（电气工程专业论文）农村配电网供电可靠性分析.pdf

a b s t r a o t w i t ht h ee c o n o m i cc o n s t r u c t i o n a d v a n c i n gr a p i d l y a n dt h e p e o p l e 。ss t a n d a r d o fl i v i n gc h a n g i n g 诚t l le a c hp a s s i n gd a y , d i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n c r e a s i n g l yf a c e st h eu r g e n t r e q u e s tt oi m p r o v ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y , r e l i a b i l i t yo ns e r v i c ei i lt 0 协1i sas y n t h t i c a l g u i d e l i n et h a te m b o d i m e n tt h ee l e c t r i ce q u i pl e v e l ，t h et e c h n i q u el e v e l ，t h em a n a g e m e n tl e v e l a n dt h es e r v i c el e v e l i ti st h ed e m a n do ft h eb u s i n e s se n t e r p f i m a n a g e m e n ti n s i d ea n dt h e d e m a n do f t h es o c i a lw o r k i n gt a l e n to u t w a r dt oi m p r o v ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y f o rt h ed 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 y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n t ， s t u d ) r i n g m e r r ba n dp u r p o s e ，a sw e l la si n d e x e sa n a l y s i s t h em o d e lo f t h er e l i a b i l i t yo fc o m p o n e n t si s f o r m u l a t e d a n dt h ei n d i c e so f c o m p o n e n t se v a l u a t i o na n dt h ea l g o r i t h ma l ei n t r o d u c e di l lt h e s e r i e sa n dp a r a l l e ls y s t e m s i no r d e rt om a k et h er e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to fd i s t r i b u t i o ns y s t e m m o r er a t i o n a la n de f t e c t i v e m i n i m a lc u ts e t sa mp r e s e n t e di n c l u d i n gt h em e t h o d so fs o l v i n g t h em i n i m a lc u ts e t s ，p a t hs e t s ，m i n i m a lp a t ht os o l v et h em i n i m a lc u ts e t s i nt h i se n u r s e m a n yf a c t o r sa f f e c t i n gt h er e l i a b i l i t y i nt h e s y s t e ma r ec o n s i d e r e d , s u c h 嬲p l a n n e d m u i n t a i n e n c e ，l 呛s e r v ep o w e rs u p p l y , a c t i v ef a i l u r e ，t r a n s f e rl o a d ，w e a t h e re r e ，h a dt h i sm a k e s t h er e s u l tm o r ep r a c t i c a l t h i sp a p e ru s e st h er b t sb u s2a sa ne x a m p l eb yt h em i u i n l m c u t t i n gt oc a l c u l a t et h es