（电力系统及其自动化专业论文）应用最小路—广度优先搜索的配电系统可靠性评估.pdf

a b s t r a c t t i t l e ：d i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l l t ya s s e s s m e n tm i n i m a l p a t hm e t h o d 县f s m a j o r ：p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n n a m e ：h u i m i ng u o s u p e r v i s o r ：p m ej i a n g b i nz h a n h g a b s t r a c t s g n 枷噬趔 n d i s m i b u f i o ns y s t e mi s9 ni n l p o 吨i n tp a z ti ne l e c t r i c a ls y s t e m , l i e s 证t h ee n do ft h ep o w e r 剐s t 廿n d i s m l 口u f i o ns y s t e mc o n t a c t sd i 呻w i t ht h ec 0 璐啊n e 培蚵剐卿) l y i r 培a n da l l o c a t i n gt h ep i 腻t h e m 枷妇曲饼c b 地o f 畔e q u i p m e n t s w o u l dr e s u l tt h ec u to f p o w e rs u l l y i n g t h ed i s t r i b u t i o n s y s t e mh a sc o m p l e xn e t w o r ks t r u c t u r e s , v a r i o u sf o r m sa n dm u l t i p l er u n n i n gw a y s , s o i ti saw l 兰l kp = - ti n e l e c t r i c a ls y s m n s od 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 ya s s e s s m e n ti sa i m p o r l m e n tw o r ki nc l ：血1 百n g 田a n d c o i l l l t yp o w e rs y s t e m ，i no r d e rt os a t 谢yc o n 飘n a s r e q u e s to f p w e rr e l i a b i l i t y t h ep a s s a g es l w st h e a s s e s s i n g o f d i s t r i b u t i o n s y s t e m r e l i a b i l i t y i n w r e g i o n b y u s i n g t h e m i n i m t m a p a l h a n d b f s t h i sp a s s a g ea n a l y s = t h em e d x x to f d i s n i b u t i o n 掣g i 鼬i e l 址澌a s s e s m l m t , i n l r o d a e e st h em o d e l s o fe l e m e n t sa n ds y s t e m sr e l i a b i l i t yi n d e x e s a s l oi n t r o d u c e st h ek n o w l e d g eo fm i n i m l m lw a yo f r e l i a b i l i t ya s s e s s m e n ta n dt h es h o a e aw a yo fr a n c i i n gt h es h o r t e s tm u t eo fm a x i l n l m le x p l o d n gb y a d o p t i n g 叶p r o g r a m t h e p o 。_ a g cc o n s i d e r s t h er e u a b i l i c yi 呶e so f t h eo u tp u tl o a d i n gp o i n t si nl l o k va d3 s k y 血姐娟酹 p o w e fs t 撕。