（电气工程专业论文）滕州城区配网可靠性的研究.pdf

附件一 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 其他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 论文作者签名 萱吃知 日期 塑 鱼 缈 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 缩印或其他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 论文作者签名 衄导师签名 爿缉日期 掣 山东大学硕士学位论文 摘要 配电系统直接与用户联系 配电系统可靠性研究对用户和供电企业均有重 要意义 本文的目的在于根据可靠性理论去分析滕州电网的可靠性 利用故障 模式后果分析法计算滕州城配电网各种可靠性指标 对滕州城配电网进行可靠 性分析 寻找影响因素 得到可行的滕州电网可靠性提高方案 主要研究内容 为 1 系统地介绍了配电系统可靠性分析的基本概念 采用数学模型法分别建 立可靠性评估元件模型和系统模型 并给出各种模型的计算公式 分别介绍了 配电系统的元件 负荷点以及系统的可靠性指标 以及配电系统可靠性评估的 方法 故障模式后果分析法的计算方法 原理及公式等 2 以滕州城区配网一个典型的配电线路为例 针对计及和不计断路器 隔 离开关 熔断器等设备故障的两种可靠性模型 对配电系统各种典型接线方案 进行可靠性评估计算和综合分析 从而定量得出各种接线方案的系统供电可靠 性 分析得到 配电系统可靠性指标既与故障元件有关 也与故障后隔离故障 以及恢复供电的开关装置有关 网架结构 设备元件的可靠性水平对可靠性指 标均有着较大的影响 应根据实际情况 采取措施提高系统的可靠性水平 3 对滕州城区1 0 k v 配电系统的可靠性进行了理论计算 获得线路结构与 可靠性之间关系的量化信息 对城区各变电站可靠性指标进行对比分析 主要 对比分析供电可靠率和用户平均停电次数 从而获得可靠性指标与网架结构 开关设备配置的关系 针对滕西站各线路出线的比较 得到线路可靠性与其结 构之间的密切关系 这些信息可为电网规划 检修以及扩建改造提供有价值的 决策依据 4 着重对滕州城配历史运行数据中的故障停电事件进行分析 提出保障配 网安全运行的主动性 针对性强的对策 并监督落实整改 详细介绍了滕州电 网提高供电可靠性的技术措施和和组织措施 技术措施归结为 改善电网结构 限制和缩小故障区域 设备诊断和故障探测技术 设备状态检修 带电检修技 术 几个方面 并分别举例加以说明 组织措施则主要从健全组织 加强运行 山东大学硕士学位论文 管理 施工检修的管理和推行目标优化管理等方嘶进行阐述 关键词 配电网 可靠性 故障模式后果分析法 可靠性评估 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o ns y s t 锄i sc o 衄 t e dw i mc 咖m e 玛d j r e c t l ys t u d yo f d i s 砸b u t i o n 妁哦鼬 l ia b i l i t yc 锄m a l ag r e a ts i 鲥丘c a 蛳o na 玲t o m e 绍锄d c l t r i c a lc a 叩o r a t i 锄s t h ep l l r p o o ft h cp a p 惯i 5t h a la n a l y s i z et e n g z h o uu 小蛆 d i s 耐b 嘶吼n 曲 讲k s 田刀 n s l i a b i l 毋b ya p p l y i n gr c h a b i l 时t h 锄d c a l c l l l a t et i d n s 1 i a b i l i t yi n d i c 嚣b y 孙也a 咖曲姐a l y z i l l gr e l i 曲i l i 劬w ec 匝 缸do u tt h ei 玎衄l l 训a l 臼c t o r s 强df c a s i b i ei m p v 锄e tm 翻咖匝 s t h em a 缸 虹t 伽幢s a l ea sf b l l o w s 1 t h et l l e s i 8m a k 鹪s y s t 锄a t i c 舡l dt h o r o u g hi l l 船o d 岫 胁n t h ct h eb a s i c c o 印to fm ed i s 曲嘶 s y s t 锄毗i 西i l 咄b l l i l d 啦 o l f 也ec 1 锄c n l 叫i 如i h t y m o d c ia n ds y s t e mr e h 曲i l i 够m o d e l a n df e l 曲e d 1 c u l a l i 细m l l l a t h 吼t h e c l 锄饥t s l o a dp o i n t s 锄ds y s t 锄r e h a b i l i t yi n d i c 躺i n c l u d e 正r e l i 曲i l 时 e v a h l a l i 吼a l g o r i t b 盯 f a i l 哦m