（电力系统及其自动化专业论文）配电网可靠性与经济性综合评估.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e l i a b i l i t ya n de c o n o m ya r et h em o s tt w oi m p o r t a n ti n d e xo fp o w e rs y s t e m ，b u t a l s oc o n t r a d i c t o r yt oe a c ho t h e r i nt h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n ga n d r e c o n s t r u c t i o n , h o wt ot a k ei n t oa c c o u n tt h eb o t l li m p a c to fr e l i a b i l i t ya n de c o n o m y ， h o wt oc o o r d i n a t et h ec o n f l i c tb e t w e e nt h e m ，a n dh o wt ou s el i m i t e df u n d st o m a x i m i z et h ei n c r e a s eo ft h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e mh a sg r e a ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e st h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n m e t h o d s ，f o c u s e so nt h ee v a l u a t i o nm e t h o db a s e do nt h er a m s e s b yu s i n g “p o w e r c u s t o m e ri m e r r u p t i o nc o s t ”t oq u a n t i f yt h ee c o n o m i cv a l u eo fr e l i a b i l i t y ，a n dc o n s i d e r i n g i n v e s t m e n t ，o p e r a t i n gc o s t s ，l o s sa n do t h e rc o s t s ，t h i sp a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ec o n c e p t o f c o m p r e h e n s i v ec o s t , a n de s t a b l i s h e sac o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lo ft h e d i s t r i b u t i o nn e t w o r kc o n s i d e r i n gb o t l lr e l i a b i l i t ya n dc o n o m y t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec o m m o nt y p i c a lg r i dp a r e r no ft h ed i s t r i b u t i o n n e t w o r k , a n de v a l u a t e st h e i rr e l i a b i l i t y t h i sp a p e ra l s oe s t a b l i s h e sac o m p r e h e n s i v e e v a l u a t i o nm o d e lw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h ea n a l y s i so ft h et y p i c a l 鲥dp a t t e r n c o n s i d e r i n gt w ot y p e s - t h eo v e r h e a dl i n ea n dc a b l el i n e ，e i g h tk i n d so ft o p i c a lp a t t e r n a r ea n a l y s e d ，a n dan u m b e ro fg e n e r a lc o n c l u s i o nw i l lb er e a c h e do nt h eb a s i so ft h e s i m p l i f i c a t i o n t h i sp a p e rw i l la l s oa p p l i e st h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e