（电气工程专业论文）配电网可靠性与经济性综合评估研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 配电系统作为电力系统中电网直接与广大电力客户相连的部分，其可靠性 是供电企业和电力客户非常关心的问题，因而也是非常重要的研究方向。配电网 可靠性的研究，其目的是向电力客户提供安全可靠的电力供应，从而获锝最优的 经济效益和最佳的社会效益。 配电网可靠性评估的算法是进行配网可靠性研究的重要课题。本论文在综 述了一些常用的配网可靠性评估算法的基础上，提出了一种基于成功概率的配电 网可靠性评估方法，通过对配电网工作机理的分析，介绍了带有复杂分支馈线的 配电网可靠性评估新方法。通过算例对该方法与其它方法进行了对比，表明了该 方法在程序设计、计算速度和精度方面具有优势。 可靠性成本与可靠性效益是一对矛盾体。论文给出了以可靠性成本与可靠性 效益相结合作为寻求配网最优的投资策略的目标函数。详细讨论了配电网负荷支 路是否设置断路器以及在负荷支路是否设置备用变压器的判据。通过对不同情况 下某段主馈线上分段开关是否设置对系统停电损失造成的影响，将主馈线分段开 关的可靠性成本与可靠性效益结合，最终得到了主馈线分段开关的最佳设置策 略。论文对配电网的投资策略进行了研究，将供电企业和电力客户结合起来进行 考虑，在分析可靠性指标的基础上考虑电力客户的停电损失，将停电损失和投资 费用结合，从而得到最优的投资方案，并将该优化方案应用到测试系统中，验证 了本文所提优化函数的有效性和实用性。 论文最后讨论了东营电网的现状和存在的问题，并对其中的一条配电线路 进行了可靠性与经济性的评估。然后分析了影响配电网可靠性的各种因素，给出 了提高配电网可靠性的一系列措施。 关键词：配电网；可靠性评估；可靠性成本；可靠性效益 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其它个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 1 论文作者签霜- 墨兰兰笙日期：蛰盈：堡：12 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本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、缩印或其它复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签茗缝垒叠犏签名：期：翌丑9 7 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的与意义 随着我国社会经济的飞速发展，电力客户对于电能质量的要求越来越高，而电力 系统的可靠性指标又是反映电能质量的一个关键因素，国家对供电企业供电可靠性的 要求也越来越高，因此对于电力系统可靠性的研究具有重大的现实意义。 在相当长的一段时间里，电力系统的可靠性研究主要侧重于发电系统可靠性或者 以发电和输电组成的大电力系统可靠性，相比之下，配电系统的可靠性研究远未得到 应有的重视。主要原因是发电系统的设备与配电系统相比，相对比较集中，设备一次 投资额大，建设周期长，发电容量不足造成的停电给社会及环境带来的后果的严重性 和广泛性容易引起人们的注意。但随着经济技术的发展，人民生活质量不断提高，电 力客户对供电可靠性的要求越来越高；同时，区域配电网日益发展和不断完善，如线 路分段、“手拉手”等硬件的实现和配网自动化的广泛应用，使得配电系统的可靠性 研究开始引起了人们的重视。 配电系统处于电力系统的末端，是包括发电、输变电和配电在内的整个电力系统 与电力客户联系、向电力客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、用同时性的特点，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 统对电力客户供电的中断。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。而且配电网大多采取环形设计、开环成放射式的运行方式，对 单故障比较敏感，因此故障发生率也较高。据不完全统计，电力客户停电故障中8 0 以上是由电力系统中的配电环节故障引起的【”，说明配电系统对电力客户供电可靠 性的影响最大。 随着电力系统市场化改革不断深入，配电系统的故障给电力客户造成的经济损失 以及给社会带来的损失必将成为左右电价的一个必不可少的因素。研究配电系统可靠 性是保证电力系统供电质量、提高电力工业现代化水平的重要举措，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以及进行城市电力网络建设和 改造都有着重要的指导作用。因此，配电系统可靠性研究在整个电力系统的研究中占 据着重要的地位。 电力系统可靠性的价值就是其连续供电的价值。