（电力系统及其自动化专业论文）供电可靠性评估技术应用与研究.pdf

a b s t r a c t s u b s t a t i o n sf o r mt h ef o c a lp o i n ti nas y s t e mf o rt r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o no f e l e c t r i c a le n e r g y s u b s t a t i o n sm a i ne l e c t r i c a lc o n n e c t i o ni st h ei m p o r t a n tp a r to ft h e p o w e rs y s t e m i t sr e l i a b i l i t yp l a y sav i t a lr o l ei nt h et r a n s m i s s i o no f e n e r g y s u b s t a t i o nf a u l t sc a nl e a dt oo d e0 1 m o r et r a n s f o r m e r sf a u l t s ，o n eo rm o r e sp o w e r l i n e sl a c ko fp o w e rs u p p l y f a u l t sr e s u l t i nt h es h o r t a g eo fc a p a c i t yo fs y s t e ma n d c a u s ep o w e ri n t e r r u p t i o nt oc b s t o m c r s i ns o m ec o n d i t i o n s ，f a u l t sm a yb r a ga b o u t i n t e r l o c ko v e r l o a dr e a c t i o no re v e ns y s t e mo s c i l l a t i o na n dd a m a g et h es a f e t y o p e r a t i o no fw h o l es y s t e m s o ，q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fr e l i a b i l i t yo fm a i ne l e c t r i c a l c o n n e c t i o ni sa ni m p o r t a n tf i e l di nt h er e l i a b i l i t yr e s e a r c ho f p o w e rs y s t e m 1 1 l i sp a p e re v a l u a t e dt h et e l i a b i l i t yo fs u b s t a t i n n sm a i ne l e c t r i c a lc o n n e c t i o n , l i s t e dd e v i c em o d e l so fb r e a k e r s ，t r a n s m i s s i o nl i n e s ，t r a n s f o r m e r s , d i s c o n n e c t i o n s w i t c ha n db u sl i n e s a n dp r o p o s e da c c i d e n te n u m e r a t i v em e t h o db a s e do nm i n i m a l c u ts e t s a f t e re v a l u a t i n gt h er e l i a b i l i t yo fm a i ne l e c t r i c a lc o n n e c t i o no f2 2 0 k v s u b s t a t i o ni nj i n a nb yu s i n gs s r h t hp r o g r a m , w es e l e c t e d2 2 0 k vz h o n g s u o s u b s t a t i o na sas a m p l ea n ds u m m a r i z e df a c t o r sa f f e c t i n gs u b s t a t i o ns a f e t yo p e r a t i o n b yc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h e s er e s u l t s t h i sp r o g r a mp r o v e dt h ep r a c t i c a b i l i t ya n d b ea p p l i e dt om a k ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i