《基于SAIDI指标的高压配电网典型接线模式可靠性分析16000字（论文）》

基于SAIDI指标的高压配电网典型接线模式可靠性分析摘要配电网和系统的可靠性理论是发展和改进配电系统的系统规划和运行的重要考虑因素。为了尽可能地达到最小中断用户的目标，公用事业必须努力提高可靠性，同时降低成本。众所周知，大多数用户中断都是由配电系统故障引起的。然而，有效数据不易收集，可靠性性能统计数据也不易获得，配电网可靠性一直存在不确定性。本文详细分析了配电网可靠性评估的几种方法，包括连通性分析方法、失负荷分析方法、近似估算方法和多电压等级配电网评估，为后续计算可靠性指标做好铺垫；利用交流潮流法针对主网进行潮流计算，得到可靠性指标，运用python语言对实际算例的应用验证了本文提出模型的可行性，从而优选出最佳主网接线模式。本文分别从线路故障、开关故障和变压器故障等角度研究来分析一阶故障和二阶故障，得到一种简易模型；将高压配电网可靠性评估分解为各小片区可靠性指标SAIDI的加权平均，不需要完整网络数据，得到了电网中评估多种接线方式的可靠性的简化公式，并分析了影响SAIDI指标的数据：二阶故障率和一阶故障率，为配电网的建设和维护提供定量且可靠的依据。关键词：高压配电网，SAIDI，可靠性，典型接线模式目录TOC\o"1-3"\u1绪论 11.1引言 11.2国内外研究现状 21.2.1主网接线可靠性研究现状 21.2.2配电网接线可靠性研究现状 31.3本文内容及结构 42可靠性原理 52.1可靠性原理基础 52.2可靠性指标 62.3可靠性评估的基本方法 82.3.1FMEA法 82.3.2面向负荷点的方法 92.3.3最小路法 102.3.4最小割集法 112.3.5面向开关设备 132.4可靠性参数 132.5可靠性评估步骤 142.6本章小结 153主网典型接线模式及其可靠性计算 163.1三种接线模式 163.2交流潮流分析算法 173.3算例 213.4本章小结 234配电网可靠性计算评估 244.1简化算法 244.2停电过程和模型假设 244.3模型推导 254.3.1双T接线 254.3.2链式接线 274.3.3二阶故障 304.4公式汇总及算例 324.5本章小结 345总结 35参考文献 361绪论1.1引言电力行业是关乎国家蓬勃发展百姓安居乐业的一项重要行业，也与我们的日常生活息息相关。在现代生活中做任何事情几乎离不开电，电力行业也是支撑其他所有行业的基础，电力系统的可靠程度也是衡量一个城市甚至国家的一项重要指标，因此电力系统的可靠性至关重要。配电网系统的建立主要是为了以最大的经济效益和合理的成本向消费者提供足够的电力。在过去几年里，分销网络的规模和技术呈指数式增长。因此，公用事业公司应当努力做到这一点：为了满足客户的可靠性要求，以最佳的战略规划和最低的成本来满足。电力的数量是由可靠性决定的。在电力行业的分布网络的可靠性分析不是一个新的问题，随着停电和断电费用的上升，已经进行了广泛的研究。过去对系统可靠性的研究较少重视[1]，但是，电力运输和生产系统属于资本密集类型的，他们的缺陷可能会造成广泛的环境和社会影响。与之前的分配制度相比，配电网制度要比其他两种制度便宜一些，因为它的影响是局部的。大多数电力公司的故障统计分析表明，配电网系统是消费者对电力供应的最大贡献。随着人们生活水平的提高和生产生活的需要，一些过去无法实现的物质需求尤其是电子设备占据了我们生活的绝大部分，相对应电网所要承担的负荷也就逐年增加，这也考验着电网的带动负荷的能力能否满足逐年上升的用户需求，因此，制定出良好的用电规划才是保障老百姓安居乐业和保证用电可靠性唯一准则。若想得到将来电网的安全、可靠和经济，就应当保证科学和合理的配电网规划。一直以来，通过遵循相应技术准则来使得电网建设成本最低是在进行配电网设计建设规划时大多数电力系统从业者遵循的基本原则[2-6]。最近一段时间以来，我国发展突飞猛进，电力行业方面发展显著提高，实现大量供电可靠性不能只利用过去时代背景下对于统计低用电量结果的方法，这样既不现实，又不合理。现在存在的关键问题是要转变供电可靠性管理方式，努力实现从发生事故后进行的结果分析转向通过预测将事故扼杀在摇篮中[7-11]。1.2国内外研究现状1.2.1主网接线可靠性研究现状自上世纪六十年代初期发表的多篇有关主网接线可靠性的期刊、杂志和论文以来，在大数据分析、模型建立和计算可实现性等方面，主网接线可靠性已经提出多种主流且高效的模型。现在解析法和模拟法广泛应用于技术领域，是主流的评估方法[12]。相对来说，解析法对事件的分析理论更加严谨，实用性强，计算量也更大。