（电力系统及其自动化专业论文）配电网各种接线模式的可靠性与经济性研究.pdf

摘要 目前社会经济的发展对城市配网的可靠性要求越来越高，因此要求对配电 可靠性指标有清晰的描述。本文是在对国内外配电网接线模式进行深入研究的 基础上，针对我国环网接线、开环运行的供电方式，提出了一种将分层算法、网络 等值法和故障模式影响分析法相结合的配电系统实用可靠性评估方法，可对城市配 电网改造提供参考意见。采用分层技术，使电网结构清晰、明了；采用网络等值法， 对于实际复杂网络具有一定的适用性；采用故障模式后果分析法，充分考虑了元件 对系统可靠性的影响。 关键词：接线模式，可靠性，网络等值，分层算法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c ia le c o n o m y , t h er e q u i r e m e n tt od i s t r i b u t i o ns y s t e m i r iu r b a nh a sb e e nm o r ea n dm o r ev i g o r o u s ，i ti sn e c e s s a r yt or e p r e s e n tt h ei n d e xo f 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 yc l e a r l y t h i sp a p e rb a s e so nt h ed e e pr e s e a r c ht o c o n n e c t i o nm o d eo fd o m e s t i ca n do v e r s e a sd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，a i ma tt h ew a yo f p o w e rs u p p l yo fl o o p i n gg r i da n do p e nl o o p i n go p e r a t i o ni nc o u n t r y , t h ew r i t e rp u t f o r w a r dan e wr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm e t h o dt h a tc o m b i n e st h es t r a t i f i c a t i o n a l g o r i t h mw i t he q u i v a l e n c eo ft h en e t w o r ka n df a i l u r em o d ee n d i n ga n a l y s i sm e t h o d ， w h i c hc a ng i v es o m ea d v i c et ot h em o d i f i c a t i o no fd i s t r i b u t i o ns y s t e mi nu r b a n i ti s u s e f u lt ot h ep r a c t i c a lc o m p l i c a t e dp o w e rg r i dw i t he q u i v a l e n c eo ft h en e t w o r k m e t h o d t h ei n f l u e n c et ot h er e l i a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e mh a s b e e nc o n s i d e r e d f u l l yw i t ht h ef a u l tm o d ee n d i n ga n a l y s i sm e t h o d z o uc h u n y a n ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s ：c o n n e c t i o nm o d e ，r e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m ，e q u i v a l e n c e o ft h en e t w o r k ，s t r a t i “c a t i o na l g o r i t h m p 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网各种接线模式的可靠性与经济 性研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和 取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学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了谢意。 学位论文作者签名： 鲤盘逸 e l期：沪护。