o d ea n de 丘 鳅a i l a l 河s 泖腥a i 8p i d e d 晰也i t sc a l c l l l a 6 m e t h o d s p d i p l 鹤 f o m m l 鹤锄d o n 2 t a d 唱懿锄p l e 蠡玎a 呻c d c a l t u d n s 也e p a p 盯s e b 叩t w ok i n d s o f 坞l i a b i h t ym o d e l sw h i c hc o n c 锄w i t l im e 槭e 聃 刚t c h 髓a n df i l s i 伽瞎 蹦h l 0 r n o t f 胁t h cc a l c u l a t i o ft h e m o d e h w a l u 蚰g 粗d 删 s i z i n gt y p i c a l 锄 d o ns t y l 髓o f t h ed i 蛐m m 的n 町r s t 锄 8 s t e m 托1 ia b i l 时i n d i 啷c a nb ed l 翟w n a c c 曲g t o t h e 姐a t y s i s i t i ss b 伽m l h a t m e m 幅r o r 叠 础目 觚 锄d 也ed e i 全国第一墨黧冀鬟 蒌霆塞羹鐾脚唑皇唧趟髫翠二罂型塑嚣攀羹攀舞坤 赆坠a cc曲gt 0t h e 姐a t y s i s i t i s s b 伽m l h a t m e m 幅r o r 叠 础目 觚 锄d也ed e i c 馏 renability k v e l h a v et h e 蓼e 砒i n 唧m a m 硼u e n o nd i s h i b u t i 弛s y s t 锄 h a b i l i 够d i s m b u t i 咖托l i 曲i h t y i n d i c a l 戤 dw i t h 黼l i 聆e l e m e n t s s w i t c h 髓e t c 3 1 协u 曲cvalu砒ing jdns翻iabili劬tl地他la虹咖sl邱bet叭锄the net o咄con丘gu洲 趾d托liabintyofmedis仃ibu缸蚰聃t orlcsi8acquir缸c伽tc鲫曲g liabil蚵矗ldi淄ofsix曲s乜ilio璐缸 gzh伽u南m therelati蛐am gn哪rorkstnlcn玳 swi油c figu硎 锄d liabmtyiildic器i8 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 背景 目前我国电力工业正在进行公司化改组 由原来的国家垄断经营向放宽管 制 自由竞争的电力市场机制转变 向商业化运营和法制化管理发展 即推行 两个根本性转变 构筑与社会主义市场经济相适应的 以资本和电网调度为 纽带的新的管理体制 随着电力部门的体制改革和电力市场的开放 电力企业 的经营和管理策略也逐步从生产管理转移到面向用户 以用户为中心上来 面对国家宏观经济政策的冲击和市场竞争的压力 电力企业必须重视配电 网持续供电的能力 重视用户的满意度 才能在优胜劣汰的市场竞争中求得生 存与发展 另外随着信息化社会的到来和数字化经济的出现 以及人民生活水 平的r 益提高 用户对供电可靠性的要求也越来越高 配电系统的充裕性和为 用户的重要设备提供高质量的电力的要求也受到更高度的关注 因此供电可靠 性 不仅与提高用户对企业的信任程度有关 而且与电力企业自身发展的关系 也密不可分 配电系统可靠性分析是供电可靠性技术中的重要组成部分 提高配电系统 可靠性水平是保证供电可靠性水平的重要手段之一 近年来国家电网公司已将 供电可靠率指标列入供电企业 双达标 创一流 的必备条件之一 在1 9 9 5 年版 电业生产事故调查规程 中 1 0 k v 用户供电可靠率也被列入供电安全考 核项目之中 随着电力企业管理工作的不断发展和深化 配电可靠性管理在生 产管理工作中所占的位置也越来越重要 因此 进行配电系统可靠性研究已成 为电力企业迫切需要解决的问题 滕州市总面积1 4 8 5 平方公罩 人口密度1 0 5 0 人 平方公罩 是全国第一大 县级市 近年来滕州市经济迅速发展 现已建成以能源为主 煤焦 食品 纺 织 化工 建材 机械等工业配套 生产门类比较齐全 初具规模的新兴工业 城市 年需电量约为1 5 亿千瓦时 电力供应不能完全满足国民经济的发展要求 出现了供小于求的被动局面 在盛夏季节出现的供电卡脖子现象尤为突出 另 山东大学硕士学位论文 工作手册 对町靠性管理一 作进行了详细规范 配电系统叮靠性的研究j 二作进 一步得到发展 1 3 2 基本方法 可靠性分析常用的方法为模拟法和解析法 且已取得了很多成果 模拟法 1 5 是指蒙特卡罗 m o n t ec a r l o 模拟法 它以配电系统各元件的可靠性数据 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 果中汇总得出系统可靠性指标 也可采用抽样的办法进行状念选择 根据负荷 输西己电元件以及气候条件等的概率分布 用统计的办法计算出可靠性指标 它 能够计及相关事件的影响 考虑参数的时变特性 适合求解比较复杂的系统 