sf o r2 2 0 k vs u b s t a t i o n si nj i n n n k e yw o r d s ：r e l h b i l i t ye v a l u a t i o n , m o d e l ，s s r h - t hp r o g r a m 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，也不包含为获得东南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了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：熟逝导师签名：之毖日期：立! ：丛 第一章概述 1 1 课题的意义及研究背景 变电站主接线是电力系统的重要组成部分，其可靠性对整个系统有巨大的影 响。变电站的主要任务是汇集和分配电能的功能，电气主接线是否具有足够的可 靠性直接关系着系统输电任务的完成。 变电站故障可能会导致一台变压器或多台变压器故障，一条或多条输电线失 去电源，从而直接引起系统的容量的缺额，迫使某些用户停电，在某些情况下还 会造成连锁过负荷效应或系统振荡，对整个系统的安全运行构成严重威胁。定量 分析主接线可靠性是电力系统可靠性研究的一个重要领域。 对于已经投运的变电站，为了保障其运行可靠性，需要综合考虑变电站电气 主接线形式、运行方式、一次设备计划检修、一次设备故障等等因素的影响。量 化的变电站可靠性分析可以提供以下信息： ( 1 ) 一次电气设备( 如主变压器、母线、进出线、断路器、隔离开关等) 故障和计划检修对变电站供电可靠性的影响； ( 2 ) 继电保护配置( 如主变压器失灵保护是否配置) 动作正确性对变电站 供电可靠性的影响； ( 3 ) 变电站电气主接线形式( 如单母线分段、双母线不分段、双母线单分 段、双母线双分段、双母线带旁路母线等) 和运行方式变化( 如母联开关和分段 开关的分合) 对供电可靠性的影响； ( 4 ) 在设备故障状态下变电站负荷转移后潮流重新分布的影响； ( 5 ) 搜索变电站供电可靠性的薄弱环节； ( 6 ) 提出提高变电站供电可靠性的措施。 本课题来源于济南供电公司供电可靠性评估技术应用与研究科技项目， 主要对济南供电公司下辖的2 2 0 k v 和1l o k v 变电站的进行可靠性评估，研究一 次设备、继电保护配置、主接线形式及运行方式变化等因素对供电可靠性的影响， 搜索变电站供电可靠性的薄弱环节，并提出提高变电站供电可靠性的措施。 第l 页 第一章概述 1 2 国内外研究现状 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能力的度量。电力系统可靠性评估目的是在电力系统的 规划、设计运行的全过程中，坚持系统的全面的可靠性定量评估机制，以提高电 力系统的效能，对可能出现的故障要进行故障分析，采取措施减少故障造成的影 响，对可靠性投资与相应带来的经济效益进行综合分析，以确定合理的可靠性水 平，并使电力系统的综合效益达到最佳【l 】。 对电力系统可靠性的研究，一般是将电力系统分成若干子系统分别进行的。 这一方面是因为近代电力系统规模十分庞大，把电力系统作为一个整体来进行可 靠性分析和计算，即使有大型计算机装置，仍然是不现实的。另一方面是因为各 子系统有不同的特点，其故障模式、可靠性指标以及分析方法各有不同。通常在 研究可靠性问题时把电力系统划分为发电系统、输电系统、配电系统、电气主接 线系统、发输电组合系统、继电保护系统等。这些主要子系统中使用的评估方法 及其完善程度均存在很大的差异。发电厂和变电所电气主接线可靠性是在组成主 接线系统的元件( 断路器、变压器、隔离开关、母线、线路、发电机) 可靠性的 指标已知和可靠性准则给定的条件下，评估整个主接线系统可靠性准则满足供电 点电力及期望电能量需求能力的度量。对变电站可靠性评估的研究主要包括可靠 性模型的研究和可靠性评估方法的研究。 1 2 1 变电站可靠性模型 对变电站主接线可靠性模型的研究，在国际上大约有3 0 多年的历史。1 9 7 0 年，在电力可靠性研究中引入了开关操作过程对输电系统可靠性的影响。1 9 7 1 年，e n d r e n y i 等人脚正式提出了断路器的三状态模型，从而使得主接线可靠性研 究正式成为电力系统可靠性研究的一个独立分支发展起来，这里的三状态指的是 正常运行状态、事故发生但尚未切除状态以及事故切除后的修复状态。这种基于 独立元件故障假设的三状态模型成为主接线可靠性研究的基础。随后，g r o v e 等 p 1 引入了a c t i v e ( 活动故障) 和p a s s i v e ( 非扩展故障) 故障的概念，将元件的故 障模式分析得更为细致。g u e r t i n 等1 4 1 考虑了常开元件得问题：s i n g h 等和 第2 页 第一章概述 , b i l l i n t o n 等引入了继电保护失效因素。b r a n d a o 考虑了变压器等过负荷的影响 1 5 。 1 9 8 8 年顾克提出了用相关事件得概率理论研究电气主接线可靠性得思想， 使得该领域得研究不断深入。