；。7 0 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：垒查垫 e t 期： 2 艘壁：主。f 口 导师签名： 日 期： 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 配电系统可靠性研究的意义 配电系统可靠性评估是配网规划研究的前提，同时也是电力系统可靠性研究的 重要内容。在相当长的一段时间里，电力系统的可靠性研究主要侧重于发电系统可 靠性或者以发电和输电组成的大电力系统可靠性，相比之下，配电系统的可靠性研 究远未得到应有的重视。其主要原因是发电系统的设备与配电系统相比，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给社会及环境带 来的后果的严重性和广泛性容易引起人们的注意。但随着经济技术的发展，人民生 活质量的不断提高，用户对供电可靠性的要求越来越高，因此迫切需要对城市电网 进行合理的改造，配电系统的可靠性研究开始引起了人们的重视。 配电系统处于电力系统的末端，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，是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、用同时性的特点，一旦配电系统设备发生故障或进行检修，就会同时造成整个 系统对用户供电的中断。因此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。而且配电网大多采用环形设计，开环呈放射式的运行方式， 对单故障比较敏感，因此故障发生率也较高。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故障引起的，也就是说配电系统对用户供电可靠性 的影响最大。随着电力系统市场化改革进一步深入，配电系统的故障给用户造成的 经济损失以及给社会带来的损失必将成为左右电价的重要因素【i 】。 总而言之，加强对电力系统可靠性的研究与应用，是逐步提高电能质量、实现 电力工业现代化的重要手段，对提高经济效益、社会效益，进行城市网络建设和改 造有着重要作用。 1 2 配电系统可靠性研究的内容 配电系统可靠性研究的对象主要是配电系统及其设备在规划、设计中所考虑的 各种条件和要求，制造和安装后所具有的结构和固有的特性，运行过程中所表现的 特性及状态，以及与配电系统相关联的发电、输变电以至用户各个环节、各种设备 可能带来的影响。 配电系统可靠性研究具有以下几个特点： 1 华北电力人学硕士学位论文 1 ) 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。配电系统可靠性指标的统计、分析、评价、预测评估，以及为了改 善和提高配电系统可靠性的对策和措施，都必须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的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，配电系统的结构形式和运行方式是多种多样的，用放射式结构、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，有的则可能不会产生影响。 配电系统可靠性研究的内容，一般说来，大体可以包括以下几个方面： 1 ) 定义配电系统的可靠性指标； 2 ) 配电系统可靠性指标的统计、分析与评价，以及应用其统计分析的结果，对 现行系统和设备从设计到制造、安装、调试、运行、维护和检修等整个生产全过程 的指导作用； 3 ) 配电系统可靠性预测及其对配电系统规划、新建、扩建及改造的指导作用； 4 ) 为实现配电系统可靠性分析、预测的指导作用而采取的各种有效措施、对策 及其效果； 5 ) 配电系统可靠性与经济性的协调及电力系统可靠性经济学在配电系统可靠 性中的应用等。 1 3 配电系统可靠性研究的现状及方法 2 0 世纪6 0 年代，随着电力工业的发展，可靠性工程理论开始逐步引入电力工业， 电力系统可靠性也应运而生，并逐步发展成为一门应用学科。1 9 6 5 年9 月，北美电 力系统发生了世界电力史上最为严重的一次停电大事故，从而导致了电力系统可靠 2 华北电力大学硕士学位论文 性研究的飞速发展。1 9 7 0 年，比灵顿发表了电力系统可靠性研究的第一本专著电 力系统可靠性分析，从此，电力系统的可靠性发展进入了一个新的时期。 7 0 年代以后，特别是近十多年来，随着经济技术的发展，配电系统的可靠性越 来越为人们所关注。目前，美国、英国等工业发达国家都对配电系统可靠性进行了 专门研究，并已将研究成果用于生产。国内对配电系统的可靠性研究开始于8 0 年 代，但由于缺乏必要的数据和行之有效的方法，发展较为缓慢。随着国内城市经济 的迅速发展，城网改造步幅的加快，迫切需要对配电网进行科学合理的规划，可靠 性的研究作为配电网规划的前提更加引起了人们的重视。 目前研究电力系统可靠性的方法主要有解析法和模拟法，且已经取得了许多成 果。