一方面，可靠性低往往会造成缺 山东大学硕士学位论文 点和停电，给电力客户和社会造成经济损失；另一方面，可靠性的提高是以电力投资 成本的增加为代价的，盲目提高供电的可靠性而忽略了经济性的考虑，势必造成电力 投资的大幅增加，从电力企业以及整个社会的经济效益角度来看，并不是值得提倡的。 也就是说，合理的可靠性水平总是与经济性和社会发展水平相联系的，配电系统的可 靠性和经济性，既相互矛盾，又相互协调。这就要求我们在进行可靠性评估的同时必 须充分考虑经济性的因素，在可靠性投入和可靠性效益之间寻求某种平衡。 1 2 国内外配电系统可靠性研究状况 国外对于配电系统供电可靠性评估的研究起步较早，其早期研究以统计分析为 主。加拿大旱在上个世纪5 0 年代就开始研究供电的连续性和可靠性问题，并于1 9 5 9 年 成立了专门的供电连续性委员会，规定了评价供电充裕度的若干实际指标i i 】：英国也 在上个世纪6 0 年代开始了配网可靠性方面的管理工作；其它欧美国家和日本也在上个 世纪7 0 年代开始全面展开了配电网可靠性统计分析的工作。现在，供电可靠性评估已 成为许多国家配电系统规划决策中的一项常规性工作，美国、英国、加拿大、日本、 法国以及俄罗斯都成立了专门的研究机构，负责配电系统供电可靠性评估原始数据的 收集和整理工作，并建立了完善的配电系统供电可靠性评估的指标体系。在配电系统 供电可靠性评估模型和算法上也取得了重要的研究成果，并己将评估结果用于配电网 规划等方面，大大的提高了配电系统的安全性能和经济效益。 国内对配电系统侠电可靠性的研究始于上世纪8 0 年代初期，与发电和输电系统的 研究相比，配电系统可靠性研究的起步较晚。由于缺乏必要的统计数据和行之有效的 分柝方法，发展较为缓慢。1 9 8 3 年。云南电力实验研究所制定了第一套配电系统供 电可靠性统计评价方法，直到1 9 8 9 年，能源部电力可靠性管理中心将原有的方法进 行修改，颁布了供电系统电力客户供电可靠性统计方法，我国的配网可靠性管理 工作才由此全面展开。近年来，随着国民经济的飞速发展，城市用电负荷迅速增长， 供需矛盾日益突出，供电可靠性在生产管理工作中所占的位置也越来越重要。为使有 限的资源取得最大的收益，迫切需要对配电系统进行科学合理的规划，从而促进了配 电系统供电可靠性评估的发展。目前对于配电网可靠性的研究已经成为电力工程领域 中的研究热点，课题主要集中在可靠性评估指标以及模型和算法的方面，随着电力市 场理论的引入，配电系统可靠性与经济性协调一致的问题也被提到了研究的前沿。 2 山东大学硕士学位论文 1 3 2 配电系统中可靠性经济评价方法 配电系统中可靠性经济评价的主要方法【3 1 有：绝对可靠性评价法、可靠性排列法、 可靠性比较分析法、成本一效益分析法和可靠性优化法等。 绝对可靠性评价法是以一项指定的可靠性指标作为评价的依据，如设计方案达不 到该指标就要改变设计方案，电量不足概率( l o u 和电力不足概率皿o l p ) 就是这种 指标。此时，该方法的任务，就在于如何使系统在满足指定的可靠性指标的前提下投 资为最小。 可靠性排列法同样首先要选定一项可靠性指标，在此基础上对各种不同的设计进 行相对比较，并按照方案的优劣程度按照递增或递减的顺序进行排列，从而选出最优 方案。应用该方法，有时也应用概率加权的方式将多项可靠性指标进行综合计算，然 后进行排序、选择。可靠性排列法的优点是应用简便，但由于未作经济计算，难以从 经济上来评价各方案对应的经济效益。 可靠性比较分析法是先计算各个备选方案的投资，然后以单位投资对可靠性指标 改善的增量的大小来衡量各被比较方案的优劣。该方法的优点是在经济计算的基础上 来进行排序。 成本一效益分析法先计算出提高和改善可靠性指标所对应的经济价值，然后与完 成此项改进工程的投资作比较，以货币计量计算的效益大于投资的金额作为评选的依 据，比值愈大愈好。这种方法比单纯地计算提高可靠性指标增量所耗用的投资大小的 可靠性比较分析法又前进了一步。 可靠性优化法是以成本效益分析为基础，把效益作为某些可评价的可靠性指标 的函数然后寻优。成本效益分析法只是在若干可选方案中加以选择，而可靠性优化 则是应用优化技术来找出也许并未列入可选方案的最优方案。 在上述的几种方法中，从经济学的观点来看，前两种方法单纯用可靠性指标来评 价方案的好坏，而第三种方法也只是初步涉及到经济计算，只有后两种才真正属于经 济学的范畴。 1 4 论文的主要工作 本文首先在绪论中简单介绍了配电网可靠性研究的状况以及可靠性经济评价的 一些相关内容：然后分析了配电网可靠性评估的一些常用指标以及各种评估的模型算 法，提出了一种基于成功概率的配电网可靠性评估新方法，通过算例证明了该方法的 4 山东大学硕士学位论文 正确性和有效性：接着重点研究了基于成本一效益分析的配电网可靠性和经济性综合 评估方法，提出了综合考虑可靠性和经济性的评价函数，并将其应用到i e e e 标准算 例和东营电网的实际算例中；文章的最后结合工程中的实际情况提出了改善配网可靠 性水平的措施。 1 5 本章小结 本章首先介绍了本文所研究课题的目的和意义。配电网是电力系统中电网直接和 电力客户相连的部分，电网中8 0 以上的电力客户停电故障是由配电系统故障引起 的，研究配电网的可靠性具有重大的现实意义。