（电力系统及其自动化专业论文）基于解析法的配电系统可靠性评估.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d i s t r i b u t i o ns y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r ti ne l e c t r i c a ls y s t e m ，l i e si nt h ee n do f t h ep o w e rs y s t e m d i s t r i b u t i o ns y s t e mc o n t a c t sd i r e c t l y w i t ht h ec o n s u m e r sb y s u p p l y i n ga n da l l o c a t i n g t h ep o w e r t h em a l f u n c t i o no rc h e c k i n go fp o w e r e q u i p m e n t sw o u l dr e s u l tt h ec u to fp o w e rs u p p l y i n g t h ed i s t r i b u t i o ns y s t e mh a s c 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 oi ti sa w e a k p a r ti ne l e c t r i c a ls y s t e m 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 yi s a ni m p o r t a n tw o r kt o s a t i s f yc o n s u m e r s r e q u e s to fp o w e rr e l i a b i l i t y h o w e v e r ，w i t hp o w e rs y s t e m b e c o m i n ge n o r m o u sa n dc o m p l e x ，t h em o d e l i n ga n dc a l c u l a t i o n o fd i s t r i b u t i o n n e t w o r kb e c o m em o r ed i f f i c u l t t h u sh o wt op u tp r e c i s i o na n dc a l c u l a t i n gq u a n t i t yo n b a l a n c ea n dh o wt of i n df a s ta n de f f e c t i v ea l g o r i t h ma r et h ep r o b l e m st h a tn e e d r e s e a r c hf a r t h e r c o n s i d e r i n gt h i s ，b yt h er e s e a r c ho nr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o na l g o r i t h m o fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，an e t w o r kt o p o l o g ya l g o r i t h mw a sa p p r o v e di n t h i sp a p e r a n dar e l i a b i l i t ye v a l u a t i o ns y s t e mo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kw a sd e v e l o p e db yt h e s o f t w a r eo fm a t l a b b a s eo nt h ec o m p r e h e n s i v er e a d i n go fr e f e r e n c e sa b o u td 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 ，t h ep a p e rc o m p a r e ss e v e r a lr e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nm e t h o d s t h ep a p e r p r o p o s e sam e t h o df o rr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n to f d i s t r i b u t i o ns y s t e mw h i c ht a k e sm a n y r e a lf a c t o r si n t oc o n s i d e r a t i o n ，a n dt h e no p e n st h ep r o g r a m sb ym a t l b a t h e nw e r u nt h ei e e er b t s 4s y s t e mw i t ht h i sp r o g r a m a n a l y z es e v e r a lf a c t o r sw h i c h a f f e c t d i s t r i b u t i o ns y s t e mb a s e do nt h er e s u l t t h er u r m i n gc i r c u m s t a n c e sa t t e s tt h es y s t e mh a v es t r o n ge x p a n s i b i l i t y ，f l e x i b l e m a n e u v e r a b i l i t y ，f r i e n d l yi n t e r f a c ea n ds t r o n ga b i l i t yo fm a n m a c h i n ei n t e r a c t i o n t h es y s t e mc a np r o v i d ee f f e c t i v er e l i a b i l i t yi n d e xf o rt h er u na n dl a y o u to fp o w e r s y s t e m ，c a no f f e ra d e q u a t eg r o u n d sf o rt h el a y o u ta n dd e c i s i o n m a k i n ga n dh a v e p r a c t i c a lv a l u e 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 ；t h em i n i m u mr o u t e ；t h em i n i m u m c u ts e t s i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂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做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 、 7 学位论文作者签名( 手写) ：访吸斌签字日期：w 彩年7 p 月悟日 | 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：纠嵫武 导师签名： 1t l 、 签字日期：仙口留年卜月f g 日 签字日期：y 晦t1 ，月lr 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 电力是人类社会活动中应用范围最广、对人们生活质量影响最大的能源。 随着我国国民经济的持续发展，高度的社会信息化和生产自动化都在不断加深 人们对电力的依赖性，这也促使作为公共事业的电力行业加大对电力系统可靠 性的管理力度，力求为用户提供更加充裕、持续、安全可靠的电力供应。电力 系统是由发电、变电、输电、供电、配电、用电等设备和技术组成的将一次能 源转变为电能并送达终端用户的统一系统。 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间断地向 电力用户供应电力和电能量能力的度量。为了便于研究和分析，人们通常把电 力系统可靠性问题划分为发电系统可靠性和配电系统可靠性。配电系统可靠性 是电力系统可靠性的一个重要组成部分。 通常将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 称为配电系统( d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，它由架空线或电缆配电线路、配电所或降 压变压器直接接入用户构成。近年来，随着电力供应的日趋充足和经济技术的 不断发展，配电系统在整个电力系统中的地位越来越重要，配电系统可靠性水 平也逐渐为人们所重视。 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 电在内的整个电力系统与用户联系，是向用户供应电能和分配电能的重要环节。 由于电力生产具有发、供、用同时进行的特点，一旦配电系统设备发生故障或 进行检修，就会同时造成整个系统对用户供电的中断。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体现，因此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。而且配电系统大多采用辐射式 网状结构，对单个故障比较敏感，因此故障发生率也较高。据不完全统计，用 户停电故障中8 0 以上是由电力系统中的配电环节的故障引起的，也就是说配 电系统对用户供电可靠性的影响最大【l 捌。 