璐a sw e l la st h ea n o c a t i n g 掣s t 眦阳l i a b i l i t yi 瑾l o 瞒o f t h cw h o l ed i s t r i c t f o rt h ed i 翻哪 蛐地 n a y so fm a i nl j m a yc a u s ei n f l u e n c et ot h er e j i a i 脚j n d 既黟o ft h es y s t e m , i tm a k e s c o m p a ma n d 锄a l y s i so fa l l 砌蛐i n d e x e st ot h et h r e ed i f f e 把a t 衄啦w a y s i tc o m p e 瞄t h e 蒯i a l ) i l 蚵h l d e x e so fu a m f e rp o w e fs t a t i o no u tp ml i n e sb e f o 犯a n d 硼嚣r e f o m 衄a n dt h e 陀l i a b i l i t y 砌艄蝴o f 雠w h o l e d i s t r i c tw i t ht h ee x a m p l e0 f 瓶哪吨0 f 咖脚l i 嬲f r o m 3 5 k v 蛐 p o w e r s t a t i o n a n d1 0 k v t r a n s f e r p o w e r s t a t i o n t h ep a 赠。中曲：i a t e st h er e t 讪i r , t ya s s e s s 吨o fa l l o c a t i n gs y s t e mw i t ht h ea 翻啦o ft w o d i f f e r e n t 堆棚砌【l 【s t r u e t m e s t h e 鹄辩s 醯1 9w a y c o n s i d e r st h ee f f e c t so f e l e m e n t s0 1 1t h em i n i m l m lr o u t e 锄de l e m e n t so fn o n - m i n i m 珊ar o u t e0 1 1t h eb u r d e n 随i ta l s ot a k e st h ei n f l u e n c eo fb i 谳m u t e , i s o l a t i n gs w i t c h , l o z d i n gs w i t c h , p l a n n i n gd 咄t h ep o w c i i ns t o r a g e , w h i c hm a y 删f o rt e c h n i q u e w o r k e r s t o f i n d t h e p r o b l e m s i na i l o 谢l 培s y s t e m a n d t a k e t h e c o n e s p o n d i n g m e a s u r e s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；r e l i a b i l i t y ；m i n i m a lp a t h ；b f s 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：童邈。7 年占月痧日 学位论文使用授权声明 本人鳖塞塾在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请薄士硕士学位。本人作为学位论文著作权拓有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子舨学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供枝内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：鳌魏皱。一导师签名：垄绝! 兰巨哆年弓月文a 日 第一章绪论 1 绪论 可靠性是一个早已存在于日常生产和生活之中的基本概念。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停留在定性的水平 上，缺乏严格的定量标准和系统的科学的分析方法。但是随着科学技术的发展，产品和系 统的结构越来越复杂，对可靠性的要求也越来越高，特别是自4 0 年代以来，随着一些现 代化的大型工程系统等控制系统的发展，影响可靠性的因素变得十分复杂，一旦系统发生 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问题，可靠 性工程就逐步发展形成一门独立的学科，并应用于各个技术领域。 所谓可靠性，是指一个元件、设备或系统在预定的时间内、规定的条件下完成规定功 能的能力。量度可靠性特性的指标则称为可靠度，它是表示元件、设备或系统成功的概率。 可靠性工作是一个涉及多种学科的复杂的系统工程，也是系统工程进行技术经济评价的一 个重要内容，通常称之为可靠性工程，它贯穿在产品和系统的整个开发过程之中。可靠性 可分为可靠性工程技术与可靠性管理两个方面。可靠性工程具有三大特点，即实用性、科 学性和时间性r “。“。 1 1 电力系统可靠性 所谓电力系统可靠性就是将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，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。