提高可靠性水平就意味着供电企业必 须增加投资，既要使可靠性达到较高的水平，又要将成本控制在可以接收的范围之内， 这就要求我们在评估电网的可靠性的同时综合考虑经济性。 接着简单介绍了国内外配电网可靠性研究的状况。对于配网可靠性的研究，最早 是从对供电连续性的统计分析开始的，后来在配电系统供电可靠性评估模型和算法上 也取得了重要的研究成果。我国配网可靠性的研究起步较晚，但随着我国经济和技术 的发展，该领域的研究工作发展迅速。 最后，本章还简要介绍了配网可靠性的经济评价方面的知识。讨论了配电网成本 的概念以及常用的配电系统中可靠性经济评价方法。 山东大学硕士学位论文 上面各式中，一，为统计的时间范围内负荷点f 的停电次数，乙和兀分别为统计的 时间范围内负荷点f 总的工作时间和停电时间，单位是小时。 2 2 2 系统的可靠性指标 系统的可靠性指标用来评价系统直接向电力客户供给电能和分配电能的能力。常 用的指标【l 】有如下几个： ( 1 ) 系统平均停电频率 系统平均停电频率指标是指每个由系统供电的电力客户在单位时间内的平均停 电次数，用电力客户停电总次数除以总的电力客户数来计算。计算公式如式( 2 - 4 ) 表 示。 ，r 翩册= 石一 ( 次电力客户年) ( 2 4 ) m 其中j 为总的电力客户数，r 为系统负荷点的集合。 ( 2 ) 系统平均停电持续时间 系统平均停电持续时间是指每个由系统供电的电力客户在一年中的平均停电持 续时间，用电力客户停电时间总和除以总的电力客户数来计算。计算公式如式( 2 5 ) 所示。 e r u m 剐删= 1 百一 ( 小时电力客户年) ( 2 5 ) m ( 3 ) 电力客户平均停电频率 电力客户平均停电频率是指一年中每个停电电力客户所遭受的平均停电次数，以 电力客户停电总次数与停电电力客户的总数之比表示。计算公式如式( 2 6 ) 所示。 e 片 丑m c h 册= i 广 ( 次停电电力客户年)( 2 6 ) m 其中，m 为故障停电电力客户数。 ( 4 ) 电力客户平均停电持续时间 7 些查盔堂堡主堂垡丝奎 电力客户平均停电持续时间是指系统中每个停电电力客户在一年中所遭受的平 均停电持续时间，以电力客户停电时间总和除以停电电力客户总数表示。计算公式如 式( 2 7 ) 所示。 地月 m 翻，d ，= 气篇一 ( 小时停电电力客户年)( 2 7 ) m ( 5 ) 平均供电可用率 平均供电可用率是指一年中电力客户经受的不停电时间总数与电力客户要求的 总供电小时数之比，其计算公式如式( 2 8 ) 所示。 i e re p 8 7 6 0 ，一u ，f 爿& 4 ，= ，e r 8 7 6 0 ( 2 8 ) ( 6 ) 平均供电不可用率 平均供电不可用率是指一年中电力客户的累积停电时间总数与电力客户要求的 总供电小时数之比，计算公式如式( 2 9 ) 所示。 k r u m 爿s 叩= l 一爿黝，= 磊百一 ( 2 9 ) 8 7 6 0 m ( 7 ) 系统缺供电量 系统的缺供电量指标以一年中系统各负荷点总的停电量表示， ( 2 1 0 ) 所示。 f e 月 e 淞= 匕u ( 千瓦时年) 式中，匕是负荷点的平均负荷，单位是千瓦。 2 3 常用的配网可靠性评估方法 其计算公式如式 ( 2 一l o ) 目前对于配网的可靠性评估主要基于两类方法，即解析法和模拟法。随着近年来 人工智能的研究逐渐活跃，也有学者将人工智能方法引入了配电系统的可靠性评估。 8 山东大学硕士学位论文 2 3 1 解析法 解析法目前广泛用于配网的可靠性评估，它利用故障枚举进行故障状态的选择， 利用数学解析的方法计算可靠性指标。其基本原理是：根据系统的结构和元件的功能 建立系统的可靠性概率模型，然后用迭代等数学方法精确求解该模型，从而计算出可 靠性指标。解析法的原理简单，模型准确，特别适合针对不同的元件性能来评价其对 系统可靠性的影响。 ( 1 ) 故障模式后果分析法【2 1 【4 】 故障模式后果分析法( f a i l u r em o d ea n de 腩c t a n a l y s i s ，f m e a ) 是用于配网可靠 性评估的传统方法。该方法通过对系统中各元件的状态进行搜索，利用元件的可靠性 指标，选择合适的故障判别准则，找出系统的故障模式集合，在此基础上计算系统的 可靠性指标。该方法主要用于对简单辐射型主馈线进行可靠性评估，但对于元件数量 庞大的复杂系统，其计算量将随着元件数的增加成指数倍增加，因此该方法很难直接 使用。 ( 2 ) 基于最小路的方法【5 卅 最小路法首先枚举所有负荷点，对每一个负荷点求取其最小路即负荷点与电源之 间的最短通路，将非最小路上元件对负荷点的影响折算到最小路中，然后从负荷点向 上追溯，沿着最小路求取各节点的等效可靠性指标，并最终形成整个系统的可靠性指 标。对于分支馈线较多的复杂系统，最小路的求取和简化将会相当复杂。 ( 3 ) 基于故障扩散的方法【7 叫 该方法利用了基于故障扩散和遍历的技术将节点划分为若干种故障类型，通过判 断故障的影响范围进行可靠性分析。