为了解决主接线开关操作中的相关性和独立元件故 障假设之间的矛盾，以及实现通用性的计算方法，新的模型和研究方法仍在不断 出现。1 9 9 7 年，在分析了传统的三状态模型的缺陷后，b i l l i n t o n 提出了一种广 义的n + 2 模型 6 1 ，并在单独的发电厂可靠性评估算法中得到应用【刀。还出现了考 虑计划检修的四状态模型嘲。 1 2 2 变电站可靠性评估方法 电力系统可靠性评估方法主要有模拟s m ( s i m u l a t i o nm e t h o d ) 和解析法 a m ( a n a l y t i c a lm e t l i o d ) 两种【9 1 【1 0 】i l l 】。 1 ) 模拟法 模拟法是将系统中每个元件的概率参数在计算机上用相应的随机数表示，在 计算机上模拟系统实际情况按照对比模拟过程进行若干时间观察，估计所要求的 指标。模拟法主要是蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 模拟法，即称为随机模拟( r a n d o m s i m u l a t i o n ) 方法，它的基本思想是，为了求解数学、物理、工程技术以及生产 管理等方面的问题，首先建立一个概率模型和随机过程，以其参数为问题所求的 解，然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后 给出所求解的近似值，而解的精确度可用估计值的标准误差来表示。当系统的可 靠性过于复杂，难以建立可靠性预计的精确数学模型或模型太复杂而不便应用 时，可用随机模拟法近似计算出系统可靠性的预计值。其不足之处在于计算时间 与计算精度的紧密相关性，也就是说，为了获取精度较高的可靠性指标，往往需 要很长的计算时间，而且对于元件可靠性高、相互之间联系紧密的系统【1 习模拟 的精度不高。 2 1 解析法 解析法是根据电力系统元件的参数，建立系统的可靠性数学模型，通过数学 计算方法获得系统的各项指标。由于解析法采用的是严格的数学手段，计算结果 可信度高。解析法作为变电站可靠性研究的主要方法嘲还可以分为网络法和状态 第3 页 第一章慑述 空间法。网络法认为系统元件之间相互独立，元件可用( o ，1 ) 两状态模型来表 示，将系统实物图按系统故障判据和元件间的逻辑关系转换未逻辑方块图，然后 根据方块图和系统可靠性判据，求出由源点到汇点间的最小路集和最小割集，最 后根据最小路集和最小割集计算出系统的可靠性指标，它适合分析网络的连通 性，其特点是计算效率高，通用性强；但变电站元件的多状态模型难以简单地用 两状态模型来表示【1 2 1 ，故而其准确度不高。状态空间法建立在马尔可夫模型基础 上，它通过具体分析元件各个状态对系统的影响，列出所有的系统状态，确定状 态间的转移模式和转移率，按照系统故障判据将各种系统状态进行分类，然后针 对某一类系统状态计算出系统的可靠性指标。状态空间法更具有一般性和灵活 性，适合于分析元件多状态系统。但是如果使用状态穷举法，当系统规模达到一 定程度的时候，其计算和实现都比较困难。如果状态空间法中应用最小割集状态 可以简化系统故障概率和频率的计算，并大大简化故障后果分析的过程，目前较 多使用这种方法对变电站进行可靠性评估。 1 2 3 目前研究存在的问题 目前国内对变电站主接线可靠性的研究已经比较多1 1 3 - 2 2 1 ，但是还存在一些 不足。 在可靠性模型方面，传统三状态模型以及四状态模型都是基于设备相互独立 的模型，不是基于系统状态转移的模型，因而没有考虑变电站设备之间的影响， 而且它们没有考虑p a s s i v e 故障经过隔离开关操作进入检修状态，这样就很难考 虑旁路母线等备用设备的影响。n + 2 模型中较好的克服了上述的确定，但是其模 型过于复杂，需对其进行简化。 在可靠性计算方法方面，对于主接线可靠性分析，计算方法繁杂，有用全 概率公式的 2 3 1 ，有采用关联矩阵法的 2 4 1 ，有应用逻辑表格法的 2 2 1 或采用状 态空间法1 2 5 1 和f d 法 2 6 ，2 7 ，也有使用蒙特卡洛模拟法的 2 8 ，2 9 等等，或因 数学工具制约，或因系统规模过大，难以在计算机上实现通用化、程序化的 算法，为可靠性分析的实际应用带来一定的困难。 在考虑可靠性计算影响因素中，对于继电保护，特别是失灵保护、母差保护 的影响研究不多，而对于大型变电站，严重的故障事故往往都是保护故障引起的， 第4 页 第一章慨述 故而不考虑保护的影响，很难准确反映变电站整站运行的可靠性。而且对于设备 故障对变电站供电可靠率影响的研究还不多，通常取不同元件参数值计算系统的 可靠性指标，并做出曲线，然后分析系统指标随元件参数在一定范围内变化的情 况，这种方法的计算工作量非常大。 