解析法包括随机设定电力系统内元器件的参数和性能，建立一个数学模型以描述电力系统可靠性指标，通过穷举各种不同类型的故障，得到系统在不同类型故障下的响应，通过确定的解析解精确得到电力系统的可靠性指标。同时将解析方法划分成:潮流法以及网流法。潮流法直流法和交流法都属于潮流法，直流法有误差，但是优点是计算速度快；交流法广泛考虑了约束因素，包括有功功率、无功功率、电压质量，没有顾及系统电压和无功功率的作用，从而得出的计算结果与实际情况非常相似，具有较高的精度，因此使得整个可靠性分析的计算量非常大。网流法网流法包括使用指定故障状态下系统组件的最大流，为了取代系统中的功率分配，从而简化交流潮流计算和降负荷计算，该方法不考虑元件故障后系统的实际反应过程，但只考虑了系统可能的最高固有可靠性，网络流的方法虽然简便，但是它不可以计算系统的无功性能，只能计算系统的有功性能，可以在早期规划阶段比较各种可实现的系统。模拟方法可以通过蒙特卡罗模拟[13]来提取任意服从随机概率分布的随机数，计算过程中计算机的概率分布，计算量比较少，可以根据输电分量和气候条件选择负荷，通过随机抽样选择其参数，形成系统状态序列，还可以模拟几个事件关联失效等复杂因素，然后分析各生成状态的行为，但在分析事件个性时有困难。在收集了足够数量的样本状态后，这种方法很容易考虑相关错误事件的影响，也可以提供电压质量的信息，但更难进行有针对性的元件错误分析。一般来说，在配电系统可靠性评估中广泛采用的模型中，解析法原则上简单、准确，具有实用性，模拟法是利用计算机产生的随机数对电力系统进行可靠性评估的一种仿真方法，为了产生系统部件的随机失效，采用概率统计方法确定可靠性指标的计算公式，通过模拟部件寿命的实际情况，根据概率分布确定系统状态仿真方法能考虑关联事件的影响，计算的复杂性几乎不受系统规模的影响，因此是合适的，要达到较高的计算精度，要有充足的计算时间，而且仿真方法不适合进行有针对性的分析。1.2.2配电网接线可靠性研究现状常规的高压配电网可靠性评估方法一般需要收集完整网络数据，利用商业软件或计算机编程对网络进行计算[14]，对工程人员要求较高。因此，在满足工程计算精度的条件下，高压配电网可靠性的简化估算公式显得很有必要。计算和评价电力系统网络的可靠性是非常重要的，电网的可靠性评价一般采用历史评价法和预测法，大部分公共事业公司比起预测方法更重视历史评价，预测方法分为分析方法和模拟方法，配电系统的可靠性评价方法分为两种：模拟和分析[15]。模拟虽然是最灵活的方法，但是要大量计算时间和精密度的不确定性，分析方法还可以分为网络建模和马尔科夫建模，由于网络的简单性和配电网拓扑结构的天然相似性，建模成为配电网可靠性分析中最常用的技术，模拟方法与分析方法的差异在于系统可靠性指标的评估方法。为了通过和的概率分布提高决策水平，提出了指标获得的可变性。当前针对高压配电网的指标研究较少，因此没有确定一套固定指标，目前暂用输电网或中压配电网的可靠性指标，但是对于选择使用中压配电网可靠性指标还是输电网可靠性指标也无定论。目前，电网可靠性评估算法主要集中在中压配电网和输电网，高压配电网可靠性评估算法研究较少。与输电网相比，高压配电网使用仿真方法进行大量计算，因此元器件的安全指标非常可靠，为了使分析方法更好适用于计算分析高压配电网的可靠性，主要考虑因素应该是故障条件的数量和拓展的查找时间。文献[31-33]使用常规方法，给出了各种连接方式的可靠性等级，检查了高压配电网的各种连接方式的可靠性，但是没有提供计算每种连接方式的可靠性指标的方法。1.3本文内容及结构本毕业设计主要针对主网及配电网，研究了不同的可靠性评估算法，对实际案例进行计算，得到可行的可靠性评估结果。本文共分为以下几个章节：第一章主要调研目前研究现状，确定研究方向。查阅文献，包括主网及配电网，全面掌握已经实现的成果和结论，同时包含本文的章节安排。第二章研究可靠性原理然后确定可靠性指标，找到并分析可靠性评估的方法。第三章和第四章建立模型，分析计算方法，分别计算输电网和配电网的典型接线模式可靠性指标。以主网为辅，配电网为主，研究二者的计算方法，最终得到相应的可靠性指标简化公式，计算后将结果汇总，完成接线模式的分析。第五章对全文进行总结与回顾。