y s t e m sr e l i a b i l i t yi n d i c e sa n da n a l y t i e st h er e s u l t t h er e s u l t sp r o v i d e al o to fa v a i l a b l em f o r m a a o nf o rt h ep l a n n i n ga n do p e r a t i o no fd i s t r i b u t i o ns y s t e m , a n da l s o a r ef a v o u r a b l ef o re n g i n e e r i n gt e c h n o l o g i c a lp e r s o n n e lt of i n dt h ew e a kp o mi nd i s t r i b u t i o n s y s t e ms oa st ot a k et h ec o r r e s p o n d i n ge n h a n c e m e n tm e a s u r e s t h e nt h i st e x ta n a l y s e dt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ec o u n t r yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k , d i s c u s s e d t h en e c e s s a r yo fd e v e l o p i n gr e l i a b i l i t ym a n a g eo ns e r v i c ei i lc o u n t r yd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a n dt h ee f f i c i e n c yn 璩锄t oe x a l t a t i o np o w e rs u p p l yc r e d i b i l i t y w h e ns e t t i n gr e a lt i m ed a t e c o l l e c t i o n si nt h er a d i a t i o nt y p ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k , p u tf o r w a r dak i n do fi n s p i r et y p e m e a s u r e m e n t a n de s t i m a t et h ee l e c t r i cv o l t a g es o m e t i m eo no n eo fo u rc o m p a n y s 1 0k v d i s t r i b u t i o nl i n e i tf u r t h e ra r g m n e n t e df o rt h ep o s s i b i l i t y , f u n c t i o no f t h i sp r o j e c t k e y w o r d s ：r e l i a b i l i t y ；d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；t h e m i n i m a lc u t s e t s ；a c t i v e f a i l u r e ；d i s t r i b u t i o n n e t w o r ka u t o m a t i o ns y s t e m 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表 或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：岔少黟日期：加孑年，瑚2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻 读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅( 除在保密期内的保密论文 外) ；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制 手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于： 口保密，在年解密后适用本授权书。 ， 叼不保密。 学位论文全文电子版提交后： ， 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作糍撞互孙 指导教师摊：印碲 日期：加6 f 2 娃 日期：柳多，z 1 第一章绪论 第一章绪论 1 1 配电系统及其特点 1 1 1 配电系统的概念及分类 配电系统是从输电网接受电能，再分配给各用户的电力网。它是电力系统中二次降 压变电所低压侧直接或降压后向用户供电的网络，由架空线或电缆配电线路、配电所或 柱上降压变压器直接接入用户所构成。