将其对负荷点可靠性指标的影响折算 到相应的最小路的节点上 然后再按照上面所讲的方法处理即可 其处理原则如下 对于分支线 如果其首端装有烙断器 那么分支线上的元件发生故障 熔断器 熔断 故障不影响其它支线 如果主馈线上装有隔离开关或分段断路器 那么隔离开关或分段断路器后的元 件发生故障所引起的前段负荷点停运时间 为隔离开关或分段断路器的操作时间s 并 且后段元件的检修不会引起前段负荷点的停运 2 最d n 集法 2 1 7 1 8 l 如果最小路中的任一点不会通过网络中的任一支路 此点与同一最小路中在其前或 后的点形成的支路除外 与同一最小路中另一点相连 则称此最小路为基本最小路 其 余的最小路称为辅助最小路 一个切断所有基本最小路的最小割集也将切断所有的辅助最小路 因此 只要通过 切断基本最小路的故障元件对网络元件进行重新组合 就能充分地导出网络的全部最小 割集 对于一个复杂网络 基本最小路数目可能要比最小路数目少几个数量级 因此 l 绪论 导出最小割集的时间大大减少 计算速度大大提高 求出最小割集的方法与步骤如下 第一步形成最小路树 第二步由最小路树导出基 本最小路 第三步利用基本最小路求出最小割集 前两步算法比较简单 第三步可如下 实现 用n p 纪录基本最小路数 并把在基本最小路中出现的元件及出现的次数分别存 放在数组c o u n t i 1 c o l i n t i 2 中 若一元件出现的次数等于n p 则该元件构成一阶最小割集 这样就迅速找出全 部一阶最小割集 在c o u n t 数组中把对应形成一阶最小割集元件的值赋零 并压缩c o u n t 数组 在c o u n t 数组中找出构成最短基本最小路的元件并移到数组最前面 然后和后 面非最小路中的元件组合 形成二阶割集 若该割集中两个元件出现的次数之和不小于 n p 并且每个基本最小路中都至少包含其中一个元件 则该割集是二阶最小割集 再取最短基本最小路中的一个元件和非最小路中的两个元件的组合 形成三阶割 集 若三个元件出现次数总和不小于n p 同时每个基本最小路中都至少包含其中一个 元件 并且该割集中不包含二阶最小割集 则该割集是三阶最小割集 同理可找出四阶最小割集 除进行上述检查外 还要判断是否包含三阶最小割集 若有必要 对四阶以上的最小割集可以此类推求出 3 网络等值法1 1 9 2 0 1 实际的配电系统往往由主馈线和副馈线构成 结构复杂 网络等值法主要针对实际 配电系统的结构特点 利用一个等效元件来代替一部分配电网络 从而将一个复杂结构 的配电系统逐步简化为简单辐射状的主馈线系统 等值法分为两个步骤 首先是向上等 效过程 该过程主要处理下层元件对上层元件的可靠性影响 将一个复杂的副馈线分支 用等效分支线代替 逐层向上层等效 最终将网络简化为一个简单辐射状的主馈线网络 然后进行向下等效过程 该过程主要处理上层元件对下层元件可靠性的影响 将这种影 响用等效串联元件表示 并分层计算分布在各层的负荷点的可靠性 4 基于故障扩散的评估方法1 2 2 捌 这是一种对带子馈线的配电系统具有较强处理能力的供电可靠性评估方法 首先利 用前向搜索算法确定断路器动作影响范围 利用故障扩散方法确定故障隔离的范围 从 而可以确定节点的故障类型 根据受故障影响的时间不同 将所有节点分为不受故障影 响 受故障影响时间为隔离时间 受故障影响时间为隔离时间加切换操作时间 受故障 影响时间为故障修复时间4 种类型 根据节点的故障类型 便可得出各个负荷点以及 系统的供电可靠性指标 5 递归算法 2 4 l 递归算法利用了配电网络的基本结构多为树状的特点 首先将配电系统以馈线为单 西安科技大学硕士学位论文 位存储为树型数据结构形式 然后通过对树的递归遍历将配电系统的子馈线进行合理的 可靠性等效 简化为一个形式简单的网络 在遍历过程中递归调用可靠性计算公式 最 终得到整个配电系统的所有负荷点可靠性指标和整个系统的可靠性指标 