（电气工程专业论文）大港油田电网可靠性评估.pdf

摘要 供电系统可靠性，是电力可靠性管理的一项重要内容，直接体现供电系统对用户的供 电能力，反映了电力工业对国民经济电能需求的满足程度，是供电系统的质量和管理水平 的综合体现。 大港油田电网的主要功能是向油田用户连续提供高质量的电能。在油田生产中的地位 非常重要，油田对供电的可靠性要求也愈来愈高。 本文研究的主要内容是对油田电网现状进行可靠性分析，并研究了提高电网处理故障 能力和缩短故障停电时间的网络结构优化，达到提高油田电网供电可靠性的目的；同时从 电力系统的充裕度和安全度两个方面来研究油田电网的发展方向。 在本文的研究中选择了解析法作为供电可靠性指标计算的数学模型。在计算故障潮流 后，进行节点电压和线路容量约束的判断，并选择合理的负荷削减方式，进而形成可靠性 指标。在此基础上，对大港油田目前网络和规划网络进行了潮流、可靠性计算和敏感度分 析，同时针对原规划网北部网络结构及其薄弱环节，提出了改进措施，并对改进方案进行 了可靠性计算。通过对电网的多个优化方案的分析评估，论述了油田电网的结构优化和发 展方向，确定提高电网可靠性指标应投入的资金和达到的效果，提出了分期实施的建议。 关键词：电网解析法潮流可靠性评估敏感度优化 a b s t r a c t t h ep o w e rs u p p l ys y s t e mr e l i a b i l i t y w h i c hi sa i l i m p o r t a n tc o g e n to fp o w e rr e l i a b i l i t y m a n a g e m e n t ，r e p r e s e n t sp o w e rs u p p l ya b i l i t yo fp o w e rs y s t e mt oc u s t o m e r sd i r e c t l y i ta l s o r e f l e c t st h ec o n t e n t e dd e g r e eo ft h en a t i o n a le c o n o m ya n de m b o d i e st h ep o w e rs u p p l yq u a l i t y a n dm a n a g e m e n tl e v e ld e e p l y t h em a i nf u n c t i o no ft h ee l e c t r i cn e t w o r ko fd a g a n go i lf i e l di sp r o v i d i n gt h eh i g hq u a l i t y p o w e rc o n t i n u o u s l yt o w a r d st h eo i l f i e l dc u s t o m e r s ，w h i c hi sv e r yi m p o r t a n ti no i l - f i e l d p r o d u c t i o n i nt h em e a n t i m et h er e q u e s tt op o w e rs u p p l yi sh i g h e ra n dh i g h e r t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e l i a b i l i t yo fa c t u a ls t a t eo fe l e c t r i cn e t w o r k a n ds t u d i e st h en e ts t r u c t u r e o p t i m i z a t i o nt oi m p r o v et h ea b i l i t yo f h a n d l i n gf a u l t sa n d s h o r t e nt h eb r e a k d o w nt i m e ，w h i c hc a l l i m p r o v et h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y t h ea d e q u a c ya n ds e c u r i t yo fp o w e rs y s t e mi sa l s o p r e s e n t e d w ep r o p o s ea r e l i a b i l i t yc a l c u l a t i o nm o d e l ，w h i c hi sb a s e do na n a l y t i c s a f t e rc o m p u t i n g t h e f a u l t e d - p o w e rf l o w ，w ec a l c u l a t et h en o d ee l e c t r i cv o r a g ea n dt h el i n ec a p a c i t yt