（电力系统及其自动化专业论文）配网可靠性相关问题的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配网可靠性相关问题的研究，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：盎查!日期：型! ：! ：皇! 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：鸯水可 日期：2 堕墨：! 兰 导师签名：弛乏 日期：型1 二! ：! 兰 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 配电系统的概念和特点 电力系统可以分为发电、输电、配电三大系统。配电系统是处于电力系 统的末端，把电源系统或输变电系统与用户设施连接起来，向用户分配电能 和供应电能的重要环节，包括配电变电所、高低压配电线路以及接户线在内 的整个配电网络及其设备【l 】。 配电系统与输电系统紧密相连，但随着城市供电容量及供电范围的不断 扩大，在一些特大城市如北京、上海等地，目前已将2 2 0 k v 电压引入市区进 行配电。因此，配电系统一般很难简单地从电压等级上与输变电系统划分或 定义，而是以其功能和作用来定义和区分配电系统在许多方面有别于输电 系统，其主要特点是： ( 1 ) 配电系统的接线方式具有树状、环状、网状等多种接线方式，但 现在最常用的是环网接线，开环运行而形成辐射形的供电方式。即环状设计， 开环运行； ( 2 ) 配电系统的支路电阻与电抗比r x 一般比较大，其并联电导和容纳 很小，可以忽略不计。 ( 3 ) 配电系统经常处于不平衡多相运行状态。 ( 4 ) 配电系统设备种类多，数量庞大，分散面广。 1 2 配电系统可靠。性评估的重要意义 随着人们生活水平的日益提高和电器的广泛普及，用户对电力系统供电 可靠性的要求也越来越高。配电系统可靠性作为电力系统可靠性的一个重要 组成部分，越来越引起人们的重视。 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，向用户供 应电能和分配电能的重要环节。一旦配电系统设备发生故障或进行检修、试 验，就会同时造成系统对用户供电的中断。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的故障引起的。也就是说，配电系统对 用户供电可靠性的影响最大。 随着科学技术的发展，以电子学为中心的技术飞速发展，以计算机为代 表的高度信息化设备的广泛普及，用户对配电系统的要求也越来越高。配电 系统在整个电力系统可靠性工程中也具有极为重要的地位。 华北电力大学硕士学位论文 随着电力市场的开放，电力企业的经营和管理策略逐步从生产管理转移 到面向用户、以用户为中心上来。供电可靠性，提高用户对企业的信任对电 力企业自身的发展关系越来越大。 因此，对配电系统可靠性的研究与应用与电力系统可靠性一样，是保证 供电质量、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，提高经济效益和社会效益，进行城市网络建设和改造有着重要的 作用。 1 3 配电网可靠性研究的对象，特点和内容 1 3 1 配电系统可靠性研究的对象 在电力领域中，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，运行过程中所体现的特性及状态，以及与配电系统相关联的发电、 输变电以至用户各个环节、各种设备带来的影响等。 1 3 2 配电系统可靠性研究的特点 配电系统可靠性评估包括可靠性原始数据的搜集和整理、可靠性指标的 确定、可靠性评估模型的确立、可靠性评估软件的开发以及增强性措施的分 析等几个方面，研究的过程有以下几个特点： ( 1 ) 配电系统是电力系统与用户间的桥梁，因此，配电系统可靠性应 该以改善和提高配电系统对用户的供电能力和供电质量为目的，确定可靠性 指标，然后在此基础上，制定整个系统的可靠性指标。 ( 2 ) 配电系统设备种类多，数量庞大，分散面广。设备的型号、规格、 容量和数量也随着用户及负荷的变化、检修方式的变化而不断变化。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，负荷的性质和容量 不同而有所不同。因此，配电系统设备和元件的特性数据和原始参数必须通 过长期的、连续的统计才能反映其真实规律。 ( 3 ) 由于不同地区配电系统的结构、运行方式、设备水平、用户需求 各不相同，对可靠性评估的侧重点和要求也不同。因此，在配电系统可靠性 评估中，应结合配电系统自身的特点，选择合适的模型和方法。 ( 4 ) 配电系统可靠性取决于配电设备的特性和配电网络的结构。在选 择提高和改善配电系统可靠性的对策和措施时，一方面可以通过网络重构， 即改变主干线上开关的状态，来提高网络的可靠性。另一方面也可通过改进 2 华北电力大学硕士学位论文 生产技术或新建、改建电力设施，来提高系统可靠性。 