（电气工程专业论文）电网可靠性评估模型及其在高压配电网中的应用.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特l l l i 以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重麽太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我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了明确的说明并表示谢意。 学位敝储虢多张签字吼砌r 年删川。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一一重废杰堂 有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权 重庞盍堂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( ) ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学雠文储躲嬲翎躲) 习潮 签字日期：印歹年歹月；9 日 签字日期：却口r 年r 月罗汐i ! i 重庆大学工程硕士论文 中文摘要 摘要 配电网是电力系统中直接针对用户的环节，对用户供电质量和供电可靠性有 直接的影响。据国外电力公司统计，大约有8 0 的停电事故缘于配电系统故障， 因此，如何准确快速地评估配电网可靠性水平、分析网络薄弱坪节以实现优质、 可靠、经济蛾将电能输送给用户已成为研究的热点。论文以复杂高压配f 恕系统为 研究对象，对可靠性评估的理论、模型和算法，进行了较深入而系统的研究。概 括起来，论文的主要成果有： 对配电系统可靠性评估的基本概念、基础理论进行了系统地介缗。重点奔 绍了高压配屯系统可靠性评估的相关问题。讨论了高压配屯系统驹主要特点，以 及国内外商压配龟撼葡鬻链评估主要算法的优点和不足。 本文基于潮流法讨论了高压配包系统可靠性评估模型，对预安蒋停奄模 型、系统解列的判断和负荷削减策略进行了深入地研究，并给出了可靠性评估的 测度指标和计算流程。 根据工程实际经验，提炼出高压配电网三种典型接线方式，并对其进行可 靠性解析分析，为工程实践中接线方式合理的选择提供了理论依据。 将以上理论运用于贵阳南局2 2 0 k v ( 含1 1 0 k v 和3 5 k v ) 高压配电网韵可 靠性评估分析。得到了较好的工程应用效果。经计算得出了该系统在枯大、枯小、 汛大和汛小四种方式下改可靠性指标。通过对计算结果进行分柝，找到了系统的 薄弱环节。 关键词：高压配电网、可靠性评估、典型接线、解析分祈 重庆人学i ? 程硕 论文 英文摘要 a b s t r a c t e l e c t r i c a ld l s t r i b u t i o nn e t w o r k sa r ec o r m e c t e dd i r e c t l yw i t hc u s t o m e r s i tw a s r e s e a r c h e dt h a t e i g h t yp e r c e n t o ft h et o t a lc u s t o m e r i n t e r r u p t i o n s r e s u l t e df r o m e l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ss o ，a tp r e s e n t ，t h ee l e c t r i cp o w e ru t i l i t i e sa r em o r e c o n c e r n e da b o u tt os a t i s f yt h ec u s t o m e r sd e m a n dw i t hh i g hq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yt o t h ec u s t o m e r s t h i st h e s i sm a k e ss y s t e m a t i ca n dt h o r o u g hs t u d i e so nt h et h e o r i e s ， m o d e l sa n da l g o r i t h m sf o rr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fh i g hv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k s ( h v d n ) t h em a i nc o n t e n t sa r ed e t a i l e di nt h ef o l l o w i n g b a s i cc o n c e p t sa n dt h e o r i e s ，s p e c i f i cf o rr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fh v d n ，a r e i n t r o d u c e ds y s t e m i c a l l y c h a r a c t e r i s t i c so fh v d nr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o na r e 一，1 ；，、 t h i sp a p e r a d v a n t a g e sa n dd e f e c t so fh v d n r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o d ； ： i nt h el i t e r a t u r e a r ed i s c u s s e di nt h ef i r s ts e c t i o n ah v d nr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm o d e lb a s e do n p o w e r f l o w t e c h n i g u e i s d i s c u s s e d s o m ed e a p e rs t u d i e s ，s u c ha ss c h e d u l e do u t a g em o d e l ，f a i l u e ri d e n t i f i c a t i o n m o d e ll o a ds h e d d i n gs t r a t e g i e s ，a n du s e f u lc o n c l u s i o na r ed e t a i l e dms e c t i o n3 i n d i c e s d e f i n i t i na n da l g o r i t h mf r a m e a o r ko fh v d n r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o na r ea l s og i v e ni n t h i ss e c t i o n b a s e do nt h ee n g i n e e r i n ge x p e r i e n c e s 、t h r e ek i n d so ft y p i c a ln e t w o r k c o n f i g u r a t i o n so fh v d na r ep r e s e n t e di ns e c t i o n4 t h e nt h er e l i a b i l i t ye v a l u a t i o ni s c a r r i e do u tf o rt h et h r e ek i n d so fr e p r e s e n t a t v i e c o n f i g u r a t i o n su s i n ga na n a l y t i c a l a p p r o a c h f r o mt h er e s u l t s ，w ec a l lc o n c l u d et h a tt h ep r o p o s e dm e t h o dc a np r v i d e v a l u a b l er e f e r e n c ei n f o r m a t i o nf o rt h ep l a n n e r si nh v d n c o n f i g u r a t i o nd e s i 霉- t 哩ja p p l y i n gt h en e wa b o r ea l g o r i t h mt oap r a c t i c a lh v d no fg u i y a n gu t i l i t ya t t h ew ) l t a g el e v e lo f2 2 0 k v ( c o n t a i n110 k va n d 3 5 k v ) ，t h er e l i a b i l i t yi n d i c e so ft h i s s y s t e mu n d e rf o u rs y s t e ms e c n a r i o si n2 0 0 4a r eo b t a i n e d a f t e ra n a l y z i n gt h e s er e s u l t s ， w e a k n e s s e so ft h i sn e t w o r ka r ef o u n d k e y w o r d s ：h v d n ，r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ，t y p i c a ln e t w o r kc o n f i g u r a t i o n s ，a n a l y t i c a l a n a l y s i s 重庆大学一l 程硕士论文 1 绪论 1 1 引言 1 绪论 电力系统的根本任务是尽可能安全、可靠、优质、经济地将电力供给各类用 户。