变电所电气主接线可靠性分析

1、，摘要变电所电气主接线是实现电能传输和分配的一种电气接线，其根本任务就是尽可能经济而可靠地将电能提供给各种用户，因此往往将是否对用户停电作为一项主要的统计评价标准。本文采用基于元件状态空间的最小割集算法定量分析变电所电气主接线的可靠性，为主接线方案的合理选择提供了有效的评价依据。关键词电气主接线最小割集法可靠性状态空间引言电力系统的可靠性是指电力系统按可接受的质量标准和所需数量，不间断地向电力用户供应电力和电能量之能力的度量，而变电所电气主接线作为电力系统重要组成部分，能否安全可靠运行对保证用户的可靠用电以及整个电力系统的安全稳定具有重要影响。目前应用于电力系统可靠性计算的常用方法一般有两种：

2、一种是模拟法即蒙特卡罗法（）、另一种是解析法、。其中解析法又可分为以求解逻辑网络为基础的网络法和以解状态空间模型为基础的状态空间法两种。不同方法之间并不存在谁优谁劣的问题，只是各有其优缺点和适用范围。本文在对上述各方法分析总结的基础上，将状态空间法与网络法结合，综合两种方法的优点，通过分析元件状态或状态组合对系统最小路的影响来进行可靠性评估，即采用基于元件状态空间的最小割集法来进行变电所电气主接线可靠性的分析计算，既能使计算过程快捷方便，同时又能保证计算结果的准确性。元件可靠性模型在研究电力系统可靠性时，一般把研究对象区分为元件和系统，系统是由元件所组成，它可看成是元件组成的总体。在分析变电所

3、电气主接线可靠性估计过程中，可将整个电气主接线定义为一个系统；把主接线中所包括的母线、变压器、断路器、互感器、隔离开关以及继电保护装置等辅助设备定义为元件。主接线主要元件的可靠性模型在计算可靠性时，将主接线主要元件均看作三状态模型：正常状态、故障状态、计划检修状态。正常状态指元件能正常执行其功能，发挥其在主接线中的作用。故障状态指元件丧失其功能，影响主接线正常作用的发挥。计划检修状态是元件自身被检修而退出运行（不影响其它元件）。计划检修的影响虽然与故障状态的影响相同，但这是人为安排的，不是随机发生的，因此不能将其与故障状态合并。通过检修可发现元件存在的故障隐患，以提高元件的可靠性，有时还可通过

4、投入备用元件来替代检修元件运行，以保证系统的不间断供电。在将元件按其作用进行分类，并分析元件不同故障状态的性质和影响之后，运用马尔可夫理论，就可以建立主接线主要元件的三状态可靠性模型，如下图所示。其中：为故障率；为计划检修率；为故障修复率；为计划检修修复率。运用状态空间法，三状态元件马尔可夫模型设元件正常运行状态、计划检修状态、故障状（态概率分别为、，因元件处于任一状态的事件是互斥的，则有：（）在稳态情况下，元件的马尔可夫状态方程为：!#（）#（）#$将上式与式（）联立求解可得在稳态情况下各状态的概率，结果如下：!#&#（）#$隔离开关、电流互感器（）和电压互感器（）的可靠性模型隔离开关、等元

5、件一般无计划检修，它们故障所引起的后果与它们所连接的元件故障一样。所以为了简化模型，提高计算效率，可将这些元件按照可靠性逻辑合并到其端部的母线或断路器中，当某元件连接有个元件，其故障率和修复率分别为和（、）；当它们在可靠性逻辑上是串联关系时，则合并后该元件的等效故障率和等效修复率为：（）（）常开元件的可靠性模型在变电所主接线中经常存在一些常开元件，使得系统在发生故障时可通过这些常开元件恢复部分或全部负荷，因此在进行主接线可靠性分析计算时需要对它们进行准确的模拟。常开元件总是用来替代某些检修或故障元件的，所以并不影响变电所主接线的正常运行，因此在搜索变电所主接线最小路集，形成割集事件时，可暂不考

6、虑常开元件。当发生故障时，可利用常开元件恢复供电，从而减小故障的停运时间。基于元件状态空间最小割集算法的数学模型通过对主接线系统状态的分析，可看出系统状态的改变和事件的发生是由组成系统的元件状态变化所引起的，因此其可靠性计算必须基于主接线各元件的可靠性，以及主接线网络的拓扑结构。研究变电所电气主接线可靠性时，一般假定以某一电源点为起点，且电源点完全可靠，以二次母线（变压器低压侧）为终点，分析和计算由起点到终点的可靠性指标，而这些可靠性指标值则是由电源起点和低压母线间的主接线元件构成的电力传输通道所决定的。从图论的观点来看，这些电力通道就是变电所主接线网络结构图中的最小路，当主接线某元件因故障或

