（电气工程专业论文）配电系统可靠性评估模拟方法研究.pdf

山东大学硕士学位论文 中文摘要 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，向用户提供电 能和分配电能的重要环节，其对用户供电质量和供电可靠性的影响也最为直接。 同时，配电系统的可靠性越来越为人们所重视。整个电力系统对用户的供电能力 和质量都必须通过配电系统来体现，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。进行配电系统可靠性研究在保证供电质量、促进 和改善电力工业生产技术和管理、提高电力企业经济效益和社会效益，进行配电 网络建设和改造上均有着重要的作用。 目前，中高压配电系统可靠性的评估方法已经有了不少成果，其统计采用完 全统计的方法；而量大面广的低压配电系统可靠性评估方法研究相对不足。众所 周知，低压配电系统的可靠性将直接影响最终用户的可靠性水平，可靠性评估向 低压配电系统延伸，是供电可靠性发展的必然趋势，因此对低压配电系统可靠性 模拟方法进行研究，具有理论和实际应用价值。 本文研究工作主要包括以下内容： 1 、系统地介绍了配电系统可靠性分析的基本概念，采用数学模型法分别建立 可靠性评估元件模型和系统模型，并给出各种模型的计算公式。介绍了配电系统 的可靠性指标以及配电系统可靠性评估的方法。 2 、研究设备故障次数及其修复时间长短所服从的分布，并根据元件故障及 修复时间服从的概率分布，提出了针对低压配电系统的基于概率分布的元件故障 及其修复时间的模拟算法。该算法概念清晰，实施方便，对模拟系统的规模没有 特殊要求，模拟算法的计算量主要取决于不同区域的故障概率，故障率高的地方 需要的计算量相对大，同时配电系统的规模大小也会影响计算量，规模越大，故 障发生的绝对次数也相应增加。用该算法可以方便地根据不同区域的可靠性历史 运行数据，进行模拟。 3 、根据提出的元件故障及修复时间的模拟算法，研究利用计算机进行算法 实现，在计算机中实现了实际低压配电系统的模拟算例。 4 、简要介绍了低压配电系统可靠性概率统计方法，并用实现的模拟算例对 概率统计方法进行了验证。 5 、通过分析影响系统可靠性的因素，提出可以从技术措施和管理措施两大 山东大学硕士学位论文 方面来提高系统供电可靠性，并提供了一些具体的做法。 关键词：低压配电系统；可靠性评估；故障模拟：故障修复时间模拟；可靠 性概率统计 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o ns y s t e mi sa tt h ee n do fp o w e rg r i da n di ti sa ni m p o r t a n tp a r t c o n n e c t i n gp o w e rs y s t e mw i t ht h ee n du s e r s ，s u p p l y i n ga n dd i s t r i b u t i n ge l e c t r i cp o w e r t ot h eu s e r s i tg i v e st h em o s td i r e c ta f f e c t st ot h eq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fp o w e r s u p p l yt ot h eu s e r s ，a n dt h er e l i a b i l i t yo fp o w e rs u p p l yh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r e a t t e n t i o n p o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mw i l lr e f l e c tt h ep o w e rs u p p l yc a p a c i 够o fp o w e r s u p p l ye n t e r p r i s ea n dp o w e rs u p p l yq u a l i t y n l e i n d e xo fr e l i a b i l i t yo fp o w e r d i s t r i b u t i o ns y s t e mi st h ec o m p r e h e n s i v ee m b o d i m e n to ft h es t r u c t u r ea n do p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m s t u d yo fd i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y c a nm a k eas i g n i f i c a n tf u n c t i o nt og u a r a n t e eh i g hq u a l i t