（电气工程专业论文）基于非时序蒙特卡洛模拟法的配电网可靠性评估研究.pdf

j，j1j b a s e do nn o n s e q u e n t i a lm o n t ec a r l osi m u l a t i o n l i uz h o n g r e n b e ( i - i u n a nn o r m a lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uj u e m i n a p r i l ，2 0 11 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：专j 思、1 ； 日期：u ，f 年 岁月 z 、7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期： - o i t 年岁月夺日 日期：耐7年s 月z 7 日 f 父 p 刘，务 基于非时序蒙特卡洛模拟法的配电网可靠忭评估研究 摘要 随着城乡经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，用户对供电可靠性的 要求越来越高。配电系统处于电力系统的末端，是连接系统和用户的枢纽，其可 靠性直接影响用户的电能质量。据文献统计，8 0 的停电事故是由配电网络环节 故障引起的。因此，对配电网进行可靠性评估的算法研究，找出薄弱环节及解决 措施，改善电力工业生产技术和管理，并对此网络进行改造，对保证供电质量、 提高电力企业经济效益和社会效益有着重要的实际意义。然而，配电网具有元件 众多、结构繁琐复杂的特点，如何快速而准确地进行配电网可靠性评估已成为一 项非常艰巨而重要的任务。针对配电网结构特点本文展开了如下可靠性评估研究 工作： ( 1 ) 在大量查阅文献资料的基础上，介绍了国内外配电网可靠性评估的研究 和发展现状，阐述了配电网可靠性评估的内容和意义、以及本文所完成的工作和 任务。 ( 2 ) 介绍了配电网的基本概念，紧接着详细叙述了配电网元件可靠性的特征 和不同属性元件的评估模型，列出了配电网元件和系统的可靠性评估指标并说明 了评估研究中的一些条件假设。 ( 3 ) 阐述了将复杂配电网简化成简单配电网的等值过程，在此基础上运用了 f m e a 法对简单辐射状配电网在不同运行方式下的评估对比分析。 ( 4 ) 详细介绍了蒙特卡洛模拟法的基本概念和抽样方法及收敛准则，采用了 非时序蒙特卡洛模拟仿真算法，运用m a t l a b 语言编制了相应的程序，通过对 i e e er b t s 6 可靠性评估及f 1 母线系统在不同运行方式下的评估分析，评估结 果表明该方法的有效性和实用性。 关键词：配电网；可靠性评估；辐射型系统；网络等值法；非时序蒙特卡洛模拟 i i a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fu r b a na n dr u r a le c o n o m ya n dt h e i m p r o v e m e n to f t h ep e o p l e sl i f eq u a l i t y ，t h er e q u i r e m e n tt ot h er e l i a b i l i t yo fe l e c t r i ce n e r g ys u p p l y o fu s e rh a sb e e nm o r ea n dm o r er i g o r o u s d i s t r i b u t i o ns y s t e ml i e s i nt h ee n do ft h e p o w e rs y s t e m ，l i n k sp o w e rs y s t e ma n dc o n s u m e r st o g e t h e r ，i t sr e l i a b i l i t i e sd i r e c t l y i 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 yf o ru s e r s a c c o r d i n gt os t a t i s t i c ，t h e8 0 o f o u t a g ee v e n t sd u et ot h ef a i l u r eo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m t h e r e f o r e ，t h es t u d yo n