（电气工程专业论文）乌兰察布地区电网供电可靠性评估.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，给电力系统的可靠性 评估提出了新的要求。在此背景下，本文在广泛阅读国内外配电系统可靠性分析的 相关文献的基础上，对几种常用的可靠性评估方法进行了阐述，针对电力系统可靠 性的几个关键或热点问题进行了研究和探讨，并运用孤岛算法对乌兰察布地区电网 的供电可靠性进行了评估，对地区电网的规划、建设、维护、管理提出了可行性意 见和建议。 关键词：配电系统：乌兰察布地区电网：孤岛算法：n - i 靠性评估： a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n t so fs o c i a lb u s i n e s s c a l l sm u c hm o r e f r o mt h er 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 ，n e wr e q u i r e m e n t st o t h er e l i a b i l i t vo f d l s t r l b u t i o ns y s t e mw e r eb r o u g h tf o r w a r d i nt h i s b a c k g r o u n d ，a tt h eb a s e m e n to f e x t e n s l v e l yr e a d i n gp a p e r sa b o u ta n a l y z i n gt h er e l i a b i l i t yo fd i s t r i b u t i o ns v s t e m b o t hi nn a t i o na n da b r o a d ，s e v e r a lo r d i n a r ye s t i m a t i o nm e t h o d sw e r es t a t e d s o m e k e ya n dh o tp r o b l e m sa b o u ti n v e s t i g a t i n gt h er 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 mw e r e d l s c u s s e d ，t h er 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 mi nw u l a n c h a b ur e g i o nw a ss t u d i e d t h r o u g hi s l a n da l g o r i t h m ，s o m er e a s o n a b l es u g g e s t i o n st ot h el a y o u t ，c o n s t r u c t i o n m a i n t e n a n e e a n dm a n a g e m e n to fn e t w o r ki nl o c a lr e g i o nw a s p o s t p o n e d h a nz h i m i 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 l i uz o n g q i k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m , t h en e t w o r ki nw u l a n e h a b u r e g i o n ，i s l a n da l g o r i t h l l l t h e r e l i a b i l i t ye s t i m a t i o n 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章引言帚一旱 ，ii 1 1 配电系统可靠性研究的意义 配电系统处于电力系统的末端，是电力系统或电源与用户设施联系起来的重要环 节，通常包括输电线路、一次配电线路、配电站、配电变压器二次配电线路以及把不同 用户连接起来的电气设施。电力系统具有发电、输电、用电同时性的特点，一旦配电系 统和设备发生故障和进行检修、试验，往往就会造成系统对用户供电的中断，直到系统 及其设备的故障得到修复，才能继续对用户进行供电，因此，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实现。随着以计算机通讯技术为代表的科学技术的 发展，整个电力系统的用户类型也发生了很大变化，不同的用户对电能质量要求有所不 同，但总的来说对供电的可靠性要求越来越高。尽管配电系统单个元件投资较小且故障 影响范围小，但配电系统的元件数量巨大，且直接影响到用户。据不完全统计，在用户 的停电事故中，有8 0 - 9 0 是由配电系统的故障引起的，配电系统供电可靠性的水平高 低实际上是整个电力系统结构及运行特性的集中反映。