这种算法利用了树型结构与配电系统结构的相似性 首先将配电系统的馈线作为树 的结点 将配电系统存储为树型结构 通过对树的后序遍历逐层将下层馈线对上层馈线 的影响等效成等效分支线 直至将包含主馈线和多条子馈线的复杂的配电网简化为简单 的馈线连接负荷点的 可以直接利用可靠性计算公式计算的简单结构配电系统 然后 通过对树的前序遍历 逐层计算连接在不同层馈线上的负荷点可靠性指标 找到表示上 层馈线上的元件对下层馈线上负荷点可靠性影响的等效串联元件 这样递归遍历下去 直到求出整个系统的负荷点可靠性指标 进而求出整个系统的供电可靠性指标 1 3 本文研究的意义及所完成的工作 综上所述 配电系统供电可靠性评估的研究具有巨大的理论价值和现实意义 前人 对此进行了大量的探索 并且已经取得了许多重要的成果 但是 无论是传统的研究方 法还是改进方法都存在着共同的不足 1 现有的供电可靠性评估方法或者以元件为单位计算 或者先对整个系统进行 分析并等效后再计算 由于系统中元件数目众多 网络结构复杂 因此具有计算量大 计算过程繁琐的不足 随着配电系统的迅速发展 这个缺点进一步的突出 对于部分特 别复杂的网络 采用现有的方法甚至很难得到评估结果 2 现有的供电可靠性评估方法没有深入考虑母线及开关的故障对于供电可靠性 指标的影响 配电系统中的母线和开关数量众多 这些元件发生故障的概率虽然较小 但是发生后往往会造成大量负荷点同时停电 后果比较严重1 2 8 09 1 因此忽略这些元件必 然会造成评估结果的不准确 3 现有的供电可靠性评估方法大多没有根据系统运行中的实际情况考虑计划检 修的影响 从而造成了评估结果的不够完全真实 4 现有的供电可靠性评估方法没有考虑配电系统的自动化对于供电可靠性指标 的影响 自动化的应用对于配电系统的供电可靠性具有直接影响 一方面 实现自动化 后开关的操作时间大大缩短 另一方面 实现自动化后 故障或检修时可以通过网络重 构尽快的恢复受影响的健全区域的供电 网络重构就是在满足系统约束条件 如保证系 统的连续性 辐射状连接以及不能超过元件的电气极限容量和继电保护电流整定值等 的前提下 确定使配电系统某一指标 如配电系统的线损 电压质量或供电可靠性等 最佳的配网运行方式 因此考虑自动化以及网络重构时 配电系统的供电可靠性指标不 仅取决于系统的网架结构 还受到元件电气极限容量和继电保护电流整定值的影响 目 前自动化在配电系统中的应用已经日益广泛 在进行供电可靠性评估时如果不考虑其影 6 1 绪论 响 所得到的结果肯定同样不能真实反映系统的实际运行情况 针对以上不足 本文总结和继承了前人的成果及经验 在对配电系统的特点和现状 进行整体分析并综合考虑影响评估指标的各种因素后 提出了一种配电系统的供电可靠 性评估方法 主要工作有 1 建立了面向配电系统供电可靠性评估的配电系统的简化模型 并将配电系统 分解为一些最小配电区域 各个最小配电区域内部不含有操作元件 以最小配电区域而 不是以单个元件为单位设置故障进行供电可靠性分析 以提高分析的效率 2 在配电系统供电可靠性评估中 综合考虑母线故障 开关故障 断路器及熔 断器发生拒动等情形的影响 3 在配电系统供电可靠性评估中 结合各供电局的实际检修工作计划 以各配 电线路为单位设置检修 并考虑母线及主变压器计划检修的情形 使评估结果更加符合 实际情况 4 文献 3 6 中提出了在故障 检修和过负荷情况下 以甩负荷总量最小为目标函 数 以配电系统中各个元件的电气极限容量和继电保护电流整定值为约束条件的配电网 络重构算法 该算法是对配电自动化条件下进行配电系统供电可靠性评估的关键 因此 需要将该算法作为子程序加以实现 5 综合前4 项工作 采用v c 6 0 实现综合考虑通过配电自动化进行配电网络 重构条件下的配电系统供电可靠住评估应用软件 6 采用典型算例进行了测试和验证 