lt ot h ep r o b l e m o ft h es e l e c t i o no ft h ed i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r c o n s i d e r i n gl o a dd e n s i t ya sa b r e a k t h r o u g h ，t h i sp a p e ra d v a n c e san e wi d e aa n da p p r o p r i a t em a t h e m a t i c a lm o d e l ， a n dt h r o u g ha c t u a le x a m p l e ss h o w e st h ee f f e c to ft h em e t h o d t h ei m p o r t a n ti m p a c t o fl o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r a m e t e r sr e l a t e dt ot h ep r o b l e mi sa l s ob ea n a l y s e d f i n a l l y , c o n s i d e r i n gt h ev a r i e t ya n dc o m p l e x i t yo ft h ea c t u a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r k ， a ne v a l u a t i o na n do p t i m i z a t i o ns o f t w a r ei n t e g r a t i n gt h er e l i a b i l i t ya n d - e c o n o m yi s d e s i g n e d t h em o d e l i n g ，l o s sc a l c u l a t i o no ft h ep o w e rg i r da n ds u c hk e yt e c h n o l o g i e s a l ei n t r o d u c e d a n dt h r o u g he x a m p l e s ，t h ea c t u a ld i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n di t s t r a n s f o r m a t i o np r o g r a m m ea r ea n a l y s e du s i n gt h ec o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l 浙江大学硕士学位论文 c o n s i d e r i n gb o t hr e l i a b i l i t ya n de c o n o m y k e yw o r d s ：r e l i a b i l i t y ：e c o n o m i c ；p o w e rc u s t o m e r i n t e r r u p t i o n c o s t ； c o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o nm o d e l ；t y p i c a lg r i dp a t t e r n ；d i s t r i b u t i o nl x a n s f o n n e r ； ! 1 1 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 本章介绍了本文的研究背景，阐述了配电网可靠性和经济性研究的重要性和必要性。 对国内外配电网可靠性、经济性研究进行了综述，并对可靠性经济性综合评估这一研究热 点进行深入介绍同时综述了典型网架及配电变压器两个方面的研究概况。最后介绍了本 文研究的主要内容及所做的工作 1 1 立题意义 1 1 1 配电网可靠性研究的重要性 电力系统可靠性的研究开始于2 0 世纪6 0 年代，刚开始，可靠性的研究主要 侧重于发电系统或以发电和输电组成的组合电力系统的可靠性评估，而配电系 统，特别是中压配电系统可靠性研究远未得到应有的重视【1 1 。这主要是由于发 电侧设备一次性投资更大，建设周期更长，发电量不足造成的后果和对社会造 成的影响更严重更明显等，这些更容易引起人们的注意。 7 0 年代初以后，特别是9 0 年代以来，随着经济技术研究和社会的发展，配 电系统的可靠性越来越受到人们的重视。事实上，配电系统处于电力系统末端， 直接与用户相连，是电力系统向用户提供电能、分配电能的重要环节。由于电 能具有发、供、用的同时性特点，电能不能大规模的储藏。一旦配网出现故障， 就会直接造成对用户的停电，其重要性不亚于发电系统【2 】。 同时，配电系统多采用辐射式网络，对故障比较敏感，一旦在某一点出现 故障，就会造成整条线路或者部分线路停电，大大降低了供电的可靠性。