2可靠性原理2.1可靠性原理基础不同的操作要求和运行环境下，可靠性会有不同的定义和标准。普遍接受的可靠性定义将可靠性定义为一个项目的特征，用它在规定的条件下在规定的时间内执行规定功能的概率来表示。可靠性的数学定义与概率密度函数有关，对于连续随机变量，相关方程如下:（2-1）对于离散随机变量，相关方程如下:（2-2）在处理电力系统时，术语可靠性为充分性和安全性。充足性与电力系统是否有足够的发电量来满足消费者需求有关。安全性与电力系统响应系统中出现的瞬变和干扰的能力有关。可靠性标准常用于输电系统规划。可靠性要求电力系统中任何单个元件的损耗都不应妨碍电力供应。即使容量最高的线路是停止服务的线路，也需要这样做。即使失去了最大的发电机组，这也是必需的。大多数情况下，最大发电机组的损失是一个限制事件，需要证明电力系统能够承受，即使它发生在最糟糕的时刻。故障发生后，必须在几分钟内恢复正常运行。必须有足够的快速和慢速操作储备。2.2可靠性指标随着电子设备和自动化工艺的普及，电能质量问题变得越来越频繁，随之而来的就是提升可靠性定性分析以满足供电要求的问题，可靠性分析的最终目标是帮助回答诸如“系统足够可靠吗？”、“哪种方案失败较少？”和“下一笔钱最好花在哪里改进系统？”，由于配电系统的负荷很少接近其极限，可靠性的重点在于系统的安全性，而不是系统的充分性。国家建设重要项目时需要独立的研究背景和机密的设计理念，以至于建设这些产品需要一套标准指标来细化衡量，从而体现出我国的科研进步；另一方面，这些机密的标准指标一旦出现问题将会带来严重的事故发生，这些事故也会造成难以弥补的损失，包括经济的动荡和我国国际地位的下降，所以我们在生产生活中将管理生产的可靠性，并将此设为重要目标之一。为了达到近乎完美的质量，公用事业公司可以花费大量的金钱和空间电能质量要求较高的设备。另一方面，公用事业公司可能花费很少，并要求客户补偿由此产生的电能质量问题。两种极端都不可取，公用事业必须在成本和电力之间找到平衡提供给客户的质量。通过将一般系统可靠性计算中的基本方法和通用原理，经过精炼和改造后，同样可以应用于电力建设、运行及维护中的可靠性计算，同时电力系统的可靠性计算确保了特高压电网系统、大型电力网络的稳定工作[21-25]。对于负荷点可靠性指标来说高压配电网与中压配电网直接相连，为考虑其作为等值电源对中压配电网可靠性评估的影响，应计算高压变电站低压母线的可靠性指标。在这个时候，可将高压配电网负荷点指标计算结果作为中压线路等值电源点参数传递给中压配电网，相关高压配电网负荷点指标可采用中压配电网2个独立指标（平均停电率和每次停电的平均持续时间），或为提高评估的精度采用4个相关独立指标，涉及平均停电率、负荷转供时间、修复时间和切符合率。对于基于负荷点用户数的系统可靠性指标，由于作为高压配电网负荷点的变电站低压母线所供的用户数不详，以及在高压配电网评估中不便考虑中压馈线间相互转供的影响，准确计算指标仍有一定的困难。可采用近似处理方法：根据可获取的数据情况，采用变电站所供馈线的配变个数，或将每个变电站低压母线当作一个用户。因此，输电网可靠性指标种类繁多，既有系统范围的指标，又有负荷节点指标；既有概率、频率和时间类指标，又有概率与后果（切负荷或失去稳定）相结合的指标；既有绝对性质的指标，又有经过归一化后的相对性质的指标[26]。同时，由于输电网用户符合种类复杂且大小不一，一般不采用涉及用户个数的可靠性指标。可靠性描述指标一般包括电力不足概率、电力不足时间期望、电力不足频率,、电力不足持续平均时间、电力不足期望和电量不足期望，其中电力不足又可以称之为失负荷。上述可靠性描述指标分别按公式（2-3）、（2-4）、（2-5）、（2-6）、（2-7）和（2-8）进行计算。在下述公式中表示为系统非常态集合，同理则是集合中第个非常态集合。电力不足概率代表平均每年发电系统的可用电量不能满足系统需求的概率，计算方法如式（2-3）所示：（2-3）电力不足时间期望代表每年发电系统的可用电量缺少的时间，单位为小时，计算方法如式（2-4）所示：（2-4）电力不足频率代表每年发电系统的平均停电次数，单位为次/年，计算方法如式（2-5）所示：（2-5）电力不足平均持续时间代表每次发电系统停电的平均时长，单位为小时/次，计算方法如式（2-6）所示：（2-6）电力不足期望代表发电系统可用电力的平均缺少量，单位为兆瓦，计算方法如式（2-7）所示：（2-7）电量不足期望代表每年发电系统可用电量的平均缺少量，单位为兆瓦小时/年，计算方法如式（2-8）所示：（2-8）上述公式中表示事件发生的概率，表示事件发生的频率。2.3可靠性评估的基本方法配电网可靠性指标计算的主流方法主要包括近似估算方法、连通性分析方法、失负荷分析方法和多电压等级配电网评估。其中，连通性分析方法主要分类为面向元件、面向负荷点和面向开关设备。面向元件的方法通常采用故障模式及其影响分析法[15]，其常用于配电网的可靠性参数计算和评价。2.3.1FMEA法通过识别每个故障及其对系统的影响，并计算负载和可靠性度量，生成故障所产生的结果的对应解释。但是，故障所产生的结果的对应解释不是自动生成的，而是人工标注的，所以标准化过程很困难；此外由于模型存在很多故障，因此故障所产生的结果的对应解释的建立可能非常困难，这使应用变得困难。