（控制科学与工程专业论文）复杂分支子馈线配电系统的可靠性评估算法应用研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 摘要 随着城市经济建设的迅速发展，用户对电能的品质要求在不断提高。配 电系统位于电力系统的末端，是连接电力网络和电力用户的桥梁和枢纽，其 可靠性的水平直接影响到电力企业向用户提供电能的质量。所以对配电系统 进行可靠性评估，并在此基础上对配电网络进行改造，在理论和实际上都有 重要的意义。 本文在广泛阅读国内外关于配电系统可靠性分析有关文献的基础上，总 结前人的研究成果，针对湖北省仙桃市配电系统带有复杂分支子馈线的结构 特点，在对配电系统中主要元件的可靠性模型和参数计算的基础上，采用网 络等值法与最小路法相结合的算法对其进行了可靠性评估，并对电力部门提 出的改造方案进行了可靠性预计；结合可靠性经济学中的成本一效益法，从 提高系统可靠性和扩大经济投资收益的关系方面对改造方案进行了简单的 成本一一效益分析。 关键词：配电系统 可靠性评估网络等值法最小路法可靠性经济学 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a ne c o n o m y , t h er e q u i r e m e n t so nt h eq u a l i t yo f e l e c t r i ce n e r g ya r es t e a d i l yg r o w i n gu p d i s t r i b u t i o ns y s t e m s ，w h i c ha r et h ee n d so f p o w e rs y s t e ml i n kp o w e rs y s t e ma n dt o o n s u m e r st o g e t h e r t h er e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o n s y s t e md i r e c t l yi n f l u e n c e st h eq u a l i t yo fe l e c t r i ce n e r g y t h e r e f o r e ，r e l i a b i l i t ye v a l u a t i n g o nd i s t r i b u t i o ns y s t e ma n dr e c o n s t r u c t i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r kb a s e do nt h er e l i a b i l r y e v a l u a t i o na r eo fg r e a ts i g n i f i c a n c et h e o r e t i c a l l ya n d p r a c t i c a l l y b a s e do nt h ep r e v i o u sr e s e a r c hw o r k s ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e v i e w e d r e l i a b i l i t y a n a l y s i sm e t h o d so fd i s t r i b u t i o ns y s t e m a i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co fd i s t r i b u t i o n s y s t e mw i t hc o m p l e xs u b - f e e d e r si nx i a n t a oh u b c ip r o v i n c e ，t h ed i s s e r t a t i o nf i r s t l y c a l c u l a t e dp r i m a r yc o m p o n e n t sr e l i a b i l i t ya n dt h e nm a d ec o m p r e h e n s i v e r e l i a b i l i t y e v a l u a t i o no nt h ew h o l ed i s t r i b u t i o ns y s t e mb yc o m b i n i n gn e t w o r ke q u i v a l e n tm e t h o d a n dm i n i m u mp a t hm e t h o d m o r e o v e r , t h er e l i a b i l i t yp r e d i c t i o no nt h er e c o n s t r u c t i o n p r o j e c tp r o p o s eb yt h ee l e c t r i cp o w e rd e p a r t m e n tw a sp r e s e n t e d a tl a s t ，c o n s i d e r i n g a b o u tt h er e l