当元件故障时，系统便前向搜索断路器并前后向 搜索隔离开关，按照故障时间的不同，将节点分成几类，再分别计算各类节点中负荷 点的可靠性指标，并形成系统的可靠性指标。文献【7 】在故障扩散的基础上，考虑了自 动隔离开关和手动隔离开关的区别，更加适应系统不同自动化程度的要求。文献 8 】 在故障扩散的基础上，通过邻接矩阵的构造将节点分成若干块，以块为单位进行分析， 节省了故障枚举时重复搜索单个元件的时间。该类方法的缺点是任一元件故障后，系 统都要进行搜索或分块以确定故障的隔离范围，计算量仍然很大。 ( 4 ) 网络等值法【4 j 【1 0 】 等值法利用网络等值对复杂配网进行简化，从最低一级的馈线开始，利用一个等 9 山东大学硕士学位论文 馈线及该负荷所在支路所有元件都要成功运行。于是负荷点的平均成功运行概率由两 部分相乘得到，一部分是主馈线上各元件成功运行的概率之积，另一部分是负荷支路 各元件的成功运行概率之积。 图2 一l 简单辐射状主馈线的示意图 通过以上分析可得各负荷点故障率和平均成功运行概率的表达式如下： j 九= 九+ 气2 九+ + 如+ 厶+ + 如+ 如( 2 一1 5 ) 【爿。= 彳。屯= 九4 4 以如以r j 九= 以+ 气= 厶+ + 如+ 乃+ + k + 九7( 2 一1 6 ) 【以= 以- 4 * = 彳b 爿l - 彳2 彳3 她4 r 式中，以和气、气分别为主馈线和各负荷支路各元件故障率之和：一。和九、4 分别为主馈线和各负荷支路各元件平均成功运行概率之积。在求负荷平均成功运行概 率的时候要注意，对于故障时能用分段开关隔离的元件，其故障平均持续时间要用分 段开关的操作时间来替换。如，求负荷口的平均成功运行概率时，分段开关s 1 以后各 元件的故障平均持续时间都要用朋的操作时间来替换；求负荷6 的平均成功运行概率 时，分段开关s 2 以后各元件的故障平均持续时间都要用s 2 的操作时间来替换；以此 类推。 在求得了所有负荷的故障率和平均成功运行概率之后，即可得到负荷点的其它两 个可靠性指标。计算公式如下： = 8 7 6 0 e 叫，五( f ：口，6 ) ( 2 一1 7 ) l 【，= 丑 山东大学硕士学位论文 2 5 仿真算例 2 5 1 算例及结果 本节采用的算例为i e e ei 国t s 测试系统【2 0 】【2 1 】中b u s 6 的一条3 3 k v 主馈线，其结 构如图2 3 所示。 该馈线共包括3 0 条线路，4 个断路器，1 个分段开关，2 3 个负荷点，每个负荷点 通过配电变压器和熔断器跟馈线相连。系统的线路和可靠性参数分别如表2 1 和表2 2 所示。假定分段开关的故障率为0 次年，熔断器1 0 0 可靠，所有变压器均不设置备 用。 表2 一l 测试系统各元件的可靠性参数 设备类型可靠性参数数值 故障率( 次a k m ) 0 0 6 5 线路 平均修复时间( h ) 5 故障率( 次a k m ) o 0 1 5 变压器修复时间( h )2 0 0 切换时间( h ) l 故障率( 次a k m ) o 0 0 2 断路器 修复时间( h ) 4 可靠动作概率 9 9 8 5 分段开关操作时间( h )0 5 采用本文所述的方法计算得到部分具有代表性负荷的可靠性参数汇总于表2 3 ， 并与等值法、g o 法【2 2 1 、蒙特卡罗法【2 2 】等进行了比较。表2 3 中法l 代表等值法， 法2 代表g 0 法，法3 代表蒙特卡罗法( 取仿真时间为1 0 0 0 0 年) ，参考值为文献 2 l 】 中给出的结果。 由表2 3 结果可以看出，本文提出的方法与其它方法得到的结果基本上保持一 致。在正常情况下末端负荷的可靠性最低，而分段开关虽然不能降低负荷的故障率， 但是可以显著减小负荷的停电时间，这些结论与配网的结构特点相对应。以负荷l p 9 为例，用本文方法得出的故障率为1 7 1 6 9 次年，年平均停电时间为1 1 5 4 小时年； 与参考值比较，误差分别为0 3 l 和0 5 2 。综合表中数据得到的平均误差分别为o 2 7 和1 1 3 。结果表明本文所述方法是正确合理的。 16 山东大学硕士学位论文 表2 2 测试系统的线路参数 馈线类型长度( k m )线路号 1 o 6 0 7 1 3 20 7 52 7 30 8 09 2 1 4 o 9 04 1 0 51 6 0 3 ，5 ，8 ，1 5 ，2 0 ，2 8 62 5 0 2 ，6 ，1 8 ，2 3 ，2 6 72 8 0 l ，1 2 ，1 6 ，2 2 ，2 5 ，3 0 83 2 0 1 1 ，1 7 ，1 9 ，2 4 ，2 9 93 5 01 4 表2 3 几种方法所得负荷点可靠性参数对照表 负故障率( 次年)年平均停电时间( 小时年) 荷本文方参考本文方参考 法1法2法3法l法2法3 点法值法 值 l p l1 6 7 7 9l ，6 7 7 91 6 8 1 41 6 6 91 6 7 2 58 ，0 78 0 58 3 27 4 08 4 0 l p 61 7 1 6 91 7 1 6 91 7 2 0 41 7 0 31 7 1 1 