配电系统可靠性评估

1、第五章配电系统可靠性评估,Distribution System Reliability Evaluation 5.1 概 述 5.2 配电系统可靠性指标的计算 5.3 放射状配电系统的可靠性估计 5.4 配电系统典型结构的可靠性分析 5.5 考虑容量约束的配电系统可靠性评估 5.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估 5.7 2001年全国主要城市供电可用率统计 5.8 电压骤降的可靠性评估,5.1 概 述,指供电点到用户，包括配电变电所、高低压配电线路及接户线在内的整个配电系统及设备按可接受标准和期望数量满足用户电力和电能量需求之能力的度量。 配电系统可靠性主要评估充裕度。 评估原

2、理 故障模式影响分析法(failure mode and effect analysis，FMEA) 根据选定的可靠性准则，将配电系统划分为完好和故障两类状态，然后根据故障状态计算出相应的可靠性指标的分析方法。 故障准则：供电连续性遭破坏(停电)为故障状态。 具体做法：建立故障模式影响分析表，查清每个基本故障事件及其影响，然后加以综合分析，计算出可靠性指标。适用于放射状网络，可扩展并用于有转移设备的复杂网络的全面分析。 复杂网络特点：各馈电线均有负荷点；馈点通过正常断开点彼此相连或与其他电源相连；负荷可以转移；故障将会引起局部或全部断电。,5.1 概 述,评估原理 可靠度预测分析法 以裕度为基

3、础。引入联络率和有效运行率的概念。 表示馈电各区段联络程度的指标，描述了故障时线路的倒送能力；1表示该馈电线可以切换。 表示负荷有效切换的指标，是馈线发生故障时所有各区段是否都可切换的判据；100为临界值，100表示有裕度。,5.1 概 述,配电系统可靠性指标 用户平均停电频率指标：CAIFI，customer average interruption frequency index 用户平均停电持续时间指标：CAIDI，customer average interruption duration index 系统平均停电频率指标：SAIFI，system average interrupti

4、on frequency index 系统平均停电持续时间指标：SAIDI，system average interruption duration index 平均供电可用率指标：ASAI，average service availability index 平均供电不可用率指标：ASUI，average service unavailability index 期望缺供电能量：EENS，expected energy not served,5.1 概 述,电力市场条件下对配电系统可靠性的新要求 发展电力市场时，配电系统必须有规划和设计； 提高需求预测的准确性； 配电系统可靠性评估要考虑交易

5、形式不同（合同交易和现货交易）带来的不确定因素； 可靠性技术逐渐发展为实时系统； 要求提出评估停电损失的理论模型和开发应用软件，用以分析可靠性投资和可靠性效益，确定合理的电价水平。,5.2 配电系统可靠性指标的计算,设某配电系统从六段母线引出六条主馈电线，共有55000个用户。每条馈线供电的用户数以及某年的用户停电数据如表5.1和5.2所示。,表5.1 配电系统数据,表5.2 用户停电数据,*在停电情况1和4中，有些用户是通过母线D引出的馈线供电的。因此在停电情况4中加上1000个受停电影响的新用户，总停电次数为17000次，实际影响用户为16000个。,5.2 配电系统可靠性指标的计算,系统

6、平均停电频率指标SAIFI：指每个由系统供电的用户在每个单位时间内的平均停电次数。 SAIFI17000/550000.31 次/用户.a 用户平均停电频率指标CAIFI：指每个受停电影响的用户在单位时间内经受的平均停电次数。 CAIFI17000/160001.06 次/停电用户.a 系统平均停电持续时间指标SAIDI：每个由系统供电的用户一年内经受的平均停电持续时间。 Ttl5000601000125000120 4000302000105 1242000 min SAIDI1242000/1600022.58 min/用户.a,5.2 配电系统可靠性指标的计算,用户平均停电持续时间指标C

7、AIDI：一年中被停电的用户平均停电持续时间。 CAIFI1242000/1600077.63min/停电用户.a 平均供电可用率指标ASAI：一年中用户经受不停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。 ASAI11242000/(55000876060)0.999957 平均供电不可用率指标ASUI：一年中用户的累积停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。 ASUI1242000/(55000876060)0.000043 显然，有 ASUI1ASAI,5.3 放射状配电系统的可靠性估计,分析方法 建立故障模式及后果分析表，即查清每个基本故障事件及其后果，然后加以综合。进行故障分析的3个指

8、标： 负荷点故障率：（次/a）； 负荷点每次故障平均停电持续时间：r（h/次）； 负荷点的年平均停电时间：U（h/a） 对于n个串联可修复元件,对于两个并联可修复元件,5.3 放射状配电系统的可靠性估计,典型放射状配电系统,表5.4 元件的可靠性指标,5.3 放射状配电系统的可靠性估计,表5.5 故障模式及后果分析,5.3 放射状配电系统的可靠性估计,典型放射状配电系统 根据表5.4和表5.5数据，可以计算出其他可靠性指标： 年用户停电次数： ACI2501.351001.1500.85490 次/a 用户停电持续时间： CID2501.551002.05502.05695 h/a SAIFI