配电系统一般很难简单的从电压等级上与输电系 统划分，通常是以其功能和作用来区分的。以配电设施的网络特点而言，中国习惯将配 电系统也统称配电网，对输电系统也统称输电网。 分类：配电系统按电压等级，有高压配电系统、中压配电系统、低压配电系统；按 所在地域或服务对象，有城市配电系统、农村配电系统：按配电线路类型，有架空配电 系统和电缆配电系统：从体系结构上，配电系统可分作辐射状网、树状网和环状网等。 1 1 2 配电系统的功能和组成 配电系统的主要功能是从输电网接受电能，并逐级分配或就地消费，即将高压电能 降至方便运行又适合用户需要的各种电压，组成多层次的配电系统，向各种用户供电。 为了便于多层次配电系统的运行和调度，还需配有必要的保护和控制设备。 不同电压等级的配电系统之间通过变压器连接成一个整体配电系统。当系统中任何 一个元件因检修或故障停电时，其所供负荷可由同级电网中的其它元件供电，又可由上 一级或下一级电网供电。 1 1 3 对配电系统的基本要求 对配电系统的基本要求是供电的连续可靠性、合格的电能质量和运行的经济性。 ( 1 ) 供电的连续可靠性。要求停电的次数最少，而且每次停电所影响的用户尽可能最少。 ( 2 ) 合格的电能质量。主要是要求配电系统的电压保持在规定的电压变动范围之内。 考核电压质量的指标包括供电电压允许偏差、电压允许波动值、三相电压允许不平衡度。 还要求负荷的瞬时突变不致引起可厌的灯光闪烁，谐波含有量不超过当地电力管理部门 的规定标准。 ( 3 ) 运行的经济性。配电系统的各个电气元件在运行中要消耗电能，但需采用科学的 管理方法和合理的运行方式，使电能损耗降至最低。 1 2 可靠性及电力系统可靠性 1 2 1 可靠性工程 可靠性理论及其在电力系统和电气设备生产领域的应用，是2 0 世纪6 0 年代中期以 后发展起来的新兴学科。可靠性是指一个元件、设备或系统在预定时间内，在规定的条 件下完成规定功能的能力。度量可靠性特性的指标称作可靠度( 或称可靠率) 。可靠度 表示设备或系统成功的概率或其工作成功的比值。可靠性贯穿在产品和系统的整个开发 过程，包括设计、制造、试验、运行、管理等环节，形成了可靠性工程。 1 2 2 电力系统可靠性 把可靠性工程的一般原理和方法与电力系统的工程问题相结合，便形成了电力系统 可靠性。电力系统可靠性渗透到电力系统的规划、设计、电力系统的运行管理等各个方 面。可靠性这门学科在电力系统的应用得以蓬勃发展，其主要原因有两方面：其一，随 着经济的发展，电力系统不断向高电压、远距离、大容量发展，在要求提高经济效益的 同时，安全可靠和电能质量的问题也日益突出，近若干年以来，国内外大电网发生的大 面积长时间停电事故，不但造成巨大的经济损失，而且危及社会秩序。因此，定量地评 定和改善电力系统的可靠性，对可靠性的研究显得更加必要和迫切。可以说，电力系统 可靠性的形成和发展是电力工业本身发展的客观规律所决定的。其二，其它工业部门都 在研究和应用可靠性技术方面取得了积极成果，总结出一套保证产品能有效地完成其预 定功能的科学方法( 质量管理体系) 。这些给电力系统可靠性的发展以巨大的推动。 研究电力系统可靠性的任务是从各个方面，各个环节着手，研究系统的故障现象， 提出定量的评定指标和提高可靠性的措施。电力系统包括的范围很大，研究可靠性时要 根据发电、输电、变电、配电等不同环节的要求，突出主要矛盾，构成不同环节的可靠 性计算方法。例如电源可靠性为研究发电机组与负荷之间的可靠性；变电所的可靠性则 把变电所主接线及组成主接线的断路器、变压器、母线等元件的可靠性，构成系统可靠 性。从可靠性管理的角度，电力系统可靠性形成了若干分支，如：电源可靠性、输电网 可靠性、电气主接线可靠性，配电网可靠性等等。描述电力系统不同环节，可靠性的性 能指标是不同的，可靠与不可靠的标准也是有差别的。电力系统可靠性研究，就是在研 究寻找提高电力系统可靠性的措施和方法，在提高可靠性的同时，提高经济效益。 1 2 3 配电系统供电可靠陛 配电系统是电力系统与用户联接的重要环节，包括了各级电压的配电网、变配电设 2 第一章绪论 备和用户联接的设施。配电系统可靠性的研究包括以下三个方面： ( 1 ) 配电系统可靠性指标； ( 2 ) 配电系统可靠性指标的统计； ( 3 ) 配电系统可靠性预测。 我国配电系统可靠性的管理，根据原水电部颁发的行标，配电系统供电可靠性统 计办法的规定执行，配电系统供电可靠性统计是指供电部门负责运行、维护和管理的 配电系统对用户供电可靠性的统计。可靠性统计中的配电系统，是指由变电所( 发电厂) 的1 0 ( 6 ) k v 母线出线侧隔离开关至配电变压器的二次出线侧套管，以及1 0 ( 6 ) k v 用户的 电气设备与供电部门产权分界点范围内所构成的网络。以一台公用配电变压器或一个 1 0 ( 6 ) k v 用电单位作为一个用户统计单位。 为了改善配电系统的运行管理，提高供电可靠性，对用户供电可靠性的统计，是以 是否造成对用户停电为标准进行的。为了考察和分析对用户持续供电的能力和配电系统 中各种设备的特性和功能，以及其对供电能力的影响等，对配电系统的供电可靠性建立 了主要评价指标和参考评价指标。 