因此配电系统可靠性是电力系统 可靠性研究对象中的一个重要方面，配电系统的可靠性指标是整个电力系统结构及运行 特性的集中反映。 对配电系统可靠性的研究和应用与电力系统可靠性一样，是保证供电质量、实现电 力工业自动化的重要手段，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作用。在国外，配电系统的可靠性问题很早 就引起了人们的关注，美国、英国、加拿大、日本、法国、西欧及独联体( 前苏联) 等 国家都对配电系统可靠性进行了专门的研究，并己将研究成果用于生产。 在我国电力发展的早期，由于主网架单薄，电能输送能力差，安全裕度小，因此长 期以来电力部门主要是对电网的发输电部分进行建设和改造，这部分设备一次投资额 大，建设周期长，其运行的好坏对社会影响很大，因此相应的可靠性研究也主要是针对 发电机、变压器、高压输电线等大型的发输电设备，对配电系统的可靠性研究相对进展 缓慢。随着我国电力事业的不断发展，发输电部分从充裕度和安全性业已达到了较高的 水平，但配电系统暴露出来的问题越来越多，如设备老、故障率高、负荷过重、线路过 载、电压质量低、可靠性差等，这些已经成为电力系统安全稳定经济运行的最大瓶颈。 我国电力部门已经意识到了配电系统的重要性以及对其进行改造的紧迫性，并投入 了大量的资金来改造配电系统现有的设备，但盲目的投入不是解决问题的根本途径，还 需要对配电系统进行系统的研究，实现科学系统的管理，提高对现有设备的利用效率， 让有限的资会发挥更大的作用，这就是配电系统可靠性研究的根本意义所在。 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、设计中考虑的各种条 s 华北电力大学工程硕士专业学位论文 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； 与配电系统相关联的发电、输变电以及用户各个环节、各种设备可能带来的影响。配电 系统因电力系统的大小不同而异，主要是指l o l o o k v 的网络，配电系统的可靠性评估 有如下的特点： 1 、配电系统处于整个电力系统的最末端，直接与用户设备相连接配电系统可靠性 指标实际上是整个电力系统可靠性的综合反映。因此研究配电系统的可靠性，必须考虑 配电系统及其设备自身的结构、特性及状况还必须考虑用户设备的结构、特性及状况。 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能力和质量为目的。 3 、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 其组合的方式。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、双回路 和多回路结构、双电源结构、环形及网状结构等，因此不同的结构方式下相同设备故障 的影响有所不同，必须对配电设备的特性数据进行连续的统计。 4 、配电系统多采用冗余配置，即通过手动切换和自动切换可以对用户提供不同的 供电方式，不至于长时间停电。配电系统的一个特点是以环形网络设计，以辐射状或以 弱环网运行，这个特点在众多的配电系统软件中用到，在配电系统可靠性评估中也要用 到这个特点。 5 、配电系统的主干线上常装设隔离刀闸，分支线的入口常有熔断器。系统故障后 这些元件虽无法直接隔离故障，但在上层断路器跳开后，可以通过转换隔离开关和熔断 器对故障分支线的熔断而达到尽快地恢复故障以外地区的供电。 1 2 目前供电可靠性国内外研究综述 1 2 1 国外配电系统可靠性评价 世界各国，特别是欧、美及同本等经济技术比较发达的国家，由于以电子技术 为核心的技术高速发展，高度信息化设备的广泛应用和普及，社会的现代化正导致 配电系统不断向综合自动化的方向发展。目前，配电系统的可靠性已达到了相当高 的程度。 长期以来，世界各国对配电系统可靠性大多采用宏观的平均值管理，即以整个 配电系统或地区网络总用户数或总供电容量为基础建立平均可靠性指标，作为对整 个配电系统或地区网络评价的依据。各个国家根据本国电网的实际特点，制定了相 应的可靠性准则，用以解决规划、设计中出现的问题。这些可靠性准则在俄罗斯称 为电力系统稳定导则，在美国称为可靠性标准，在英国则称为安全导则p 】。尽管名 6 华北电力大学： 程硕士专业学位论文 称不同，但都为规划一个可靠的电力系统提出了基本要求。研究资料表明，各个发 达国家提高本国配电系统可靠性的战略重点各不相同。 英、美两国各自制定了详细的可靠性导则，给出具体的可靠性估计方法和概念、 可靠性经济分析基础、停电损失数据、设备可靠性数据、可靠性分析实例等等，供 各个供电公司做参考，并且逐年修改导则。加拿大是将供电可靠性水平与供电用户 的可靠度联系起来，不同重要等级的用户线路，设定不同的供电可靠性标准。 日本主要集中于网络结构和切换能力的管理，通过带电作业、提高自动化水平、 保证故障后负荷的迅速转移等措施减少停电时间，取得了良好的效果。总的来看， 发达国家的可靠性研究都取得了良好的效益。 