9、490/4001.225 次/用户.a SAIDI695/4001.7375 h/用户.a CAIDI695/4901.4184 h/停电用户.a ASUI695/(4008760)0.000198 ASAI1ASUI0.999802,5.4 配电系统典型结构的可靠性分析,配电系统的典型结构,所有元件串联,备用电源通过正常断开的隔离开关或断路器与主馈线连接,两回电源同时工作，可以开环或闭环运行,5.4 配电系统典型结构的可靠性分析,配电系统典型结构的可靠性分析,计算参数： 非操作设备 主要考虑持续性强迫停运，用元件的故障率和修复时间r表示。 线路长度均为3km，0.1次/km.a， r3h/次

10、； 负荷大小均为1000kW，每个负荷点用户数均为1个负荷； 暂不考虑预安排停电。,操作设备 隔离开关操作时间：t0.5h； 短路故障：0.01次/a，r5h/次； 误分闸事故率：FT0.01次/a； 拒分闸概率：PS0.001； 拒合闸概率：PC0.001； 保护越级误分闸概率：P00.01； 手动切换开关操作时间：t10.5h； 自动切换开关操作时间：t20.05h。 在以上假设情况下，计算各种结构的可靠性指标见表5.6和表5.7。,5.4 配电系统典型结构的可靠性分析,表5.6 各种结构用户可靠性指标,表5.7 各种结构系统可靠性指标,5.4 配电系统典型结构的可靠性分析,配电系统典型结

11、构的可靠性分析结论： 单电源供电的放射式配电系统，在元件可用率确定的条件下，系统串联的元件越多，失效的概率就越大，系统可用率就越低。 有备用电源的放射状系统，不论备用电源的投入方式如何，其负荷点的故障率均与单回路放射式结构相同。但负荷点的每次故障平均停电持续时间及平均停电时间将会缩短，其缩短时间取决于备用电源倒闸操作的时间。自动投入方式会大大缩短用户停电时间。 配电系统接入备用电源后，对改善干线某端用户的供电质量效果明显。其效果与备用电源的载荷能力有关。 配电系统因限制短路电流和简化继电保护的需要，常为开环运行方式，负荷在某一时刻只能从一个电源获取电源。当开环的两个系统之一方式故障时，切除故障

12、部分，并以此作为新的断开点恢复系统的运行。 环网供电系统负荷的可用率，随着其与电源点的远近变化，位于两电源中心的负荷可用率最低。环网结构与双电源结构的可靠性相近，而投资较少，是一种较好的结构。,5.5 考虑容量约束的配电系统可靠性评估,5.5.1 原理和模型 配电系统可靠性以连续性为准则，以用户的停电频率、停电持续时间、供电可用率和故障引起的缺供电量作为衡量指标。 对放射形及并联形配电系统，采用公式5.25.7计算。 对环形系统，一般先求出电源点与用户之间的最小割集，然后求出相应的可靠性指标。 可靠性事件分类： TLOC (total loss of continuity，全部失去连续性事件)

13、：指负荷点具有等到引起停运的故障元件修复后才能恢复负荷正常供电的系统故障； PLOC (partial loss of continuity，部分失去连续性事件)：指元件故障不会导致负荷点和电源之间的所有通路都断开的系统故障，但会造成线路(或变压器)过负荷或电压越限，因而必须减少部分或全部负荷点的负荷。,5.5 考虑容量约束的配电系统可靠性评估,5.5.2 容量约束模型 配电系统中线路的故障停运引起的负荷变化必须考虑。在忽略线路电容、电阻和负荷无功的条件下，可用直流潮流法与Z矩阵法相结合求解配电网络中线路故障或负荷点减负荷时网络的潮流分布。求出潮流后，很容易算出负荷点和系统可靠性指标。主要原理

14、： 在不计入松弛母线的条件下形成系统阻抗矩阵Z1，并变换为导纳矩阵Y1。 在计入松弛母线和负荷阻抗的条件下形成另一个系统阻抗矩阵Z2，并变换为导纳矩阵Y2。 用Z1和直流潮流法求解发电机和负荷点有注入功率时系统的潮流。负荷点削减负荷也可视为特殊的注入功率来处理。 用下式修改Z2，以反映负荷点削减负荷后负荷阻抗的变化,式中， Zb对应新负荷的阻抗；Zij是Zold中第i行第j列的阻抗。,5.5 考虑容量约束的配电系统可靠性评估,用式(5.9)修改Z2，以反映线路P-Q断开,KIPQ0/IPQ且IPQ(ZPPZQQ)/ZlinePQ 式中，ZLiZiLZPiZi ；当iL时，ZLLZPiZQiZl