供电可靠性主要评价指标如下： ( 1 ) 供电可靠率( r s ) 可分别统计： r s l 一统计期间内，对用户有效供电时间总小时数与统计期间小时数比值。 r s 刚一篆器m 。蝴 r s 2 一不计由于外部影响造成停电时间造成的有效供电时间小时数与统计期间小时 数比值。 断c - 一壁型絮黑需燮m 。慨 r s 3 一不计由于系统电源不足限电时间造成的有效供电时间小时数与统计期间小时 数比值。 r s ，一c 卜壁燮罴瑞需必m 涨 ( 2 ) 用户平均停电时间( a t i c ) ： a t i c = 避警= 逆型篙畿笋塑塑州沪 3 ( 3 ) 用户平均停电次数( a n i c ) ： 削黔墅警辨 ( 4 ) 用户平均故障停电次数( a n f c ) ： a n f c 一墅笔铲彩户 ( 5 ) 用户平均计划停电次数( a n p c ) ： 脚c - 堕写掣掘户 配电系统供电可靠性评价指标，既可以直接反映电力系统对用户的供电能力，也可 反映电力工业在国民经济中对电能需求的满意程度，同时也是配电系统从规划、设计、 设备制造和安装，直至生产、运行、管理等各方面的质量和水平的综合体现。其主要应 用于： ( 1 ) 对配电系统( 包括网络结构、设计、安装和运行管理) 进行可靠性分析、评价； ( 2 ) 进行故障分析； ( 3 ) 开展可靠性指标预测； ( 4 ) 确定最佳( 合理) 的检修方式和更换周期； ( 5 ) 进行运行方式的可靠性定量评价； ( 6 ) 分析设备的制造和安装质量。 1 2 4 提高供电可靠性 影响供电可靠性的因素： ( 1 ) 网络结构方面： 网络的结构型式，是否为多回路、多电源或环网等；网络的联络方式；供电半径是 否合理等。 ( 2 ) 设备方面： 设备的设计、技术性能、制造和安装质量；设备老化程度及更新；设备自动化程度： 线路的传输容量及设备裕度；继电保护和自动装置动作的正确性。 ( 3 ) 运行维护和管理方面： 设备运行和操作能力水平：检修质量及试验水平；带电作业的水平和能力；处理停 电故障能力；通信联络方式；计划停电安排的合理性；人员的素质水平及培训工作。 4 第一章绪论 “) 环境方面： 地理条件；自然现象和环境影响的防护水平：社会环境条件及宣传工作情况。 ( 5 ) 负荷及上、下级网络方面： 负荷高低及分布情况；负荷的增长；上下级网络的影响，包括电源容量、网络结构、 性能和管理水平等。 提高供电可靠性的措施：提高配电系统供电可靠性应根据实际情况，既要考虑技术 上的必要性和可行性，又要考虑经济上的可能性，以使供电可靠性达到合理的水平。提 高配电系统供电可靠性，可重点考虑以下措施： ( 1 ) 改善电源及输电方式，提高电源系统的可靠性，减少对配电系统可靠性的影响。 ( 2 ) 改善配电系统网络结构，提高运行灵活性。 ( 3 ) 提高设备的制造和安装质量，降低设备的故障率，尽可能选用先进的技术装备， 提高自动化水平。 ( 4 ) 合理安排计划停电，统一协调，统筹安排减少重复停电。 ( 5 ) 提高运行管理水平，提高检修质量。 ( 6 ) 加强宣传，减少外界因素对运行的干扰。 1 3 本文所做的工作 本文介绍了配电系统可靠性的含义和内容，重点探讨了可靠性评价指标的分析。通 过建立元件的可靠性模型，指明了串并联系统可靠性指标的算法。为使配电系统可靠性 评估更加合理和有效，本文提出了最小割集法来评估配电系统的可靠性，用一个r b t s 母线2 的系统为例来计算其可靠性指标，并对结果进行分析，得出哪些因素影响系统的 可靠性，为配电系统的规划和运行提供有效信息，利于发现配电系统的薄弱环节并采取 相应的增强措施。 通过对南海供电局某镇农村电网的具体分析，结合一些实用的提高可靠性的措施， 针对辐射型配电网提出了量测系统的一种启发式配置方法，并按照提出的规则对实际系 统进行量测配置后进行了状态估计计算。计算结果表明，利用按照这些规则配置的量测 系统可以对预测负荷数据进行合理的调整，使状态估计的结果严格匹配实际量测数据， 准确地监视系统的状态，而且安装的量测装置少，能够满足经济上的要求，符合当前配 网自动化改造工程的实际要求，有利于农村配电网的可靠性提高。 5 华南理工大学硕士学位论文 第二章关于各国配电系统可靠性的综述 配电系统可靠性的研究始于2 0 世纪6 0 年代，其起步晚于输电和发电系统的可靠性 研究。可是随着人们对配电系统的可靠性在供电可靠性中地位的认识和大量配电系统设 备的投资，配电系统的可靠性研究得到了迅速的发展。目前，在工业发达国家，可靠性 评估已经成为配电系统规划决策中的一项常规性工作。在国内，对配电系统可靠性的研 究始于2 0 世纪8 0 年代初期，由于缺乏必要的统计数据和行之有效的分析方法，发展较 为缓慢：目前国内配电可靠性水平与国际水平相比差距很大。以上海为例，1 9 9 4 年配电 系统的供电可靠率为9 9 6 7 8 ，年平均停电时间为2 8 2 4 3 1 1 户；而伦敦、纽约等城市的 供电可靠率在8 0 年代就己经达到了9 9 9 8 9 9 9 9 ，用户的平均停电时间也只有5 0 多 分钟。因此在我国加强配电系统及其设备的可靠性管理和研究是当务之急。近年来由于 电力供需矛盾日益突出和电力企业管理工作的不断发展和深化，配电系统的可靠性研究 得到了长足的发展。 