a t i o nb e t w e e ni m p r o v i n gs y s t e mr e l i a b i l i t ya n dw i n n i n gm o r e b e n e f i t s ，t h e d i s s e r t a t i o na l s om a d eas i m o ea n a l y s i sb yu s i n gc o s ta n db e n e f i t k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ：r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ：n e t w o r ke q u i v a l e n t m e t h o d ：m i n i m u mp a t hm e t h o d ；r e l i a b i l i t ye c o n o m i c s 第1 i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地h - 外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作7 明确的说明并表示谢意。 学位论文题目： 复塞佥圭篮缝壅电歪统啦要塞性迁鱼簋逵应旦丑壅 学位论文作者签名：鑫氢 曰期：如汐z 年f 月7 卵 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将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、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目： 复壅佥塞王缝鍪壁皂墨红鲍互妻! 眭竖垡墓洼麈题煎窒一 学位论文作者签名：豢巍日期：聊g 年，月玎日 作者指导教师签名i 勉3 ， 日期： 多年f 月p 占日 里堕型兰垫查查兰竺窒竺堕堡兰堡丝苎 第一章绪论 1 1 论文的研究背景和意义 随着时代的进步和社会的发展，人类对能源的需求量在不断增长。而电能由于 可以方便地转化为其它形式的能量、输送和分配易于实现、应用规模灵活等特点， 逐渐成为现代社会中不可或缺的能量形式。电能被广泛地应用于工业生产、交通运 输以及人民生活的各个领域。可以毫不夸张地说，电力系统在现今社会中所处的地 位就犹如人体的血管在生命活动中所扮演的角色一样重要。 随着现代社会科学技术的飞速发展、工业发展水平的不断提高以及高度信息化 设备的广泛普及，单位停供电量给用户和社会造成的经济损失也随之越来越大，因 此，用户对电力系统供电可靠性的要求也越来越高。如何安全地向用户提供满足其 需要的电能成为了电力系统研究的首要问题。而电力系统可靠性问题是影响电能质 量和供电安全的关键因素之一。为了便于对电力系统可靠性问题进行分析与研究， 人们按照电力系统组成的结构将其分为发电系统可靠性、输变电系统可靠性以及配 电系统可靠性等几个部分。 在电力系统可靠性问题研究的早期，由于发电设备相对比较集中，设备一次投 资额大，建设周期长，发电容量不足造成的停电会给社会及其环境带来严重后果。 因此，发电系统或者以发电和输变电组成的大电力系统的可靠性研究得到了系统地 发展“1 ，配电系统的可靠性研究的发展相对迟缓。而配电系统处于电力系统的末端， 是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 统设备发生故障或进行检修、试验，就会同时造成系统对用户供电的中断。配电系 统的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。据不完全统计， 用户停电故障中8 0 以上是由电力系统中的配电环节的故障引起的脚。也就是说，配 电系统对用户供电可靠性的影响最大。配电设备数量大，分布面广，对系统投资和 停电损失的影响己不容忽视，所以越来越为人们所关注。 随着电力工业市场机制的全面引入，电力系统可靠性从作为国家和社会的动力 基础的可靠性转变为电力市场上的一种商品的可靠性，这就使得电力企业的经营和 管理策略逐步从生产管理的模式转移到面向用户、以用户为中心上来。提高电力用 户对供电企业的信任度、尽量减少投资和营运成本，扩大企业利润等问题使得供电 可靠性的地位显得尤为重要。由于供电质量的提高是以电力投资成本的增大为代价 的，如果为了提高供电的可靠性，使得电力投资的无限增大，这从整个社会经济效 益的角度来讲是不可取的。为此，在提高供电可靠性的同时中，需要对电力系统的 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 经济投资与利润收益两者之问的关系进行深入的研究。 在此背景下，湖北省仙桃市将对该市辖区内的城乡配电网络进行有效的改造， 在电力部门论证了电力需求和发展规划的前提下，本文从可靠性的角度出发，对该 配电系统进行了评估，找出该系统的薄弱环节，并以提高可靠性和平衡经济投资与 收益为出发点，对电网改造方案进行了可靠性预测。 1 2 配电系统可靠性评估的研究现状 1 2 1 国内外配电系统可靠性的发展 随着科技的进步，由于以电子技术为中心的技术高速发展，高度信息化设备广 泛应用和普及，欧、美以及日本等经济技术比较发达的国家，配电系统可靠性己经 具有较高的水平。