法计算步骤如下：穷举所有器件，随机使得某个器件停止工作，同时考虑到停电至重新供电时的时间间隔，确定器件停止工作对负载故障率和故障时间的影响。分别关闭所有元器件后，创建每个负载点的故障率和故障时间的列表，形成故障所产生的结果的对应解释，汇总每个负载点的故障率和故障时间，以表明其可靠性指标。系统可靠性指标可以根据所有不同负载的可靠性指标及其贡献率计算得出。2.3.2面向负荷点的方法目前大多数电力线路的结构呈现辐射状，基本都可等效转变成串联、并联结构。其中，串联、并联系统如图2-1和图2-2所示。、、和（或、、和）分别为器件（或系统）的平均失效概率、平均每年停止通电时长、平均每次失效时间所导致的停止通电时长和平均恢复通电概率。图2-1串联系统对于串联系统有计算公式，如（式2-9）所示：，，（2-9）图2-2并联系统对于并联系统，根据概率计算规则可知计算公式，如（式2-10）所示：，，（2-10）虽然上述串联、并联系统公式仅适合使用在只由元件串联构成的串联系统或元件并联构成的并联系统，但是上述公式是计算串联、并联及混联系统可靠性的基础。在混联系统中，通过依次合并串联分支和并联分支，实现系统复杂性逐渐降低，最终化简系统到只包含一个元器件。此元器件的可靠性等价于原混联网络的可靠性，上述思路一般称之为网络等效化简方法。2.3.3最小路法最小路是从负载出发至电源的最短路径。最小路法[16]的基本思路是：首先确定每个负载点的最短路径，然后首先计算最短路径上元器件的可靠性指标，其次计算其他路径上元器件的可靠性指标，然后通过计算最小路及其他路径对负载可靠性指标的权重，加权得到最终的可靠性指标。如图2-3所示，负载LP1的最短路径是由主路1连接分支a。其他路径包括主路2连接分支b、主路3连接分支c和主路4连接分支d，以及其排列组合。图2-3简单辐射型网络最小路法本质是基于法的大体思路上，对其故障贡献率计算上进行重构，其适用于非闭环工作的配电网，计算步骤如图2-4所示:图2-4最小路法计算步骤2.3.4最小割集法最小割集是指可能引发系统故障的所有元件的最小的不可分集合，即如果最小割集中所有的元器件全部停止工作，系统才会发生故障，只要最小割集中的任意一个元器件没有发生故障，系统也会正常运行，不会停止工作[17]。最小割集的基本思想是通过搜索系统回路中所有负载，确定各个负载的对应的备用以及最小连集，然后通过逻辑推理获得上述两个连集中对应的最小不可分的集合：割集。对于地区级的配电网而言，由于其体量过大，负载点过多，不建议使用最小割集法，计算量过大，且可能无法有效找到最小割集。图2-5桥型网络如图2-5所示，网络中所有负载的最小割集分别是：（M,K）、（J,N）、（M,I,N）、（J,I,K）。于是得到该网络等效重构为如图2-6所示的网络结构。图2-6桥型网络等效可靠性框图图2-6所展示的结构中各最小不可分集合中的器件呈现并联结构，而不同的最小不可分集合呈现串联机构，则可通过式(2-11)、式(2-12)和式(2-13)计算出网络的负载所对应的三个基础可靠性参数。负荷点每年的平均停电次数，即平均停电率，记作（次/年），公式为：（2-11）上式中，是器件的停止运行概率，包括计划外（意外：线路断裂、变压器故障）停止运行概率和计划内（检修）停止运行概率；是使得负载停止通电的器件的最小割集。负载的暂时停止通电（意外、计划均包含）平均时长（年），记作（h/年），如式（2-12）所示：（2-12）式（2-12）中，是因为器件停止通电，从而导致的负载的停止通电平均时长（h）。负载的暂时停止通电（意外、计划均包含）平均时长（次），记作（h/次），如式（2-13）所示：（2-13）2.3.5面向开关设备基于开关设备的算法的主体思想是以故障传播为基础，以评估的方式代替计算，实现可靠性计算。其基本步骤是第一步穷举系统故障状态，为特定故障状态查找控制开关，得到该特定故障所影响的系统区域。第二步根据上述故障状态的扩散路径，查找故障所传播的最远途径，从而确定系统中未受影响的区域（即隔离区域），最后一步按照故障类型的不同，将系统器件分类到不同的集合当中，按照不同集合故障时间的不同，计算出系统器件平均故障时间，最终得到系统可靠性指标，具体内容可参考文献[18]。系统全部失负荷指当最小割集中的全部器件失效，负载的供能路径全部失效，负载停止工作。系统部分失负荷指当最小割集中的部分器件失效，负载的部分供能路径失效，而且剩余器件过度负荷，有可能发生超出容量限制，导致系统失衡。同时分布式发电系统的快速发展，使得低污染、高可靠和效率的分布式电源广泛应用在供电系统中，以取代传统发电技术，同时打破了传统供电系统中只存在单一发电源的传统结构，系统可靠性的计算方式也随之发生改变[19-20]。