oc h o o s et h e r e a s o n a b l el o a dr e d u c t i o nm e t h o d ，s oa st of o r mr e l i a b i l i t yi n d e x o nt h i sf o u n d a t i o n ，t h i sp a p e r a n a l y z e st h ep o w e rf l o w ，r e l i a b i l i t ya n ds e n s i b i l i t yo f t h ep r e s e n tn e t w o r ka n dt h ep r o g r a m m i n g n e t w o r k ，a n dt h e nb r i n gu pt h ei m p r o v e m e n tm e a s u r ec o n s i d e r i n gt h ew e a k n e s so fn o r t h e r n n e t w o r ks t r u c t u r e w ed i s c u s st h es t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no f p o w e r 鲥da n dd e v e l o p m e n t a ld i r e c t i o nb ya n a d y z i n ga f e w o p t i m a lp r o g r a m s ，a n da s c e r t a i nt h ef u n d st h a ti sn e e d e dt oi m p r o v et h ep o w e rg r i d r e l i a b i l i t ya n dt h er e s u l t s a tl a s tw ep u tf o r w a r dt ot h es u g g e s t i o n sf o rc a r r y i n go u tb ys t a g e s k e y w o r d s ：e l e c t r i cn e t w o r k s e n s i t i v i t y p o w e rf l o wr e l i a b i l i t ye v a l u t i o n o p t i m i z a t i o n - i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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 表或撰写的研究成果，也不包含为获得盘注盘鲎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作出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：塌 、签字日期：剐一年扩月岁口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权叁鲞盘生可以江学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：；狲塞 签字日期：川年毋月? d 日 导师虢谚研- 1 签字日期：口玎年扩月芗护曰 第章绪论 第一章绪论 1 1 大港油田电网可靠性分析的必要性 大港油田电力系统随着油田的开发而发展，经过3 0 多年的建设，已经形成了港东、 港炼、压气站、王徐庄、王官屯和枣园六座1 1 0 k v 电源变电沾、二十多座3 5 k v 变电站、 以及四百多公里的3 5 k v 输电线路组成的独立供电网络。 大港油田的供电网络按电源和油田所在地区分为南北两个网络，北网从天津市的上古 林2 2 0 k v 变电站和港西2 2 0 k v 变电站获取电源，为南大港地区、北大港地区和板桥地区供 电。南网从河北省沧州地区的韩村2 2 0 k v 变电站和于庄2 2 0 k v 变电站获取电源，为大港油 田的南部油区供电。 油田电网的主要功能是向油田用户连续提供高质量的电能。在油田生产和油区生活中 起着非常重要的作用，随着社会的发展对油田电网供电可靠性的要求也愈来愈高。但是电 句设备的随机故障是不可避免的，部分变电站及线路运行近2 0 年，电气设备及线路杆塔 严重老化，加之油田地理环境及气候条件恶劣，尤其是东部地区受盐雾和返碱腐蚀影响， 严重影响了变电站及线路的供电可靠性。油田各地区用电负荷分布不均匀、负荷增长率不 同，各区域性电源变电站负荷率有着较大的差异。 同时，大港油田电力系统的建设也随着科学技术的发展和油田生产的需要，在规模上 和建设标准上都有了很大的提高。主要表现在：主变压器容量不断加大，断路器已从油断 路器发展到真空断路器和s f 6 断路器，大多数3 5 k v 变电站已实现环网，电力调度已初步 实现自动化。在“十五”期间的电力系统改造规划中，将投入1 2 亿元对3 5 k v 网络进行 改造来提高供电可靠性。 