统计数据表明，1 9 8 0 1 9 8 5 年，美国和英国用户年平均故障停电 时间仅约为7 0 r a i n ，法国约为3 0 0 m i n 。日本则降低到约0 3 8 次年和3 0 m i n 年的水平， 加拿大1 9 9 8 年的统计表明，此前五年的平均为3 7 1 小时年。 世界各国对配电系统可靠性大多采用宏观的平均值管理，即以整个配电系统或 地区网络总用户数或总供电容量为基础建立平均可靠性指标，作为对整个配电系统 或地区网络评价的依据。各个国家根据本国电网的实际特点，制定了相应的可靠性 准则，用以解决规划、设计中出现的问题。在俄罗斯称为电力系统稳定导则，在美 国称为可靠性标准，在英国则称为安全导则捌。尽管名称不同，但都为规划一个可靠 的电力系统提出了基本要求。研究资料表明，各个发达国家提高本国配电系统可靠 性的战略重点各不相同。英、美两国各自制定了详细的可靠性导则，给出具体的可 靠性估计的方法和概念，可靠性经济分析基础，停电损失数据，设备可靠性数据， 可靠性分析实例等等，为供电公司提供了参考，而且逐年修改导则。加拿大是将供 电可靠性水平与供电用户的可靠度联系起来，不同重要等级的用户线路，设定不同 的供电可靠性标准。日本主要集中于网络结构和切换能力的管理，通过带电作业、 提高自动化水平、保证故障后负荷的迅速转移等措施减少停电时间，取得了良好的 效果。 尽管各发达国家努力提高可靠性管理水平，但也不同程度的存在电力系统运行 的安全问题。由于系统故障所引发的大面积停电，一直以来都困扰着发达国家的经 济建设，并给当地人民的生活和生产带来了巨大的损失。1 9 9 6 年美国爱达荷州输电 线路发生的故障使西部1 5 个州和加拿大及墨西哥的部分地区断电，致使这一地区的 空中和地面交通陷入混乱，许多工厂被迫停产，大约2 0 0 万人的工作生活受到影响； 2 0 0 3 年美国的纽约、底特律和克利夫兰以及加拿大的多伦多、渥太华等城市均发生 停电事故，大面积的停电使这些城市的地铁、机场、电讯等设施和公共交通基本陷 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 入瘫痪。1 9 9 8 年加拿大东部由于冰雨使电线冻结折断，3 0 0 多万人在超过一星期的 时间了失去了电力供应。法国1 9 9 9 年大停电约3 6 0 万个法国家庭由于暴风雨而遭遇 停电数日。 但总的看来，发达国家的可靠性研究还是取得了良好的效益。而究竟何种可靠 性管理模式值得我们借鉴和推广，还要结合本地配电系统的特点，通过一定的分析 做出决策。我国配电系统可靠性的研究工作始于上个世纪7 0 年代。8 0 年代国家水利 电力部制定了配电系统可靠性统计方法。虽然陆续开展了一些配电系统可靠性的研 究工作，但可靠性的研究工作只是停留在理论的高度，始终没有真正与实际生产结 合起来。目前我国城市配电系统可靠性水平的实际状况：1 9 9 4 年，全国1 7 4 个主要 城市配电系统，用户供电可靠率最高的是9 9 8 5 ，相当于年平均停电时间1 3 1 4 小 时年户；用户供电可靠率最低是9 5 7 4 1 ，相当于年平均停电时间3 7 3 0 8 8 小时 年户“1 。与国际水平相比，二十世纪8 0 年代伦敦、纽约等城市的配电系统供电可 靠率均为9 9 9 8 0 5 9 9 9 9 9 6 ，相当于用户年平均停电时间只有5 0 多分钟；日本东京进 入9 0 年代以后，配电系统供电可靠率为9 9 9 9 7 ，用户年平均停电时间仅为十几分 钟。由此可见，目前国内配电系统供电可靠性水平与国际水平相比，尚有较大差距。 根据现有掌握的国内外配电系统发展的资料分析来看，国内配电系统可靠性发展迟 缓，水平不高的主要原因有以下几点： 我国电力系统可靠性工程的建立起步较发达国家晚，而对配电系统可靠性研 究的重视一直不够。 我国整个配电系统覆盖面大，结构复杂，设备繁多，事故频发等特点为安全 技术的管理工作加大了难度。加上建设改造资金短缺、网架结构薄弱、设备陈旧， 使得一些线路、变压器设备超负荷运行，供电的电压、频率不合格，严重影响了配 电系统的供电可靠性。 由于配电系统自动化程度和设备水平的局限，配电网可靠性水平的提高在时 间上受到故障隔离的速度慢，在空间上受到设备质量性能低两方面的影响。 配电系统可靠性的原始统计数据( 包括对每年故障发生的原因、次数、持续时 间、影响地区等的详细统计，设备的可靠性参数等) 是对配电系统可靠性指标进行分 析和研究的前提和基础。原始数据积累的缺乏和数据可信度不高等问题严重阻碍了 我国配电系统可靠性研究的发展以及研究成果的应用。 1 2 2 配电系统可靠性研究的现状与发展 早期的配电网可靠性研究主要以统计分析为主“7 1 。英国早在二十世纪6 0 年代就 开始了配网可靠性方面的管理工作：英国电力委员会于1 9 6 4 年制定了国家标准事故 和停电报表，1 9 7 5 年又发布了全国设备缺陷报表，全面开始了配电系统可靠性 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕七学位论文 统计管理工作。加拿大早在上世纪5 0 年代就开始研究供电连续性和供电可靠性问题。 