并与传统供电可靠性评估方法进行了比较 西安科技大学硕士学位论文 2 配电系统的供电可靠性指标及模型 建立可靠性指标及模型是进行配电系统供电可靠性评估的前提和基础 在进行分析 时 一般把研究对象划分为元件和系统两个层次 本文将对配电系统的供电可靠性评 估理论进行研究 给出评估的参数及指标 并建立元件的可靠性模型和网络的可靠性模 型模型 以此为基础 在对配电系统进行最小区域分解后 即能求出各最小配电区域的 可靠性等效参数 从而可以区域为单位分析供电可靠性 2 1 供电可靠性指标及参数 2 1 1 元件的可靠性参数 元件的可靠性参数是进行配电系统可靠性评估的基本元素和原始数据 在实际计算 中 这些参数值通常是在对各种运行记录经过统计以后得出的 一般有以下几项 1 年故障率五 次 公里 年或次 台 年 2 平均故障修复时间r 小时 次 3 年计划检修率五 次 公里 年或次 台 年 4 平均检修持续时间r 小时 次 需要指出的是 系统中的检修包括临时检修及计划检修 与故障情况类似 临时检 修也是随机事件 因此实际计算时 通常都将临时检修率归入故障率中 本文中的检修 仅指计划检修 2 1 2 负荷点的供电可靠性指标 负荷点的供电可靠性指标是衡量系统中各个负荷点供电能力的尺度 可以根据配电 系统中元件的可靠性参数经过计算后得出 常用指标有 1 年停电率 次 年 指负荷点i 在单位时间 通常为一年 中因配电系统 元件故障或检修而造成停电的次数 2 年停电时间b 小时 年 指负荷点i 在单位时间 通常为一年 中因配电系 统元件故障或检修而造成停电的时间数 3 平均停电时间 小时 次 指负荷点i 因配电系统元件故障或检修而造成停 电的每次停电的平均持续时间 以上三个指标之间存在着以下关系 u 2 i 2 1 2 配电系统可靠性评估指标及模型 2 1 3 系统的供电可靠性指标 系统的供电可靠性指标反映系统因故障或检修而造成供电中断的严重程度 可以 根据负荷点的供电可靠性指标经过计算后得出 常用指标有 1 系统平均停电频率s a i f i 次 户 年 s a i f i 是指系统中运行的用户在一年时间内的平均停电次数 可以用一年内用户停 电的累积次数除以配电网供电的总用户数来估计 计算公式为 s a i f i 用户断电总次数 用户总数 2 n n i 2 2 2 系统平均停运持续时间s a i d l 小时 户 年 s a i d i 是指系统中运行的用户在一年时间内经受的平均停电持续时间 可以用一年 时间内用户经受的停电持续时间的总和除以该年中由配电网供给的用户总数求得 计算 公式为 s a i d l 2 用户断电持续时间总和 用户总数 u n z n i 2 3 3 用户平均停电持续时间c a i d i 小时 户 年 c a i d i 是指一年中每个受停电影响的用户每次停电所持续的时间 它反映了该系 统里停电用户的电源 设备的备用情况 可以用一年时间内用户停电持续时间的总和除 以该年停电用户总户数求得 计算公式为 c a i d i 用户断电持续时间总和 用户断电总次数 u n a n 2 4 4 供电可靠率a s a i a s a i 是指一年中用户可用电小时数与用户要求的总供电小时数之比 计算公式为 a s a i 用户用电小时数 用户需电小时数 n i x8 7 6 0 u f 1 n 8 7 6 0 2 5 5 停电电量指标e n s m 1 j 时 年 e n s 是指系统在一年中因停电而造成用户总的电量损失 它的计算公式为 e n s l 彬 2 6 上述公式中 丑为负荷点i 的年停电率 u 为年停电时间 j 为用户数 三 f 为 平均负荷 9 西安科技大学硕士学位论文 2 2 元件的可靠性模型 配电系统由许多特有的元件所组成 如 架空线路 配电变压器 隔离开关 熔断 器等 在这些元件中 绝大部分是可修复元件 近似的认为元件各种状态之间的转移率 