ys e r v i c eo fp o w e rs u p p l y , i m p r o v et 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 , p r o m o t et h ee c o n o m i c a l a n ds o c i a lb e n e f i t a sw e l la se x e c u t et h ec o n s t r u c t i o na n du p g r a d eo fp o w e r d i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h et h e s i sm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t 1 t h et h e s i sm a k e ss y s t e m a t i ci n t r o d u c t i o no nt h eb a s i cc o n c e p to ft h e d i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y i ta p p l i e sm a t h e m a t i c a lm o d e la n a l y z i n gm e t h o db y b u i l d i n gu pt h ee l e m e n ta n ds y s t e mr e l i a b i l i t ym o d e l ，a n dp r o v i d e sr e l a t e dc a l c u l a t i o n f o r m u l a s t h e nt h er e l i a b i l i t yi n d i c e sa n dr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o na l g o r i t h ma r e p r o v i d e d 2 n 圮s i m u l a t i o na l g o r i t h mo fe l e m e n tf a i l u r ea n dr e s t o r et i m ef o rt h e l o w - v o l t a g ep o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m i s p r o p o s e di n t h i st h e s i s ，s t u d y i n gt h e p r o b a b i l i s t i cd i s t r i b u t i o no fe q u i p m e n tf a i l u r ea n dr e s t o r et i m e t h ec o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e da n dr e a l i z e df o rf a i l u r es i m u l a t i o n t h ea l g o r i t h mi s o fc l e a rc o n c e p t , e a s yi m p l e m e n t a t i o n a n dl e s sr e q u i r e m e n tt ot h es c a l eo ft h e s i m u l a t i o ns y s t e m t h ea m o u n to fc a l c u l a t i o nw o r k so fs i m u l a t i o na l g o r i t h mm a i n l y d e p e n d so nt h ef a i l u r ep r o b a b i l i t yi nv a r i o u sa r e a s w h e r ef a i l u r eo c c u r sf r e q u e n t l y n e e d sl a r g e ra m o u n to fc a l c u l a t i o n f u r t h e r m o r e ，t h es c a l eo fd i s t r i b u t i o ns y s t e ma l s o i n f l u e n c e st h ea m o u n to fc a l c u l a t i o n l a r g e rs c a l ec a u s eb i g g e ra b s o l u t et i m eo f s y s t e mf a i l u r e t h j sa l g o r i t h mc a nb eu s e df o rs i m u l a t i o nt h r o u g hr e l i a