1 9 5 9 年，加拿大电气协会中的配电部门成立了供电连续性委员会，规定了用户停电 时间( h ) 、停电电量( k v a h ) 、平均停运频率和停电连续时间等度量配电系统充裕度 的实际指标，并于1 9 6 2 年建立了由加拿大电气协会全年供电连续性调查的人员和配 电系统可靠性技术委员会的成员共同组成的全国性报告系统，于次年发表了第一个 统计报告，其统计覆盖面大约是当时加拿大表计计量的3 7 。日本及其它欧美国家的 可靠性统计分析方面的工作也大都是在上世纪7 0 年代开始走上正轨的。 1 9 8 9 年，加拿大学者b i l l i n t o n 在i e e et r a n s a c t i o no np o w e rd e l i v e r y 发表了一篇关 于配电网可靠性指标的文章”1 ，文章经过统计比较，给出了包括美国的电力研究所 ( e l e c t r i cp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t e ) 、加拿大的电力联合会( c a n a d i a ne l e c t r i c a s s o c i a t i o n ) 以及爱迪生电气研究所( e d i s o n e l e c t r i c i n s t i t u t e ) 等机构所采用的几类指标，o p s a i d i ， s a i f i ，c a i d i ，c a i f i ，a s a i ，这几类指标随后被公认为配电网的可靠性指标。 在我国，1 9 7 1 年水利电力部生产司在开始电力可靠性管理时，首度引入和介绍 了系统可靠性的概念和理论。1 9 8 3 年，云南电力试验研究所根据水力电力部的安排， 结合我国的国情和实际生产管理的经验，制定了一整套包含有2 3 个可靠性指标的配 电系统供电可靠性统计评价办法，并在昆明地区l o k v 配电系统中进行试点。与此同 时，山东、辽宁、上海、陕西等省市也开始在局部地区开展了配电系统可靠性的统 计工作。随后于1 9 8 5 年4 月正式颁布了配电系统供电可靠性统计办法，并在全国 推广。1 9 8 9 年能源部电力可靠性管理中心对原有办法作了部分修改后，更名为供 电系统用户供电可靠性统计办法，以后又经过多次试用和修订，由此，我国的配电 网可靠性的管理工作全面展开。 1 2 3 配电系统可靠性评估的主要算法 随着电力工业的发展，配电系统可靠性无论是在数据统计方面，还是在评估模 型和算法方面都形成了较为成熟的方法。目前工程上普遍应用的电网可靠性评估方 法主要有模拟法和解析法两大类嘲。 1 解析法是利用故障枚举进行状态的选择和估计，建立比较严格的数学物理模 型来计算可靠性指标，解析模型根据元件之间的功能关系，用公式显式地表示出系 统的可靠性评估模型。解析法主要有网络法和潮流法两种。网络法简单快速，并且 便于最小割集识别以及故障模式和影响分析，适用于规划初期大量可行性方案的比 较；缺点是只能计算系统的有功功率而不能对系统的电压和无功功率进行考察。潮 流法又分为直流潮流法和交流潮流法。直流潮流法也具有计算速度快的特点，但仍 存在着不能考虑系统电压和无功功率影响的缺陷；交流潮流法可全面考虑系统各种 因素的影响，例如，电压质量、有功功率和无功功率约束等，因此，可靠性评估的 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 结果更接近实际情况，且精度较高。总的来讲，解析法原理简单、概念清晰、模型 准确，已广泛应用于配电系统可靠性评估，而且便于有针对性地进行不同元件性能 对电网可靠性的影响分析。针对本文研究对象的特点，简单介绍故障模式与后效分 析法、网络等值法和最小路法等几种算法的特点： 故障模式与后效分析法( f a i l u r e m o d e a n d e f f e c ta n a l y s i s ，f m e a ) 嗍，在系统 设计过程中，通过系统各组成单元潜在的各种故障模式及其对系统功能的影响进行 分析，并把每一个潜在的故障模式按照它的严酷程度予以分类，提出可以采取的预 防改进措施，以提高系统可靠性的一种定性设计分析方法。该方法对所有可能的故 障事件或元件失效进行分析，并确定对负荷点的影响，找出系统的故障模式集合， 最终在此状态集合的基础上得到负荷点以及系统的可靠性指标。f m e a 法适用于对简 单辐射状主馈线系统进行可靠性评估，对带有复杂分支馈线的系统，由于故障模式 太多，直接使用f m e a 法有一定困难。同时，这种方法没有考虑线路传输容量的限制， 使计算结果与实际相差较大。 网络等值法“，利用网络等值对复杂网络进行等效简化。该方法的基本思想是 利用一个等效元件来代替一部分配电网络，从而将复杂结构的配电网逐步简化成简 单辐射状主馈线系统。对复杂结构配电网的可靠性评估含向上等效及向下等效两个 过程。在向上等效的过程中，将分支馈线对上级馈线的影响用一个串在上级馈线中 的等效节点元件来代替；在向下等效的过程中，将上级馈线对下级馈线的影响用一 个串在下级馈线首端的等效节点元件来代替。该方法从最低一段的子馈线出发，将 子馈线等效为相应的线路和负荷，逐次向上，直到线路不带子馈线为止，从而可将 带子馈线的问题转化为不带子馈线的问题，进而利用f m e a 法得到节点和系统的可靠 性指标。但该方法存在以下不足：需要对子系统进行连续多次等效；只能得到 等效负荷和系统可靠性指标，如果要得到每个负荷点的可靠性指标，还需要从等效 负荷出发逐步向下分解，计算过程复杂。 