1 3 本文研究的主要内容 本文主要就变电站电气主接线可靠性进行评估，给出断路器、输电线路、变 压器、隔离开关、母线等在主接线可靠性评估中涉及的元件模型；提出了基于最 小割集算法的偶发事故枚举法；对济南地区2 2 0 k v 变电站主接线可靠性进行定性 分析，分别从供电可靠、调度灵活、扩展方便、加旁路母线可避免检修断路器时 造成短时停电四个方面具体分析了双母线接线形式的特点，应用s s r e t h 软件对 济南供电公司所辖的2 2 0 k v 变电站的电气主接线进行可靠性评估，并对济南地区 2 2 0 k v 变电站中内桥接线和单母线分段接线形式特点作了简单介绍。并选取中索 变电站为例，总结出影响变电站运行可靠性的因素，对计算结果进行比较分析， 验证了软件的实用性。并对济南供电公司所辖的2 2 0 k v 变电站进行综合分析。 第5 页 第二章变电站电气主接线可靠性评估计算 模型 2 1 基本理论与算法 电力系统可靠性的解析理论是沿着两个方向发展的，一个是网络方法，一个 是状态空间方法。网络方法偏重于研究系统是否连通，分析的效率较高，但其计 算结果中不包含连通的具体状态。状态空间法详细地分析系统各种可能的状态， 但计算比较复杂，随着系统元件数量的增加，系统复杂性增大，可计算性大大降 低。 当前国内外对主接线进行可靠性研究的方法主要是按网络方法进行的。这样 对于包括大量元件的主接线来说，分析计算比较简单，但分析结果可信度有限。 前面所述的各项研究都是沿着这条思路进行的。其共同特点是以出线的连通性作 为可靠性指标，其计算结果主要是出线连通( 或断开) 的概率和频率。而这样的 指标只能在一定程度上反映主接线的可靠性，不能全面地反映变电站的特性及其 对系统的影响。上述的研究都是在网络连通性基本模型的基础上，考虑各种变电 站的特性，对模型进行单项修正，希望逐步提高可靠性评估结果的可信度，使之 达到实际系统满意的程度。这种思路和方法在本研究中被采用，本研究正是在孝 感变电所电气主接线可靠性评估、贵州洪家渡水电站电气主接线可靠性评估和东 北、华北地区联网可靠性评估研究的基础上进行深入分析的。 下面就变电所电气主接线可靠性评估中的几个关键问题进行分析说明。 2 1 1 元件的可靠性模型 在进行主接线可靠性评估时，会涉及到很多种类的元件，例如变压器、断路 器、隔离开关、母线、电压互感器及电流互感器等。要精确地模拟这些元件有一 定的困难，其中又以断路器的结构复杂，需要考虑的因素很多。以下给出各类元 件的可靠性模型。 第6 页 第- - 覃变电所电气主接线司靠性评估计算模型 2 1 1 1 断路器的模型 一个正常闭合的断路器可能有7 种状态，分别为： n 正常状态； m 计划检修状态： m 强迫检修状态； f 误动状态； i 接地或绝缘故障状态； s t 拒动状态； r 故障后修复状态。 其空间状态图如图2 1 所示。 在实际应用中，这种复杂模型是不实用的，考虑到因素太多，使问题的复杂 性大大增加，因此，有必要将模型进行简化。 从故障后果的观点来看，可以把s t 状态和i 状态等效为s 状态，m 、f 和r 状态合并为r 状态。前者( s 状态) 将导致保护区内所有断路器跳闸，这是一种 相关故障；而后者( r 状态) 只有故障断路器自己跳闸。当需要考虑继电保护的 误动影响时，还必须进行修正。继电保护失效主要有两种情况： 误动即其保护区内无故障，保护动作： 拒动当保护区内有故障时，保护没有动作。 继电保护误动的效果与被保护断路器处于s 状态度后果一样，因此可以归到 一种状态中。继电保护拒动会引起升压站，开关站很多设备退出运行，导致严重 后果，这也是一种相关故障，其后果相当于在故障断路器的保护区内的断路器都 处于s 状态，从而导致下一级断路器跳闸，这种状态单独列出来，称为f 状态。 当s 状态和f 状态度操作时间可以忽略时，这两个状态可以合并入r 状态。 这样，最终得到三状态可靠性模型如图2 2 所示。其中为正常运行状态；r 为 故障修复状态；m 为计划检修状态； 为故障率：口r 为故障修复率； i i ，为计 划检修率；p 盯为计划检修修复率。 第7 页 第二章变电所电气主接线可靠性评估计算模型 圈五l 断路嚣的空闻状态固( 7 状态)田2 2 断路器的简化空间状态图( 3 状态) 需要指出的是，由于断路器是操作器件，和变压器、母线等“静态”设备的 运行特点有很大的不同，故障模式有多种形式，包括接地故障、操作过程中的故 障以及误动、拒动故障等等。而引起故障的原因不仅仅来自于设备本身的缺陷， 还和操作过程中的各种影响因素密切相关，北美的一些工程师称之为“隐式”故 障，即只有操作次数增多时，故障才暴露出来。深入的研究发现，断路器切除短 路电流的操作次数和额定工况下的倒闸操作次数的影响也是不同的。因此，断路 ( 1 ) 断路器的各个部件由于制造、安装等原因造成的本体故障； ( 2 ) 切断故障时的故障大电流对断路器的损坏造成的断路器故障； ( 3 ) 倒闸操作中的额定电流对断路器的磨损造成的断路器故障。 因此，实际系统中的断路器故障率需要根据所处位置不同、操作运行规律的 区别，在统计平均故障率的基础上进行修正。具体地说： 1 线路侧断路器 五= 卜+ 髟盯+ 玛( 卅? 泣。， 其中， 墨静态系数，一般取0 3 ； 墨切除短路系数，一般取o 4 ； l 平均线路长度，k m 。对我国5 0 0 k v 线路，平均长度取为18 7 第二章变电所电气土接线可菲性评估计算模型 墨操作系数，一般取0 3 ，啊为断路器每年的实际操作次数，糟， 为年平均操作次数，我国取为2 4 次年； 厶断路器统计平均故障率； 2 主变压器一机组侧断路器 五十+ 如醐0 。