1 3 3 配电系统可靠性研究的内容 配电系统可靠性研究的内容包括： ( 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 ) 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。 1 4 国内外配电系统可靠性研究的进展 近3 0 年来，世界各国特别是工业技术发展较快的先进国家都普遍的开 展了配电系统可靠性的研究和应用，并已取得了很多的成果。英国早在6 0 年代就开始了配电系统可靠性的研究，并于1 9 7 8 年发布了工程导则p 2 5 供 电安全导则，该文件对恢复负荷的时间做了明确规定。加拿大早在4 0 年代 就开始认识到了用定量的条件来描述电力系统供电充裕度的必要性，并于 1 9 7 6 年制定了配电系统可靠性工程指南，该指南提供了能够对供电有效 度进行定量评价，且量度参数大体一致的方法。日本，美国和法国等国家也 都制定自己的关于配网可靠性文件。 随着这些国家对配电网可靠性的重视和深入研究，可靠性已达到了相当 高的程度。据统计【2 】，1 9 8 0 - 1 9 8 5 年，美国和英国用户年平均故障停电时间 仅约为7 0 m i n ，法国约为3 0 0 r a i n 。日本则降低到约0 3 8 次年和3 0 m i n 年的 水平，加拿大1 9 9 8 年的统计五年平均3 7 1 小时年而我国的可靠性水平同 这些发达国家相比，差距较大。有关资料显示，1 9 9 4 年全国1 7 4 个主要城市 配电系统，用户供电可靠率最高的是9 9 8 5 ，相当于年平均停电时间1 3 1 4 小时年户；用户供电可靠率最低是9 5 7 4 1 ，相当于年平均停电时间3 7 3 0 8 8 小时| 年产。 我国已经认识到了配电网可靠性的重要性，并于近十多年来有组织、有 计划的开展了配电系统可靠性的研究和应用，制定了配电系统可靠性的统计 办法及程序，建立了有效的配电系统可靠性数据信息库和可靠性管理体系， 3 华北电力大学硕士学位论文 开展了广泛的学术交流、经验交流和培训教育。目前，配电系统可靠性统计 分析和应用工作，除全国重点城市及沿海开放城市外，几乎已遍及全国，并 正在逐步深入和全面地发展。 1 5 本文的主要工作 结合国内外关于配网可靠性的研究现状，本文对配电系统的风险分析评 估，可靠性评估算法和可靠性与经济性之间的协调等几个方面进行了研究。 主要工作如下： ( 1 ) 本文以不满足“n 1 ”安全准则的变电站为研究对象，提出了可用 容量和风险时间的概念，通过对历史负荷数据的分析得到年平均停电时间和 年失供电量这两项可靠性指标，对该站的风险进行了分析评估。 ( 2 ) 本文采用面向对象的v c + + 实现了故障遍历法和前推回代潮流法。 并采用了隔离块的思想，使得故障枚举数量大大降低，提高7 计算速度。 ( 3 ) 本文研究了可靠性与经济性之间的协调问题，建立了成本效益模 型，并求取了最优可靠度方案。 4 华北电力大学硕士学位论文 第二章配电系统可靠性评估的基础理论 2 1 配电系统可靠性评估指标 配电系统可靠性指标是衡量系统可靠性的标准和依据。可靠性指标最早 由爱迪生电力研究所( e e l ) 、美国公共电力联合会( a p p a ) 和加拿大电力联合 会( c e a ) 提出，并于1 9 9 8 年成为i e e e 试行标准。经过近些年不断的完善和 发展，已经形成了一套成熟的指标体系。 2 1 1 指标建立的原则 配电系统可靠性评估指标是衡量系统可靠性的标准和依据。可靠性指标 建立的原则如下： ( 1 ) 配电系统可靠性指标具有明确的物理意义，能够从某一角度反映 配电系统及其设备的结构、特性、运行状况以及对用户的影响，并能作为衡 量的尺度。 ( 2 ) 配电系统可靠性指标应该并可以从配电系统运行的历史数据中计 算出来。 ( 3 ) 配电系统可靠性指标应该并可以应用配电系统可靠性计算技术， 从元件数据中计算出来。 2 1 2 分类指标 配电系统可靠性指标按功能可分为配电设备可靠性指标，与用户有关的 配电系统可靠性指标和与负荷有关的指标。 a ) 配电设备可靠性指标 配电设备可靠性指标一般有以下四项： 1 故障率a ，量纲为次年，表示元件在单位时间内发生故障的概率； 2 平均故障修复时间r ，量纲为小时次，表示修复元件平均需要的时间； 3 计划检修率a ，量纲为次年，表示单位时间内对元件进行计划检修的概 率； 4 平均检修持续时间，量纲为小时次，表示计划检修一个元件平均所 需的时间。 b ) 与用户有关的配电系统可靠性指标 与用户有关的配电系统可靠性指标一般有以下六项： 1 系统平均停电频率指标( s a i f i ) ，量纲为次( 用户年) ； 一= 等 华北电力大学硕士学位论文 2 用户平均停电频率指标( c a i f i ) ，量纲为次( 停电用户年) c a i f i = 茹蓦淼 3 系统平均停电持续时间指标( s a i d i ) ，量纲为m i n ( 用户年) 或 h ( 用户年) ； s a i d i = 型驽铲 4 用户平均停电持续时间指标( c a i d i ) ，量纲为m i n ( 用户年) 或 h ( 用户年) ； c a i d i = 笔鬻篙学 5 平均供电可用率指标( a s a i ) 4 跚= 器裂器熹 6 平均供电不可用率指标( a s u i ) a s u i = i - 平均供电可用率指标= i - - a s a i ：l 一 旦皇篁堡皇墨! 