解析法在我国应用较为成熟，但是计算量随着规模的增大而急剧增加，且不易 处理相关事件。而模拟法非常适合进行复杂电力系统的可靠性计算，只是其计算精 度往往受到各种因素的限制【2 】。 1 解析法 解析法是用抽样的方法进行状态选择，最后用解析的方法进行指标计算。 1 ) 故障模式影响分析法( 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 ) 。它是可靠性 工程中广泛使用的分析方法【3 】。这种方法通过对系统中各元件可靠性数据的搜索， 建立故障模式后果表，然后根据所规定的可靠性判据对系统的所有状态进行检验分 析，找出各个故障模式及后果，查清其对系统的影响，求得负荷点的可靠性指标， 只适合于较简单的辐射型网络。 2 ) 基于最小路的分析法【4 】。这种方法是先分别求取每个负荷点的最小路，将非 最小路上的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。但当系统复杂时，花费时间长。 3 ) 网络等值法【5 】。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，并将那部分网络的可靠性等效到这个元件上，考虑这个元件可靠性对上下级馈 线的影响，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。它适于解 决复杂配电系统的可靠性评估。 4 ) 分层评估算法【6 】。对于大规模的配电网，由于其结构的复杂性，可由故障产 生的原因分为三种故障模式，分别是馈线级故障模式、变电站母线故障模式及上一 级电网故障模式。文献【6 】分析了三种故障模式对配电网可靠性的影响，利用系统元 件的可靠性数据与系统网络拓扑结构建立了系统的可靠性数学模型，在基于故障扩 散的分层算法来进行系统的可靠性评估。可快速算出可靠性指标并找出供电的薄弱 环节。 5 ) 基于最小割集的分析法【_ 7 1 。最小割集是一些元件的集合，当它们完全失效时， 会导致系统失效。最小割集法是将计算状态限制在最小割集内，避免计算系统的全 3 华北电力大学硕+ 学位论文 部状态，大大节省了时间，并近似认为系统的失效度可以为各个最小割集的不可靠 度的总和。本方法的关键是最小割集的确定。 6 ) 递归算法【8 1 。此法先将网络用树型( 多叉树) 数据结构表示，利用后序遍历 和前序遍历将每一馈线都用包含了此馈线的所有数据节点来表示，由负荷点所在的 顶端依次往上递归，并保留原节点，这样不仅可以算出整体可靠性指标，还可以算 出所有负荷点的可靠性指标。文献【9 】介绍了这种方法的程序模块及其界面实现。 7 ) 单向等值法【l o 】。单向等值法是将下一层网络单向等值为上一层网络，将断路 器联络开关间的元件和负荷点等值为一节点，再由下而上削去断路器联络开关， 最终可等值一个节点，便可得出整体的可靠性。由于馈线中有熔断器、变压器等存 在，因此在等值前后整个网络的可靠性指标会有变化，可根据这种变化反推出网络 最初的可靠性指标。 8 ) 考虑容量约束的评估法【l l 】。系统中因故障而进行负荷转移后，将引起系统中 潮流的变化，为避免出现过负荷或电压越限，有必要考虑容量的约束。对系统进行 潮流计算可以检验出以上问题。在忽略线路电容电阻和负荷无功的条件下，可用直 流潮流法与z 矩阵法相结合求解配电网络中线路故障或负荷减负荷时网络的潮流分 布。一旦求出潮流，很容易算出负荷点和系统可靠性指标。 9 ) 区间评估法【1 2 】【1 ”。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 1 2 1 提出了一 种结合区间运算和网络等值法的评估方法，用一定的等值简化，减轻了评估的繁杂 度。文 1 3 】提出了一种区间运算和最小路法结合的评估法，简化计算提高了效率。 1 0 ) 基于敏感度分析的可靠性算法【1 4 】。通过对元件的敏感度的计算，对计算结 果进行排序，找出对系统可靠性指标影响较大的元件的集合，通过该集合中的元件， 组合计算出电力系统的可靠性指标。该算法选出了对系统影响最大的元件来计算系 统的可靠性指标，不考虑那些对系统影响较小的元件，大大提高了系统可靠性的计 算速度。 1 1 ) 基于贝叶斯网络的评估算法【”】。传统的方法可以计算出配电网的可靠性指 标，但是却不能确定某元件在系统可靠性中的地位。利用贝叶斯方法可弥补这一点， 该方法利用贝叶斯概率公式，由各支路、元件的故障率可得各负荷点的故障率，之 后再用反推即可得各个元件对各负荷点的故障敏感度。以此亦可以推出其他的可靠 性指标，从而找出系统中的薄弱环节。 1 2 ) 向量法【1 6 】。此方法先将含有元件串并联的馈线段等效为单一的馈线段；再 利用最小路法对馈线段进行分级，与电源相连的为一级，与一级馈线相连的为二级， 以此类推，有相同一级馈线的为同类负荷点；对同类负荷点中的任一负荷点，由最 小路确定行向量表。因为一个行向量对应一个负荷点，因此可方便求出负荷点的可 靠性指标。计算中不再考虑网络结构，计算过程更加简单。 4 华北电力人学硕士学位论文 1 3 ) 故障扩散法【1 。7 1 。