据不 完全统计，用户8 0 以上的停电故障是由配电系统的故障造成的1 3 】。 这些年来，国内外电力系统由于就曾发生多次大面积停电事故，对国民经 济造成极大损害，使社会和人民生活受到极大影响。如：1 9 6 5 年美国东北部大 停电事故，不单使纽约市和东北部六州大停电还波及加拿大安大略省，停电区 域2 0 万k m 2 ，经济损失达l 亿美元，影响约3 0 0 0 万居民【4 j ；1 9 7 8 年法国电力系统 大停电事故，占全国负荷四分之三的大部分地区停电，经济损失约2 亿美元； 1 9 7 2 年我国湖北电力系统稳定破坏事故，使全省失去负荷约6 8 6 m w ，导致湖北 浙江大学硕士学位论文 地区大面积停电等等。 我国电网长期以来严重缺电。电网的突出问题是发电厂窝电，用户用不上 电，出问题的地方恰恰主要是配电网，表现在：配网网络结构不合理，配网环 网率很低，也没有根据负荷的大小和分布进行设置，降低了供电的可靠性；分 段开关、联络开关设置很少，一旦出现问题便造成整条线路失电；配电变压器 损耗大，容量不足，不能适应负荷的变化和增长；进户线老化，截面积小，适 应不了用电增长要求，经常出现事故等等，严重制约了整个系统的供电可 靠水平。 由此可见，配网可靠性对用户用电的影响是非常大的，并且越来越得到重 视，配电网可靠性研究的必要性也越来越凸现出来。目前，在工业发达国家， 可靠性已经成为配电系统规划决策中一种常规性工作，并已用于实际生产。 我国也越来越重视配网可靠性的重要意义。进入9 0 年代以来，国家投巨资 于配网改造，配电系统可靠性整体水平不断提高，根据中电联电力可靠性管理 中一t , 2 0 0 5 年的统计数据【5 1 ，如图1 1 、1 2 所示： 芝 瞢 培 窟 弹 雀 7 m 互 奢 掣 肇 图1 11 9 9 8 2 0 0 4 年全国历年可靠性指标比较 1 9 9 1 1 9 9 92 0 2 0 0 l2 22 32 0 0 4 年份 图1 21 9 9 8 - - 2 0 0 4 年历年停电时间比较 2 浙江大学硕士学位论文 图1 1 中r s l 为实际供电可靠率，r s 3 为扣除系统限电的平均供电可靠率 6 1 ， 直接反映了目前我国城市电网的现状和供电部门的综合管理水平。 从统计数据中可以看到，r s 31 1 1 1 9 9 8 年后保持了持续上升的势头，表明我 国近年来狠抓可靠性管理的力度，在城网规划、设计、设备选型、施工、检修、 停电管理等各个环节加强可靠性管理工作，切实提高了配电网的供电可靠率。 但是，即使以2 0 0 4 年的最佳数据来看，配网的平均供电可靠率r s 3 仍然只 有9 9 9 2 7 ，用户的年平均停电时间为6 3 9 5 h 户。而国外先进国家和地区( 如纽 约市) 的供电可靠率及相应年户停电时间为9 9 9 9 以上和1 0 m i r t 左右，日本全国 平均年户停电时间为9 m i n ，和国外发达国家的差距仍然很明显。 因此加强配电网可靠性的研究和管理，分析现有配电网的可靠性水平及 限制原因，对迸一步提高我国配电网供电可靠性水平就具有非常重要的实际意 义。 1 1 2 配电网经济性研究的重要性 配电工程的投资非常巨大，发达国家输配电工程投资常常占整个电力系统 投资的5 0 以上，而在各区域( 或城市) 电力公司中配电系统投资通常占预算的 6 0 。 此外，我国输配电系统目前线损率很高，1 9 9 5 年为8 7 7 ，1 9 9 7 年为8 2 0 ， 配电系统网损尤为严重，而日本、德国、法国等发达国家线损率仅为5 6 左右。 按1 9 9 7 年配电系统网损水平，我国相当于比国外发达国家水平多损耗1 8 0 亿k w h 的电量，相当于损失3 至1 j 4 个百万k w 级电厂的全年发电量1 7 1 。 为了改善我国配电系统的现状，国家加大了配电网改造的投资，仅1 9 9 8 年至2 0 0 0 年，国家就投资数千亿元进行一批城市的配电网改造。但我国现在 还处于社会主义初级阶段，生产力水平比较低，建设资金紧张，电力工业是投 资密集型产业，建设和改造需要巨额投资。 面对未来巨大的资金投入，如何既考虑当前的需要，又惠及长远的发展， 合理有效地利用资金和资源，取得最大的效益，避免浪费，同时考虑整个社会 的效益最大乃是各级决策者应该十分关注的问题【8 1 。 配电网是一个庞大而又复杂的系统，并且不同于其它任何的系统，它关系 到国民经济的发展和社会的稳定，对这样一个系统的投资改造的分析是非常必 3 浙江大学硕士学位论文 要的。要让有限资金和资源投入到最需要的地方，投入到对整个社会最有价值 的地方，这些都是值得认真研究的问题。 1 1 3 本课题研究的意义 如上所述，近年来国家投巨资于配网改造，以便提高配电网供电能力和安 全经济运行水平。但是，改造配电网不能简单化地加大导线截面或改为电缆、 增大配变容量。广东某市为提高供电可靠性，也为改善市容，投巨资将架空线 改为地埋电缆，实施了几条线路后发现，简单地将架空线改为电缆，投入了大 量的资金和人力，但提高可靠性的效果不明显，后来工程被迫停工，重新规划。 因此改造配电网要先从改造网络结构入手，而如何改造网络结构则要基于对网 络结构的可靠性研究。 此外，随着我国电源建设的发展，用电量的增加，用户对电能质量( 包括频 率、电压和谐波问题等) 有更高要求，对供电可靠性、电量计算和电价更为关切。 