2.4可靠性参数可靠性参数包括不同设备的停运率（故障停电和计划停电）和相关的停电和开关切换时间[35]。对于可靠性参数收集统计的一般原则如下：可靠性参数统计的地域应随评估区域大小而定，且范围要合理适当，不能过大或过小。可靠性参数的统计时间范围一般为1~5年，时间类参数应采用1~3年的统计值，故障停运率应采用1~5年的统计值，确定时应考虑资金等经济因素。按照设备类型分类收集，必要时可细致到生产厂家、运行年限等分类数据进行分类。对于无法直接获取的或者非常困难才可以获取的数据采取抽样的方式模拟获得类似的结果，必要时还可将产生异常的数据及时清除，以保证可靠性评估的准确性。2.5可靠性评估步骤众所周知，系统的可靠性指标是负载的可靠性指标为基础得到的，而各负载的可靠性指标是通过列举发生停电故障的元器件并仔细分析发生故障的元器件的状态所得。如图2-7所示，其大体思路及一般步骤如图所示：图2-7配电网可靠性评估一般步骤2.6本章小结本章详细介绍了可靠性的相关概念，分析如何建立可靠性原理基础和如何确定可靠性指标，并且研究了面向元件的法、面向负荷点、面向开关设备、最小路、最小割集法等可靠性评估的基本方法，最后汇总了可靠性参数统计的原则和可靠性评估的一般步骤，为后续具体连接方式的可靠性计算做准备。

3主网典型接线模式及其可靠性计算3.1三种接线模式为了得到可替换电源点，在双双联络（图3-1）和双双线路（图3-2）中分别有型节点，本节将利用串并行可靠性等效原理[5]，将图中的变压器和断路器替换成为一个元器件，从而计算出它们可靠性的不同之处。如图3-1和图3-3所示，和,和是高压侧总线互连开关，可以替代断路器以及所在支路。下面是三种典型接线模式的线路图。图中白色代表连接，黑色代表失去连接。图3-1双T双联络图3-2双T双线路图3-3无T单联络3.2交流潮流分析算法潮流分析方法是规划和设计电力系统及其未来扩展的先决条件。它们对于确定现有系统的最佳运行非常重要。一般来说，潮流分析方法可以分为直流方法和交流方法。如果与交流方法比较，直流方法仅处理有功功率，并考虑某些额外的简化，并且是线性方法。交流法处理有功和无功功率，是非线性方法。潮流分析方法的主要目标包括该方法对大型复杂实际电力系统的适用性和迭代的收敛性。每条网络中浮现的有功功率和无功功率以及每条总线上对应的电压的大小和相位是通过使用上述算法得到的基本内容。这些方法可以使用导纳矩阵，它包括组成总线的自总线和互导纳，也可以使用阻抗矩阵，它包括驱动点和传输阻抗。Gauss–Seidel方法，是一种迭代方法。Gauss–Seidel方法与雅可比迭代过程十分相似。未知变量的第次迭代，即，仅使用已经被计算的中的元素，并且尚未被推进到迭代的的元素。这意味着，与雅可比方法不同，只需要一个存储向量，因为元素在计算时可以被覆盖，这对于非常庞大的计算量的问题是有利的。考虑一个有条总线的配电网。松弛总线用索引表示。在总线注入网络的电流的复数值，如式（3-1）所示：（3-1）然后假设关于未知母线电压初始值的平起动条件已知，可推导出以下表达式，并用于计算迭代，如式（3-2）所示：（3-2）在每次迭代结束时，对迭代过程是否可以终止进行控制检查。为此，其中一个选项是用最高模块检查复合电压校正值，如式（3-3）所示：（3-3）如果该模块小于规定的公差，即在开始迭代程序之前预先定义的公差，迭代程序可以停止，并且在最后一次正在进行的迭代中母线电压的计算值被认为足够精确，以表示搜索的解。假设总线是电压控制总线之一，其电压幅度应为，考虑到电压控制总线上的无功功率，如式（3-4）所示：（3-4）然后，进行控制检查，以确定总线上注入的无功功率是否在不等式给出的限定范围内，如式（3-5）所示：（3-5）式中其中是最小值，是在指定的电压控制总线上施加在发电机无功功率输出上的最大值。在潮流计算过程中，如果的计算值超出任一极限，则被设置为等于违反的极限。即，如果在计算的过程中确定，如式（3-6）所示：（3-6）则在实际正在进行的迭代的后续计算中，被设置为，如式（3-7）所示：（3-7）类似地，如果确定，如式(3-8)所示：（3-8）则在实际正在进行的迭代的后续计算中，被设置为，如式（3-9）所示：（3-9）本节对双双联络、双双线路和无单联络的可靠性进行了分析和计算，并使用交流法来评估高压配电网的可靠性。通过计算负载及的可靠性指标，并利用线路的左右对称的特点，就可以得到负载和的可靠性指标。负载的可能出现的故障情况如表3-1所示：表3-1负荷La故障事件表元件失负荷概率失负荷频率1571，21，31，41，51，61，71，82，52，73，53，74，54，75，65，75，8续表3-1元件失负荷概率失负荷频率6，77，8表3-1中：,,,,、和分别为一米内线路、变压器及断路器停止工作的次数，,和分别为线路、变压器及断路器停止工作后的修整时长。