最小路法( m i n i m a lp a t hm e t h o d s ) ，通过对配网中每个负荷点求取最小路，并将 非最小路上元件故障对负荷点可靠性的影响，根据网络的实际情况，折算到相应的 最小路的节点上，从而对于每个负荷点，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。该算法对由主馈线和分支馈线组成的较复杂的系 统，其最小路的求解和简化工作非常复杂。 2 模拟法，用计算机产生随机数对系统元件的失效事件随机抽样，构成系统失 效事件集，并通过概率统计方法建立可靠性指标计算公式来评估电力系统可靠性的 一种模拟方法。通过模拟元件寿命的实际情况，根据元件寿命的概率分布对系统状 态进行若干时间抽样，并对每个抽样状态进行分析和计算，最终得到可靠性指标。 模拟法能够计及相关事件的影响，并且计算复杂性受系统规模的影响很小，适合于 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 复杂的电力系统的可靠性计算，但其计算精度往往受到各种因素的制约，另外，模 拟法不便于进行有针对性的分析。 蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 模拟法，是以配电系统各元件的可靠性原始数据为前提， 通过计算机模拟随机出现的各种系统运行状态，从大量的模拟实验结果中统计出系 统的可靠性指标的方法。模拟法所要求的模拟次数与系统的规模无关，收敛速度与 问题的维数无关，算法和程序结构都较简单。可以求出可靠性指标的概率分布，适 合于复杂系统的可靠性评估。由于模拟法计算量大，需要较长的模拟时间，但由于 可靠性评估属静态评估，对计算机模拟耗费的时间要求不高，故可以作为复杂配网 的可靠性评估方法。混合法是蒙特卡洛模拟法与解析法的有机结合。其基本思想是 用模拟法随机模拟系统的状态转移过程，而用解析法确定系统在模拟到的各状态中 的平均持续时间，并以此代替持续时间的抽样值。混合法可以提高模拟效率，减少 模拟统计量的方差。 随着可靠性评估算法研究的不断深入，近年来，人们还尝试将人工智能的方法 引入到可靠性分析领域。出现了所谓的人工神经网络评价可靠性的方法“4 以及模糊 可靠性评估方法。神经网络方法由于其设计比较困难，隐含层中的节点数的选取不 能很好解决，因此进展不大。在电力系统中，不仅涉及到随机性不确定性问题，而 且还涉及到许多模糊性不确定问题。电气设备的故障，系统的停电事件的发生等具 有随机性。模糊可靠性评估方法的实质，就是应用模糊集合论里的模糊数表示设备 的故障率、修复率、设备状态概率等数值上的模糊不确定性，并通过相应的模糊集 合运算，得出电网的模糊可靠性指标。用模糊数隶属函数描述可靠性指标的可能性 分布，为规划人员提供更多的科学决策信息。 1 3 配电系统可靠性水平与经济投资的量化关系 电力行业是典型的资金密集型产业，在电力系统不断完善的过程中，资金的持 续投入也随之而行。随着电力行业的市场化，投资与效益之间的矛盾更显突出。过 去一直采用的可靠性标准是根据实践经验以及电力用户可以接受的供电质量的一般 概念而制定的，很显然，由于涉及到大量投资以及电力供应质量的重要性，可靠度 标准的制定就会受到一些经济指标的约束，而不应该任意选定。 研究表明，系统的投资成本费用随着可靠度水平的增加成指数趋势增长。当可 靠性水平增长到接近1 0 0 的时候，系统的投资将趋近于无穷大，这当然是不现实的。 一方面，现代社会对电能的依赖程度足以促使电力企业在一定的限度内投入大量资 金来改进供电质量；另一方面，必须保证资金的投入能真正提高供电可靠性并得到 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 相应的经济回报。所以，如何建立起起供电可靠性水平与系统投资之间的量化关系， 找到两者的平衡点也成为了电力系统可靠性研究的一个重要课题。 1 4 本文的主要内容和结构 目前，针对城市电网电力负荷迅猛增长、城市电力建设滞后、城市配电网技术 落后、设备陈旧等电力系统发展的“瓶颈”问题，我国将逐步加大了配电设备的投 资力度，对城市配电网络进行全面改造和扩建，使电网供电能力得到持续的改善。 对城市配电网络进行供电可靠性分析，就成为了加强城市电网规划，为城市电网的 改造提供科学依据的基础。 本课题主要是从电力系统可靠性研究的角度出发，根据湖北省仙桃市城乡中高 压配电网的各项可靠性指标的运行情况，按照国家电力公司中国电力可靠性指标 管理体系的各项要求对该配电网进行分析和评估，找出其薄弱环节，并从经济投 资与可靠性发展水平的辨证关系上，说明了电力部门提出的电网改造方案的可行性， 从而对进一步优化城市电网结构、合理进行电力基础建设投资、安全提供高质量电 能等城网发展建设提供参考性意见。 全文共分为六章，各章的主要内容安排如下： 第一章指出了本文研究的背景意义、国内外研究的现状与发展以及本文的主要 内容与结构； 第二章结合仙桃市配电系统的实际运行情况，对配电系统的特性进行了 分析，明确了配电可靠性原始参数的采集原则，选取构建了本文所研究的配电 系统的可靠性指标体系，讨论了元件可靠性的模型、网络等值法与最小路法相 结合的算法的基本原理； 第三章介绍了课题研究对象一一湖北省仙桃市城市配电网络的基本情 况，运用网络等值与最小路的结合算法对该带有分支子馈线的配电网络进行了 可靠性评估；并对评估的结果进行了分析，指出了该配电网络的一些薄弱环节； 第四章在电力市场条件下，有必要讨论电力系统的可靠性经济问题。