电力法实施以后，用户在应用法律保护自己的权益以及要求电力部门提高供电 服务水平等方面的意识均有明显增强1 9 1 。 上述新发展和新动向对我国配电网目前的状况是一个新的挑战，如何适应 和促进这种新形势发展是配电网可靠性应着重考虑的新问题。 综上，配电网可靠性研究在保证供电质量、提高经济效益和社会效益，进 行城市网络建设和改造起着重要的作用。建立以经济性为基础的可靠性经济性 综合评估方法己成为当前形势所需。通过配电系统可靠性仿真和评估，一方面 可以了解整个配电系统的可靠性分布水平，找到配电网络的薄弱环节，指出网 络的改造方向，为城市配电网的改造提供参考意见。 另一方面，同时考虑可靠性和经济性的影响，利用经济和技术的方法，同 时将供电侧和用电侧摆在一起考虑，本着用电的净社会效益最大的原则设计电 网建设方案，并寻求一种平衡，使可靠性和经济性均得到考虑。即通过定量计 算得出不同措施所带来的经济效益的不同，从而用有限的资金最大限度地增加 系统的可靠性。 可以预见，随着电力工业改革的逐步深入及电力市场机制的健全和完善， 在电力系统运行和规划中，结合我国的实际情况来研究可靠性与经济性的综合 优化是十分有必要的。同时，在这一思想的指导下，对配网网架结构、配电变 4 浙江大学硕士学位论文 压器选择等影响配电网可靠性的重要研究方面进行深入研究，也必将会受到更 多的重视，得到更广泛的应用。 1 2 配电网可靠性、经济性研究概况 1 2 1 配电网可靠性评估 配电系统可靠性( d 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 ) 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标准及期望数量 满足用户电力及电能需求能力的度量。 分析配电系统可靠性的方法主要有解析法和模拟法两大类。 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，从而计算出系统的可靠性指标【1 0 1 。解析法利用故障枚举进行状态的选择 和估计，用数学模型描述系统，并用数学方法从数学模型中估计可靠性指标， 包括故障模式与后果分析法、状态空间法、近似法和故障树法等。 最基本的解析法是故障模式与后果分析法( f m e a ) 1 1 1 。该方法采用基于预想 事故后果分析的方法，以每台设备为对象，分析各种可能的故障事件及其后果， 然后根据得到的预想事故集进行配电网可靠性指标的计算。但实际评估过程中 需要模拟大量的枚举故障，而每次模拟故障后又都需进行相应的负荷转移分 析。 网络等值法【1 2 l 可以用来简化带复杂分支馈线的配电系统。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。对辐射状配电网而言，该等效方法具有很好的 适应性。 此外文献1 1 3 】提出一种基于数据结构的故障遍历算法等改进故障遍历法，引 入了数据结构中的深度优先搜索、广度优先搜索以及邻接表的概念，加快故障 遍历速度：文献【1 4 】【1 5 】针对故障树分析方法在可靠性分析中的局限性，研究了贝 叶斯网络在可靠性分析中的应用；文献l 6 】【1 9 1 分别研究了基于最小割集法、二叉 树模型和遍历技术、简化网络模型、最短路思想的配网可靠性评估算法。 尽管上述方法的提出具有相对的优越性，但对结果的求取和对子系统的多 5 浙江大学硕士学位论文 次连续等效均需花费大量的时间，而且它们均做了很大程度的近似。例如，网 络等值法的等值过程需对元件进行多次重复遍历，使算法存在一定的冗余计 算；最小路法很难进行负荷转移路径的搜寻等问题。 解析法优点是物理概念清晰，模型精度高，各种方法共同的缺点是计算量 随系统规模的增大而急剧增大，故只能考虑有限的负荷水平，不宜处理相关事 件。 因此近年来，人们尝试将人工智能的方法引入到可靠性分析领域【2 0 】 2 1 1 。出 现了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。通过对这些优 化算法的引入到配电网络可靠性评估中，就不需考虑故障组合，模型不会随系 统规模的扩大而变复杂。但是，这些方法由于其设计比较困难，存在隐含层中 的节点数不好选取等问题。 模拟法是通过对元件概率分布采样来进行状态的选择和估计，利用统计学 的方法得到可靠性指标，包括蒙特卡罗模拟法( m c s ) 、人工神经网络法( a n n ) 、 非指数分布法等。 蒙特卡罗法【冽是用数值计算方法去模拟系统的实际过程，首先从设备概率 分布函数中抽样确定系统状态，然后对产生状态进行状态估计，用一个模拟序 列表示一个实际的样本，累积了足够数目的样本后对每次状态估计的结果进行 统计，得到系统的可靠性指标。 模拟法比较直观，便于处理负荷的随机变化特性。但它具有明显的统计性 质，且计算时间和计算精度紧密相关，为了得到比较接近实际的模拟结果，模 拟过程的次数不能太少，所以模拟运算量必然很大，往往需要很长的计算时间。 但高速计算机的应用已经使这种方法成为一种可行的技术。 随着全国的电网联网，系统规模越来越大，因此系统的建模越来越困难， 计算也更为复杂。