（电力系统及其自动化专业论文）基于可靠性框图的配电网接线模式薄弱环节研究.pdf

a b s t r a c t d i s t r i b u t i o nn e t w o r kl o c a t e sa tt h ee n do fp o w e rs y s t e m d u et oi t sd i r e c t c o n n e c t i o nw i t hu s e r s t h eq u a l i t ya n da b i l i t yo f p o w e ri sg u a r a n t e e db yi t c o n n e c t i o n m o d e sa r et h eb a s i cr e f l e c t i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ks t r u c t u r ew h i c hi st h ef o c u so f t h eu r b a nd 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 b u i l d i n g s ot h es e l e c t i o no fc o n n e c t i o n m o d e si nd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki s v e r yi m p o r t a n t a n dt h el e v e l so ft h el o a dp o i n t s r e l i a b i l i t yr e f l e c tt h ep e r f o r m a n c e so fc o n n e c t i o nm o d e s i no r d e rt or e a l i z et h es e c u r e a n de c o n o m i c a lo p e r a t i o no ft h ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k i ti sn e c e s s a r yt om a k es o m e r e s e a r c h e sn o to n l yo nt h ec h a n g i n gl a wo ft h el o a d sr e l i a b i l i t y w h i c hi sc a r r i e db y t h ec o n n e c t i o nm o d e s a n dt h ew e a kl i n k s b u ta l s oo nt h el a r g e s tn u m b e ro fl o a d p o i n t su n d e rt h ec o n d i t i o no fm e e t i n gt h er e l i a b i l i t yr e q u i r e m e n tt oo f f e ru s e f u l r e f e r e n c e sf o rt h ep o w e rs y s t e mp l a n n e r s o p e r a t o r sa n dm a i n t e n a n c em e n p o w e r s y s t e m r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o ni sa p p l i e dt oc o n n e c t i o nm o d e s b a s e do nt h e r e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a mt h e o r y t h er e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a m so fs e v e r a lc o m m o n c o n n e c t i o nm o d e sa r em a d e w h i c hl a yt h ef o u n d a t i o nf o rm o r ec o m p l e xc o n n e c t i o n m o d e s r