1 2 2 我国配电系统可靠- 眭的研究及发展现状 我国配电系统可靠性的研究工作始于2 0 世纪7 0 年代。8 0 年代国家水利电力部 制定了配电系统可靠统计办法。但可靠性的研究工作只是停留在理论的高度，不能 运用于生产实际。近十几年来，我国学者又陆续开展了一些配电系统可靠性的研究 工作，但始终没有真正与实际生产结合起来。国内配电系统供电可靠性水平与国际 水平相比，尚有较大差距。 根据现有掌握的国内外配电系统发展的资料分析来看，国内配电系统可靠性发 展迟缓，水平不高的主要原因有以下几点： l 、我国整个电力系统发展起步较发达国家晚。我国电力系统可靠性工程的建立 始于上个世纪7 0 年代，而对配电系统可靠性研究的重视更是近几年的事。 2 、我国整个配电系统覆盖面大，结构复杂，设备繁多，事故频发。对于这样一 个配电系统，技术及安全等管理的难度非常之大。加上前些年建设改造资金短缺， 一些地区网架结构极其薄弱，陈旧的设备得不到更换，出现了一些线路、变压器设 备超负荷运行，供电的电压、频率不合格等现象，严重影响了配电系统的供电可靠 性。 3 、配电系统的可靠性指标是概率性的，建立在可靠性统计数据的基础上。由于 配电系统可靠性的原始参数( 包括对每年故障发生的原因、次数、持续时间、影响地 区等的详细统计，设备的可靠性参数等等) 是进行可靠性研究的前提和基础，而且是 一个十几年甚至几十年的长期的积累过程。所以，在系统运行期间原始数据的统计 和整理是至关重要的。在很大程度上，原始数据的缺乏和可信度不高阻碍了我国配 电系统可靠性研究成果的普及和应用。 4 、配电系统自动化程度和设备水平不高。配电网可靠性水平的提高有两方面因 素构成：一是时间上，故障隔离的速度也就是配电系统自动化水平的高低：二是空 间上，设备质量性能高低也就是设备的可靠性水平。 7 华北电力大学t 程硕十专业学位论文 综上所述，我国的配电系统可靠性水平较发达国家还有很大差距，配电系统可 靠性的研究程度较发达国家还很落后。为了提高整个配电系统的可靠性水平，迫切 需要建立一整套完整的适用于我国配网现状的配电系统可靠性评估方案。 1 3 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： l 、叙述了配电系统可靠性评估研究的意义、对象、特点，以及国内外配电系统 可靠性研究的发展现状。 2 、论述了配电系统可靠性评估的基本概念、指标、常用方法。 3 、分析了配电系统可靠性评估的模型以及相应的可靠性指标，根据配电系统的 典型结构和运行方式，引入了孤岛算法，介绍了孤岛算法的概念及孤岛划分的原则 和策略、故障后的配电网运用孤岛算法的意义。 4 、运用孤岛算法，对乌兰察布地区电网进行了评估，验证了算法的有效性和 实用性。 2 1 概述 第二章电力系统供电可靠性评估理论 电力工业是国民经济的基础行业，电力系统的安全不仅仅涉及行业本身，而且 涉及社会稳定和其它用电行业的安全，涉及到国民经济的健康发展。电力企业作为 维系电力工业安全的主体，其自身的安全运行关系全局，意义重大。现代科学技术 和工业生产的迅猛发展，一方面繁荣了经济，丰富了人们生活，另一方面现代化大 生产隐藏了众多的潜在危险。就电力系统来讲，电力网络不断扩展，网络构成及网 络控制更加复杂，自动化程度不断提高，高电压、大电流、长距离输电使电网稳定 问题愈加突出。现代化的工业和人民生活对电的依赖程度越来越高，对电力可靠性 和电压质量的要求不断提高，从而使电力企业的安全供电成为关系国计民生的重大 问题。 供电可靠性是指供电系统持续供电的能力，是考核供电系统电能质量的重要指 标，反映了电力工业对国民经济电能需求的满足程度，已经成为衡量一个国家经济发 达程度的标准之一；供电可靠性可以用如下一系列指标加以衡量：供电可靠率、用 户平均停电时间、用户平均停电次数、用户平均故障停电次数。 8 华北电力大学工程硕十专业学位论文 电力系统可靠性评估是电力生产实践的重要工具，是对电力系统随机行为的预 测性分析和预防性研究，是对电力系统安全可靠问题的整体和全局的把握。由于电 力系统可靠性评估能够提供许多重要参考信息和指导意见，能够找到被评估系统的 薄弱环节，能对随机事故的预防和事故后的快速恢复起到积极重要的作用，因此可 靠性评估成为发电系统、输电系统、配电系统规划决策中的重要工作。 可靠性基本参数的搜索和获得是可靠性评估的前提和基础。电力设备一般都比 较贵重，其可靠性参数不能都采用破坏性实验的方法获得。通常使用的方法是通过 对元件或设备进行长期的现场运行记录，然后对所有的数据统计分析得到，在可靠 性原始数据量少或完全缺乏数据的情况采用这种方法得出的可靠性原始参数显然 是不真实的，置信度较低。所以寻求其它合适的方法来获取电力系统可靠性基本参 数也成为可靠性评估研究中一项重要的问题之一，同时也是一项必要的工作。 在电力系统可靠性评估中，除了对可能出现的故障进行故障分析，采取相应的 措施，以减少故障造成的影响外，还可以对可靠性投资与相应带来的经济效益分析 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，这 便是可靠性价值的体现。