2 1 各国配电系统可靠性指标 通过对英国、加拿大、日本、美国等国家的配电可靠性资料进行分析对比，可以看 出，由于各国在实际研究和应用中发展的不平衡性，各个国家和一个国家不同地区配电 系统及其设备的结构、运行特性、管理方式、用户需要等各个方面存在不同的特点和差 异，以及对可靠性评价的侧重点、作用、性质和度量方式不同，所建立的指标也不尽相 同。大体可分为以下几类： ( 1 ) 配电系统的供电可靠性指标及系统可靠性指标。前者反映配电系统对用户的连续 供电能力，后者反映供电部门在满足用户供电可靠性方面配电系统所具备的水平和条 件。目前大多数国家的配电系统可靠性主要指标大都属于供电可靠性指标，如系统和用 户的年平均停电频率、系统和用户的年平均停电时间等，主要反映的是配电系统对用户 的连续供电能力。英国的配电系统可靠性指标还包含了反映系统综合性能的指标( 如以 每l o o k m 故障次数计算的系统可靠率) 及反映系统设备性能的可靠性指标( 如架空线路 故障率、断路器故障率、变压器故障率等) 。在加拿大的配电系统可靠性统计中，虽未 明确的建立反映系统可靠性的指标，但是在基础数据的收集方面，却十分注意反映元件 停运的数据作为分析系统综合性和设备性能的依据。 ( 2 ) 反映供电质量、设备性能及停电性质的指标。其中，停电性质指标包括故障停电 指标、预安排停电指标、外部影响系统停电指标等。以英国配电系统可靠性指标为例， 6 第二章关于各国配电系统可靠性的综述 供电服务质量指标有用户停电次数、用户平均停电次数、用户停电小时数等；设备性能 指标有系统总故障率= 系统可用率等；停电性质指标有用户平均故障停电分钟数、最早 恢复供电时间、最迟恢复供电时间等故障停电指标等，但是在英国的指标中，未明确的 列出外部影响系统停电的指标。 ( 3 ) 反映统计期间和作用的指标。 表1 - 1 反映统计期间和作用的可靠性指标 指标类别指标主要指标计算公式单位 用户停电次数 次 用户停电百分数 用户平均停电次数 b r , p 用户停电损失小时数 h 每个用户停电损失分钟数 m i r d 白 焦 系统可靠率指标 次，l o o k m 度 用户平均停电持续时间 = 每1 0 0 1 0 n 故障次数 h ，次 统 故障平均报告时间 计 = 用户停电总小时数，用户停 指 故障平均最早恢复供电时间 电总次数 标 故障平均最迟恢复供电时间 故障用户平均停电次数 蜘卢 故障用户平均停电小时数 h 户 预安排用户平均停电停电次数 粕户 预安排用户平均停电小时数 h p 供电可靠率 用户停电次数 次 用户停电小时数 h 用户平均停电分钟数 m i n g 供电可靠率 平均系统可靠率 次j l o o k m 趋 用户平均预安排停电分钟数 = ( 年) 系统可靠率，5 m i n 户 向 用户平均故障停电分钟数 m i n 户 性用户平均停电持续时间 h p 指 安全目标 = 每1 0 0 k m 故障次数，每1 0 0 标 系统总故障率 个用户停电次数 架空线路故障率 断路器故障率 变压器故障率 隔离开关及熔断器故障率 h 设备平均恢复供电时间 注：以5 年滚动计算 ( 4 ) 反映度量方式的指标。一般有最大值指标和平均值指标。通常把采用最大值指标 的管理称为最大值管理，如美国南方公司海湾电力公司的停电总次数、总停电用户数及 总停电时间等，均为最大值指标。把采用平均值的管理称为平均值管理，较为普遍的是 7 华南理工大学硕士学位论文 此种方式。但各国指标平均的方式也各有不同。如英国和日本的全国性指标、加拿大的 系统平均指标、法国的低压系统指标等，均系以系统连接的总用户数加以平均计算的； 而加拿大的用户平均指标，则是以受停电影响的用户数来计算的；法国的中压系统停电 时间则是以用户总登记容量来计算的：美国加拿大电网系统所属的魁北科电力公司， 又是以变压器额定容量来计算的。平均方式不同，指标所表征的特性也不同。 ( 5 ) 反映配电系统特性的指标。一般包括裕度指标和安全性指标。目前各国采用的指 标，除了英国的“安全目标”指标外，大都属于此类指标。 可以看出，各种不同的类别表征了不同的特性，指标越多，反映的特性也越全面。 相比之下，英国的指标最多，反映的特性也越全面，其次为加拿大和日本的指标。 2 2 各国配电系统可靠性研究 近年来，世界各国特别是工业技术发展教快的先进国家都普遍开展了配电系统可靠 性的研究和应用，并己取得了很大的成果。总体来说，一般均注意、强调以下几个方面： ( 1 ) 配电系统可靠性问题，既要考虑对用户的供电可靠性，又要考虑供电系统本身的 连续供电能力；既要开展可靠性统计分析，又要重视可靠性的预测评估；既要实行全系 统宏观的平均值管理，又要结合用户的实际需要进行个别的微观极限值管理，任何片面 地强调某一方面，而忽视另一方面的做法都是不合适的。 ( 2 ) 配电系统可靠性指标可以采取以总用户数、受停电影响的用户数、配电变压器的 总装机容量、总负荷或总电量等为基础来进行计算，以作为评价配电系统及其设备的依 据。各国应根据自己的实际情况和需要决定，不存在选用哪一种方式才能与国际接轨的 问题。 ( 3 ) 配电设备是构成配电系统的基础，因此在收集配电系统可靠性数据时，不仅要注 意收集和积累那些直接影响用户供电可靠性、反映系统状况的数据，而且必须注意收集 和积累反映配电设备、元件状况的连续数据。