为满足精度要求 计算时间较长 所以它不便于进行有针对性的分析 解析法 3 2 0 2 1 2 7 1 是根据电力系统元件的随机参数 建立系统的可靠性数 学模型 通过故障枚举法进行状态选择 用解析的方法计算可靠性指标 解析 法的计算相对比较简单 求解速度较快 便于事件针对性分析 解析法主要有 以下几种方法 1 状态空间法 6 l 是将系统用它的状态和期间可能发生的转移来表示 求解 马尔可夫状态方程 计算各状态的频率和持续时间 得到可靠性指标 2 网络法 3 珈一2 1 埘1 以配电系统拓扑结构为分析基础 包括网络等值法呻 故障模式后果分析法 o 2 7 f a i l u r em o d ea n de f f e c ta n a l v s i s f m e a 故障遍 历法 1 3 2 0 1 1 等 这些传统的可靠性评估方法的计算和分析都是建立在元件可 靠性原始参数的基础上 采用元件可靠性参数来计算负荷点或系统可靠性指标 在实际计算中 一般采用统计的方法获得元件可靠性参数 由于统计资料的不 足或统计误差等原因可能造成原始参数的不确定性 当配电系统规模较大时 这些以元件为单位的分析将变得十分复杂 1 3 3 评估方法的改进算法 近年来 研究人员在模拟法和解析法这两种主要方法的基础上 结合配电 系统的特点 提出了许多新算法陋1 92 2 2 5 瑚圳 在可靠性分析的建模 评估方 法等方面进行了改进 区间评估法l 8 1 应用区间理论 计算了由于元件和负荷参数的不确定性对 配电系统可靠性的影响 馈线分区 法建立一种区域网络模型 提出了基于区域模型的故障模式后 8 山东大学硕士学位论文 离j f 关 熔断器等设备故障的两种可靠性模型 对配电系统各种典型接线方案 进行可靠性评估计算和综合分析 从而定量得出各种接线方案的系统供电可靠 性 配电系统可靠性指标既与故障元件有关 也与故障后隔离故障以及恢复供 电的开关装置有关 网架结构对可靠性指标有着较大的影响 应根据实际情况 采取增没支路保护装置 增加主馈线隔离丌关 增加备用电源等措施 改变网 络的拓扑结构 提高系统的可靠性水平 设备元件的可靠性水平办直接影响系 统整体的可靠性水平 降低元件故障率和故障时间 均可有效改善系统的可靠 性指标 4 对滕州电网 1 0 k v 城区配电系统进行了简要叙述 对城区配电网络结 构进行分析 全面分析了城区配电线路的分段及联络情况 从而对配网结构有 了一个整体把握 对滕州城区1 0 k v 配电系统的可靠性进行了理论计算 获得 线路结构与可靠性之间关系的量化信息 对城区各变电站可靠性指标进行对比 分析 主要对比分析供电可靠率和用户平均停电次数 从而获得可靠性指标与 网架结构 开关设备配置的关系 针对滕西站各线路出线的比较 得到线路可 靠性与其结构之间的密切关系 这些信息可为电网规划 检修 以及进一步扩 建改造提供有价值的决策依据 5 通过对滕州城配历史运行数据进行分析 着重对故障停电事件进行分析 从同类故障 统计数据中发现问题 提出保障配网安全运行的主动性 针对性 强的对策 并监督落实整改措施 详细介绍了滕州电网提高供电可靠性的技术 措施和和组织措施 技术措施归结为 改善电网结构 限制和缩小故障区域 设备诊断和故障探测技术 设备状态检修 带电检修技术 几个方面 并分别 举例加以说明 组织措施则主要从健全组织 加强运行管理 施工检修的管理 和推行目标优化管理等方面进行阐述 山东大学硕士学位论文 第二章配电系统可靠性研究的理论基础 配电系统 d i s 斫b u t i o ns y s t e m 是处于电力系统末端 把电源系统或输变电 系统与用户设施连接起来 向用户分配电能和供给电能的重要环节 包括配电 变电所 高低压配电线路及接户线在内的整个配电网络及其设备 我困配电系统的电压等级 根据 城市电嗍规划设计导则 的规定 4 2 1 3 5 6 3 1 1 0 k v 为高压配电系统 1 0 6 k v 为中压配电系统 3 8 0 v 及2 2 0 v 为低压配 电系统 2 2 0 k v 及其以上电压为输变电系统 但是 随着城市供电容量及供电 范围的不断扩大 一些特大城市 如北京 上海等地 目前已将2 2 0 k v 电压引 入市区进行配电 而与此同时 却仍然存在着3 5 1 1 0 2 2 0 k v 电压的输变电 系统 因此 配电系统一般很难简单地从电压等级上与输变电系统划分或定义 而是以其功能和作用来定义和区分 配电系统可靠性 d j s t 曲u t i o ns y s t e mr e l i a b j 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量需求能力的度量 其实质 4 2 l 就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其对用户供电能力的可靠性 配电系统直 接与用户相连接 具有特殊的运行方式 一旦配电系统或设备发生故障或进行 检修 试验 往往会同时造成对用户供电的中断 直到故障排除或修复 系统 和设备恢复到原来的完好状态再继续供电 因此 在研究配电系统可靠性时 不仅要考虑设备的可靠性 还必须考虑系统排除故障的方式和恢复供电的能力 配电系统的可靠性评估 d i s t n