5 + 局0 。4 卜 旺2 ， 其中，墨、如、玛与前同； 三p 平均线路长度，k l n ： 砧- - - - 为水轮发电机组故障率； 厶主变故障率； 屯线路故障率，次，百公里年； 机组操作次数( 每年) ； 月，断路器平均操作次数( 每年) ； 3 母联断路器，分段断路器及联络变压器断路器故障率不乘修正系数，取砷。 2 1 1 2 输电线路、变压器、隔离开关的模型 输电线路、变压器都属于静态元件，其功能是从一点到另一点传输功率。它 们可以处于下列状态之一：正常运行状态、故障修复状态和计划检修状态。隔离 开关的可靠性模型与以上元件相似。这些类型的元件的状态转移模型可用图2 3 第9 页 第二章变电所电气主接线可靠性评估计算模塑 国2 3 输电线路、变压嚣，隔离开关的可靠性模型 其中为正常运行状态；r 为故障修复状态；肘为计划检修状态； 月为故 障率；p r 为故障修复率； 肘为计划检修率；掣! i ，为计划检修修复率。 2 1 1 3 母线的模型 无倒闸操作的母线，其可靠性模型与输电线路、变压器的模型类似，如图2 3 所示。对于有倒闸操作的母线( 双母线接线) 来说，模型如图2 4 ，参数与图2 1 类似，只是其中s 为开关切换状态，相应的， s ， a 的意义不同，没有拒动和 误动的因素，而且其中的s 为切换率，是切换时间的尽的倒数。 圈2 4 有倒闸操作的母线可靠性模型 第1 0 页 第二章变电所电气主接线可靠性评估 卜算模型 2 1 2 偶发事故枚举法和最小割集算法 2 1 2 1 偶发事故枚举法 电力系统中的元件数量是十分庞大的，如果按最简单的二态模型去考虑，那 么含n 个元件的系统总的状态数也将达到2 n 个。以某发电厂的一个半断路器接 线方式为例，包括母线、断路器、隔离开关等元件在内，其总数也有8 0 多个元 件，那么全系统的状态数将达到2 8 0 个，显然在计算系统可靠性指标时不可能对 所有的状态一一进行后果分析。 其实在系统的所有状态中，并不是所有状态都对系统的可靠性指标有影响， 有的状态下系统仍可以正常运行。有的状态出现的几率非常小。因此如果能事先 判断出哪一部分事件对可靠性起着较重要影响的话，那么就可以仅对这部分事件 ( 预想事故) 进行可靠性分析，这样将大大地节约计算时间，提高计算效率，同 时又能保证计算的精确性，这就是偶发事故枚举法的思想。 偶发事故枚举法包括选择偶发事件、分析偶发事件构成的系统状态、综合同 类可靠性指标三个主要步骤。在选择偶发事件时，主要选择故障概率大的偶发事 件，首先选择单重故障事件，然后选择双重故障事件，如有必要再分析三重故障 事件。 偶发事故枚举法的流程如图2 5 所示。 圈2 5 儡发事故枚举法的流程围 第1 1 页 第二章变电所电气主接线可靠件评估计算模型 2 1 2 2 最小剖集算法 在偶发事故枚举法中，偶发事故的选择往往是通过一定的分析算法( 如潮流 分析) ，得到一定的预想事故列表，并按照对系统的危害程度由大到小进行排序， 然后再进行事故的选择和评估。事故的选择有一个准则，那就是一阶停运事件不 能出现在二阶停运事件中，二阶停运事件不能出现在三阶停运事件中，以此类推。 对于发电厂电气主接线的可靠性评估，本论文对偶发事故的选择提出了一种 新的思路，即可以通过一定的拓扑分析程序，直接分析每条出线与源点的连接情 况，找出引发出线停电的事件，然后评估该事件发生时的可靠性指标，这就是最 小割集算法。它与连通性的思想有点类似。 在基于连通性的算法中，首先将主接线拓扑化，找出负荷点到源点的最小路， 然后结合一定的准则，求出系统正常工作的所有情况，也就是正常工作的通路集。 将通路集中所有通路不交化后，就可以得到系统正常工作的拓扑表达式。根据这 个表达式就可以分析出在给定的准则下，系统的可靠性指标。具体的算法可以参 考文献中的变电所电气主接线的可靠性评估。 最小割集算法也是通过拓扑分析，搜索出负荷点到源点的最小路，但并不去 求系统正常的情况，而是通过对这些最小路进行数学处理，得到影响负荷点到源 点的故障集合，从图论上理解，这个故障集合就是负荷点到源点的最小割集，它 与偶发事故枚举法中所提到的停运事故的特性有很好的相近之处，也就是低阶割 集事件不会出现在高阶割集事件中，而且这些事件就是偶发事故枚举法中提到的 对系统可靠性影响最大的停运事件组合。 同样给出了可靠性准则( 判据) 后，从故障集合中提取不满足该准则的停运 事件，通过对这些事件进行后果分析，就可以得到系统的可靠性指标。 基于最小割集法的偶发事故枚举法的流程如图2 6 所示。 第1 2 页 第二章变电所电气主接线可靠性评估计算模型 图2 6 基于量小割集法的偶发事故枚举法的漉程图 2 1 2 3 最小割集算法的基本实现 最小割集算法是发电厂电气主接线可靠性评估的一个核心部分，它的基本思 想就是通过将实物接线图转化为拓扑分析图，再分析负荷点到源点的连通情况。 以下这个例子给出了它的基本步骤。 