r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fd i s t r i b u t i o n s y s t e m ，f i n d i n g t h ep r o b l e m si n s y s t e m ， i m p r o v i n gt h et e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n to fp o w e ri n d u s t r y , r e c o n s t r u c t i n g d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，w h i c hh a sas i g n i f i c a n tf u n c t i o nt o g u a r a n t e eh i g hq u a l i t y s e r v i c ep o w e ro fs u p p l y ，p r o m o t et h ee c o n o m i c a la n ds o c i a lb e n e f i t h o w e v e r 。t h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kh a sm a n yc o m p o n e n t sa n di t s s t r u c t u r ei sc u m b e r s o m ea n d c o m p l e x ，h o wt oq u i c k l ya n da c c u r a t e l ya s s e s s m e n tt h er e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o n n e t w o r k sh a sb e c o m eav e r yd i f f i c u l ta n di m p o r t a n tt a s k a c c o r d i n gt ot h es t r u c t u r a l f e a t u r eo ft h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kt h em a i nc o n t e n to fa s s e s s m e n tr e s e a r c ha r ea s f o l l o w s ： ( 1 ) i n t r o d u c et h ed o m e s t i c a n di n t e r n a t i o n a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e l i a b i l i t v a s s e s s m e n to fr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts t a t u s ，d e s c r i b et h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e l i a b i l i t ya s s e s s m e n ta n ds i g n i f i c a n c eo nt h eb a s i so fc o n s u l t i n gl o t so fl i t e r a t u r e a l s ot h ep a p e r sw o r ka n dm a i nt a s k si si n v o l v e d ( 2 ) i n t r o d u c et h eb a s i cc o n c e p t so ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；d e s c r i b et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kc o m p o n e n t sa n dd i f f e r e n ta t t r i b u t e so f r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm o d e lc o m p o n e n t ，l i s tn e t w o r k r e l i a b i l i t ya s s e s s m 【e n t