b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n 就是对 配电系统所用线路设备的供电可靠性作出评价 以此来判定该配电网供电可靠 性的优劣 并确定提高供电可靠性的技术措施和管理方法 虽然配电系统的接 线方式具有树状 环状 网状等多种接线方式 但目的最常用的仍是环网接线 开环运行而形成的放射状的供电方式 因此在可靠性评估时 我们应以环网接 线 丌环运行而形成的放射状的结构方式作为典型方式加以研究 山东大学硕士学位论文 2 1 可靠性评估的数学模型 配电系统由各种配电设备组成 各种配电设备相对于配电系统称为元件 配电系统的可靠性与组成系统的元件的可靠性以及系统的结构有关 所以研究 配电系统可靠性时 一般把研究对象分为元件和系统两类 数学模型法是可靠 性评估的主要方法 在建立配电系统可靠性评估的数学模型时 分为两个步骤 可靠性评估元件数学模型的建立和可靠性系统模型的建立 其中 可靠性评估 元件数学模型的建立是系统模型建立的基础和前提条件 2 1 1 元件的可靠性 配电系统由许多特有的元件所组成 例如 架空线 地埋电缆 空气开关 调压器 配电变压器 电缆 隔离歼关 熔断器等 为了能够准确地分析可靠 性 必须首先了解这些元件的可靠性参数和元件特性 根据元件的使用情况 一般可以将其化分为两大类 不可修复元件和可修 复元件 不可修复元件投入使用后 一旦损坏 在技术上就无法修复 或者即 便可以修复 在经济上也很不划算 可修复元件是指元件投入使用后 如果损 坏 仍能修复并且能够恢复到原有的功能而得以再投入使用 因此可修复元件 的寿命流程由交替着的工作和修复周期组成 虽然在许多应用场合不可修复元 件占优势 但对电力系统来说 绝大部分元件是可修复元件 因此本文主要考 虑可修复元件的可靠性 并且假定所有元件的可靠性参数均呈指数分布 配电系统的主要元件如架空线路 配电变压器 开关等在投入使用后经过 t u 时间 元件的首次故障时间 发生故障 被迫退出工作进行紧急修理 直到修 复其正常功能再投入运行 从元件发生故障到再投入运行的过程叫做修复过程 由于元件发生故障的原因 破坏的程度以及修理的条件等多种因素对修复过程 的影响 因而它所需的时间t d 通常也是一个随机变量 显然一个可修复元件的 整个寿命流程是工作 修复 故障 再工作 再修复的交替过程 如图2 1 这 里元件只处于正常工作和故障停运两种状念 所以叫双态模型 其中的t u 和 t d 都是非负的随机变量 山东大学硕士学位论文 u d 图2 1 可修复元件的寿命流程图 2 1 2 元件的可靠性模型 根据配电系统中各元件的功能 将其划分为静态元件和动态元件 静态元 件是指配电系统中将电能从一个节点传输到另一个节点的元件 或起调节和控 制电压作用的元件 如变压器 输电线路 母线 系统补偿器等都属于这类元 件 对于配网中的配电变压器 架空线路 电缆 隔离厅关 熔断器等静态元 件 采用三状态模型 27 进行分析 如图2 2 所示 n 为正常运行状态 m 为计划检修停运状态 f 为故障停运状态 为计 划检修率 砩为故障率 脚为计划检修修复率 为故障修复率 图2 2 静态元件的三状态模型 图2 2 中k 为故障率 由正常工作状念向故障状态的转移率 九m 为计划检 修率 由正常工作状态向计划检修状态的转移率 为故障修复率 元件由故 障状念向 下常运行状态转移的概率 它与故障修复时间t f 互为倒数关系 m 为计划检修修复率 元件由计划检修状念向正常运行状态转移的概率 它与计 划检修的时间t m 互为倒数关系 根据m a r k o v 过程的基本原理和等效转移率的概念 状态之问的等效转移 率和修复率的计算关系分别为 山东大学硕士学位论文 k 为扩大型故障状态 为扩大型故障状态到故障状态的转移率 h 为正 常运行状态到扩大型故障状态的转移率 这里称为活动性故障率 其余符号的 意义与图2 2 相同 图2 4 动态元件的等效模型 2 1 3 简单系统的可靠性模型 系统的可靠性模型有串联系统和并联系统 还有些复杂结构的模型等 1 串联系统的可靠性模型 串联系统是由两个或两个以上元件串联组成的系统 只要其中任何一个单 元失效 整个系统就失效 对于n 个串联可修复元件 计算时可用下列公式 4 2 等效故障率五 丑 次 年 扛l 2 9 等效年平均停运时间以 丑 小时 年 2 1 0 等效修复时间 或平均停电持续时间 半 上卜 小时 次 2 1 1 r 五 以 丑 配电系统一般采用环形网络开环运行 形成辐射型网络结构 从供电点到 负荷点的供电路径可以看成是几个元件的串联 因而在配电系统可靠性计算中 多采用串联元件的计算公式 2 并联系统的可靠性模型 并联系统是由两个或两个以上元件并联组成的系统 只有元件同时失效 整个系统 于 失效 两元件并联系统的计算公式为 4 2 山东大学硕士学位论文 2 1 2 5 兰 2 1 3 u 2 以 2 a 五 眨 2 1 4 三元件并联系统的计算公式为 九 a l a z a 足 吐 2 1 5 f 2 1 6 9 屹 吒 2 乃名2 丑冯 吒 2 1 7 式中乃 等效故障率 次 年 0 平均停电持续时间 小时 次 年平 均停电时 日j 小时 年 3 复杂结构可靠性模型 对于复杂结构模型 如果是简单的串并或并串的混联结构 其建模和数学 模型的计算较简单 