（电力系统及其自动化专业论文）配电系统规划的可靠性分析研究与实现.pdf

a b s t r a c t a sad i r e c tu s e r - o r i e n t e ds y s t e m ，t h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t yo c c u p i e sad e c i s i v e r o l ei nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m h o wt oc a l c u l a t ea n da n a l y s et h er e l i a b i l i t yi n d e x w h i c hi sg o i n gt ob eu s e di nt h en e t w o r kp l a n n i n gs c i e n t i f i c l yh a sb e c o m eav e r y i m p o r t a n ti s s u et ob ed i s c u s s e d f i r s t l y , t h ed i s s e r t a t i o ng i v e sad e s c r i p t i o nt o t h ef e e d e rp a r t i t i o nm e t h o d t h e p r i n c i p l eo ft h ea l g o r i t h ma n dt h ec a l c u l a t i o np r o c e s sa r em e n t i o n e d b a s e do nt h i s a l g o r i t h m ，t h er e l i a b i l i t yo ft h et h eh i g ha n dm i d d l ev o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n d s u b s t a t i o na r ec a l c u l a t e d t h e nt h e i n t e g r a t e d c a l c u l a t i o nm e t h o di sd i s c u s s e d c o n s i d e r i n gt h ea c t u a lu s eo ft h ea l g o r i t h m ，am o d e lb a s e d o nt h eu s e ro ft h en e t w o r k b u tn o to nt h ed i s t r i b u t i o nt r a n s f o r l t l e ri sd e f i n e d s e c o n d l y , t h er e l i a b i l i t ya n a l y s i so f t h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ki se m p h a s i z e d w i t h t h eh e l po ft h ev i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g y , t h ea r t i f i c ea n dt h em e t h o do fr e l i a b i l i t y a n a l y s i s ，t h ed i a g r a m sa n dt h eg e o g r a p h i c a lc o n n e c t i o nt h e m e sw h i c ha r en e e d e di n t h ec u r r e n t n e t w o r ka n dp l a n n i n g - n e t w o r kr e l i a b i l i t ya n a l y s i s a r ed i s c u s s e d t h e a n a l y s i sm e t h o dm e n t i o n e da b o v ec a np l a yi m p o r t a n tr o l ei nt h en e t w o r ka s s e s s m e n t a n dd e c i s i o n - m a k i n go nn e t w o r kp l a n n i n g t h e n t h er e l i a b i l i t yc a l c u l a t i o na n da n a l y s i sf u n c t i o na r ea c h i e v e di nt h et d q s c o m p a n yc i t yn e t w o r kp l a n n i n gs o f t w a r e c n p 4 0s y s t e m i n t e r g r a t et