15、inePQ； IPQ0和IPQ分别为故障前后在线路P-Q处的电流。 当母线P注入电流K时，将在线路i-j形成电流Iij IijK(ZPiZPj)/Zlineij(5.12) 任一线路故障前后导致P-Q处的电流变化，也将引起i-j处的电流变化Iij IijK(ZPiZjP)old(ZPiZjP)new/Zlineij (5.13) 潮流的变化应加入直流潮流的计算结果。 检查线路过负荷，必要时削减负荷点的负荷，重复步骤36，使线路过负荷减到容限之内。（可采用就近削减负荷策略）,5.5 考虑容量约束的配电系统可靠性评估,5.5.3 可靠性指标 SAIFI系统平均停电频率指标，单位：a1； CAIFI

16、用户平均停电频率指标，单位：a1； SAIDI系统平均停电持续时间指标，单位：h/a； CAIDI用户平均停电持续时间指标，单位：h/a； ASAI 平均供电可用率指标； ENS 缺供电量，单位：MW.h/a AENS 平均缺供电量，单位：MW.h/(用户.a),5.5.4 算例 （略）,5.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估,Failure mode and effect analysis（FMEA）是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，查清其对系统的影响，求得系统的可靠性指标。 本

17、节介绍一种结合最小割集法的FMEA方法，该方法能够考虑故障后的潮流和电压约束，可应用于大规模配电系统可靠性评估。,5.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估,5.6.1 基本原理 基本思路：首先对系统进行预想事故的选择，即确定负荷点失效事件，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，并将事故及其影响报表存入预想事故表；再根据负荷点的故障集从预想事故表中提取相应的故障后果，计算出负荷点的可靠性指标。系统可靠性指标则可从各负荷点的指标中分别得到。 负荷点失效事件： TLOC：结构性失效，又称全部失去连续事件，指当负荷点和所有电源点之间的所有通路都断开时导致该负荷点全部失电。

18、通过寻找配电网络的最小割集可有效判断出导致TLOC的停运组合。 PLOC：功能性失效，又称部分失去连续事件，它考虑到各元件负载能力和系统电压约束，则必须断开或者削减某一点的负荷以消除过载电压越限。可通过最小割集中元件组合来寻找可能引起PLOC事件的停运组合。确定停运组合后，进行潮流计算并确定是否违反网络约束，即可识别出是否会发生PLOC事件。配电系统对一阶故障敏感，高阶故障发生概率极低，因此略去三阶及以上停运事件。 可靠性指标计算应考虑：母线、变压器、线路、电缆和开关设备等元件的强迫停运和计划检修的影响，以及系统负荷转移的影响。,5.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估,5.6.2

19、最小割集算法 初始化系统拓扑信息。形成源点、负荷点链表，得到支路元件关系； 逐一搜索负荷点链表，并对每一负荷点按以下规则对支路编码得到新支路表。 首先，对指定的有向支路、输出支路、输入支路进行编码，其中输入支路的输入节点号改为1； 然后，对所有的无向支路进行编码，同时复制所有无向支路，以反映潮流的双向流动； 接着给负荷点形成新支路，对包含前述负荷点的新支路进行编码，其输出节点（负荷点）号为0； 最后，对复制的无向支路按相反的顺序进行编码。,5.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估,5.6.2 最小割集算法 形成负荷点的最小路。 对系统每一支路，分别得到其所有的前趋支路。防止多制支路成

20、为其自身的前趋支路的方法：无向支路的新编号加上复制支路的新编号是否等于2倍的负荷点支路的新编号。若否，则不是自身复制，将该支路插入前趋支路链表。 用递归算法从前趋支路链表中获得自源点至负荷点的最小路：构造堆栈，首先将负荷点支路压栈；遍历前趋支路，若支路无前趋支路或由于某条支路导致路径循环，则路径删除，否则将支路压栈；遍历其余前趋支路，如果遍历到输出支路，则终止遍历。存入堆栈中的支路即为最小路。 根据新支路与原支路的对应关系，将最小路集用原支路表示；根据支路元件的对应关系，得到以元件表示的采用二进制编码的最小路矩阵。,5.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估,5.6.2 最小割集算法

21、求最小割集。 如果最小路矩阵中某一列元件都是1，则矩阵的列所对应的元素就是网络的一阶最小割集； 将最小路矩阵中任意两列元素进行组合（逻辑加），如果组合后的列元素都是1，则该两列元素就是网络的一个二阶割集； 依次类推，可以得到网络的2n阶割集。 求nj阶割集时，需校验是否包含ni(ni1nj1) 阶最小割集。若是，此割集将作为非最小割集而舍弃。检验方法： 研究两个割集I（ni阶最小割集）和J（nj阶最小割集），且ninj Iai，bi，ci，A，有ni个元件； Jaj，bj，cj，A，有nj个元件； AIJ，若A的非零元件个数等于ni，那么，割集J是非最小割集，应予舍弃。 重复步骤24直到负荷链