i n d i c a t o r sa n dt h ea s s u m p t i o n so fs o m ec o n d i t i o n s ( 3 ) f o c u so nt h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k d e s c r i b e t h ep r o c e s so fc o m p l e xd i s t r i b u t i o nn e t w o r ke q u a l si n t oas i m p l en e t w o r k ，a tl a s ta s i m p l e r a d i a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n d i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e si s c o m p a r a t i v e a n a l y z e du s i n gf m e am e t h o d ( 4 ) i n t r o d u c et h em o n t ec a r l os i m u l a t i o no ft h eb a s i cc o n c e p t sa n ds a m p l i n g m e t h o d sa n dc o n v e r g e n c e c r i t e r i a ，u s i n gm a t l a bl a n g u a g ep r e p a r a t i o no ft h e c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m ，t h r o u g ht h ei e e er b t s - 6r e l i a b i l i t ya s s e s s m e n ta n df1b u s s y s t e m si nd i f f e r e n to p e r a t i n gm o d e sf o rt h ea n a l y s i s ，e v a l u a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t i i i 基于非时序蒙特卡洛模拟泫的配电网可靠性评估研究 t h em e t h o di se f f e c t i v ea n dp r a c t i c a l k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；r e l i a b i l i t ya s s e s s m e n t ；r a d i a ls y s t e m ；n e t w o r k e q u i v a l e n t ；n o n - s e q u e n t i a lm o n t e c a r l os i m u l a t i o n i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 引言1 1 2 可靠性工程的概念和发展1 1 2 1 可靠性工程的概念1 1 2 2 可靠性工程的发展一2 1 3 配电网可靠性研究现状3 1 3 1 国外研究现状3 1 3 2 国内研究现状4 1 4 配电网可靠性评估方法5 1 5 配电网可靠性评估研究的任务7 1 6 配电网可靠性评估内容8 1 7 本文的主要工作8 第2 章配电网可靠性评估原理9 2 1 配电网基本概念9 2 2 元件可靠性特征9 2 2 1 不可修复元件的可靠性特征量1 0 2 2 2 可修复元件的可靠性特征量1 0 2 2 3 可修复元件可靠性特征量之间的关系1 3 2 2 4 元件组故障率分析1 4 2 3 配电网可靠性评估中的元件模型1 5 2 3 1 功率元件1 5 2 3 2 操作元件1 6 2 4 配电网可靠性评估指标1 7 2 4 1 负荷点可靠性指标1 7 2 4 2 系统可靠性指标1 7 2 5 配电网可靠性计算的一些条件假设1 8 2 6 j 、结19 第3 章配电网结构分析2 0 v 基于 f 时序蒙特卡洛模拟泫的配电网可靠性评估研究 3 1 配电网的基本结构2 0 3 2 复杂配电网络的等值原理2 l 3 2 1 简单辐射型主馈线分析j 2 1 3 2 2 复杂配电网络的等值简化2 2 3 3 简单配电网f m e a 评估法2 6 3 3 1f m e a 概念2 6 3 3 2 典型辐射状配电网f