本 章讨论了配电系统可靠性水平与经济投资的量化关系，阐述了经济投资与提高 系统可靠性的平衡关系； 第五章介绍了电力部门提出的电网改造方案，并应用前面各章的方法， 从系统可靠性的角度对改造方案进行了可靠性预计，从可靠性经济的角度，对 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 改造方案进行了简单的成本一一效益分析；结果表明，改造方案是提高可靠性 和控制成本的一种折衷； 第六章总结和展望。 第8 页 垦堕型兰垫查奎兰竺窒竺堕堡主兰垡丝壅 第二章配电系统可靠性评估指标与算法 对配电系统的可靠性进行评估，首先要了解配电系统的主要特点，选取可靠性 原始参数的统计与分析方法，确定对系统进行评估的指标体系；然后在此基础上， 针对影响系统可靠性的主要元件的运行特点，建立合理的数学模型，对这些元件的 可靠性进行分析：最后采用适用于被研究系统实际情况的可靠性评估算法对其进行 计算分析。本章根据研究对象的特点，从这些方面入手，探讨了可靠性评估中这些 过程的基本原理，其主要内容包括：配电系统的特性分析，评估指标的选取与构建， 配电系统主要元件的可靠性模型，以及本文对研究对象进行可靠性评估时，所采用 的网络等值法与最小路法结合算法的主要原理和计算方法。 2 1 配电系统特性分析 配电系统处于电力系统的末端，是连接电力系统与电力用户之间的桥梁，是电 力企业向用户提供优质电能的最终环节。配电系统的构成具有元件众多、网络结构 复杂、运行方式多种多样等特点，这些特点使得对其的评估工作变得比较困难。鉴 于此，在对配电系统的评估过程中，应首先对配电系统的特性予以深入的分析与研 究。 配电系统可靠性评估工作主要包括两方面的内容：一方面是对现有已经运行的 系统及其主要的元器件进行可靠性的统计、分析和评价，也就是说，对现有系统的 性能进行量度；另一方面是在设计、规划和建设新的系统，或者在扩大、改造发展 和重构现有系统时，为新的系统进行配电系统可靠性的定量评估，即预测系统未来 的性能。这两方面的研究关系十分密切。前者是后者的基础和前提；后者是在前者 基础上的深化与发展。本节将分析讨论配电系统的可靠性评估特点、原始数据的统 计分析和评估的指标体系。 2 1 1 配电系统可靠性评估特点 配电系统可靠性评估的研究工作主要包括；可靠性原始参数的收集与整理、指 标体系的确定和可靠性评估数学模型的建立等几个方面的内容。研究过程有以下几 个特点胁： 1 由于电力系统生产具有发、输、用的同时性，在研究配电系统可靠性时，不 仅要考虑配电系统及其设备自身的机构、特点和状况，而且必须考虑发电系统和输 变电系统及其设备对配电系统可靠性指标的影响。在进行配电系统可靠性指标统计、 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 分析、评价和预测估计时，都应立足于整个电力系统，全面和全方位地加以考虑； 2 配电系统是电力系统向用户提供电能的最终环节，因此，配电系统可靠性研 究必须从用户的角度出发，以改善和提高配电系统对用户的供电能力和质量为目的。 在建立配电系统可靠性指标体系时，应首先根据用户需要，确定相应的负荷点的可 靠性指标。然后在此基础上，制定整个系统的可靠性指标。 3 配电系统设备分散，点多面广。同一类型设备的特性和状态，可能因为安装 和使用的位置和地区，负荷的性质和容量的不同而有所不同。设备的型号、规格、 容量和数量也随着用户及负荷的增长和变化，以及检修方式的变化而不断更换和改 变。因此，配电系统设备和元件的特性数据及原始参数必须通过长时间、连续的统 计才能反映其客观规律。在统计的过程中，还应该充分考虑气候条件、检修方式以 及负荷容量等因素对元件参数的影响。 4 根据研究对象的不同，可将配电系统可靠性研究分为两部分：供电可靠性和 系统可靠性。供电可靠性是指用户方面能以多大的可靠度得到电力供应的问题，系 统可靠性是指电力部门为了保证满足用户的供电可靠性，配电系统的状况应怎样配 置最佳的问题。前者主要包括配电系统可靠性模型和算法的研究，后者是在前者的 基础上所进行的配电系统重构和增强性措施研究。 5 配电系统结构复杂，通常采用环网设计，具用树状、环状、网状等多种接线 方式，且实际运行中多采用开环运行、辐射状供电方式。在可靠性评估时，应以此 作为典型方式加以研究。 6 由于配电系统本身的复杂性、发展的不平衡，不同地区的配电系统在网络结 构、运行方式、设备水平、用户需求等方面具有不同的特点，对可靠性评价的侧重 点和要求也各不相同。因此，在配电系统可靠性评估中，应结合实际配电系统自身 的具体特点，选择合适的模型和方法。 7 配电系统的可靠性取决于配电设备的特性和配电网络的结构。在选择提高和 改善配电系统可靠性的对策和措施时，一方面可以通过网络重构，即通过改变主干 线上开关的状态，从而改变网络结构，来提高配电系统的可靠性。这种方法不增加 投资，可作为提高配电系统可靠性的首选措施：另一方面也可以通过改进生产技术 或新建、扩建或改建电力设施，来提高系统的可靠性。但这种方法需要增加电力投 资，在实际应用中，应考虑经济性和可靠性协调的问题。 