58 2 68 2 58 5 67 9 28 6 0 l p 91 7 1 6 91 7 1 6 91 7 2 0 41 7 0 61 7 1 1 51 1 5 41 1 4 91 1 1 61 2 2 11 1 4 8 l p l 52 5 9 5 l2 5 9 5 12 5 9 4 22 6 1 32 5 8 9 01 2 6 51 2 6 41 2 2 71 0 8 71 2 9 8 l p 2 02 5 6 5 92 5 6 5 92 5 6 5 l2 5 7 52 5 5 9 81 5 7 81 5 7 41 5 1 11 6 7 01 5 7 2 l p 2 32 5 1 7 12 5 1 7 12 5 1 6 32 5 3 02 5 1 1 01 5 5 41 5 5 01 4 8 91 7 3 71 5 4 8 2 5 2 结论 通过对原理和结果的分析并与其它方法进行对比可知，本文所述的方法具有以下 几个特点： ( 1 ) 该方法原理简单、思路明确，易于理解和掌握，使得编程效率大大提高。 ( 2 ) 该方法属于解析法的一种，具有一般解析法模型准确、计算快速的优点， 与蒙特卡罗模拟法相比具有明显的优势。 ( 3 ) 引入了“元件成功运行概率”的概念评估可靠性，可以以此来分析单个元 件对系统可靠性的影响程度，为设备的检修或备用提供参考。 ( 4 ) 由于在计算负荷成功运行概率的时候是以各元件成功运行建模的，因此计 】7 山东大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章配电网可靠性与经济性的综合评估 在现代社会，电力市场化正在逐步地形成和发展，在电力市场的机制下，供电企 业应该从整个社会的整体效益出发来寻求最佳的供电方案。因此，供电的总成本除了 包括电网的投资运行成本外还应该包括供电不足或停电给电力客户造成的用电损失。 从可靠性优化的角度出发，投资成本就是为增强系统的供电可靠性而增加的设备投 入，电力客户的用电损失即为供电中断所造成的经济后果。对于配电网，减少电力客 户的停电损失就要提高配电网的可靠性，而提高配网可靠性必然要增加设备的投入 f 2 3 l 。如何在供电可靠性和设备投资之间获得某种平衡f 2 4 】，这就是可靠性优化的问题， 需要对可靠性和经济性进行综合评估。 3 2 货币时值的分类与折算 在可靠性的经济分析中，各种费用由于发生的年份不同而存在四种不同的形式， 即现在值( p ) 、将来值( f ) 、等年值( a ) 和递增年值( g ) 【2 l 。其中，现在值是指在 当前状态下应支付的费用；将来值是指在将来的某个时间会支付的费用；等年值是指 在若干年内按年平均支付的费用；递增年值是指今后每年发生，且逐年等额增加的费 用。 上述四种费用由于代表的费用发生时间不同，因而它们之间只有进行折算后才能 进行比较，而且对同一费用，如果发生在不同年份，其价值也有可能会不同，这就存 在一个货币时值的问题。货币时值的转换需要用到社会折现率。”( s i ：s o c i a lr a l eo f d i s c o u m ) 的概念，它是社会对资金时间价值的估量，与银行利率的概念类似，大约 在8 1 5 之间。世界银行采用的社会折现率为1 0 ，我国推荐采用的社会折现率 为1 2 。 货币时值的转换公式如表3 一l 所示。在本文后面的可靠性与经济性的分析中， 没有涉及到递增年值，而只是在现在值、将来值和等年值之间换算。 表中各式中，p 表示社会折现率，n 表示折现年数，符号( y ，p ，行) 表示在p 和 的条件下，由y 类值折算为z 类值，即x = y ( z 】，p ，h ) ，且有如下关系： ( x 】，f ，n ) = l “】，x ，f ，”) ( 3 1 ) 山东大学硕士学位论文 成本和可靠性效益统一起来进行衡量。 以r 表示可用率，而t 甜( r ) 表示配网年供电总成本，砌叫( r ) 表示增加的设备投 资年费用，工d 船( r ) 表示电力客户的停电损失。取目标函数为： 7 d 砌，( r ) = 西f v 口s r ( 尺) + 三d 船( r ) ( 3 2 ) 其中，乃耐( r ) 、砌 p 盯( 太) 和d 鼬( r ) 的关系如图3 一l 所示： 成 本 粕 可用率 图3 一l 成本与可用率函数关系图 由图3 一l 可以看出，当可用率达到岛时，配电网的总成本乃肼( 民) 达剑最低， 此时的即对应最优的可靠性水平。如果对配电网内的可靠性设备投资不足，即 所v p s ，( r ) 如v 甜r ( ) ，系统的可靠性水平虽 然高于民，但过高的投资使得配网的总成本仍然高于勋脚( 风) 。 要取得乃纠( 民) 的最小值，对式( 3 2 ) 两边求导： 酬，( r ) = 竿+ 警 ( 3 - 3 ) ll 令而细，( ) = 0 得： 掣l 。凡+ 蔓! 铲i 。，岛= o c s 一4 ) 式中，皇! 竺i ；型为可靠性投资相对于可靠性水平的微增率，即每增加一个单位 山东大学硕士学位论文 的可靠性水平而增加的投资成本；旦兰旦；竺为可靠性效益相对于可靠性水平的微增 觥 率，即每增加一个单位的可靠性水平而获得的效益或减少的停电损失。 