该算法对复杂的中压配电系统( 带子馈线) 有较强处理能力， 首先把故障的节点分为4 类，利用前向搜索算法确定断路器动作影响范围，通过元 件的故障逐步向四周扩散，直至线路末端或遇到隔离开关为止，确定故障隔离的范 围，并通过故障后各分块子系统中有无电源、有无切换开关的判断，能较容易地确 定节点故障的类型。根据节点的故障类型，便可形成节点、馈线以及系统的可靠性 指标。文 1 8 】对故障扩散时对节点的搜索提出了新方法，利用邻接矩阵将故障后对 系统影响完全相同的元素划为一块，以块为单位进行搜索分析，节省了搜索时间。 文【1 9 】也对故障扩散法提出改进，将原有的4 类节点细化，并考虑了自动化的引入， 将节点分为6 类：在负荷转移时，对树的增删和插入及其潮流计算也利用了前、后 遍历，减少了计算量。 2 模拟法 蒙特卡洛模拟法【2 0 】是国外比较成熟的方法。用蒙特卡洛法可以模拟运行的实际 问题，它用抽样的方法而不是故障枚举法进行状态选择，用统计的方法而不是解析 法得到可靠性指标。配网中的每个元件都有工作和故障两种状态，有一定的状态概 率分布。系统的状态是从元件概率分布函数中抽样确定，然后对产生状态进行状态 估计，一个模拟序列表示一个实际样本，系统的可靠性指标是在累积了足够数目的 样本后，对每次状态估计的结果进行统计而得到的。 3 混合法 文章 2 1 1 综合利用了网络等值法和蒙特卡洛模拟法。先用网络等值法将网络进 行简化，将简化后的主馈线用蒙特卡洛法得到负荷点停电次数分布律和负荷点的停 电时间的分布律，与可靠性平均值指标一起，即得到更全面的配电网可靠性指标。 1 4 本文所作的工作 围绕着配电系统可靠性评估算法的研究，本文进行了以下几项具体工作： 1 论述了配电系统可靠性评估研究的意义、对象、特点和内容，以及国内外配电系 统可靠性研究的发展现状和评估方法。 2 对国内外l o k v 接线模式的应用情况进行调查、收集资料，并就各种l o k v 接线 模式的特点、适用条件进行分析和论述。 3 分析了配电系统可靠性评估的可靠性指标，根据配电系统的典型结构和运行方 式，本文提出了一种将分层算法、网络等值法和故障模式影响分析法相结合的配 电系统可靠性评估算法，并将针对该算法编制的程序应用到工程实践中，验证了 算法的有效性和实用性。 4 研究配电系统可靠性和经济性的协调问题。在配电系统可靠性评估基础上进行了 5 华北电力大学硕+ 学位论文 可靠性与经济性协调问题的研究。用停电损失大小实现了供电方的投资与用户侧 的可靠性的同时优化问题。 6 华北电力大学硕十学位论文 第二章配电网接线模式 2 111 0 k v 、3 5 k v 高压配电网接线模式 1 同电源不同母线辐射接线( 变电所设二台变) 正常运行时变电所母线上的联络断路器开关断开，两条线路分别带5 0 负荷。 当其中一条线路发生故障时，这条线路退出运行，合上变电所的母联断路器，由剩 下的一条正常线路带两台变压器，因此该接线模式可靠性较高。 2 同电源不同母线并设联络线接线( 变电所设三台变) 正常运行时l 1 带一台变压器t l ，另一条线路l 2 带其余的两台变压器t 2 和 t 3 ，联络线l 3 断开，断路器d 1 断开。当l 2 发生故障时，联络线l 3 投入。当l 1 f 蕊旦一蕊习 3 不同电源双t 接线( 变电所设二台变) 接线采用变压器母线组的形式，所需的变电站设备投资较少，并且对实施自动 化特别有利。该模式可靠性比第一种接线模式低，当有一条线路发生故障时，所带 的变压器必须停电，变压器所带的负荷只能通过低压备用转带，若没有低压备用， 图2 - 3 不同电源双t 接线 4 不同电源双t 接线( 变电所设三台变压器) 7 哥蓦 华北电力大学硕+ 学位论文 1 0 k v 变电所的三条进路分别来自两个不同的高压变电站的三段母线，1 0 k v 变 电所站内是变压器母线组接线。当有一条线路发生故障时，该线路所带的变压器必 须停电，变压器所带的负荷只能通过低压备用转带，若没有低压备用，则负荷就要 停电。 图2 4 不同电源双t 接线 5 同电源不同母线双t 接线( 变电所设二台变压器) 优点为简单、投资省、有较高的可靠性。变压器高压侧为线路一一变压器组接 线，线路和变压器之间可以用断路器或隔离开关。 图2 5 同电源不同母线双t 接线 6 同电源不同母线双t 接线( 变电所设三台变压器) l o k v 变电所的三条进路来自同一高压变电站的三段不同母线，站内接成变压 器母线组的形式，运行简单、可靠。 图2 - 6 同电源不同母线双t 接线 7 双侧电源不同母线双t 接线( 变电所设二台变) 又称为双兀接线，接线模式稍显复杂，设备投资较大，但灵活性较好，可靠性 较高。停电时间主要由倒闸操作时间决定。由于增设了联络线，它的故障率也是影 响系统可靠性的因素之一，从而其可靠性比接线模式l 要低一些。 ： ，、 图2 7 双侧电源不同母线双t 接线 华北电力大学硕士学位论文 8 双侧电源不同母线双t 接线( 变电所设三台变压器) 该接线模式的特点同接线模式7 。 图2 - 8 双侧电源不同母线双t 接线 9 同电源不同母线辐射接线( 进线侧不设开关) 线路平常都带满负荷，当其中的一条线路发生故障，其相应的变压器必须停电， 因而其可靠性比接线模式1 要低。 