对很难转换为简单的串并结构模型的分析需采用其他方法 常用的有布尔真值法 概率展开分析法 贝叶斯法等 这罩不作叙述 2 2 配电系统可靠性评估的指标 配电系统可靠性评估指标是衡量系统可靠性的标准和依据 配电系统可靠 性指标既可从配电系统运行历史数据中计算出来 也可从配电系统元件数据中 计算出来 本文从配电系统可靠性评估的基础和目的出发 将配电系统可靠性 评估指标分为三大类 元件可靠性指标 负荷点可靠性指标和系统可靠性指标 2 2 1 元件可靠性指标 1 故障率 f a i l u r er a t e n t 故障率是元件在t 时刻前i f 常工作 在t 时刻后单位时 l u j 内发生故障的条件 概率 一般记为入 它是时间t 的函数 故也记为n t 即 m 罂 吉尸 7 圳m 2 1 8 山东大学硕士学位论文 它反映t 时刻故障的速率 也指元件在t 时刻故障的可能性 是故障间隔时 间的倒数 也就是 入 1 m t b f 2 修复率 t 修复率是元件在t 时刻前未彼修复 而在t 时刻后单位时间内被修复的条件 概率 即p 2 j 婴古p r 8 7 6 0 要求供电总时户数 7 平均供电不可用率指标a s u i a v e m g es e r v i c eu n a v a i l a b i l i t yi n d e x 山东大学硕士学位论文 a s u i u l n l 8 7 6 0 f r 蔫冀恭 l 删 2 用户要求供电总时户数 u j 上述系统可靠性指标是国际上所采用的可靠性指标 在我困现行使用的 供 电系统用户供电可靠性评价规程 中已被包含在内 主要如下 3 7 1 用户平均停电次数a i t c 一1 a v e r a g ei n t e m i p t i o nt i m e so f c u s t o m e r 是指供 电用户在统计期间内的平均停电次数 单位 次 户 若不计外部影响时 则 庀 作灿t c 一2 若不计系统电源不足限电时 则记作a i t c 3 用户平均停电次数 a r t c 望篷笔蓦 鸶l 塑 z 3 用户平均停电次数a i t c s a i f i 2 用户平均停电时间a i h c 一1 a e r a g ei n t e m l p t i o nh o u r so fc u s t o m e r 是指 用户在统计期i 刈内的平均停电小时数 单位 小时 户 若不计外部影响时 则 记为a c 一2 若不计系统电源不足限电时 则记作a i h c 一3 用户平均停电时间 a m c 1 望塑鲨誓错掣 2 3 5 对比国际上采用的指标 用户平均停电时间a m c s a d i 3 供电可靠率r s 一1 r e l i a b i l i l y o ns e n j c e i n t o 例 是指在统计期间内 对用 户有效供电时间总小时数与统计期间小时数的比值 一般统计时i 日j 为一年 平 年为8 7 6 0 小时 闰年为8 7 8 4 小时 供电可靠率 r s 1 1 旦旦薏掣 l 1 一器 x 1 2 3 6 用户供电可靠率r s a s a i 2 与负荷电量有关的指标 系统缺供电量指标e n s e n e r g n o ts u p p l i e d k w h 年 觥 匕 2 3 7 只 是接入负荷点f 的平均负荷 k w 系统平均缺供电量指标a e n s a v e m g ee n e r g yn o ts u p p l i e d k w h 用 户 年1 山东大学硕士学位论文 爿e s e j v s总缺电龟 瓦 片 总用户数 2 3 8 用户平均缺供电量指标a c c i a v e r a g ec u s t o m e rc u r t a i l m e n ti n d e x k w l l 停电用户 年 2 嚣2 黑 2 3 配电系统可靠性评估的方法 2 3 9 目f j i 有关配电系统可靠性预测评估的方法很多 有故障模式后果分析法 可靠度预测分析法 状态空间图评估法 近似法及网络简化法等 其中使用较 为广泛 并已经实践证明比较切合实际 能够反映配电系统结构和运行特性的 是以元件组合关系为基础的故障模式后果分析法 此外 同本以裕度概念为基 础的系统可靠度预测分析法也是一种行之有效的方法 对于这些方法的选用 主要取决于所研究的系统的形式以及所要求的分析深度 2 3 1 故障模式后果分析法 本文进行可靠性评估主要采用故障模式后果分析法 f a i l u r em o d ea n d e 虢c t a n a l y s i s 刚e a 该方法首先列出系统全部可能的状态 以段作为负荷 转移的最小单位 以每一个线路元件为对象 分析每一个基本故障事件及其后 果 然后利用元件可靠性数据 如故障率 故障排除时间等 选择某些合适的 故障判据对系统的所有状态进行分析 建立故障模式后果表 查清每个基本故 障事件及其后果 然后加以综合 求出系统的可靠性指标 数学描述从分析一次故障事件入手 首先发生故障 断路器 分段开关拉 闸 查找故障所在段 然后故障段隔离进行故障排除 断路器 分段丌关闭合 故障段之前负荷由母线恢复供电 其余部分负荷与故障事件相关联的停运时l 日j 在负荷能转移到联络线时等于联络丌关操作时间 在负荷不能转移时则等于元 