配电网可靠性研究

本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 37 页1 引言现代配电系统由三个主要部分组成，分别是发电系统、输电系统和配电系统，其中配电系统是直接与用户相连并向用户分配电能的环节 1，有时也被称为配电网或配网。由于配电系统直接与用户相连，所以其对用户供电可靠性的影响也是最直接的。在整个电力系统中，配电网处于相当重要的位置，是城市与农村现代化建设的重要基础设施，其性能优劣关系到国民经济各部门的发展。11 配电网可靠性评估的基本概念可靠性是指部件、元件、产品或者系统在规定的环境中、规定的时间内、规定条件下无故障地完成其规定功能的概率 2。通常我们用可靠度指标来度量可靠性特性，即表示元件、设备或者系统成功运行的概率。电力系统可靠性是指按电力系统可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户提供电力和电量的能力的量度 3，即用来度量和评估系统向用户不间断提供合格电能的能力，主要包括发电系统可靠性、输电系统可靠性和配电系统可靠性三个部分。所谓配电系统可靠性是指供电点到用户，包括变电所、高低压线路及接户线在内的整个配电系统及设备按可接受标准及期望数量满足用户电力及电能需求的度量 4。根据评估对象的不同，配电系统可靠性指标可以分为负荷点可靠性指标（也称用户可靠性指标）和系统可靠性指标。负荷点可靠性指标描述了单个负荷点的可靠程度，包括：负荷点持续停电率 、负荷点每次故障平均停电持续时间 r 和负荷点的年平均停运时间 U 等。系统可靠性指标描述了真个系统的可靠程度，包括：系统平均停电频率（SAIFI） 、系统平均停电持续时间（SAIDI） 、用户平均停电持续时间（CAIDI）和平均供电可用率（ASAI）等。12 配电网可靠性评估的目的及意义从 20 世纪 60 年代起，人们开始了电力系统的可靠性的研究工作，对电力系统进行可靠性评估不仅可以保证系统短期内的稳定运行，更可以预测系统长期的运营情况，对系统的统筹规划十分有帮助。在开始研究的相当长的一段时间里，对配电系统可靠性研究的关注程度主要远不及对发电系统可靠性或者以发电和输电组成的大电力系统可靠性研究的关注度，使配电系统可靠性研究的方法及技术发展缓慢。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 37 页造成这一现象的主要原因是：由于发电系统设备一次投资额大，建设周期长，且较为集中，所以一旦发生故障，往往都是大面积的，会造成很严重的后果，引起巨大的损失，对社会、环境的影响广泛，而配电系统发生的故障一般都具有局部性的特点，一开始并没有引起人们的关注。事实上，作为与用户直接相连的配电系统，其可靠性与否和用户用电是否有保障密切相关。随着经济技术的发展和人民生活质量不断提高，电力用户对电能质量 5和供电可靠性的要求也越来越高；同时，区域配电网日益发展和不断完善，如线路分段、 “手拉手”等硬件的实现和配网自动化的广泛应用，使得配电系统的可靠性研究开始引起人们的重视 6。配电系统处于电力系统末端，是将电源系统或输变电系统与用户设施连接起来的纽带，是向用户分配电能和供给电能的重要环节，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网及其设备 4,7。由于电力生产具有发、供、用瞬时平衡的特点，一旦配电系统设备发生故障或进行检修，就会同时造成整个系统对电力用户供电的中断。因此对配电系统可靠性进行评估实际上能够集中反映整个电力系统结构及运行特性。并且，配电网采用的环形设计、开环成放射式的运行方式，对单故障比较敏感，因此故障发生率也较高。据电力公司统计：大约 80的用户故障缘于配电系统故障 8，由此可见，配电系统对电力客户供电可靠性的影响最大。配电系统的可靠性是与供电质量有着密切关系的一项基本指标。随着电力系统市场化改革不断深入，配电系统的故障给电力客户造成的经济损失以及给社会带来的损失必将成为今后电力市场电价机制完善中所要考虑的重要因素 9。研究配电系统可靠性是保证电力系统供电质量、提高电力工业现代化水平的重要举措，对改善和提高电力工业生产技术和管理水平，提高经济效益和社会效益以及进行城市电力网络建设和改造都有着重要的指导作用。