电庐 图2 - 9 同电源不同母线辐射接线 1 0 双侧电源辐射接线( 变电所采用内桥接线) 它与模式1 的区别在于变电所的两条进线来自不同电源，因而其线路长度较长， 可靠性比模式l 要低。与模式3 相比，变电所采用内桥接线，可靠性比模式3 高。 因此这种接线模式的可靠性处于模式1 和模式3 之间。 图2 1 0 双侧电源辐射接线 2 21 0 k v 中压配电网接线模式 l o k v 中压配电网由高压变电所的l o k y 配电装置、开关站、配电房和架空线路 或电缆线路等部分组成，其功能是将电力安全、可靠、经济、合理地分配到用户。 一般城市的网络由架空线和电缆线混合组成。对于一个特定的供电区域内的l o k v 配电网的网络结构，将架空线路和电缆线路分开进行分析。 2 2 1 架空线路 1 单电源线辐射接线模式 优点为比较经济，配电线路和高压开关柜数量少、投资小，新增负荷方便。缺 9 华北电力人学硕士学位论文 点为故障影响范围较大，供电可靠性较差。适用于城市非重要负荷架空线和郊区季 节性用户【2 2 1 。 图2 - 1 1 单电源线辐射接线模式 2 不同母线出线的环式接线模式 该模式适用于负荷密度较大且供电可靠率要求高的城区供电，一般采用开环运 行。其最大优点是可靠性比单电源线辐射接线模式大大提高，接线清晰、运行比较 灵活。在这种接线模式中，线路的备用容量为5 0 【2 3 1 。 l 二j 宁一lk 图2 1 2 不同母线出线的环式接线模式 3 不同母线三回馈线的环式接线模式 网络中有三个电源，取自同一变电所的两段母线或不同变电所。正常运行时联 络开关都是打开的，当线路1 出现故障时，联络开关1 闭合，由线路2 送电；当线 路2 出现故障时，联络开关1 闭合由线路1 送电，或联络开关2 闭合由线路3 送电； 当线路3 出现故障时，联络开关2 闭合，由线路2 送电。可见，在正常运行时，每 条线路均应留有5 0 的裕量。所以，单从经济角度分析时，这种接线模式和不同母 线出线的环式接线一样【2 ”。 i 三j 审一lk ：，窜二k 图2 1 3 不同母线三回馈线的环式接线模式 4 两分段两联络接线模式 通过在干线上加装分段断路器把每条线路分段，并且每一分段都有联络线与其 他线路相连接，这样可提高可靠性，但也加大了线路投资。该模式可应用于城网大 部分地区，联络线可以就近引接，从不同变电站配出线或同一变电站的不同母线出 线建立联络【2 4 1 。 1 0 华北电力大学硕十学位论文 2 2 。2 电缆线路 图2 1 4 两分段两联络接线模式 1 单电源线辐射接线模式 优点为比较经济，配电线路较短，投资小，新增负荷时连接也比较方便。 为故障影响时间长、范围较大，供电可靠性较差。电缆故障多为永久性故障， 路故障时会导致全线停电；当电源故障时也将导致全线瘫痪【2 2 1 。 缺点 当线 图2 1 5 单电源线辐射接线模式 2 。不同母线出线的环式接线模式 该模式中有两个电源，取自同一变电所的两段母线或不同变电所，正常情况一 般采用开环运行方式，其供电可靠性较高，运行比较灵活。可以在双电源用户较多 的地区采用双环网，进一步提高供电可靠性【2 3 。 卜 卜 图2 - 1 6 不同母线出线的环式接线模式 3 双电源双辐射接线模式 该模式可使客户同时得到两个方向的电源，满足从上一级l o k v 线路到客户侧 1 0 k v 配电变压器的整个网络的n - 1 要求，供电可靠性很高，适用于对供电可靠性要 求很高的供电区域，如城市核心区，重要负荷密集区域等【2 2 1 。 图2 1 7 双电源双辐射接线模式 l l 华北电力人学硕士学位论文 4 两联络双兀接线模式 该模式当其中一条线路故障时，整条线路可以划分为若干部分被其余线路转 供，供电可靠性较高，运行较为灵活，适用于城市核心区、繁华地区，负荷密度发 展到相对较高水平的区域【2 4 1 。 一上- i 1l t l 1 。 - - 丁 l 塑li 帕l 1 一 p l 竺竺l 图2 1 8 两联络双n 接线模式 5 不同母线出线连接开闭所接线模式 从同一变电所的不同母线或不同变电所引出主干线连接至开闭所，再从开闭所 引出电缆线路带负荷。每个开闭所具有两回进线，开闭所出线采用辐射状接线方式 供电。开闭所出线间也可以形成小环网，进一步提高可靠性，适用于负荷中心距电 源较远，或出线仓位、线路走廊困难时。 一 图2 1 9 不同母线出线连接开闭所接线模式 6 不同母线环网接线( 三座开闭所) 模式 来自同一变电所不同母线或不同变电所的三条主干线，分别连接三个开闭所， 每个开闭所之间均设有联络线。正常运行时，开闭所的母联均断开运行。为了提高 可靠性，每条主干线留有1 3 的备用容量。开闭所的容量为每条主干线容量的2 3 。 开闭所出线可采用辐射状接线或环网接线方式【2 3 1 。 图2 2 0 不同母线环网接线( 三座开闭所) 模式 7 “n 1 ”主备接线模式 “n 1 ”主备接线模式指n 条电缆线路连成电缆环网，其中有1 条线路作为公共 的备用线路，正常时空载运行，其它线路都可以满载运行，若有某l 条运行线路出 现故障，则可以通过线路切换把备用线路投入运行。