第1 章绪论 1 2 配电系统可靠性研究的意义 研究配电系统可靠性是保证电力系统供电质量、实现电力工业现代化的重 要手段，对改善和提高电力工业生产技术和管理水平，提高经济效益和社会效 益，进行电力网络建设和改造都有着重要的指导作用。通过配电系统可靠性评 估，一方面可以了解整个配电系统的可靠性分布水平，找到系统的薄弱环节， 指出网络的改造方向，为配电系统改造提供参考意见；另一方面，可以通过定 量计算得出不同的增强性措施所带来的经济效益，从而使有限的资金能最大限 度的增加系统可靠性。 可靠性已成为用户选择供电对象、竞争上网及政府审批电价的主要参考因 素。通过对可靠性的预测评估，可以找出影响可靠性的主要因素，针对存在的 问题与不足，提出提高可靠性的具体措施，提高可靠性管理工作的水平和手段， 减少停电次数及停电时间，从而减少停电损失。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。 电力市场条件下对配电系统可靠性的新要求，概括为如下5 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。在商业活动频繁的条件下，需求的种类多且 变化快，有瞬时要求、固定需求、订单需求、平均需求、集成需求、合同需求 等。提高需求预测的准确性既是电力交易的关键，也是评估配电系统可靠性的 关键。 ( 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。电力市 场中有两类交易形式： 双边合同交易，配电公司向发电厂商购电，基本预测的时变负荷，签订购 电量和电价承诺长期合同，属于实物交易。 双边期货交易，签订合同双方都允许通过短期的，即一日前的现货交易市 场再卖再买。这种交易有别于实物交易。但现货交易电价可能比合同电价贵的 多。由于市场主体选择电力交易形式是分散决策的，这样使配电系统的运行方 式大范围的变化，这就增加了可靠性评估的难度。因此要求不断地对配电系统 可靠性进行预测、监视，事先提出防范风险的措施。 ( 4 ) 可靠性技术逐渐发展为实时系统。电力市场要求及时提供信息，启用 开放访问同时信息系统( o p e n a c c e s ss a m e t i m ei n f o r m a t i o ns y s t e m ，o a s i s ) ， 2 第l 章绪论 这是一种电子信息系统，允许用户观看电力市场的同时信息及可靠性信息。 ( 5 ) 要求提出评估停电损失的理论模型和开发应用软件。这对可靠性投资、 可靠性效益，确定合理电价水平都是十分重要的【2 l 】。 1 3 配电系统可靠性研究内容 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。 可靠性定量评估是电力系统可靠性技术的核心。这是因为一个电力系统的 可靠性和经济性经常相互抵触，而两者之间只有量化后才能达到某种程度的平 衡。电力系统的用户负荷具有随机性，系统故障也具有随机性，因此，以负荷 停电损失为基本内容的可靠性评估技术是建立在概率论基础上的。 可靠性理论是系统工程学的一个重要方面。它从系统的观念出发，研究系 统均衡性与整体一致性的数量特征。可靠性理论应用概率统计的方法分析整个 系统的生命周期，定量的预测系统性能，对系统不同的设计方案的相对可靠性 水平提供统一的定量评估方法【5 1 。图1 1 表示系统工程中可靠性的研究框图。从 图中可以看出，框3 、4 是可靠性定量评估的关键，框1 、2 是可靠性定量评估 的基础。评估结果经分析后与实际系统相匹配，并真实反应系统的实际情况。 图1 1 可靠性研究的框图 3 第1 章绪论 配电系统可靠性研究具有以下几个特点： ( 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，直接与用户设备相连接，因此，配电系统的可靠性指标实际上是整个电 力系统可靠性的综合反映。配电系统可靠性指标的统计、分析、评价、预测评 估，以及为了改善和提高配电系统可靠性的对策和措施，都必须立足于整个电 力系统，全面和全方位地加以考虑。 ( 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的能力和质量为目 的。 ( 3 ) 配电系统设备分散、点多面广，受外界环境和气候条件的影响极大。 同一类型设备的特性和状态可能因安装和使用的位置和地区，负荷的性质和大 小不同而有所不同，因此配电系统可靠性的研究必须从系统的观点出发，全面 的、全过程的加以研究。 ( 4 ) 配电系统的结构，设备的型号、规格、容量和数量的大小是随用户及 负荷的增长和变化而不断改变的，而且常因检修方式的不同而更换和改变。其 系统和设备的特性数据及指标必须通过较长的时间的统计才能反映其统计的规 律。 ( 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 的特性及其组合方式。配电系统的结构形式和运行方式是多种多样的，用放射 式结构、环形及网状结构以及多分割多联络的结构等。因此，设备故障有的可 能直接对用户产生影响，有的则可能不会产生影响。 配电系统可靠性研究的主要任务包括： ( 1 ) 研究配电系统中元件和系统的可靠性计算模型，获得元件的可靠性参 数，在此基础上对系统可靠性水平进行定量评估。 