蒙特卡罗法为代表的模拟法能够较好地解决这些问题，因此 被广泛应用【2 3 l - 【2 5 1 。 可以看到，国内外对电力系统，尤其是配电系统的可靠性评估进行了大量 有效的研究工作，为相应的工程应用工作奠定了坚实基础。近年来，国内外高 校、研究机构和电力部门已相继研制了许多针对各电力子系统的可靠性分析软 件。如文献【2 6 1 归纳了国内外各种可靠性软件包的功能及应用的可靠性计算算 法；文献【2 7 1 对利用国内软件p s s a 对可靠性计算进行了分析；文献对中国南 6 浙江大学硕士学位论文 方电网的可靠性评估做了介绍。 1 2 2 可靠性经济性综合评估研究的现状和方向 如前所述，为了提高供电系统的可靠性，必须进行大量的投资，这就使电 力部门面临着两个决策问题：一个是要把可靠性水平提高到一定的程度，从经 济上考虑应如何选择提高可靠性措施的最佳组合方案的问题；另一个是应花多 大投资把可靠性提高到何种水平为最优的问题。 在实际工程中，电力使用者总是希望能在经济的前提下获得高可靠的供 电，以减小停电带来的损失，而供电企业在设计系统建设方案时则受到资金限 制的约束，这就使得用电侧和供电侧在供电可靠性及经济性问题上存在着矛 盾。如何协调好可靠性与经济性之间的矛盾，己成为待解决的问题。 在综合考虑配电网可靠性与经济性方面，国内外做了很多的研究和尝试： 文献【2 9 j 较为全面地综述了电网扩展规划中可靠性和经济性矛盾的解决方法，从 数学模型方面分析和比较了电网扩展规划中可靠性和经济性指标的不同处理 。 方法；文酬3 0 】提出了安全性经济当量的概念；文献川在引入满意度、模糊概念 的基础上，提出了一种用于综合协调电网规划中可靠性与经济性矛盾的新的电 网规划方法；文献1 3 2 】进行了电力市场环境下电力系统安全性的经济化研究。文 献【3 3 】以停电损失为切入点，分析了提高供电可靠性措施的经济性。 上面的研究方法体现了这样一种研究趋势：将可靠性以某种形式引入到经 济“成本一中，以实现可靠性经济性的综合评估。电力系统可靠性的价值在于 连续供电。可靠性水平低，往往会造成缺电或者停电，造成经济损失和社会损 失。可见，可靠性的经济价值以“可靠性成本 体现。这部分“成本又以 电力供应中断对用户造成的经济损失即“停电损失 的形式表现出经济价值， 且容易被人们接受。这方面的研究也相当得多： 文献【3 】从可靠性经济学的角度出发，详细介绍了可靠性经济评价的方法； 文献1 3 q 分析了电力市场环境下停电损失补偿的计算方法；文献【3 5 1 。【3 7 l 在大量统 计数据的基础上，进行了有关停电损失费用的理论与方法研究；文献1 3 8 l 【3 9 1 研究 了国内停电损失估算的方法。 7 浙江大学硕士学位论文 1 3 典型网架及配电变压器研究概况 在配电网改造中，重设备改造、轻网络优化的问题普遍存在。实际上，配 电网改造应该找准电网中的薄弱环节，选择与规划城市相适应的接线模式，强 化电网结构。 例如，过去我国配电网比较落后，大部分地区呈辐射状网架结构，而且分 段极少或基本上不分段，因此供电可靠性较差。在已有网架基础上，增建分段 开关实现恰当分段及在相邻线路间增建联络开关和少许线路实现手拉手或网 格状配电，可显著提高供电可靠性。但是，由于经济和技术因素的约束，也会 限制分段开关和联络开关的数量。 因此，配电网接线模式的选择在城市配电网的规划和改造工作中是一个十 分重要的问题。对整个电力工业发展和用户的发展具有重要意义。 文献删 4 1 1 对中压配电网各种接线模式的分段情况进行分析论证；文献【4 2 】 对中压配电网常见的几种接线模式进行了可靠性与经济性计算分析，并研究其 随负荷密度和变电所容量变化的趋势；文献i 4 3 】采用“单位负荷年费用为经济 性指标，以“平均用电有效度 为可靠性指标，对两级配电网形成的组合电网 进行了可靠性与经济性指标的量化计算；文献】介绍了配电网接线方式的选择 原则，接着从经济性、可靠性、灵活性等方面对城市中压配电网络的常用接线 模式进行了分析比较。 此外，配电网评估与规划中，配电变压器等设备对配电网可靠性也会产生 很大的影响。例如配变二次侧直接与低压侧相连，以放射状网络结构直接输送 电能到用户端，直接影响用户的供电可靠性：配变容量过大会增加设备购置和 安装、运行维护的投入，造成资金浪费；容量选择过小，不能满足用电的需求， 使配电变压器过载运行，造成设备损坏，这些都会直接使用户断电，减低整个 系统的供电可靠性。 配变研究主要是型式与容量的选择，其中容量选择是核心问题。最简单的 方法是根据配变容量大于负荷容量的原则确定容量。这种方法过于简单，更多 的是采用根据负荷率和负荷容量确定配变容量，即配变容量= 计算负荷容量负 载率。负载率的确定又有几个方法，最常见的是从配变功率损失率最小的角度 确定经济负载率【4 5 1 。文献【4 6 】还提到按年电能损耗最小确定负荷率等方法。 8 浙江大学硕士学位论文 文献【4 7 】【4 8 】对变电所内变压器的选择问题进行较全面的经济效益分析，建立 了基于费用最小化的数学模型，通过优化算法进行计算；文献【4 9 】进一步将变压 器位置、容量和供电范围联合进行优化。上述分析方法综合考虑变压器选择问 题中的各种因素和制约条件，可以借鉴到配变选择问题上。 在这些方法中，配变的选择主要是容量的选择，并且是由负荷的容量大小 来选择配变容量。