e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a m s am e t h o do ff i n d i n go u tt h ew e a kl i n ki nad i s t r i b u t i o nn e t w o r ki sg i v e n w h i c h u s e st h ep a r a m e t e ro fr e l i a b i l i t yi m p o r t a n c e w h o s ef o r m u l ai sd e f i n e d n em e t h o di s a ne f f e c t i v ew a yo fa n a l y z i n gan e t w o r k sw e a kl i n k t h ep a p e ra n a l y z e se a c hl o a d p o i n t s s t a t i cw e a kl i n k i nc o m m o nc o n n e c t i o nm o d e s t h e nc a l c u l a t e so u tt h e r e l i a b i l i t yo fe a c hl o a dp o i n ta n df m d so u tt h el a wo ft h e i rc h a n g e s f o rt h er e f e r e n c e s o ft h ep o w e rs y s t e mp l a n n i n ga n di m p l e m e n t a t i o n t h el a r g e s tn u m b e ro fl o a dp o i n t s c a r r i e db yc o m m o nc o n n e c t i o nm o d e sc a nb ec a l c u l a t e do u tu n d e rt h ec o n d i t i o no f m e e t i n gt h er e q u i r e m e n to ft h ea c t u a lp a r a m e t e r so ft h e p l a n n i n gr e g i o n a st h e r e l i a b i l i t yo fl i n e sh a sa ne f f e c to nt h el o a dp o i n t s r e l i a b i l i t y t h ei n f l u e n c el a w o fl o a d p o i n t s r e l i a b i l i 哆u n d e rd i f f e r e n tc o m m o nc o n n e c t i o nm o d e s a r ea n a l y z e d w h i c hc a n p r o v i d eat h e o r e t i c a lb a s i sf o rn e t w o r kp l a n n i n g e a c hl o a dp o i n t s d y n a m i cw e a kl i n ki ns e v e r a lc o n n e c t i o nm o d e si sa n a l y z e d h e n c et h ei n f l u e n c el a wo fe a c hl o a dp o i n t sr e l i a b i l i t yi sf i g u r e do u t w h i c hc a no f f e r u s e f u lr e f e r e n c e sf o rt h em a i n t e n a n c e a c t u a le x a m p l ev e r i f i e st h ec o r r e c t n e s sa n dv a l i d i t yo ft h ep r o p o s e dm e t h o d s w h i c hc a np r o v i d ee f f e c t i v ed e c i s i o n m a k i n gs u p p o r t i n gi n f o r m a t i o nf o rp o w e r s y s t e mp l a n n e r s k e yw o r d