为常数 概率分布符合指数分布 因此可以用马尔可夫过程来分析 根据在系统中所完成功能的不同 可以将元件分为两类 功率元件和操作元件 它 们在系统中所起作用不同 对可靠性的影响也不相同 下面分别描述其可靠性模型 2 2 1 功率元件 配电系统中的功率元件包括变压器 输电线路 母线等 在可靠性分析中 还可以 将上一级电源 或系统 视为具有一定可靠度的功率元件 它们的功能主要是传送电能 对功率元件采用三状态模型 其状态转移关系用图2 1 来表示 图2 1 功率元件的可靠性模型 图中 n 为正常工作运行状态 m 为计划检修状态 r 为故障停电及修复状态 五 分别为故障率 计划检修率 单位为次 年 是由故障状态向正常工作状态的转 移率 它与故障恢复时间疋互为倒数 砌是由检修状态向正常工作状态的转移率 它 与检修持续时间乙互为倒数 设正常运行状态 计划检修和故障恢复状态的概率分别 为p 晶 则知 r 斥 1 2 7 稳态情况下其马尔柯夫状态方程为 厂一 厶 厶 矗 x r 乓 m 0 2 8 一厶 p 一心 r 0 l 厶 p 一 x 0 2 7 2 8 式联立求解 各状态的概率为 厂r 1 厶 如 如 1 2 9 五 肚 b 五 最 l 玮 k p 2 s x 昂 1 0 2 配电系统可靠性评估指标及模型 其中 b b k 厶 为功率元件可靠性的基本指标 2 1 2 2 操作元件 操作元件是指执行开关操作 使系统状态和拓扑发生改变的元件 包括断路器 负 荷开关 隔离开关 熔断器等 操作元件在配电系统可靠性分析中具有重要的地位 可 以根据自身特性及对系统可靠性指标的影响将其分为3 类 第l 类是可自动分断开关 包括断路器 熔断器等 它们可以断开或接通电路中的正常工作电流或故障电流 在系 统发生故障时 能够自动动作 决定故障在网络中的扩散情况 主要影响负荷点的故障 率 第2 类是不可自动分断但可带负荷操作开关 主要指负荷开关 它们可以断开或接 通电路中的正常工作电流 在系统发生故障时 不能够自动切除故障 经常作为分段开 关或联络开关 故障后通过联络开关的倒闸操作可能恢复部分或全部负荷点的供电 第 3 类是不可自动分断且不可带负荷操作开关 主要指隔离开关 它们只能断开或接通无 电流或仅有很小电流的电路 在系统发生故障时 不能自动切除故障 主要影响负荷点 的故障类型和停运时间 此外 应该指出的是 不同类型的操作元件与系统的连接方式 不同 从而在操作元件自身发生故障后对系统可靠性指标的影响也不相同 如果操作元 件两侧和馈线之间没有明显的断开点 则操作元件的故障完全相当于与该操作元件相连 的两个区域同时发生故障 如果操作元件两侧和馈线之间有明显的断开点 操作元件故 障后可以迅速断开与相邻两个区域的连接 从而能够尽快恢复相邻两个区域的供电 一 般的 可以认为除隔离开关之外 系统中的其它操作元件和馈线之间都有明显的断开点 操作元件故障状态比较复杂 要真实描述其在各种故障状态条件下的开关功能 需要较为复杂的模型 图2 2 为操作元件的原始模型 图2 2 操作元件的可靠性原始模型 西安科技大学硕士学位论文 其中 n 为正常运行状态 m 为计划检修状态 m 为临时检修状态 f 为误动状态 i 为接地或绝缘故障状态 s t 为拒动状态 r 为故障修复状态 需要注意的是 可自动分断开关的拒动状态包括操作时的拒动 未分闸和未合闸 和故障后的拒动 故障后应分闸而未分闸 两种情况 不可自动分断开关则只有操作时 的拒动 操作时的拒动一般不会造成故障的扩大 而且在运行中也很少发生 对可靠性 指标的影响不大 在分析时可以忽略不计 因此 本文中操作元件的拒动仅指故障后可 自动分断开关的拒动 包括由于继电保护不可靠使其它开关越级跳闸所造成的拒动以及 由于开关自身的原因所造成的拒动 如果系统实现自动化 则继电保护不可靠所造成的 影响可以在很短时间内消除 