实际上，在一个供电区域的负荷分布较复杂，走线方式限制 很多，供电区域的划分没有很好的依据，要精确确定一台配变的供给负荷大小 是比较困难的；同时配变的容量及其它参数( 例如供电半径) 反过来也会限制 可供负荷的分布。此外，也没有考虑配变对配电网可靠性的影响。可见，这些 研究方法都存在一定的问题。 1 4 本文的主要工作和成果 本次毕业论文的主要工作是研究配电网可靠性的评估方法，进行可靠性经 济分析，协调了可靠性与经济性的矛盾，建立了一套综合考虑配电网可靠性和 经济性的综合评估方法。应用该方法，结合实际对配电网进行综合评估和优化， 着重对配电网网架结构、变压器等设备的选型等配电网规划中的重点内容进行 深入分析，并对实际配电网的可靠性经济性评估进行初步探索。 具体内容如下： 1 ) 研究国内外配电网可靠性评估方法，将国外先进技术应用到国内配电 网的可靠性评估中； 2 ) 研究配电网可靠性、经济性的评价方法，重点在建立适当的配电网可 靠性的经济评价方法，以用户停电损失来经济量化配电网的可靠性，实现可靠 性与经济性的合并，有效地调和可靠性与经济性的矛盾，并建立配电网可靠性 与经济性综合评估模型； 3 ) 利用建立的模型，以典型的配电网接线模式为切入点，对配电网规划 中的重点内容一配电网网架结构进行深入经济技术分析，在问题简化的基础上 得出一些较一般的结论： 4 ) 对配电变压器的型号及容量选择问题进行分析，提出一种新的研究思 路，建立可靠性经济性综合模型，并通过实际算例验证方法的有效性。同时分 9 浙江大学硕士学位论文 析负荷密度、负荷重要程度等负荷参数对配电变压器选择问题的影响； 5 ) 针对实际配电网复杂多样的特点，开发相应的可靠性经济性综合评估 与优化软件，实现对实际电网及优化改造方案的可靠性经济性综合评估。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章配电网可靠性经济性评估方法 本章结合配电网可靠性评估的现状，介绍了国外先进可靠性评估软件r a m s e s ，并基于 r a m s e s 建立适合的配电网可靠性评估方法然后结合配电网经济性评估方法，重点研究了 配电网可靠性的经济评价方法，即以用户停电损失来经济量化配电网的可靠性，实现了可 靠性与经济性的协调，建立了配电网可靠性与经济性综合评估模型 2 1 配电网可靠性评估方法 2 1 1 配电网可靠性评估方法 直到今天，人们仍用定性的准则来评价电力系统的可靠性。这些准则通常 根据系统是否发生重大事故给出可靠与否的判断。例如电网规划中应用的n 1 准则。配电网可靠性准则不需要n 1 那么严格，允许自动或人工故障切除前的 短暂供电中断。 随着电力工业对可靠性要求的日益提高，人们越来越意识到定量的可靠性 分析的重要性，尤其在规划阶段，更需要定量的指标作为决策依据。这样就需 要对可靠性进行定量分析，计算系统的可靠性指标，从而对整个系统的可靠性 水平有一个定量的描述。同时，还可以计算对每一个用户的影响，从而为可靠 性经济价值的计算提供了数据基础。 如本文1 2 1 节的介绍，配电网可靠性评估方法主要有解析法和模拟法两大 类。解析法物理概念清楚、模型准确精度高，于事件针对性分析。对于配电网 来说，其辐射状网架结构明显，故障及修护模型较容易建立，适合于采用解析 法。 但是由于配电网可靠性计算模型的复杂性，直到当前国内对大型复杂配电 网的可靠性研究还比较少，且缺乏实际应用经验。因此，引入先进国家通用的 可靠性分析方法和工具对研究电网规划和运行的可靠性分析尤其重要。 国外已经开发了许多基于解析法和概率理论思想的可靠性评估软件，如德 国亚琛工业大学电力系统及电力经济研究所开发的大型可靠性计算软件 r a m s e s 。 浙江大学硕士学位论文 2 2 2r a m s e s 简介 德国亚琛工业大学电力系统及电力经济研究所开发的大型可靠性计算软件 r a m s e s ( r e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o d sf o re l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m s ) ，可用来定量 分析计算整个电网以及每个用户供电可靠性数值。r a m s e s 可作为电网规划和 运行时一个科学的、客观的辅助决策工具。 r a m s e s 软件的主要功能分为下面几个部分： 电网潮流和短路电流计算； 电网故障模拟：挑选主要事故，对其进行详细的后果和预防策略分析； 随机可靠性计算：采用分析概率可靠性计算方法对电网进行分析。 该软件已在欧洲电力工业界获得广泛运用：包括德国的主要电力公司e o n 电力公司，r w e 电力公司，v a t t e n f a l l 电力公司以及e n b w 电力公司等四大电 力公司在内的四十多家德国电力公司都在使用该软件；其它国家电力公司有荷 兰电力公司m e g a a g ，比利时国家电力公司，沙特阿拉伯、阿根廷、俄罗斯电 网公司等。政府机构包括欧盟能源部( 布鲁塞尔) ，欧盟电力监督会，世界银行 电能研究部门，德国经济部，奥地利电力监督会等；r a m s e s 还作为一个模块 集成到a b b 公司开发的大型商业电网计算软件c a l p o s 中。 