广义的可靠性评估包括评价元件或系统在过去时间内的可靠性水平和预测 元件或系统在未来时间内的可靠性水平两方面。可靠性研究的目的是更好的指 导未来时间内电网的规划、设计和运行，因此本文主要研究的是对配电系统可 靠性的评估。 配电系统由许多特有的元件所组成。例如，架空裸线、架空电缆、地下电 缆、断路器、重合器、熔断器、手动刀闸、变压器等，其中多数元件为可修复 元件。为了能够准确地分析系统可靠性，需要了解这些元件的可靠性参数，一 4 第l 章绪论 般采用统计方法来获得这些参数。实际上，元件参数可能会因统计资料不足、 运行条件、维修条件、天气条件以及网络变化等多方面原因而具有不确定性。 根据国外一些统计数据表明，元件的可靠性参数的分布情况较为复杂，不同元 件参数的分布情况也可能不同。因此在进行可靠性量化评估时，往往需要考虑 元件参数的不确定性对可靠性的影响。 ( 2 ) 找出配电系统中的薄弱环节，寻求提高系统可靠性的途径。 通过统计和量化计算的方法，可以对可靠性水平进行深入分析，查找系统中可 靠性的薄弱环节。针对这些薄弱环节，提出有效的改进措施。提高配电系统的可靠 性就是要降低停电频率、缩小停电范围、减少停电和停电成本。主要方法包括：尽 可能采用可靠性高的电力系统元件；对系统进行计划检修和故障检修，定期的用新 元件来替换旧元件，使系统处在完成预定功能的良好状态；推广带电作业和旁路作 业，合理安排计划停电；适当加装断路器、熔断器和分段开关，加强馈线间的联络， 形成运行灵活、互济能力强的网络；实施配电自动化等。 ( 3 ) 研究可靠性和经济性之间的最佳平衡。 在决定系统某一阶段的可靠性水平时，考虑的是可靠性增益与经济成本之 间的平衡。片面强调节省投资，将导致网络改造速度放缓，元件可靠性水平降 低等一系列问题，给系统可靠性带来隐患；片面追求高可靠性，又会造成投资 过高，资源浪费，降低了企业运营效率。因此要将提高供电可靠性与提高效率 有机结合起来，在系统可靠性最高或在可靠性水平一定的条件下，系统的投资 最省。 1 4 配电系统可靠性研究现状 电力系统可靠性研究始于2 0 世纪6 0 年代，当时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，然而由配电系统不可靠所造成的损失非 常大。目前，在工业发达国家，配电系统可靠性已经成为电力系统规划决策中 一种非常重要的工作。 上个世纪七十年代以后，特别是近十多年来，随着经济技术的发展，配电 系统的可靠性越来越为人们所关注。目前，美国、英国等工业发达国家都对配 电系统可靠性进行了专门研究，并已将研究成果用于生产。国内对配电系统的 5 第1 章绪论 可靠性研究开始于上世纪八十年代，但由于缺乏必要的数据和行之有效的方法， 发展较为缓慢。随着国内城市经济的迅速发展，城网改造步幅的加快，迫切需 要对配电系统进行科学合理的规划，而配电系统可靠性的研究作为配电系统规 划的前提就更加引起了人们的重视。 目前美、加、日、西欧等都对配电系统的可靠性进行了专门研究，并且己 经将研究成果用于生产实践。1 9 8 3 、1 9 8 4 年，加拿大s a s k a t c h e w a n 大学工程学 院院长，国家电气与电子工程师学会( i e e e ) 电力方法可靠性分委员会主席r o v e b o l l i x i n g 等先后发表了工程方法可靠性评估和电力系统可靠性评估两 本专著，使供配电系统可靠性达到了能够进行综合评估的阶段，方法的构成非 常灵活方便。目前己被国际上广泛应用。日本1 9 8 9 年发布了配电系统可靠度 评价方法和缩短停电时间技术的报告【6 】。立足于电力客户方面，以配电线路区 段为单位，从考虑对电力客户供电的各个配电系统的结构和故障修复程序出发， 预测系统在任意地点、任意设备上发生故障时，电力客户所经历的停电时间， 确立了种“多分割多联络”的标准结构，并以“裕度 概念为基础引入联络率 和运行率等概念而建立的配电系统可靠度的预测方法。把配电系统供电可靠性 的管理和应用推进了一个崭新的阶段。目前，日本配电系统对客户的供电可靠 性几乎达到了没有停电的情况。而前苏联早就在2 0 世纪3 0 年代初期就进行了 电力系统可靠性的研究。 同时，许多发达国家已经对电力系统可靠性指标和数据的收集以及信息的 利用方面做出了规定。比如日本采用平均停电次数，客户年平均停电时间等指 标来衡量配电系统的可靠性。而英国则采用客户平均系统可靠率和安全目标、 客户平均停电持续时间等全面反映对客户综合质量，故障和预安排停电的状况， 系统和设备的性能以及系统的外部可能带来的影响等各个方面。目前国际上大 多学习和采用这种模式【7 j 。 虽然近几年国内的供电可靠性水平有了较明显的改善，但是也应该看到，与 国外先进水平相比还有较大的差距。据资料统计，至1 9 9 7 年，日本、法国、英国、 美国等国家的配电系统供电可靠率已分别达到9 9 9 9 8 、9 9 9 8 2 、9 9 9 8 5 、 9 9 9 8 8 ，相当于平均每户停电时间分别为9 分钟、9 4 分钟、7 7 分钟、5 8 分钟， 而且美国对于可靠性的计算是包括用户低压侧的。