由式( 3 4 ) 可知，当可靠性投资微增率与可靠性效益微增率的绝对值相等时， 配电网可靠性的总成本达到最低。 3 3 2 负荷支路是否加装熔断器的判定 由配电网的特点及发生故障后的操作过程我们知道，除第一段馈线首端装设断路 器外，在其余每段馈线的首端装设分段开关可以最大限度地减少停电时间，对系统的 可靠性最为有利。因此我们首先分析这种结构下负荷支路首端装设熔断器的必要性。 对于简单辐射状配电网( 如图3 2 所示) ，假设负荷三尸f 支路首端没有设置熔断 器，则当该负荷支路故障时t 分段开关s 、s + 。断开将故障隔离，分段开关s 前的负 荷由原变电站继续供电，分段开关墨+ 。后的负荷将通过线路末端的联络开关与其它线 路连接，由其它变电站继续供电。因此，负荷厶p f 所在支路以前负荷的停电时间为 的操作时问，取为 ；负荷三p f 所在支路以后负荷的停电时间为分段开关s + ，的操作时 间和线路末端联络开关的倒闸时间中的较大值，由于一般联络开关的倒闸时间要长于 分段开关的操作时间，因此此处取为联络开关的倒闸时间；负荷三一的停电时间为 该支路故障的修复时间，取为，0 。 图3 2 简单辐射状配电网示意图 设不设置熔断器时负荷支路l 一故障整条线路造成的停电损失为托，则有： f l i n t”o m 。= ，；局心吃岷弓坞 ( 3 5 ) t lj - l p - i + l t lj - l 式中，七= l ，2 ，f ，珂，表示第七条负荷支路；仇表示第七个负荷支路所带负荷的 种类；表示负荷支路后所带的第类平均负荷；表示负荷支路七所带的第_ ，类负 2 3 山东大学硕士学位论文 荷单位时间内的单位停电损失，单位取为元k w h 。 假设负荷三尸f 支路首端设置了熔断器且熔断器1 0 0 可靠动作，则该负荷支路故 障时该熔断器断开将负荷支路与其它线路切断，此时其它负荷支路均不会受到影响。 因此装设了熔断器以后整个系统的停电损失托只是负荷肼在修复时间，0 内的停电 损失，即： 蚝= ，0 弓鸠 ( 3 6 ) 一i 设加装一套熔断器的成本为c ，则由以上分析可知，忽略其它因素影响的条件下， 只要满足m 。一心c ，即当不装熔断器时的停电损失与装设熔断器后的停电损失之 差大于熔断器的安装成本时，就可以在该负荷支路首端加装熔断器。于是得到负荷支 路是否安装熔断器的判据如下： f l n 吃蚝鹄艺局c ， ( 3 7 ) t t l 。1 i - 件lj l 以上结论是在每段线路均装设分段开关且线路末端有联络开关的前提下得出的， 而根据故障扩散的原理可知，如果不是每段线路均装设分段开关，或者线路末端没有 联络开关与别的馈线相连，则负荷支路不装设熔断器对系统所造成的损失会更大。对 于带有分支馈线的复杂配电网，同样可以得出类似的结论。 由于分段开关的操作时问一般为2 0 分钟左右，联络开关的倒闸时间一般为1 小 时左右，而熔断器的装设成本不高，因此在每条负荷支路首端加装熔断器的结论是普 遍适用的。 3 3 3 负荷侧变压器是否设置备用的判定 在配电网中，由于负荷支路首端普遍安装熔断器，因此负荷侧的变压器是否安装 备用并不会影响到该负荷支路以外的线路和负荷的供电连续性。当某负荷的变压器发 生故障时，其所在支路首端的熔断器动作，将该负荷支路切除网络，不会对其它负荷 构成影响。若该变压器没有设置备用，则系统的停电损失为该负荷在变压器修复时间 内的停电损失；若该变压器设有备用，则系统的停电损失为该负荷在由主变压器切换 到各用变压器的时间内的停电损失。由此可见，不论负荷侧变压器设置备用与否都只 是影响其所在支路的负荷，而对其它负荷没有影响，因此在进行可靠性经济评估时， 负荷侧变压器的设置问题可以单独考虑。 2 4 山东大学硕士学位论文 加v 耐c 脚= 寿等芳与萎n r e + q 荟五 c ，一t z ， ( 2 ) 可靠性效益函数d 嚣( 震) 的建立 可靠性效益函数即电力客户停电损失函数，基于不同的可靠性指标有不同的评价 方法，如基于停电时间的方法、基于能量的方法、基于功率的方法等。本文采用基于 平均单位停电损失的方法来建立停电损失函数。该方法实际上即为可靠性评估中“电 力客户缺供电量”这一指标的经济化，其计算公式如下： 三d 船( r ) = 芝芝岛瓦( r ) c 茸 ( 3 一1 3 ) 七= lj = l 式中， ，。表示被评估配网中的负荷节点个数；七表示第七个负荷节点；心表示第 七个节点的负荷类别总数；- ，表示第，类负荷；兄表示第七个节点第类电力客户的 总负荷，单位为k w ；瓦表示第七个负荷点的年停电时间，单位为小时；c i 表示第七 个节点第，类电力客户的单位停电损失，单位取为元k w h 。 ( 3 ) 综合目标函数的建立 将公式( 3 2 ) 、( 3 1 2 ) 和( 3 一1 3 ) 综合起来即可得到配电网可靠性与经济性 综合评估的目标函数，用公式表示如下： 乃m ，( 震) = 糕_ g + c ，丑+ 兰羔气瓦( r ) ( 3 1 4 ) 7 ( 1 + 尹) “一1 急 x 山东大学硕士学位论文 出的备用变压器的安装成本折合成等年值为8 4 8 8 元。