2 2 3 基于r a m s e s 的可靠性评估 1 、可靠性评估步骤 r a m s e s 的可靠性评估步骤图2 1 所示： l 、网络结构、元件电力参数、元件可靠性建模：根据实际电网的设备元 件情况，建立便于分析计算的简化的元件可靠性模型和网络结构模型； 2 、产生故障模型：模拟实际故障的产生情况，建立充分考虑各种情况的故 障产生机制； 3 、故障后果分析：通过状态模拟法，模拟故障后对负荷的正常供电造成的 影响； 4 、计算可靠性指标：通过2 、3 步的模拟，计算各个负荷点的可靠性指标， 包括平均停电率、平均停电时间等，再通过负荷点的数据计算整个计算区域的 可靠性指标。 1 2 浙江大学硕士学位论文 网络结构、元件电力参数、元件可靠性建模 上 产生故障模型( 独立故障和复合故障) 上上 故障后果分析 上上 计算可靠性指标 图2 1 解析法可靠性评估流程 2 、故障模型 r a m s e s 的故障模型是模拟实际生产实际中的各种故障，包括保护装置切 除的故障和非保护动作的人工切除故障、还包括接地故障、保护装置误动据动 等。同时，对发生几率很低的二重故障、元件检修期间另一元件故障等多重故 障也进行了模拟。 3 、故障后果分析 r a m s e s 采用马尔可夫状态评估方法进行故障后的状态分析。其原理简单 介绍如下： 马尔可夫过程可用状态转移图来表示。图2 2 为一由两个元件组成的系统 的状态转移图。图中的数字表示不同状态之间的转移率，图中的元件只有运行 和不运行两种状态。 1 3 浙江大学硕士学位论文 图2 2 两元件系统状态转移图 应用由状态转移图中得到的微分方程求解状态概率： d v r , a 酗 d v r a t d 鸭国 d v r , 衍 也1 + + ，1 ) 呸o 1 q 2 一q 2 + 2 ) o q 2 喁j 0 屯- 3 + 3 ) j 0 呸4 吩4 1 ) 条电缆线路分别运行，另外有l 条线路作为公共的备用线路。备用线路正常时 空载运行，若有某一条运行线路出现故障，则可以通过倒闸操作把备用线路投 入运行。 如图3 6 所示为2 供l 备接线方式： 浙江大学硕士学位论文 图3 6 “2 供l 备”接线图 显然，2 供1 备的线路利用率分别为6 7 ，3 供l 备为7 5 ，依次类推。 此外，还有双t 型、双t 型双联络等可靠性更高的接线模式。这里不一一 列出，以双t 型为例，接线图见图3 7 所示： 变电站 环网柜 环网柜 环网柜 图3 7 双t 型接线图 正常运行时，每个负荷由其中一路电源供电，另一路电源做备用。其可靠 性很高，但结构复杂，造价昂贵。同时，这种接线模式线路利用率也只有5 0 。 3 2 典型网架的可靠性评估 根据本文2 1 节的介绍，本文采用德国亚琛工业大学开发的大型可靠性计 算软件r a m s e s 来定量分析计算网架可靠性。 浙江大学硕士学位论文 3 2 1 前提假设 为了使不同接线模式在同一标准下进行比较分析，在分析之前需要确定一 些边界条件。对本次研究有影响的一些计算条件如下： 1 、本文研究的配电网以l o k v 中压配电网为例，范围从高压变电所的l o k v 母线侧出线到配电变压器l o k v 高压侧为止，每一个配变作为一个“用户一，不 考虑配变低压侧的影响； 2 、可靠性基础采用福州电力局2 0 0 5 、2 0 0 6 、2 0 0 7 年三年的统计数据，设 备分架空线、电缆、变压器、开关和断路器五种元件模型统计，统计指标包括 元件故障率和故障引起停电的平均持续时间，详见附表二； 3 、元件的电气参数取自电力工程电气设计手册洲； 4 、线路长度取1 0 ，1 5 ，2 5 ，4 ，8 公里五种情况，同时考虑留有备用， 使线路不会出现过载情况； 5 、采用用户平均停电时间和供电可靠率( 详见2 2 4 节分析) 作为评价网 架可靠性的指标。 3 2 2 架空线路网架分析结果 架空线路网架考虑单辐射型、手拉手、3 分段2 联络、3 分段3 联络4 种接 线模式。为了比较方便，单辐射型与手拉手型均采用3 分段方式。计算结果如 表3 1 和图3 8 所示： 表3 1 架空线路不同网架用户平均停电时间对比 用户年平均停电时间h1 公里 1 2 5 公里 2 5 公里 4 公里8 公里 单辐射型 1 6 7 2 3 03 5 65 4 51 0 4 9 手拉手 0 7 8 1 1 11 7 52 7 25 3 0 3 分段2 联络0 7 8 1 1 11 7 52 7 25 3 0 3 分段3 联络 o 7 8 1 1 l1 7 52 7 25 3 0 浙江大学硕士学位论文 图3 8 架空线路不同网架供电可靠率对比图 从结果中可以看到： 1 单辐射接线模式的可靠性最低。尤其是线路较长时，与其它接线模式差 距明显，用户平均停电时间相差5 个小时以上。同时，随着线路长度的 增加，单辐射接线模式的可靠性下降很快。这是因为单辐射接线模式不 能实现转供电，可靠性水平很低。 2 手拉手、3 分段2 联络、3 分段3 联络三种接线模式可靠性水平较高。 但是，在线路较长时可靠性水平均下降较多，同时这三种接线模式供电 可靠率数值非常接近。可见，多联络在可靠性提高上的作用很很小。 