h eu s e a g eo f t h ec n p 4 0s y s t e m ，t h ef u n c t i o n so ft h er e l i a b i l i t ym o d u l ea r ep r e s e n t e di nf i g u r ea n d w o r d s e a c ho ft h ef u n c t i o n si se x p l i c a t e da n dt h em e a n i n gt ot h en e t w o r kp l a n n i n gi s r e f e r e d a tl a s t ，t h ev a l i d i t yo ft h es o f t w a r ei sp r o v e dt h r o u g ht h ec a l c u l a t i o no ft h ei e e e r b t s 2s y s t e m t oe x p l a i nt h er e a le f f e c to ft h ea n a l y i sf u n c t i o n ，a na c t u a ln e t w o r ki s t a k e na sa ne x a m p l et o o t h er e l i a b i l i t yi n d e x e so fd i f f e r e n tc o n n e c t i o nm o d ew h i c h c o m m o n l y u s e di nt h em i d d l ev o l t a g en e t w o r ka r ec o m p a r e d t h er e l i a b i l i t y c h a r a c t e r so ft h ec o n n e c t i o nm o d e sa r es t u d i e d k e yw o r d s ：n e t w o r kp l a n n i n g ，d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，r e li a b ili t y , a n a l y s i s ， v i s u a l i z a t i o n ，s o f t w a r e 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和取得的 研究成果，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，也不包含为获得墨盗盘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了谢意。 学位论文作者签名： ，乎跖签字同期：歹驴年p 多月易r 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤垄盘堂可以将学位论文的拿部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： | 鼍次 导师签名：立确幽 签字同期：) ，g 年p 易月o 同 签字r 飙。罗年石月，dr 第一章绪论 1 1 配电系统可靠性概述 第一章绪论 “中国电力行业标准d l t8 6 1 - - 2 0 0 4 电力可靠性基本名词术语1 1 1 中对“可靠性和“电力系统可靠性的定义如下： 可靠性【2 】是指“元件或系统在规定的条件下和规定的时间区间内能完成规定 功能的能力。通常采用概率量度来描述完成规定功能的能力，称为“可靠度”。 电力系统可靠性【3 】定义为“电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断 地向电力用户提供电力和电量的能力的量度”。 电力系统可靠性包括充裕度和安全性两个方面【4 】。充裕度是指电力系统维持 连续供给用户总的电力需求和总的电能量的能力。充裕度又称静态可靠性，也就 是在静态条件下，电力系统满足用户对电力和电能需求的能力。安全性是指电力 系统承受突然发生的扰动，例如突然短路或未预料的短路或失去系统元件现象的 能力。安全性也称动态可靠性，即在动态条件下电力系统经受住突然扰动，并不 间断的向用户提供电力和电能量的能力。在输发电系统的可靠性计算中常对充裕 度和安全性两个方面进行系统的评估。 电力系统可靠性是指可靠性这个一般原理和方法与电力系统的具体实践相 结合的应用科学。可靠性管理是一种科学的管理方法，比较符合电力工业的特点， 因为电力工业本身是一种可修复的装置性工业，要追求尽可能高的可用性和可靠 性，而它的各种设备和系统都可以用可靠性指标来描述。世界上工业发达国家采 用这种方法取得了很好的效果和效益。 电能作为一种主要的终端能源，在能源供应中占有的比重愈来愈大，这是现 代文明社会发展的标志和必然趋势。电力系统的根本任务就是尽可能经济而可靠 的将电能供给用户。随着电力能源的普及，对电力系统可靠性的要求也不断提高。 现代社会向着高科技、自动化方向发展，计算机系统、可编程控制器、微电子设 备等敏感设备在社会生产和人民生活中得到了广泛应用，电力重要用户占有的比 重和用户的重要程度不断提高。 