只考虑由于开关自身原因所造成的拒动 该模型比较全面的考虑了操作元件的故障状态 然而 并非在任何情况下都必须使 用如此完备的模型 在进行配电系统可靠性分析时 这种复杂模型是不实用的 考虑的 因素太多会使问题的复杂性大大增加 因此有必要将模型进行简化 从故障的后果和影 响来分析 在m f i s t r 五种状态下 都必须将该元件从系统隔离 必然会造 成相邻的操作元件的断开 直到其状态恢复正常为至 因此可以将此五种状态合并为一 种 故障修复状态r 经过简化以后 最终可以得到操作元件的三状态可靠性模型 具体的模型以及马尔 柯夫状态方程与2 2 1 节所描述的情况类似 2 2 3 负荷 配电系统可靠性评估时 系统中的负荷与评估结果之间有密切的联系 特别是当考 虑元件电气极限容量和继电保护电流整定值约束 进行故障后的网络重构时 事实上系 统的可靠性是随着负荷的改变而发生变化的 当前负荷的大小对其结果有着直接的影 响 可以对负荷不相同的各个时刻分别进行可靠性评估 并进一步得出a s a i 评估结果 曲线 在本文的可靠性简化模型中 将开关看作是节点 将馈线段看作是边 假设沿线电 压和负荷的功率因数相近 可以近似采用电流反映负荷 将负荷作为节点和边的权 关 于负荷的具体模型及计算在后文中叙述 2 3 系统的可靠性模型 2 3 1 简单系统的可靠性模型 串联和并联是配电系统中元件之间的最基本 最简单的连接关系 可靠性评估时 可以将串联系统或并联系统等效为一个元件进行计算 从而可以简化计算的复杂程度 1 串联系统的可靠性模型 1 2 2 配电系统可靠性评估指标及模型 串联系统是由两个或两个以上元件组成的系统 若其中任何 个元件失效均构成系 统失效 在串联系统中 必须所有元件同时完好 系统才能正常工作 设图2 2 是由 n 个元件组成的串联系统的可靠性网络模型 根据马尔柯夫过程理论 可以推导出实用 于工程计算的公式 求出串联系统的等效参数 12i n 电源点 a 二 一 二 一一亡 一b 负荷点 图2 3 串联系统的可靠性模型 以 2 1 0 j l 2 寺了 2 其中 丑 分别表示串联系统中元件i 的故障率 年 次 平均故障修复时间 小时 丑 分别表示串联系统等效后的故障率 年 次 平均故障修复时间 小时 2 并联系统的可靠性模型 并联系统是由两个或两个以上元件组成的系统 必须是元件同时失效才构成系统失 效 或者说 只要其中一个元件完好 系统便算完好 图2 4 表示2 个独立元件组成的 并联系统的可靠性网络模型 同样可以通过马尔柯夫过程理论得到并联系统的可靠性计 算公式以及等效参数 1 电源点 a b 负荷点 图2 4 并联系统的可靠性模型 五 五2 1 2 1 2 生生 2 1 3 n 如 其中 分别表示并联系统中元件f 的故障率 年 次 平均故障修复时间 小时 r 分别表示并联系统等效后的故障率 年 次 平均故障修复时间 小时 类似的 可以得到多元件并联系统的可靠性计算公式及等效参数 2 3 2 复杂系统的可靠性模型 配电系统中的元件数目众多 而且相互之间的连接关系十分复杂 简单的串 并联 等效也不能完全适用 因此 如果直接对整个系统进行可靠性评估 计算量必将非常可 西安科技大学硕士学位论文 观 对于部分特别复杂的系统 甚至很难得到有效的结果 本文将建立配电系统的可靠性简化模型 并在评估过程中引入最小配电区域的概 念 最小配电区域是指相互连通的若干馈线段构成的子网络 其外部端点全部为开关节 点或末梢点 内部或者没有端点 或者全部端点为t 接点 配电开闭所 小区变中的 l o k v 母线节点也可看作广义的t 接点 或末梢点 当最小配电区域中的任一元件发生 故障时 必然会造成整个最小配电区域停电 也即最小配电区域是故障停电的最小范围 可以将每个最小配电区域都当作串联系统处理 因此 建立了配电系统可靠性简化模型 并进行最小配电区域分解后 可以最小配电区域为单位依次设置故障并分析可靠性 