s d i s t r i b u t i o nn e t w o r k r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n w e a kl i n k n u m b e ro f l o a dp o i n t c o n n e c t i o nm o d e s 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 或撰写过的研究成果 也不包含为获得 苤鲞盘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了谢意 学位论文作者签名 赏车裂 签字日期 枷孑年 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨洼盘堂 一有关保留 使用学位论文自勺规定 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据摩进行检 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 承季裂 签字日期 v 泞年 月石日 导师签名 签字日期 舻万月j 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力系统可靠性研究概述 1 1 1 电力系统可靠性的基本概念 可靠性 r e l i a b i l i t y 是指元件 设备 系统等在规定的条件下和规定的时间内 完成其规定功能的能力 1 2 3 1 通常将这一能力用概率指标来描述 电力系统可靠性 p o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t y 可以定义为系统向用户提供质量 合格的 连续的电能的概率 4 1 电力系统可靠性分析的目的就是从各个环节 各 个角度研究系统的故障现象 提出定量的评估指标和提高可靠性的措施1 3 j 电力系统可靠性包括充裕性 a d e q u a c y 和安全性 s e c u r i t y 两个方面 充 裕性指的是 电力系统稳态运行时 在系统元件额定容量 母线电压和系统频率 等的允许范围内 考虑系统中元件的计划停运以及合理的非计划停运条件下 向 用户提供全部所需的电力和电量的能力 安全性指的是 电力系统在运行中承 受例如短路或系统中元件意外退出运行等突然扰动的能力 5 j 充裕度评估 a d e q u a c ye v a l u a t i o n 指的是关于满足系统负荷需求的系统能力 的静态评估 安全度评估 s e c u r i t ye v a l u a t i o n 指的是关于系统对一定紧急事故的 响应能力的评估 电力系统除了作为传输工具将电能输送到各终端点以外 还需 维持适当的电压水平并在各回路的发热容许限度内承载负荷 而且还必须保持在 系统的稳定极限之内 因此 安全度评估是一个重要的领域 但在可靠性指标的 研究中 还没有引起足够的重视 6 由于电力系统极其庞大复杂 即使使用大型计算机装置 也不能完全现实和 详细地把电力系统作为一个统一的整体进行分析 电能产生于发电系统 通过输 电系统输送到各配电点 再由配电系统提供给用户 因此在研究电力系统可靠性 问题时 可以把系统分成发电系统 输电系统和配电系统三大部分 分别加以处 理 将上级系统计算得出的负荷点指标作为下级系统可靠性的输入指标 就可以 提供两个系统之间的可靠性评估联系数据 3 j 1 1 2 电力系统可靠性研究发展状况 保证可靠地持续供电是电力系统的首要任务 电力工业作为国民经济的基础 产业和服务性极强的公用事业 必须以满足国民经济的发展和日益增长的社会用 第一章绪论 电需求为目标 但是由于系统中通常存在超出人力控制的随机故障 因此毫不中 断的连续供电实际上是不可能的 在规划 运行阶段增加投资 可以减小用户供 电中断的概率 然而过高的投资可能导致过高的运行费用 这些费用必然会反映 在电价结构中 于是 系统的可靠性提高了 但却违反了经济上的约束 显然经 济性和可靠性的约束条件是相互制约的 这就造成了规划和运行阶段管理决策的 困难 6 1 为了缓解经济性和可靠性约束之间的矛盾 数十年来 设计 规划和运行中 的可靠性判据及技术一直在不断地发展 早期的判据和方法都是以确定性指标为 基础的 其主要不足之处是没有考虑到系统性能 负荷性能和元件故障的概率特 性 对电力系统性能进行概率评估的问题 最迟自2 0 世纪3 0 年代就己经有所认 识 然而这种方法在很长一段时间内没有得到广泛应用 