随着电力系统规模的不断扩大，停电可能造成的后果也更加严重。大面积长 时间停电不但造成巨大的经济损失，而且危及社会秩序。因此，电力系统可靠性 问题受到了世界各国的高度重视。尽管现代社会希望按需求连续供给电能，但是 系统中通常存在着超出人力控制的随机故障，而且电网可靠性还受到经济投资、 环境保护等多方面因素的制约，在现有技术水平下要达到完全不问断的连续供电 是不现实也是不经济的。因此，需要深入开展电力系统可靠性研究工作，以此指 第一章绪论 导电力系统规划、设计、运行、维修等各个环节，使电网能在合理投资限度内尽 可能的减少停电事件，降低停电成本。 随着我国经济的高速发展，人民物质生活水平的不断提高，社会各行业及人 民生活对电力电量上，质量上以及供电连续可靠性上都有了明显提高。目前，在 我国重大政治、文化、节日期间要求保电，在重点区域也要求电力的不间断供应。 现阶段由于配电系统直接面对广大用户，提高配电系统可靠性的意义也凸显出 来，其原因有： ( 1 ) 配电系统在电力系统中占有重要地位。配电系统与用户直接相连，位 于电力系统的末端，配电系统故障往往造成对用户供电的直接影响。配电系统最 能体现电网电源建设、电网结构、供电能力、电能质量和运行管理等诸多方面的 综合水平。 ( 2 ) 国民经济发展和全社会电力需求的增长对配电网可靠性提出更高要求。 随着时代的发展，我国已经成为制造业的大国，其它各产业也蓬勃上进，城市大 建筑群接连出现，人民生活水平不断提高，空调的使用量逐年加大，保证供电可 靠性已经成为我国经济生活的一件大事。2 0 0 3 年美加8 1 4 大面积停电事件的教 训是及其深刻的，在我国电力系统决不允许发生，也是可以避免的。 ( 3 ) 为适应社会主义市场经济发展必须提高配电系统可靠性。随着电力体 制的改革，要求打破垄断，电力发展要求转向以市场需求为主导的战略目标，提 高服务质量，进一步开拓市场，建立竞争和效益观念，实现电力企业经济效益和 社会效益的统一，都是以提高供电可靠性为基础的。 ( 4 ) 配电系统结构方式要求不断提高可靠性。配电系统深入每个用户，面 广量大，虽然经过全国范围的电网改造，供电质量有了较大提高，但与国外先进 水平配电网络结构还有相当大的差距。彻底改变配电网的结构，实现手拉手的环 网结构和配网自动化，还需要较大投入资金和改造力度。 1 2 配电系统规划的可靠性分析 电网规划是一项需要经过反复论证，并且经过方案对比筛选才可做出最终决 策的工作。可靠性分析作为电网分析的一部分，是验证电网规划时所考虑的因素 是否全面，预见性是否正确，所选用方案是否合理的一种手段。一直以来，各种 对于可靠性的研究都是基于可靠性计算进行的，在可靠性分析方面投入的精力比。 较不足。可靠性分析是一种基于可靠性计算，又在此基础上更加深入一步的对与 供电可靠性的研究课题。在现今可靠性计算仿真软件已经较为常见的情况下，深 入开展可靠性分析研究是必要的。 可靠性分析的目的在于对规划电网的设备选型、网架结构以及容量裕度等方 第一章绪论 面给出建议性的指导，挑选优良的规划方案。通过对可靠性的分析，要求不但能 够给出电网的基本可靠性指标信息，还要找出网络中的薄弱环节以及影响网络供 电可靠性的重点元件，找出网络架构的不合理设置，为电网提出改造方向。通过 可靠性的计算，分析得到需要重点改进的环节，争取使用最小的投入，得到最大 的收益，快速大幅度的提高电网可靠性水平。可靠性分析应该作为电网规划的一 种参考依据，并有可能作为电网规划的指导手段，要在用户负荷设置的合理性， 网络转供能力，网络结构( 包括分段、联结关系) 以及收益投资比上给出分析 以及建议，依据可靠性分析的结果优选规划方案。 1 3 研究内容 本文研究的主要内容如下： ( 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获得元件和系统的可靠性指标。 ( 2 ) 找出提高配电系统可靠性的途径和方法。配电系统一般是辐射状网络 连接，网络结构比较复杂，可靠性评估研究的目的在于找出网络的薄弱环节，研 究提高可靠性的网络改造方法，使电网的结构趋于合理。提高配电系统的可靠性 就是要降低停电频率、缩小停电范围、减少停电和停电成本。主要方法包括：尽 可能采用可靠性高的电力系统元件；对系统进行计划检修和故障检修；推广带电 作业和旁路作业，合理安排计划停电；适当加装断路器、熔断器和分段开关，加 强馈线间的联络，形成运行灵活、互济能力强的网络；实施配电自动化等。 ( 3 ) 研究可靠性和经济性之间的最佳平衡。可靠性与经济性之间存在着相 互影响的关系，在电网规划中，选用质量等级高的设备，增加网络中保护元件的 数量都会提高配电网的可靠性，但是这将相应的带来成本的上升。因此，在经济 性与可靠性之间找到平衡点，使电网在满足可靠性要求的情况下使用最少的投 资，或者在固定的投资下找到能够达到最大可靠性的电网规划方案。 ( 4 ) 研究电网的可靠性分析方法。针对一张具体电网，给出多层面的可靠 性分析方法，进而对电网的可靠性有更加深入的了解。通过这些分析结果，可以 指导规划者了解电网需要改造的部分及改造方向，进而辅助电网改造方案的决 策。 ( 5 ) 配电网可靠性分析软件的开发应用。