不统计未影响用户停电的设备停运数据或 没有设备( 或元件) 连续的完整的数据，改进和预测配电系统及其设备的可靠性，以及 对配电设备问题的处理都无法进行。 ( 4 ) 关于配电系统可靠性统计数据指标的统计计算，要注意反映配电可靠性统计的规 律性。可靠性数据指标的统计计算，一般除了以年度为统计期间来进行，以衡量当年的 可靠性水平，以及与上一年或几年的指标进行比较，分析当年的发展状况外，还应着重 强调以多年( 一般为5 年) 滚动的的方式计算其可靠性指标，作为分析判断其稳定发展趋 8 第二章关于各国配电系统可靠性的综述 势的依据，以避免某一年可能出现的偶然性。统计期间的时间越长，可靠性的置信度越 高。任何只以一个季度或一年的统计指标作为评价一个元件、一个系统性能的依据的做 法都是不恰当的，也是不可取的。 ( 5 ) 配电系统可靠性的评价，既要有定量的概念，又必须有定性的准则标准。只停留 在定性分析，而无定量的科学的评估，不能适应现代化电力工业发展的需要；只强调定 量的评估，而忽视以准则、标准作定性的分析，也不能对配电系统及其设备做出全面的 评价。两者必须结合起来，相辅相成。 ( 6 ) 配电系统可靠性管理是全过程全方位的管理。由于电力系统具有发、供、用同时 性的特点，及配电系统在电力系统中的特殊地位，因此在开展配电系统可靠性工作时， 必须同时注意改善由规划设计、设备制造、安装调试直到运行检修维护等各个阶段，以 及由发电、输变电、配电以致用户各个环节的管理工作。其中任何一个阶段或任何一个 环节考虑不周或发生故障，都将对配电系统可靠性产生不利的影响。 ( 7 ) 配电系统可靠性管理必须与质量管理、安全管理统一和结合。 ( 8 ) 配电系统可靠性必须考虑与经济性的协调，必须对配电系统可靠性各个阶段的工 作进行经济效益和社会效益的评估。只强调可靠性，而忽视经济的合理性及社会的需要， 其可靠性水平再高也是不可取的，这就是所谓的可靠性优化问题。 9 华南理工大学硕士学位论文 第三章配电系统可靠性评估的模型与算法 3 1 配电系统可靠性研究所用的分析方法 配电系统可靠性用的分析方法有很多，如解析法、蒙特卡罗模拟法( m o n t ec a r l o s i m u l a t i o n ) 等。 解析法的基本思想是：根据系统的结构、系统和元件的功能以及两者之间的逻辑关 系，建立系统的可靠性概率模型，通过递推或迭代等过程精确求解此模型，进而计算系 统的可靠性指标。本文所提出的最小割集法( m i n i m a lc u ts e t sm e t h o d s ) 可以作为解析法 的一种。 蒙特卡罗模拟法( m c s ) 【2 3 】：在己知配电系统各元件的可靠性原始数据的前提下，通 过计算机模拟随机出现的各种系统运行状态，从大量的模拟实验结果中计算出系统的可 靠性指标。其基本步骤为：( 1 ) 对所研究的问题建立一个概率模型或随机过程。( 2 ) 实现 已知概率分布的的抽样。( 3 ) 建立估计量，求得近似解。 解析法和模拟法各有其优缺点，在此不作过多的讨论。本文提出的最小割集法具有 较广的应用范围，在工程上具有较强的实用性。 3 2 可靠性评估的模型及算法 配电系统的可靠性可以用概率指标、频率指标、持续时间指标等来评价。具体又可 分为负荷点的指标和系统的指标。 负荷点的指标：年故障停运率m 次年) 、平均停运持续时间“小时) 和年平均停运时 间u ( 小时年) 。 系统的评价指标： ( 1 ) 系统平均停电频率：s a j f i = 用户断电总次数用户总数( 断电次数用户) ( 2 ) 系统平均停电持续时间：s a i d i - - 用户断电持续时间总和用户总数( 小时佣户) ( 3 ) 用户平均停电持续时间：c a i d i = 用户断电持续时间总和佣户断电总次数( 小时 用户次) ( 4 ) 供电可靠率：a s a i = 用户用电小时数，用户需电小时数 ( 5 ) 供电不可靠率：a s u i - l - a s a j = 用户不能用电小时数用户需电小时数 ( 6 ) 总停电电量指标：e n s = 系统总的电量不足( 度) ( 7 ) 用户平均停电电量：a e n s = 总的电量不足受影响的用户总数 从上述的几个公式来看，我国中低压供电可靠性中的几项标准己经被包含在内。 1 0 第三章配电系统可靠性评估的模型与算法 用户平均停电时间：a i h c = c a i d i 用户供电可靠率：r s = a s a i 用户平均停电次数：a i t c = s a i f i 3 2 1 元件的可靠性模型 ( 1 ) 元件可靠性评估的基本指标 可靠度r ：在起始时刻正常的条件下，在时间区间【o ，t 】内不发生故障的概率。 不可靠度q ( t ) ：在起始时刻正常的条件下，在时间区间【o ，q 内首次发生故障的概率。 故障率：元件在单位时间内发生故障的概率。 修复率：单位时间内修复故障的概率。 平均修复时间：表示修复一个元件平均需要的时间。 平均无故障工作时间：从修复到首次故障的平均时间。 计划检修率：单位时间内对元件进行计划检修的概率 计划检修时间：计划检修一个元件平均所需的时间。 切换时间：元件与故障隔离所需要的时间。 