现今，我国正在积极进行电力市场改革的探索，在电力市 场中，用户购买一定数量电力商品的同时，也购买了此商品的基本属性“可靠 性”，因此，供电的可靠性成为影响实时电价的因素之一。电力市场的形成，输电 网的开放，独立发电商的出现引起市场运作的随机性，因此输电服务价格的定价原 则中必须要包括可靠性，应该由各使用者公平、公正、公开地进行分摊系统可靠性 费用、配电网可靠性价值的评估方法的研究、以可靠性为中心的维修引入电力系统 等等，使得可靠性价值及风险评估成为越来越多的研究人员感兴趣的课题。 总之，随着电力系统规模的日益扩大和系统设计规划、调度运行及电网或电厂 状态维修中的诸多可靠性问题出现，给电力系统的可靠性评估提出了新的要求：快 速、准确、能适应在线评估、投资的决策等等，也为电力系统的可靠性评估的各个 方面提供了新的机遇和挑战。 2 2 电力系统可靠性评估的理论基础 2 2 1 电力系统可靠性的概念 可靠性是一个早己存在于人们的生产和生活中的基本概念，它是一个衡量系统 和产品质量及功能的重要指标。长期以来，由于科学技术和生产发展水平以及其他 各种条件的限制，人们对可靠性的认识基本上是停留在定性的水平，缺乏严格的定 量标准和系统的科学分析方法。但是随着科学技术的发展，产品和系统的结构日益 9 华北电力人学上程硕士专业学位论文 复杂，对于可靠性的要求越来越高，可靠性的作用也越来越大。特别是2 0 世纪4 0 年代以来，随着现代化大型工程系统，如导弹、航天、核电等工程控制系统的发展， 影响可靠性的因素变得越来越复杂，一旦发生故障，就会造成巨大的经济损失和难 以估计的社会影响。为了研究和解决这些课题，可靠性工程也己经相应地逐步发展 并形成了一门独立的学科应用于各个技术领域。 可靠性是指一个元件、设备或系统在所处运行条件下，在预定的时期内能够充 分执行其预期功能的概率，因此可靠性在本质上是一个概率随机性问题。2 0 世纪 3 0 年代以来，随着电力工业的发展，可靠性工程理论开始逐渐引入到电力工业，电 力系统可靠性也应运而生。所谓电力系统可靠性，就是可靠性工程的一般原理和方 法与电力系统工程问题相结合的应用科学，其实质就是以科学、经济的方式充分发 挥发电、输电、配电设备的潜力，保证向全部用户不间断地供给质量合格的电能， 从而实现全面的质量管理和安全管理。电力系统可靠性的主要任务是，从电力系统 的各个主要环节出发，研究电力系统的故障( 丧失功能) 现象，并对故障造成的后果 制定定量的评价指标和标准，在协调可靠性与经济性的基础上，对电力系统可靠性 进行控制监督和综合评价，并提出改进和提高可靠性水平的具体措施，组织或协助 有关部门加以实现。电力系统可靠性的主要工作内容和工作方法，是按照电力系统 各个组成部分，根据各个部门的不同特点和要求，以及构成各个环节的元件和系统 的结构特性、运行特性和管理方式，研究和建立适当的可靠性指标以及获取和计算 的方法，寻求提高元件和系统可靠性水平的途径。 电力系统的根本任务是优质、经济、安全地将电能输送给用户，其基本功能是 按可接受的质量标准和所需数量连续不问断地满足用户的电力及电量需求，因此电 力系统可靠性评估就是对电力系统在一定时期内，满足规程要求的电压质量下连续 不间断地对负荷进行供电的能力进行概率分析和评价，并在评估过程中能够找到牵 制系统可靠性的瓶颈环节。 2 2 2 电力系统可靠性评估的基本内容 电力系统可靠性是对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。电力系统可靠性包括充裕度( a d e q u a c y ) 和安全性 ( s e c u r i t y ) 两个方面。充裕度评估主要是分析扰动后的稳念情况下，电力系统在保持 电力平衡和维持母线电压及线路潮流在允许运行范围内的前提下，对系统是否拥有 足够的发电和输电容量来满足用户电力及电量需求的能力进行概率分析研究。充裕 度评估有一个基本假设，即在系统设备发生故障后，系统在经过动态过程后总是能 够达到一个稳定运行的平衡点，故充裕度评估适合于考虑小扰动的情况，由于只涉 及系统的稳态研究，其分析和计算方法比较成熟，现有的可靠性研究主要集中在这 l o 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 方面。 安全性研究则是分析系统在受到突然的大扰动的暂态情况下( 如发电机突然故 障或线路发生短路) ，系统中的继电保护装置是否能够足够可靠和及时地切除故障， 以及在故障切除后的动态过程中系统是否具有足够的承受扰动的能力以保护系统 不失去稳定。由于需要分析各种不同的初始状态下各种设备故障的组合情况，对大 规模电力系统的概率暂态分析比较复杂，分析过程不仅涉及发电机的机电暂态行 为，而且涉及各种保护装置的配置以及各种安全控制装置的动作( 如a g c ，低频和 低压减载、汽门开关、切机切负荷等) ，其模型的复杂度和计算的耗时性远远超过充 裕度评估，因此多年来在这方面的研究一直处于探索阶段，文献一。1 2 j 在这方面进行 了有益的初步研究。 充裕度评估主要关心系统在计划停运和非计划停运下是否具有充分足够的发电 和输电容量以满足用户的需求。