提高供电可靠性应与经济性进行协调研究，分析可靠性水平高低与投资、运行成本大 小的关系，定量地评估供电可靠性，实现资源的综合优化配置，使得总成本最小。因此， 有必要对油田供电网络进行可靠性评估，为供电网络的规划提供科学的依据。 1 2 配电系统可靠性研究的发展现状 配电系统可靠性研究始于二十世纪六十年代。近四十年来，世界各国，特别是欧、美 及同本等经济技术较发达的国家都普遍地开展了配电系统可靠性的研究和应用。注意和强 调了配电系统可靠性指标，评估方法、数据收集与积累、可靠性管理以及可靠性与经济性 的协调等诸多方面的研究，取得了大量成果。配电网结构日趋合理；在信息技术和自动化 技术的基础上发展配电系统综合自动化，不断提高和改善供电质量和供电可靠性。目前， 1 第一章绪论 ，_ _ _ 一 配电系统的可靠性已达到了相当高的程度。 近十多年来，随着经济的发展，城市化进程加快，城市用电负荷增长迅猛。由于电网 工程的投资落后于发电工程的投资，城市电网中的配电网的投入更为不足，这就造成送配 电能力的增长远远低于发电和用电容量的增长；加之，城网技术落后，设备陈旧，致使网 络结构普遍薄弱，切换能力差，使供电可靠性逐步变差。 为了提高配电网规划、建设以及改造的科学决策水平，合理利用资金，利用基于概率 方法的配电系统可靠性评估技术，即通过计算电网随机故障造成的用户停电损失，用综合 考虑投资、运行费用和停电损失的年最小费用的方法来进行方案的决策。国外的实践表明， 使用这技术不但可获得显著的社会效益，而且可以取得巨大的经济效益。 在工业化高度发达的国家，随着信息化社会的到来和数字化经济的出现，以及电力工 业由传统垄断管理向竞争的电力市场机制的转变，配电系统的充裕性和为用户的重要设备 提高高质量的电力的要求受到进步的重视，可靠性已经成为配电系统规划决策中一种常 观性工作。基于宏观平均值的配电系统可靠性管理正向电力用户个别可靠度的微观极限值 管理方向发展，以便能为更加依赖优质电力的用户提供更多的机会得到更加可靠的电力保 障。在世界很多地区，电力工业放宽管制导致了在配电网规划、设计和运行方面产生了根 本性的改变。配电网规划将变得更加趋向于商业化，同时利润将成为所有投资和运行决策 的重点。在利润决策中要把可靠性数值包括进去，以使投资与适当的可靠性等级间达到平 衡，这就使得配电系统可靠性将在未来的经济生活中发挥更大的作用。目前，美国、英国、 加拿大、日本、法国等国家对配电系统可靠性进行了专门的研究，并已将研究成果应用于 生产。 我国从八十年代初期开始了配电系统可靠性的研究。主要是在高校进行的，收集积累 了相关的一些数据资料，并进行了统计分析；对配电系统可靠性评估的计算方法进行了研 究并开发出计算程序，取得了一些工程运用成果。近年来，配电系统可靠性管理受到电力 部门的高度重视。然而，从总体上讲，目前国内配电系统可靠性的水平与国际上先进的工 业国家相比，尚有一定的差距。 1 3 电网可靠性准则的选择 根据各国采用和研究的电力系统可靠性准则来看，若按研究问题的性质而言，一般有 技术性准则和经济性准则。技术性准则就是系统为了保证要求的供电质量必须接受的检验 标准。这种准则的选择很大程度上取决于经验判断，并常常借助其它国家或地区的类似标 第一章绪论 准麓塔参照览较；瑟经济瞧准刘藏楚褥箨毫攒失诗入裕为慧藏本戆一拿部分，专衷鬣小纯 总费用的最佳方案。 猴慰豹选择必然带来许多重大影响。对供瞧公司聪富，将影镌电鼹趣摸，系统缝糖， 设施数照和容量镣等；对用户而言，通过满足不同供电质量的要求对社会缎济发展将起到 分重委的作用。因此准则的选择首先要充分了解负荷灼性质、行为，然艏根提现运行电 溺可靠性的历史记录，并参照国外的类似经验，通过一定的分析研究作出决策。 目前各国采用和研究的配电系统可靠性准则的整理分析，可以得出以下初步结论： 瓠基于“獠率方法稳藏了鞍确定经方法爨驽夔测袋”这一善遮承谈载麓煮，密激系统 规划可靠性也宜于采用这种准则，应定期修改，例如可考虑每5 年或1 0 年修订 一次，叛逶应经济麴发震； b 随着电力市场的开放，经济性准则目益受到重视并在许多国家采用，可相应考虑 进行酝网最优化娥划准则的研究，并在电馀与供电质量挂钩的基础上，开展对用户进行低 质供电补偿的研究； c 在准则中各个国家的配网可靠性都采用了最有代表意义的基本指桥：负荷停电频 率、负荷停电对闻期望积麓户平均每年箨电辩闻，这可黻作为我灏准则指栎选择的耋蒙参 考； d 霹靠褴疆稼诗冀静鳄辑模黧，矮子攀 譬针对瞧分辑，哥以i 毙为疆撩，翻弱謦肉电 网为可靠性计算算例，进行分析研究： e 美国、宓羹拿大等嚣逛鼹罄壤魄较灵爨、分教，逶予发撵壹l 羹方获援羧，赞黠遗医特 点研究制定管理措施和标准。而俄罗斯、法国电网管理比较统一，便于协调调度，也可避 免过分松散的辩瘸。这些绘我们提供了比较分掇的宝贵瓷料，特剐是美匡秘冉鞋拿大从壤论 到工程应用都进行了系统而详实的研究，可结合国情，参考这些溉料，探讨适于我国特点 的管理模式； f 。各国配电网可靠褴准则滏来涉及安全性( s e c u r i t y ) 方面的规定( 就瞬态性能和整 体性能的意义而亩) ，说明配网故障引起的瞬态过程对系统尚无全局性的影响。