件故障排除时问 馈线上可能有用户变厂医器 丌关 线路三类元件故障 考虑一段上所有可 能出现的故障事件 结合元件可靠性数据 得到一段上 假设为第k 段 所有故 山东大学硕士学位论文 障事件引起的州户停电持续时间 t h ec u s t o m e ri n t e r r u p t i o nd u r a t i o n 时户 数 c 慨 胁 w c 胁 o 脯 c x 2 4 0 知 段上第n 类元件的台数 线路取平均分段长度 用户变压器取台数 开关一般为一个 知 第n 类元件的故障率 第n 类元件故障排除时间 f 出线丌关 分段开关操作时f 日j 如 联络丌关操作时间 c 故障段之前能由母线恢复供电的所有用户数之和 o 故障段之后能由联络线恢复供电的所有用户数之和 c 0 故障期间不能恢复供电的所有用户数之和 以此逐一计算馈线中各段的停电时户数 得到一整条馈线的停电时户数 进而得到变电站及整个配电网的停电时户数 以元件组合关系为基础的故障模式后果分析法的指标 不仅以串并联接线 中各元件的故障率 故障平均停电时间为基础来计算 而且在其对复杂网络扩 展的评估计算中 还考虑了工f 常天气和坏天气的影响 2 3 2 原始参数 配电系统可靠性研究的原始参数需要在大量数据的统计和分析中得出 目 前 数据的搜集和整理主要有以下两个束源 4 2 1 从1 9 8 4 年起 我国就已制定了 配电系统供电可靠性统计方法 广泛 开展了配电系统可靠性的统计工作 根据全国各重点城市和沿海城市积累的数 据资料 包括按行政系统自下而上的按季度收集各基层供电单位和制造厂家的 数据信息资料 2 由国家 省电力公司 科研单位 高等院校翻泽和整理的大量国外可靠 性文献资料 以及编辑出版的各种可靠性专著 教材 论文等 实际使用的原始参数有两类 一类足配电系统的基本数据 这类数掘一般 根据配电系统实际使用的电气接线图和设备台帐等基础资料搜集整理而得 它 包括配电系统的设备类型 接线形式 运行方式 负荷性质 状况等 另一类 2 4 山东大学硕士学位论文 是配电系统元件的运行性能记录和设备运行停电时问的统计数据 这类数据一 般可从运行值班记录 调度r 志 计划停电申请 开关事故跳闸记录中得到 基本内容包括停电事件发生的起止时问 停电范围 停电用户 停电原因等 本文算例中所用的参数均来自实际运行方式和实际统计结果 有了详细的 基础数据以后 就可以进行配电系统各类指标的计算 2 4 小结 本章首先介绍了配电系统及配电系统可靠性的基本概念 确定采用环网接 线 开环运行形成的放射状的结构方式作为研究可靠性的典型方式 采用数学 模型法分别建立可靠性评估元件模型和系统模型 并简述了各种模型的计算公 式 然后分别介绍了配电系统的元件 负荷点以及系统的可靠性指标 确定了 配电系统可靠性分析的指标体系 最后介绍配电系统可靠性评估的方法 主要 叙述故障模式后果分析法的计算方法 原理及公式等 山东大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章滕州城配典型结构的可靠性实例分析 滕州市城区配电系统1 0 k v 主要线路已实现 手拉手 环网供电 滕西变 电所1 0 k v 3 0 城二线是主供滕州城区的一条重要线路 正常呈l o k v 丌环运行而 形成的典型放射状供电方式 本章采用故障模式后果分析方法 以滕西变电所 1 0 k v 3 0 城二线为例 分别讨论 1 计及断路器 隔离开关 熔断器等设备故 障的可靠性模型 2 不计断路器 隔离丌关 熔断器等设备故障 理想状态 下 的可靠性模型 主要从配电网的网架结构和设备状况的角度 对各种典型 接线方案下的可靠性进行分析 从而得出影响配电系统可靠性的主要因素 3 2 计算条件及原始数据选择 3 2 1 计算条件 本章主要从配电网的网架结构和设备状况的角度进行可靠性分析 参考已 有的实际统计资料及国内外的相关资料 采用以下计算假设条件 1 不考虑设备定期检修试验 施工扩建 用户申请影响 外部影响等因 素停电 只考虑故障抢修停电 2 任何故障 无论单相或其他故障都将断开三相 所有支路失效和修复 均为独立事件 不考虑共同失效模式 3 当线路中某一部分发生故障时 输电线路的修复是在故障后及时进行 的 当修复后 立即投运 4 忽略恶劣气候影响 3 2 2 原始数据选择 参考困内各地的经验数据以及滕州供电部2 0 0 6 年可靠性统计资料 综合有 关文献资料中的统计数据f 4 04 2 确定各种参数 山东大学硕士学位论文 1 滕西变1 0 k v 3 0 城二线原始系统模型和线路的长度及用户数如图3 1 示 此线路为架空线路 主干线长7 公单 分支线长4 公里 在线路上接有4 5 个用户 集中在3 处 负荷点a b c 的用户数分别为2 0 1 5 1 0 户 负荷 量分别为1 0 0 0 8 0 0 6 0 0 千瓦 2 选择系统各主要元件故障率如下 a 站内设备故障率 出线开关 o 1 次 台年 隔离开关 0 2 次 组年 电流互感器 0 0 1 次 只年 穿墙套管 o 0 0 5 次 只年 避雷器 o 1 次 组年 站内设备总故障率 0 6 4 5 次 年 o 1 o 2 2 o 0 1 4 3 0 0 0 5 3 o 1 o 6 4 5 平 均修复时间为5 小时 次 b 站外设备相关指标及参数为 