随着系统规模的日益庞大，系统所包含的元件数量也越来越多，这将极易 出现因元件故障而造成系统部分甚至全部功能丧失的概率也大为增加。电力系 统可靠性研究正是由此而从系统规划、设计和运行等诸多实践活动中提出来的 一项具有巨大经济价值和重大社会意义的前沿性课题( i 2 l 。经过六十多年的不断 努力，电力系统可靠性研究取得了巨大进展，些发达国家在发输电组合系统、 配电系统的可靠性管理领域已具备了较为成熟的订厅法，可靠性分析也正逐 步成为电力系统规划、决策的一项重要的辅助工具， 配电网的根本任务是尽司能经济且可靠地将电力分配给各用户。整个电力系 统对用户的供电能力和质量都通过配电系统来体现，因而配电系统可靠性指标实 际上是整个电力系统结构和运行特性的集中反映。因此，对配电系统可靠性的研 究和应用，是保证电能质量，实现电力工业现代化的重要手段，对促进和改善电 力工业生产技术和管理、促进电力市场的发展和完善以及提高经济和社会效益有 着重要作用1 2j 。由于历史原因，过去我固对发电和输电环节投入较大，而对配电系 统的建设则相对滞后，致使供电质量差，供电可靠性低，运行和维护费用高，网 络损耗较高。随着国民经济的发展和生活水平的提高，人们对配电网的供电能力、 供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。 目前，世界各国的电力工、比正由原来的国家垄断经营向放宽管制、自由竞争 的电力市场机制转变。在竞争激烈的电力市场环境下，电力公司面i 临许多新的挑 战，其中一个重要的问题就是如何在提高供电质量和可靠性的同时，尽可能地降 低网损，降低运行、维护和建设费用，以提高资金使用效率，取得可靠性和经济 性的统一。我国加入w t o 后为与国际标准接轨，电力部规定将考核供电企业的三 大指标( 电压、频率、波形系数) 改为五大指标，新增了供电可靠性和用户满意 率两大指标，这样，供电企业，特别是一流企业就会更加关注电网的供电可靠性 水平。 随着电力市场竞争机制的不断引入，电力公司对用户的满意程度越来越重 视：一方面，用户有了选择权，可以对供电可靠性提出要求；另一方面，供电 部门也可根据用户对可靠性的不同要求制定不同的电价。因此，如何提高系统 重庆火学工程硕士论文1 绪论 可靠性以及协调好可靠性与经济性的问题已经成为迫切需要解决的实际课题。 1 2 可靠性的基本概念 随着生产的发展与科学技术的不断进步，设备和系统结构越来越复杂，因此可靠性 的定性分析己远远不能满足对产品性能习益提高的需求。如航天、导弹、核电等控制系 统对产品的设计、制造、装配乃至运行的一整套环节都有相当严格的定量标准，否则一 次事故的发生会带来巨大的经济损失和难以估量的社会影响，所以产品的可靠性管理是 各项生产活动的重要目标之一。 把可靠性工程的一般原理和方法应用于电力系统中的工程问题，便形成了电力系统 可靠性，它渗透到电力系统规划、设计、运行和管理的各个方面。对保证大电网、大机 组、高电压系统安哞、优质、经济运行起到了重要作用。电力系统可靠性包括两大基本 功能一充裕性和安全性来说明。其中，充裕性( a d e q u a c y ) 是电力系统在计及系统元 件的计划与非计划停运以后，在所有时间内满足用户要求的电力和电量的能力：安全性 ( s e c u r n y ) 是电力系统承受诸如短路或系统元件的突然丧失等突然扰动的能力。口引。 为满足各种不同应用场合对可靠性进行评估的需要，具体规定的可靠指标可能有所 不同，归纳起来有如下几类： 概率指标如可靠度，可用度等； 频率指标如平均故障次数等： 时间指标如故障平均时间、平均工作时问及修复时间等； 期望值 如发生故障的天数期望值、故障少供电量期望值等。 由于可靠性是对未来事件的预测，因此不可能用一个确切的量来表明。事实上，以 上四个指标都是建立在统计分析基础上的概率量，在实际的可靠性工程应用中，往往通 过绝对或相对的可靠性柬进行系统的分析评定。 可靠性指标一经确定并规定适当的标准值，即可与计算值比较并对设备或系统的可 靠性做出评定。这样的处理方法要求原始数掘和计算方法都充分准确，称为绝对可靠性 评定。但是由于受到取得有效原始数据的限制和为简化复杂计算而不得不做出某些简化 假定的影响，在当前技术条件下，可靠性评定更适用于相对分析，此时将不同设计方案 的可靠性指标计算值进行比较即可决定方案优劣，并可以发现系统设计中的薄弱环节。 1 3 研究配网系统可靠性的必要性 配电系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 是把电力系统或电源与用户设施连接起来的重要 环节，通常包括配电线路、配电站、配电变压器、二次配电线路以及把不同用户联结起 2 重庆大学工程硕士论文 1 绪论 来的电气设施。 