考虑列概 率鼹态行舞计冀静复杂毪，1 1 0 k v 及戬下电列鼙藩遂雩亍安全往静爨倦努瓣祭伟滏不成熬。 当城市电网主电源为2 2 0 k v 及以上输电系统时，其安全性要求可结合发输电合成系统可靠 瞧疆剜豹磅究，疆逛统一标准。 基于“概率方法构成了较确定性方法更好的测度”这普遍承认的观点，配电系统规划 可靠瞧迄宣予采用这秘壤粼，本文采爰在戴瞧系绞设诗中已援诞囊是最露意义鳃鏊零糖 第一章绪论 一_ - 一 标： 失负荷概率( l o l p ) 表示平均每年缺电概率，计算公式为： l o l p = p r o b ( f , ) ( 1 1 ) ，：e f 失负荷时间期望( l o l e ) 表示每年缺电小时数，计算公式为： l o l e = p r o b ( f ) 8 7 6 0 ( 1 2 ) ，r e f 失负荷频率( f l o l ) 表示每年平均停电次数，它的单位是次年，计算公式为： f l o l = f r e ( f , ) ( 1 3 ) j e ， 供电可靠率( r s ) 表示每年供电概率，计算公式为： r s = ( 1 - l o l p ) x 1 0 0( ) ( 卜4 ) 失负荷平均持续时间( d l o l ) 表示平均每次停电的持续时间，它的单位是小时 次，计算公式为： d l o l = l o l e f l o l( 1 5 ) 电力不足期望( e d n s ) 表示平均每年缺电力的多少，它的单位是兆瓦，计算公式 为： e d n = p r o b ( f , ) d n s ( f , ) ( 1 6 ) f e f 式中d n s ( f i ) 是事件f i 的负荷削减量。 电量不足期望( e e n s ) 表示平均每年缺多少度电，它的单位是兆瓦小时年，计算 公式为： e e n s = 8 7 6 0 x p r o b ( f 。) xd n s ( f , ) ( 1 7 ) f e 式中d n s ( f ；) 是事件f 一的负荷削减量。 1 4 本文的主要工作 根据天滓大港油田集团石油工程有限责任公司研究项目大港油田电网可靠性分析 的任务要求，对高压配电网络的可靠性、改善可靠性的措施以及推荐方案进行了初步探讨。 在此基础上对大港油田现运行网络和规划网络进行了潮流、可靠性计算和敏感度分析，主 要体现在以下几个方面： a 建立了大港油田现运行网络( 南、北两网) 和规划网络( 南、北两网) 供电可靠 性评估的数学模型和并进行了潮流计算。 第一章绪论 标： 失负荷概率( l o l p ) 表示平均每年缺电概率，计算公式为： l o l p = o r 0 0 ( f , ) ( 1 - 1 ) ，e f 失负荷时间期望( l o l e ) 表示每年歃电小时数，计算公式为： l o l e = p r o b ( f , ) 8 7 6 0 ( 1 2 ) ，。e f 失负荷频率( f l o l ) 表示每年平均停电次数，它的单位是次年，计算公式为： f l o l = 加( f ) ( 13 ) f e j 供电可靠率( r s ) 表示每年供电概率，计算公式为： r s = 0 ，l o l p ) 1 0 0 f ) ( 1 4 ) 失负荷平均持续时间( d l o l ) 表示平均每次停电的持续时间，它的单位是小时 次，计算公式为： d l o l = l o l e f l o l ( 1 - 5 ) 电力不足期望( e d n s ) 表示平均每年缺电力的多少，它的单位是兆瓦，计算公式 为： e d n = p r 曲( f ) x d n s ( f , ) ( 1 6 ) f a f 式中d n s ( f i ) 是事件f ，的负荷削减量。 电量不足期望( e e n s ) 表示平均每年缺多少度电，它的单位是兆瓦小时年，计算 公式为： e e n s = 8 7 6 0 x p r 0 6 ( f ) d i g s ( f , ) ( i 一7 ) 1 e 十 式中d n s ( f ；) 是事件r 的负荷削减量。 1 4 本文的主要工作 根据天津大港油田集团石油工程有限责任公司研究项目大港油田电网可靠性分析 的任务要求，对高压配电网络的可靠性、改善可靠性的措施以及推荐方案进行了初步探讨。 在此基础上对大港油田现运行网络和规划网络进行了潮流、可靠性计算和敏感度分析，丰 要体现在以下几个方面： a 建立了大港油田现运行网络( 南、北两网) 和规划嘲络( 南、北两网) 供电可靠 性评估的数学模型和并进行了潮流计算。 性评估的数学模型和并进行了潮流计算。 d 一 第一章绪论 b 对大港油田现运行网络和规划网络进行了可靠性计算分析。 c 对大港油田现运行网络进行了敏感度分析。以北部网络为研究对象，分别就线路、 变压器、断路器以及电源的可靠性参数( 故障率、修复时间等) 对系统可靠性指标进行了 敏感度分析。并通过敏感度分析，提出相关改进建议。 d 通过现运行网的薄弱环节计算分析，为其今后的改造以及扩建提供了针对性的参 考信息。 