其实质就是用科学、经济的方式充分发挥供电设备的潜力，保证向 全部用户不间断地供给质量合格的电力，从而实现全面的质量管理和全面的安全管理。因 此，一切为提高电力系统设备健康水平和安全经济运行水平的活动都属于电力工业可靠性 工作的范畴，都是为了提高电力工业可靠性水平所从事的服务活动n 。 电力系统按生产过程及结构特性，一般分为发电、输变电和配电系统等主要环节，而 就其形成过程又可分为规划、设计、制造、建设安装、运行、试验及维护等几个方面。因 此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，结合其形成和发展的各 个方面去研究电力系统的故障现象，制定定量评价指标或准则，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，组织有关部门加以实现“1 。 电力系统可靠性工作的主要目标：一是防患故障于未然；二是当万一发生故障时，尽 量缩小停电的范围；三是使系统在故障后能迅速恢复到原来的完好状态。电力系统可靠性 的主要工作内容如图l - 1 所示“1 。 西安理工大学硕士学位论文 图1 1 可靠性工程在电力系统中的应用 f i g i - ir e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n gu s i n gi nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m 可靠性工程理论应用于电力工业并蓬勃发展，形成电力系统可靠性这门学科的时间是 在6 0 年代中期以后，其发展的主要原因如下： ( 1 ) 随着电力系统不断向超高压、远距离、大机组、大容量发展，不但要求提高系 统的经济性，而且对系统的安全可靠性也提出了新的更高的要求； 5 ( 2 ) 随着电力系统不断向超高压、远距离、大机组、大容量发展，并且新技术和新设 备的试制与开发，系统可靠性的某些指标将变坏。为了避免电力系统超高压、远距离、大 容量的优越性被不利因素的影响所抵消，对可靠性的研究日益迫切； ( 3 ) 自6 0 年代以来，随着国民经济的发展，社会的高度信息化，城市功能的现代化 和复杂化，高层建筑设备的自动化，人们对电力的依赖也越来越深，任何短时间的停电、 频率偏差、瞬时电压下降都会对生产和生活带来影响。因此，电力行业作为公用事业，政 府及人民群众均从立法上对供电质量、安全、可靠性提出了越来越高的要求； ( 4 ) 电力是国民经济发展不可缺少的能源； ( 5 ) 其他工业部门对可靠性工程技术研究和应用的成果，推动了电力系统可靠性的发 展。 总之，电力系统可靠性是现代电力工业管理的一种重要手段，它是随着科学技术和经 济的发展而形成和发展起来的，是电力工业现代化的必然产物n 。 1 2 配电系统可靠性 配电系统可靠性是指供电点到用户，包括变电所、高低压线路及接户线在内的整个配 电系统及设备按可接受的标准及期望数量满足用户电力及电能量需求能力的度量。配电系 统可靠性主要评估充裕度，它是通过可靠性指标来体现呻1 的。 2 第一辛绪论 1 2 1 研究配电系统可靠性的意义 为了便于研究和分析，人们把电力系统可靠性问题划分为发电系统可靠性、输变电系 统可靠性及配电系统可靠性等几个部分。配电系统可靠性是电力系统可靠性的一个重要组 成部分 在2 0 世纪6 0 年代，人们开始研究电力系统可靠性时，主要侧重于发电系统可靠性或 者以发电和输变电组成的大电力系统可靠性。相比之下，配电系统可靠性的研究远未得到 应有的重视。其主要原因是发电设备与配电系统相比，相对比较集中，设备一次投资额大， 投资周期长，发电容量不足造成的停电给社会及环境可能带来的后果严重性和广泛性更容 易引起人们的注意。为了确保电力供应的充裕度，人们往往着重强调和满足发电部分的要 求，而忽视了配电系统可靠性的重要性。 2 0 世纪7 0 年代以后，特别是近十多年来，随着经济技术的发展，配电系统可靠性已 越来越为人们所注意。其原因如下： ( 1 ) 配电系统处于电力系统末端，直接与用户相连，是包括发电、输变电和配电在内 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，具有特殊的运行方式， 由于电力生产具有发、供、用同时性的特点，一旦配电系统或设备发生故障或进行检修、 试验，往往就会同时造成系统对用户供电的中断，直到配电系统及其设备的故障被排除或 修复为原来的完好状态才能继续对用户供电，整个电力系统对于用户的供电能力和质量都 必须通过配电系统来体现，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； ( 2 ) 配电系统大多采用放射式的网状结构，对单故障比较敏感； ( 3 ) 随着科学技术的进步，用户对配电系统可靠性的要求也越来越高，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。 因此，对配电系统可靠性的研究与应用和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、改善电力工业生产技术和改造有着重要作用。