( 如图2 2 1 ) 优点是供电可靠性 较高，线路的理论利用率也较高。该方式适用于负荷发展已经饱和、网络按最终规模一 1 2 华北电力大学硕士学位论文 次规划建成的地区。 l _ i 一 ttt i 一爽 豳确 血一 图2 2 1 “4 - 1 ”主备接线模式 8 “4 x 6 ”接线方式 “4 x 6 ”接线方式为四个电源点之间用联络开关组成全联络，该方式既可用于架空 线，也可用于电缆线路，既可用于变电站内部的电气主接线方式，也可用于变电站 之间的网络连接，既可用于高压输电网，也可用于城市配电网。优点为可靠性提高， 对短路电流强度和载流量的要求降低，可靠性指标可达到n 一2 。但要求四个电源的 容量、线路型号要完全一样，甚至每根线路上所带负荷也要均衡，只有满足上述要 求，才能发挥这种接线的优势，所以“4 x 6 ”接线方式适用于新建的开发区应用。 2 3 国外配网接线模式 t 口联络开 劢分段歼关 电源 图2 2 2 4 x 6 接线方式 国外的中压配电网也有许多各有特色的接线模式。下面简要介绍一下中国香港 地区、新加坡、日本、法国、英国和美国的典型配电网接线模式。 图2 2 3 香港中华电力公司典型闭环网( 电缆) 华北电力大学硕士学位论文 图2 2 4 新加坡环式接线( 电缆) 图2 2 5 日本3 分段4 连接方式 图2 2 6 法国巴黎中压仿垂形电网接线 1 4 华北电力大学硕十学位论文 图2 2 7 英国伦敦中压网孔型接线 图2 2 8 美国纽约双回线接线 2 4 配网模式评价 图2 2 9 美国“4 x 6 ”接线 1 在可靠性要求很高的区域，例如城市繁华中心区、负荷密度发展到相对较高水平， 而且存在大规模的公用配网情况下，经济条件好的情况下，考虑采用电缆接线的 1 5 华北电力大学硕士学位论文 “4 一l ”的接线、“3 一l ”接线和4 x 6 网格状的形式。总体规划按分步实施的原则， 先形成手拉手接线形式，尽量使线路上的负荷均匀分布，在适当的位置设置联络 间隔，为以后的网络发展做准备。 2 在可靠性要求不是很高、负荷密度较低的地区，例如城郊非重要用户等，应以经 济性为主，考虑采用架空线的辐射式接线，因为这类接线方式设备较少，投资小， 新增负荷比较方便，不存在负荷转移问题，每条线路可以满载运行。 3 多分段多联络是城市电网不断发展逐渐形成的。由起初的放射式接线，到为提高 可靠性的手拉手接线方式。但手拉手线路负载率低。为提高负载率，又出现了多 分段多联络的接线方式。适用于负荷密度较高，对供电可靠性要求高并有架空线 的区域。 1 6 华北电力人学硕二l 二学位论文 第三章可靠性与经济性评估算法 3 1 配电系统可靠性的评估指标 1 负荷点的可靠性指标 反映各负荷点的可靠性指标有：年故障停运率五( 次年) 、平均停运持续时间咯 ( 小时次) 、年平均停运持续时间以( 小时年) 。下面分别介绍这三个指标的含义 和特征。 1 ) 年故障停运率冬( 次年) 指负荷点在一年中因电网元件的故障而造成停电的次数。各负荷点名的大小说 明了该负荷点供电的可靠性程度。供电路径中的割集数( 尤其是一阶割集的数目) 越 多，则负荷点的年停电次数就越多，供电越不可靠。 2 ) 年平均停运持续时间u s ( 小时年) 指负荷点一年内停电的时间总数。它反映了该负荷点供电的可靠性。u 值越大则系 统对负荷点的供电越不可靠。 3 ) 平均停运持续时间r s ( 小时次) 指从停电开始到恢复供电这段时间的平均值。r 在一定程度上说明了在停电事 故发生后恢复供电的类型，在有备用电源、备用元件可供切换的情况下，其停电后 恢复时间较短，r 值也较小。 2 系统的可靠性指标 1 ) 串联系统 所谓串联系统，就是由两个或两个以上元件组成的系统，若其中一个元件故障， 系统就算故障。换句话说，必须所有元件同时完好，系统才算完好。 对于串联系统，根据马尔柯夫过程理论，可以推导出实用于工程计算的公式： l - 以= 乃 ( 3 - 1 ) 匕：翌：丝 铲荔专五 如 = 丑= 五咯 i = 1 1 7 ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 式中，元元件i 的故障率，次年； 元件i 的故障修复时间( 或称故障停电时间) ，次； 2 ) 并联系统 所谓并联系统，就是由两个或两个以上元件组成的系统，必须所有元件同时故 障，系统才算故障。换句话说，只要其中一个元件工作，系统就算处在工作状态。 两元件并联的计算公式 乓= 五( + 屹) ( 3 - 4 ) 三元件并联的计算公式 乞2 希 q = 以= 以，i 吃 五= 五五五( 恐+ r 2 r 3 + 五) 2 石而r l r 2 r 3 ( 3 - 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 以= 以= 五如冯乏( 3 9 ) 以上各式中，五、五、五分别为元件1 、2 、3 的故障率，次年； 、吒分别为元件1 、2 、3 的故障修复时间( 或故障停电 时间) ，h 次； 3 与用户有关的配电系统可靠性评估指标 为了反映系统停运的严重程度和重要性，采用了以下指标对整个系统的可靠性 进行总体评估。 