由此可见，配电系统可靠性研究在整个电力系统的研究中占据着重要的地位。电力系统可靠性的价值主要反映在其连续供电的价值上。一方面，研究配电系统的可靠性可以减少电力系统的缺点和停电现象，以避免给电力客户和社会造成经济损失；另一方面，配电系统可靠性的提高是以电力投资成本的增加为代价的，盲目提高供电的可靠性而忽略了经济性的考虑，势必造成电力投资的大幅增加，从电力企业以及整个社会的经济效益角度来看，并不是值得提倡的 6。也就是说，配电系统的可靠性水平是与经济性和社会发展水平相联系的，通过对配电系统可靠性的研究，可以有效减少两者间的矛盾，使可靠性与经济性相互协调，共同发展。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 37 页13 配电网可靠性评估的现状国外以统计分析为主，较早的展开了对于配电系统供电可靠性评估的研究，以美国为代表的一些发达国家的研究如今已经臻于完善，并且已经将研究成果成功运用到生产实践中去了。加拿大早在上个世纪 50 年代就开始研究供电的连续性和可靠性问题，并于 1959 年成立了专门的供电连续性委员会，规定了评价供电充裕度的若干实际指标 10；英国也在上个世纪 60 年代开始了配网可靠性方面的管理工作；其它欧美国家和日本也在上个世纪 70 年代开始全面展开了配电网可靠性统计分析的工作11。为了将各国对配电可靠性的研究进行合理的统筹同时便于后人继续研究， IEEE于 1980 年建立了第一个配电系统可靠性的行业推荐标准，即 IEEE Std 493-1980，在这一标准中，详细介绍了配电网可靠性的基本方法，提供了可靠性数据和停电成本数据等相关资料，又被称为“IEEE 黄金手册” 。但由于配电可靠性指标还不够统一，会给研究造成一定的阻碍，IEEE 于 2001 年正式出版了“IEEE Std 1366”，系统规定了相关可靠性名词和指标，为以后的研究翻开了新的一页。现在，配电系统的可靠性评估已经逐步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、法国以及俄罗斯都成立了专门的研究机构，负责配电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，并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。我国于 20 世纪 80 年代初期开始对配电系统进行可靠性研究，刚开始时由于缺乏必要的统计数据和优良的方法，所以发展的较为缓慢。但是随着我国科学技术的不断发展、人民生活水平的大幅度提高，配电系统可靠性的研究越来越受到重视，加之电力市场的逐步形成及电价机制的完善，都对配电网的可靠性提出了新要求，我国供电部门为了创造出更好的经济效益和社会效益，采取了许多措施来提高可靠性 8。在可靠性理论研究上，无论是我国电力可靠性管理中心，还是各省电力局和各大院校都进行了大量的富有意义和成效的探索和理论研究，开展了各种各样的专题研究，随着更多的专家、学者的参与，研究硕果累累，我国配电系统可靠性的研究本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 37 页工作进入了一个蓬勃发展时期。近三十年来，我国有组织、有计划的配电系统可靠性研究与应用方案已经开展，配电系统可靠性评估办法及程序也已经制定，同时还建立了有效的配电系统可靠性数据信息库和可靠性管理体系，广泛开展了学术交流、经验交流和可靠性工程教育，目前提高配电系统的可靠性已经成为了供电企业的主要目标之一 12。配电系统可靠性评估分析和应用工作在全国范围内发展起来，所研究的方向、内容也更加深入和全面。14 课题研究的主要工作本次课题主要研究基于网络等值法的配电网可靠性评估和基于最小路法的配电网可靠性评估，通过这两种方法的数学模型计算出系统的可靠性指标，比较完备的考虑了熔断器、断路器、备用变压器等设备对配电网可靠性的影响。基于网络等值法的可靠性评估的核心思想是将复杂的配电网等效成简单辐射状网络，从而得到等效后的可靠性指标；基于最小路法的可靠性评估则是先确定每个负荷点到电源点的最小路，再分别对最小路和非最小路上的原件进行分析，最终得出可靠性指标。