可见，若想在经济上赶超发达 国家，作为基础设施的电力工业必须进一步深化改革进程，争取全面提高供电管 理和技术水平，为广大电力用户提供充足、优质、可靠的电能服务。 6 第1 章绪论 1 5 本文的主要工作 如前所述，配电系统是电力系统中面向用户的最后一个环节，它对用户供 电可靠性具有最大的影响。配电系统的可靠运行对国民经济的健康发展、社会 秩序的稳定、人们生活的正常进行有着重要的影响。由此，配电系统可靠性研 究能为配电系统设计、改造、运行和维护提供准确、详细的参考，对提高供电 可靠性具有重要的意义。 围绕着配电系统可靠性评估方法，本文进行了以下几项具体工作： ( 1 ) 分析配电系统可靠性评估的模型以及相应的可靠性指标，根据现有的 配电系统的典型结构和运行方式，进行可靠性评估。 ( 2 ) 重点研究配电系统可靠性评估的计算方法，提出了一种基于最小割集 的配电系统实用评估方法； ( 3 ) 编制相关程序，开发出配电系统可靠性评估系统，初步实现对配电系 统的可靠性评估，基本框图如图1 2 所示；研究负荷点的供电方式，并以配电系 统可靠性评估试验系统i e e ed r t s 作为试验系统，得出该系统可靠性指标。 ( 4 ) 分析影响可靠性的主要因素。分析现阶段我国的配电系统中普遍存在 的问题，并分别针对存在的问题提出提高配电系统可靠性的措施。 输入原始数据 上 搜索最小路 上 求对应于负荷点的最小割集 上 进行可靠性计算 上 得到各负荷点的可靠性指标 上 得到整个系统的可靠性指标 图1 2 可靠性评估流程图 7 第2 章配电系统可靠性评估指标 第2 章配电系统可靠性评估指标 要衡量整个供电系统综合可靠性，必须先了解整个电网停电性质的分类。 停电 故障停q 篇篇鼍 预安排停电 鎏型霉耄 故障停电：供电系统无论何种原因未能按规定程序向调度提出申请，并在6 小时( 或按供电合同要求的时间) 前得到批准并通知主要用户的停电。 内部故障停电：凡属本企业( 指地、市级供电企业，下同) 管辖范围以内 的电网或设施等故障引起的故障停电。 外部故障停电：凡属本企业管辖范围以外的电网或设施等故障引起的故障 停电。 预安排停电：凡预先已作出安排，或在6 d 时前得到调度批准( 或按供用电 合同要求的时间) 并通知主要用户的停电。 计划停电：有正式计划安排的停电。 临时停电：事先无正式计划安排，但在6 d 时( 或按供电合同要求的时间) 以前按规定程序经过批准并通知主要用户的停电。 限电：在电力系统计划的运行方式一下，根据电力的供求关系，对于求大 于供的部分进行限量供应。 配电系统的可靠性评估是研究直接向用户供给电能和分配电能的配电系统 本身及对用户供电的可靠性。是在收集大量配电系统元件原始数据的基础上， 利用概率统计的方法对配电系统自身以及向用户供电的可靠性水平做出评价和 预测。为了反映系统停运的严重程度和重要性，中国和世界上有许多国家都按 各自的国情，定义了数目不同的可靠性指标。 配电系统的供电可靠性指标一般可以分为以系统内元件故障分析为基础的 负荷点可靠性指标和以供电充裕度为度量的系统供电可靠性指标及与负荷和供 电量有关的指标。 8 第2 章配电系统可靠性评估指标 2 1 负荷点的可靠性指标 2 1 1 指标概述 反映各负荷点的可靠性指标有：年故障停运率a ( 次年) 、平均停运持续 时间，( 小时次) 、年平均停运持续时间u ( 小时年) 。下面分别介绍这三个指 标的含义和特征。 ( 1 ) 年故障停运率旯( 次年) 年故障停运率是指某负荷点在一年中因电网元件的故障而造成停电的次 数。各负荷点z 的大小说明了该负荷点供电的可靠性程度。 ( 2 ) 平均停运持续时间，( 小时次) 平均停运持续时间是指从停电开始到恢复供电这段时间的平均值。，在一定 程度上说明了在停电事故发生后恢复供电的类型，在有备用电源、备用元件可 供切换的情况下，其停电后恢复时间较短，值也较小。 ( 3 ) 年平均停运持续时间u ( 小时年) 年平均停运持续时间是指负荷点一年内停电的时间总数。它反映了该负荷 点供电的可靠性。嘴越大则系统对负荷点的供电越不可靠。 2 1 2 系统故障分析 1 、串联系统 所谓串联系统，就是由两个或两个以上元件组成的系统，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。 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： n 兄：y 见 ( 2 1 ) 智 z i 一乇i 7 i u 1 ，= j 三l 一= 二。 窆五 名 五 几 u = 五乃= a y ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中，五元件f 的故障率，次年；r 元件f 的故障修复时间( 或称故 9 第2 章配电系统可靠性评估指标 障停电时间) ，b 次： 2 、并联系统 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，系统就算处在工 作状态。 两元件并联的计算公式 三元件并联的计算公式 力= a 五2 ( y i + y 2 ) y ：兰匕 y l + 7 2 u = a y = 五a 2 y i y 2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 旯= 彳l 旯2 旯3 ( y l y 2 + y 2 y 3 + 7 3 y 1 ) ( 2 7 ) y ： 兰! 