盟塑 用户要求供电总小时数 c ) 与负荷电量有关的可靠性指标 1 平均系统缺电指标a s c i ，量纲为k w h 用户 4 s c i = 酱 2 缺供电量期望值e e n s ，量纲为k w j i i 年，表示指系统在一年中因停 电而造成用户总的电量损失。 e e n s = 乞q f 式中：瓦一连接在负荷点i 的平均负荷 以一年停电时间 上述这些指标，既可用于现有配电系统可靠性的统计分析( 即评估过 6 华北电力大学硕士学位论文 去) ，又可以进行预测配电系统未来的可靠性。对过去的评估既可以确定系 统行为的年度变化，从而确定系统的薄弱环节及需要采取的增强性措施，又 可以依次制定指标，作为未来可靠性评估的参考，而且可以通过预测同实际 运行情况进行比较，应用非常广泛。 2 2 配电系统可靠性评估方法综述 通过配电系统评估方法可以计算出配电系统可靠性指标。配电系统评估 方法有很多，最基本的方法包括解析法和模拟法。解析法主要包括故障模式 后果分析法( f a i l u r e m o d e a n d e f f e c t a n a l y s i s ) 、最小路法、最小割集法、 故障遍历算法、网络等值法和故障扩散法等；模拟法主要包括蒙特卡洛法等。 其中应用比较广泛，并已经实践证明比较切合实际，能够反映配电系统结构 和运行特性的，是以元件组合关系为基础的故障模式后果分析法。 在西方一些较早进入工业化时代且工业相对发达的国家，如英国、加拿 大等对供电可靠性的研究起步较早。特别是近三十年来，自动化、信息化迅 速发展、家庭生活的电气化使客户对电能质量越来越重视，配电系统可靠性 也越来越为人们所重视，普遍开展了配电系统可靠性研究和应用。大批专家 和学者投入到此领域中，取得了很大的成果，使可靠性的研究日趋成熟。 1 ) 故障模式后果分析法 4 】 故障模式后果分析法为传统的配电网可靠性评估方法。这种方法通过对 系统中的所有状态的搜索，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，最后 在此状态集合的基础上，求得系统的可靠性指标。 该法原理简单、清晰、模型准确，已广泛用于辐射形配电网的可靠性评 估。但是，它的计算量随着元件数目的增长成指数增长，所以，当配电网结 构比较复杂，元件数目增多时，系统故障模式急剧增加，计算将变得冗长繁 琐。因此，用故障模式后果分析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 ) 网络等值法【5 卜【9 】 网络等值法也是一种重要的配电网可靠性评估方法，它是利用网络等值 对复杂网络进行等效简化，然后利用f m e a 法求解可靠性指标。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。 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 7 华北电力大学硕士学位论文 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。 3 ) 最小路法f 1 0 卜【1 2 】 该算法将网络经过简化求取其最小路( 一个负荷点只有一条) ，将非最 小路上的元件故障对负荷点可靠性的影响，根据具体情况归算到相应的最小 路的节点上，从而对于每个负荷点，只对其最小路上的元件和节点进行计算 即可得到负荷点相应的各种可靠性指标。 该算法考虑了分支线保护、隔离开关、分段断路器的影响，考虑了计划 检修的影响，并且能够处理有无备用电源和有无备用变压器的情况。当系统 复杂时，最小路的求取需花费大量时间，计算复杂性较大。 4 ) 最小路法与等值法相结合的评估方法 1 3 】 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是首先通过 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算系统的可靠性指标，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。 5 ) 向量法 1 4 】 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f m e a 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， 方便地求得带子馈线、备用电源的复杂配电网络的可靠性指标。在最小路馈 线段行向量生成后，计算中不需要再考虑网络结构，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。 6 ) 基于故障遍历法的可靠性算法【1 5 】 1 7 】 故障遍历算法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。