其主要原因是缺乏计算 数据 受到计算工具的限制 缺乏行之有效的可靠性评估技术以及对概率判据和 风险指标的意义和重要性理解错误等等 至2 0 世纪6 0 年代中期 基于概率理论 的可靠性技术渗透到电力工业和电工设备制造业 1 4 7 0 年 r b i l l i n t o n 发表第一 部电力系统可靠性专著 电力系统可靠性评估 刀 此后 电力系统可靠性 技术发展得非常迅速 逐步形成了一门崭新的学科 1 2 配电系统可靠性研究概述 1 2 1 配电系统研究的特点 配电系统 d i s t r i b u t i o ns y s t e m 是电力系统中从输电系统的变压点 t r a n s f o r m a t i o np o i n t s 向用户传送电能的部分 也是将电能分配到各个用户的 最终环节 包括不同电压等级的配电站 配电变压器 配电线路以及把不同用户 连接起来的其它电气设施 在我国 配电系统主要是指2 2 0 k v 3 8 0 v 系统 通 常称3 5 k v 及以上系统为高压配电系统 1 0 k v 2 0 k v 6 k v 系统为中压配电系 统 3 8 0 v 2 2 0 v 系统为低压配电系统 当然 这几个部分也不能只按电压等级来 严格区分 而必须考虑系统设施的实际功能 与发输电系统相比 配电系统具有以下几个特点 1 配电系统是由许多特有的元件所组成的 例如 架空线 电缆 断路器 熔断器 手动刀闸 变压器等 其中大多数 元件为可修复元件 为了能够准确地分析可靠性 除了需要了解这些元件的可靠 性参数外 还需知道这些参数的分布函数 根据国外的一些统计数据可知 架空 线路的修复时间可以近似的看成指数分布 但是电缆的修复时间则更接近于正态 第一章绪论 分布 其它元件的可靠性参数也同样具有较复杂的分布情况 如果计及这些不同 类型的参数分布 将使计算大大复杂化 为了简化计算 通常情况下仍将所有元 件的故障时间和修复时间看成指数分布 2 根据现有设计标准 配电系统多数为冗余系统 即单一元件的故障可 采用手动或自动的切换方式使非故障段恢复供电 减少用户停电时间 3 配电系统的结构往往比较复杂 但一般采用环形网络开环运行方式 即在两端或多端供电系统中 正常运行时将联络开关开断以形成若干个简单的辐 射形网络向用户供电 3 1 2 2 配电系统可靠性研究的任务 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f 8 母 2 找出配电系统中可靠性的薄弱环节 寻求提高电力系统可靠性的途径 和方法 8 9 1 通过建立系统的可靠性框图 可以对可靠性水平进行深入分析 找出系统中 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 减少停电时间和停电成本 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 研究配电系统中常用接线模式能带的最多负荷点数及其可靠度变化规 律 合理安排负荷点在线路上的位置 1 2 3 配电系统可靠性研究的意义 在过去相当长的一段时间内 配电系统可靠性问题的受关注程度远低于发电 系统和输电系统 这主要是因为发电系统和输电系统的投资较大 故障后可能会 引起严重的后果 造成巨大损失 而配电系统的投资相对较小 而且停电影响也 是局部的 因此 许多专家都着重于研究发电系统和输电系统的可靠性 对配电 系统可靠性问题重视不够 事实上 在分配电力系统可靠性指标时 系统各个组成部分之间需要保持适 当的平衡 以达到投入有限资金最大限度增加系统可靠性的目的 配电系统与用 户相连 因此配电系统可靠性与用户可靠性之间有着直接的关系 由于配电系统 第一章绪论 多采用辐射网运行 所以对单故障比较敏感 根据大多数电力公司对用户停电事 件统计数据的分析表明 配电系统对于用户的停电事件具有更大的影响 据不完 全统计 用户的停电事件中有8 0 9 5 是由配电系统的故障引起的 而且随 着现代社会对可靠性要求的不断提高 即使是局部配电网故障 对电力企业 用 户和社会的影响都日益增大 因此 近年来配电系统可靠性问题逐渐受到更多的 关注 在工业发达国家 可靠性评估已经成为配电系统规划和运行决策中一项常规 性工作 i e e e 于1 9 8 0 年形成第一个配电系统可靠性的行业推荐标准 i e e es t d 4 9 3 1 9 8 0 以后大约每5 年修订一次 最近的版本为 i e e es t d4 9 3 1 9 9 7 l l 在这一推荐标准中 详细介绍了配电系统可靠性分析的有关方法 