e 以原规划网北部网络为研究对象，针对网络结构及其薄弱环节，提出了改进措施， 并对改进方案进行了潮流、可靠性和敏感度计算。 本文通过对大港油田规划网可靠性计算与分析。同时针对原规划网北部网络结构及其 薄弱环节，提出了改进措施，并对改进方案进行了可靠性计算。通过对电网的多个优化方 案的分析评估，确定提高电网可靠性指标应投入的资金和达到的效果。 第二章 供电可靠性评估的模型和算法 第二章供电可靠性评估的模型和算法 2 1 油田电网典型接线方式的可靠- 眭分析 2 1 1 大港油田电力系统的特点 大港油田电力系统主要由l l o k v 电源变电站、3 5 k v 输电系统和6 k v 配电系统三部分组 成的，3 5 k v 输电系统是连接1 l o k v 电源变电站与6 k v 配电系统的桥梁，大港油田电力系统 是一个3 5 k v 输电系统。大港油田现有新港东、港炼、压气站、王徐庄、王官屯和枣园六 座1 1 0 k v 电源变电站、二十多座3 5 k v 变电站、以及四百多公里的3 5 k v 输电线路组成的独 立供电网络。 油田北部电网 港东、港炼、压气站、王徐庄变电站为油嗣北部电网的1 l o k v 电源变电站。港炼l l o k v 变电站，主变容量2 x 2 5 m v a 。该变电站是炼油厂的专用变电站，带有炼厂3 5 k v 变电站。 压气站l l o k v 变电站，主变容量2 1 6 m v a ，是天然气外输处理站的专用变电站。 港东i o k v 变电站是北大港地区区域性电源变电站，主变容量2 x3 1 5 m v a ；王徐庄 l l o k v 变电站位于南大港地区，主变容量2 2 0 m v a 。这2 座变电站的电源引自天津电网， 主要承担北大港地区和南大港地区备油区的采油、输油、注水及各矿区的生产、生活等用 电设备的供电，正常运行时带中心区变、东二变、马西变、滨南变、机厂变、港中变、港 西变、滨海变、孔店变、羊二庄变、羊三木变，及白水头、周青庄、友谊等临时变，6 k v 出线带该变电站附近中低压负荷。 油田南部电网 王官屯1 1 0 k v 变电站主变容量2 3 1 5 m v a ，枣园l l o k y 变电站主变容量2 2 0 m v a ， 足南部油田的区域性电源变电站，主要承担南部油田王官屯及枣园地区以南各油区的采 油、输油、注水及各矿区的生产、生活等用电设备的供电，正常运行时带官二联变、小集 变、舍女寺变、官八零变、枣二变、段六拨变、乌马营，及小七站、官七站、家一变等临 时变，6 k v 出线带该变电站附近中低压负荷。 2 1 2 油田电网典型接线方式的可靠性分析 大港油田电力系统中的3 5 k v 变电站大部分采用单母线分段的接线方式，由两回3 5 k v 线路供电，如中心区3 5 k v 变电站和滨海3 5 k v 变电站，其典型结构接线方式是2 个变电站 组成一个环网结构，如图2 一i 所示。 设断路器的故障率为 l ，修复时间为yl ；变压器故障率为九2 ，修复时间为y2 ：线 第二章 供电可靠性评估的模型和算法 路单位长度故障率为 3 ，修复时间为y3 ；隔离并切换的时间为t ；母线可靠度为1 ；切 换成功率为1 。设3 5 k v 线路长度为d l ，d 2 ，联络线路长度为d 3 。 e e 1 斛 、。 l 1 一ie 2 一， l 2 d 3 1 e d 2 e 3 虹： 、一 l 3 0 奠e 4 、 ， l 4 图2 - 1 油田电网典型接线方式 设：g i 鼍九2 + 2 + 1 ) ；x i = ( 2 + 2 + 0 ( 2 4y2 + 2 + l 牛y i ) ；g 2 = x1 ；x 2 = | y1 g 3 气 s d 3 + 九1 ) ；x 3 = ( 3 幸d 3 + 1 ) ( 九3 + d + y3 + l + y 1 ) s t = i ( ( g i + x i ) 4 + ( g 2 十x 2 ) 2 + ( g 3 + x 3 ) 2 ) ； s l = x 1 + x 2 * x 3 负荷l 1 的失负荷概率： l o l p ( l i ) = x 1 2 * ( ( x 2 2 * x 3 * o j + x 2 * x 3 2 + g 2 + x 3 2 + g 2 2 + 3 x 2 * x 3 * g 2 * 0 3 + x 2 2 * g 3 5 ) 4 x 1 2 + ( x 2 2 + x s 2 + g 1 + 5 x 2 2 + x 3 + g l + g 3 + 5 + x 2 * x 3 2 4 g l + g 2 ) + x l + 3 * x 2 2 * x 3 2 * g 1 2 ) * s 7 负荷l 1 的失负荷频率： f l o l ( l i ) = x 1 唪s 7 平s 1 2 堆g l + ( 3 4 g l + 2 + 0 2 + 2 牛g 3 + x 1 ) + x 1 2 牛s 7 + s 1 2 x 2 0 2 牛( 4 + g 1 + g 2 + 2 + g 3 + x 2 ) + x 1 2 + s 7 + s 1 2 ，x 3 卑g 3 + ( 4 + g 