b l eh i s t o r i c a l o p e r a t i o nd a t af r o md i f f e r e n ta r e a s 3 n er e a l i z a t i o no fa l g o r i t h mb a s e do nc o m p u t e ri si n v e s t i g a t e da c c o r d i n gt ot h e e l e m e n tf a i l u r ea n ds i m u l a t i o na l g o r i t h mo fr e s t o r et i m e ，a n dt h es i m u l a t i o na l g o r i t h m e x a m p l eb a s e do nc o m p u t e rf o rt h er e a ll o wv o l t a g ep o w e rd i s t r i b u t i o ns y s t e mi s r e a l i z e d 4 b r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ea p p l i e dc o m p u t e r i z e ds i m u l a t i o ns y s t e mo ft h e l o w - v o l t a g ed i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t yi sm a d ei nt h i st h e s i s 5 t h r o u g ha n a l y z i n gt h ef a c t o rw h i c ha f f e c t st h es y s t e mr e l i a b i l i t y , s o m ed e t a i l e d a p p r o a c h e s a r ep r e s e n t e dt oi m p r o v et h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y , w h i c hi s c l a s s i f i e di n t ot e c h n o l o g ya n dm a n a g e m e n tm e a s u r e k e y w o r d s ：l o w - v o l t a g ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，e v a l u a t i o n o fr e l i a b i l i t y , f a i l u r e s i m u l a t i o n ，r e s t o r et i m es i m u l a t i o n v 山东大学硕士学位论文 符号说明 一元件正常运行状态 m 一元件计划检修停运状态 f 一元件故障停运状态 一元件计划检修率 砧一元件故障率 一元件计划检修修复率 如元件故障修复率 一正常天气的期望持续时间； s 一恶劣天气的期望持续时间； 屯一恶劣天气时元件的故障率； a z 一正常天气时元件的故障率； 0 一等效故障率 0 平均停电持续时间 一年平均停电时间 尸一为元件年平均故障率 f 一统计时段内故障次数 u 一使用总台数 】，一统计年数 一元件的修复时间 一元件修复率 打豫一元件的平均修复时间 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：邋 日 期：兰! ! 壁：三：! 壁 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者答名：堡盈导师签名：盟日 期：塑堕三! 仝 山东大学硕士学位论文 1 1 引言 1 综述 电力系统是生产、输送、分配、消费电能的统一整体。它分为发电系统、输电系统、 配电系统和用户四大部分。电力系统可靠性是指电力系统按可接受的质量标准和所需 数量不问断地向电力用户供应电力和电能量的能力的量度，包括充裕度和安全性两个方 面。电力系统可靠性又可分为发电系统可靠性、发输电系统可靠性、输电系统可靠性、 配电系统可靠性和发电厂变电所电气主接线可靠性心1 。 配电系统通常包括配电变电站、一次配电线路( 馈电线路) 、配电变压器、二次配电 线路、继电保护设施等，是连接发、输电系统与用户的重要环节口，。据不完全统计，用 户停电故障中8 0 以上是由配电系统故障引起的，它对用户供电可靠性的影响也最大。 配电系统可靠性是电力可靠性管理的一项重要内容，直接体现供电系统对客户的供电能 力和供电质量，反映了电力工业对国民经济电能需求的满足程度，是供电系统用电管理 和生产运行、规划、设计、施工、设备选型、供电服务等方面质量和管理水平的综合体 现。 