使用软件对现状网进行可靠性分 析，考察电网的可靠性情况。并且使用软件对网络进行优化改造形成规划电网方 案，而后分析规划网的可靠性指标，也可对比几个不同规划方案的优劣，决定出 最终的设计方案。软件在具备可靠性分析功能的同时具有辅助决策作用。 第一章绪论 1 4 研究现状 1 4 1 可靠性理论研究现状 早期进行可靠性研究的时候，主要侧重于输发电系统可靠性的研究，其主要 原因是输发电设备与配电设备相比一次投资较大，建设周期长，一旦停电往往造 成严重后果。配电系统投资相对较小，而且停电的影响也是非常局部的，因此对 配电系统可靠性研究相对较少。在上世纪六、七十年代才配电系统可靠性才有了 比较快速和系统的发展。1 9 7 0 年，r b i l l i n t o n 发表第一部电力系统可靠性专著一 一电力系统可靠性评估 5 1 。以后数十年间，经过众多科研学者的不懈努力和 探索，电力系统可靠性评估的理论和方法得到了不断的完善和发展瞄卜【l4 1 ，目前， 已经渗透到电力系统的规划、设计、运行和管理等各个方面。常用的评估电力系 统可靠性的方法主要分为解析法和模拟法两大类。 1 4 1 1 解析法 解析法是可靠性评估的传统方法，一般建立起比较严格的数学模型和一些有 效的算法( 包括近似法) 对系统进行分析计算，计算的准确度较高。通常所使用 的方法包括以下几种： ( 1 ) 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 ) 1 1 5 1 6 。 该方法通过对系统中各元件状态的搜索，列出全部可能的系统状态，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，找出系统的故障模式集合， 求得系统的可靠性指标。f m e a 法原理简单、清晰，模型准确，但是计算量随元 件数目的增长成指数增长，所以当配电网的结构比较复杂，元件数目及操作方式 增多时，用f m e a 法直接对一个复杂的辐射形配电网进行评估是很困难的。 ( 2 ) 最小路的可靠性评估算法【6 】。其基本思想是，对每一个负荷点，求取 其最小路，根据网络实际情况将非最小路上的元件故障对负荷点可靠性的影响， 折算到相应的最小路节点上。从而对于每个负荷点，仅对其最小路上元件与节点 进行计算即可得到相应的可靠性指标。对于复杂配电系统，求取负荷点的最小路 将花费大量时间，且计算复杂性较大。 ， ( 3 ) 最小割集的可靠性评估算法。采用最小割集理论，根据最小路来求最 小割集，进而计算负荷点的可靠性指标。参考文献 1 7 】提出了一种采用最小连集 矩阵来求取最小割集的方法，然后将割集分为故障割集和备用割集，进而再对故 障割集分类为可隔离的和不可隔离的割集进行可靠性计算。 ( 4 ) 网络可靠性等值法【4 1 。其基本思想是将树状网化简为主干网，将树枝 上的各种负荷等化简为挂在主干网上的等值负荷。具体实现方法为从低一级的子 第一章绪论 馈线出发，将负荷向上和向下等值，等效成相应的线路和负荷，然后使用故障模 式后果分析法得到可靠性指标。其不足之处在于要对子系统进行多次连续的等效 且只能得到等效负荷和系统的可靠性指标，计算过程较复杂。 ( 5 ) 基于故障扩散的可靠性评估算法1 4 】【1 8 j 。该算法利用向前搜索算法确定 断路器的影响范围，使用故障扩散方法确定故障隔离的范围，通过判断确定节点 的故障类型，再通过故障模式后果分析法计算得到负荷点和系统的可靠性指标。 ( 6 ) 状态空间法。状态空间法要先列出全部可能的系统状态，使用马尔科 夫过程确定状态间的转移概率和转移模式，由元件的状态概率确定系统某一状态 的概率，再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 态计算可靠性指标。这种方法用来计算小规模系统的可靠性指标尚可，但是在多 元件复杂系统中难以适用。 ( 7 ) 馈线分区的可靠性算法i l9 | 。馈线分区的可靠性算法先按照系统的拓朴 结构找到系统中的开关元件集合，然后按照元件的不同类型按照开关位置将系统 分为不同等级的分区和开关弧。对于不同分区分别从最低等级元件累加各自的故 障频率和时间，最后通过开关弧和区域类型判断影响模式，累加得到系统的可靠 性指标，同时通过每个负荷点所处区域的可靠性指标得到负荷点的可靠性指标。 本文所开发程序算法基于此理论编写，此方法将在下文中论述。 ( 8 ) 故障树分析法【2 i h 。这种方法，是建立在对系统故障事件、可能引起系 统故障事件的子系统和元件故障事件的综合分析的基础上。分析时首先要确定不 希望发生的事件，并以它作为出发点，运用工程和逻辑的推理，根据系统中的元 件的故障率及其它外界条件来找出原因，画出逻辑关系图即故障树，一般为与或 关系图。 1 3 1 2 模拟法 模拟法的关键是采用随机数技术来进行对系统元件故障的抽样模拟，以得到 元件的故障概率等信息，再通过统计的方法得到系统的可靠性指标信息。模拟法 适用于以下计算： ( 1 ) 需要模拟非指数型分布的可靠性参数。 ( 2 ) 需要某些输出指标的分布函数或统计数据。 ( 3 ) 故障、修复、计划检修间存在着比较复杂的关系。 ( 4 ) 对于大系统，解析法有时显得十分复杂，不能很容易的建立数学模型， 有时即使建立了数学模型，也难于获得数值解。这时，模拟法则成为一种有 效的甚至是唯一的方法。 模拟法有两个基本特征。其一是计算程序结构简单，原则上只要编写一次计 第一章绪论 算程序然后进行n 次计算，最后对于n 次计算所得结果进行统计计算即可。其 二是模拟法的计算误差与计算次数的开方成反比。因此要得到较高的计算精度， 模拟法所需时间较长。目前，在配电系统的可靠性评估中还较少使用此种方法， 此方法主要用于发电系统和输电系统的可靠性评估中。 另外，还有一些智能算法( 包括神经网络法，模糊方法) 2 0 1 1 2 1 1 来评估配电 系统的可靠性，这些方法比较新颖，很好的运用了计算机的智能化特性。但是它 们应用不广，而且有些方法有待进一步深入研究。 1 4 2 可靠性应用软件现状 可靠性理论要得到在实际规划工程中的应用，并且有目的性的来指导配电系 统的规划，最佳的实现方式就是同电网规划软件结合起来，这将大大提高电网规 划人员的工作效率，也便于电网设计人员对数据的管理。 目前，使用的比较多的仿真软件主要有以下几种【2 2 j ： ( 1 ) d p i a n ：配电规划软件( d p i a n ) 是葡萄牙电力公司( e d p ) 最近引用 的一种新式规划工具，是由高等技术学院( 简称i s t ) 开发的。d p i a n 有两个设 计目的：运行规划和扩建规划。其基本功能是为所设计电网提供不同的解决方案， 包括电网电压和电流分析以及满载交流潮流时的损耗计算，节点和分支设备的投 资和安装费用，系统故障和可靠性分析。 ( 2 ) e d s a 电气系统设计分析软件：美国e d s a 公司开发的电气系统分析 软件包，是一个电力电气系统设计、分析、模拟、控制的综合性工具软件包。该 软件可分析最多包含2 0 0 0 各节点和8 0 0 0 条支路的复杂系统。e d s a 电气系统设 计分析软件包含交流短路计算、交流潮流计算、负荷预测、可靠性分析等多种功 能模块。 ( 3 ) n e p l a n e l e c t r i c i t y t 2 3 】：由瑞士b c p 公司开发。该软件是国家最先进 的电力系统规划软件之一，是面向对象、全图形支持、规划功能全面整合的。 n e p l a n 用于分析、规划、优化、管理电网，能够对所有电压等级的工业和消 费供给电网给与快速的计算和评价。它的模块化概念指的是电网规划工作者们将 他们各自的需求放在一起进行统一的规划。 ( 4 ) b p a 软件包( 中国版) ：中国版的b p a 程序是由中国电力科学院引进、 消化、吸收美国b p a 程序开发而成。从19 8 4 年开始在我国推广应用以来，已在 我国电力系统规划部门、调度运行部门、试验研究部门得到了广泛的应用，成为 我国电力系统分析计算的重要工具之一。程序中包括详细的发电机模型和各种励 磁模型，主要由潮流和暂态稳定程序构成，具有计算规模大、计算速度快、数值 稳定性好、功能强等特点。 第一章绪论 另外，还有其它一些国内外的电网分析计算软件，这些软件的功能以及应用 范围各不相同，分别有针对性的应用于电力系统的规划，潮流计算，稳定性等不 同领域当中，对电网的规划管理起到了一定的作用。但是这些软件中具有我国自 主知识产权的很少，有的软件已经十分老旧但仍在使用中( 如b p a ，p s a s p ) ， 而且很多国外的电网规划软件在我国的引进应用很少。 1 5 本文任务和结构 1 5 1 本文任务 针对配电系统规划可靠性分析的特点，本文主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 基于馈线分区的配电系统可靠性计算原理 配电系统一般为多分段多联络的树状网络，中间有大量的开关元件及保护装 置。可靠性的馈线分区算法络按照开关的不同种类、特点和开闭特性，分析开关 的影响范围，从而对电网进行分区。再针对每个分区计算故障指标，最后采用故 障模式后果分析法综合分析得到每个区间的可靠性指标进而得到负荷点和系统 的可靠性指标。 ( 2 ) 配电系统可靠性综合评估 配电系统分为不同的电压等级，可以分为输电系统( 1 1 0 k v 及以上) ，中高 压配电系统( 1 0 1 1 0 k v ) 和低压配电系统( o 4 k v ) 。一般来说，对于可靠性的 评估是对于1 0 k v 以上的配电系统，其中又包含高压配电网、变电站、中压配电 网这三个主要环节，本文将介绍一种简单易行的可靠性综合计算方法，计算配电 系统的综合可靠性指标。 ( 3 ) 基于可靠性计算的电网分析方法 评估配电系统的可靠性指标只是电网分析的一个初级功能，只完成了对电网 分析的第一步。如何将可靠性计算的结果应用到对于实际电网的规划设计当中是 一项十分有必要研究的问题，本文将基于可靠性计算结果对的电网分析的具体方 法做出阐述。阐述过程中融合了计算机软件技术的应用，强调了人机结合在电网 规划中的重要地位。 ( 4 ) 配电系统评估软件的开发和应用 基于上述研究成果，本文使用馈线分区的可靠性算法程序，在天大求实电力 新技术有限公司所开发的电网规划软件城市电网规划辅助决策系统c n p 4 o 的背景下，展开针对电网规划的可靠性分析功能开发。