m e a 法评估一2 6 3 3 3 有备用电源、手动分段的配电网f m e a 法评估2 8 3 4 小结3 0 第4 章非时序蒙特卡洛模拟评估法3 1 4 1 蒙特卡洛仿真法分类3 1 4 1 1 时序仿真法31 4 1 2 非时序仿真法3 2 4 1 3 准区域仿真法一3 2 4 2 蒙特卡洛模拟法基本原理3 2 4 3 蒙特卡洛随机数产生原理3 2 4 4 蒙特卡洛随机变量抽样方法3 3 4 5 蒙特卡洛模拟法收敛准则3 5 4 6 配电网可靠性的非时序蒙特卡洛仿真法3 6 4 7 小结3 8 第5 章算例分析3 9 5 1 算例结构图及原始数据3 9 5 2 计算结果4 l 5 3 灵敏度分析j 4 2 5 4 小结4 5 结论与展望4 6 l 砉论4 6 展望4 6 参考文献4 8 致 谢51 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文5 2 v i 硕上学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着社会的飞速发展，人类对能源的需求越来越大。而电能作为清洁的二次 能源，可以方便的转化为其它形式的能量，并且易于输送和分配等特点，逐渐成 为现代生活中不可或缺的重要能源。电能己被广泛应用于工业j 商业、农业和人 们的日常生活等各个领域中【l 】。因此，现代社会的发展越来越依赖于电能，而可 靠的电力供应对人民日常生活和国民经济有着非常重要的意义【2 3 】。 电力系统是集生产、输送、分配和消费电能的统一整体，其可分为发电系统、 输变电系统、配电系统和用户四大部分，因其规模庞大而复杂，对整个电力系统 进行可靠性评估是十分繁琐的。为了便于分析和研究，在研究电力系统可靠性时， 按照电力系统组成结构的不同，习惯上把电力系统可靠性工程分为发电系统可靠 性，输变电系统可靠性和配电系统可靠性。 配电系统处于电力系统的末端，是与电力客户联系的枢纽，是向电力客户供 应和分配电能的重要环节。因电能生产具有发电、供电和用电同时的特点，一旦 配电系统设备发生故障，就会造成整个系统对电力客户供电的中断。而且配电网 大多采用环形设计，开环成放射状的运行方式，对单故障比较敏感，因此故障发 生也较多【4 】。统计表明：大约8 0 的用户故障因配电网故障而发生【5 】。在许多西 方国家，配电网可靠性评估已经成为配电系统规划和设计中的一项常规性工作。 因此深入开展配电系统供电可靠性评估的研究具有重要意义。 1 2 可靠性工程的概念和发展 1 2 1 可靠性工程的概念 可靠性的概念是关于人或事的可信赖的程度的定性描述。其概念是关于用概 率数学来精确地推导工程系统性能的量度的一门新学科。现在人们公认的关于可 靠性的定义是：一个元件或装置系统，在规定条件下和预定时间内完成规定功能 的概率【6 ，7 1 。根据研究内容的不一样，可靠性工程可以分为： 静态可靠性：由于系统元件所引起的系统故障，仅研究一次性故障发生的部 分，不考虑此故障影响而形成多次故障所及的其他部分，也不考虑系统动态特性， 即数秒以内的暂态现象。 动态可靠性：即一次性故障向周围波及，到达系统中健全部分，从而导致多 次性的故障，此时要考虑形成系统故障破坏而导致的事故，既要有一系列事故发 基于菲时序蒙特卡洛模拟法的配电网可靠性评估研究 展的预想。 1 2 2 可靠性工程的发展 随着生产的发展和科学技术的进步，为人类的生产与生存的装备和系统越来 越复杂。如军事工程系统、通讯系统、电力系统及其他系统都在迅速发展。在空 间上，系统向极端方向发展。有向大方向发展的，如电力系统，现在世界上已出 现了全国统一电力系统( 苏联于19 8 0 年形成了装机容量为2 2 7 亿千瓦时的统一 系统) ，也出现了跨国的联合电力系统( 北美联合电力系统，西欧联合电力系统) 。 也有向小方向发展的。如超大规模集成电路，集成度越来越高，元件体积越来越 小。八十年代后期，一个芯片上将出现集成10 0 万个晶体管的微电子系统【引。 在时间上，系统也向极端方向发展。系统的无故障平均时间( 即连续工作时 间) 越来越长，由几天增至几十年，即不需检修而可长期工作( 如电力电压和电 流互感器等) ；系统的动作时间越来越短，即其运动速度越来越大，如计算机运 动速度，1 9 9 0 年可望超过1 千亿次秒，2 0 0 0 年已达到万亿次秒。 同样，系统的运行也越来越复杂，若一个原件有两种工作状态，即工作状态 与故障状态，1 3 个元件组成的系统，就有2 ”个工作状态。1o o 个元件组成的系统， 则有2 1 0 0 个工作状态。大型计算机有1 0 0 万个元件；一座核电站约有设备5 0 0 0 台，仪表9 0 0 0 种，阀门上万个，用管线连起来组成17 0 个系统；一个电力系统 的元件数更多，其工作状态也就更多了。