备用时间：备用元件从备用状态切换到工作状态所需要的时间。 ( 2 ) 静态元件【2 0 】：将电能从一个节点传送到另一个节点或起调节和控制电压的作用。 如输电线路、变压器、母线等都属于这类元件。采用三状态模拟，如图( 3 1 ) 所示，其公 式表达如式( 3 - 1 ) 。 厂p n = i o 妞+ w 一1 ) l p m = x m * t m + p n 式( 3 i ) l lp r * t r + p n 殴 ，ln h ( r ) 图3 - - i 三状态模拟图 华南理工大学硕士学位论文 式中n 表示正常运行状态；r 表示计划检修状态；m 表示故障状态；p 为概率。h 为检修率；腿为计划检修修复率；t r = i i j 4 。, 为平均计划检修修复时间； m 为故障率；m “ 为故障修复率；t m = 1 啪为平均故障修复时间。 ( 3 ) 动态元件：是指可使系统的状态和拓扑结构发生改变的元件，包括断路器、负荷 开关、隔离开关、熔断器等元件。其故障状态比较复杂，如果要真实描述其在各种故障 状态下的开关功能，则需要较复杂的模型，按照对周围元件的影响及对系统的危害程度 可分为非扩大型故障状态和扩大型故障状态，其中计划检修、临时检修、误动、故障修 复4 种状态都属于非扩大型故障，可采用式( 3 1 ) 的模型。拒动、接地或绝缘故障两种属 于扩大型故障状态，可采用如式( 3 - 2 ) 所示的四状态模型模拟。模拟图如图3 - 2 所示： 玮严l d 8 佃s + ( 九s + h ) t t r 峨m j j r 卜l 】 fp s = p n b 恤 一p m = z m + t m + p n fp r = ( h + h ) + t r + p n 式( 3 - - 2 ) 人 图3 - 2 四状态模拟图 式中s 表示扩大型故障状态，h 为非活动性故障，h 为活动性故障率，其余符号意 义同( 3 1 ) 式。 3 3 可靠性评估算法 3 3 1 基本原理 目前，我国的城市配电系统多为环形网，但是通常为开环运行故可认为辐射形网络， 其可靠性指标可按以下公式计算。 1 2 第三章配电系统可靠性评估的模型与算法 ( 1 ) n 个元件串联系统的可靠性指标； hhh x s = 2 i f ；, - - - ( 五m ) x s u s - - - 2 1 r l 式( 3 3 ) 图3 - 3 串联系统 对于串联系统图3 3 ，显然只要系统中任何一个元件故障则系统均停运，反之，系 统中全部元件运行系统才运行。式中k 为串联系统故障率：为各元件故障率；r l 串联 系统的平均停运持续时间；1 i 为各元件的平均停运持续时间：u s 为系统的不可靠率。 ( 2 ) n 个元件并联系统的可靠性指标： u p _ 兀u i r p = l ( 1 r i ) x _ i = u p r p 式( 3 4 ) 图3 4 并联系统 对并联系统，如图3 4 ，只有当全部元件同时发生故障时，系统才停运。但实际上系 统多用m ( n ) 系统，即对有m 个并联元件的系统中，必须有多于n 个元件完好，系 统才能正常运行。式中b 为并联系统故障率；u p 为并联系统的平均停运持续时间；u p 为并联系统的不可靠率；u i 为各元件的不可靠率。 3 3 2 可靠性网络的连集模型 连集【l 】是一些元件的集合，当这些元件都工作时，系统才能正常工作。保证系统正 常运行的元件集合的最小子集合。称为最小连集。在配电网络中，最小路的定义是一条 路中移去任意一条弧之后就不再构成路，由最小路构成的集合就是最小路集即最小连 集。 1 3 华南理工大学硕士学位论文 对于复杂系统的最小连集的判别方法有联络矩阵法、布尔行列法、搜索法等。 ( 1 ) 联络矩阵法：设给定一个有n 个节点的网络s ( 有向、无向、或混合型) 。定义 相应的n 阶矩阵c = c d ，其中 ro若节点i j 之间无弧直接连接 i c 】l 尸 式( 3 - 5 ) l1 若节点i j 之间有弧连接 则称c 为网络s 的关联矩阵。如图3 5 所示的关联矩阵为式( 3 6 ) 1 c = 2 3 4 l2 o x 1 00 0 x 3 oo 34 x 2 0 x 3轴 0 x 5 oo 2 3 4 图3 - - 5 关联矩阵 式( 3 - 6 ) 定义乘法运算c 2 = c 目叼，其中 【c i j o ) 】= “四 式( 3 7 ) k = l 其中“+ ”表示集合乘法，”表示集合的加法。( 2 表示从点i 到点j 的长度为2 的最 小路的全体。若。日( 2 ) 有时小于2 ( 即只有一条弧) ，这时候将q 圆改为零。 同理，可以定义旷【c o q ，严l 2 ，其中o o ( r ) 的意思是节点i 、j 之间的长度为r 的最小路的全体。 在一个有n 个节点的网络s 中，任意两节点之间最小路的最大长度 1 1 ，必有cr - - 0 。因此，可以得到任意两节点i ，j 之间的最小路 的全体为： 1 4 第三章配电系统可靠性评估的模型与算法 n - i u c # ，( q 1 岛日) 式( 3 8 ) r - i 这样，只要通过多次乘法就可以求得最小路的全体。 ( 2 ) 布尔行列法：若给定一个网络的关联矩阵c 。构造一个与关联矩阵同维数的单位 矩阵u 与c 相加，得矩阵c + u 。