配 电系统可靠性问题已越来越为人们所关注“ 1 2 2 配电系统可靠性研究的内容 a 配电系统可靠性研究的对象 在电力系统领域中，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 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“1 。 5 配电系统可靠性研究的特点 配电系统可靠性研究具有如下几个特点： ( 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 西安理工大学硕士学位论文 与用户设备相连接，配电系统可靠性指标实际上就是整个电力系统可靠性的综合反映； ( 2 ) 配电系统可靠性的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 ) 配电系统可靠性的研究必须从系统观点出发，全面的、全过程地加以研究； ( 4 ) 系统和设备的特性数据及指标必须通过长时间的统计才能反映其统计的规律性； ( 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 其组合的方式。 c 配电系统可靠性研究的方法 配电系统可靠性研究的方法，一般分成配电系统的供电可靠性和系统可靠性两个方面 来加以讨论。供电可靠性是指用户方面能以多大可靠度得到所供电力的问题；系统可靠性 是指电力部门各个方面为了保证满足用户的供电可靠性，配电系统的状况应怎样最佳的问 题。 d 配电系统可靠性研究的内容 配电系统可靠性研究的内容，一般来说，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、对策及效 果； 。 ( 5 ) 配电系统可靠性与经济性的协调及可靠性经济学在配电系统可靠性中的应用。 1 3 配电系统可靠性的发展状况 我国配电系统可靠性的研究始于上世纪7 0 年代。近l o 年来，我国配电网加强了对 停电的管理，将可靠性指标层层分解，有效地减少了盲目地、低效率地停电；另外，这几 年的城网改造也为提高配电网的可靠性提供了物质基础1 。“。目前我国城市配电系统 可靠性水平的实际现状为： 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，年户与国际水平相比，如二十世纪8 0 年代伦敦、纽约等城 市的配电系统供电可靠率均为9 9 9 8 9 9 9 9 ，相当于用户年平均停电时间只有5 0 多 分钟；日本东京进入9 0 年代以后，配电系统供电可靠率为9 9 9 9 7 ，用户年平均停电 时间仅为1 5 分钟。由此可见，尽管我国近年来配电网的可靠性水平在不断改善，但与国 际水平相比还有一定的差距，还应继续加强配电网及其设备的可靠性研究和管理，从设计、 选型、制造、安装、调试、运行、维护、检修以及城网规划和改造等各方面采用科学的方 4 第一章绪论 法和管理手段仍然是当务之急。 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； ( 1 ) 我国整个电力系统发展起步较发达国家迟缓，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却是近几年的事； ( 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； ( 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，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。 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“5 “。 1 4 本文的主要任务 本文在全面分析配电系统可靠性研究现状的基础上，根据配电系统的特点和作用，针 对w 地区配电系统的实际情况和可靠性评估算法的优缺点，以最小路的配电系统可靠性 评估算法为基础，对配电系统可靠性评估的模型、影响可靠性的主要因素及提高可靠性的 措施等方面进行了探讨和研究，并将此方法应用于实际的电力系统。本文的主要研究工作 如下： ( 1 ) 阐述了研究电力系统可靠性的原因及其意义，研究配电系统可靠性的必要性和重 要性，配电系统可靠性研究的方法和内容，以及国内外配电系统可靠性研究现状，并对配 电系统可靠性评估的各种方法进行了总结和分析。分别讨论了配电设备和配电系统的各项 可靠性指标及配电系统元件的三状态和四状态模型，提出了为简化配电系统可靠性评估所 需要的假设条件； ( 2 ) 在对配电系统可靠性的计算中，同时考虑了已有算法的优缺点和w 地区的配电 系统的实际情况，本文使用了最小路和广度优先搜索相结合的方法，分别考虑了最小路上 的元件和非最小路上的元件对负荷点可靠性指标的作用，并考虑了分支线路、隔离开关、 负荷开关、备用电源等的影响，并使用c + + 编程实现广度优先搜索，求取网络的最小路 集； ( 3 ) 通过对所选w 地区配电系统可靠性的评估，验证了该算法的有效性； 分别对w 地区两座1 1 0 k v 变电站和三座3 5 k v 变电站各出线负荷点可靠性和整个地 区配电系统可靠性进行计算和分析。 