柱上刀 关故障率0 1 次 台年 修复时间为4 小时 次 隔离开关故障率0 3 次 组年 修复时间为2 小时 次 熔断器故障率o 5 次 组年 修复时问为1 小时 次 主干线故障率为0 1 次 公里一年 修复时间为3 小时 次 分支线故障率为o 2 5 次 公里 年 修复时间为2 小时 次 3 隔离开关g w 2 g w 3 g w 4 操作时间为o 5 小时 修复时间为2 小 时 次 4 查找故障时间为o 5 小时 备用电源投切丌关操作时 日j 手动为o 5 小时 自动为o 0 5 小时 3 3 模型一计及断路器 隔离开关 熔断器等设备故障的可靠性分析 方案一 分支线不加熔断器 死接在干线上 不分段 无备用电源 山东大学硕士学位论文 负荷点 2 0 1 负荷点b 1 5 负荷 c 1 0 图3 1 简单配电系统图 方案一 方案一线路上无柱上开关或隔离刀闸进行分段 只在线路首端有一个主断 路器 任何一条主干线或分支线故障都将导致主断路器故障 因为没有可以将 系统隔开的点 所以在断路器重合之前必须排除每一个故障 即只要线路有故 障 都将引起整条线路停电 各个负荷点有相同的故障率 该方案可靠性最差 表3 一l 方案一故障模式及后果分析表 各项指标 负荷点a负荷点b负荷点c 故障元存 凡r u ru ru 站内设备 o 6 4 553 2 2 5o 6 4 553 2 2 50 6 4 553 2 2 5 2 公罩 0 23o 6o 230 6o 2 3o 6 供电干线3 公里 o 3 3o 90 33o 9o 33o 9 2 公罩0 23o 6o t 230 60 230 6 2 公里 o 5210 521o 52l 供电支线1 公罩 0 2 520 50 2 520 5o 2 52 o 5 1 公罩 o 2 5 2o 50 2 520 50 2 52o 5 合计2 3 4 53 1 2 3 6 77 3 2 52 3 4 53 1 2 3 6 77 3 2 52 3 4 53 1 2 3 6 77 3 2 5 注 元件可靠性指标的单位为 故障率 次 年 修复时间r 小时 次 年 停电持续时间u 小时 年 上述各指标在以下的故障模式及后果分析表中均采 用相同的单位量纲 系统可靠性指标计算如下 指标汇总见表3 9 用户全年总停电次数 a c i 2 3 4 5 2 0 2 3 4 5 1 5 2 3 4 5 l o 1 0 5 5 2 5 次 年 用户总停电持续时间 c i d 7 3 2 5 2 0 7 3 2 5 1 5 7 3 2 5 l o 3 2 9 6 2 5 时 户 系统平均停电频率a i t c 一1 a c i 仁2 3 4 5 次 用户 年 系统平均停运持续时间a i h c l c i d m 7 3 2 5 小时 用户 年 用户平均停电持续时问c a i d i 7 3 2 5 2 3 4 5 3 1 2 3 6 6 7 小时 次 2 8 一 畸 山东大学硕士学位论文 供电可靠率r s 1 4 5 8 7 6 0 一c i d 4 5 8 7 6 0 0 9 9 9 1 6 4 总电量不足e n s 7 3 2 5 1 0 0 0 7 3 2 5 8 0 0 7 3 2 5 6 0 0 1 7 5 8 0 千瓦 j 时 年 用户平均停电电量a e n s e n s n i 3 9 0 6 6 6 7 千瓦 j 时 用户 年 方案二 分支线加熔断器 不分段 无备用电源 c t g n ld l l g n 2 9 一 h t t 1 一 一4 f zr d l r d 24r d 3 4 士一 2 k m 1 4 1 k 一 9 f 负荷点a 2 0 户 负荷点b 1 5 户 图3 2 简单配电系统图 方案二 负荷点c 1 0 户 方案二在分支线加装熔断器 这是实际的配电系统中通常采用的一种保护 措施 即分支线保护 在每条分支线的t 接点处加装了熔断器 一旦发生分支 线故障 相应的熔丝就被烧断 不对别的负荷点和主馈线产生影响 在f m e a 表中体现为别的分支线故障率不计入计算 其故障模式及后果分析表为表3 2 表3 2 方案二故障模式及后果分析表 各项指标 负荷点a负荷点b负荷点c 故障元爪 九 ru ru ru 站内设备 o 6 4 553 2 2 5 0 6 4 553 2 2 50 6 4 553 2 2 5 2 公罩 0 23o 6o 23o 60 230 6 供电干线3 公里o 33o 9o 33 0 90 330 9 2 公里o 230 6o 23o 60 23o 6 2 公罩o 521 供电支线l 公罩 o 2 520 5 1 公罩 o 2 52o 5 r d lo 5lo 5 分断装置 r d 2o 51o 5 r d 30 51o 5 合计 2 3 4 52 9 1 0 4 56 8 2 52 0 9 53 0 1 9 0 96 3 2 5 2 0 9 53 0 1 9 0 96 3 2 5 方案二的系统可靠性指标见表3 9 山东大学硕士学位论文 方案三 简堆放射状 分支线加熔断器 线路分段 手动隔离敞障 无 备用电源 c t g n l d l l g n 2 卜 三 厂 1 际 广 j i 订一 n 而一 一6 r z r d l r 一0眺圹 2 k m 咖4 l k m 