由表3 7 所示结果可知，该系 统所有的负荷点从经济性角度考虑均不应装设备用变压器。 最后要考虑的就是分段开关和联络开关的设置策略问题。由于第l 、6 两段线路 首端已经连接断路器，不再考虑设置分段开关，故需要设置的开关元件包括线路2 、3 、 4 、5 、7 、8 首端的分段开关以及整条线路末端的联络开关，即共有7 处地方需要考虑 是否加装开关装置。按照枚举的方法，共有2 7 个状态供选择，将这些状态分别带入式 ( 3 一1 4 ) 进行计算。计算结果显示，当线路8 首端安装分段开关其余线路均不设开 关元件时，目标函数取最小值，即系统的可靠性和经济性综合评价最优。 整个系统的最佳投资方案为：除了负荷l p 8 所在支路外，其它负荷支路首端均安 装熔断器；所有的负荷支路均不安装备用变压器；除线路l 、6 首端设置断路器外， 在线路8 首端安装分段开关；其余线路均不设分段开关和联络开关。经计算得到，与 最佳投资方案对应的每年总费用为7 2 7 2 l 元，其中增加的分段开关年费用为2 1 2 2 元， 每年消耗的熔断器的费用为9 3 元，系统的年停电损失为7 0 5 0 6 元。 3 5 本章小结 本章探讨了配电网可靠性与经济性综合评估目标函数的建立问题。首先介绍了在 经济性评价中会经常用到的经济时值的相关概念和计算方法，利用货币时值可以将费 用的现在值、将来值等换算成等年值，方便进行比较计算。接着，针对配网的具体情 况，详细分析了配电网负荷支路首端加装熔断器的必要性以及配电变压器设置备用的 原则等问题，针对这两个问题分别给出了公式判据，以此即可判定何时需要加装熔断 器以及备用变压器。在本章的最后，给出了配电网可靠性和经济性综合评价函数，针 对本章开始给出的目标函数一般形式，分别从可靠性成本和可靠性效益两个方面对函 数形式进行了分析，给出了具体的函数表达式，该公式可用于实际计算。在本章的最 后通过一个算例叙述了具体的优化计算步骤，并得出了正确的结果，验证了目标函数 的正确性。 山东大学硕士学位论文 第四章东营市配电网实际算例分析 4 1 引言 东营电网是山东电网的重要组成部分，由于历史原因，东营地区形成了交叉供电、 网中有网、多家管电、重复建设的复杂供电局面。这些因素严重制约了电力工业的发 展，使其滞后于油田开发和东营市经济发展的需要。自2 0 0 3 年以来，东营供电公司 坚持“四统一”方针，致力于电力的改革和发展，在理顺供用电关系的同时，加快了 电网的建设和改造，取得了可喜的成绩。 4 2 东营市电网现状 东营电网位于山东电网的末端，主供东营市三县两区和行政区域内的胜利油田生 产、生活负荷用电，供电面积为8 0 5 3 平放公里，由山东电网、趸售县区电网和胜利 油田企业电网三部分构成。最高点压等级为2 2 0 k v ，送电电压等级以l l o k v 为主、3 5 k v 为辅，配电电压等级以1 0 k v 为主、6 k v 为辅。 东营电网通过2 2 0 k v 辛杨线、辛乐线，1 1 0k v 辛广线与辛庄电厂相连：通过2 2 0 k v 沾学线，1 1 0k v 沾河线、沾利线与沾化电厂相连；通过2 2 0k v 木胜线与滨州电网 相连：通过2 2 0k v 杨桓线、淄乐线与淄博电网相连；通过2 2 0k v 万胜线、万杨线、 万东线与胜利电厂相连。区域内的电源包括公用电厂和自备电厂。截至2 0 0 6 年底， 全市共有3 m w 及以上发电厂2 3 座，总装机容量1 9 4 7 m w 。 4 3 东营市电网存在的主要问题 4 3 。1 输电网存在的主要问题 经过近二十年的发展，特别是通过近几年的城、农网改造，东营电网供电能力和 供电可靠性有了较大提高。但是由于起步晚、欠帐多、电网覆盖面小，不适应电力市 场发展和竞争的需要，仍存在不少问题，主要表现在如下几个方面： ( 1 ) 电网结构和电源需要加强。东营电网目前供电电源为7 回省网2 2 0 k v 线路 和胜利电厂。由于胜利电厂运行的不稳定，一旦电厂2 台及以上机组停运，将使东营 电网的2 2 0 k v 线路过负荷，造成拉路限电：同时，由于2 2 0 k v 线路距离东营城区负 荷中心较远，运行的经济性差。 3 1 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) 2 2 0 k v 电网供电能力有待提高。目前，东营城网基本形成了以胜利电厂、 东城变电站、胜利变电站、学堂变电站为主供电源的网架结构，但2 2 0 k v 变电容量分 布不够均衡。中心城区容载比较低，北部电网受电网不能统一规划的影响，缺乏电源 支撑。 ( 3 ) 电网覆盖率较低，存在电网空白。随着两大开发区和各类工业园区以及东 西城对接和城区北延工程的快速实施，电网的配套建设已远远落后于城市规模的扩 大，电网覆盖面小，互供能力弱，供电可靠性差。 ( 4 ) 城区1 1 0 k v 高压配电网络结构有待优化。1 1 0 k v 变电站布点偏少，l o k v 供 电半径大。 ( 5 ) 部分变电站设备老化，设备健康水平较低。 