主要可靠性指标有：系统负荷点的故障率、负荷点平均停电持续时间、负荷点年平均 停电时间、系统平均停电频率、用户平均停电频率、系统平均停电持续时间、用户平均停 5 西安理工大学硕士学位论文 电持续时间、平均供电可靠率、平均系统缺电指标、平均用户缺电指标、缺供电电量。 ( 4 ) 针对w 地区配电系统的实际情况进行可靠性计算，通过计算变电站各出线负荷 点和整个地区配电系统的各项可靠性指标，找出系统的薄弱环节，由于主馈线的接线方式 不同，对系统的可靠性指标也将产生不同的影响，并以3 5 k v 亭口变电站1 0 k v 出线进行 改造为例，比较改造前后的各项可靠性指标，从而为w 地区整个配电系统的改造提供了 依据。 6 g _ - 章配电系统可靠性评估的基本原理 2 配电系统可靠性评估的基本原理 2 1 国内外配电系统可靠性评估方法 进行配电系统可靠性分析首先要建立配电系统可靠性模型，输入元件的可靠性参数； 其次通过对系统规定一些可靠性判据，按照这些判据对系统的所有状态进行检验分析，并 把所检验出的属于系统故障的状态归于一集合中；然后在此基础上再求出各负荷点的可靠 性指标；最后根据负荷点侧可靠性指标求得整个系统的可靠性指标。配电系统可靠性评估 研究的难点主要集中在系统可靠性模型的建立和评估算法选取上 配电系统可靠性的研究起步比较晚，国内外学者提出了不少关于配电网可靠性评估方 面的模型和方法n “。”，极大地推动了配电网可靠性的理论研究和实际应用。目前，用于 配电网可靠性评估的方法可分为解析法、模拟法、混合法和人工智能算法1 1 4 j o 2 1 1 解析法 解析法的基本思想是根据系统的结构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，然后通过递推或迭代等过程精确地求解此模型，从而计算出系统的 可靠性指标。解析法的物理概念清晰、模型精度高，但计算量随系统的增大而急剧增加， 不易处理相关事件，只能考虑一个或有限个负荷水平，不能模拟实际的控制策略。 在解析法中，故障状态的选择是通过故障枚举法来实现的，即通过故障枚举法首先选 择一个停运状态，对此停运状态进行评价( 通过潮流计算来实现) ，采用相应的优化补救 措施；然后进行再判断，并根据其可能引起的后果进行适当的切负荷；最后计算该状态对 可靠性指标的影响。枚举所有的故障状态，就能得到所求的可靠性指标。一般情况下，系 统故障停运状态的选择是按某种逻辑逐个地选择，例如：可以首先检验所有单重偶发事件， 继而是双重偶发事件，直至所有状态检验完毕。由于解析法采用的是严格的数学手段，计 算可信度高，在给定的简化假设条件下，一般可求得准确的结果。但是，由于系统状态的 数目随着系统元件数目的增加而呈指数增长，所以当系统很大时，要枚举和检验所有的故 障状态，计算量是很大的。 因此，应用解析法来分析复杂配电系统可靠性指标时所面临的主要困难就是在不失 计算精度的前提下如何减少计算量，以提高计算速度。国内外学者在这方面做了大量的研 究工作，并提出了许多具体的方法，它们有各自的优点，但都具有一定的局限性，缺乏通 用性和推广性。下面对这些具体的解析法作简单的描述。 a 表格法 表格法是由前苏联科学家塔里维尔耶夫在1 9 7 0 年提出的。该方法简单直观，在理论 上不存在其模型因元件状态不独立而带来的建模困难问题。但表格法仅适用于手工计算， 不利于计算机编程实现，难于应用到大型配电系统进行可靠性评估计算。国内外学者对其 进行了有益的探索和分析，取得了一定的研究成果“”1 。利用改进逻辑表格法对电气主 7 西安理工大学硕士擘位论文 接线的各种运行方式( 计及了继电保护的影响) 并结合了经济性计算，具有简明、计算准 确的特点，但对于复杂的主接线结构列举各种运行状态必须要有非常丰富的经验，必须建 立相应的专家系统。 b 故障模式与后果分析法( n 偶 a ) 根据选定的可靠性准则，将配电系统划分为完好和故障两种状态，然后根据故障状态 计算出相应的可靠性指标的分析方法。通常在配电系统可靠性评估中采用连续性作为故障 准则，即供电连续性遭破坏( 停电) 为故障状态，保持连续供电为完好状态。它是用于评 估配电系统可靠性的基本方法。具体做法是建立故障模式后果分析表，查清每一个基本故 障事件及其影响，然后加以综合分析，计算出可靠性指标。它适用于放射状网络，而且可 扩展并用于有转移设备的复杂网络的全面分析。 配电系统可靠性评估通常基于故障模式及其后果分析方法4 “，传统的故障模式与后 果分析法( n 征a ) 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，最后 在此状态集合的基础上，求得系统的可靠性指标。f m e a 原理简单，模式准确，但其计 算量却随系统元件数目的增长成指数增长。对于复杂的配电系统，元件的数量巨大，其故 障模式剧增，导致了故障模式后果分析表十分复杂并繁琐。