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院硕士学伊论文 2 1 2 配电系统可靠性评估的原始参数 在配电系统可靠性评估中，一般将研究对象区分为元件和系统。其中元件参数 的可信度是影响系统可靠性评估精度的直接原因，因此，有必要对元件参数进行细 致深入的分析和研究。 在配电系统可靠性评估中，原始参数需要在大量数据的统计和分析中得出。目 前，数据的收集与整理主要有以下两个来源： 1 从1 9 8 4 年起，我国就制定了配电系统供电可靠性统计方法，并开发了全 国统一的统计计算程序，广泛开展了配电系统可靠性的统计工作。目前，全国各重 点城市和沿海开放城市供电局一般都已经积累了近l o 年的数据资料。这些资料包括： 按行政系统自下而上地按季度收集和报送的配电系统可靠性数据表及分析报告，以 及以简报等形式反馈到各基层供电单位和制造厂家的数据信息资料。 2 由国家、省电力公司、科研单位和高等院校翻译和整理的大量的国外可靠性 文献资料，以及编辑出版的各种可靠性专著、教材、期刊和论文集等。 在原始数据的分析和整理过程中，一般应遵循以下的三点原则： 1 备用元件处于备用状态时，不会发生故障； 2 故障时间不考虑由于改进和完善设备而增加的操作所耽误的时间； 3 不能清晰地辨认故障发生的原因时，故障数据不予以考虑。 在可靠性评估中，元件可分为可修复元件( r e p a i r a b l ec o m p o n e n t ) 和不可修复 元件( n o n r e p a i r a b l ec o m p o n e n t ) 两类”“。电力系统中的大部分属于可修复元件。 在配电系统中，可修复元件主要包括断路器、母线、架空线路、电缆线路、隔离开 关、熔断器和配电变压器等。 对于一个正在使用的配电系统元件来说，主要有可用和不可用两种状态。其中， 可用状态是指元件的正常状态，不可用状态指其故障停运状态。元件状态的具体划 分如图2 1 所示： 图2 - 1 元件的状态划分 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 根据元件状态的划分，确定其基本参数指标如下： 1 可靠度r ( t ) ：在起始时刻正常条件下，在时间区间 o ，t 内不发生故障的概 率。在研究可修复元件的可靠度时，主要研究从起始时刻到首次故障的时间内不发 生故障的概率； 2 不可靠度q ( t ) ：在起始时刻正常的条件下，在时间区间 0 ，t 内首次发生故 障的概率。可靠度与不可靠度之间存在如下关系： r(t)+q(t)=1(2-i) 3 故障率a ：元件在单位时间内发生故障的概率； 4 修复率z ：单位时间内修复故障元件的概率； 5 平均修复时间m t t r ( 简记为r ) ：表示修复一个元件平均需要的时间； ，一形 ( 2 2 ) 在配电系统可靠性评估中，按照处理电子元器件寿命分布的惯例，通常将元件 的寿命分布和修复时间分布取为指数分布，将元件的故障率和修复率取为常数： 6 平均无故障工作时间m t t f ：从修复到首次故障的平均时间； m t t f - ( 2 3 ) 7 计划检修率丸：单位时间内对元件进行计划检修的概率； 8 计划检修时间t ：计划检修一个元件平均所需要的时间： 9 切换时间s ：元件与故障隔离所需要的时间； 1 0 备用时间l ：备用元件从备用状态切换到工作状态所需要的时间。 2 1 3 配电系统可靠性的指标体系 配电系统可靠性指标是进行配电系统可靠性评估的基础和出发点。科学的可靠 性指标体系，不仅可以客观地反映系统的可靠性指标程度，而且有利于找出系统存 在的薄弱环节，以便采取相应的增强性措施。为了合理分析本文的对象系统，在选 取配电系统可靠性指标时，我们遵循了以下原则嘲： 1 配电系统的可靠性指标必须具有明确的物理意义，能够从某一角度反映配电 系统及其设备的结构、特性、运行情况以及对用户的影响，并能作为衡量各有关因 素的尺度； 2 配电系统可靠性指标应该可以从系统运行的历史数据中计算得到； 3 可以应用可靠性定量评估方法，从元件的原始参数中计算得到系统的可靠性 指标。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 在上述原则的基础上，通过对世界上一些国家，特别是英国、日本和法国等发 达国家的配电系统可靠性指标体系进行细致、深入的分析和研究，并结合我国电力 可靠性管理中心1 9 8 5 年颁布的 配电系统供电可靠性统计方法和1 9 9 7 年颁布实 行的供电系统用户供电可靠性评价规程( 暂行) ，以及有关的参考文献，本文选 取确定了仙桃市配电系统可靠性评估的指标体系。指标体系采用平均值管理的方式， 避免了采用最大值指标而可能出现的线路越长，范围越大，负荷越重，用户越多， 供电可靠性就越低的不合理现象。此外，该指标体系以用户为基础，以可以量度的 “停电次数”、“停电时间”和“停电损失电量”为基本因素，加强了对用户服务的 特点。本文采用的可靠性指标可分为两类：基本指标和配电系统的专用指标。 1 基本指标： ( 1 ) 稳态概率p 系统或负荷点发生故障停运的概率； ( 2 ) 频率f ( 1 y ) ：系统或负荷点发生故障停运的频率； ( 3 ) 平均持续时间d ( h r s ) ：系统或负荷点发生故障停运的平均持续时间。