详实地提供了 设备可靠性数据 停电成本数据等相关资料 又称为 i e e eg o l db o o k 为了统 一配电系统可靠性指标 便于进行可靠性管理和分析 i e e e 又于19 9 8 年通过了 i e e es t d13 6 6 的试行版 1 2 规定了配电系统可靠性的有关名词和指标 并于 2 0 0 1 年颁布了正式版 1 3 2 0 0 3 年又对该标准进行了修订 1 4 使之更能满足实际 应用的需要 我国在 电力法 电力供应与使用条例 和 供电营业规则 等法律法规 中对包括供电可靠性在内的供电质量问题都作了相关规定 1 9 9 9 年国家电网公 司颁布的 中国一流电力公司考核标准 试行 将1 0 k v 用户供电可靠度列入到 电力企业考核项目之中 中电联电力可靠性管理中心在近年的电力可靠性指标发 布会上也公布了全国范围内一些主要城市1 0 k v 用户的供电可靠性指标 为了使 供电统计口径 可靠性指标和管理手段与国际接轨 2 0 0 3 年实施的 供电系统 用户供电可靠性评价规程 1 5 将供电可靠性指标的统计 分析与管理向低压用户 扩延 2 0 0 4 年制定的 电力可靠性基本名词术语 10 定义了主要供电可靠性指 标 并给出了对应的i e e e 标准指标 这些都大大提高了人们对配电系统可靠性 的重视程度 使得配电可靠性在生产管理工作中所占的位置越来越重要 也对配 电系统可靠性研究工作提出了更高的要求 1 3 配电系统可靠性评估方法研究现状 2 0 世纪6 0 年代 人们开始研究电力系统可靠性时 人们着重强调发电系统 的可靠性 而忽视了配电系统可靠性的重要性 随着统计工作的不断完善和数据 资料的不断积累 人们发现配电系统的故障对用户供电可靠性的影响也是很大 长期以来 美国 英国 加拿大 日本以及法国等国都投入大量资金对配电系统 可靠性进行专门研究 相关研究成果已经用于生产实践 在发达国家 可靠性评 第一章绪论 估己成为配电系统规划决策中的一项常规性工作 把停电损失列入规划方案的比 较 将可靠性与经济性统一协调 使可靠性技术的应用发展到了一个新的层次 1 6 最初使用的可靠性评估方法是以几乎没有经过修正的串联系统和并联系统 的经典法为基础的 1 9 6 4 1 9 6 5 年 配电系统可靠性评估方法取得了快速的发 展 在计算停运率和停运持续时间近似方程的基础上提出了新的评估方法和评估 指标 它成为了后来更新的方法的基础和起点 1 7 1 8 1 9 7 0 年 r b i l l i n t o n 编写了 第一部电力系统可靠性专著 电力系统可靠性评估 1 1 9 此后 经过众多专 家学者和科研人员的不懈努力和探索 又取得了一系列研究成果 2 0 2 8 目前 工程上普遍应用的配电网可靠性评估中的故障分析方法主要有以下几 类 5 1 1 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 r 2 9 4 0 通 过列举系统中各元件状态 确定系统状态 然后根据所给定的可靠性判据对所有 系统状态进行检验分析 建立故障模式影响表 确定元件故障对系统的影响 求 得系统可靠性指标 但是 故障模式后果分析法是从用户的角度来评价各种接线 模式的优劣 未从设备的角度来评价其对用户可靠性的影响 也未给出设备对用 户可靠性影响的程度大小 2 最小路集法 m i n i m a lp a t hs e t m p s 一1 斗 和最小割集法 m i n i m a lc u ts e t m c s 4 5 4 9 这两种方法对网络中的每一负荷点求取最小路集 最小割集 在此基 础上计算负荷点指标 最小路法的计算过程是 首先求取负荷点的最小路 将系 统中的元件分为最小路上元件和非最小路上元件两类 再将非最小路中元件的影 响折算到相应最小路中 最后分析最小路中元件对可靠性指标的影响 包括等效 的影响 并求取可靠性指标 由于配电系统中的馈线往往具有多分支特性 文献 4 3 1 提出了基于网络等值法的最小路分析法 可以进一步提高计算效率 最小割 集法适于求解复杂网状系统的可靠性 一般难以直观识别最小割集 因此可根据 最小路集来求取最小割集 如果考虑备用电源 开关拒动等因素的影响 还需要 对故障后果进行更多分析 3 人工神经网络法 文献 5 0 采用人工神经网络 a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k a n n 进行配电系统可靠性评估 该方法无需了解实际电网的详细结构 通过 对神经网络的一段训练之后 再对可靠性指标进行预测 计算速度较快 该方法 