安全性则关心电力系统运行的整体性，即维持系统 联合运行的能力，电力系统的整体性一旦遭到破坏，往往可能导致系统失稳、不可 控的连锁故障和一连串系统解列，由此导致大面积停电事故【l 引，因此安全性评估重 点关心的不是与电量不足相关的指标，而是失稳概率和失稳频率等与系统整体性被 破坏相关的指标。 电力系统规模很大，充裕度可靠性评估习惯上按照各个子系统来进行分类，可 根据这些子系统的功能特点分别评估各子系统的可靠性【8 】。通常分为发电系统可靠 性评估、输电系统、发输电组合系统或大电力系统、配电系统、电气主接线系统等。 电力系统可靠性研究【9 】【i o l 1 1 】【1 2 】【1 3 1 有两个出发点1 】：系统的充裕度( a d e q u a c y ) 和系 统的安全性( s e c u r i t y ) 。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，研究是按静态模型对计划停运及合理的期望非计划停运状况进行分 析，包括电源是否能满足负荷的要求、线路是否过负荷、节点电压是否越界等，充 裕度又称静态可靠性。安全性是指电力系统承受突然发生扰动能力，例如突然断路 或未预料到的失去系统元件的扰动，安全性研究主要分析系统的动态过程，研究系 统失稳的状态和后果，安全性又称动态可靠性，即在动态条件下电力系统经受住突 然扰动并不间断地向用户提供电力和电能量的能力。目前的电力系统可靠性的研究 和成果主要集中在系统的充裕度，对安全性的研究也正在日益受到重视。 2 2 3 电力系统可靠性指标 电力系统可靠性是通过定量的可靠性指标来度量的。一般可以由故障对电力用 户造成的不良影响的概率、频率、持续时间、故障引起的期望电力损失及期望电能 量损失等指标来描述。不同的子系统可以有专门的可靠性指标，不同的可靠性指标 将从不同的角度反映系统的可靠性水平。 l l 华北电力人学工程硕士专业学位论文 衡量发电系统可靠性的指标是系统的充裕度。发电系统充裕度，是在发电机组 额定值和电压水平限度内，扣除由机组的计划和非计划停运造成的降低出力后，向 用户提供总的电力和电量需求的能力。将发电系统模型和发电系统可靠性负荷模型 相结相成适当的风险模型后，即可计算出一系列可靠性指标。 发输电组合系统可靠性指标【8 】包括充裕度指标和安全性指标。充裕度指标反映 在研究时间段内发输电系统在静态条件下系统容量满足负荷电力和电能量的程度。 安全性指标反映在短暂时段内发输电系统在动态条件下系统容量满足负荷需求的 程度。 充裕度指标分为负荷点指标和系统指标两类。负荷点充裕度指标是对系统中每 一个负荷点而言，表明事故的局部影响，并可作为分析下一级系统充裕度的依据。 系统的充裕度指标则是全局性的，表明事故对整个发输电系统的影响。基本指标包 括概率、频率、持续时间和期望值4 类。 配电系统可靠性指标【_ 7 】被定义为停运的频率和停运的持续时间。通常来讲有两 类可靠性指标：一类是基于用户的可靠性指标：另一类是基于负荷的可靠性指标。前 者表明了单个用户的停电频率和停电持续时间：后者给出了停电负荷的持续时间和 频率。为了真实全面地体现系统的可靠性状况，必须综合考虑这两种可靠性指标集。 1 、供电可靠率：供电可靠率( 简写为r s 1 ) 是供电可靠性的主要指标。r s 1 是在统计期间内，对用户有效供电时间总小时数与统计期间小时数之比值： 赂h 1 - 鬻) x 1 0 0 统计期间时间指处于统计时段内的日历小时数。 2 、若不计外部影响时，则记作r s 2 ： 供电可靠率( 不计外部影响) ：( 1 旦皇塑皇盟唑星毒姜墼茎丛塑星堕壁皇堕旦) 1 0 0 r 统计期间小时 7 3 、若不计系统电源不足限电时，则记作r s 3 ： 供电可靠率( 不计系统电源不足限电) ：( 1 旦旦! 兰堕塑塑些娑王挈堡皇堡皇堕型) x 1 0 0 ” 统计期问小时 4 、限电：在电力系统计划的运行方式下，根据电力的供求关系，对于求大于供 的部分进行限量供应，称为限电。 ( 1 ) 系统电源不足限电一由于电力系统电源容量不足，由调度命令对用户以拉闸或 不拉闸的方式限电。 ( 2 ) 供电网限电由于供电系统本身设备容量不足，或供电系统异常，不能完成预 定的计划供电而对用户的拉闸限电，或不拉闸限电。 1 2 华北电力人学上程硕+ 专业学位论文 注：供电系统不拉闸限电，应列入可靠性的统计范围，每限电一次应计停电一 次，停电用户数应为限电的实际户数；停电容量为减少的供电容量；停电时间按等 效停电时间计算。其公式如下： 等效停电时间= 限电时间( ，一器鼍需差蠹糕) 限电时间一自开始对用户限电之时起至恢复正常供电时为止的时间段。 5 、载容比系数( k ) ：该值应根据上一年度的具体情况于每年年初修正一次。 k ：! s p 一供电系统( 或某条线路) 上年度的年平均负荷( k w ) 。 日n 上年度售电量( 千瓦时) e l j ： p 2 一 8760木 事闰年为8 7 8 4 。 s 一供电系统( 或某条线路) 上年度的用户装见容量总和( k v a ) 。 西及s 系指同一电压等级的供电系统年平均负荷及其用户装见总容量。 6 、用户平均停电时间：供电用户在统计期间内的平均停电小时数，记作a i h c 1 。 