设型线路节点距离等价powerpoint长度为，型线路节点距离变压器高压侧长度为，则线路全长;联络线路长度为。3.3算例本节以某一地区供电系统为实际案例进行可靠性计算。本案例中线路长度=15千米,=6千米,=8千米，=10千米。变压器每年发生故障的次数为0.01次，每次故障的修整时长为18小时，断路器每年发生故障的次数为0.06，每次故障的修整时长为7h，每千米供电线路发生故障的次数为0.0128，每次故障的修整时长为6h。运用上节中得出的公式，分别将元器件的单独停止工作时对应的可靠性指标全部相加即可得到总所求元件的总可靠性指标。计算流程如图3-4所示，本文使用python语言进行编程计算和手算两种方式完成了三种典型接线模式的可靠性评估工作，计算结果与算例给出结果的总体趋势一致。图3-4计算流程图表3-2各种接线方式负荷的可靠性指标（计算结果）负荷点双双联负荷0.00030.30582.2981负荷0.00020.25591.8983双双线负荷0.00054.3000负荷0.00054.4900无单联负荷0.00020.39931.4700负荷0.00020.44931.8700表3-3各种接线方式负荷的可靠性指标(已知结果)负荷点双双联负荷0.00040..449373.7490负荷0.00040.39933.3490双双线负荷0.00050.51924.3042负荷0.00050.51924.3042无单联负荷0.00040.39933.3490负荷0.00040.44933.74903.4本章小结在观察已知结果的阶段下，通过观察相同负载的电力不足概率指标可以发现双双联络和无单联络的电力不足概率电力不足概率指标相同，因此无法根据电力不足概率指标来判断哪种接线方式更可靠；接下来比较三种接线方式的电力不足频率指标发现针对负荷来说无单联络的数值最小，但是针对负载来说双双联络的数值最小。在比较实际计算结果时发现得到的结论也与上述类似，无法根据单一指标判断出唯一绝对的完美接线方式，三种接线模式各有利弊，在不同的应用场合下不同的接线方式可能会带来不一样的经济效益以及安全性能。综上所述，得出结论要具体问题具体分析，根据实际要求来确定最为恰当的接线方式。

4配电网可靠性计算评估4.1简化算法目前学术界对于中压（）配电网的分析较为全面，并相继汇总出一系列用来计算可靠性的公式，使得研究中压线路的可靠性时更加简便[36-38]。但是在研究高压（）配电系统可靠性时，因为电压等级的更改、配电系统中器件的不同和配电网结构的改变，则需要重新研究出一套适用于高压配电系统的简化公式，不可以直接使用已知中压配电系统的计算公式，本章将致力于分析简化算法的研究过程，最终得到简化公式，并用之进行可靠性指标的计算。高压配电网通常分片运行，在近似估算情况下，各分片运行高压配电网可看成相互独立并简化为某一典型接线模式。因此，本章的总体思路是将规模庞大的高压配电网的计算转化为各分片区域典型接线总体的算术平均值，继而将得到高压配电网的可靠性指标的计算简化公式，使得计算过程更加简便。4.2停电过程和模型假设停电过程就是当某一元器件停止工作时，开环操作系统中，在其控制作用下，使得最靠近停止工作的元器件的高位断路器同时停止工作，闭环操作系统则使得最靠近停止工作的元器件的全部断路器同时也停止工作。为了便于计算典型接线可靠性指标，本文考虑简化可靠性指标的公式，为此做出如下假设：假设一：变电站母联开关均为断开状态，断路器分布在变压器和线路周围，断路器均正常工作，可以有效保护线路和变压器。假设二：同一类型的元器件可靠性参数相同。假设三：在一个变电站内，虽然变压器的类型和结构不同，但对应的等效使用次数是一致且不变的。假设四：不考虑电压变化对可靠性指标的影响。假设五：不考虑配电系统容量对可靠性指标的影响。假设六：忽略变电站高压侧母线故障引起的负荷转供时间（但要考虑高压单母线不分段情况下的母线停电时间），不考虑低压侧母线故障的影响。假设七：不考虑计划停运的转供时间（但要考虑辐射型线路和变压器计划停运时间），多重故障中仅考虑Ⅰ类二次故障。4.3模型推导基于前文对高压配电网可靠性合理指标的选择，采用法，本节分别以型接线和链式接线为例分元件推导其故障对系统平均停电时间的贡献。4.3.1双T接线在实际应用中，型接线被广泛应用的有两种结构，第一种：配电系统中变电站中每个子系统中包含两个用于配电的变压器（升压、降压）一般称之为双接线，第二种：变电站中每个子系统中包含3个用于配电的变压器的（升压、降压）称之为3接线。