图2 7 是一个典型的双母线接线，有2 条母线( 6 ，8 ) ，5 台断路器( 3 ，l l ， 1 6 ，1 9 ，2 6 ) ，2 台变压器( 2 3 ，3 0 ) ，1 4 个隔离开关，其中7 ，1 3 ，2 2 ，2 8 是常 开开关，故障时用来倒闸切换。l ，9 是源点，2 4 ，3 l 是负荷点，4 ，1 2 ，2 0 ，2 7 为结点。 6 8 ， r 厂一 ：瓣 j l 2 了。币5 1 ， - 由1 6 i 4 i 广 4 上i i 7 i 八1 i 图2 7 双母线接线示意图 第1 3 页 第二章变电所电气主接线可靠性评估计算模型 用支路形式描述图2 7 的电气接线图，如图2 8 所示，支路由元件组成，反 映了主接线的拓扑连接，如支路包括源点l ，元件2 、3 和结点4 ，支路包括 结点4 和元件5 、6 ，依此类推。 l 4 6 2 0 田2 8 拓扑分析图 推导负荷点2 4 到源点1 ，9 的最小割集可按如下步骤进行： ( 1 ) 搜索负荷点到源点所有的最小路，即源点到负荷点的通路，在该通路 中移去任一条支路，将导致负荷点到源点断开； ( 2 ) 用矩阵来描述最小路，行表示最小路，列表示支路号，1 表示最小路通 过该支路，0 表示不通过。负荷点2 4 的最小路矩阵如式2 3 所示； r ll000l10 0 1 ( 2 3 ) 【o olllllo o j ( 3 ) 式3 - 3 中如果某一列全为1 ，则该列对应的支路为一阶割集，如 ，； ( 4 ) 将式3 3 任两列进行逻辑加，如果结果列全为1 ，则这两列对应的支路 形成二阶割集，同时排除包含一阶割集支路的二阶割集。负荷点2 4 的二阶割集 有、，、，、，、，、，、： ( 5 ) 同理，可以求得三阶以上的割集，直到计算要求的割集阶数，割集的 最高阶数不大于最小路的条数。 用每条支路对应的元件替换割集中的支路，得到元件形式的最小割集。如支 路为一阶最小割集，则其对应元件6 和2 l 就是一阶最小割集。支路、为 二阶割集，则将各自对应的元件进行组合，如元件2 、1 0 ，2 、1 1 ，3 、1 0 和3 、 l l 就是二阶最小割集。 第1 4 页 9 屹 8 盯 札 第二章变电所电气主接线可嚣性评估计算模型 这些割集中的元件发生故障，就是在上一节中提到的停运事件。 2 1 2 4 运用稀疏矩阵技术的新型最小割集算法 传统的最小路集，割集法都采用搜索法，即先形成节点支路树，然后逐一搜索 最小路，再用反演法或对偶图方法求出最小割集。但这种搜索最小路的方法存在 一些局限性： 难以处理同时有单向支路和双向支路的混合有向网络； 难以处理母线这样的单节点元件； 一般只对单电源点单负荷点的系统进行分析，推广到多电源点多负荷点的系 统比较困难。 矩阵技术，尤其是稀疏矩阵技术，已经在电力系统分析中得到广泛的应用。 在可靠性计算中，矩阵技术同样具有良好的应用前景。 首先，节点支路关联矩阵包含了进行可靠性分析所需的整个系统的所有网络 拓扑信息，并且能够很好地解决双向支路元件的问题。 在节点支路关联矩阵中，双向支路元件复制为两条单向支路，分别写出它们 的节点支路关联向量。这样处理后，所有的支路元件的拓扑关系都能够在节点支 路关联矩阵中表达出来。 第二点，利用矩阵能够突破单电源点单负荷点的限制，易于推广到多电源点 多负荷点的分析。 在参考国内外一些可靠性专家的研究成果基础上，应用稀疏矩阵技术对传统 的搜索最小路的方法进行了改进。得到一种邻接终点矩阵方法。这种方法，通过 定义特殊的矩阵乘法规则，用矩阵的乘法运算完成了对最小路的搜索过程，计算 效率大大提高。 邻接终点矩阵算法描述如下： 设= ( 矿，d 是一个简单有向网络，其中矿= “，屹， 是节点集，e 是支 路集。 定义n 阶方阵4 = kj 为网络的邻接矩阵，其中 当v l 和_ 之间通过有向支路q _ 连接时，砖- = v i v ) ； 第1 5 页 第二章变电所电气主接线可靠忭：，估计算模型 i 蕾萱i i i 葺i | i i 1 ii 昌昌昌昌詈詈曩 当h 和之间没有支路连接，或f - ，时，口；= o 定义n 阶方阵足= k j 为网络的终点矩阵，其中 当和之间通过有向支路连接时，；h ； 当和之间没有支路连接，或，= k 时，；o 显然，矩阵4 包含了网络中所有长度为1 的路径，矩阵r 反映了网络中每条 支路的终点。 另外定义矩阵4 和r 之间的乘法运算“一，产生新矩阵4 = 【口三】 以的元素2 由下列法则得到： 2 = i j = l , 2 ，棚 ( 2 4 ) 其中，当口；= 一，= h 且b 、h 各不相同时砖+ = v 。v j v k ；当以= o 或= o 或h 至少与_ 、_ 中的一个相同时，瞄= o 。 不难看出，以的所有非零元素构成了网络的所有长度为2 的最小路。 类似地，可以计算得到以、以“，从而锝到了网络的任意节点之间的 所有长度的路径。 将4 、4 4 卜中对应位置( i j ) 的非零元素组合在一起，就得到从节点 i 到节点 的所有最小路。显然，在这种矩阵方法中，单电源点单负荷点的情况 和多电源点多负荷点的情况并没有太大的差别，只是多取几个非零元素集合而 已。 在上述的最小路计算中，并没有涉及单节点元件。在将最小路集转化为最小 割集时，就需要把单节点元件包括进来。