用户平均停电时间= 至竺气嘉掣 ：型塑堂驾翼妻鳖燮小时户 总用户数 一 若不计外部影响时，则记作a i h c 2 ： 用户平均停电时间( 不计外部影响) = 用户平均停电时间用户平均受外部影响停电时间小时户 用户平均受外部影响停电时间 一( 每次外部影响停电持续时间每次受其影响的停电户数) 总用户数 小时户 若不计系统电源不足限电时，则记作a i h c 3 ： 用户平均停电时间( 不计系统电源不足限电) = 用户平均停电时间用户平均限电停电时间小时户 用户平均限电停电时间 ：! 墨姿堡皇堡皇垫堡堕型兰竺姿堡皇堡皇皇垫! 小时户 总用户数 一” 7 、用户平均停电次数：供电用户在统计期间内的平均停电次数，记作a i t c 1 。 用户平均停电次数= 至堡写舅铲次户 平均停电次数( 若不计外部影响) ，则记作a i t c 2 ： 兰! ! 坐垄叁兰三堡堡圭雯些兰篁笙茎 圣! 型堕塑盥坠娶掣溪塑塑堂型塑次户 = 总用户数 若不计系统电源不足限电时，则记作a i t c 3 ： 用户平均停电次数( 不计系统电源不足限电) ；坠墅壁盟璺氅娶掣里盟塑次户 总用户数 8 、用户平均故障停次数一供电用户在统计期间内的平均故障停电次数，记作 a f i c 。 用户平均故障停电次数= 兰堡墼等蓦挈群次户 9 、用户平均预安排停电次数一供电用户在统计期间内的平均预安排停电次数， 记作a s t c 。 用户平均预安排停电次数= 兰堡墼塑毳嘉蒡笔产次户 若不计系统电源不足限电时，则记作a s t c 3 用户平均预安排停电次数( 不计系统电源不足限电) ：望坠型堂塑业婆婆喾型塑型螋次户 总用户数 。 1 0 、系统停电等效小时数一在统计期间内，因系统对用户停电的影响折( 等效) 成伞系统( 全部用户) 停电的等效小时数，记作s i e h 。 系统停电等效小时数 ：( 每次停电容量x 每次停电时间) 系统供电总容量 2 3 电力系统可靠性评估的常用方法 小时 配电系统可靠性的评估方法大致可分为解析法和仿真法两类。解析法在我国应 用较为成熟，它是将元件或系统的寿命过程加以合理的理想化，并用数学模型来描 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。但是 计算量随着系统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，是在计算机上模拟上述寿命过程的实际实现，并 通过对此模拟过程进行若干时间的观察，估计所要求的可靠性指标，模拟法是把过 程当作系统的真实试验来处理【l 钉，只是其计算精度往往受到各种因素的限制。 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 3 1 配电系统可靠性分析的解析法 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。 在配电系统可靠性估计中，解析法在美、加、英等国的应用比较广泛。在配电 系统可靠性研究的十几年中，国内外专家结合配电系统的特点提出了许多以减少计 算量为目的的改进算法。 l 、故障模式后果分析法( f m f a ) 。它是可靠性工程中广泛使用的分析方法。 配电系统可靠性分析方法中，以元件组合关系为基础的故障模式后果分析法使用较 为广泛，且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，是被广 泛使用的一种方法。还可以把网络法、近似法、状态空间法等方法作为工具来简化 故障模式后果分析法。 所谓故障模式后果分析法，就是利用元件可靠性数据，在计算系统故障指标之 前先选定某些合适的故障判据( 即可靠性准则) ，然后根据判据将系统状态分为完 好和故障两大类的一种检验方法。具体做法是建立故障模式后果表，查清每个基本 故障时间及其后果，然后加以综合分析。它是分析配电系统可靠性的基本方法，不 仅适用于简单的放射状网络，而且可以扩展用于无论有无负荷转移设备的复杂网络 的全面分析及计算所有故障过程和恢复过程。文献【l6 】提出了一种基于故障模式影响 分析法的大规模配电系统可靠性评估算法。该算法考虑故障后的潮流和电压约束， 高效评估负荷点及整个系统的可靠性，找出网络中薄弱环节。该算法和相应软件的 研制开发为配电系统的规划管理以及城乡电网改造提供了有力的分析工具。实际大 规模配电网计算验证了该方法的有效性，并为配网改造提供了科学依据。 2 、基于最d , 害- f l 集的分析法【1 7 】。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d , 害- i i 集法是将计算状态限制在最小割集内，避免计算系统 的全部状态，大大节省了时问，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。参考文献【1 7 】中提出了一种由最小 路求最小割集的方法。 3 、分层评估算法【l 引。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【7 j 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。 