与发电系统相比，配电系统投资较少，停电的影响也限于局部地区，因而早先对这 部分网络可靠性的定量研究工作做得较少。随着统计工作的不断完善，数据资料的不断 积累，发现配电系统的故障对用户的影响占据了主要成分，由于配电系统大多采用放射 式的树状结构，因此树状结构中任何一个节点或树支的敌障都会影响到配电系统的综合 可靠性指标。据不完全统计，用户停电故障中8 0 以上是由于配电系统故障所导致的。 由此可见，配电系统的可靠性很大程度上决定了系统对用户的供电质量与供电能力，因 此配网的供电可靠性是不容忽视的。在电力工业由传统垄断管理向竞争的电力市场机制 转变的大环境下，配电系统的可靠性管理越来越成为电力企业走向市场的重要基础工作 之一，也成为评价电网供电质量的重要标准。在工程应用中通过对配网系统的定量评估， 还可以进行更为合理的工程决策，使有限的资源得到更好的利用，发挥其最大效益。其 定量计算的必要性还体现在以下方面： 为改善网络性能，某一个改造方案可能投资并不大，但为数众多。均触电圊改造累 计起来却是个十分可观的数字。 有必要对电力系统发、输、配电各环节的可靠性取得综合平衡。 合理进行检修计划的安排、运行方式的调整，以达到网络的最优决策目的。 1 4 配电系统国内外研究现状 2 0 世纪6 0 年代，人们开始研究电力系统可靠性时，由于发电设备与配电设备 相比，相对比较集中，设备次性投资额大，建设周期长，发电容量不足造成的 停电给社会及环境带来后果的严重性和广泛性容易引起人们的注意，因此人们着 重强调发电系统的可靠性，而忽视了配电系统可靠性的重要性。但随着统计工作 的不断完善和数据资料的不断积累，人们发现配电系统的故障对用户供电可靠性 的影响很大。长期以来，美国、英国、加拿大、日本以及法国等国都投入大量资 金对配电系统可靠性进行专门研究，相关研究成果已经用于生产实践。在发达国 家，可靠性评估已成为配电系统规划决策中的一项常规性工作口】。把停电损失列入 规划方案的比较，将可靠性与经济性统一协调，使可靠性技术的应用发展到了一 个新的层次。 然而，随着电力工业由传统垄断管理向竞争的电力市场机制转变，配电网规 划将变得更趋向于商业化，同时利润将成为所有投资和运行决策的重点。在利润 决策中要把可靠性指标包括进去，以使投资与适当的可靠性等级间达到平衡。可 靠性成本一效益可以通过图1 1 所示曲线来分析，图中：u c 代表可靠性边际成本曲 线；c c 代表可靠性边际效益曲线；t c 为可靠性边际总成本曲线。 3 重庆大学工程硕_ 二论文1 绪论 为提高配电网规划、建设及改造的科学决策水平，合理利用资金，有必要利 用基于概率方法的配电系统可靠性评估技术，即通过计算配电网随机故障造成的 用户停电损失，用综合考虑投资、运行费用和停电损失的年最小费用方法来进行 方案决策。国外的实践表明，使用这一技术不但可获得显著的社会效益，而且可 以取得重大的经济效益口j 。 自从1 9 6 5 年该领域的一系列学术论文问世以来，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有模拟法和解析法两大类 3 】。解析模型根据元件之 问的功能关系，用公式显式表示系统的可靠性评估模型。解析法主要有网流法和 潮流法两种。网流法简单快速，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、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。模拟法是用计算 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的一种电力系统可靠性评估模拟方法。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对间抽样， 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，适合于求解比较复杂的系 统，但其计算精度与计算时间紧密联系，为了获得较高的计算精度必然需要耗费 大量计算时| 可；另外，模拟法不便于进行有针对性的分析。本文采用解析法对配 电网络进行可靠性评估。 配电网可靠性评估的传统方法为故障模式后果分析法 ( 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 ) 4 1 ：利用元件可靠性数据，选择合适 的故障判断准则，然后根据该准则将系统状态分为正常运行和故障两大类，进而 进行可靠性计算。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，出于故障模式太多，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。 d 重庆大学：f 程硕士论文 1 绪论 0 r ir 2r 3 可靠性水平 图1 1 可靠性成本一效益分析曲线 f i 9 1 1g r a p ho f c o s t - b e n e f i ta n a l y s i s 近年来，国内外科技工作者已提出许多中压配电网络可靠性评估方法h 。”