基于最小割集的故障模式分析 方法进行复杂配电网可靠性评估，将各元件对负荷点可靠性指标的影响分为直接割集和问 接割集来考虑，将元件的故障模式对系统的后果影响限制在最小割集范围内，提高了评估 效率；同时还考虑了分支线路熔断器保护、隔离开关、计划检修、备用电源以及备用变压 器的影响。1 。 c 最小路法( m i n i m a lp a t hm e t h o d s ) 文献【3 0 】提出了一种基于最小路的快速评估方法。其基本思想是：对每一负荷点求 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；仅对其最小路上元件与节点进行计算即可得到负荷点相应的可靠性指 标。该算法考虑了分支线保护、隔离开关、分段断路器及计划检修的影响，并且能够处理 有无备用电源和有无备用变压器的情况；可以结合系统的实际配置，并能指出系统的最薄 弱环节，计算效率与f m e a 法相比有了较大的提高，但是对于由主馈线和分支线组成的 相对复杂的系统，其最小路的求解和简化分析工作非常复杂。此外，它对系统不着重关心 的负荷节点的指标也做了大量的计算，耗费了不必要的时间n ”“。 d 最小割集法( m i n i m a lc u t - - s e t sm e t h o d s ) 基于最小割集的故障模式分析方法，对复杂配电网可靠性进行评估，将各元件对负 荷点可靠性指标的影响分为直接割集和间接割集来考虑，将元件的故障模式对系统的后果 影响限制在最小割集范围内，提高了评估效率：同时还考虑了分支线熔断器、隔离开关、 计划检修、备用电源以及备用变压器的影响 2 6 e 虽然最小割集相对于最小路，在其计算 量上有所减少，但是对于复杂的大型配电系统来说，求取最小割集仍是非常费时的g l a j 。 3 第二章配电系统可靠性评估的基本原理 2 1 2 模拟法 蒙特卡洛模拟法属于统计试验类方法，比较直观，易于被工程技术人员掌握和理解， 易于处理系统按时间顺序进行的操作，容易处理各种实际运行控制策略，而且计算量( 抽 样次数) 几乎不受系统规模和复杂程度的影响。蒙特卡洛模拟法是以配电网各元件的可靠 性原始数据为前提，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 果中统计出系统的可靠性指标的方法。需先找到故障元件影响的所有负荷点，形成它们的 工作，恢复的历史数据表。通过对负荷点历史记录的采样、分析和计算，便可求出系统和 负荷点的可靠性指标，包括其均值和概率分布。模拟法所要求的模拟次数与系统的规模无 关，算法和程序结构较简单，可以求出可靠性指标的概率分布，适合于复杂系统的可靠性 评估，在处理故障相关性、节点负荷相关性及按时序进行的操作方面有很好的效果，并可 反映负荷的随机变化特性。 目前，蒙特卡洛法己广泛应用于国外的大型配电网的可靠性评估。它具有以下优点： 蒙特卡洛法比解析法更能准确地对复杂系统进行建模； 其采样次数与系统的规模无关，所以进行复杂系统的可靠性评估时具有很大的优 越性； 该算法不仅能够计算可靠性指标的期望值，还能计算它们的概率分布； 可以发现一些难以预料的事故，并可反映负荷的随机变化特性。 蒙特卡洛法不仅可以随机模拟系统运行的实际方式，不需要对实际问题作过多的简化 和假设，而且考虑更加全面，更适用于大型电力系统的可靠性评估。该方法的主要不足在 于其计算精度与计算用时紧密相关，如果要得到较高的精度，则很可能会花费很长的时间。 模拟法计算量大，需要较长的模拟时问，但由于可靠性评估属静态评估，对计算机模拟耗 费的时间要求不高，故可以作为复杂配电网的可靠性评估方法”4 ”。 2 1 3 混合法 解析法和蒙特卡洛法各有所长，且其各自的优缺点相互补充。如果有一种方法，能将 这两种方法有机地结合起来，充分发挥各自优缺点则是最理想的评估方法。混合法正是基 于这一考虑才应运而生的，而且近年来一直是可靠性评估研究中的热点。 混合法的主要思想是：由于解析法模型精确，物理概念清楚，在能用解析法的地方充 分利用解析法，在求解规模超过解析法的求解能力时，应用蒙特卡洛法，也就是说在蒙特 卡洛法的模拟过程中，尽可能地利用解析法所能提供的信息，以降低模拟统计量的方差， 从而显著地减少蒙特卡洛法所消耗的c p u 时间。 混合法首先由c l a n c ydp 应用于多区域电力系统的可靠性评估，其后被用于发输电 组合系统的可靠性评估，这时的混合法只是蒙特卡洛法和解析法的很直观的推广。它根据 解析法比较适合用于输电系统的特点，在发输电组合系统的可靠性评估中，对于输电线路 的故障采用解析法处理，然后在输电线路发生各种故障的条件下，对发电系统的故障进行 9 西安理工大学硕士学位论文 采样，应用模拟法进行评估。这种方法的优点是将系统中适于用解析法处理的部分( 输电 系统的故障) 用解析法处理，减少了蒙特卡洛法的采样，从而提高了运算速度。 此后，不少学者对混合法进行了进一步的研究，提出了不少新的方法，例如对复杂配 电网可靠性评估的混合法。该方法先将复杂的配电网络按照网络等值法简化成简单的主馈 线系统，然后再对简化后的主馈线系统利用模拟法得到各负荷点的可靠性概率分布指标。 这些概率分布指标的获得，丰富了系统可靠性水平的信息。该算法只是将解析法与模拟法 粗浅的结合，并没有从两种方法的本身优势入手。