要求多年的可靠性数据 并且在这几年中和预测年中网络结构或可靠性参数不能 有太剧烈的变化 否则预测得到的可靠性指标可能会有较大误差 因此该方法的 有效性还有待进一步研究 4 可靠性框图法 r e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a ma n a l y s i s r b d a 5 1 5 4 1 和故障 树分析法 f a u l tt r e ea n a l y s i s f t a 5 5 1 这两种方法都是在故障影响后果分析的 第一章绪论 基础上 采用直观图示的方法表示元件与系统之间的关系 将系统结构图转变为 可靠性框图或故障树后 可以使复杂关系变得容易理解 可靠性框图法和故障树 分析法是两种相关的分析方法 且故障树事件和可靠性框图可以相互转化 当利 用r b d a 方法执行系统分析时 我们是在 成功空间 中工作 而使用故障树时 我们是在 失效空间 中工作 换句话说 可靠性框图着眼于成功组合 而故障树 着眼于失效组合 文献 5 6 采用可靠性框图分析方法对航天发射场的供配电系统进行了分析 提出了发射场供配电系统的可靠性模型和可靠性分析方法 该分析方法 可用于 航空 航天 机械等领域的双电源 双回路供配电方式的可靠性建模和可靠性分 析 以及复杂的单输入 多输出系统的可靠性分析 但是 可靠性框图法在电力 系统中的应用很少 基于以上考虑 本文采用可靠性框图法对配电网接线模式进 行研究 1 4 本文的主要研究内容 1 4 1 本文的主要研究内容 本文所论述的主要是利用可靠性框图法研究配电网常见接线模式的薄弱环 节及每种接线模式最多所带负荷点数量及其各负荷点的可靠度的变化规律 主要 做了以下几方面的工作 首先 本文针对不同的接线模式 进行常用接线模式的可靠性评估 并依据 可靠性框图的定义 建立不同接线模式各负荷点的可靠性框图 其次 本文针对常用的接线模式 对其各个负荷点进行静态薄弱环节分析 找出常用接线模式所带负荷点的可靠度变化规律 比较常用接线模式的优缺点及 适宜使用的情况 同时 本文还对常用接线模式所带负荷点的数量进行了分析 在符合规划地区实际的参数条件下研究各种接线模式能带的最大负荷点数量 再次 本文对常用接线模式的动态薄弱环节进行分析 找出线路对各负荷点 可靠度影响的规律 最后 通过对实际电网的计算表明本文所建立的模型和分析方法能有效地分 析中压配电网接线模式问题 具有一定的理论与应用价值 1 4 2 本文结构 本文第一章概括介绍了配电系统可靠性评估的研究概况 意义 任务和方法 第二章阐述了配电网可靠性评估中涉及的设备可靠性的基础知识以及可靠性框 第一章绪论 图的基础知识 第三章对三种常见的接线模式 单辐射接线模式 手拉手接线 模式和三供一备接线模式进行了描述 然后对三种接线模式进行可靠性评估 再 分别针对各个负荷点建立其可靠性框图 第四章对单辐射接线模式 手拉手接线 模式和三供一备三种接线模式进行薄弱环节分析 研究其所带负荷点的薄弱环节 及负荷点数量变化对负荷点可靠度的影响 研究各种接线模式所带各个负荷点的 可靠度变化规律及在元件设备可靠度一定条件下计算满足条件的各种接线模式 能带的最大负荷点数 最后在动态条件下计算各种接线模式所带负荷点的薄弱环 节随时间的变化规律 第五章通过一个实际算例的计算分析 证实了本文所研究 的模型和方法的正确性 第六章是本文的结论 第二章配电网可靠性评估的基本知识 第二章配电网可靠性评估的基本知识 2 1 设备可靠性的基础知识 配电系统中的绝大部分设备都是可修复设备 因此本节主要介绍可修复设备 的可靠性分析方法 可修复设备指的是设备投入使用后 如果损坏 能够通过修 复恢复到原有功能而得以再投入使用 其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 所示 其中的研口而分别表示实际工作时间 和修复时间 假定设备一停运就进入修复状态 都是非负的随机变量e 4 1 u d o 图2 1 可修复设备的寿命流程图 1 设备故障率 f 假设设备已工作到f 时刻 则把设备在f 以后的 微小时间发生故障的条件概 率密度定义为该设备的故障率 用公式表示则为 6 删 删l i m 上 fp l t 乃 2 1 故障率 i 越小 表示设备在时间间隔i t t a t 内发生故障的概率就越小 反之越大 统计数据表明 在可修复设备整个寿命期间 故障率与时间的典型关系如图 2 2 所示 因该曲线形似浴盆 故又称为浴盆曲线 第二章配电网可靠性评估的基本知识 图2 2 设备故障率的变化曲线 浴盆曲线 根据可修复设备的寿命 