。 文【4 ，5 ，6 1 平l j 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：1 ) 需要对子系统进行连续多次 等效：2 ) 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。 文【7 给出基于故障扩散的可靠性评估搜索算法。文中提出了边界节点、n 度 节点的概念，根据故障时间的不同，将节点分成4 类。利用这些定义，可前向搜 索确定断路器动作影响范围，用故障扩散方法确定故障隔离范围，从而可确定节 点的故障类型。该算法对复杂中压配电系统( 带子馈线) 有较强的处理能力。然而， 任一单元件故障后，该方法皆要前向搜索确定断路器影响范围，进而确定隔离范 围。因而，该方法有待进一步改进和提高。 文 8 ，9 ，1 0 提出一种基于最小路的配电系统可靠性评估算法。该算法先求出每 个负荷点的最小路，将非最小路上元件的故障折算到最小路上，从而仅对最小路 上的元件与节点进行计算即可得出负荷点的可靠性指标。当系统复杂时，最小路 重庆大学一啊g 硕一l 论文1 绪论 的求取需花费大量时问，计算复杂性较大。 文【1 1 ，1 2 介绍了一种能灵活响应配电网络拓扑结构变化的复杂辐射状配电 系统可靠性评估的故障遍历算法，该算法是基于故障枚举思想，并利用遍历技术 而发展成的一种可靠性评估方法。确定由各种故障所引起的负荷点的故障类型是 可靠性评估的核心，而遍历技术正是确定负荷点故障类型的手段。该算法能有效 考虑系统的容量约束，尤其对含有众多子馈线和众多隔离开关及备用电源的复杂 辐射状配电系统具有很强的处理能力。 文【1 3 】根据馈线分区思想，建立一种区域网络模型，提出了基于区域模型的 故障模式影响法进行可靠性评估，减少了经典f m e a 法中对网络元件逐一分析的 工作量。将区域节点和开关弧的故障后果分为4 类，采用四步法判断区域节点故 障类型，根据开关弧两端邻接节点故障类型，直接确定开关弧故障类型。确定故 障类型后，即可计算负荷点及系统可靠杜指柄、然而，对于每个区域，浚方法需 沿区域网络图逆向搜索酊向节点，直至主电源，形成逆向主通路。当分区后的网 络结构仍很复杂时，主通路的求取需耗费较长时间。 文【9 提出了一种将最小路法和等值法结合的复杂配电系统可靠性评估算法。 该算法首先通过对网络的分层处理，应用可靠性等值原理将复杂配电系统逐步等 值为简单的辐射型配电网，再应用最小路方法计簋系统的可靠性指标，从而提高 了评估效率。但该方法同样具有等值法和最小路法的不足。 1 5 高压配电网主要特点 在2 0 世纪6 0 年代，人们研究电力系统可靠性时，主要侧重于发电系统t 可靠 性或以发电和输变电组成的大电力系统可靠性，而配电系统的研究还远未得到 应有的重视。其主要原因是发电和输电设备相对比较集中、一次投资额大、建设 周期长，且发电容量不足造成的停电给社会及环境可能带来严重的经济和社会影 响。据不完全统计h 1 ，用户停电故障中8 0 以上缘- j = 日g 电系统故障，它对用户供 电可靠性的影响也最大。 高压配电网是联接输电网与中压配电网的桥梁，其结构性能对功率的合理分 配有很大影响，它关系到供电的可靠性和电网建设经济性两个方面。今后，配电 网的改造还将继续扩大和深化。面对未来巨大的资会投入，如何充分考虑当前需 要和将来的发展，合理有效地利用资金，取得最大的效益，是各级决策者十分关 注的问题。 高压配电网通常为环网设计，尽可能呈辐射状分片供电，以解除电磁环网和 降低短路容量。这就决定了网络中存在较多的切换线路，增加了网络的复杂度。 6 重庆大学工程硕士论文 1 绪论 高压配网有如下特点： ( 】) 存在备用电源，在某些情况下，可通过联络线路使备用电源为负荷供电。 ( 2 ) 系统中存在切换，在线路故障或计划检修时，可闭合联络线路的常丌开关 以使系统恢复供电。 ( 3 ) 系统中有较多的t 接点。 1 6 高压配电网可靠性评估方法 目前在工程上普遍应用的电网可靠性评估方法有解析法和模拟法两大类。 1 解析法 解析法是根据电力系统元件的随机参数，建立系统的可靠性数学模型，通过 枚举偶然事故并对其系统在各种偶然事故状态时的行为进行分析，然后通过数值 计算方法获得系统的各项指标。目前，解析法可分为：网流法和潮流法。 ( 1 ) 网流法 网流法是利用系统元件停运特定状态下的最大流代替系统中的潮流分和，从 而简化了交流潮流的计算和负荷的削减计算。该方法不考虑元件故障后系统的实 际响应过程，只是考虑系统最大可能达到的固有可靠性。网流法简单快速，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。 ( 2 ) 潮流法 潮流法又可以分为直流潮流法和交流潮流法。直流潮流法具有计算速度快的 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 考虑系统的各种因素的影响，例如，电压质量、有功功率和无功功率约束等，因 此，评估的结果更接近实际情况，精度较高。