这些工作状态中有的是系统正常工作状 态，有的是系统故障状态。为了分析这些复杂系统，以减少故障，凭过去的经验 和直观定性分析已不适应要求。必须建立一门新的学科来分析其可靠性。 其次，建设现代大型系统需要大量投资。如电力工业，是产业部门中投资最 多的。每年还要继续投入大量的人力，物力和财力，以保证其继续发展。这样大 投资的系统建设和运行，必须要有科学的可靠性论证作基础，才能保证其经济效 益。 再次，现代大型系统的故障将引起一系列严重恶果，造成人们生活的混乱和 国民经济的损失，以及严重的社会与环境的影响。系统事故是灾难性的。例如 19 6 5 年11 月9 日美国东部地区电网大停电，1 2 分钟，2 lo o 万千瓦负荷失电， 停电最长时间达l3 小时，受影响的地区达2 0 万平方公里，居民达3 千万人，损 失一亿美元。又如，由于集成电路的失效而导致的美国预警系统于19 7 9 年1 1 月9 日，19 8 0 年1 月3 日和6 月3 日三次误发核袭击警报。这些系统事故所带 来的社会与环境方面的社会压力往往比经济损失导致的压力更大，所以系统事故 的冲击往往成为系统可靠性研究的发展动力。 就这样，可靠性研究这门崭新的学科应运而生，形成了以概率统计为基础， 集系统工程、运筹学、质量控制、生产管理等多学科的可靠性研究领域。 2 硕士学位论文 1 3 配电网可靠性研究现状 1 3 1 国外研究现状 在欧美发达国家，自上世纪六十年以来，随着电力工业的发展和可靠性工程 理论的逐步引入电力工业，电力系统可靠性评估开始进入了实用阶段【9 , 1 0 】。19 6 4 年，d e s i n e o 和s t i n e 首次将m a r k o v 过程数学模型引入电力系统可靠性评估。其 后b i l l i n t o n 和s t a n t o n 求解计算出了由m a r k o v 过程模型中转移率矩阵构成的线 性代数方程，得出了系统在长期概率分布下的平均故障时间及修复时间。在此后 的几十年间，经过众多学者专家以及大量科研人员的坚持和努力，在可靠性评估 的理论和基础上，取得了大量的研究成果，并逐渐将其应用到工程实践中。 近5 0 年来，西方发达国家普遍开展了配电网可靠性工程的研究，注重强调 了配电网可靠性指标、评估方法、可靠性管理、数据收集和积累以及可靠性与经 济性的协调关系等多方面的研究，取得了一系列的成果。配电网规划和运行结构 日趋合理，在科技飞速更新的带动下，发展配电网综合自动化程度，不断改善供 电质量和提高供电可靠性【1 1 1 。加拿大在上世纪5 0 年代开始研究供配电可靠性问 题，并成立了专门的供电可靠性委员会，其中详细规定了平均停电频率、平均停 电持续时间、用户停电小时数等评估供配电可靠性的实际指标，并于19 6 2 年成 立了由配电网可靠性技术委员会组成的全国性报告系统。该系统既强调对历史状 态的统计分析，又重视对未来情况的评估，并且对不同等级的配电线路规定了不 同的可靠性标准，对不同等级的用户规定了不同的供配电连续性水平。当前加拿 大已经建立了一套完善和有效的配电网可靠性评估技术，并已被越来越多的国家，_ 所采用。美国在六十年代初组织了一个工业电气设备可靠性调查小组，开展了配 电网可靠性概率定量分析领域的研究。英国的可靠性的评估工作始于上世纪六十 年代，英国电力委员会于在19 6 4 年制定了国家标准事故和停电报表，于19 7 5 年又颁布了全国设备缺陷报表。英国在配电网可靠性评估研究方面非常注重 供电可靠性的文件管理和指标的统计，既包括了事故和停电的统计报表，也包括 了供电安全导则【l2 1 。日本的配电网可靠性评估工作始于上世纪七十年代，其配 电网可靠性指标的评估大多是建立在以“裕度”为概念的基础上，其可靠性指标 的评估方法既有全国统一的指标也有地方性的指标。 统计资料表明，每个西方发达国家提高本国配电网可靠性的措施和方法不尽 相同【l 引。加拿大是将供电可靠性水平与用户的可靠性程度联系起来，重要度不 同的用户线路，设定各自不同的供电可靠性标准。日本主要集中于网络结构与切 换能力的水平管理，提高了整个配电网自动化程度水平，保证了发生故障后负荷 的迅速转移以减少停电时间，取得了很好的运行效果。英美两国各自制定了详细 的可靠性导则，给出了具体的可靠性评估的方法、设备可靠性数据、可靠性与经 基于非时序蒙特卡洛模拟泫的配电网可靠性评估研究 济性关系分析基础理论，停电损失数据等，以便各个供电公司做参考，并且逐年 修改导则。总之，西方发达国家配电网可靠性研究工作取得了良好的社会和经济 效益。 1 3 2 国内研究现状 我国电力系统可靠性研究较晚，始于上世纪7 0 年代。