本章以双接线为例，如图4-1和图4-2所示。图4-1线路接线图图4-2变电站接线(1)线路故障：当配电系统中发生故障在双型结构的随机一条线路上，因为双结构中的线路为并行结构，只要还有线路正常运行，负荷均可以转移至未故障的线路，因此实际的故障时间也就是转移到另外的线路上的时长，则上述情况对系统平均停电时间的影响的计算公式如式（4-1）所示：（4-1）式（4-1）中，和分别为变电站1和2的用户数；为线路故障停运率；为单条线路总长度；表示设备故障时负荷的转供时间。(2)开关故障：此处开关一般意义是用于关合正常或异常情况下线路的高压断路器。以下断路器等同于开关，按照变电站中配电线路的层次结构，将断路器分为三种类型：前级出站保护高压断路器，进站保护断路器以及低压保护断路器。前级出站保护断路器发生开关故障，使得其对应送电线路发生停运，其后的负荷停止供电，不会影响当前变电站的其他送电线路。如果进站保护断路器发生开关故障，受影响的范围最大，不仅使得其对应送电线路发生停运，同时导致变电站直接停运，则变电站对应的所有出站线路均发生停运，全部负荷均停止供电。其中低压保护断路器发生故障时，受影响的范围最小，仅仅影响变压器低压侧用户用电。则上述情况下的开关故障对系统平均停电时间的影响的计算公式如式（4-2）所示：（4-2）式中，为开关故障停运率。(3)变压器故障：如果变压器故障不影响其后的开关，而是变压器供电线路上的开关断开，则实际的故障时间也就是变压器负荷转移到另外的线路上的时长，则上述情况下的变压器故障对系统平均停电时间的影响的计算公式如式（4-3）所示：（4-3）式（4-3）中，为变压器故障率。(4)单重故障对系统平均停电时间的贡献：综上，对于图4-1和图4-2的双接线，各元件一阶故障对系统平均停电时间的影响计算公式如式（4-4）所示：（4-4）4.3.2链式接线双链典型接线的单线图和电气接线图分别如图4-3和图4-4所示：图4-3单线图图4-4电气接线图(1)线路故障：与T型结构的区别是链式结构是串联结构，只要线路上某一元器件发生故障时，线路上的所有负载都将受到影响，需要转移到另外的线路上。具体到某一实例而言，如图4-3和图4-4所示，第一种情况：当图上发生不可控故障时，由于和变电站之间是链式接线结构，变电站受其故障影响，同时停运，同理可得，变电站同样受其前的影响，也伴随故障而停运；第二种情况：当产生不可控故障时，同上述，变电站同样会受其影响，伴随故障而发生停运；第三种情况：当产生不可控故障时，由于其与变电站之间是并行结构，所以的一阶线路故障对于变电站不会有影响，同样也不影响变电站；第四种情况：当产生不可控故障时，由于变电站是线路末端，且同样是串联结构，所以只影响变电站。综上所述：图4-3和图4-4中各线段一阶线路故障对系统平均停电时间的影响计算公式如式（4-5）所示：（4-5）(2)开关故障：前级出站保护断路器，高压侧保护断路器发生一阶故障时，当前变电站所连接线路上的负载以及其后变电站上的负载将受到影响，发生转移。低压保护断路器发生故障时，受影响的范围最小，仅仅影响变压器低压侧用户用电。开关故障对系统平均停电时间的影响计算公式如式（4-6）所示：（4-6）式（4-6）中每一项对应图中虚线圈住开关的影响。(3)对系统平均停电时间影响的计算公式，同式（4-3）。(4)单重故障对的贡献：综上，对于图4-3和图4-4双链接线，各元件一阶故障对的贡献如式（4-7）所示：（4-7）高压配电系统的建设和运行要求通常要符合：电力系统中任何单个元件的故障都不应妨碍电力供应，主要系统设备(如发电机组、输电线路或变压器)故障后，应存在可接受的系统状态。但是故障发生的大多数状态为二阶故障，即多个元器件或多条线路同时发生故障（包含计划外同时故障或计划内同时故障）。所以不能忽视二阶故障对于配电系统平均停电时间影响。与输电网不同，高压配电网通常分片运行，同时每个片区的元件数量不多，因此可以将网络等效成串并联系统计算二阶故障停电时间。其中串联系统常用停电时间计算公式已经将多阶故障考虑在内，无须单独考虑二阶故障；并联系统二阶故障停电时间需要单独考虑。一般情况下，配电网元件的平均故障率远小于其平均修复率，两元件并联系统某一元件故障修复期间另一元件故障停电时间如式（4-8）所示：（4-8）式（4-8）中，和分别为元件1和元件1的故障率；和分别为元件1和元件2的故障修复时间。两元件并联系统某一元件计划检修期间另一元件故障停电时间如式（4-9）所示：（4-9）式（4-9）中，和分别为元件1和元件2的计划检修率；和分别为元件1和元件2的计划检修时间。4.3.3二阶故障根据停运时长的长短，可以将二阶故障分成：修复负载（RL）、转移负载（TL）。