不过，对于大型电网来说，系统可 能出现的故障事件数非常大，使得可靠性分析的整个计算量非常巨大。 2 模拟法 模拟法主要是指m o n t ec a r l o 模拟，其特点是能够抽取服从任意一种概率分 布的随机数。在计算时，根据负荷、输配电元件以及气候条件等的概率分布，由 计算机用随机抽样来选择它们的参数，以便形成系统状态序列，然后对产生的每 个状态进行行为分析。系统可靠性评估是在积累了足够数目的抽样状态后进行。 这一方法易于计及相关故障事件的影响，也可给出电压质量信息，但进行针对性 的元件故障分析则较为困难。 解析法和模拟法各有有点。前者理论严密，便于事件针对性分析，但计算量 7 重庆人学工程硕十论文1 绪论 大：后者可模拟相关失效多重事件等复杂因素，计算量相对较小，但事件针对 性分析有一定困难。 对电网进行可靠性评估时，一般评估方法要点是： a ) 确定供电负荷和用电过程对供电可靠性的要求，从而确定合适的停电意 义： b ) 进行元件故障模式和影响分析，判断造成电网停电事件的每一元件故障及 其故障组合； c ) 计算每一停电事件的发生频率，平均持续时间以及相应的事件发生概率； d ) 组合所有停电事件的计算结果，产生要求的电网和负荷点可靠性指标。 可靠性指标有失负荷概率l o l p ，失负荷时问期望l o l e ，失负荷频率f l o l ， 失负荷平均持续时间d l o l ，电力不足期望e d n s ，电量不足期望e e n s 等。主 要的敏感度指标有系统缺电时间期望对元件故障橛j ! 的敏鹪度，系统电量不足期 望对元件故障概率的敏感度，系统电量不足期望对元件容许传输容量的敏感度 等。以及一些经济性指标。以上这些技术指标将在本文中进行详细讨论。 1 7 本文研究的主要内容 本文在可靠性评估的模型与算法、负荷削减策略与算法、高压配f 电网三种典 型接线方式的可靠性解析分析等方而进行了讨论，并将这些模型和方法结合“贵 阳市南供电局高压配网可靠性分析研究”课题应用于实际的电力系统。主要的工 作概括如下： 1 讨论高压配电网可靠性评估的理论、模型、算法。 2 对高压配电网的三种典型接线方式按其对负荷可靠性指标的影响进行解 析分析。 3 对贵阳南局现运行电网以及2 0 0 4 年2 2 0 k v ( 含11 0 k v 及3 5 k v 电网) 在四 种运行方式下的网架结构、元件电气参数和可靠性参数进行收集整理和 分析。 4 对网络四种运行方式进行有功、无功功率平衡分析、潮流计算和分析。 5 用交流潮流法对贵阳南局高压配电网四种运行方式进 ，可靠性评估，得 到节点和系统充裕度指标，找到电网的薄弱环节。 8 重庆火学工程硕十论文 2 可靠性基础理论 2 1 前言 2 可靠性研究基础理论 可靠性评价是用概率的数学方法来进行定量分析的。应用“概率”这一方法 使定义可靠性具有十分重要的意义。这是因为可靠性的反面是失败和故障。研究 可靠性就是要研究故障发生的概率，而故障总是随机发生的，它属于随机事件。 不仅故障本身是随机发生的，影响故障发生的外界条件也往往带有随机的性质， 故障后的修复时间也是随机的。因此，只能运用概率论及其它处理随机事件的数 学方法和有关理沦束定嚣地处理可靠性问题。从而使可靠性的变化规律得以用 数学形式来表达、运算剐掌握，并在相同的条件下使不同设备或系统具有共同的 评价标准。 2 2 集与事件 2 2 1 集 具有某种规定性质的事物的总体称为集( 合) ，常用大写字母表示。组成集合 的这些事物称为集的元素或成员，常用小写字母表示。如元素x 为质数的集p 可 表示为p = x ix 是质数 ，其中括号内垂直线左面的标记代表集的元素。对于集a 集b 有如下的运算规则如下： 冥等律： a u a = aa n a = a ( 2 - i ) 交换律： u b = b u aa n b = b n a ( 2 2 ) 结合律： 分配律 ( a u 挪u c = a u ( b u c )( a n b ) n c = a n ( b n c )( 2 3 ) a u ( 占n c ) = ( a u b ) n ( a u c ) a n ( b u c ) = ( a n b ) u ( a n c ) 2 2 2 集的集合的概念 ( 2 4 ) 定义任意集a 的有限个集o ( a ) 为a 的全部子集的集合，即 9 重庆火学：r 科硕士论文2 可靠性基础理论 o ( a ) = x l x a ) 。 如果巾( a ) 是有限个集的集合，例如m = ( a ，a ：，a 。 ，则可常常写出并交集 合u a ，或a u a ：u u a 。以及n a ，或a ，n a 2 n n a 。 f = i = l 2 2 3 事件 基本事件：一组条件实现下，每一次试验结果称为一个基本事件，或简称事 件。 必然事件：一组条件实现下，必然发生的事件称为必然事件。 不可能事件：一组条件实现下，不可能发生的事件成为不可能事件。 随机事件：一组条件实现下，可能发生也可能不发生的事件称为随扣霉件。 样本空间：一组条件实现下，一个试验可能发生的全部结果就函限1 。、样 本空间。 2 3 概率 概率是一种科学的“机会测度”，它从定量的角度定义了事件发生可能性。