3 总的来看，四种供电模式随着线路长度的增加可靠性均下降。这是由于 线路的平均故障率与线路长度成正比关系，所以可靠性指标就会相应的 降低。 3 2 3 电缆线路网架分析结果 电缆线路网架考虑单环网、2 供1 备、3 供l 备和双t 型4 种接线模式，计 算结果如表3 2 和图3 9 所示： 表3 2 电缆线路不同网架用户平均停电时间对比 用户年平均停电时间 l 公里1 2 5 公里2 5 公里 4 公里8 公里 h 单环网 o 2 1 4 o 2 1 9 0 2 2 9 0 2 4 3o 2 8 2 2 供1 备 0 2 1 3 o 2 1 9 0 2 2 9 0 2 4 30 2 8 2 3 供1 备 0 2 1 4o 2 1 9 0 2 2 90 2 4 3 0 2 8 2 双t 型 0 2 0 20 2 0 20 2 0 3 0 2 0 40 2 1 l 浙江大学硕士学位论文 图3 9 电缆线路不同网架供电可靠率对比图 从结果中可以看到： 1 四种接线模式的可靠性水平都非常高，用户平均停电时间不到0 3 个小 时，供电可靠率达到9 9 9 9 以上。这是因为四种接线模式都能实现故 障时转供电，同时都预留了足够备用，极大提高了可靠性。 2 单环网、2 供1 备、3 供1 备三种供电模式的可靠性水平几乎完全一样， 备用的加入对提高可靠性的作用很小。 3 总的来看，四种供电模式随着线路长度的增加可靠性水平有所减低，但 降低不多，尤其是双t 型接线模式几乎保持不变。这是因为前三种供电 方式故障时，线路越长转供电的供电走线越长，最长可达到线路长度的 2 倍。线路越长线路的故障率越大，影响了可靠性水平。而双t 型接线 模式的转供电走线不变，可靠性水平最高。 4 双t 型接线模式的供电可靠率最高。这是因为双t 型接线模式的每个用 户都完全实现备用，转供电方便，网架结构最强。 3 3 典型网架的综合评估方法 根据2 4 节建立的综合评估模型，即可对几种典型网架进行可靠性经济性 综合评估，比较不同供电模式的优劣。在综合考虑可靠性经济性的基础上，选 择在不同负荷密度、不同线路长度等条件下的最优接线模式，为配电网规划实 际提供一定的理论依据。 同样，为了使不同接线模式在同一标准下进行比较分析，在分析之前需要 浙江大学硕士学位论文 确定一些边界条件。除了本章3 2 1 节介绍的计算条件外。在进行可靠性经济 性综合评估时，还需要考虑负荷的取值和线路载流量的约束： 3 3 1 负荷的取值 在给定的供电区域内，负荷密度是容易得到，并且较全面地反映了负荷大 小和分布特征。负荷密度是指负荷大小和区域面积的比值。对于典型网架可在 其供电区域下做如下处理： 负荷是沿着线路均匀分布，对于配电网的负荷就是配电变压器，配电变压 器是有一定供电半径的，原部颁规程规定4 0 0 v 低压线路的供电半径不应超过 5 0 0 m ，这样的供电半径在城市地区过大。根据冀北地区城市中低压配电网规 划技术原则 5 2 1 规定，供电半径一般不超过2 5 0 m ，繁华地区不超过1 5 0 m ，比 较合理， 因此，供电区域即为以线路长度为长，配电变压器的供电半径为宽的长方 形供电区域，如图3 1 0 所示： 图3 1 0 供电区域示例图 则： p = 仃l r( 3 1 ) 其中，p 为供电负荷，单位：胂； 盯为负荷密度，单位：m 1 j k m 2 ； l 为线路长度，单位：k m ； r 为供电半径，单位：k m 。 此外，由于低压网络较复杂，不能简单认为供电半径即实际的供电长度。 为此，本文特引入区域形状系数k ，定义为实际供电半径与圆供电区域半径的 比值。 如图3 1 1 所示正方形区域，最远供电路线长度( 即供电半径) 等于正方形 边长，有： 浙江大学硕士学位论文 砰= 万r 2 k = 鲁= 石= 1 7 7 此时供电负荷为： 田 p = 吉仃r ( 3 2 ) k s 。“j 这样就可以根据较精确得确定一定负荷密度下的供电负荷。 3 3 2 线路载流量的约束 线路能通过的容量是有限的，尤其在负荷密度较大、线路长度较长时必须 考虑线路载流量的约束。即： 趾万南，趴趾 p 口k c o s ( 3 3 ) 口为线路负荷同时率，可取0 8 ； c o s 6 为功率因数，可取0 9 ； 疋为线路容量系数，与具体接线方式有关。对于单辐射接线模式，线路满 载运行，取1 。对于手拉手接线模式，考虑线路5 0 备用容量，取o 5 。3 分段 2 联络接线模式，考虑线路1 3 的备用容量，取0 6 7 ；3 分段3 联络接线模式， 考虑线路1 4 的备用容量，取0 7 5 ，以此类推； 为线路最大允许容量，计算公式如下： = 4 3 ouok ( 3 4 ) 其中，u 为电压值，取l o k v ； k 为线路载流量。 3 3 3 综合评估模型 根据第二章的分析，要综合考虑可靠性和经济性的作用，定义综合成本函 数u 。这里对各部分费用的在典型网架中的具体应用进行介绍： 浙江大学硕士学位论文 1 、一次投资费用z 对于一个网架来说，投资费用主要是线路的投资费用。其中，电缆线路的 投资费用则还应加上环网柜的投资。此外还有开关的投资也是必须考虑的。 对于有联络线的接线模式，需将联络线的投资和联络开关的投资分摊到每 条线路上。如手拉手接线模式，每条线路分摊半条线路和半个联络开关的费用； 3 分段2