目前，我国电力工业正在进行公司化改组，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，向商业化运营和法制化管理发展，即推行“两个根本性转 变”，构筑与社会主义市场经济相适应的、以资本和电网调度为纽带的新的管理体制。 随着电力部门的体制改革和电力市场的开放，电力企业的经营和管理策略也逐步从生产 管理转移到面向用户、以用户为中心上来。因此，电力企业必须重视配电系统持续供电 的能力，重视用户的满意度，才能在优胜劣汰的市场竞争中求得生存与发展。 另外，随着信息化社会的到来和数字化经济的出现，以及人民生活水平的同益提高， 用户对供电可靠性的要求也越来越高。配电系统的充裕性和为用户的重要设备提供高质 量的电力的要求也受到高度的关注。近年来，国家电网公司已将供电可靠率指标列入供 电企业“双达标 、“创一流”的必备条件之一。在1 9 9 5 年版电业生产事故调查规程 中，用户供电可靠率也被列入供电安全考核项目之中。随着电力企业管理工作的不断发 展和深化，配电可靠性管理在生产管理工作中所占的位置也越来越重要，其不仅与提高 用户对企业的信任程度有关，而且与电力企业自身的发展也密不可分。 山东大学硕士学位论文 进行配电系统可靠性研究在保证供电质量、促进和改善电力工业生产技术和管理、 提高电力企业经济效益和社会效益，进行配电网络建设和改造上均有着重要的作用。供 电可靠性指标作为创建一流电力企业指标体系的重要组成部分，集中体现了电网水平、 技术水平、电力企业的管理水平和向用户提供服务的水平，并已成为电网发展和用户服 务的重要评价指标。在电力市场化发达国家，可靠性己成为用户选择供电对象、竞价上 网及政府审批电价的主要参考因素。因此，进行配电系统可靠性研究已成为电力企业迫 切需要解决的问题。 配电系统可靠性工作的核心内容是可靠性指标的统计分析评价和可靠性的预测评估 两方面。前者是对已运行的配电系统及其设备进行历史的可靠性指标的统计分析评价， 是量度过去的行为；后者是为设计、规划和建设新的系统，或者扩大、改造和发展现有 系统供电能力而进行的预测评估，是预测未来的行为。可靠性统计分析评价是可靠性预 测评估的基础，也是配电系统及其设备产品质量管理的一个重要环节。不了解现有配电 系统及其设备可靠性的特性数据，要进行配电系统可靠性的统计分析评价，是相当困难 的，甚至是不可能的。反之，可靠性预测评估是可靠性统计分析的深化与发展，如果仅 进行可靠性的统计分析评价，而不进行可靠性的预测评估，就很难从根本上改善系统的 可靠性。因此，配电系统可靠性的评价就是对整个配电系统及其设备历史的和未来的综 合评价。 电力系统的可靠性统计和评估分为中高压系统可靠性和低压系统可靠性。目前，我 国开展的配电系统可靠性管理仅统计到中压用户，且中高压系统可靠性的评估方法已经 有了不少成果，其统计采用完全统计的方法；而量大面广的低压配电系统可靠性评估方 法研究相对不足。众所周知，低压配电系统的可靠性将直接影响最终用户的可靠性水平， 可靠性评估向低压配电系统延伸，是配电系统可靠性发展的必然趋势，因此对低压配电 系统可靠性模拟方法进行研究，具有理论和实际应用价值。 1 2 配电系统可靠性研究的特点和意义 配电系统处于电力系统末端，直接与用户相连，是包括发电、输变电和配电在内的 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。由于电力生产具有 发、供、用同时完成的特点，一旦配电系统或设备发生故障或进行检修、试验，往往就 会同时造成系统对用户供电的中断，直到配电系统及其设备的故障被排除或修复，恢复 2 山东大学硕士学位论文 到原来的完好状态，才能继续对用户供电。整个电力系统对用户的供电能力和质量都必 须通过配电系统来体现，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。 然而，在现代电力系统功能日臻完善的过程中，系统的结构日益复杂，系统所包含 的元件数量越来越多，自动化程度越来越高，而且系统不断向高电压、远距离和大容量 方向发展，因此由于系统元件出现的随机故障而引起的系统功能的部分甚至全部丧失， 给现代社会的正常生活带来的经济和社会损失也越来越巨大。2 0 世纪6 0 年代以来，许 多国家的大电网相继发生了重大的停电事故，引起大面积长时间的停电。尤其是2 0 0 3 年8 月1 4 日美国东部发生有史以来最大的停电事故，1 0 0 多个发电厂、几十条高压输电 线停运，损失负荷达6 1 8 g w ，停电持续时间为2 9 h ，波及美国和加拿大，受停电影响的 人口达5 0 0 0 万，经济损失达3 0 0 亿美元。这些停电事件不仅给国家造成了巨大的经济 损失，而且危及社会秩序，给整个社会带来很大的负面影响，同时也给从事电网规划和 运行的人员以极大的教训。为预防这些事故的发生，定量评价和改善电力系统可靠性的 研究工作开始得到重视。 配电系统可靠性研究具有以下几个特点： l 、由于电力生产具有发、供、用的同时性，且配电系统处于电力系统的末端，直接 与用户设备相连接，因此，配电系统的可靠性指标实际上是整个电力系统可靠性的综合 反映。 2 、配电系统是电力系统向用户供应电能和分配电能的最终环节，因此配电系统可靠 性研究必须以改善和提高配电系统对用户供电的能力和质量为目的。 