兰! 兰i ( 2 8 ) 7 1 7 2 + y z y 3 + y 3 y l u = 五兄2 a 3y l y 2 y ( 2 9 ) 以上各式中， 、五，、厶分别为元件1 、2 、3 的故障率，次年； y 、y 2 、乃分别为元件l 、2 、3 的故障修复时间( 或故障停电时间，l l 次) ； 若考虑系统的检修策略，则负荷点的可靠性指标计算公式如下所示： 对串联元件，选择第，个负荷节点，其平均年持续停电率五，、平均年停电时 间u ，、平均停电持续时间，、平均停电负荷三，、平均电量不足e ，； 力，：yp 力，+ yz ( 2 1 0 ) j _ 一 _ 一 i = li = l q = 以勺l 扩+ z f ：艺 j = l i = l e ： = 上 j u j 1 0 ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 。硝 + 勺4 只 。耐生乃 i i = u ， 0 第2 章配电系统可靠性评估指标 尸一元素f 发生破坏性故障时对应动作的自动开关装置的可靠动作率； 五j 一元素f 的平均年破坏性故障率； z 一元素f 的平均年计划检修率； r ，一元素i 发生破坏性故障时造成负荷区域节向的停电时间，0 可能为故障 修复时间或故障切换时间； r ”一元素f 的计划检修时间； 厶，一元素f 故障时造成负荷区域节点，的平均停电负荷。 对并联元件，在电力系统中一般只考虑到两阶，因此对两并联元件有： 旯= 丑正_ + 五z 吃 ( 2 1 5 ) ，= ( i 导一石如1 + 导一正丑艺2 ) ( 2 1 6 ) a 为元件1 的故障率， 为元件1 的计划检修时间。 五为元件2 的故障率， 为元件2 的计划检修时间。 u = 办( 2 1 7 ) n 为元件l 的故障修复时间；彳为元件l 的检修率，0 吃为元件2 的故障修复时间；t 为元件2 的检修率，巧 2 2 系统的可靠性指标 在得到负荷点可靠性指标的基础上可以进一步计算出整个系统的供电可靠 性，主要包括以下几个评估指标： ( 1 ) 系统平均停电频率( s a i f i ) ，是指每个由系统供电的用户在每单位 时间内的停电次数。它可以用一年中用户停电的积累次数除以系统供电的总用 户数来估计。 y 五i n ， s a i f l = 号鬻笋= 譬c 次c 牌) 1 ， 乙n i ( 2 ) 系统平均停电持续时间( s a i d i ) ，是指每个由系统供电的用户在 一年中经受的平均停电持续时间。它可以用一年中用户经受的停电持续时间 的总和除以该年中由系统供电的用户总数来估计。 第2 章配电系统可靠性评估指标 絮铲：等咐1 ) ( 3 ) 用户平均停电频率( c a i f i ) ，是指每个受停电影响的用户在每单位 时间里经受的平均停电次数。它可以用一年中观察到的用户停电次数除以受停 淼：学硝) 纪2 。， 己协 i = 1 ( 4 ) 用户平均停电持续时间( c a i d i ) ，是指一年中被停电的用户经受的 平均停电持续时间。它可以用一年中用户停电的持续时间的总和除以该年停电 器= 荔z i n i 懈耐1 ) 晓2 ， ( 5 ) 平均供电可用率( a s a i ) ，是指一年中用户经历的不停电小时总数与 用户要求的总供电小时数之比。 ：嵌纛小罢兰 他2 2 ， 8 7 6 0 n ； 一 ( 6 ) 用户平均电量( a e n s ) ，是指系统一年中总的停电电量损失平均到 系统内每个由系统供电的用户的平均电量。 4 挪= 篙= 瓦z l a ( i ) ( 2 2 3 ) 式( 2 1 8 _ 2 2 3 ) 中的丑、u ，分别为第f 个负荷点处的年平均故障率和平均故 障停电时间，n ，为相应负荷点上的总用户数，门，为相应负荷点上受停电影响用 户数，l a ( i ) 为相应负荷点损失的电量。 1 2 第2 章配电系统可靠性评估指标 2 3 与负荷和电量有关的指标 ( 1 ) 平均负荷停电指标( a l i i ) 。 删= 嚣鬻筹筹器 c 2 2 4 ) ( 2 ) 平均系统缺电指标( a s n i ) 。 彳s n i = 堂器= 需( k 蹦h 用户或后h 用户) ( 2 2 5 ) ( 3 ) 平均用户缺电指标( a c n i ) 。 彳c n i = 蒜器= 意淼 2 6 ) 2 4 经济类指标 随着电力市场的不断深入发展，电网公司不再仅以节省投资为目的，而开 始注重投资的效益，因此反映停电损失费用的可靠性经济类指标越来越受到人 们的重视，并应用于配电系统规划、设计和运行中。 ( 1 ) 停电成本( i n t e r r u p t i o nc o s t ，c o s t ) 。 系统停电成本指标用于评估系统在规定时间内因停电而造成的经济损失， 其期望值简写为e c o s t 。 c o s t ：y c ； ( 2 2 7 ) ( 2 ) 停运电量评价比率( i n t e r r u p t e de n e r g ya s s e s s m e n tr a t e ，i e a r ) 。 