22、表搜索完毕。,5.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估,5.6.3 TLOC事件 TLOC事件引起的相关负荷点可靠性指标可由串、并联系统原理求得。 并联元件可靠性评估涉及计划检修，考虑强迫停运与强迫停运的重叠、强迫停运与检修停运的重叠。 5.6.4 PLOC事件 分析时必须考虑在不满足网络约束时，对负荷点削减的情况。可以采用启发式的系统补救措施： 首先判断故障所在馈线如果发生节点电压越界，搜索距离节点最近的负荷点，将该处的负荷切除，直到母线电压的值正常为止。 如果发生线路过载，根据线路潮流方向，搜索离线路潮流方向的末端节点最近的负荷点，将该处的负荷切除，直到线路潮流的值正常为止。,5

23、.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估,PLOC事件的状态空间如图5.7所示。由图中可以导出： PLOC事件的发生率 ePeL(1P)rerL/(rerL) PLOC事件平均持续时间 rrerH/(rerH) PLOC事件中断开的平均负荷 LL(t)dt /t1LS L、rL和rH之间的关系 LHP/(1P) P/(1P)rH rL1/L(1P)rH/P,5.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估,5.6.5 大规模配电系统可靠性评估算法流程,5.6 基于故障模式影响分析法的配电系统可靠性评估,5.7 2001年全国主要城市供电可用率统计,5.7.1 供电系统用户供电可靠性评

24、价规程 1988年颁发供电系统用户供电可靠性评估规程要点： 规定了适用范围、基本内容、定义及分类、评价指标及计算公式等。主要指标5个，参考指标18个。 定义了供电可靠性、用户、用户统计单位、用户容量、用户设施、系统与设备的状态。其中，用户分别以电压380/220V，10(20.6)kV，35kV及以上等三个等级划分为低压用户、中压用户和高压用户。 将停电性质分为故障停电和预安排停电两大类。故障停电又分为外部故障停电和内部故障停电。预安排停电则分为计划停电、临时停电和限电。 只统计造成用户停电的事件及数据，不统计设备停运未造成用户停电的事件及数据。 供电可靠率(RS)、用户平均停电时间(AIHC

25、)和次数等3项主要指标，按3个不同档次来统计： 计及一切影响（RS-1、AIHC-1）； 不计及外部影响（RS-2、AIHC-2） ； 不计及系统电源容量不足限电影响（RS-3、AIHC-3） 。,5.7 2001年全国主要城市供电可用率统计,5.7.2 主要指标计算公式 计及一切影响时 AIHC-1每户每次停电次数/总用户数 RS-1（1AIHC-1/统计期间时间）100 不计及外部影响时 AIHC-2每户每次停电次数 因外部影响造成的停电时间/总用户数 RS-2（1AIHC-2/统计期间时间）100 不计及由于系统电源不足的影响时 AIHC-3用户平均停电时间用户平均限电停电时间 RS-3

26、（1AIHC-3/统计期间时间）100,5.7 2001年全国主要城市供电可用率统计,5.7.3 10kV用户供电可靠性指标 表5.17 10kV用户供电可靠性统计,表5.18 全国直辖市及省会城市10kV用户供电可靠性统计（按RS-1排序）,续表5.18 全国直辖市及省会城市10kV用户供电可靠性统计（按RS-1排序）,5.8 电压骤降的可靠性评估,电压骤降定义： IEEE Voltage Sag：指供电系统中某点的工频电压有效值突然下降至额定值的1090，并在随后的10ms1min的短暂持续期后恢复正常。 IEC Voltage Dip：电压幅值的范围为190额定值。 产生原因： 短路故障

27、，如雷击等； 大型电机的启动，电弧炉、轧钢机等冲击负荷的投运等。,5.8 电压骤降的可靠性评估,5.8.1 电压骤降的评估方法 基于电力网的电压骤降特性、规律（幅值、持续时间和发生频率等）和负荷（或工业过程）的敏感曲线（允许曲线）两者的结合。包括： 基于实测数据的评估方法系统平均有效值波动频率指标SARFIX以及从属的3个针对即时、瞬时和暂时电压骤降的子指标。 基于理论分析的预测方法，尚无成熟、精确的理论分析法。 基于频率和持续时间的线路逐段分析法,5.8 电压骤降的可靠性评估,5.8.2 电压骤降评估指标体系 用户的敏感设备模型 用户的敏感设备：大型计算机、可调速驱动设备(ASD)、荧光照明设备、基于计算机和微处理器的负荷以及其他一般负荷。 可由公共连接点(PCCpoint of common coupling