19 81 年水力电力部颁 布了有关电力系统安全稳定运行的电力系统安全稳定导则。19 8 3 年成立了中 国电机工程学会可靠性专业委员会。l9 8 5 年水利电力部成立了电力可靠性管理 中心，开展发电、输变电、配电系统的可靠性统计以及有关标准的研究制定工作， 推动电力系统可靠性工程管理工作地深入开展，一些大学和科研机构也开始陆续 开展电力系统可靠性的理论研究和教学工作【1 4 , 15 , 1 6 】。近些年来随着我国国民经济 的飞速发展，用电负荷也随之迅速增长，供需矛盾越来越突出，供配电可靠性的 研究也显得越来越重要，迫切需要对配电网进行合理规划设计，从而促进配电网 可靠性评估研究的发展。我国电力系统可靠性管理工作开展几十年来，有组织、 有计划地开展了配电网可靠性研究工作，不仅很好地适应了我国电力工业发展中 每一次变化和改革，并且在改革中不断强化和完善了自身的管理体系和能力，还 指导了电力企业在安全生产管理中，科学地运用电力可靠性管理中心的各项评估 指标进行电力系统可靠性的分析和评估。 我国电力系统可靠性评估虽取得了长足的进步，与西方发达国家相比特别是 配电系统评估工程方面，仍然有相当大的差距。19 9 4 年，全国17 4 个主要城市 配电系统，用户供电可靠率最高的为9 9 8 5 ，相当于每户年平均停电13 1 4 小 时，用户供电可靠率最低的是9 5 7 4 1 ，相当于每户年平均停电3 7 3 0 8 8 小时。 而日本进入九十年代，配电系统供电可靠率达到了9 9 9 9 7 ，每年每用户停电时 间仅为15 分钟。上世纪8 0 年代的伦敦、纽约等城市的配电系统供电可靠率已达 到9 9 9 8 9 9 9 9 ，用户年平均停电时间仅为5 0 分钟。根据现有国内外配电网 可靠性评估研究发展的资料统计分析来看，国内配电网可靠性评估进展缓慢的原 因主要有以下几点： ( 1 ) 我国配电网可靠性研究开展工作较发达国家起步晚。 ( 2 ) 我国地域辽阔，因而配电网覆盖面广、设备繁多、结构复杂。对于这样 一个规模庞大的配电网络，技术及安全管理的难度非常大。加上改造资金短缺， 一些地区网架结构仍然极其薄弱，陈旧设备得不到更换换代，严重影响了配电网 供电可靠性。 ( 3 ) 配电网可靠性的原始统计数据是对配电网可靠性指标进行分析和研究的 基础和前提。原始数据积累的缺乏和数据可信度不高严重阻碍了我国配电网可靠 性的理论研究及其研究成果的实际应用。 4 硕十学位论文 ( 4 ) 配电网自动化程度不高且设备水平低，导致配电网可靠性水平的提高在 空间上受到设备质量性能低、在时间上受到故障隔离速度慢等方面的影响。 1 4 配电网可靠性评估方法 进行配电网可靠性分析首先要建立配电网可靠性评估模型，然后输入元件的 可靠性参数，计算出各负荷点的可靠性指标，最后在负荷点可靠性指标的基础上 求得整个系统的可靠性指标。由此可见可靠性模型的建立和评估算法的选取是其 难点所在。 国内外自2 0 世纪6 0 年代开始研究配电网可靠性分析，取得了大量的理论成 果。在此基础上配电网可靠性评估方法不断得到发展和改进，并因此在这一领域 中所发表了大量的配电网可靠性评估论文【1 7 , 1 8 , 1 9 , 2 0 】。在近几十年时间里，基于解 析法和模拟法这两种最基本的分析方法，结合配电网自身的特点，提出了许多的 新算法，在可靠性分析的模型和评估方法等方面进行了改进。配电网可靠性评估 方法主要有以下三大类： 1 解析法( a n a l y t i c a lm e t h o d ) 解析法是运用数学模型来描述元件或系统的故障过程，然后通过数学方法进 行计算求解，得到负荷点和系统的可靠性指标。当系统非常庞大和复杂时，采用 精确的解析法其计算量和计算时间将大大增加。随之也就产生了一些近似和等值 的方法而快速得到可靠性指标。 在配电网可靠性评估中，解析法主要有以下几类： ( 1 ) 故障模式后果分析法 故障模式后果分析法( f a i l u r em o d ea n de f f e c ta n a l y s i s ，f m e a ) 是进行配电 网可靠性评估的最基本方法【2 1 1 。该方法通过对系统中各原件的故障状态进行搜 索，利用各原件的可靠性参数，找出系统的故障模式，并在此基础上计算系统的 可靠性指标。该方法主要应用于简单辐射型主馈线系统的可靠性评估，但对于原 件数量庞大的复杂系统，其计算量将随着元件数的增加成指数倍增加，因此该方 法很难直接使用。 ( 2 ) 网络等值法 等值法【2 2 1 运用网络等值原理将复杂配电网进行简化等值，将最低一级馈线 运用一个等效原件来代替一部分配电网络，并依次逐步简化，最终将复杂网络简 化成简单辐射型主馈线系统，最后运用f m e a 法进行配电网可靠性计算。