1 + 2 牛g 2 + g 3 + x 3 ) + 6 + s 1 2 + g 1 2 率( g 1 + g 2 + g 3 十x 1 ) + s 7 + 5 牛x i + s 7 * s 1 2 x 2 + g i + g 2 + ( 3 + g l + g 2 + 2 七g 3 + x i 十x 2 ) + 5 + x 1 + s 7 + s 1 2 x 3 牛g 1 + g 3 士( 3 串g 1 + 2 + g 2 + g 3 + x l + x 3 ) + 2 + x 1 4 x 3 2 g 2 2 + ( 2 丰g l 十g 3 + x 2 ) + s 7 + 3 * x 1 3 幸s 7 + s l + g 2 幸g 3 母( 4 + g l + g 2 + g 3 + x 2 + x 3 ) + 2 + x 1 4 x 2 2 4 g 3 2 4 ( 2 + g i + g 2 + x 3 ) + s 7 负荷l 2 的失负荷概率： l o l p ( l e ) = x 1 2 丰x 2 + ( ( x 2 * x s * g 3 + 2 + x 3 * g 2 * g s + x 2 * g f 2 ) * x 1 2 + ( x 2 * x s 2 * gz + 2 * x 3 2 0 j * g 2 十5 x 2 + x 3 唪g i + g 3 ) 牛x i 十3 + x 2 * x 3 2 + g 1 2 ) * s 7 负荷l 2 的失负荷频率： f l o l ( l 2 ) = x l 十s 1 2 g l + ( 3 + g 1 + 2 + g 2 十2 + g 3 + x 1 ) 母s 7 + x 1 3 4 s 7 + x 2 * s 1 牛0 3 牛( 4 + g 1 + 2 + g 2 + g 3 + x 3 ) + 6 * s 1 2 * g 1 2 + ( g 1 + g 2 十g 3 十x 1 ) + s 7 + 2 + x l + s 7 木s i z x 2 * g 1 半g 2 + ( 3 + g l + g 2 + 2 + g 3 + xj + x 2 ) + 5 奉x j 2 + s 7 + x 2 + sj + g l + g 3 + ( 3 卑g 1 + 2 木g 2 + g 3 十x 1 + x 3 ) + 2 + x 1 3 * s 7 七s i * g 2 * g 3 * ( 4 * g l + g 2 + g 3 + x 2 + x 3 ) + 2 * x 1 4 * x 2 z * g 3 2 + ( 2 + g l + g 2 + x 3 ) + s 7 嘶 第二章 供电可靠性评估的模型和算法 2 2 数学模型和算法 供电系统可靠性指标计算模型主要有解析法和蒙特卡洛( m o n t ec a r l o ) 模拟法。解析 法理论严密，便于事件针对性分析，该方法可以考虑系统的实际响应过程、电压质量及潮 流的实际制约等因素，因此，评估的结果从理论上更接近实际情况，精度较高，但计算量 大：模拟法可模拟相关失效多重事件等复杂因素，计算量相对较小，但事件针对性分析有 一定困难，在计算机上模拟电网的随机过程，但必须有足够多的抽样次数才能反映电网的 实际情况，否则会导致很大的误差。 在本文的研究中将选择解析法作为供电可靠性指标计算的数学模型。 在供电可靠性评估中，要进行事故枚举的潮流分析。当输电线路故障时，可能导致系 统解列，而形成孤立节点或者分裂成若干个彼此孤立的分块子系统独立运行。由于系统的 拓扑结构发生了变化，系统正常运行时的节点导纳矩阵也将随之发生变化，因此增加了事 故后交流潮流分析的复杂性。 在分析计算时，必须首先确定系统是否有解列；如有解列，又必须确定系统中哪些节 点和线路属于同一个分块子系统；经过这样的判断后才能形成各分块子系统的拓扑结构， 进而确定子系统的导纳矩阵和节点注入功率，最后进行潮流计算。由此可见，系统解列的 判断和元件故障后节点导纳矩阵的形成对于高压配电系统可靠性评估交流潮流算法来说 是一一项基本的计算。系统解列及解列后备子系统的形成用图论的深度优先算法解决。 在计算故障潮流后，进行节点电压和线路容量约束的判断，并选择合理的负荷削减方 式，进而形成可靠性指标。 22 1 电力系统潮流计算 对于有个节点的电力网络，如果网络结构和网络元件参数已知，则网络的节点功率 方程可以表示为： 只= u u ( g oc o s o ，+ b s i n 0 口) ( 2 1 ) 批， q = v u j ( qs i n 口, j 一日c o s 0 , ，) ( 2 2 ) j e n , 其中，m 为与节点f 相连的节点集，g 。b u 分别是节点导纳矩阵相应元素的实部和虚 部；u t 是节点i 的电压幅值，臼。是支路f f 两端的电压相位差。 根据非线性方程组( 2 1 ) 、( 2 2 ) ，便可进行潮流计算。电力系统潮流计算可用直流法 和交流法。交流法计算量大，但精度高，为此采用交流法进行潮流计算。 第二章供电可靠性评估的模型和算法 牛顿拉夫逊法 求解潮流，数学上就是求解用潮流方程表示的非线性代数方程组，因此，可用数学上 的逐次线性化的方法，即牛顿拉夫逊法求解。 