4 3 2 低压配电网存在的主要问题 东营市配电网主要存在以下几个方面的问题： ( 1 ) 1 0 k v 线路供电半径长，供电质量较差； ( 2 ) 1 0 k v 线路互带能力偏低； ( 3 ) 有些开闭所采用单电源方式供电，可靠性低： ( 4 ) 部分配电变压器满载或过载运行； ( 5 ) 配电网运行方式不灵活。 4 4 东营某实际配电网可靠性与经济性评估算例 本算例采用了东营供电公司下属的一条1 0 k v 配电线路登州i 线。这条线路 接有两条分支线，主馈线全长3 9 3 k m ，分支线全长2 5 k m ，沿线分布有各类工业负荷、 商业负荷、居民负荷共2 8 个。其中主馈线接有工业负荷6 个，商业负荷4 个；星华 支线接有工业负荷3 个，商业负荷3 个；电视台支线接有工业负荷6 个，商业负荷1 个，居民负荷5 个。主馈线和星华支线、电视台支线末端分别通过联络开关与1 0 k v 运河线、方大线和工业线相连。登州i 线的线路简图如图4 2 所示；线路和负荷的具 体参数示于表4 7 和4 8 中。 表4 7 实际系统的线路参数 线路编号线路长度( 如) j 1 1 8 7 山东大学硕士学位论文 根l p 2 0 开发区 居民负荷 l p 2 l开发区居民负荷 1000lp22 华科有限公司 工业负荷2 0 0 lp23 清华海化 lp24 工业负荷 5 0 0 江德电子工业负荷2 00lp26金翰清风湖 居居民负荷 3 0 0 段开关 和熔断器都1 0 0 可靠；取线路的故障率为0 3 0 4 次a k m ，平均修复时间为3 3 h ：变 压器的故障率为o 0 2 次a ，平均修复时间为9 6 h ，各产商业馈稿箱萎嚣雨潞i g i 晒 嘲萄瞄雨酹浚受幕尝托嚣半船带豁；b 凸| 塑幕甚擎并赢谶静静墅雾释簖珀阳闪弼i 一| 缘塑攀崮l 花布毕产午亦石希始塑蘩囊m 暇弩凰恽刈盈嚏懑薹甄i 霎：釜；憾僳屣项简 强堇嚣；。| 垂揍錾凄珥掣圆j 到笺雾缉障j 矬埋陋强发区 居民负荷 31 5 lp 1 8 ll,乔乔乔镲镲镲镲镲镲镲镲镲舷舷舷dd$乔乔乔镲镲镲镲镲镲镲镲镲舷舷舷d 山东大学硕士学位论文 表4 1 0 各负荷点的成功运行概率 负荷点负荷点负荷点负荷点 aaaa 编号编号编号编号 l p lo 9 9 9 5l p 8o 9 9 9 6l p l 50 9 9 9 5l p 2 2o 9 9 9 6 l p 20 9 9 9 6l p 9o 9 9 9 6l p l 60 9 9 9 6l p 2 3o 9 9 9 6 l p 30 9 9 9 6 l p l 0 o 9 9 9 6l p l 7o 9 9 9 6l p 2 4o 9 9 9 6 l p 40 9 9 9 6l p l l0 9 9 9 5l p l 8o 9 9 9 6l p 2 50 9 9 9 6 l p 50 9 9 9 6l p l 2o 9 9 9 5l p l 9o 9 9 9 6l p 2 6o 9 9 9 5 l p 6o 9 9 9 6 l p l 3o 9 9 9 5 l p 2 00 9 9 9 6 l p 2 7o 9 9 9 5 l p 70 9 9 9 6l p l 4o 9 9 9 5l p 2 l0 9 9 9 6l p 2 8o 9 9 9 5 得到了上述两个负荷点的可靠性指标后，利用公式2 一1 7 即可得到所有负荷点的 其它两个可靠性指标每次故障平均持续时间和年平均停电时间。其计算结果分别 如表4 1 l 和4 1 2 所示。 表4 一l l 各负荷点的故障平均持续时间 负荷点 r 负荷点r负荷点r负荷点 r 编号( 小时)编号( 小时)编号( 小时)编号( 小时) l p l 3 3 8 3 3 l p 8 2 9 5 5 8l p l 52 2 7 1 2 l p 2 22 3 3 7 7 l p 22 9 5 5 8 l p 9 2 9 5 5 8l p l 62 0 7 4 5 l p 2 32 3 3 7 7 l p 32 9 5 5 8 l p l 02 9 5 5 8 l p l 7 2 3 3 7 7l p 2 42 f 3 3 7 7 l p 42 9 5 5 8l p l l2 2 7 1 2l p l 82 3 3 7 7l p 2 52 3 3 7 7 l p 52 9 5 5 8l p l 22 2 7 1 2l p l 92 3 3 7 7l p 2 62 3 9 9 7 l p 62 9 5 5 8l p l 32 2 7 1 2l p 2 02 3 3 7 7l p 2 72 3 9 9 7 l p 72 9 5 5 8l p l 42 2 7 1 2l p 2 12 3 3 7 7l p 2 82 3 9 9 7 表4 1 2 各负荷点的年平均停电时间 负荷点u负荷点u负荷点u负荷点u 编号( 小时)编号( 小时)编号( 小时)编号( 小时) l p l4 1 0 9 7 l p 83 5 9 0 4 l p l 54 2 2 9 3l p 2 23 6 2 1 4 l p 23 5 9 0 4l