若要 得到负荷点的可靠性指标还要从等效点出发向下逐步分解等效，该方法若分支馈 线较多时，计算将显得复杂繁琐。 ( 3 ) 最小路法 最小路法实际上是对每一个负荷点求取其最小路，并将非最小路上的元件故 基于1 f 时序蒙特卡洛模拟法的配哇三网可靠性评估研究 障对负荷点可靠性的影响，折算到对应的最小路节点上：并对其最小路上元件与 节点进行计算便可得到系统的可靠性指标【23 1 。该方法同样只适用于简单辐射状 配电网络。 ( 4 ) 区间评估算法。 区间评估是针对原始参数的不确定性而设立的一个评估方法。它用一个数值 范围区间而不是一个数值来表示可靠性指标。文 2 4 提出了一种区间运算和最小 路法相结合的评估法，简化计算提高了效率。 ( 5 ) 基于贝叶斯网络的评估算法。 运用传统的方法能够得出配电网各项可靠性指标，但不能确定某元件对整个 系统可靠性中的贡献。运用贝叶斯概率公式可以弥补这一点【25 1 。首先由各支路 和元件的故障率可得到各负荷点的故障率，然后再用反推方法即可得到各元件对 负荷点的故障敏感度。并可以推出其他负荷点的可靠性指标，因而可以找出整个 系统中的薄弱点。 ( 6 ) l f i - j 量法 该方法先将含有元件串并联的馈线段等效为单一的馈线段；然后运用最小路 法对馈线段进行分级，与电源相连接的为第一级，与一级馈线相连接的为第二级， 按照此方法类推，有相同一级馈线的为同一类负荷点；对同类负荷点中的任一负 荷点，由最小路确定行向量表【2 6 1 。由于一个行向量对应一个负荷点，因而可以 方便地求出负荷点和系统可靠性指标。 ( 7 ) 分层评估算法 对于结构复杂的大规模配电网，按照其故障产生的原因其故障模式可以分为 三种，分别是馈线故障模式、变电站母线故障模式及上一级电网故障模式。利用 系统元件的可靠性数据与网络拓扑结构建立了系统的可靠性评估数学模型，在基 于故障扩散的分层算法来对系统的可靠性评估进行评估【2 7 1 ，可快速得出系统的 可靠性指标。 2 模拟法( s i m u l a t i o nm e t h o d ) a 模拟法是在计算机上模拟原件的寿命过程，对此模拟过程进行若干实践的观 察，估计所要求的可靠性指标2 8 , 2 9 , 3 0 】。因此模拟法是把寿命过程当作系统的真实 实验来处理的。其总体规划是：先找出受故障元件影响的所有负荷点，通过对负 荷点历史记录的采样、分析和计算，便可求出系统和负荷的可靠性指标。模拟法 的模拟次数与系统的规模无关，适合求解比较复杂的系统。其主要评估方法有时 序蒙特卡洛模拟法和非时序蒙特卡洛模拟法。 3 混合法( h y b r i dm e t h o d ) 文献 31 先用网络等值简化法将复杂配电网络简化成简单辐射型主馈线系 统，将简化后的主馈线系统用时序蒙特卡洛模拟法得到负荷点停电次数和停电时 6 硕士学位论文 间的分布律，从而得到整个配电网可靠性指标，该方法的获得可以丰富整个配电 网可靠性水平的信息。 1 5 配电网可靠性评估研究的任务 配电网可靠性可定义为向用户提供质量合格的、连续的电能的能力，而能力 通常用概率来表示。所谓质量合格，就是指电能的频率和电压必须保持在规定的 范围之内。配电网可靠性过程从各个方面、各个环节研究系统的故障现象，提出 定量评定指标和提高可靠性的措施。具体来说本学科的主要任务如下： ( 1 ) 研究单个元件和由元件组成的系统的计算模型、定量计算指标、研究如 何应用统计的方法去获得元件的可靠性指标。 ( 2 ) 尽可能采用可靠性高的电力系统元件。为了保证电力系统元件的可靠性， 需要进行产品的可靠性设计，在生产过程中要实行全面质量管理，严格进行部件 选和检验，采用标准化生产等等。同时在保证系统能够完成预定功能的前提下， 系统的复杂性降低至最低限度。 ( 3 ) 研究系统可靠性与经济性的最佳搭配。在研究系统某一阶段的可靠性水 时，考虑的是较高的可靠性增益与为此而付出的成本之间的最佳平衡。系统要 较高的可靠性度就要求在那装可靠性高的元件或在结构少年宫采用更多冗余， 样势必提高以此投资与运行费。反之，如果系统的可靠性太低，则将引起停电 失的增加，而停电损失不仅包括停电损失的增加。因此要将系统可靠性研究与 经济性有机结合起来，在经济性一定的情况下，可靠性最高；或在可靠性水平一 定的情况下，经济性最好1 3z - 。可靠性与经济性是紧密联系在一起的，其关系可 由图氲1 直观的表示出来、一方面，系统可靠性越高其系统投资成本越高，另一 方面可靠性的提高降低了用户停电损失。曲线图是一个开口向上的抛物线，因综 合考虑了可靠性与经济性两方面的因素，曲线中存在一个总成本最低点，工程上 往往对该最低点右半部分曲线进行投资分析。 