4 、网络等值法【l9 1 。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 1 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 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。网络等 值法不用对每个元件都依次进行可靠性分析，但多次等值也会花费大量时间，且只 能得出网络的整体可靠性指标。 5 、基于最小路的分析法【2 0 1 。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。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。 6 、递归算法【2 1 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【2 2 】介绍了这种方法的程序模块及其界面实现。 7 、单向等值法【2 3 1 。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 、基于贝叶斯网络的评估算法【2 钔。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。 9 、基于敏感度分析的可靠性算法【2 5 1 。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 0 、区间评估法【2 6 】【2 7 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【2 6 】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【2 7 】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 1 、考虑容量约束的评估法【2 引。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 1 6 华北电力人学工程硕士专业学位论文 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点减负荷时网络的潮 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。 1 2 、向量法【2 9 1 。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。 1 3 、故障扩散法【3 0 】。该算法对复杂的中压配电系统( 带子馈线) 有较强的处理能 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，直至线路木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。文献【3 l 】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。文献【3 2 】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。根据断路器和分段开关在配电网络中的位置，将整个 网络分为多级b c n m 域子网络，其模型和算法计及了备用电源、断路器、熔断器 及分段开关的影响，计算量较少。 2 3 2 配电系统可靠性分析的仿真法 蒙特卡罗仿真法( m o n t ec a r l os i m u l a t i o n m c s ) 又称随机抽样法。其基 本思想是：为了求解一个问题，首先建立一个概率模拟或随机过程，使它的参数等 于问题的解，然后通过对模型或过程的观察抽样实验来计算所求参数的统计特征， 最后给出所求问题的近似解，并给出精度或误差。蒙特卡罗法就其本质而言是一种 概率模拟方法，目前提出的蒙特卡洛仿真法主要有非时序仿真和时序仿真两类。 1 、非时序仿真法。非时序仿真( n o n - s e q u e n t i a ls i m u l a ti o n ) 又称状态抽样 ( s t a t es a m p l i n g ) ，它不考虑系统的时序性，并且一般也不考虑元件的修复情况， 按抽样次数对可靠性进行统计。非时序方针的计算速度较快，算法实现也较为简单， 但因不考虑系统的时序性，所以计算结果中一般没有有关故障频率和持续时间的可 靠性指标，这是一个很大的缺点。近年来研究人员探讨在非时序仿真中加入元件的 修复功能，并通过严格的推导得到了计算频率变化区间的方法。由于实际中采用各 种简化措施，而且抽样次数有限，一般很难精确计算系统故障频率指标，因此，计 1 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 算频率变化的上下限具有较重要的参考价值。 2 、时序仿真法。时序仿真( s e q u e n t i a ls i m u l a t i o n ) 又称序贯仿真。