对原来形成的节点支路关联矩阵进行增 广处理，添加单节点元件的节点元件关联向量，从而形成节点元件关联矩阵。其 中，单节点元件的节点元件关联向量只有元件所在节点对应位置的元素为l ，其 它都是0 元素。 根据得到的路集和节点元件关联矩阵，形成元件路集矩阵。每条路构成矩阵 的一行，该路中包含的元件对应位置的元素为l ，其它元素为0 。这样得到的元 件路集矩阵的每一列，就是该列对应的元件所存在的路的集合。若某- - 歹, j 是一向 量，则该元件就是系统的一阶割集；若某1 1 1 列相加得到一向量，则这m 个元件 第1 6 页 第二章变电所电气主接线可靠性评估计算模型 构成系统的m 阶割集。另外，若原始元件路集矩阵由各个出线点、电源点的路 集构成，就可以得到对应出线点、电源点的各阶割集。总之，利用元件路集矩阵 可以对任意的点或点集进行割集分析。 总结起来，这种矩阵方法进行最小路集，割集分析具有更大的灵活性和实用 性。而计算量与传统的最小路集割集方法相当或是更小。 2 1 3 割集可靠性分析和概率、频率的计算 通过直接分析主接线网络图，找出影响每一回线路停电的割集事件，然后分 析在该事件下的后果，得到该状态下的概率和频率。 故障的搜索方法如下：首先找到任一回出线到源点的最小割集，包括一阶割 集，二阶割集，三阶割集，也就是相应的一重故障、二重故障、三重故障，由于 3 重以上的故障发生的概率和频率都极小，因此不考虑。 对于割集，其可靠性指标按如下原则计算。 一重故障：故障率即为单个元件强迫停运的故障率，故障恢复时问也为单个 元件强迫停运的故障恢复时间；当然，如果存在备用设备，停电时间就是备用设 备投运的操作时间。 二重故障：应考虑强迫停运与计划检修停运重叠的情况。假设两个元件强迫 停运的故障率分别为： 、如，强迫停运故障恢复时间分别为：吒、r 2 ，计划检 修停运率分别为：丸。、九2 ，计划检修停运时间为l 、2 。则二重故障的持续 强迫停运故障率为： a ，= 五( ，l + r 2 ) ( 2 5 ) 二重故障的持续强迫停运时间为； l ：且 ( 2 6 ) + r 2 计划检修停运与持续强迫停运可能在以下两种情况之一重叠：元件1 已在检 修，元件2 强迫停运；元件2 已在检修。元件l 强迫停运。此时的等效停运率为： 五。= 丸。如+ 以2 2 ( 2 7 ) 等效的停运时间为： 第1 7 页 第二章变电所电气主接线可靠性评估计算模型 r _ 2 亡c 云每i 丸一如矗+ i 三i 丸： ：j q 8 ) 三重故障：也应考虑强迫停运与计划检修停运重叠的情况。由于在工程实际 中，不会同时对两个元件进行检修，因此只考虑两个元件强迫停运与另外一个元 件发生检修停运的重叠。计算方法和公式与二重故障类似，只须将两个强迫停运 元件首先进行等效为一个强迫停运元件，代入式( 2 5 ) 一( 2 8 ) 即可。 以上仅限于割集类型，由于在升压站开关站的实际操作过程中，元件之间是 关联的，也就是说当某一回路上的一个与母线相连的元件故障，为了将其隔离， 必须将母线停电，这时必须断开所有与母线相连的断路器，这必然会影响到其它 回路，此时的动作断路器所在的非故障回路的停运时间是从发生故障起，直到故 障隔离并实现该支路重合闸这一段倒闸操作时间。为了考虑这种类型的故障，程 序中读入关于各个断路器相关的故障信息，然后在割集故障的基础上，开发了一 套算法检索出此类故障。在计算此类故障的故障停运时间时，应该用倒闸操作时 间，而不是元件的修复时间。 在实际的升压站开关站主接线中，常常接有一些常开隔离刀闸，例如双母线 接线方式。在此类接线中，必须考虑常开隔离开关对故障的影响，虽然它不会影 响到故障率的大小，但对故障的恢复时间有很大的影响，为了考虑这种情况，程 序中通过读入了关于各个常开，常闭隔离开关组的信息，在故障后果分析中考虑 了其对故障恢复时间的影响。 在求出任一回线路的故障事件后，根据相应的可靠性判据，求出在此类判据 下或导致系统故障的各重故障事件，程序中开发了在5 种判据下和系统故障情况 下检索相应故障事件的算法。 在求出了对应于各种故障判据下的各重故障的故障率和故障恢复时间后，就 可以求得这种判据下的故障率五( 次侔) 、故障停电平均持续时间d ( 小时次) 、 可用率a 、年停电的平均时闻u ( 小时，年) 、停电频率五( 次，年) ，并可求得系 统的损失电能，即期望不可供电量。各个指标的含义如下； 故障率丑是指系统在时刻t 以前正常工作，在t 以后单位时间( 年) 内 发生故障的条件概率密度，单位：次年； 第1 8 页 第二辜变电所电气主接线可靠性i 甲估计算模型 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i _ 宣- _ 皇- _ i _ _ i i i _ i i i _ _ _ | _ i _ 嗣一i i 故障平均停电持续时间d 是指发生一次故障的平均停电持续时间，单位 为小时，次； 可用率( a ) 是指系统处于可用状态的概率，1 4 即停电概率： 年停电的平均时间( u ) 是指系统一年中发生全所故障的期望平均停电 持续时间，单位为小时； 停电频率( z ) 是指系统一年内发生停电故障的平均次数，单位是次， 年； 期望故障受阻电力( e f n s ) 是指系统一年种由于发生停电故障而无法送 出的电量的期望值，单位：m w 年； 期望故障受阻电能( e e n s ) 是指系统一年中由于发生停电故障而无法送 出的电能的期望值，单位：m w h 年；期望受阻电量、电能的计算是通过 统计全厂所有引起电量损失的故障事件的故障持续时间和损失电量来得 到。 