电力网络的节点功率方程可表示为如下形式： m ) = o( 2 - 3 ) 给定x 的初值x d ，将( 2 3 ) 式进行一阶泰勒展开，并用a x 修正x o 而得到x 的新值，则 写成一般的表达式，有 唆一( x 烈( 2 - 4 ) x 啦+ 1 ) = 工( + x ( i 其中，：姜为潮流雅可比( j a c o b i ) 矩阵。 i 强1 对于潮流收敛的情况，斛1 ) 比x 更接近于解点。 对于( 2 1 ) 、( 2 2 ) 式所示的极坐标系的潮流方程，雅可比矩阵是( 2 n - r ) x ( 2 n - r ) 阶矩阵， 其结构是 t ，：望：一 a n 行 n r q ? ( 2 5 ) 为使雅可比矩阵的各部分子矩阵具有公式一致的形式，常选取 a u u 7 】= a u l u j ，2 ，a u , 一u 一， ，雅可比矩阵写成： 衍亍 ，l 一衍i ( 2 6 ) 用极坐标量，有r 个p v 节点电压幅值给定，所以待求的状态变量减少r 个，雅可比矩 阵为( 2 h r ) x ( 2 n - r ) 阶。利用( 2 6 ) 式，并将( 2 - 1 ) 式和( 2 2 ) 式代入( 2 - 4 ) 式就可求出缸仙， 修j 下一得x 渺1 的新值。重复上述过程直至m a x ( x 耻) l s 为止。 同样地可以得出直角坐标的牛顿拉夫逊算法。 快速解耦算法 电力系统潮流计算的快速解祸算法是以极坐标形式的牛顿潮流算法为基础，计及高压 电力系统的物理特性而简化得到的一种快速潮流算法。简单、快速、内存节省以及较好的 卯扩一凹一缈一秒 u v 驴一盯卯桫阳一彬 j j 秒矿 f | 第二章供电可靠性评估的模型和算法 收敛程形或了淡逮爨摹裁霉落翡哭爨税赢。 目前通用的快速解祸潮流法的修正方程式为： a p 。b a o 丝。b a u 式中：有功功率偏差和冤功功率偏麓计算公式如下： 等；击暇( g “c o s 岛+ 焉斑岛) 】 等= 壶f 彰荟配够( g s i n 岛一岛c 。s 岛笼 ( i = i ，2 ，h ；挣s ，m ) 毽鹈臻相应元瀑的计算公式如下： 铲鑫 耻嘎+ 丢蠢 m i l 、c 镕 萁中：霉5 、露分裁是节赢i 酌有功功率稻无功功率注入量； ”为节点总数，m 为p v 节点数，s 为平衡节点； b o 兔节赢毫缡筵落翡菲对燕元素，载，为节点壤缡矩簿豹对熊元素； e 。为节点i 的总并联对地电纳； 毛及x 。为支黯坷静电整及奄抗； 直流潮流模型 囊滚潮浚羧整又稳绫毪仡潮流谟鍪。该续鼙鞫瓣采翔k i r c h o f f 第一及第二定律来表达 系统有功潮流； 南一= 珞一易一霉建n ( 2 一1 3 ) 女e r = ( p 。一0 1 ) x u ( 2 1 4 ) 式( 2 1 3 ) 用以表这k i r c h o f f 第一定律，式( 2 1 4 ) 羽表达k i r c h o f f 第二定律鞠支路碍 潮流等于端点f 、j 间电胝的相角藏0 ，一0 ，除以支路电抗玛。将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 w 1 3 ) ， 直流潮流模垂通常可雳下面更紧凑形式表遮： 1 0 ) ) ) ) ) 0 墙 嘈 小 小 坦 旺 娌 沿 第二章供电可靠性评估的模型和算法 b o = 尸g 一巳= p ( 2 1 5 ) 式中，b 为系统电纳矩阵，其非对角元素为b 。= 一1 x ，对角元素为b 。= 了l ，给定 j e f # ，。1 p g 、p d ，由( 2 1 5 ) 求出0 ，再由( 2 - 1 4 ) 可求出支路潮流r 。 222 可靠眭评估的基本原理 串联系统分析 如果系统中的任何一个元件失效，便构成系统失效，这种系统称为串联系统。由n 个 独立元件组成的串联系统的f 常工作状态可表达为： s = x i i 1 x 2 1 7 x 3 n nx 。 以两个元件串联系统为例，其逻辑框图如图2 2 所示，其中 为故障率，u 为修复时 问。 图2 - 2 串联逻辑框图 根据两个事件同时发生的概率计算规则可得： _ 坠一_ 旦= 粤 ( 2 1 6 ) 入】+ 1 tl 九2 + 1 t2凡。+ u 。 。一。 又因为此系统中任一元件故障，系统即失效。因此，九s = xl + 入2 将以上两式整理可得 rs 2 2 u 。 f 一4 t m 1 2 1 7 自上式可推广到n 个元件的串联系统的计算公式 a = 兀4 ， 丑 。= 昔 v ! 鲁m ( 2 1 8 ) ( 2 - 2 0 ) 丑= 丑 ( 2 1 9 ) u 。= a ，n ( 2 2 1 ) 其中，4 表示系统的有效度，以表示系统的故障率，1 ，表示系统的修复时间，【，。表 示系统的无效度。 第二章 供电可靠性评估的模型和算法 t t 电源 妾点1 厂、 k一 负i 裴走、2 r、 、 负荷2负荷3 t 电源 _ _ _ _ 一 接点1 f 接点2 ( a ) 负荷2 ( b ) 图2 - 3 变电所t 接的等效处理 对于变电所的t 接方式，也可采用串联系统的方法分析，如图2 - 3 ( a ) 所示，将t 接点 看做独立的变电所来进行处理，可等效为图2 - 3 ( b ) 的接线方式，此时，即将t 接点连接转 换为简单的串联系统。 