它与概率 和频率指标存在如下关系： p = d f ( 2 - 4 ) 2 专用指标 专用指标分为两类：一是以用户为基础建立的概率类指标，它又可以分为反映 总用户平均状况的系统指标和反映受影响用户平均状况的用户指标：二是以负荷或 电量为基础的能量类指标。 ( 1 ) 概率类指标： 系统平均停电频率指标s a i f i ( 1 y r 户) ：每个由系统供电的用户在一年中的 平均停电次数 s a i f i 一冀等-西厂h ，戥 式中m 表示连接在负荷点i 的用户数。 ( 2 - 5 ) 用户平均停电频率指标c a i f i ( 1 y r 户) ：每个受停电影响的用户在一年中经 受的平均停电次数。 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 c a i f i - 蒜蒜黼 协6 ， 系统平均停电持续时间指标s a i d i ( i i 叫妙户) ：每个由系统供电的用户在一 年中经受的平均停电持续时间。 s m i d i 一型焉铲 ( 2 - 7 ) 用户平均停电持续时间c a i d i ( j l 吲y r 户) ：一年中被停电的用户经受的平均 停电持续时间。 c a i d i 一鼍蒜筹 ( 2 - 8 ) 平均供电可用率指标a s a i ( a v e r a g es e r v i c ea v a i l a b i l i t yi n d e x ) ：一年中 用户得到电力供应的小时总数与用户要求的总供电小时数之比。 爿跚一篇燃 翌! ! 互笔盟( 2 - 9 ) 。、磊茹i _ 平均供电不可用率a s u i ：一年中用户的积累停电小时总数与用户要求的总供 电小时数之比。 ( 2 ) 能量类指标： 爿s u = i - 删- 器黼 系统电量不足期望值指标e e n s ( m w y r ) ：一年中，因元件停运而引起的少 向用户提供的电量期望值。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 e e n s e兰捌 b 。；k d i ( 2 - 1 1 ) 其中，挪阵卟e 示在时段军b 内出现的失负荷电量，k 表示连接在每个 负荷点k 上的平均负荷。 用户电量不足期望值指标a n e s ( m w h y r p ) ：一年中，由于系统供电不足弓 起每个用户停电而损失的电量的期望值。 一- 驾掣。嚣 僻 平均用户缺电指标a c c i ( 胁诎y 受影响的用户) 彳c c i 一翥 平均负荷停电指标a l i l 舭笔瓣 ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 配电系统可靠性评估研究的主要目的是减少系统故障的发生，提高供电的质量。 要达到此目的，就必须深入研究对配电系统可靠性指标产生影响的各种因素。在上 述的指标体系中，指标虽然很多，但归纳起来基本量只有停电次数、停电时间和停 电损失电量( 停电规模) “。而停电损失电量又主要取决于停电次数和停电时间。因 此，所有指标都集中反映在停电次数和停电时间这两个方面。 影响停电次数的因素主要有：与故障频率有关的因素；与停电规模有关的因素 和与预安排( 作业) 停电有关的因素。具体因素与因素分析图如图2 2 所示。 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院硕+ 学位论文 配 电 系 统 可 靠 性 影响 停电 频率 因素 影响 停电 时间 因素 与 发 生 频 塞 有 关 因 素 与 停 电 规 模 有 关 因 素 与故 障点 探查 排除 和修 复有 关的 因素 与计 划停 电有 哭的 因素 1 设备忭能 2 配电线路的长度 3 负荷的大小及分布 4 地区状况( 自然现象及环境) 5 导线的耐雷水平及被覆化程度 6 维护管理( 维护检查、安全教育) 7 检修质量 8 设备老化及更新程度 9 运行操作能力及管理水平 l o 带电作业处理故障的能力 i 配电系统接线方式( 双回路、双电源、 网状、环形等) 2 系统网络状况f 联络线路、开关功能) 3 线路传输容量及设备的裕度 4 负荷增长情况 5 分段开关数目及自动化程度 6 掉电倒闸操作能力 1 探查故障点的合理化措施 2 排除故障方式 3 检修能力和速度( 机械化程度 及榆修水平和效率) 4 通佶联络方式 5 恢复供电方式 图2 - 2 影响配电系统可靠性的因素 i 各种计划停电的合理性 2 检修试验水平 3 扩展改造施- 亡项目的多少 在上述各种影响因素中，计划停电是目前影响我国配电系统可靠性水平的主要 因素。据统计，我国配电系统的计划停电次数和时间远多于故障停电的次数和时间。 平均计划停电时间占用户总停电时间的7 3 2 9 6 8 7 o 之多，这与国外正好相反，也正 是国内可靠性水平不高的关键原因。在计划停电中，计划检修停电和计划施工扩建 改造停电占主导地位。因此，应该采取切实措施，合理安排各种计划停电作业，以 达到提高配电系统可靠性水平的目的。 2 2 元件的可靠性模型 2 2 1 元件的基本数学模型“” 在配电系统可靠性评估中，一般将研究对象区分为元件级和系统级对象，因此， 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院硕十学位论文 首先应建立元件的数学模型，这是建立系统可靠性评估模型的基础。针对系统中所 包含的配电变压器、母线、隔离开关等设备的运行特点，建立相应的数学模型。建