该方法用于系统的可靠性经济评价及配电系统的网络规划时，能利用树 的添加和删除操作方便地改变配电网络的拓扑结构，动态地表示配电网络的 各种结构，因而能更好地适应配电系统可靠性的实时评估和优化。 7 ) 蒙特卡洛模拟法 1 8 1 1 9 1 蒙特卡洛法是基于计算机随机实验的。它将系统分成许多元件，这些元 件的特性可通过概率分布加以估计，通过采样实验求得结果，实际上是一种 统计实验。它用数值计算方法去模拟一个真实的实际过程，这个过程可以是 确定性的，也可以是随机性的，统计模拟的结果就得到所需要的可靠性指标 的估计值。 由蒙特卡罗法的机理可知，当系统规模比较小时蒙特卡罗法会显得比较 华北电力大学硕士学位论文 耗时，而当系统规模比较大时采用解析法会显得非常复杂，就会体现出蒙特 卡罗法的优越性。 2 3 配电系统元件可靠性模型 配电系统的设备数量和种类很多，主要包含架空线路、电缆线路、配电 变压器、母线、断路器、隔离开关和熔断器等主要设备。要研究配电系统的 可靠性，就需要研究元件的可靠性模型。 根据配网系统元件的使用情况，一般可以将其化分为两大类：不可修复元 件和可修复元件。不可修复元件投入使用后，一旦损坏，在技术上就无法修 复，或者即便可以修复，在经济上也很不划算；可修复元件是指元件投入使用 后，如果损坏，仍能修复并且能够恢复到原有的功能而得以再投入使用，因 此可修复元件的寿命流程由交替着的工作和修复周期所组成。虽然在许多应 用场合不可修复元件占优势，但对电力系统来说，绝大部分元件是可修复元 件，因此本文主要考虑可修复元件的可靠性。 n 为正常运行状蠢；r 为故障修复状态；m 为计 划捡修状态；势诗翅i 检修搴i i 为诗翅检修率i 为故簿搴；i i i 为馥簿修复奉 图2 - 1 兀件的三状态模型 对于架空线路、配电变压器、电缆、隔离开关、熔断器等元件，采用三 状态模型模拟，如图2 1 所示。 断路器属于可操作元件，其操作结果可以改变系统接线的拓扑结构，对 系统运行有着严重的影响。而且，断路器其本身结构复杂，动作部件多，故 障形式多种多样，所以断路器的可靠性模型需要特别处理，断路器有7 种运 行状态，分别为正常运行状态、故障检修状态、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，这样将临时检修、误动、故障 修复状态近似合并为修复状态( r 状态) ，拒动状态与接地或绝缘故障状态合 华北电力大学硕士学位论文 并为扩大型故障状态( ( s 状态) ，合并以后，断路器的等效模型如图2 - 2 所示。 2 4 小结 图2 - 2 断路器7 状态模型 本章总结和介绍了配电系统可靠性评估的基础理论，主要内容如下： ( 1 ) 配电系统可靠性指标是体现配电系统可靠性的基本依据。本文总 结了可靠性指标建立的原则及配电设备可靠性指标，与用户有关的配电系统 可靠性预测评估指标以及与负荷电量有关的可靠性指标。 ( 2 ) 通过配电系统评估方法可以计算出配电系统可靠性指标。本文总 结了现有的配电系统可靠性评估方法，归纳出各种方法的优缺点及适用范 围。 ( 3 ) 介绍了配电系统中架空线路、配电变压器、电缆、隔离开关、熔 断器等元件的三状态可靠性模型以及断路器的7 状态可靠性模型。 l o 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于可靠性理论的配电系统风险分析 3 1 引言 我国城市电网长期落后城市经济的发展，网架结构薄弱，电网供电能力 不足，电源建设欠账较多。负荷增长过快，设备容量不足，区段之间切换能 力差，难以达到“n 一1 ”安全准则，供电可靠性差。特别是变压器和电缆线 路在夏季高峰期间，过载和满载已占了相当多的比例。如何研究这些设备在 过载情况下的风险已经成为人们关心的问题。 风险定义为“生命与财产损失或损伤的概率”【2 1 1 。则配电系统的风险 可定义为因停电而造成的用户损失的概率。在本文中，风险将以年平均停电 时间和年失供电量的期望值这两项可靠性指标来进行评价。本文以不满足 “n - 1 ”安全准则的变电站为研究对象，采用可靠性理论，通过对历史负荷 数据分析计算得到这两项指标以对该站的风险进行分析评估。 3 2 配电系统停电分类 图3 - 1 配电系统停电分类示意图 配电系统停电按性质可分为故障停电和计划停电【l 】。故障停电又可分为 内部故障停电和外部故障停电。作业停电可分为临时停电和计划停电。每种 停电又可以细分2 到3 种停电形式，如图3 - 1 所示。 外部故障停电是指凡属本局管辖范围以外的电网或设备等故障引起的 华北电力大学硕士学位论文 停电( 包括由用户引起的停电) 。而内部故障停电是指本局管辖范围以内的 电网或设备等故障引起的停电。本文只考虑内部故障停电，对变电站的外部 故障和供电系统限电而引起的停电不予考虑。 计划停电又可以分为检修停电，施工停电和用户申请停电。本文只考虑 检修停电，对旌工停电和用户申请停电不予考虑。临时停电和供电系统限电 同样在文中不予考虑。 文中考虑的停电持续时间是指供电系统由停止对用户供电到恢复供电 的时间段，以小时h 表示。 本文所考虑的各种故障如图3 2 所示。 