关于可靠性简化模型的建立以及最小配电区域的分解在后文中有详细的叙述 3 基于简化模型的配电系统可靠性评估 3 基于简化模型的配电系统供电可靠性评估 配电系统供电可靠性评估的基本方法是故障模式与后果分析法 f a i l u r em o d ea n d e f f e c t a n a l y s i s f m e a 它是以系统中的每一个元件为对象 分析其基本故障事件及 后果 然后结合元件的可靠性数据 求得所有的故障状态 综合形成系统的供电可靠性 指标 1 f m e a 法概念清晰 原理简单 但是具有计算过程繁琐 计算量大的不足 当 系统结构复杂 元件众多时 这个缺点尤为突出 因此 不少学者都对f m e a 法进行了完善 并提出了多种改进方法 基于故障扩散 的可靠性评估方法就是其中比较常用和有效的一种 该方法首先利用前向搜索算法确定 断路器动作影响范围 利用故障扩散方法确定故障隔离的范围 从而可以确定节点的故 障类型 根据受故障影响的时间不同 将所有节点分为不受故障影响 受故障影响时间 为隔离时间 受故障影响时间为隔离时间加切换操作时间 受故障影响时间为故障修复 时间4 种类型 根据负荷点的类型便可求出其供电可靠性指标 并进一步求出整个系 统的供电可靠性指标1 2 2 由于类型相同的负荷点可以一起进行计算 因此比较f m e a 法而言 基于故障扩散的可靠性评估方法的计算效率有了明显的提高 但是对于复杂系 统 直接使用该方法仍然具有一定的难度 而且该方法没有深入考虑母线和开关的故障 对于供电可靠性指标的影响 本章将在总结前人研究成果的基础上进一步发展 建立配电系统可靠性简化模型 并以最小配电区域为单位进行供电可靠性评估 在评估过程中 深入考虑了母线和开关 的故障以及系统的检修对于供电可靠性指标的影响 3 1 配电系统的可靠性简化模型 文献 2 5 和 2 7 1 提出了一种基于图论的配电系统简化模型 将开关 包括断路器 负荷开关 隔离开关 熔断器等 t 接点和末梢点看作是节点 而将馈线段看作是边 但是该模型仅描述到主变电站的1 0 k v 出线 并且没有考虑有关供电可靠性计算的数据 本文将对该模型进行补充 将上一级电源 或系统 以及各个主变电站的1 0 k v 母 线也当作节点 并根据供电可靠性评估的需要 增加了节点类型 补充了各负荷点 负 荷点也作为末梢点 以及其它一些与供电可靠性计算有关的数据 在建立模型时 先将 两个相邻节点之间的所有元件按公式2 1 0 2 1 3 进行串 并联等效 从而简化了模型的 复杂程度 在此基础上可以建立配电系统的可靠性简化模型 具体地 1 定义n 行5 列的网基邻接表d t 反映网架结构 其中的元素4 l 描述节点i 的 类型 其取值可以为0 l 2 3 4 5 6 或7 分别表示该节点是上一级电源 或 西安科技大学硕士学位论疋 系统 的等效点 源点 即主变电站l o k v 出线开关 通常是断路器 可自动分断开关 节点 断路器 熔断器等 隔离开关节点 负荷开关节点 t 接点 末梢点 负荷点 或母线节点 如描述节点i 是否过负荷 若过负荷则4 2 1 否则4 2 o d i 3 d i 5 描述和 各节点邻接的节点的序号 如果节点v 和节点v k v m 和h 相邻接 则南 e l 4 m 西5 疗 在d t 中的空闲的位置填一1 2 定义n 行5 列的网形邻接表c t 反映当前的运行方式 其中的元素岛l 描述节 点i 所处的状态 一般的 上一级电源的等效点 母线节点 t 接点均认为处于合闸状 态 末梢点 联络开关节点均认为处于分闸状态 1 表示合 0 表示分 对于母线节点 c i l c 5 中的元素无意义 可填一1 对于其他节点 c n 和c d 分别表示以节点i 为终点的有 向边 即 弧 其方向为相应馈线段上潮流的方向 的起点序号 f m 和c 5 描述以