系统停运电量评价比率指标表征系统中单位停运电量的平均停电成本。 i e a r ：= c o s t e n s 1 3 ( 2 2 8 ) 第3 章配电系统可靠性评估系统的开发 第3 章配电系统可靠性评估系统的开发 3 1 系统概述 3 1 1 系统研制目的和意义 对配电系统的可靠性的研究和应用，是保证供电质量，实现电力工业现代 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，进行网络建设和改造有着重要作用。我们进行配电系统可靠性评估研究 的任务是在考虑电源到负荷之间各种设施的实际运行条件的系统约束下，对配 电系统的可靠性进行定量评估。其目的是：为电力系统的规划及运行提供决策 依据，使电力系统能够经济地、连续地保证电能质量进行供电。 配电系统接线复杂、设备繁多，各设备参数和状态之间又存在一定的影响 关系，相应的数据及其处理密切相关，所需要进行分析计算的评价指标较多， 再加之配电系统电气接线图因规划方案的不同而变化多端，所以对规划方案进 行评估是一项非常复杂的系统工程，有许多不确定和不精细因素。对配电系统规 划方案进行评估，应该从多个方面对其进行定量分析，做出科学的评估并且指 出其薄弱环节，这些工作单纯依靠规划人员的经验来进行是很困难的。因此， 开发一个实用性强的、能够对配电系统规划方案的多种评估指标进行定量计算 的软件系统是十分必要的。 3 1 2 国内外配电系统可靠性评估软件的开发现状 目前国内外可靠性评估软件开发现状如下：国外在配电系统可靠性算法研 究与评估工具开发方面已经非常成熟，研制出了测量多种配电系统参数的智能 电子仪器。该仪器能够测量配电系统可靠性指标，并用出现在系统停运与运行 时间百分比上的连续九位阿拉伯数字显示该指标。 目前国内对配电系统的可靠性评估软件很多，但真j 下能对配电系统的规划、 建设起指导作用的软件不多。面向对象程序设计技术的出现，给配电系统可靠 性评估提供强了有力的支持。与结构化程序设计不同的是，面向对象的程序设 计是用类来抽象代表现实的实体，用类之间的继承关系来代表设计的抽象过程。 函数只是对数据的操作，没有数据的概念，而类是数据和函数操作的集合，是 1 4 第3 章配电系统可靠性评估系统的开发 非常贴近现实实体的表现形式。并且类之间的继承关系可以是设计的抽象过程 的显示表现形式。 文献【2 1 1 中关于配电系统采用基于最小割集的故障后果分析算法，建立了综 合考虑线路元件、气候变化、计划检修、负荷转移和操作方式等因素的数学模 型，实现了对各种配电系统的可靠性评估、对影响可靠性的各种因素进行分析 等，包括辐射型、环网、以及双电源供电接线方式。本文采用基于最小割集的 故障模式影响法开发出一套配电系统可靠性评估系统，该系统可以针对各种配 电系统接线形式进行分析。 3 1 3 配电系统可靠性计算方法 目前，在评估配电系统可靠性时，主要是应用经典的概念算出平均故障率、 平均停运持续时间和年停运时间三个指标，其他的系统可靠性指标，如系统平 均断电频率指标( s a i f i ) ，用户平均断电频率指标( c a i f i ) ，系统平均断电 持续时间指标( s a i d i ) ，平均用电有效度指标( a s a i ) 和无效度指标( a s u i ) 等均可利用用户的一些统计信息从这三个指标中计算出来。计算这些可靠性指 标的方法大致可分为解析法和仿真两类。其中仿真方法比较灵活但受计算时间 以及精度的限制，解析法基于系统历史数据统计的假定；又可分成网络模型及 m a r k o v 模型两种。由于m a r k o v 模型应用于规模较大的系统时计算时间较长， 因此目前应用较多的还是网络模型。同时人工智能、模糊数学聚类分析以及区 间数学也引入到配电系统可靠性评估中。 1 基本解析法 ( 1 ) 故障模式后果分析法( f m e a ) 1 2 0 j 。 故障后果分析是利用元件的可靠性数据，建立故障模式后果表，然后逐个 分析各个故障事故及后果，最后综合形成可靠性指标，只适用于较简单配电系 统的可靠性评估。故障模式后果分析是可靠性评估中广泛使用的方法，但对于 复杂配电系统，直接采用简单的故障模式后果分析法来分析系统的可靠性比较 困难。通过简化影响负荷点停电的故障模式，实现对负荷点的可靠性计算，进 而可对整个系统进行可靠性评估。 其具体方法为：根据选定的可靠性准则，将配电系统划分为完好和故障两 类状态，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( c o n t i n u i t y ) 作为故障准则，即供电连续性遭破 1 5 第3 章配电系统可靠性评估系统的开发 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，建立故障模式影响分析表，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。在放射状网络中的某一 部分发生故障后，可通过操作隔离开关，断开故障部分，使系统恢复供电；通 过故障模式影响分析法( f a i l u r em o d ea n de f f e c ta n a l y s i s ，f m e a ) 计算出可靠 性指标。