本次课题主要完成的工作如下：学习基于元件的可靠性分析理论，通过对元件可靠性模型的分析得到其对配电系统可靠性数据的影响，从负荷和系统两个方面研究可靠性评估的常用指标。学习并总结国内外各种可靠性评估方法的原理，明确各种方法的特点。重点学习配电网可靠性评估中的网络等值法和最小路法，深入研究这两种方法的负荷点和系统的可靠性模型的建立以及可靠性评估的具体步骤。最后选取 IEEE RRTS 母线 6 主馈线 4 的配电网络作为算例，利用 MATLAB 软件结合网络等值法和最小路法分别编程，计算出负荷点的可靠性参数和系统的可靠性指标，将两种方法得到的结果进行比较，验证方法的正确性，同时得到方法的优劣性。14 本章小结配电系统是电力系统中与电力用户直接相连的部分，其可靠特性是用户安全、持久、可靠用电的直接保障，研究配电网的可靠性对社会生活、环境等都具有重大的现实意义。我国对配电网可靠性评估的研究虽然不及国外开展得早，但也成绩斐然，为电网的营销规划做出了巨大的贡献，也为电力用户的可靠用电奠定了理论基本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 37 页础，使我国的配电网络系统不断优化，逐步完善。本章介绍了配电网可靠性评估的基本概念，总结了本次课题研究的目的与意义，归纳了国内外配电网可靠性研究的发展现状，明确了课题的主要工作。2 配电网可靠性指标及评估方法21 元件可靠性模型配电系统主要由变压器、配电线路、开关、母线等电气设备组成，这些设备统称为元件。元件是配电系统可靠性分析中的基本单位。在可靠性评估中，我们通常将元件内部由于各种原因引起的元件功能失效统称为元件故障。一个元件的状态是指该元件在特定时间内所处的特定状况 13，由于运行方式、人为因素以及不可预测故障的影响，各元件的状态可能不同，而各元件状态的改变随之也会带来整个配电系统可靠性的改变。元件的状态大致可以分为以下几种，如图 2-1 所示。图 2-1 元件的状态划分从元件的状态图中可以看出，元件在通常情况下，主要工作、停运备用和停运维修三种状态，而对于一个使用中的元件来说，主要可以将其分为可用状态和不可用状态两大类，同时再根据配电网中各元件的功能不同，又可将其分为：功率元件和操作元件。这两种元件对配电系统可靠性的影响也不尽相同。2.1.1 功率元件配电系统中的功率元件主要包括：变压器、输电线路、母线、系统补偿器等。其功能主要是传送电能，将电能从一处送至另一处，或者对系统电压进行调度和控本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 37 页制。对于这些功率元件一般采用三状态模型。其状态转移关系如图 2-2 所示。图 2-2 元件的三状态模型所谓三状态模型，即包含有可用、不可用以及检修状态的模型。图中，N 表示元件的正常运行状态，M 表示元件的检修状态，R 表示元件的修复状态；”为计划检修率，”为检修修复率，为故障率， 为故障修复率。2.1.2 操作元件操作元件主要包括断路器、负荷开关、隔离开关、熔断器等，主要执行开关操作，会使系统的拓扑结构发生改变，由于其元件状态较为复杂，可分为七种：正常运行状态、计划检修状态、临时检修状态、误动状态、接地或绝缘故障状态、拒动状态和故障修复状态 11，所以需要对其进行特殊处理，所采用的模型如图 2-3 所示。图 2-3 操作元件的状态模型对于这七种状态，可以按照它们对周围元件的影响及对系统的危害程度进行一定的合并简化，其中计划检修、临时检修、误动、故障修复四种状态的后果都是使该操作元件本身断开，不会影响到操作元件周围元件的正常运行，所以合并成修复状态。拒动与接地或绝缘故障这两种状态则被合并为扩大型故障状态。据此，即可得到如上图所示的状态模型。图中，N 表示元件的正常运行状态，M 表示元件的检修状态，R 表示元件的修复状态，S 表示元件的扩大型故障状态；”为计划检修率，”为检修修复率， 为故障率， 为故障修复率，s 为扩大型故障率，s 为扩大型故障到修复状态的转移率。对元件的状态转移关系的分析是至关重要的，在可靠性评估中需要区别对待。