3 、配电系统设备分散、点多面广，受外界环境和气候条件的影响极大。同一类型设 备的特性和状态，可能因安装和使用的位置和地区，负荷的性质和大小不同而有所不同。 因此，配电系统可靠性的研究必须从系统的观点出发，全面的、全过程的加以研究。 4 、配电系统的结构，设备的型号、规格、容量和数量的大小是随用户及负荷的增长 和变化而不断改变的，而且常因检修方式的不同而更换和改变。其系统和设备的特性数 据及指标必须通过较长时间的统计才能反映其统计的规律。 5 、配电设备是构成配电系统的基础，配电系统的可靠性取决于配电设备的特性及其 组合方式。但是配电系统的结构形式和运行方式是多种多样的，有放射式结构、环形及 网状结构以及多分割多联络的结构等。因此，设备故障有的可能直接对用户产生影响， 山东大学硕士学位论文 有的则可能不会产生影响。为了全面地反映和掌握设备和系统的特性，必须对配电设备 的特性数据进行连续地统计。 配电系统的可靠性研究对确保系统的安全，可靠运行有着重要的意义。主要表现在 以下几方面： l 、通过指标分析，能找出影响供电可靠率的主要因素，针对问题，从电网网架结构、 设备配置、设备及人员管理等方面提出相应的措施，保证向全部用户提供连续、高质 量的电能，使可靠性管理更科学、合理。对供电半径、馈线的分段数、用户数的分配、 变压器的容量配置等进行经济性分析，使可靠性管理在经济的前提下取得更大的效益。 还可以发现现状网络的薄弱环节，对停电事故进行全面重点分析，形成意见，反馈给相 关部门；发现一般规律性的问题，从而更好地指导生产实践，为网络优化及电网建设改 造提供依据。 2 、能调整传统的工作方法和方式，在管理内容、手段、措施等方面进一步的创新和 发展；可促进电力企业及相关行业的技术进步和科学管理水平的提高：是保证供电质量、 实现电力工业现代化的重要手段，可为城市电网规划、建设和改造提供决策依据，从而 产生巨大的社会效益和经济效益。 1 3 配电系统可靠性评估综述 配电系统可靠性是指直接向用户供给电能和分配电能的配电系统本身及其向用户供 电的可靠性心3 。配电系统可靠性主要包括以下3 方面的内容： ( 1 ) 设备本身的可靠性。必须使构成配电系统的各种设备处于正常完好状态，能充分 发挥其功能，具有较高的可靠性。 ( 2 ) 整个配电系统的设备可靠性。必须考虑把具有相当可靠性水平的设备组合起来， 并与其他系统相联系，构成容易实现一元化运行和维护的最佳网络。 ( 3 ) 配电系统运行的可靠性。必须把各种设备有机地结合起来，使之成为具有系统保 护和系统恢复能力、对任何事态都有自行处理能力的系统。 1 3 1 配电系统可靠性发展概述 可靠性是指一个元件，设备或系统在预定时间内，在规定的条件下完成规定功能的 概率，其实质是一个概率随机性问题畸1 。可靠性工程作为一项新兴的边缘学科，涉及元 件失效数据的统计，系统可靠性的定量评估，运行维护，可靠性与经济协调性等方面的 4 山东大学硕士学位论文 内容。六十年代中后期，随着电力工业的发展，可靠性理论逐步引入电力系统并得到了 广泛的应用。把可靠性的一般原理和方法与电力系统中的工程问题相结合，便形成了电 力系统可靠性这门新兴的应用学科。 电力系统可靠性的发展过程，与社会经济建设的发展有着密切的联系。最初运用概 率方法评估电力系统可靠性始于三十年代，w j l y m a n 和s m d e a n 等人对统计理论进行 研究，并将其运用于设备维修和备用容量确定等问题腩1 ，但由于种种原因，可靠性研究 在相当长时间内发展缓慢。直到六十年代，在世界范围内发生的几次大的电力系统停电 事故，造成了巨大的经济和社会损失，才引起了人们对可靠性研究的普遍重视，由此也 带来了可靠性研究工作的较大发展。 配电系统可靠性的研究晚于发电和输电系统的可靠性研究，这是由于发输电系统与 配电系统相比，设备比较集中，发电容量不足造成的停电给社会和环境带来的后果的严 重性和广泛性更容易引起人们的注意。国外对于配电系统供电可靠性评估的研究起步较 早，其早期研究以统计分析为主。加拿大早在上个世纪5 0 年代就开始研究供电的连续 性和可靠性问题，并于1 9 5 9 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m 3 ；英国也在上个世纪6 0 年代开始了配网可靠性方面的管理工作； 六十年代初，美国电气工程师协会( a i e e ) 组织了一个工业电气设备可靠性调查小组对 若干工业用户开展了电气设备事故的调查统计工作，开始了配电系统可靠性概率性定量 分析领域的研究。其它欧美国家和日本也在上个世纪7 0 年代开始全面展开了配电网可 靠性统计分析的工作。此后，四十年来世界各国普遍开展了配电系统可靠性的理论和应 用研究工作，注意和强调配电可靠性指标、评估方法、数据收集与积累、可靠性管理以 及经济性等多方面的协调，取得了大量成果，从而使配电网结构日趋合理。现在，供电 可靠性评估已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。目前，配电系统可靠 性的定量分析、评估，已在许多国家电力公司成为必须的常规性工作。 