复杂网络的主要特点是：各馈电线均有负荷点；馈点通过正常断丌点 彼此相连或与其他电源相连；负荷可以转移；故障将会引起局部或全部断电。 扩展后的f m e a 适用于复杂网络。其特点是把f m e a 直接与系统的最小割集相 并联，并用最小割集来识别。 ( 2 ) 基于最小路的可靠性评估算法【1 6 】。其原理为：对每一负荷点，求其最 小路，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的 节点上，从而仅对其最小路上的元件与节点进行计算即可得到各负荷点相应的 可靠性指标。但当系统复杂时，花费时间长。 ( 3 ) 网络等值法1 2 5 1 。其主要思路是将带子馈线的问题通过等值转化为不带 子馈线的问题，也即将其等效为简单辐射状网络，然后用f m e a 法求解等值后 的可靠性指标。它适于解决复杂配电系统的可靠性评估。 ( 4 ) 故障扩散法【1 5 】。故障扩散法是在故障后果分析法的基础上，通过判断 故障的影响范围来进行可靠性评估的。它的总体思想是：当元件发生故障时， 程序立即前向搜索断路器和前后向搜索隔离开关，以此来确定断路器和隔离开 关的影响范围，并形成各分块子系统，然后通过判断是否与电源或切换开关相 连，区分出4 类节点，再分别计算各类节点中的负荷点的可靠性指标。 ( 5 ) 基于马尔可夫模型的解析法【。马尔可夫过程的数学意义可简述为： 只要过程在时刻t 0 所处的状态已知，那么，过程在下- nt l 所处的状态与t 0 之 前的状态无关。文献 1 0 】将配电网络分为3 个层次即初级马尔可夫过程模型、次 级马尔可夫模型、第3 级马尔可夫模型。求解时，首先从第3 级模型入手，逐 级向下，最终完成各可靠性指标的计算。其在北美应用较多，准确度较高，但 计算量随元件数的增多呈指数增长，因此当系统规模达到一定程度时，采用此 方法有一定困难。 ( 6 ) 考虑容量约束的评估算法【1 4 1 。由于实际应用中常常需要考虑容量的约 束，如过负荷或电压越界等，所以，有必要考虑容量约束的评估算法。其容量 1 6 第3 章配电系统可靠性评估系统的开发 约束模型建立在忽略线路电容电阻和负荷无功的情况下，用直流潮流法与z 矩 阵法相结合求解配电系统中线路故障或负荷点减负荷时网络的潮流分布，知道 了潮流分布，就很容易得出系统和负荷点的各可靠性指标。此算法可广泛应用 于辐射形、并联及环形配电网的可靠性评估，且易于程序实现。 ( 7 ) 基于最小割集原理的系统可靠性计算方法【1 0 】。其原理是通过网络基本 最小路求取网络最小割集，其比最小路算法省时。 ( 8 ) 基于最小路和等值法结合的复杂配电系统的可靠性评估算法【l 引。该算 法首先应用可靠性等值原理将复杂配电系统逐步等值为简单的辐射型配电网， 再应用最小路方法计算系统的可靠性指标，提高了评估效率，优于只使用最小 路法的情况。 ( 9 ) 复杂配电网络可靠性评估的向量法【3 6 】。它是在传统解析法的基础上， 吸取了网络等值法、最小路法及f m e a 法的思想提出的。该方法以构造负荷点 供电“最小路馈线段行向量”的方法，方便地求得带子馈线、备用电源的复杂 配电网络的可靠性指标。在最小路馈线段行向量生成后，计算中不需要再考虑 网络结构，可简化计算，同时，还有助于方便地找出配电网中的薄弱环节。 ( 1 0 ) 基于贝叶斯网络的配电系统可靠性分析方法【1 2 】。传统的评估解析法 虽然都能计算配电系统的可靠性指标，但他们一般不能定量给出某个元件或某 几个元件在整个系统可靠性中所占的地位。将贝叶斯网络技术应用于配电系统 的可靠性评估，能很好得弥补以上可靠性评估方法的不足之处。 ( 11 ) 人工神经网络法( a n n ) 。它的核心是3 层前向传递网络和反向传 播学习法则。它包括3 层前向传递网络：输入层、隐藏层和输出层。反向传播 学习法则是将多层前向传递网络的实际输出与期望输出之间的平方误差降至最 低限度的负梯度算法。通过传递误差来调整输出层各节点与最低层之间的连接 权重，再结合历史数据得出配电系统的可靠性指标。该法主要优点是可以得到 很高的精度，它还可以处理由于过负荷或故障引起的系统结构改变和多个断路 器同时跳开的问题。但这种方法对历史数据要求较高，能够处理的系统规模也 有限。 2 模拟法 模拟法主要是时序蒙特卡洛法【1 1 1 ，它是国外一种比较成熟的算法。其主要 原理为：系统元件( 主要是线路和变压器) 一般可用2 种状态来描述，即工作 态和故障态，处于两种状态中的时间分别叫做工作时间( t t f ) 和恢复时间 1 7 第3 章配电系统可靠性评估系统的开发 ( t t r ) ，参数t t r 与t t f 是随机的，因而有不同的概率分布。 3 2 配电系统可靠性评估系统的原理 3 2 1 所做假设 1 电源的假设 本文主要侧重于配电系统的研究。并且为研究方便，在研究配电系统时， 认为发电系统、输电系统是可靠的，即发电系统、输电系统是运行在几个典型 的方式中，而且发电系统总能满足负荷的需要。 2 不考虑限电。 3 有联络出线故障后完好区段的负荷能够全部转移。 4 不考虑外力破坏作用的影响，而只考虑设备故障产生的停电。 5 我们不考虑瞬时故障，而考虑只有等故