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 37 页22 配电网的可靠性指标配电系统可靠性指标最早由爱迪生电力研究所(EEI)、美国公共电力联合会(APPA)和加拿大电力联合会(CEA)提出，并于 1998 年成为 IEEE 实行标准(IEEE Std 1366 1998)12。主要可以分为负荷点的可靠性指标和系统可靠性指标。2.2.1 负荷点的可靠性指标负荷点的可靠性指标用于评估规定时间内系统中每个负荷点的可靠程度，主要包括：负荷点持续停电率 （次/年） 、负荷点每次故障平均停电持续时间 r（小时/次）和负荷点的年平均停运时间 U（小时/年）和负荷总用电量不足期望 EENS（千瓦小时/年）等。这里分别就串联系统和并联系统讨论其负荷可靠性指标。串联系统的负荷可靠性指标在串联系统中，任何一个元件失效都会导致整个系统失效，即必须所有元件都正常工作才能保证配电系统的可靠运行。图 2-4 串联系统如上图所示，假设 A 为电源端，则 B 端的元件可以正常工作的条件为元件 1N都正常运行，假设元件 1N 的故障率分别为 1 N，则元件串联组合的等值故障率为：（2-iIS11）若各元件的平均修复时间为 r1rn，则元件串联组合的等值平均修复时间为：(2-2)NiIiisr11元件 1N 串联组合的等值年平均停运时间为：（2-sNiiSrU13）本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 37 页并联系统的负荷可靠性指标在并联系统中，需要所有元件都失效整个系统才会失效，即只要有一个元件能正常工作，系统就可以正常运行。图 2-5 并联系统如上图所示，假设 A 为电源端，则 B 端的元件可以正常工作的条件为元件 1N中存在运行正常的元件。以两元件并联系统为例，故障率分别为 1和 2，平均修复时间分别为 r1和 r2，则两元件并联组合的可靠性指标为：（2-21rs4）（2-21rs5）（2-21rrUss6）2.2.2 系统的可靠性指标系统可靠性指标用于评估整个系统的可靠程度，可以大致分为频率时间类指标、负荷电量类指标和经济类指标，这里主要研究频率时间类指标和负荷电量类指标。1 系统平均停电频率指标（SAIFI）该指标用来表征在规定时间内系统中平均每个用户经受的持续性停电的次数。（2-jNSAIF用 户 总 数用 户 持 续 性 停 电 总 次 数7）系统平均停电持续时间指标（SAIDI）该指标用来表征在规定时间内系统中平均每个用户经受的总停电时间。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 37 页（2-jNUSAID用 户 总 数用 户 停 电 持 续 时 间 总 和8）用户平均停电持续时间指标（CAIDI）该指标表示在规定时间内系统中每个受停电影响的用户的平均停电持续时间。（2-jNUCAID用 户 持 续 性 停 电 总 次 数用 户 停 电 持 续 时 间 总 和9）平均供电可用度指标（ASAI）该指标用来表征在规定时间内用户经受的不停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。（2-jjjNTUASI 用 户 需 电 小 时 数用 户 用 电 小 时 数10）式中，T 为在规定时间内的需电小时数，当以年为单位统计该指标时，若该年为闰年则 T=8784，否则 T=8760。系统总电量不足指标（ENS）该指标用来表征系统在规定时间内总的电量供给不足，其期望值简写为 EENS。（2-jEENS系 统 总 的 电 量 不 足11）系统平均电量不足指标（AENS）该指标用来表征系统中的每个用户在规定时间内平均供给电量不足。（2-jNEAENS用 户 总 数系 统 总 的 电 量 不 足13）以上六个系统可靠性指标中，前四个属于频率时间类指标，后两个属于负荷电量类指标。其中，j 表示第 j 个负荷的编号。23 配电网可靠性评估方法简介配电系统可靠性的评估方法是建立在在电力系统可靠性评估方法的基础上的，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 37 页在评估时需要将可靠性理论与配电系统网络的拓扑结构、潮流分析、保护之间的配合关系等的特点相结合。配电系统可靠性评估的大致思路是：首先，要对配电系统建立可靠性模型，输入元件的可靠性参数；其次，通