我国于二十世纪七十年代末，在一些高校和研究机构中开展了电力系统可靠性的研 究，并于1 9 8 5 年成立了电力可靠性管理中心，颁布了配电系统供电可靠性统计办法 5 山东大学硕士学位论文 ( 试行) ，开创了学术界与工程界良好的合作环境，并开拓了设备可靠性统计等基础 性工作领域。进入九十年代以来，国家对配电系统可靠性的研究更加重视，l o k v 用户供 电可靠性开始被列入供电安全考核项目中。通过对原管理办法进行多次修订，2 0 0 3 年6 月电力可靠性管理中心正式颁布了供电系统用户供电可靠性评价规程；2 0 0 7 年7 月编制了用户供电可靠性管理工作手册，对可靠性管理工作进行了详细规范，配电 系统可靠性的研究工作进一步得到发展。 1 3 2 基本方法 随着电力工业的发展，配电系统可靠性研究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，工程上普遍应用的可靠性分析常用的方 法为模拟法和解析法两大类。模拟法是指蒙特卡罗模拟法h 1 ，它以配电系统各元件的可 靠性数据为前提，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 果中汇总得出系统可靠性指标；也可采用抽样的办法进行状态选择，根据负荷、输配电 元件以及气候条件等的概率分布，用统计的办法计算出可靠性指标。因此模拟法是把过 程当作系统的真实实验来处理。采用该法的前提是描述系统运行状态的参数，如发电机， 输电线路的状态均服从一定的概率分布。计算时按参数的概率分布用随机抽样来选择参 数。假设每一状态、都存在与其相对应的事件概率尸( x ) ，设f ( x ) 是状态x 的一次试验。 试验结果的期望值应为： e ( f ) = 【f ( x ) 尸( x ) 】 ( 卜1 ) 而估计值为： e ( f ) _ - - z f = i f ( x i ) ( 1 2 ) 式中 e ( f ) 为实验函数f 的期望值的估计值； 胚为总的抽样次数；置是第f 次的状态抽样值； ，( 薯) 是对第f 次抽样值一的实验结果。 n s = 竺l ( 1 3 ) 陋e ( f ) 】2 式中v ( f ) 为实验函数f 的方差 6 山东大学硕士学位论文 由上式可知，蒙特卡洛模拟法的抽样次数( 计算量) 几乎与系统的规模或复杂程度无 关，因此用该法来处理各种复杂的因素是非常合适的，如发电机降额运行，共模故障事 件频率的求解等。由该式还可知，该方法的计算量与试验函数f 的方差成正比，而与估 计精度的平方成反比，所以在计算精度一定的情况下，提高计算速度的唯一途径就是减 小方差。 解析法是将元件或系统的寿命过程加以合理的理想化，并用一数学模型来描述这一 寿命过程，而后通过计算机运算程序求解，得出所要求的可靠性指标畸3 。利用解析法对 电力系统供电可靠性进行评估，是建立在元件的可靠性模型基础上的，通过系统故障状 态枚举法实现的。解析法主要有以下几种方法： 状态空间法啼3 是将系统用它的状态和期间可能发生的转移来表示，求解马尔可夫状 态方程，计算各状态的频率和持续时间，得到可靠性指标。 网络法陌3 是以配电系统拓扑结构为分析基础，包括网络等值法、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 ) 、故障遍历法等。这些传统的可靠悭 评估方法的计算和分析都是建立在元件可靠性原始参数的基础上，采用元件可靠性参数 来计算负荷点或系统可靠性指标。在实际计算中，一般采用统计的方法获得元件可靠性 参数。由于统计资料的不足或统计误差等原因可能造成原始参数的不确定性，当配电系 统规模较大时，这些以元件为单位的分析将变得十分复杂。 解析法和蒙特卡洛法二者各有优缺点和适用范围。 1 、解析法的主要优点是： 物理概念清楚； 模型精度高。 其主要不足在于： 计算量随着系统的增大而急剧增加； 不易处理多个负荷水平； 要求电力元件的状态概率呈指数分布； 不易求解频率指标等。 2 、蒙特卡洛法的主要优点是： 该方法属于统计试验方法，比较直观，易于被工程技术人员掌握和理解： 容易处理各种实际运行控制策略； 7 山东大学硕士学位论文 便于处理负荷的随机变化特性； 易于计及发电机降额运行状态； 易于处理系统按时间顺序进行的操作，如水库的容量，复杂相关的负荷模型等； 采样次数与系统的规模无关，在进行复杂系统的可靠性评估时更具有优越性。 其主要不足之处在于： 计算时间与计算所需的精度密切相关，为了获得足够的精度，抽样次数必须增加， 导致计算量增大，计算时间变长。 由两种方法的优缺点可知，它们的适用范围是不同的。当电力元件的数目较少且元 件的可靠性较高时，采用解析法可以充分发挥其物理概念清晰、计算精度高的优点；反 之，当系统的电力元件数目较多，且元件的可靠性较低时，宜采用蒙特卡洛模拟法。 近年来，在电力系统可靠性评估方面又取得了很大的进展。在元件建模方面，提出 了元件的多状态模型，给出了元件更确切的表述。在模拟法方面，提出了不同的模拟状 态分析模型，并逐步包括相关故障、共同模式故障、计划检修、运行方式的调整、负荷 水平变化、直流系统的影响、气候影响、一二次保护设备影响、拉闸限电及各种内外部 因素影响的可靠性计算评估的数学模型和算法。