图3 - 2 本文所考虑的停电类型 3 3t l o c 年平均停电时间和失供负荷计算 本文所研究的停电类型又可分为t l o c 事件和p l o c 事件两类。t l o c 是指当负荷点和所有电源点之间的所有通路都断开时导致的该负荷点全部 失电 3 】，即为负荷全失的情况。高压和低压母线发生故障，进线，变压器和 断路器组成的系统发生重叠故障，一条高压进线计划检修期间另一条高压进 线发生故障都可引起变电站全停。变电站全停将会失去所有的负荷。假设故 障是在该年内随机出现的，失供负荷的期望值就是变电站全年的平均负荷。 华北电力大学硕士学位论文 3 3 1 母线故障和进线重叠故障 母线故障包括高压母线故障和低压母线故障。影响母线的断路器故障的 数据包括在母线故障率中，则母线故障率以为高低压母线故障率如，心之 和： 丸= 屯+ 力 ( 3 - 3 ) 由进线，变压器和断路器组成的进线系统发生重叠故障的故障率勺为： 五，以t ( a j 2 ：) + 乃z ( 五- ) ( 3 - 4 ) 式3 - 4 中： 以- 和 ：是各条进线系统的平均停电率，和：是各线路独立时 的平均停电时问 因此，进线系统重叠故障的年平均停电时间。p 为： 配= 五五而r a ( 3 5 ) 定义鸩是变电站年最大负荷，z 是全年负荷分析得出的负载率。则母 线故障，进线重叠故障导致的平均失供负荷为： k 。必z ( 3 6 ) 3 3 2 检修期间进线系统故障 当检修停运期间的进线系统发生故障，平均失供负荷为检修期间的变电站平 均负荷。国内的变电站检修一般在春季和秋季，因为夏季和冬季的负荷较大，且 气候严酷，一般不安排在这两季检修。很明显，检修期间的平均负荷要低于全年 的平均负荷。而检修时间都是由供电部门安排好的，时问相对比较固定。 变电站的春季和秋季的最大负荷是由m ，表示的，该期间的负载率厶，则由 于维护期间的重叠故障而引起的失供负荷厶埘为； k 2 以厶 ( 3 7 ) 3 4 可用容量和风险时间的概念 为了研究p l o c 事件中变电站失去负荷的多少，本文提出了可用容量和 风险事件的概念。 3 4 1 可用容量 配电系统为达到“n 1 ”安全准则，则设备需要满足相应的设备运行率。 在此分析的基础上，本文提出了可用容量的概念。 可用容量f 的定义如下： 华北电力大学硕士学位论文 f = k ( u - o s + s ( 3 8 ) 式中： k 变压器短时的容许过负荷率，本文中一律取1 3 n 一一变压器台数 s - - 单台变压器额定容量 咒转供容量 在故障发生后需要开关操作之前的可转供容量咒为0 ，即此时不能进行开关 操作以转供多余的负荷，此时的可用容m - f o 为： 磊= k ( n - i ) s ( 3 9 ) 图3 - 3 可用容量示意图 上图为可用容量示意图。图中曲线为在一天2 4 小时内的变电站负荷曲 线( 数据为每- - 4 , 时整点时的负荷) 。r o 和f 即为可用容量，其中r o 为6 0 m w ， 转供容量为i o m w ，则考虑转供容量的可用容量f 为7 0 m w 。r o 和f 分别在 图中以对应负荷大小的横线来表示。图中可见，自上午9 时自下午1 5 时， 负荷持续走高，此期间的负荷超过可用容量f ，而在下午1 3 时变电站负荷略 有下降。上午7 时，8 时和下午1 8 时，1 9 时和2 0 时的负荷超过r o ，却低于 f 。 通过对比配电网“n - 1 ”安全准则和可用容量，我们发现，只有在负荷 在所有的时间内都低于可用容量时，我们才能说设备满足“n - 1 ”安全准则。 反之则设备没有满足“n - 1 ”安全准则。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 3 4 2 风险时间 目前国内很多设备不满足“n 1 ”安全准则，在高负荷率下运行，从而 使得变电站或者线缆的负荷超过可用容量的时间较长。如果在此期间发生故 障，必须得切掉这些多余的负荷。根据多余负荷的大小和转供的能力，通过将 高压馈线接到其它电源上，可以恢复部分用户或者全部用户的供电。负荷超过 可用容量f o 的期间，本文定义为风险时间。 负 荷 、 、1 气广卜俨百一卜百一 时间 图3 - 4 风险时间示意图 图3 5 年负荷持续时间与可用容量示意图 图3 3 中 ，噍，如丸即为风险时间。 3 5p l o c 年平均停电时间和失供负荷计算 p l o c 是指部分失去连续性事件，它考虑到各元件的负载能力和系统电 压约束，则必须断开或者削减某一点的负荷以消除过载电压越限。变电站的 华北电力大学硕士学位论文 p l o c 事件包括风险时间内一条进线发生故障后开关操作导致的部分失负荷 事件和开关操作后紧急快修导致的部分失负荷事件。在本文的研究中，部分 失负荷事件是指变电站负荷超过可用容量的时候一条进线发生故障( 即为 n 1 故障) 导致部分负荷失去的情况。 3 5 1 开关操作对年平均停电时间的贡献 假定一年中负荷超过可用容量f 0 的时间段为啊，岛，通过开关操 作转移到邻近配网回路上的时间是t 。 如果单条进线系统故障停电发生在 ，如，鬼吒期间或者t 期间( a p f + ，f + 岛，f + 玛，f + 吃期间) ，就会有用户失去负荷。 