它 的数值在不可能事件的零概率值到必然事件的l 概率值之间变动，也可以说它是 研究随机事件规律性的数学学科。 2 3 1 概率的古典定义 如果试验的全部可能结果为n 个，且每个结果都有等可能性和互不相容性， 而其中有利于a 的结果是m 个，则事件a 发生的概率为： j p ( ) ：一m( 2 5 ) 咒 2 3 2 概率的统计定义 由概率的古典定义定义可见，要求事件数是有限的，且要求时间的发生是等 可能的。虽然许多实际问题不具备这种性质，并不能满足有限结果的要求，但经 过大量的重复试验，我们仍会发现随着试验次数的不断增加，其概率总是趋近于 某一值。因此，概率可统计定义为： 当试验次数i 3 足够大时，事件a 出现的频率渐趋于一个稳定值p ( a ) ，则称这 重庆人学t 程硕十论文 2 可靠性基础理沦 一稳定值p ( a ) 为事件a 发生的统计概率，记为： 以a ) = l i m m n 2 3 3 概率的运算规则 ( 2 - 6 ) 独立事件：如果某一事件的发生不影响另一事件发生的概率，则这个事件称 为独立事件。 如果有n 个事件是独立的，即每一事件的概率并不受其它事件的影响，则： p ( a ln a 2 n a ，n n a 。) = u p ( a )( 2 - 7 ) i = 1 实际工程应用中，只要打i 美耗躞卟大时，都假设为独立事件。但如果已知具 有定的相关性时，则必须在评估中将相关性考虑进去，事件独立性的假设可能 导致可靠性的偏高估计。 五斥事件：如果两个事件不可能同时发生，则称它们是互斥，或称不相交事 件，因此有： p ( a + b ) = p ( a ) + p ( b )( 2 - 8 ) 对立事件：如果一个事件的两种可能结果中，一种结果不发生时，另一种结 果就必然发生，则称它们是对立事件。即： p ( a ) + p ( b ) = 1 或p ( b ) = p ( a )( 2 - 9 ) 显然对立事件必然是互斥事件，但互斥事件不一定是对立事件。 条件事件：是一些在另一个或几个事件发生的条件下发生的事件。如果研究 事件b 发生的条件下事件a 发生的概率，则将其记为p ( a i b ) ，称为“给定b 发 生时a 发生的条件概率”。即： p ( a i b ) = 等裂鬻筹= 等p ( b 皿 口可能发生的方式数) ” 全概率公式：根据条件概率的概念，可以推广到事件a 的发生与若干互斥事 件b ，相关的情形： | p ( a ) = e p ( a i e ) r j p ( 辟) ( 2 1 1 ) f _ j 重庆人学一e 程硕十论文2 可靠性基础理论 2 4 概率分布 在实际工程应用中，可靠性评估往往需要通过收集试验或现场的运行汜录来 收集足够的数据。这样的数据不可能得到单一的准确概率值，而只能是可能的取 值范围。这些数值或事件通常是带有偶然性，因此时间的参数是一个随时闻或空 间变化的变量，可以用概率分布来描述这种离散或连续的随机变量。 2 4 1 分布函数 对于一特定的事件，如一个给定的实数x ，随机变量l x ，这个事件出现的 概率是x 的函数，记为： f ( x ) = p ( 善 x ) 这罩f ( x ) 称为随机变量l 的概率分布函数 可以比较完整地描述某一随机现象的规律 ( i ) o 墨，( x ) 1 ， ( 2 ) ，( 一) = 0 ，( + 。) = l ( 一o o x 。且为常数 ( 2 2 2 ) 叫l o _ 。一。二曼 弘z s ， 1 3 重庆人学 ：程硕十论文 2 可靠性基础理论 指数分布的数学期望为 指数分布的方差为 m = e ( x 、= 1 1 五 占2 ：l 刀 1 4 f 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) 重庆火学 ：程硕士论文 3 高压配电网可靠性评估的模型和算法 3 高压配电网可靠性评估的模型和算法 电力系统主要由发电、输电和配电三部分子系统组成，而配电系统又可分为 高压、中压和低压配电系统，其中高压配电系统是主输电网与中压配电系统的桥 梁，其结构性能对电能的合理分配有很大的影响，它不仅牵涉到供电的可靠性， 也关系到电网建设的经济性。因此有必要对现运行的1 1 0 k v 3 5 k v 配电系统的可 靠性进行计算比较。 3 1 电力系统潮流计算 对于有个节点的电力网络，如果网络结构和网络元伴舞掺只知，则网络的 节点功率方程可以表示为： 鼻= u ，( c o s + 吃s i l l 岛) ( 3 一1 ) j q = u ，u ，( s i i l 岛+ & c o s a j # ) ( 3 - 2 ) j e 其中，l 为节点i 相连的节点集，g 。占。分别是节点导纳矩阵相应元素的实 部和虚部：以是节点i 的电压幅值，只，是支路蚵两端的电压相位差。 根据非线性方程组( 3 一i ) 、( 3 - 2 ) ，便可进行潮流计算。电力系统潮流计算可用 直流法和交流法。 3 1 1 牛顿一拉夫逊法 求解潮流，数学上就是求解用潮流方程表示的非线性代数方程组，因此，可 用数学上的逐次线性化的方法，即牛顿一拉夫逊法求解。 