在研究方法方面，从传统的解析法和模 拟法发展到了混合法和基于专家数据库的统计评价法。在可靠性评估指标方面，从传统 单一的概率充分指标扩展到了概率安全性指标和电压评估指标等多种形式的评估指标。 在电力系统可靠性研究领域方面，其研究范围从供电充分性向安全稳定性，经济可靠性 和可靠性定价等方向发展。在评估模型精度方面，提出了可靠性评估的不确定性模型， 有效地计及了可靠性原始参数和负荷等的不确定性。在可靠性评估的作用方面，从以前 对系统规划和评价的度量尺度发展为对以可靠性为中心的检修和电力市场可靠性定价 的依据。 1 3 3 评估方法的改进算法 近年来，研究人员在模拟法和解析法这两种主要方法的基础上，结合配电系统的特 点，提出了许多新算法，在可靠性分析的建模、评估方法等方面进行了改进。 文献 5 采用区间评估法，应用区间理论，计算了由于元件和负荷参数的不确定性对 配电系统可靠性的影响。 文献 6 采用馈线分区法，建立一种区域网络模型，提出了基于区域模型的故障模式 后果分析法，减少了故障模式后果分析法中对网络元件逐一分析的工作量。根据自动隔 山东大学硕士学位论文 离装置和手动隔离装置在配电馈线中的位置，提出以馈线为单位，将网络划分为自动隔 离区和手动隔离区的馈线分区思想，并将馈线定义为区域节点和开关组成的区域网络模 型。 文献 7 基于故障扩散方法提出分块算法，首先给出邻接矩阵的构造方法，考虑中压 配电网常以树状运行的特点，利用稀疏技术存储邻接矩阵。在故障解析模拟时，利用故 障扩散搜索方法确定开关元件的动作，以块为单位代替单个元件进行分析，可避免对该 块中每一元素进行枚举，从而节省评估时间。 文献 9 采用的混合法是将复杂网络等值简化成简单的主馈线系统，然后对简化后的 主馈线系统利用模拟得到各负荷点的可靠性概率分布指标。用可靠度来计算系统在各种 容量状态的稳态概率指标，具有使用简便灵活，计算速度快等优点，可用于小型配电系 统的可靠性评估。但它没有较强的系统性，建立元件故障和系统处于各种容量状态之间 的概率关系十分繁琐，且难于处理状态之间的随机转移和多重故障等因素的影响。 文献 1 2 根据解析法中的故障枚举的原理，借鉴以“裕度概念为基础的配电系统 可靠度预测思想，推导出一套适合于大规模配电网可靠性评估的近似算法公式。该算法 考虑了转供和容量约束的影响，能适应各种架空和电缆网架结构的可靠性评估。 文献 1 3 提出的向量法是在传统解析法的基础上，吸取了网络等值法、最小路法及 故障模式后果分析法的思想提出的。该方法以构造负荷点供电“最小路馈线段行向量” 的方法，可方便地计算有子馈线、备用电源的复杂网络的可靠性指标。在最小路馈线段 行向量生成后，计算中不需再考虑网络结构，可简化计算。同时，还有助于方便地找出 配电网中的薄弱环节，处理配电网的能力大大提高。 文献 1 6 根据复杂配网特点，将网络分块，等效成简化网络模型，然后用最d , 害l j 集 法搜索故障，进行网络重构和潮流计算。该算法基于简化网络模型，可处理复杂的配电 系统，故障搜索效率高，且网络分块具有整体性并且可还原确定各元件对系统可靠性的 影响，发现系统中的薄弱环节。 近年来，人们又尝试将人工智能的方法引入到可靠性分析领域，出现了模糊可靠性 评估方法n 引。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依据。 9 山东大学硕士学位论文 文献 2 0 提出一种双层同构贝叶斯网络模型可靠性评估的方法。贝叶斯网络又称为 信度网，被认为是目前非精确知识表达与推理领域内最有效的理论模型。将贝叶斯网络 应用于可靠性评估，能较好地弥补传统各种评估方法的不足。该方法通过馈线分区和区 域故障模式后果分析构成贝叶斯网络，通过贝叶斯网络的正向推理评估负荷点及配电网 的可靠性，通过网络的反向推理进行假设分析，识别网络中的薄弱环节。文献 2 1 提出 了基于元件的最小状态割集建立多状态系统贝叶斯网络以实现配电系统可靠性评估。 目前在电力市场环境，可靠性问题最终必须与经济性联系起来才有说服力，即电能 供应商必须与提高或降低可靠性指标所付出的经济代价以寻求最佳平衡点。由此提出了 一些优化评估的思想。文献 2 2 提出了一种对配网进行评估的新指标一经济可靠性，不 仅反映了可靠性，也反映了电力系统的经济性，这对于提高电力系统的经济效益，具有 重要的意义。 1 4 配电系统可靠性统计方法综述 低压配电系统可靠性统计不同于中高压系统的可靠性统计方法，主要是配电系统用 户量大面广，可靠性采用完全统计投资将会很大，因此，仅对部分地区可靠性进行完全 统计进行试点。 1 4 1 、基于远程抄表实现对低压配电系统可靠性计算的完全统计方案 随着人们对配电系统在供电可靠性中地位的认识和大量的配电系统的投资，配电系 统的可靠性研究得到发展。在对低压供电系统用户的供电可靠性评价时，根据规程 中对低压用户可靠性指标的定义，可靠性指标的统计单位是以一个计量收费的用电单位 作为一个低压用户统计单位，因此，在一些对低压可靠性统计研究试点单位，结合“远 方实时抄表系统”的研制开发，将用户停电时间的自动纪录作为其中一项必备功能研制， 用户停电信息随同其它用电信息一并传送至供电局用电信息中心，经后台专用管理软件 加工成为可用数据，满足低压用户供电可靠性统计分析的需要。 