因此，假设 ，如，岛吒之间的时间远远大于t ，则单条进线故障导致失 去负荷的时间为： h + ，l t ( 3 1 0 ) 式3 1 0 中： h = 呜，是一年之中负荷超过可用容量的所有时间之和。 负 荷 、 卅1 广卜俨百叫卜 图3 - 6 负荷与可用容量的关系示意图 如果风险时间内发生故障，就需要快速切除负荷，停电时间则为开关操 作时间t 然而，如果在故障发生之后开关操作的时间t 内负荷超过可用容 量，切除负荷就会被延迟，则由开关操作引起的停电持续时间仅仅是操作时 间t 的一部分。平均停电时间t 取决于开关操作时间的长短。事实上这个分 布是指数的，平均停电时间等于平均操作时间t 。 回路j 快速断电的停电故障率为： “2 “。 ( 3 - 1 1 ) 1 6 华北电力大学硕士学位论文 回路j 延迟停电的俘电故障翠为： a 酊2 五h f ( 3 1 2 ) 因此，n - 1 故障下两条进线所有的停电故障率为： 名2 ( a ，l + 五，：) ( h + f ) ( 3 1 3 ) 开关操作时间对快速断电的年平均停电时间的期望值叱的贡献为： 玑2 【厶+ 以2 ) h t ( 3 1 4 ) 因开关操作导致的延迟停电时间，采用近似平均断电时间t ，| ，则为： = ( 乃i + 五2 ) 一t ( 3 1 5 ) 将快速断电时间和延迟断电时间累加，得出由于开关操作导致年平均停电时 间为： u 。= l4 - 以2 ) ( f + n t t + ) ( 3 1 6 ) 由于对快速断电和延迟断电操作的平均停电时间的t ，则为 f ；监：! ! ! ! ：! ： 五f 。 + 一f 3 5 2 开关操作期间的失供负荷 假设有u 条低压馈线，每条低压馈线都负担同样数量的负荷。当负荷超过可 用容量时一条进线系统发生故障，开关倒闸操作导期问的失供负荷厶则由下式 给出： 厶= 吩+ 鸠去 ( s 郴) 式3 - 1 8 中，以为风险时间内的平均负荷，u 为低压馈线数， 乞为年最大负 荷。这是考虑了过负荷时保护装置起作用切掉部分低压馈线的影响。 3 5 3 临时维修对年平均停电时间的贡献 如果转供之后的剩余最大负荷仍超过可用容量f ，将会有部分负荷因此 而失去，并且需要临时检修来恢复负荷。临时检修对年平均停电时间的贡献 的计算方法与3 5 1 相同，只不过将开关操作时间t 换成了紧急修复时间，= i 。 通过负荷分析我们可以得到当负荷超过剩余容量时，一条进线故障维修 期间的故障率为： 丸2 ( 五l + 五2 ) ( 吩+ 吩乞) ( 3 1 9 ) 式3 1 9 中：是转供后剩余的负荷超过可用容量的时间，是转供后 1 7 华北电力大学硕士学位论文 剩余的负荷超过可用容量的次数，：i 是一条线路故障发生之后，开关操作以 后的紧急修复时间。 通过将转供后剩余负荷超过可用容量的时间i 除以转供后剩余负荷超 过可用容量的次数，可以得到转供后剩余负荷超过可用容量的平均时间 t ： 以：生 ( 3 2 0 ) 平均停电时间匝则为： 4 = 耘 b z 。 将前面关于以和4 的表达式代入，得到年停电时间期望值【0 ： = 丸= ( 五。+ 五：) 曩吒 ( 3 2 2 ) 3 5 4 临时维修期间的失供负荷 在f 临时维修期间，尽管系统没有自动切负荷，变电站的负荷仍然在可用容量f 之内。故障后临时检修期间的失供负荷的多余值同前面一样。平均失供负荷为： k = 吩一r + 五1 ( 3 - 2 3 ) 式3 - 2 3 中，t 为在最大负荷期间被转供的负荷。m ，为风险时间内的平均负 荷，u 为低压馈线数， 毛为年最大负荷。 3 6 实际算例 本文以某市钟山变电站和叶厝变电站0 5 年的负荷数据为例来对这些变电站 的风险加以评估。 各变电站情况见表3 1 表3 1变电站配置情况表 l o k v 可出1 0 k v 已用 变电站名 电压等级容量 主变台数 容量构成 线间隔总出线间隔 称 ( k v )( m v a )( 台)( m v a )致 数 负载率( m 钟山2 2 0 1 1 0 ，1 02 4 0 2 2 x 1 2 02 22 0 7 4 华北电力大学硕士学位论文 3 6 1 假设条件 以下进行的计算基于以下假设条件： ( 1 ) 各元件的每年故障率和平均停电时间如表所示 平均停电时间 元件故障率( 次年) 小时 年 1 l o k v 母线 0 0 0 l20 0 0 0 2 3 1 1 0 k v 断路器 0 0 0 37 6o 0 0 8 7 1 l o k v 架空线0 12 0 00 0 2 2 8 l l o l o k v 变压器 0 0 1 53 5 00 0 4 l o k v 开关0 0 0 3 2 4o 0 0 2 7 l o k v 母线o 0 0 l20 0 0 0 2 3 ( 2 ) 影响母线的断路器故障的数据包括在母线故障率中。 ( 3 ) 发生故障之后转供负荷所需要的操作时间t 为两个小时 ( 4 ) 发生单条线路和双条线路重叠故障之后，紧接转供负荷的快速修理时 间为5 0 个小时 ( 5 ) 检修时间为每年8 0 个小时，检修期间发生故障的恢复时间为4 个小时 目前国内的变电站日报表记录的是整点时刻的有功负荷或者电流。