文章将系统的介绍评估软 件的开发以及功能实现，并且介绍软件对电网规划的指导作用等。 第一章绪论 1 5 2 文章结构 第一章为本文的绪论部分。 第二章主要介绍配电系统可靠性的基本模型理论以及基本的计算公式和指 标等。 第三章介绍配电系统可靠性计算和分析的方法。首先介绍了配电系统规划对 可靠性的要求；而后阐述了配电系统可靠性计算方法，提出了基于用户的可靠性 计算模型；再后重点对可靠性分析方法进行了说明。 第四章主要以软件开发部分内容为主，介绍城市电网规划辅助决策系统 c n p 4 0 ) ) 中的可靠性分析功能开发。 第五章使用c n p 4 0 系统对r b t s 2 算例和实际电网算例进行计算和分析， 讲解系统的实用价值。 第六章对全文进行总结并给出以后的发展方向。 第二章配电系统可靠性评估基本模型理论 第二章配电系统可靠性计算的基本模型理论 2 1 配电系统元件可靠性模型 电力系统主要由发电机，变压器，输电线路，开关，母线等电气设备组成， 这些设备统称为元件。这些元件当然有很多各自不同的内部结构，在分析中，我 们通常将元件内部不同原因所引起的元件功能失效统称为元件故障。 元件根据其使用的情况，可以分为两大类【4 】：不可修复元件和可修复元件。 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，或者要修 复也十分不经济；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投入使用后，如果损坏，仍能修复并恢复到原有的 功能而得以再次投入使用；这类元件的特点是其寿命流程由交替着的工作和修复 周期所组成。电力系统中除了个别元件( 如熔断器，电子元件等) ，其它绝大多 数元件属于可修复元件。本文仅对可修复元件的可靠性进行阐述。 2 1 1 可修复元件的可靠性模型 可修复元件的可靠性指标： ( 1 ) 工作寿命：指元件保持原定的技术指标，完成各项规定任务的时间。 一般使用平均无故障工作时间m t t f ( m e a nt i m et of a i l u r e ) 来衡量，它表示了 元件的工作寿命。另一个指标是平均相邻故障间隔时间m t b f ( m e a nt i m e b e t w e e nf a i l u r e ) ，它表示两次故障之间元件的使用寿命。 ( 2 ) 平均修复时间m t t r ( m e a nt i m et or e p a i r ) ：表示故障元件修复时间的 期望值。 ( 3 ) 可靠度r ( f ) ：可靠度是指元件在起始时刻正常的条件下，在时间区间 o ， ，f ) 不发生故障的概率。即： r ( t ) = e t f 】，t 0 ( 2 - 1 ) 它与元件的不可靠度只f ) 有如下关系： 、 。 r ( t ) + f ( t ) ；1 ( 2 2 ) ( 4 ) 故障率旯( f ) ：旯( f ) 是指一个元件在时刻t 以前正常工作的情况下，在 区间k f + 垃】期间发生故障的条件概率密度。一般情况下，电力系统中元件的故 障率旯( ，) 是一常数，则元件的寿命服从指数分布，由于指数分布的无记忆性和组 合元件时可简单累加等特性，将给系统可靠性的统计计算带来极大方便。 第二章配电系统可靠性评估基本模型理论 ( 5 ) 修复率( ，) ：表明可修复元件故障后修复的难易程度及效果。它定义 为元件在t 时刻前未被修复，而在t 时刻以后单位时间被修复的条件概率密度。 对于修复时间服从指数分布的情况，元件的修复率为一常数。 ( 6 ) 可用度a ( a v a i l a b i l i t y ) ：表示元件可以利用的程度。对于不可修复元件 可靠度r ( f ) 即可表示元件的可用度；对于可修复元件，另外必须考虑其维修度 m ( o ，将它与可靠度尺( f ) 结合起来以得到元件的可用度。最常用到的是用时间的 平均值来表示： 彳：丝!( 2 3 ) 2 1 2 电力系统中设备的状态 一个可修复元件的状态是指元件在特定时间里所处的特定状况。在电力系统 中，由于运行方式的不同，人为因素，以及不可预测的故障影响，各元件可能处 于不同的状态当中，大致可以划分为如下几种闭川嘲，如图2 1 所示： ，一、 i 系统中设备l i 的状态 i - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - ， 围 囤 图2 1 元件状态图 以上的各种状态都是互不相容的，一台设备在一个时刻只能处于一种状态， 各状态的定义如下： ( 1 ) 正在使用( a c t i v e ) ：指设备处于要进行统计、评价之列的状态。 ( 2 ) 可用( a v a i l a b l e ) ：指设备处于能运行的状态，不论其是否实际运行， 也不论运行容量的多少。 ( 3 ) 在运行( s e r v i c e ) ：指设备处于运行中，并和系统相连接。 ( 4 ) 停机备用( r e s e r v e ) ：指设备处于可用但不在运行的状态。 团团围困 固囫围 圈 团 回 第二章配电系统可靠性评估基本模型理论 ( 5 ) 不可用( u n a v a i l a b l e ) - 指设备因各种原因停运不能提供调度的状态。 ( 6 ) 计划停运( p l a n n e do u t a g e ) ：指设备预先有计划的从系统切除，进行 试验、维护或进行检修而处于不可用状态。 ( 7 ) 非计划停运( u n p l a n n e do u t a g e ) ：指设备处于不可用，但又不是计划 停运的状态。 ( 8 ) 停止使用( d e a c t i v e ) ：指由于与元件无关的原因( 如运行不经济，缺 乏燃料等) ，设备在较长期间处于不可使用的状态。 2 2 可修复元件的状态转移 从可修复元件的状态划分可以看出，系统的元件在通常情况下，主要处于工 作、停运备用和停运维修3 个状态。对于一个正在使用的元件来说，主要有可用 状态和不可用状态，不可用状态中计划停运状态是事先安排的，不可用状态中的 强迫停运状态是随机的。因此，除了计划停运以外，一个可修复的电力元件处在 可用状态或不可用状态是随机的。分析中有二状态模型和三状态模型。 2 2 1 二状态模型 二状态模型即包含可用和不可用状态的模型。可用状态，有时又称工作状态， 即元件处于可以执行它的规定功能的状态。工作状态持续的时间称为连续工作时 间。不可用状态有时又称为停运状态，即元件由于故障处于不能执行它的规定功 能的状态，停运状态持续的时间称为连续停运时间。这样，一个可修复元件的电 力元件的寿命过程，可用图2 2 表示，即整个寿命过程是处在不断交替的工作状 态和停运状态，因此称为双态模型。图2 2 中，记r r f 为连续工作时间，t t r 为连续停运时间。 状态 故障状态 “1 工作状态 “0 ， 图2 2 可修复元件的状态变化 第二章配电系统可靠性评估基本模型理论 正常应投入运行的元件，主要有工作、和停运维修2 个状态。处于运行状态 的元件，可以因为人为因素或继电保护动作而退出运行；处于停运状态的维修完 毕的元件，可以随时投运到系统中。因此，对于寿命为指数分布f 4 】的可修复元件， 用二状态模型的状态转移图表示元件的状态。如图2 3 所示： m 竺一三m 图2 3 元件的二状态模型 图中：表示元件的正常工作状态，r 表示元件的故障修复状态。 五为故障率，为故障修复率。 2 2 2 三状态模型 由于在正常的工作运行中，二状态模型过于简单，反映的元件状态不够全面， 因此，通常所使用的元件状态模型为三状态模型。所谓三状态模型，即包含有可 用、不可用以及检修状态的模型。 三状态模型在分析静态元件( 线路、开关、变压器等元件) 的状态中经常用 到。在二状态模型的基础上增加了元件的计划检修状态，计划检修的元件由于检 修退出运行，势必会对负荷供电造成一定的影响。假设计划检修的时间服从指数 分布【4 1 ，可以得到元件的三状态模型为： 图2 4 元件的三状态模型 图中：表示元件的正常运行状态，m 表示元件的检修状态，尺表示元件 韵故障修复状态，为计划检修率，为检修修复率，旯为故障率， 为故障修复率。 2 2 3 动态元件状态模型 在对于断路器装置的状态研究中，发现断路器等可操作元件具有可以改变网 络拓朴结构的功能，其动作将对网络运行造成重大影响，将其称作动态元件。断 1 2 - 第二章配电系统可靠性评估基本模型理论 路器的结构复杂，出现的故障形式多样，因此，对其需要进行特殊处理。断路器 的运行状态分为7 种，分别为正常运行状态、故障检修状态、l 临时检修状态、误 动状态、接地或绝缘故障状态、拒动状态和故障修复状态。将这些状态按照它们 对周围元件的影响及对系统的危害程度进行合并，可将故障检修、误动、故障修 复状态合并为修复状态，拒动状态与接地或绝缘故障状态合并为扩大型故障状 态。从而，可以得到简化合并后的活动元件状态模型如图2 - 5 所示： 图2 5 动态元件状态模型 图中：s 表示扩大型故障状态； 乃为活动故障率，胍为活动故障到修复状态的转移率； 其它符号含义与前文相同。 分析清楚元件的状态转移关系至关重要，尤其在对于处理网络中的静态元件 和动态元件的过程中要采用不同的方法，在后面的配电网可靠性评估算法中要区 别对待，使用不同的故障影响方法来统计可靠性参数。 2 3 可修复元件的故障模式影响分析 故障模式( f a i l u r em o d e ) 是故障的表现形式。在配电系统可靠性分析中，故 障模式是指配电网络中不同元件或元件组合发生的故障，分为非破坏性故障 ( n o n d a m a g e df a i l u r e ) 和破坏性故障( d a m a g e df a i l u r e ) 两种。元件的非破坏性 故障由于元件没有损坏，可以通过自动重合闸或者手动人工操作予以解除，一般 只造成瞬时或者暂时的停电，停电时间与元件的类型和人为工作方式有关。本文 研究的元件故障都属于元件的破坏性故障，即元件损坏必须维修。 ，故障影响( f a i l u r ee f f e c t ) 是指元件的每一种故障模式对元件自身、其他元件 以及系统功能、状态的影响。在本文研究的配电系统可靠性分析中，所关心的故 障影响是元件的故障模式对负荷点及系统可靠性指标的影响。 故障准则( f a i l u r ec r i t e r i a ) 是指判断系统在规定的条件下丧失规定功能的判 据。在分析故障影响时，首先必须明确故障准则。