其中RL所用的时间通常远长于TL所用时间，而且由于二阶故障，通常不存在转移路径，所以RL发生频率同样远大于TL发生的频率。因此本文忽略TL故障类型，只考虑RL故障。常见二阶故障产生结构：①线路并联，如图4-5（a）所示，②变压器并联，如图4-5（b）所示，其中开关简记为开，线路简记为线，断路器简记断。（a）线路并联（b）变压器并联图4-5涉及二阶故障的常见接线形式（1）一阶故障修复时并联器件同时故障：在某器件发生某一阶故障后，检修该器件时发生另一器件同时故障。①线路并联结构上的二阶故障主要类型分为：线并联线、线并联开及开并联开。其对系统平均停电时间影响的计算公式，如式（4-10）所示：（4-10）式（4-10）中，开关的修整时长记为，线路修整时长记为。②变压器并联结构上的二阶故障主要类型分为：开并联变、开并联开及断并联断，其对系统平均停电时间影响的计算公式，如式（4-11）所示：（4-11）式（4-11）中，变压器修整时长记为。（2）计划检修时并联器件同时故障：在某器件计划检修而停运后，发生另一器件同时故障。①线路并联结构发生二阶故障对系统平均停电时间影响的计算公式，如式（4-12）所示：（4-12）式（4-12）中，计划内开关检查频率记为，持续平均时长记为；计划内线路检查频率记为，持续平均时长记为。②变压器并联结构发生二阶故障对系统平均停电时间影响的计算公式，如式（4-13）所示：（4-13）式（4-13）中，计划内变压器检查频率记为，持续平均时长记为。对安装有不同频率或电压的两头回路的线路而言，发生二阶故障对系统平均停电时间影响的计算公式，如式（4-14）所示：（4-14）对并联结构运行的变压器而言，发生二阶故障对系统平均停电时间影响的计算公式，如式（4-15）所示。（4-15）对上述两种结构同时存在的结构而言，发生二阶故障对系统平均停电时间影响的计算公式，如式（4-16）所示。（4-16）4.4公式汇总及算例根据上述故障发生时的分析计算，不同配电（高压）系统结构的可靠性（以系统平均停电时间为代表）计算公式如表4-1所示。表4-1典型结构可靠性（系统平均停电时间）计算结果典型接线平均停电时长平均停电时长3T+3站+3变——3T+2站+3变——双T+3站+2变双T+2站+2变双辐射+1站+2变表4-2典型元件可靠性参数元器件故障频率（次/月）修复时长（小时/次）检查频率（次/月）检查时长（小时/次）线路0.002230.01334变压器0.01900.5757断路器0.01430.5825母线0.0016370.511假设器件发生故障而停止运行的负载转移时长为10分钟，计划检查而停止运行的负载转移时长也为10分钟，典型元件可靠性参数已知。将典型元件可靠性参数表中的数据代入公式得到对应的结果，如表4-3所示：表4-3常见结构可靠性（系统平均停电时间）计算结果接线模式线路长度一阶故障/[min/(户·年)]二阶故障/[min/(户·年)]合计/[min/(户·年)]3T+3站+3变51030800.700.801.202.2000000.700.801.202.203T+2站+3变51030800.600.701.102.1000000.600.701.102.10双T+3站+2变51030800.700.801.202.200.800.871.262.871.501.672.465.07双T+2站+2变51030800.600.701.102.100.800.871.262.871.401.572.364.97双辐射+1站+2变51030800.600.701.102.100.800.871.262.871.401.572.364.974.5本章小结从可靠性指标结果表中可以看出，当接线模式一致时，线路长度变长，数值也变大；当线路长度相同，接线模式不一致时，3T+2站+3变的接线方式的数值最小。所以，在本章所研究的几种接线方式中，3T+2站+3变的接线方式收到故障的影响最小，从而更加可靠。5总结本文从分析高压输电网典型接线模式可靠性评估着手，研究了高压配电网典型接线模式及其可靠性评估的方法，主要工作体现在以下方面：1. 学习并讨论了目前有关可靠性的知识，包括可靠性基本概念、可靠性指标、可靠性参数、可靠性评估步骤等研究现状。2. 着手计算了配电网的可靠性指标，从而发现效果最佳的接线方式，为进一步研究打下基础。3. 充分储备针对高压配电网可靠性评估这一课题要建立的模型，分析比较不同的算法，最终得到简化公式。4. 本文从高压配电网接线方式和可靠性计算两个方面分析讨论了这一课题，并未分析经济因素、管理因素等全方位多角度解决工程问题。

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