图1 1 可靠性与成本的关系 7 基于非时序蒙特卡洛模拟法的配l 乜网可靠性评估研究 1 6 配电网可靠性评估内容 配电网可靠性评估研究的内容，一般来说可以分为以下几个方面【3 3 】： ( 1 ) 定义配电网可靠性评估的各项指标； ( 2 ) 配电网可靠性评估指标的统计与分析并运用其统计分析的结果，对现行 系统从设计到制造、安装、调试、运行、维护和检修等各个生产过程起到的实际 指导作用； ( 3 ) 为实现配电网可靠性分析、预测的指导作用而采取的各种有效措施及其 对策； ( 4 ) 配电网可靠性评估成本与经济性的协调关系以及电力系统可靠性经济学 在配电网可靠性中的实际应用等。 1 7 本文的主要工作 本文在全面分析配电系统可靠性的研究基础上，根据配电系统自身的特点和 作用，以非时序蒙特卡洛模拟法的配电系统可靠性评估方法为基础，对配电系统 可靠性评估的模型，影响可靠性的主要因素及提高可靠性的措施等方面进行了探 讨和研究。本文的主要工作内容如下： ( 1 ) 研究了配电系统可靠性评估的必要性和重要性，以及国内外配电系统可 靠性研究现状，并对配电系统可靠性评估的各种方法进行了分析和总结。 ( 2 ) 阐述了配电系统可靠性的基本理论。分析了系统及负荷点可靠性模型， 介绍了负荷点和系统的可靠性评估指标。 ( 3 ) 详细介绍了配电系统的基本结构以及复杂配电系统的等值和简化模型， 并对简单辐射状配电系统的不同运行模式采用了f m e a 评估法，对不同模式的 结果成因进行了分析和对比。 ( 4 ) 详细阐述了模特卡洛模拟法的基本原理及模拟过程和收敛特性：在此基 础上将非时序模特卡洛模拟法应用在复杂配电系统中，通过算例验证了该方法的 有效性。 硕士学位论文 第2 章配电网可靠性评估原理 2 1 配电网基本概念 配电网( d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ) 处于电力系统末端，把电源系统和输变电系统 与用户设施连接起来，是向用户分配电能和供给电能的重要环节，包括高低压配 电线路、配电变电所在内的整个配电网络。一般情况下配电网电压等级高低的选 择，随着电力系统的容量、负荷密度的不同而有不同的规定。我国根据城市电 网规划设计导则规定3 5 k v 、1 10 k v 为高压配电网，10 k v 为中压配电网，3 8 0 v 、 2 2 0 v 为低压配电网，2 2 0 k v 及以上电压为输变电网。然而，随着城市供电容量 的剧增和供电范围的逐渐扩大，一些大城市已将2 2 0 k v 输变电线路引入市区进 行供配电p 引。因此，配电网很难简单地从电压等级上与输变电网进行划分和定 义，而是以其功能和作用来定义和区分。 2 2 元件可靠性特征 在可靠性研究中，所谓元件，就是一个基本单元，在系统运行过程中其可靠 性特征量保持不变。但并不意味着再不能从结构上将其分解。相对来说，元件可 靠性特征量比较容易地从实际经验中得到，因此在系统可靠性分析中，元件的可 靠性指标是己知的。 元件与系统的概念是相对的。一个研究对象在一种研究中可以认为是系统， 而在更大的研究范围内则可以认为是元件，取决于研究目的、研究精度、研究概 念的水平以及研究对象在研究范围内的地位等。 元件按失效模式( 失效是指元件丧失规定的功能，对可修复元件通常也称为 故障) 可分为两状态和三状态这两种元件【3 5 】。前者是指元件有工作状态和失效 状态。后者是指工作状态和两种失效状态。如继电器有拒绝动作和误动作两种失 效状态。元件还有部分失效状态( 如发电机在降低出力下运行) 和公共失效状态 ( 由于设计与制造缺陷、运行失误或自然灾害等引起的多元件同时发生的同种失 效) 。 元件按维修特性可以分为不可修复与可修复元件。前者是指失效后不能或不 值得去修复的元件；后者是指失效后可以修复的元件。前者的寿命是指发生失效 前的工作时间。后者寿命是指相邻两次故障的工作时间，这也称为无故障时间。 在电力系统中元件一般是可修复的。 元件可靠性用可靠性特征量( 或可靠性指标或可靠性数据) 即某种数量指标 9 基于非时序蒙特卡洛模拟泫的配电网口 靠性评估研咒 来表示，其真值是理论数值。在具体估算时，其值与所利用的数据，数据处理方 法及某些特殊假定有关。根据不同数据处理方法，有不同名称，如特征量估计值、 特征量观测值、特征量外推值和特征量预测值。下面按元件的可修与否来分别研 究其可靠性特征量。 2 2 1 不可修复元件的可靠性特征量 不可修复元件的寿命是从投入运行开始到灾变性失效发生为止的一段时间， 是一个随机变量，取决于其概率分布： f ( f ) = p ( t f ) ( 2 1 ) 式中表示元件寿命t 小于t 的概率，称为积累概率的分布函数，它表示从开 始运行( t = 0 ) 到时刻