7、其他原因而停运时，将导致某些最小路（即电力传输通道）被切断，造成系统供电的中断。基于上述分析，可看出系统的故障状态是由元件的故障状态或状态组合所确定的，假设系统的状态空间为，整个系统状态域由两部分组成：工作状态域和故障状态域。在域中状态，经每一次修复都转移到域中，则这些状态称为最小割集状态。最小割集状态与最小割集的概率紧密相关，割集是元件集合，当这些元件同时故障导致系统故障，而最小割集状态是元件状态的集合，其中故障元件的修复都将使系统恢复到工作状态。应用最小割集状态可以达到两个目的：在一定条件下，用最小割集状态代替全部的系统故障状态，可以得到系统故障概率和频率的近似式。一旦最小割集状态已知，其

8、他状态里面只要故障元件包含最小割集状态中的故障元件，也必然是系统的故障状态，这样可以大大简化故障的后果分析。因此可以推导出基于元件状态空间的最小割集法的近似计算公式，系统和的计算表达式为：此无论界限内元件是串联还是并联关系，在等效元件界限内均看作串联关系。各等效元件的可靠性指标如表所示。（）表高压电气主接线网络拓扑结构电气主接线序号接线方式电气主接线（）（）序号接线方式式中：系统故障概率；最小割集状态；系统故障频率；系统最小割集状态向正常状态转移的转移率。一路电源，隔离开关受电的单母线接线两路电源，断路器受电和分段的单母线接线实例计算在对基于元件状态空间一路工作电源，一路联络电源，断路器受电的

9、单母线接线两路电源，断路器受电和分段，带旁路母线的单母线接线的最小割集法的算法思想，和如何进行变电所主接线可靠性指标计算进行详细论述的基础上，针对适用于双电源供电和两台变压器互为备用运行方式条件的六种典型的变电所高压电气主接线方案，应用该算法来进行系统的可靠性分析计算，六种典型方案的高压电气主接线网络拓扑结构如表所示、。两路电源，断路器受电、隔离开关分段的单母线接线两路电源，断路器受电、断路器联络的双母线接线电气主接线元件的可靠性模型在参照国内外相关统计资料的基础上，本文采用文献表主接线元件原始可靠性参数中的电气主接线元件原始元件名称母线输电线（线缆）断路器变压器隔离开关（）（年）（年）可靠性

10、参数，如表所示。对主接线网络拓扑结构图进行可靠性分析，首先依据第（年）（）（年）节所述内容将主接线元件进行等效处理，在等效元件界限内，任一元件发生故障均将引起所在支路的供电中断，因注：为故障修复时间；为计划检修持续时间。故障修复率；计划检修修复率（小时天小时）。表等效元件的可靠性指标等效元件元件编码组合（年）（年）（）（年）（）（年）、表中：为等效故障率；为等效修复率；为等效故障修复时间，；为等效计划检修修复率；为等效计划检修持续时间；为等效计划检修修复率。根据节的主接线元件各状态概率的计算公式，可得元件各状态概率值，如表所示。表等效元件各状态概率值元件状态概率元件正常工作元件故障状态元件计划

11、检修状态状态、主接线网络的最小路集和最小割集状态根据前面章节所述，在对变电所主接线可靠性分析计算时，首先应对主接线网络结构的最小路集和反映系统故障状态的最小割集状态进行分析，如表所示。可靠性指标计算结果在求出变电所主接线网络各等效元件的概率值，最小路集和反映系统故障状态的最小割集状态表达式以后，就可根据第节中叙述的状态分析方法计算出各典型主接线方案的可靠性指标，具体计算结果如表所示。表主接线网络最小路集和最小割集状态注：表示一台变压器连续供电。表各典型电气主接线可靠性指标可靠单台变压器连续运行指性标判系统工作系统故障率系统平均无故障据可靠率工作时间接线方式（年）（）表中：；。结论本文提出的基于

12、元件状态空间的最小割集法电从计算结果可以看出该方法能正确地反映系统的实际运行工况。相比较定性分析，从定量角度能更加客观、准确地对主接线方案和运行方式的选择进行系统的可靠性分析。郭永基电力系统可靠性原理与应用北京：清华大学出版社，：，气主接线可靠性评估的模型和算法具有以下特点：该算法认识到主接线功能的实现是由电源起点和低压母线间的配电装置所构成的电力传输通道（即最小路）来实现的，而主接线系统元件因故障或检修等原因引起的停运，使得某些最小路被切断。因此该算法在进行变电所主接线可靠性分析时，综合考虑了主接线的网络结构特点以及系统状态的改变是由构成系统的元件状态变化所引起的。其物理概念清晰，符合电力系统可靠性工程的特点，即电力系统可靠性工程就是将可靠性原理与电力系统工程实际相结合。郭永基电力系统可靠性分析北京：清华大学出版社，：别朝红，王锡凡蒙特卡洛法在评估电力系统可靠性中的应用电力系统自动化，（）：田应康，阎超大型电厂主接线可靠性评估及分析（一）基本模型及基本算法重庆大学学报，（）：在建立元件可靠性模型时，充分认识到元件故障间的相关性，计划检修的非随机性，元件故障后的切换操作过程以及母线有无倒闸操作问题，使所建立的元件可靠性模型与元件实际运行相一致，反映了实际系统的运行特性。王奇，孙笑