判断负荷点失效事件的准则可 第二章配电系统可靠性评估基本模型理论 以分为全部失去连续性事件和部分失去连续性事件两类： ( 1 ) 全部失去连续性事件( t o t a ll o s so f c o n t i n u i t y , t l o c ) 全部失去连续性事件又称结构性失效，是指元件故障造成负荷点和所有电源 点之间的所有通路都断开，导致该负荷点全部失去供电，即当负荷点的所有供电 通路都断开时，负荷点才失效。 ( 2 ) 部分失去连续性事件( p a r t i a ll o s so f c o n t i n u i t y , p l o c ) 部分失去连续性事件又称功能性失效，它考虑到各元件的负载能力和系统电 压约束。是指元件故障并未引起负荷点和所有电源之间的所有通路都断开，但是 可能造成网络违反约束条件，这时必须断开或削减某部分负荷以消除过载或电压 越限。这一类事件最初定义为质量降低，后来定义为p l o c 事件。 随着电力系统网络的发展，电网的规划以及建设将逐渐满足“n 1 条件， 即电网的任意主干线或者主变停运后，停电的用户负荷都可以由作为备用电源的 线路转带。t l o c 事件为本课题可靠性研究的主要停电事件，p l o c 事件则需要 研究网络的潮流约束以及负荷约束等多个约束条件后进行分析1 2 5 。 2 4 串并联系统的可靠性计算 2 4 1 串联系统 串联系统是指系统中任何一个元件的失效均会导致系统失效的一种系统，即 系统中的任何元件必须正常运行才会使整个系统保持正常运行。在配电系统中， 绝大多数元件都是串联组成的，模型图如图2 - 6 所示。 图2 - 6 串联系统 如把上图看为串联关系的电力系统，假设么端为电源，b 端为受电端，则处 于b 端的元件可以正常工作的条件是元件1 到，7 都运行正常。现将其等值为一个 元件，元件模型为： 、l 臣口j 图2 7 等值后的元件模型 第二章配电系统可靠性评估基本模型理论 如果元件l 到刀的寿命都服从于指数分布，其故障率分别为 到以，则将 元件1 到刀组合为一个等值元件后元件s 的故障率为： 以= 五( 2 - 4 ) ，= l 若元件的平均修复时间为，到h ，则将元件l 到玎组合为一个等值元件后元 件s 的平均修复时间为： 以 0 = 型_ 一 ( 2 - 5 ) 2 4 2 并联系统 并联系统是指所有元件失效才构成系统失效的系统，即只要有一个元件运 行，系统就可以保持正常运行。系统模型如图2 8 所示。 图2 8 并联系统 如把上图看为并联关系的电力系统，假设a 端为电源，b 端为受电端，则处 于b 端的元件可以正常工作的条件是元件1 到”中存在任一元件运行正常。现同 样将其等值为图2 7 所示的元件模型。 由于在配电系统中很少出现三阶以上的元件并联情况以及考虑到公式的复 杂性，这里仅给出二阶元件并联的公式。更高阶的并联公式可在此二阶公式的基 础上继续迭代推导而来。 如果元件的寿命都服从于指数分布，其故障率分别为 和厶，平均修复时 间为r j 和r 2 ，则二元件组合为一个等值元件后元件s 的故障率为： 允= 五( - + 吃) ( 2 _ 6 ) 。 两元件的组合故障时间为： 珞2 蔫 计算时要注意单位的转换，如果，和f 2 的单位为小时， ( 2 7 ) 则公式中的，和您 第二章配电系统可靠性评估基本模型理论 其单位应该为年，因此要将原有的，和功除以8 7 6 0 后代入。 2 5 配电系统可靠性指标 配电系统的可靠性指标主要分为系统可靠性指标和负荷点指标两种，前者主 要描述了配电系统整体的可靠性特征，后者主要描述了负荷点的可靠性指标。对 于电力公司来说，比较关心的是系统整体的可靠性指标、最差用户的可靠性指标 以及重要用户( 一、二级用户) 的可靠性指标；而对于用户则是关心其自身的用 电不受影响。 2 5 1 系统可靠性指标 系统的可靠性指标主要包括以下几种： ( 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 ) 系统平均停电频率指标是指每个由系统供电的用户在单位时间内( 通常采用 一年) 的平均停电次数。 黝一笔警= 器 协 式中：九一负荷点i 的平均停运率； m 一负荷点i 的用户数。 ( 2 ) 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 ) 系统平均停电持续时间指标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。 一= 型鬻裂塑= 磷 协” 式中：u 一负荷点i 的平均年停运时间； m 一负荷点i 的用户数。 ( 3 ) 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 yi n d e x ) 7 用户平均停电频率指标是指系统中每个受停电影响的用户在一年中的平均 停电次数。 c a i f i = 曩淼 协 ( 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 ra v e r a g ei n t e r r u p t i o nd u r a t i o n - 1 6 - 第二章配电系统可靠性评估基本模型理论 i n d e x ) 用户平均停电持续时间指