它保留 了系统的时序性，如负荷随时间变化情况，不同时间段线路检修情况等，因此可以 系统停电频率s a i f i ，系统停电时间s a i d i ，用户停电频率c a i f i ，用户停电时间 c a i d i 等作为指标。其实现思路根据元件的随机故障故障修复模型确定一年( 8 7 6 0 小时) 中元件的起停顺序，然后以小时为单位，一次检验系统在每一个小时段的运 行状态( 故障和正常工作) 。如果在某段系统故障，则计算该次故障的停电时间和 向正常运行状态转移的频率。对于每个故障状态，需要确定进入该次故障的时间和 离开该次故障的时间，以计算系统每次故障持续时间。当8 7 6 0 小时计算完毕，就 可以得到系统的可靠性指标。按上述方法对系统进行多年的模拟，计算其平均值可 靠性指标，当计算结果满足要求时，即可认为已经得到系统的可靠性指标。由于真 实的模拟了系统的动作顺序，时序仿真可以用于产生模拟，并可计入不同停电时间 点、停电时间长度、停电电量下的停电损失费用，因而可以用来计算一些经济指标， 从而对系统规划和可靠性充裕度的衡量起指导作用。时序仿真的缺点是提高计算精 度必须牺牲计算时间。 3 、准时序仿真法。准时序仿真是一个比较新的研究方法。抽样中，形成8 7 6 0 小时元件和系统运行状态的方法和时序仿真法相同，按年平均统计系统可靠性指标 的方法一样，但在计算中，随机抽取任一年中任一时段的系统运行状态，如故障则 计算其故障频率和持续时问指标，否则，任意抽取另一状态来检验。准时序仿真实 际是时序仿真与非时序仿真的一种结合，综合考虑了两者的优点。在实际应用中， 还可以对其进一步简化，如不直接计算故障持续时间的期望值，只考虑状态时间的 一次转移，忽略多次转移等。准时序仿真算法的精确性和计算效率都有待进一步讨 论，但从目前研究成果来看，它具有良好的应用前景。 2 3 3 混合法 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。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章配电可靠性的评估方法一孤岛算法 3 1 计算流程图 配电网可靠性计算流程如图3 - 1 所示。 上 读入p 叫络参 数 上 读入可爿甓眨 参数 上 形成元件及 + ，? j 彳i 于卜i 鼙i 上上上上 t 卜箅支t i - 拿f 支t f 拿彰干t 1 拿f 干 l i n s - o 三。 锪足钉止，i 污路止常路工e 常 运彳亍概运彳亍h j 运彳亍h j 运行概 璋盎问概璋圭问】概率率 上 t l 并吾负衙 - 了，7 可靠眨一 i 手旨标 一”l 计堂系统町 与￥t i - t - - 手旨枥 土 ( 科序结束) 图3 - 1 程序流程图 计算系统可靠性时，所有数据都从数据库获取。首先应从数据上使程序对系统 大致结构有必要的了解，如系统共有几条主馈线需要进行评估，馈线上是否有复杂 分支，馈线分为几层，系统有多少个负荷点，是否有备用电源等。具体说来，计算 步骤如下： l 、 入网络参数。包括线路、变压器、熔断器、隔离开关、断路器等元件参 数及系统的其他参数，如：主馈线数；系统主馈线干线段数；系统主馈线支路条数； 系统负荷点个数；系统是否有备用电源，若系统有备用电源，确定备用电源投入时 1 9 华北电力人学t 程硕+ 专业学位论文 间，若系统有备用电源，确定备用电源的负荷转移率；确定系统的主馈线带复杂分 支馈线的数量。 2 、 导入可靠性数据。包括线路故障率，线路检修时间；断路器操作时间， 断路器故障率，断路器修复时间；熔断器故障率；变压器故障率，变压器故障维修 时间，切换到备用变压器的操作时间；分段开关的操作时间：联络开关的倒闸时间。 3 、形成网络拓扑结构。得知系统拓扑结构的基本情况后，为进行可靠性评 估，就要将元件可靠性参数在程序中赋予相应元件，因此需要建立相应的结构体。 需要用到的元件有节点、线路、开关、用户变压器、负荷点等。同样利用m a p 容器 形成不同元件的m a p 图，并形成元件连接关系图。 4 、利用递归算法求解每个负荷点的可靠性指标，主要是年平均故障次数和 年平均停电时间。 5 、求解年平均故障次数时，不需要考虑隔离开关的影响，而求解年平均停 电时间时，如果负荷能通过其他电源供电则需要用隔离开关的操作时间进行修正。 6 、 计算出所有负荷点的可靠性指标，根据公式求出系统总的可靠性指标。 3 2 评估方法一一孤岛算法 3 2 1 基本概念 近年来，分布式发电( d g d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ) 技术以其独有的经济性和环 保性引起人们越来越多的关注。d g 是指某些中小型发电装置靠近用户侧安装，它 即可独立于公共电网直接为少量用户提供电能，也可将其接入配电网络，与公共电 网一起共同为用户提供电能。 配电网在分布式发电条件下，孤岛可作为提高配电网供电可靠性的一种运行方 式。为在配电网发生故障时及时制定出优化的孤岛划分方案，保证最多数用户的持 续供电，将配电网的损失降到最低，有必要运用孤岛算法对带分布式电源的配电网 作可靠性评