下面以一个例子具体说明。如图2 - 4 所示：系统中有5 个元件，即1 台发电机、2 台 变压器、2 条线路构成。设发电机的容量为1 0 0 m w ，负荷l 为2 0 m w 。发电机g 1 的可靠 性参数为：故障率为1 次年、修复时间为5 0 小时次；变压器t 1 的可靠性参数为：故障 率为o 0 5 次年、修复时间为3 0 0 小时次，t 2 的可靠性参数为：故障率为0 0 2 次年、修 复时间为1 5 0 小时次；线路l 1 的可靠性参数为：故障率为1 0 次年、修复时间为1 6 小时 次，l 2 的可靠性参数为：故障率为0 5 次年、修复时间为8 小时次。 g l协卜刮斗 图2 - 4 一个简单的串联系统图 由此可见：对负荷l 而言，上述5 个元件中任何一个故障时，负荷l 都会失电，即这 五个元件具有串联结构。应用上述串联元件可靠性计算公式，可得到电源在母线d 的可靠 性指标为：等效故障率为2 5 7 次年、等效修复时间为3 4 2 4 1 2 小时次。 假设发电机g 1 故障率为0 ，即发电机g 1 完全可靠时，电源在母线d 的可靠性指标为： 等效故障率为1 s 7 次年、等效修复时间为2 4 2 0 3 8 小时，次。 从上面可以看出，即使系统中发电机的故障率为0 ，经过多个元件串联之后，电源在 母线d 也同样相当低。 从这里可以看出，系统中串联元件越多，系统的可靠性将逐步变差。 并联系统分析 第二章 供电可靠性评估的模犁利算法 鞫成系统熬一经元 牟，窝栗系统成功只蕊一个元 警工作，躐者说必须全部元件镪故障 系统才失效，则称它们怒一组并联元件，这个系统称为并联系统。如图2 - 5 所示，其中x 为竣薅率，垫为修复眩阙。 2 - 5 并联逻辑框赞 仍如串联系统的推理过程，当 u 1 时，可得n 个元件并联系统的计算公式 舀 ( 2 2 3 ) 胁2 乙肛 a p = l 一袁秘 ( 2 屯4 u p = 舀= 卉秘 _ 2 5 ) 复杂系统分析串并联混合分析法 复杂系绫w 戳划分必串联元传与并联元彳孛瓣不阉缀合，应爆搴劳联终梅毂可靠瞧模型 计算方法可以处理任何混联复杂稻统的可靠性评估。童对于单阋进线双主变运行变电所就 _ j 以采用串并联混合的方法进行诗冀。 屯源f = 量 e 三卜臼互h 三三卜 ( d ) 圈2 6 涎联结擒的等效努板 ( 。) 从图2 6 可以看出，系统可等效为电源f 、线路l 及主变b 的串联计算，其中主变b 为8 i 与8 2 戆并联毒髯结象。 复杂系统分析割集法 裁集：一令裁k 是系统中一缀元转戆爨会，兰这整元终全帮失效燕# 遮藏系绫失效。在 一 静而 。h m 而 卜 岛母。 母 一 第二章供电可靠性评估的模型和算法 逻辑框图中( 或称可靠性网络) ，相应于这些元件的各个框被取掉以后，则造成网络送端 和受端的完全断开。 最小割：一个最小割本身是一个割，而且取掉其中任一元素后，它不再是一割。显然， 最小割将系统分成且仅分成两个各自连通的部分。l r f o r d 和d r f u l k e r s o n 在1 9 6 2 年 所著的f l o w si nn e t w o r k s 一书中证明了：在任何网络中，从源点到收点的最大流等 于从源点到收点之间的所有最小割容量的最小者。 在实际的工程实际中，往往会出现既非串联结构又非并联结构的系统，以图2 - 7 桥式 网络为例： 图2 7 桥式网络 2 一种简单的也是符合逻辑的思想就是通过割集法用一个等值的串并联网络来代替这 种复杂的网络形式，然后利用前面导出的公式对这种网络进行模拟和计算，得到图2 7 桥式网络的最小割是：a b 、c d 、a e d 和b e c ，即： 从上图可以看出，每一个并联单元( 相当于一个割) 中的元件是互相独立的，但不同 并联单元有可能包含相同元件，因而各个并联元件，或者说各个割之间是相互独立且非互 斥的。因此，整个系统的失效概率( 无效度) 是： 1 二厂u r r u l 二一厂 r 【； 2 c 1c 2c 3c 4 图2 8 桥式网络的最小割逻辑框图 u s = p ( c 1 u c 2 u c 3 u c 4 ) = p ( c 1 ) 十p ( c 2 ) 十p ( c 3 ) + p ( c 4 ) 一p ( c i c 2 ) 一p ( c l c 3 ) 一p ( c i c 4 ) 一p ( c 2 c 3 ) 一p ( c 2 c 4 ) 一p ( c 3 c 4 ) + p ( c i c 2 c 3 ) + p ( c i c 2 c 4 ) + p ( c i c 3 c 4 ) + p ( c 2 c 3 c 4 ) 一p ( c i c 2 c 3 c 4 ) 将各个割的元件无效度u i 代入并进行集合运算，可得 第二章供电可靠性评估的模型和算法 该方泱可推广到n 个最小割的情形： u 、= e ( c o - 尹( g g ) + p