它在用等值法简化网络时，作了一定的 假设和条件简化，这就没有充分利用上蒙特卡洛模拟法的优点。该算法是对复杂配电网进 行可靠性评估的一次有用的尝试，对今后将混合法应用到复杂电力系统可靠性评估中去具 有一定的启发意义。 总之，混合法的研究关键是如何使解析法与混合法有机地结合起来，发挥各自的优点， 提高计算速度和计算精度。由于混合法的研究刚刚起步不久，在这一领域还有许多急需解 决的问题，所以，继续对混合法进行研究，探索更为实用的评估方法，必然会推动电力系 统可靠性研究的发展。随着社会的发展和电力市场化的到来，人们对电能质量的要求越来 越高，只是配电系统的结构日益复杂，配电系统存在更大的不确定性，因此，将混合法应 用于配电系统的可靠性评估，必将是一个很有前途的研究方向哳。1 。 2 。1 4 人工智能方法 近年来，人们尝试将人工智能的方法引入并应用于电力系统可靠性评估的研究中，是 基于目前的评估算法( 解析法和模拟法) 对于复杂多变的系统进行可靠性评估存在着建模 困难和计算量大的问题而提出的，出现了所谓的人工神经网络评价可靠性的方法以及模糊 可靠性评估方法。人工神经网络方法虽然能够考虑网络结构变化等多种实际运行条件的影 响，但由于其设计比较困难，隐含层中的节点数的选取不能很好解决，因此进展不大。 在电力系统中，不仅涉及到随机性、不确定性问题，而且还涉及到许多模糊性不确定 问题；电网规划时目标年的负荷预测值及用户对系统供电满意度等具有模糊性；因统计资 料不足或统计误差以及设备运行条件、运行环境难以确切估计，使得电气设备的故障率a 、 修复率z 也具有模糊性，这就使得模糊性的可靠性评价指标具有相当的现实意义。 模糊可靠性评估方法的实质，就是应用模糊集合论里的模糊数表示设备的故障率、修 复率、设备状态概率等数值上的模糊不确定性，并通过相应的模糊集合运算得出电网的模 糊可靠性指标。用模糊度隶属函数描述可靠性指标的可能性分布，为规划人员提供更多的 科学决策信息 1 3 1 0 2 。2 配电系统可靠性评估指标 所谓供电可靠性，实际上就是用户能以多大的可靠程度得到电力系统供给的电能问 题。对用户来说的可靠程度，可以理解为希望电力系统不管在什么运行条件下都不发生故 障，连续而充足的供给具有正常的电压和频率的电力。供电可靠性的定义就是在电力系统 1 0 第二章配电系统可靠性评估的基本原理 设备发生故障时，衡量能使由该故障设备供电的用户供电故障尽量减少，使电力系统本身 保持稳定运行能力的度量n “1 。这个定义，基本上反映了供电可靠性的实质，己广泛为人 们所接受。这里所说的“使由该故障设备供电的用户供电障碍尽量减少”，不仅包含了电 力系统在发生设备故障之后减小故障的影响，保持系统稳定的问题，同时也包含了为防止 故障发生和万一发生故障后，为减少故障影响而进行的倒闸操作及维护、检修的效果，以 及操作、维护、检修本身作业停电对用户造成的影响等问题。因此，电力系统供电可靠性 的实质，就是电力系统对用户连续供电能力程度的量度。而具体到配电系统来说，所谓配 电系统供电可靠性，就是量度配电系统在某一定期间内，能够保持对用户连续充足供电能 力的程度m “。 配电系统可靠性的评价标准是多方面的。用户的供电质量往往是受到停运频率、停运 持续时间以及其它因素的影响。因此，至少可以从两个方面来分析配电系统的可靠性。 ( 1 ) 对用户而言 任何一个用户均希望对它能充分保证供电，不受到停电的影响。因此用户感兴趣的可 靠性指标是供电服务的质量。 ( 2 ) 对供电部门而言 感兴趣的指标则是对系统所有用户的平均服务质量或最差供电指标。 2 2 1 配电系统可靠性指标建立的基本原则 由于配电系统可靠性指标是配电系统可靠性进行历史和未来评价的基础和基本出发 点，因此配电系统可靠性指标必须具有如下的特点： ( 1 ) 配电系统可靠性指标必须能够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，并能作为衡量各有关因素的尺度： ( 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，并从元件数据中 计算出来。 。 2 2 2 影响配电系统可靠性指标的因素 ， 由于配电系统可靠性工作包含了量度过去和预测未来两个方面，而且两个方面所研究 的对象和方法又有所不同，因此所建立的指标表示的侧重点也略有不同。但由于两者是彼 此密切相关和统一的，其基本出发点也是一致的，所以其考虑的因素虽然不尽相同，但目 的是一致的。 a 电力市场条件下对配电系统可靠性的新要求 电力市场条件下对配电系统可靠性的新要求，概括为以下几点： ( 1 ) 在发展电力市场时，配电系统必须有规划和设计，必须有严格的可靠性准则， 责任单位和责任人必须遵守； ( 2 ) 提高需求预测的准确性； 西安理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 配电系统可靠性评估要考虑交易形式不同带来的不确定因素： ( 4 ) 可靠性技术逐渐发展为实时系统； ( 5 ) 要求提出评估停电损失的理论模型和开发应用软件。 