1 ) 系统平均停电频率指标s a i f i ( s y s t e ma v e r a g ei n t e r r u p t i o nf r e q u e n c yi n d e x ) s a i f i 是指每个由系统供电的用户在每单位时间内的平均停电次数。它可以用 年中用户停电的积累次数除以系统供电的总用户数来估计。 一= 警= 谱 p 2 ) 用户平均停电频率指标c a i f i ( c u s t o m e ra v e r a g ei n t e r r u p t i o nf r e q u e n c y i n d e x ) c a i f i 是指每个受停电影响的用户每单位时间里经受的平均停电次数。它可以 川一年中观察到的用户停电次数除以受停电影响的用户数来估计。每个受停电影响 的用户每年只计算一次停电，不考虑用户在一年中实际经受的一次以上的停电次 华北电力大学硕十学位论文 数。 c a i f i = 菇嚣淼 p 3 ) 系统平均停电持续时间指标s a i d i ( s y s t e ma v e r a g ei n t e r r u p t i o nd u r a t i o n i n d e x ) s a i d i 是指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。它用一 年中经受的停电持续时间的总和除以该年中由系统供电的用户总数来估计。 s a i d l = 型驾学 = 潞 ( 3 - 1 2 ) 4 ) 用户平均停电持续时间指标c a i d i ( c u s t o m e r a v e r a g ei n t e r r u p t i o nd u r a t i o n i n d e x ) c a i d i 是指一年中被停电的用户经受的平均停电持续时间。它可用一年中用户 停电的持续时间的总和除以该年停电用户总用户数来估计。 c a i d i = 骘禳筹 ：戮 ( 3 _ 1 3 ) 名m v 7 5 ) 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 ) a s a i 是指一年中用户经受的不停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。 用户要求的总供电小时数采用全年1 2 个月平均运行的用户数乘以8 7 6 0 。可以得出： 么伽= 器纂器 一mx 8 7 6 0 - q m一；! ! ! l 二二 一 罗m x 8 7 6 0 j _ 一 l ( 3 1 4 ) 6 ) 平均供电不可用率指标a s u i ( a v e r a g es e r v i c eu n a v a i l a b i l i t yi n d e x ) a s u i 是指一年中用户的累积停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。得 出： a s u i = 卜平均供电可用率指标 用户不能供电小时数 用户要求供电总小时数 1 9 华北电力大学硕十学位论文 3 2 可靠性评估算法 3 2 1 算法概述 ：竺丝 m x 8 7 6 0 ( 3 - 1 5 ) 配电刚3 】是指1 0 1 l o k v 的网络，其接线方式具有树状、环状、网状等多种 接线方式，但最常用的是环网接线、开环运行而形成辐射型的供电方式。基于这种 考虑，我们在算法设计时，充分考虑了辐射型供电方式，在算法上结合了分层算法、 故障模式影响分析法及分层法；简而言之，该算法考虑到中压配电网可以按配电 网一一变电站一一馈线一一段一一设备的层次建立数据结构，通过对各变电站各馈 线进行故障停电事故枚举，得到出线的故障停电时间和故障次数，从而得到整个变 电站及配电网的故障停电时间和故障次数，再根据可靠性指标的定义，得到整个配 电网的可靠性指标。 需要补充的是，为了高效地对配电网进行可靠性评估，我们在一定程度上对配 电网在不改变性质的情况下进行了拓扑简化，简化规则如下： 1 ) 配电网设备主要为出线断路器、分段开关、联络开关、线路( 架空、电缆) 、 用户变压器等。 2 ) 配电网拓扑结构分为四种类型：不分段不联络、不分段联络、分段单联络、 分段多联络。 3 ) 所有的用户用一个公变或专变表示。 3 2 2 分层算法 分层算法【6 1 如图3 1 ，分别考虑各段、整条馈线、整个变电站、上级电网对配网 可靠性的影响，利用联络线同时故障率、母线可用系数、上级电网可用系数建立可 靠性指标计算公式。 华北电力大学硕士学位论文 馈线层 累加 变电站层 累加 配电网层 i 可靠性指标可靠性指标可靠性指标 f 分段 f i 设备 3 2 ，2 1 分层的理论依据 图3 - 1 分层系统框图 中压配电系统的供电基本单位是馈线，每条馈线上的主干线有许多支接线，沿 线挂接了许多负荷。馈线与馈线之间只在根节点处通过高压配电网相联，一条馈线 内的负荷波动相对于上一级配电网而言可以忽略不计，因此可以认为馈线根节点电 压恒定。