若此矩阵的维数为n n ，将此矩阵中对应于输入节点 的列及对应于输出节点的行的元素划去，构成一行列式isl ，将isi 展开为布尔积的和 便可得到网络的最小路集。 由于以上两种方法在计算机上不易实现，本文利用图论的方法，提出一种适于计算 机判别网络全部最小连集的广度优先搜索算法 2 7 1 。具体步骤是：( 1 ) 给网络模型的支路编 上序号。( 2 ) 给每个节点编上节点序号，每个支路采用链表类进行动态存储。( 3 ) 从负荷 点开始搜索，访问当前点的所有临接顶点，然后再依次从已访问的临接顶点继续搜索， 直到电源点为止。同时记录所通过的路径。( 4 ) 运用广度优先搜索算法找出网络的全部最 小连集。 广度优先搜索算法的基本思想是： ( 1 ) 任选图中一个尚未访问过的顶点v 作为搜索起点。 ( 2 ) 访问v 。 ( 3 ) 相继地访问与v 相邻而未访问过的所有顶点v l ，v 2 ，v 。并依次访问与这 些顶点相邻而尚未访问过的所有顶点。反复如此，直到找不到这样的顶点。 ( 4 ) 若图中尚有未访问过的顶点，则转移到步骤( 1 ) ；否则搜索结束。以图( 3 - 6 ) 为例说明。 图3 6 广度优先搜索算法 以v 1 为搜索起点对图3 - 6 作广度优先搜索时，先访问v l 接着访问与v i 相邻的v 2 、 v 3 、v 6 ，下一步访问与v 2 相邻而未访问过的顶点v 4 、v 5 ，再访问与v 3 相邻而未访问 华南理工大学硕士学位论文 的v 7 和v 8 。 用最小连集理论确定系统的可靠性网络模型时，各连集间是并联关系，连集内元件 以串联形式联接。图( 3 7 ) 所示网络模型的最小连集为( 1 ，4 ) 、( 2 、5 ) 、( 1 、3 、5 ) 、 ( 2 、3 、4 ) 。 a 图3 7 可靠性网络模型 b 3 3 3 可靠性网络的割集模型 割集是一些元件的集合，若这些元件故障，则导致由起点到终点的有向路径全部失 效，即系统故障，若将这些元件移去，则输入输出之间的联系被中断。 最小割集是没有子集的割集，当其中包含的任一元件被修复，将使系统恢复到工作 状态。如图3 7 所示的简单网络，对负荷点b 而言，割集数目为1 6 个。但最小割集仅 有( 1 ，2 ) ，( 4 ，5 ) ，( 1 ，3 ，5 ) ，( 2 ，3 ，4 ) 。在最小割集中，元件是并联的，若要中断 输入、输出，这些元件都必须故障。而最小割集之间则是串联的，即任意一个最小割集 故障都会使系统故障。最小割集的连接方式如图3 8 所示： a 42 图3 - 8 最小割集的连接方式 b 最小割集法具有广泛的应用，可用于辐射型系统、串并联系统、网格状系统等。利 用最小割集法求解的关键就是求出该系统的最小割集。 对于简单系统可用直观法来求最小割集，对复杂的系统可利用最小连集法来求解。 以图3 7 为例，首先，搜索从负荷点至电源点之间的所有最小路，在搜索最小路过程中 1 6 第三章配电系统可靠性评估的模型与算法 采用链表类进行动态存储，通过最小路中节点信息导出元件信息，并建立连集矩阵，如 式( 3 9 ) 10 01o oloo1 lolol o1l1o 式( 3 - 9 ) 其列序号为网络的支路序号，其行数为网络的最小连集数。每一行为一个最小连集， “1 ”表示该列序号的的支路在此连集中，“0 ”表示该列序号的的支路不在此连集中。 然后由连集矩阵导出最小割集矩阵。在连集矩阵中，如果菜一列均为。l ”，对应元件帮 为网络的一个一阶最小割集。因为该元件失效，将会导致系统发生故障。对于连集矩阵 中任意两个列向量，如果进行逻辑加运算，得到的是单位列向量，则这两列所对应的两 个支路上的元件组成了该系统的二阶割集。当这两个支路上的元件发生故障时，即系统 发生故障。同理可以得到系统的多阶割集，但应删除重复割集。根据网络的最小连集矩 阵( 3 9 ) 得到网络的最小割集矩阵为式( 3 1 0 ) 。 llo 0o o ooll 1olo1 ol llo 式( 3 - l o ) 其列序为网络的支路序号，每一行为最小割集。“1 ”表示该序列号支路上的元件在 此割集中，o ”表示不在此割集中。在配电系统中，由于低阶割集支配了系统的可靠性 指标，故本文求最小割集时只求到三阶。 3 4 小结 本章重点探讨了可靠性评价指标的分析方法。过建立串并联系统元件的可靠性模 型，给出了最小连集法和最小割集法。 1 7 华南理工大学硕士学位论文 第四章可靠性评估中所要考虑的因素 4 1 计及计划检修( 强迫停运与计划检修相重叠) 可修复系统是必定要分次、分批地将系统元件退出运行再进行检修的。计划检修有 利于降低元件的故障率，提高元件的平均无故障工作时问m t b f ( m e a nt u n eb e t w e e n f a i l u r e ) 。 r k ，1 4 妇”啦”x lr 2 u o l l 产( 九l 。妨1 r 1r 2 ) ，( r 1 ”+ r 2 ) + ( 如九l f 2 ”r 1r 2 ) ( r 1 + 1 2 ) l 。p m _ u 嘏伽式( 4 1 ) 式( 4 - 1 ) 中k 。和r i 。为元件i 的检修停运率和检修时间，k 和r j 为元件j 的强迫停运 故障率和维修时间。而、