b 建立配电系统可靠性统计指标考虑的因素 ( 1 ) 可靠性统计评价的目的 配电系统可靠性统计、分析及评价，是配电系统可靠性管理的基础，也是电力工业可 靠性管理的一个重要组成部分，其目的在于以下几点： 收集配电系统运行方面的可靠性资料，建立供电可靠性的数据系统和指标； 为编制配电系统运行方式，维护检修计划、备品备件计划提供可靠的数据及资料； 为配电系统可靠性预测提供必要的数据和依据； 为配电系统的设计和规划提供必需的可靠性数据； 制定统一的、明确的供电可靠性标准和准则； 为提高配电系统对用户的连续供电能力提供最佳可靠性的决策依据。 ( 2 ) 配电系统和设备的状态及对用户的影响 配电系统的状态。从用户的影响来看，配电系统的状态有供电状态和停电状态两 种。所谓供电状态就是配电系统处于对用户供给预定供应电能的状态。所谓停电状态就是 配电系统不能对用户供应电能的状态。任何时候配电系统都必须处于这两种状态种的一 种； 配电设备的状态。就每一台单一的配电设备来说，配电设备的状态可分为运行状 态和停运状态。所谓运行状态就是配电设备处于与配电系统相连接的，带电并可以带负荷 的状态。所谓停运状态就是配电设备由于故障、缺陷或检修、维修、试验与配电系统断开， 且不带电的状态： 配电系统及其设备状态的考虑方法。 ( 3 ) 配电系统停电和设备停运的性质 ( 4 ) 配电系统停电和设备停运的频率、持续时间及规模 ( 5 ) 配电系统的结构特点及管理方式 t 建立配电系统可靠性预测指标考虑的因素及方法如图2 - l 所示n “1 ： 1 2 第二章配电系统可靠性评估的基本原理 图2 - 1 影响配电系统可靠性指标的因素 f i g 2 - 1 f a c t o r so f a f f e c t i o n f i l ed s t r i n u t i o ns y s t e mr e h a b i l 财i i 嘲蛸 2 2 3 配电设备可靠性指标 配电设备可靠性指标一般有以下几项： a 故障率，次年r 平均故障修复时间，小时次 互检修率，次年，平均检修持续时间，小时次 a 串联系统主要故障分析指标 所谓串联系统，就是由两个或两个以上的元件组成的系统，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“1 。 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： 月 屯了 ( 2 1 ) - 爱一等 善 小善 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 1 3 西安理工大学硕士学位论文 其中：a 。系统负荷点的等效故障率( 或平均故障率) ，2 j c 年： 元件i 的故障率，次，年； l 元件i 的故障修复时间( 或称故障停电时间) ，h 年； 系统负荷点每次故障时间的等效修复时间( 或平均停电持续时问) ，h 次； u 。系统不可用率( 或负荷点的年平均停电时间) ，b ，年。 b 并联系统主要故障分析指标 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，系统就算处于工作状态n “。 两个元件并联的计算公式： 知- a i a 2 ( r l + r 2 ) ( 2 4 ) 万坠 ( 2 5 ) a i + a 2 砺一a r r p a n 2 r l r 2 ( 2 6 ) 其中： 、九分别为元件1 、2 的故障率，次年； 、r 2 分别为元件1 、2 的故障修复时间( 或故障停电时间) ，h 次； a 。一系统负荷点的等效故障率( 或平均故障率) ，次，年； l 系统负荷点的等效故障修复时间( 或平均停电持续时间) ，h 次； u 。系统负荷点的不可用率( 或平均停电时间) ，h 侔。 2 2 4 配电系统可靠性指标 配电系统可靠性指标是进行配电网可靠性评估的基础和出发点。科学的可靠性指标体 系，不仅可以客观地反映系统的可靠程度，而且有利于找出系统存在的薄弱环节，以便采 取相应的措施。配电网可靠性指标被定义为停运频率和停运的持续时问“”。 系统可靠性就是度量电业部门为了保证满足用户供电可靠性，保持电力系统最佳状况 的能力。它取决于设备状况和运行状况。度量设备状况的可靠性叫做设备可靠性，其研究 的问题是使用什么可靠度的设备，在电气上如何加以组合构成的系统为最佳；度量运行状 况的可靠性叫运行可靠性，其研究的问题是怎样运行和维护才能使系统的运行状况最好。 由于在运行上包括维护和运行两个方面，因此运行可靠性在某种程度上能够弥补设备可靠 性的不足伽”“。 1 4 第二章配电系统可靠性评估的基本原理 总括起来，系统可靠性研究和考虑的问题大体有以下几个方面： ( 1 ) 设备本身的可靠性。要使构成系统的各种设备经常处于健全完好的运行状态，能 够充分发挥其功能，具有较高的可靠性： ( 2 ) 整个系统的设备可靠性。必须考虑把具有相当可靠性水平的各种设备组合起来， 并与其他系统相联系，构成容易实现一元化运行和维护的最佳系统； ( 3 ) 系统运行的可靠性。必须把各种设备有机结合起来，使之成为具有安全校核、系 统保护和系统恢复能力，对任何事态都有自己处理能力的有生命的系统； ( 4 )