给定馈线根节点电压以及沿线负荷，则馈线潮流就可以完全确定。因此， 对中压配电网可以按变电站一一馈线一一段一一设备的层次建立数据结构，其分层 技术可以进行网络拓扑的快速分析，查找任一设备的上游、下游设备以及根据开关 位置、状态进行馈线内分段，划分可进行负荷转移的最小单位并进行拓扑修正。 3 2 2 2 分层技术 设备元件发生故障的三种模式：馈线级故障模式、变电站故障模式和上一级电 网故障模式，逐一分析故障的三种模式对配电网可靠性的影响，即其产生的停电时 户数，并结合配电网的网络拓扑结构，综合得到配电网可靠性数据【2 5 1 。 馈线级故障模式是指在电网各馈线中的设备元件发生的永久性故障，采用的指 标为设备故障率和设备每次故障平均停电持续时问。故障对配电网可靠性的影响即 为故障引起的停电时户数：假设设备故障发生在某馈线第i 段，对于该故障段，其 停电用户数为e ，停电时问表为故障元件修复时间；对于该段以后的所有停电用户 y c ，( ， f ) ，若无联络线，停电时间为故障元件修复时间；若有联络线，停电时间 为联络开关操作时间。 变电站故障模式是指电网中母线发生故障，用母线平均修复时间和母线可用系 数表示。一般母线分二段，且不考虑二段母线同时故障。母线故障产生的停电时户 数为：故障母线所带负荷是否可以全部转移，可转移负荷停电用户数为故障母线段有 联络出线用户数，停电时间为联络丌关倒闸平均操作时间；不可转移负荷为故障段 母线无联络出线用户数，其停电时间为母线修复时间。若母线与出线上设备同时发 2 l 华北电力大学硕十学位论文 生故障，取两者中修复时间最大者。 上一级电网的故障模式是指在电网中上一级电网由各种设备元件或母线等原 因产生不能对配网进行正常供电的故障，通常指2 2 0 k v 级，相应指标为上一级故障 排除时间和上一级输变电设施的可用系数。该故障产生的停电时户数为：考虑上一 级电网输变电系统故障是否引起母线不带电。若引起母线不带电，母线分段时的停 电用户数为上一级故障变电站所对应母线段的用户数，停电时间为联络开关倒闸操 作时间；母线不分段时，可转移负荷的停电时间亦为联络开关倒闸平均操作时间， 不可转移负荷停电时间为上一级电网故障修复时间。 采用联络线同时故障率参数【2 6 1 【2 7 1 ，使得电网中各馈线得以解耦。计算变电站指 标可由各馈线指标直接求和，计算电网指标亦由各变电站直接求和即可得到。 3 2 3 故障模式影响分析法 所谓故障模式影响分析法即以段作为负荷转移的最小单位，以每一个线路元件 为对象，分析每一个基本故障事件及其后果，然后结合元件的可靠性数据，如故障 率、故障排除时间【2 5 】【2 8 】等，求得所有的故障状态，综合形成系统可靠性指标。其基 本步骤为： 1 ) 产生( 或枚举) 系统网络可能的故障事件。 2 ) 每一个故障事件，进行系统网络的行为分析，形成系统网络的失效事件集。 3 ) 根据所形成的“系统网络的失效事件集，结合元件的可靠性数据，累积形 成系统可靠性指标。 数学描述：分析一次故障事件。故障发生，断路器、分段开关拉闸，查找故障 所在段。故障段隔离进行故障排除，断路器、分段开关闭合，故障段之前负荷由母 线恢复供电，其余部分负荷与故障事件相关联的停运时间，在负荷能转移到联络线 时等于联络开关操作时间，在负荷不能转移时则等于元件故障排除时间。馈线上可 能有用户变压器、开关、线路三类元件故障，考虑一段上所有可能出现的故障事件， 结合元件可靠性数据，得到一段上( 假设为第j 段) 所有故障事件引起的用户停电持续 时间( 时户数) ： 3 c i d j = m ( c i 乞a + e t 以+ c 2 t b 如) ( 3 - 1 ) n = l 其中， 丑：故障区域前线路的总故障率丑= 丑l i f = l 以：故障区域线路的总故障率以= 五- f = l 华北电力大学硕士学位论文 如：故障区域后线路的总故障率如= 以 j = l m ：出线j 上第r n 段上第n 类元件的台数( 线路取1 、变压器取台数、开 关一般为一个) 乞：出线开关、分段开关操作时间 知：第n 类元件故障排除时间 气：联络开关操作时间 以此逐一计算馈线中各段的停电时户数，得到一整条馈线的停电时户数，进而 得到变电站及整个配电网的停电时户数。 3 2 4 等值算法 实际的配电系统往往由比较复杂的分支馈线构成，这种结构比较复杂的配电 网，可以利用可靠性等值的方法将其等值为辐射型配电网，从而简化计算【2 9 1 。 本文在将下一层各元件对上一层各负荷点的影响进行定量分析时，用替代等值 法进行向上等值，而要将上一层元件对下一层的负荷点的影响进行定量分析时，用 串联等值法进行向下等值。 3 2 4 1 替代等值法 替代等值法即由一条简单的分支线路代替复杂分支线，且本文各等值过程均遵 循最小路算法的各项原则，示例见图3 2 。 f t 簦丫 li 图3 - 2 替代等值 首先假想复杂分支线路与上层相连的节点处另有一条长度为1 的分支线路，如 图3 3 所示节点处的虚线k 。 华北电力大学硕士学位论文 馈线i i 图3 3 假想分支线路 该虚拟分支上无任何分段装置。分别考虑