可近 似的认为该小时的平均负荷为整点时刻的负荷值，则该小时的用电量也为此 值乘以单位小时，二者在数值上是相同的。一年内的电量即为善m 。吮为 全年8 7 6 0 小时的整点有功负荷的最大值，此时认为它为该变电站年最大负 荷。心为全年8 7 6 0 小时的整点有功负荷的平均值，此时认为它为该变电站 年平均负荷。 3 6 2 钟山变负荷数据分析 钟山变是2 2 0 1 1 0 1 0k v 变电站，为厦门市城市电网的电源点，对厦门市的 城市供电起着重要的作用。在0 5 年整点小时数负荷数据的基础上，对其负荷特 性进行分析。为了说明问题，我们对其典型日负荷曲线，年持续负荷曲线进行研 究。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 典型日的负荷曲线选取有三种方法：第一种选取日负荷率与月平均日负荷率 最接近、且负荷曲线无异常畸变的日负荷曲线作为该月的典型日负荷曲线。第二 种是选取每月某一固定工作日，取每月第三周的第三个工作日作为典型日。第三 种是选取最大负荷日作为典型日。本文在这里选取第一种方法来选取典型目的负 荷曲线。 图3 - 6 钟山变典型日负荷曲线 钟山变典型日负荷曲线图显示，该站日负荷曲线较为平缓，仅在上午9 时至1 1 时的早高峰负荷较大，其余时间负荷波动不大，且负荷都在可用容 量之下。风险时间即使在夏季早高峰或者晚高峰出现，也是为时很短的。该 站在风险时间内由于负荷较大出现故障的概率很小。 年持续负荷曲线是按一年中负荷的数值大小及其持续小时数j 嗳序绘制的曲 线。通过该曲线可以形象地看出变电站的负荷对应的持续时间，并且可以很方便 的知道风险时间。 可用容量为( 2 1 ) 1 2 0 1 3 = 1 5 6 m w 。风险时间为8 6 0 个小时，+ 且大多出现 在夏季的早高峰和晚高峰。风险时问不到全年8 7 6 0 小时的1 。从负荷数据来看， 该变电站并不满足n 1 准则，但它的风险时间较小，故障停电时间的年期望值较 小，年失供电量仅为全年电量的0 0 3 。由此例可以看出，尽管有些情况下设备 不满足n 1 准则，但负荷超过可用容量的时间较少，风险性不大，不需要改造。 华北电力大学硕士学位论文 图3 _ 4 钟山变年持续负荷曲线 表3 1钟山变年停电时间表 用户停电时间 故障模式平均停电时间 年平均停电时间 故障率 ( 小时)( 小时) 母线故障 o 0 0 22 0 0 0 4 重叠故障o 0 0 0 7 l5 30 0 3 8 计划检修故障 0 0 0 0 2 240 0 0 0 8 8 风险时间内发开关操作所致 o 1 0 82 o0 2 1 6 生故障临时维修所致 0 4 2 3 7 2 1 5 6 表3 - 2钟山变年失供电量表 用户失供电量 故障模式 平均失供负荷0 4 w )失供电量( k w h ) 母线故障 2 0 58 2 重叠故障 1 7 16 5 0 计划检修故障 1 7 51 5 风险时间发生故 开关操作所致2 86 0 5 0 障 临时维修所致 3 7 25 8 0 0 2 l 华北电力大学硕士学位论文 3 6 3 叶厝变负荷数据分析 叶厝变为1 1 0 k v 变电站，有2 台3 1 5 m v a 的主变。1 0 k v 出线总数为2 3 条， 0 5 年负荷率为9 4 ，远超过满足n - l 准则所要求的6 6 图3 - 6 叶厝燹典型日负荷曲线 叶厝变电站的典型日负荷曲线如上图所示。从图中可见，负荷超过可用容量 的时间集中出现在夏季早高峰和晚高峰，个别时间出现在冬季晚高峰，并且负荷 超过可用容量的持续时间较长。在夏季7 月负荷较大的日子里，风险时间可超过 9 个小时。 通过对叶厝变电站0 5 年的全年整点负荷数据分析，风险时间为3 0 2 2 个小时， 负荷超过可用容量的次数为4 3 4 次。负荷转供后的风险时间为1 0 6 8 5 小时，负 荷超过可用容量的次数为2 7 0 次。全年失供电量达到了1 3 8 7 6 k w h ，为全年电量 的2 7 3 ，可见风险是很大的，可结合具体情况对变电站加以改造。 现将该变电站的年停电时间和失供电量列在表3 - 1 和表3 - 2 中。 表3 - 3叶厝变年停电时间表 用户停电时间 故障模式 平均停电时问年平均停电时间 故障率 ( 小时)( 小时) 母线故障 o 0 0 22o 0 0 4 重叠故障 0 0 0 0 7 1 5 3o 0 3 8 华北电力大学硕士学位论文 计划检修故障o ，0 0 0 2 2 4 o 0 0 0 8 8 风险时间内发开关操作所致 0 1 0 82 oo 2 1 6 生故障临时维修所致 0 4 23 7 21 5 6 表3 - 4叶厝变年失供电量表 用户失供电量 故障模式 平均失供负荷( m w )失供电量( k w h ) 母线故障2 0 58 2 重叠故障 1 7 16 5 0 计划检修故障 1 7 51 5 风险时间发生故 开关操作所致2 86 0 5 0 障 临时维修所致 3 7 25 8 0 0 3 7 小结 本文以不满足“n 1 ”安全准则的变电站为研究对象，提出了可用容量 和风险时间的概念，通过对历史负荷数据的分析得到年平均停电时间和年失 供电量这两项可靠性指标，并以此对该站的风险进行了分析评估。