2 1 4 常开隔离开关的处理 前面已经提到，当某些元件故障时，会引起故障元件的主保护动作及断路器 跳闸，从而引起其他非故障元件和分支线退出运行，此后故障元件被隔离，保护 断路器重合，我们将这种元件故障模式称为断路器主动性故障( a c t i v ef a i l u r e ) 为了求得这种情况下的故障事件，首先形成断路器相关故障矩阵，再根据已求得 的最小割集事件，搜索出与断路器有关的最小割集故障事件，然后引入断路器相 关故障矩阵，得到所有此类故障事件。 由于常开开关并不影响升压站开关站的电气主接线的正常工作，因此在计算 主接线的割集故障时，并不考虑常开开关，在网络图上常开开关与主接线是不相 连的。当发生故障时，常开开关可以将负荷转移，从而影响到了故障持续时间。 本研究中将常开开关的正常工况下的状态以及切除故障转移负荷的时间等信息 保留在相应的数据库记录中，在得到了所有的割集故障之后，分析各个故障有无 通过常开开关恢复的可能，如有可能，则用故障后的切换时间替换故障元件的修 第1 9 页 第二章变电所电气主接线可靠性评估计算模型 复时间作为故障停运时间。 2 2 运行可靠性分析与规划可靠性的联系与区别 2 2 1 厂站的运行可靠性 厂站的运行可靠性是对影响厂站运行效能的诸多因素的定量分析和评价。其 分析目标是揭示影响厂站运行的各种有利或不利的因素的作用规律，从而指导厂 站的可靠运行。显然，厂站的设备状况、运行功能要求、生产环境条件、运行管 理水平，都会对厂站的运行可靠性产生影响。运行可靠性的内容涵盖了上述四个 方面的可靠性分析，但并非四者的简单组合。厂站运行可靠性具有以下特点： ( 1 ) 电源点是具体的发电机和输入线路。在电网可靠性分析中，厂站往往 作为一个整体等值为一个电源点。在发电厂的运行可靠性分析中，这样的等值就 过于粗略了，必须针对每台发电机建立详细的可靠性模型。而在变电站中，需要 考虑各个电源输入线路的运行方式变化带来的电源波动的可靠性模型的影响。 ( 2 ) 发电机可靠性模型必须考虑容量约束。在电网可靠性分析，以及主接 线可靠性分析中，由于分析目标的重点是放在对网络送电能力的评价，往往可以 采用发电机组绝对可靠，系统电源容量足够大等假设条件。但在厂站运行可靠性 分析中，除了讨论主接线网络的送电能力外，还必须对各台发电机的实际发电能 力进行考核，因此发电机的可靠性模型不能采用简单的理想模型，而必须考虑到 容量约束。 ( 3 ) 元件采用多状态可靠性模型。厂站设备在运行中是相互关联的，而且 运行工况复杂，因此，简单的“工作故障”双状态模型不能用来分析厂站的运 行可靠性问题，而必须采用多状态模型。 ( 4 ) 对多种运行方式的综合分析。厂站的运行条件是多变的，设备的运行 工况也随之而变。因此，不能在仅仅对某一选定运行工况条件下的可靠性进行计 算分析的基础上就对厂站的运行性能做出评价。理论上，应该对所有可能的厂站 运行工况进行遍历分析，才能得出对厂站运行可靠性的全面正确评价。然而，这 样会带来计算复杂性问题。因此，抽取厂站的若干种典型运行工况进行综合分析 来评价厂站的性能，在满足实际应用的准确度要求的前提夏实施合理的简化措 第2 0 页 第- - 章变电所电气主接线可靠性评估计算模型 篪，是一种有效的工程计算方法。 2 2 2 厂站的规划可靠性 运行可靠性的分析主要是对厂站运行水平进行评价，而规划可靠性则重在探 讨电厂，变电站的生产流程的合理布置。由于分析目标的差异，两者的可靠性计 算和分析的侧重点是不同的。 规划可靠性研究厂站主接线是从方案结构角度进行的，主要用于多种备选方 案的选优。因此，允许在相同给定条件下，采取适当的简化手段进行分析，以便 于相对比较。由于这种计算分析中没有考虑各种实际的运行条件( 事实上在规划 阶段某些运行条件也是无法事先确定的) 。往往是一种预测性的评估。 运行可靠性也研究厂站的主接线，但这种分析是以设备运行状态为基础，分 析电厂的各种运行方式的功能。对影响到运行性能的各种环境条件和其他因素， 都要尽可能地纳入分析当中。 第2 l 页 第三章s s r e - - t h 软件简介 3 1 软件功能 s s r e - - t h ( s t a t i o na n ds u b s t a t i o nr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n - t s i n g h u au n i v e r s i t y ) 是由清华大学电机系开发的用于发电厂，变电所电气主接线可靠性的评估软件。 该软件能够对变电站及变电所的各种电气主接线方案进行可靠性及经济性评估； 同时，通过计算条件的改变，也能够对变电站的电气主接线进行可靠性及经济性 评估。这样，大大提高了软件的使