电力网络的节点功率方程可表示为如下形式： f i x ) = 0( 3 - 3 ) 给定x 的初值x o ，将( 3 - 3 ) 式进行一阶泰勒展丌，并用j 修正x o 而得到x 的新值， 则写成一般的表达式，有 ( 3 4 ) 其中，j = 筹为潮流雅可比( j a c o b i ) 矩阵。对于潮流收敛的情况，一“l 比 0 x 更接近于解点。 对于( 3 - 1 ) 、( 3 - 2 ) 式所示的极坐标系的潮流方程，雅可比矩阵是( 2 n r ) ( 2 n n 拶舻 ，+何 = i i 砖 重庆大学工程硕七论文3 高压配电网可靠性评估的模型和算法 - ，= 鲁= 一甾a 勉urox a p a q 。 l 。y“y i8 目7 舭7 n 行 n r 行 ( 3 - 5 ) 为使雅可比矩阵的各部分子矩阵具有公式一致的形式，常选 a u u 7 】- 【u li u l ，a u 2i u 2 ，a u i u ，雅可比矩阵写成： 睁 | | 彰 ( 3 6 ) 用极坐标量，有r 个p v 节点电压幅值给定，所以待求的状态变量减少r 个，雅 可比矩阵为( 2 n 一，) ( 2 n r ) i 喻。利用( 3 - 6 ) 式，并将( 3 - 】) 式和( 3 - 2 ) 式代入( 3 - 4 ) 式就可求出缸，7 二0 的新值。重复上述过程直至m a x k ) | s 为 止。 同样地可以得到直角坐标的牛顿拉夫逊算法。 3 1 2 快速解耦算法 电力系统潮流计算的快速解稍算法是以极坐标形式的牛顿潮流算法为基础， 计及高压电力系统的物理特性而简化得到的一种快速潮流算法。简单、快速、内 存节省以及较好的收敛性形成了快速解耦算法的突出优点。 目前通用的快速解耦潮流法的修正方程式为： 竺：b a of 3 - 7 1 垒垒：曰一u ( 3 - 8 ) 式中：有功功率偏差和无功功率偏差计算公式如下： 等= 万1 畔一u ，( g , j c o s + 岛s i l l 删 ( 3 - 9 ) 等= 击 g 一磊u ，( g o s i n 岛+ 岛c o s 巳) 】 b 和b 4 相应元素的计算公式如下： i = 12( ， 彤一击彤一丢彤2 丢击 一中行行 一 册 ” 游 重庆大学t 程硕士论文 3 高压配电网可靠性评估的模型和算法 彤= 一志= 岛肚讽+ 嘉稃x u 叫( 3 - 1 2 ) 其中：只5 、g 分别是节点j 的有功功率和无功功率注入量； n 为节点总数，m5 5p v 节点数，s 为平衡节点； b 为，l 一1 阶节点电纳矩阵，b 为h r - 1 阶节点电纳矩阵； 蛾及局。分别为节点导纳矩阵相应虚部，毋。为节点i 的总并联对地电纳 硒及硒为支路i - j 的电阻及电抗； 3 1 3 直流潮流模型 直流潮流模型又称线性化潮流模型。该模型同时采用k i r c h o f f 第一形第。中 律来表达系统有功潮流： 九一屹= 吃一= 只i n ( 3 - 1 3 ) t e 弓= ( 辞一q ) x ( 3 一1 4 ) 式( 3 - 1 3 ) 用以表达k i r c h o f f 第一定律，式( 3 1 4 ) 用表达k i r c h o f f 第二定律 即支路i - j 潮流等于端点f 、j 问电压的相角差只一0 ，除以支路电抗而。将式( 3 1 4 ) 代入式( 3 - 1 3 ) ，直流潮流模型通常可用下面更紧凑形式表达： b o = 名一匕= p( 3 - 1 5 ) 式中，b 为系统电纳矩阵，其非对角元素为b o = 一i i x ，对角元素为 e 。= 丁1 ，给定尸g 、p d ，由( 3 1 5 ) 求出口，再由( 3 1 4 ) 可求出支路潮流 j e n j 越nu 易。 3 2 可靠性评估的基本原理 3 2 1 串联系统分析 如果系统中的任何一个元件失效，便构成系统失效，这种系统称为串联系统。由n 个独立元似成的串联系统证常工作状态可表达为： s = 工ln 恐n 而n c l x n 以两个元件串联系统为例，其逻辑框图如图3 1 所示，其中x 为故障率，u 为修复 1 7 重庆大学工程硕士论文 3 高压配电网可靠性评估的模型和算法 时间。 母 图3 1 串联逻辑框图 f i g 3 1 l l l u s w i f i o n o f s e r i e s c o n n e c t e d t y p e 根据两个事件同时发生的概率计算规则可得： ! ! =兰! 竺! f 3 一1 6 ) 丑+ ， + 12 2 + 2 又因为此系统中任一元件故障，系统即失效，因此， s - l + 2 将以上两式整理可得： l r - = 卢， 苎j 生垒当j 垒生。 丑 半( 2 1 ) ( 3 - 1 7 ) 以 由上式可推广到r 1 个元件串联系统的计算公式 ( 3 - 1 8 ) f 3 - 2 0 ) ( 3 一1 9 ) u ，= 砒 ( 3 - 2 1 ) 其中，a 表示系统的有效度，以表示系统的故障率，雎表示系统的修复时间，u 。表示 系统的无效度。 t 接 t 接 静一豁 = 重庆大学 ：程硕士论文 3