主要内容 及结论如下： 1 ) 总结了配电系统各种类型的故障停电的原因，提出了风险分析评估 所要研究的故障停电的类型。 2 ) 在考虑变压器容量约束的基础上，提出可用容量和风险时间概念。 3 ) 针对国内大部分设备在负荷高峰时期过载的情况，提出了“n 1 ”情 况下部分失负荷事件的停电时间和失供电量实用工程计算方法。 4 ) 本文以某市两个变电站为例，对其0 5 年全年负荷进行了分析，并对 评估了其风险性。研究发现，对于不满足n 1 准则但年风险时间不超过全年 时间1 的变电站来讲，其年停电时间和失供电量很小，不需要对变电站进 行改造。但对于风险时间较多的变电站，其年失供电量很大，可结合具体情 况分析改造的必要性。 华北电力大学硕士学位论文 4 1 引言 第四章复杂配电网可靠性计算方法的实现 配电系统结构复杂，设备分布广，数量大，对于配电系统可靠性的评估 工作人工计算工作很大。研究如何利用计算机编程仿真实现复杂配电网络的 可靠性分析已经成为研究的热点。前面第二章已经详细介绍了很多配电网可 靠性算法，这些算法各有优缺点和使用范围。其中基于故障遍历技术的可靠 性评估方法利用树的优先遍历算法实现配电系统的潮流计算及可靠性评估， 该方法充分利用了配电网自身结构特点，使潮流计算与可靠性评估算法得以 统一，具有计算速度较快，能动态地表示配电网络的优点。本章拟采用该方 法编程以实现复杂配电网可靠性计算。 4 2 基于故障遍历法的可靠性算法 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。由各种枚举故障所引起的所有负荷点的故障类型是可靠性评估的核 心。而遍历技术是确定负荷点故障类型的手段。 4 2 1 路径搜索方法 遍历技术采用的路径搜索方法为广度优先搜索和深度优先搜索。 1 ) 广度优先搜索 广度优先搜索类似于树的按层次遍历。假设初始状态是图中所有节点未 被访问过，则广度优先搜索从图中某个节点p l 出发，依次访问p l 的各个未 被访问的邻节点。然后又分别从这些邻节点出发，广度优先搜索遍历图，直 至图中所有已被访问的节点的邻节点都被访问到：若还有节点未被访问到则 另选图中一个未被访问的节点作为起点，重复上述过程，直至图中所有节点 都被访问到为止。 该算法的搜索过程是以p l 为起始点，由近而远，按层次访问相接的节 点。 图4 - l 简单的7 节点系统 以图4 - 1 的7 节点系统为例，搜索过程为：p l p 2 一p 3 - p 4 一p 5 一p 6 p 7 2 ) 深度优先搜索 深度优先搜索是树的先根遍历的推广。假设初始状态是图中所有节点未 被访问过，则深度优先搜索可以从图中节点p l 出发，依次从p l 的未被访问 的邻节点出发深度优先遍历图，直至图中所有和p 0 有路径相通的节点都被 访问到：若还有节点未被访问到则另选图中一个未被访问的节点作为起点，重 复上述过程，直至图中所有节点都被访问到为止。 以图4 1 的7 节点的系统为例，深度优先遍历搜索过程为： 从节点p l 开始搜索，找到p 2 。因为p 2 未曾访问，则从p 2 出发进行搜 索到p 4 。由于p 4 的所有邻接节点均被访问过了，所以开始回溯依次经过p 4 ， p 2 回到p 1 。再经过p 1 ，p 3 搜索到p 6 ，然后回溯。最后经过p 3 ，p 5 到p 7 。所 有节点搜索完毕。 4 2 2 负荷点故障类型分类 负荷点故障类型的确定是故障遍历法的核心内容。线路、变压器和断路 器等元件故障及其组合元件故障事件发生后，根据故障持续时间的不同，将负 荷点分成4 类【1 6 】： a 类：故障事件发生后开关正确动作而不受故障影响； b 类：故障时间为隔离操作时间； c 类：故障时间为隔离操作时间+ 切换操作时间： d 类：故障时间为元件修复时间。 4 2 3 负荷点故障类型确定 判断故障发生后各负荷点属于何种类型的步骤【1 5 】如下： 1 确定故障的影响范围 当网络中某元件发生故障后。以该元件所在支路的表示节点为起点，顺序 向后搜索父节点，直到首次出现断路器为止。则该馈线上断路器前的负荷点为 b 类、c 类或d 类，而其他负荷点为a 类，即正常负荷点。 2 确定隔离开关的动作及其影响范围 华北电力大学硕士学位论文 当某一元件发生故障，断路器动作后，需要找到相应的隔离开关，将故障隔 离起来，以便进行修复。采用广度优先遍历搜索法确定隔离开关的动作，为下 一步确定负荷点的故障类型打下基础。 3 形成各分块子系统 当系统中某一元件发生故障并被隔离后，系统可形成许多以动作断路器 或隔离节点为根节点的分块子系统( 子树) 。分别从动作断路器节点用深度搜 索法遍历各子系统，即可确定各分块子系统的节点集，进而形成各子系统的网 络参数。 4 确定负荷点故障类型 由于动作断路器的后向节点( 父辈节点) 及与它们相连的子馈线节点( 予 孙节点) 均不受该故障的影响，其故障类型为a 类；而断路器的前向节点为b 类、 c 类或d 类。广度优先遍历搜索到的节点为d 类；若分块子系统与电源相连， 则该子系统中的所有节点均为b 类；若分块子系统未与电