1 4 2 、基于模型检验的低压可靠性概率统计模型评估方案 实现可靠性指标统计由中压用户向低压用户扩延，就是将可靠性统计的范围扩延到 由供电企业直接管理的低压用户。低压用户点多面广、数量众多，是可靠性统计的基本 单位，由于缺乏必要的统计数据和行之有效的分析方法，用常规的中高压用户可靠性统 计方法难以实现对低压的用户可靠性的统计；并且，低压用电系统一般为多级树型结构， 1 0 山东大学硕士学位论文 系统中元件可达4 - - 5 级，相应元件的故障统计分析数据量很大，目前，这方面的数据 几乎没有。另外，对低压用户可靠性统计来说，用户的停电时间是我们最终关心的目标， 而基于远程抄表系统的低压用户停电时间全部统计方案代价又相当大。鉴于上述原因， 有学者提出了基于模型检验的低压可靠性概率统计模型，根据对用户停电时间的随机抽 样结果，对整体用户的平均停电时间、以及低压供电可靠性进行估计。 概率统计评估结果： 点估计 用户平均停电时间x 的数学期望。 。区间估计 用户停电时间依一定置信度落入的区间范围。 置信度：用户停电时间x 落入相应区间的概率值。 1 5 本文主要工作 本文主要研究工作包括以下内容： l 、首先通过阅读中英文文献资料，对目前国内外配电系统可靠性评估的研究现状及 发展趋势进行了综述。 2 、系统地介绍了配电系统可靠性分析的基本概念，采用数学模型法分别建立可靠性 评估元件模型和系统模型，并给出各种模型的计算公式。介绍了配电系统的可靠性指标 以及配电系统可靠性评估的方法。 3 、在研究设备故障次数及其修复时间长短所服从的分布的基础上，根据元件故障及 修复时间服从的概率分布，提出了针对低压配电系统的基于概率分布的元件故障及其修 复时间的模拟算法，并利用计算机进行算法实现，在计算机中实现了实际系统的模拟算 例。该算法概念清晰，实施方便，对模拟系统的规模没有特殊要求，模拟算法的计算量 主要取决于不同区域的故障概率，故障率高的地方需要的计算量相对大，同时电力系统 的规模大小也会影响计算量，规模越大，故障发生的绝对次数也相应增加。用该算法可 以方便地根据不同区域的可靠性历史运行数据进行模拟。 4 、低压用户由于量大面广，如果采用完全统计方法，数据整理工作量太大，因此， 概率统计方法是其研究的方向。本文针对低压配电系统可靠性概率统计方法，对样本容 量投的选取进行了理论分析，并对可靠性的点估计及其区间估计计算公式，进行相应的 山东大学硕士学位论文 理论推导，在此基础上，利用所实现的模拟系统，用模拟算例对概率统计方法进行了验 证。 5 最后，通过分析影响系统可靠性的因素，提出从技术措施和管理措施两大方面来 提高系统供电可靠性，并提供了一些具体的做法。 1 2 山东大学硕士学位论文 2 配电系统可靠性评估的理论基础 配电系统可靠性( d i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y ) ，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量需求能力的度量。其实质就是研究直接向用户供给电能和分配电 能的配电系统本身，及其对用户供电能力的可靠性n 1 。配电系统直接与用户相连接，有 特殊的运行方式，一旦配电系统或设备发生故障或进行检修、试验，往往会同时造成对 用户供电的中断，直到故障排除或修复，系统被恢复到原来的完好状态，再继续供电。 因此，在研究配电系统可靠性时，不仅要考虑设备的可靠性，还必须考虑系统排除故障 的方式和恢复供电的能力。 配电系统的可靠性评估( d i s t r i b u t i o ns y s t e mr e li a b ili t ye v a l u a t i o n ) ，就是对 配电系统所用线路设备的供电可靠性作出评价，以此来判定该配电网供电可靠性的优 劣，并确定提高配电系统可靠性的技术措施和管理方法。 2 1 元件可靠性的数学模型 配电系统由各种配电设备组成，各种配电设备相对于配电系统称为元件。元件是系 统的基本单元，在可靠性评估中元件不可再分。配电系统的可靠性与组成系统元件的可 靠性以及系统的结构有关，所以研究配电系统可靠性时，一般把研究对象分为元件和系 统两类。数学模型法是可靠性评估的主要方法，在建立配电系统可靠性评估的数学模型 时，分为两个步骤：可靠性评估元件数学模型的建立和可靠性系统模型的建立。其中， 可靠性评估元件数学模型的建立是系统模型建立的基础和前提条件。 2 王1 元件的可靠性 配电系统由许多特有的元件所组成，例如，架空线、空气开关、调压器、配电变压 器、电缆、隔离开关、熔断器等。为了能够准确地分析可靠性，必须首先了解这些元件 的可靠性参数和元件特性。 根据元件的使用情况，一般可将其分为两大类：不可修复元件和可修复元件1 。不 可修复元件是指元件投入使用后，一旦损坏，在技术上就无法修复，或者即便能修复， 在经济上也十分不经济；这类元件的特点是只要注意它从投入使用到首次故障为止的寿 命过程。可修复元件是指元件在投入使用后，如果损坏，仍能修复并可修复到原有的功 山东大学硕士学位