负荷点a 1 5 户 负付点b 1 0 户 负付点c 1 0 厂1 图3 3 放射状配电系统典型接线图 方案三 手动隔离故障 方案三在方案二的基础上于主馈线e 加装了隔离开关 当主馈线上发生故 障时 断路器动作后 打开隔离开关 可以隔离故障段 故障点前的负荷不受 影响 故障持续时间为隔离开关的操作时问 表3 3 方案三的故障模式及后果分析表 各项指标 负荷点a负荷点b负荷点c 故障元祥 九 ru 九 ru 九 ru 站内设备 o 6 4 553 2 2 5 0 6 4 553 2 2 5 0 6 4 553 2 2 5 2 公里 0 23o 6o 2 3o 6o 23o 6 供电干线3 公罩 o 3o 5 o 1 50 33o 9o 33o 9 2 公罩0 2o 50 10 20 5o 1o 230 6 2 公里0 52l 供电支线1 公里 0 2 520 5 l 公罩o 2 52o 5 r d l o 510 5 g w 2o 320 6o 32o 6 分断装置r d 2o 51o 5 g w 3o 32 o 6 r d 3 o 51o 5 合计2 3 4 52 3 7 7 4 05 5 7 5 2 3 9 52 6 8 2 6 76 4 2 5 2 6 9 52 7 9 2 2 17 5 2 5 方案三的系统侧呵靠性指标见表3 9 通过方案二和方案三地比较可以得出 隔离丌关不能自动切除故障 馈电 山东大学硕士学位论文 线路上任何短路都将导致主断路器动作 然而 在枪测到故障后 可以手动断 r 有关的隔离开关并重合断路器 使在电源点和隔离点之间的所有负荷点在消 除故障的过程完成之前就恢复供电 缩短这些负荷点的停电时间 从而提高系 统的可靠性 但由于主干线路上没有自动分段隔离装置 在故障时 仍需先通 过线路首端的断路器才能实现电源端和负荷点之间的有效隔离 因此 对系统 可靠性指标的改善不足很大 方案三 简单放射状 分支线加熔断器 线路分段 自动隔离故障 无 备用电源 c t g n l d l lgn2 翔2n 1 g w 3n i3 负荷点a 1 5 户 可 广 r d 2 团r d 3 皿 l k m 1 k m vv 负荷点b 1 0 户 负荷点c l o 户 图3 4 放射状配电系统典型接线图 方案三 自动隔离故障 表3 4 方案三 故障模式及后果分析表 各项指标负荷点a负荷点b负荷点c 故障元存 x ru ru ru 站内设备 0 6 4 553 2 2 5 0 6 4 553 2 2 5 o 6 4 5 53 2 2 5 2 公罩o 23 o 6o 230 60 230 6 供电干线 3 公罩 o 33o 9o 33o 9 2 公里 0 230 6 2 公旱 0 521 供电支线 1 公里 o 2 52o 5 1 公里 0 2 52o 5 r d lo 51o 5 g w 20 32o 6o 32o 6 d l 2o 1 4o 4 o 1 4o 4 分断装置 r d 2o 51o 5 g w 3 0 3 2 0 6 d l 3o 14o 4 r d 3o 5lo 5 合计 1 8 4 52 8 8 6 1 85 3 2 52 2 9 52 9 3 0 2 86 7 2 528 9 52 8 7 5 6 58 3 2 5 山东大学硕士学位论文 方案三 是在方案三的基础上 在主馈线上义加装了断路器d l 2 和d l 3 方 案三 的系统侧可靠性指标见表3 9 从表3 9 计算结果可以看出 与方案二的结果相比较 不仅系统的平均停 电时问得到了改善 系统的平均停电频率也有所下降 这是因为负荷点a 和b 的故障率减少了 其根本原因在于 干线末端2 k m 或干线3 k m 的故障直接引 起其首端的断路器d l 3 或d l 2 动作 不再引起主断路器的动作 从而对负荷 点a 和b 不产生任何的影响 与方案三相比较 由于必须考虑新增加的断路器d l 2 和d l 3 的故障 即 分段开关和隔离丌关自身的故障率和故障时间的影响 造成负荷点a b 和c 的故障率 系统的平均停电频率略有上升 从而供电可靠性指标有所下降 这 说明了以放射型为主的配电系统 影响负荷点可靠性的主要是馈电支路上的各 个设备 随着设备数量的增加和设备可靠性特性的变差 负荷点可靠性将变差 在实际系统中 由于支路所带的负荷较多 所连的元件较多 负荷点的停电次 数 故障率 也要相应增加 方案四 分支线加熔断器 线路分段 手动隔离故障 有备用电源 手动 操作 负荷点a 1 5j t 负荷点b负荷点c 1 0 pl o p 图3 5 有备用电源 手动隔离故障的配电系统图 方案四 方案四中滕西站3 0 城二线与龙泉站1 1 3 新兴线通过投切开关g w 4 构成环 网 相当于3 0 城二线通过g w 4 开关接有一备用电源a s 当主系统一旦故障 时 可手动闭合g w 4 由备用电源恢复供电 另设g w 4 倒闸操作时间为o 5 小 时 3 2 山东大学硕士学位论文 表3 5 方案四的故障模式成后果分析表 各项指标负倚点a负荷点b负荷点c 故障元存 ru ru 九 ru 站内设备 o 6 4 553 2 2 50 6 4 553 2 2 50 6 4 553 2 2 5 2 公罩o 230 60 21o 20 210 2 供电干线3 公罩 o 30 5o 1 5o 33o