故障率可以分为三个阶段 最初阶段称为早期故障 期 对应时间 l 是由于设计 制造和装配上的缺陷以及运行人员不熟练而造 成设备故障发生较多的时期 因而故障率较高 第二个阶段是由于各种偶然原因 如鸟害 雷击 设备部件故障 误操作等 引起故障的偶发故障期 对应时间 段t l t 2 此期间内故障率大致为常数 近似为一条平行于时间轴的直线 并且数 值相对较小 第三阶段是由于设备部件老化 疲劳和磨损等原因进入耗损故障期 故障率随时间的增长而迅速上升 对应图中的时间段为t 2 在可靠性预测评估研究中 一般最关注的是设备偶发故障期的故障率 因此 通常认为设备的故障率为常数 用 表示 并且可以从设备故障的统计数据中得 到 本文在分析负荷点的可靠率时采用的就是偶发故障期的故障率 当设备的故障率为常数时 可以按照下式统计得到 设备故障率五 芸笺裂淼 c 2 2 2 设备可靠度r n 设备可靠度的定义式为 6 尺 尸 毛 z 2 3 即实际工作时间大于预定工作时间的概率 当设备故障率为常数入时 可以 推得设备可靠度为 r t p 劫 2 4 3 设备修复率 f 表明可修复设备故障后修复的难易程度及效果 称为修复率 通常用 a 力 来表示 其定义是 设备在f 时刻以前未被修复 而在 时刻以后的 微小时间内 被修复的条件概率密度 用公式表示为 6 f 删l i m l fp l f t 乃 妇 2 5 第二章配电网可靠性评估的基本知识 根据一些统计数据可知 架空线路的修复时间而可近似看成指数分布 但是 地埋电缆的修复时间则更接近于正态分布 其他设备如 供电变压器 开关类设 备 也有类似的情况 但如果计及这些不同类型的分布 则将使可靠性预测评估 工作大大复杂化 考虑到由统计方法得到的设备可靠性参数本身的误差可能更 大 因此在实际应用中仍将所有可修复设备的而均看成呈指数分布 则修复率 t 为常数 常用f 表示 当设备的修复率为常数时 可以按照下式统计得到 设备修复率 该毒囊蓦翼邕磊淼 c2 6 4 设备未修复度m o t 嘲 设备未修复度的定义式为 m d p z 2 7 即实际修复时间大于预定修复时间的概率 当设备修复率为常数 时 可以 推得设备未修复度为 m n f e 叫 2 8 5 设备平均无故障持续工作时间 打 和平均修复时间m t t r 当设备的故障率 0 a 为常数以及修复率 t o 1 为常数时 设备的平均无 故障持续工作时间m t t f m e a nt i m et of a i l u r e 和平均修复时间m t t r m e a n t i m et or e p a i r 也均为常数 分别为故障率和修复率的倒数 册 2 9 五 m t t r 一1 2 1 0 6 设备状态概率 由于在可靠性预测评估中往往更关注的是设备或系统在稳态状态时的可靠 性情况 所以本节所讨论的状态概率和可靠性指标都是指稳态状态下的 根据分析设备状态的实际需要而建立的设备状态模型有二状态模型 三状态 模型 四状态模型等等 下面以二状态模型和三状态模型为例说明设备状态概率 的求解过程 1 二状态模型 假设一台变压器只有工作和故障停运两种状态 并且一旦故障立即进入检修 状态 图2 3 为该变压器二状态转移图 其中的喊示变压器处于工作状态 d 表示处于故障停运状态 已知变压器的故障率为a 修复率为 求解变压器的 稳态工作状态概率尸瘌故障状态概率如 第二章配电网可靠性评估的基本知识 图2 3 可修复设备二状态模型 其中的稳态工作状态概率又称为设备的可用率彳 a v a i l a b i l i t y 1 止丽m t t f 2 叁1 1 2 上2 z2 昂 2 11 旯 设备的稳态故障状态概率又称为设备的不可用率 l 才 丽黑 告 丢 昂 2 1 2 l 一 一 r lz m 巧哪 i m t t r l l五 九 讳 可以看出 要增加设备的可用率 则必须增加设备的平均工作时间m t t f 或者减小设备的平均修复时间m t t r 3 三状态模型 假设一台变压器具有工作 故障检修停运和计划检修停运三种状态 图2 4 为该变压器的三状态转移图 其中 d 为变压器故障率 表示变压器由正常工 作状态嘴向故障状态d 的转移率 a m 为变压器计划检修率 表示变压器由正常 工作状态转向计划检修状态的转移率 d 为变压器故障修复率 表示变压器由 故障状态转向正常工作状态的转移率 m 为变压器计划修复率 表示变压器由 计划检修状态转向正常工作状态的转移率 待求的变压器稳态正常工作状态概 率 故障状态概率 计划检修状态概率分别用p u 尸d 和尸m 表示 3 o 图2 4 可修复设备三状态模型 第二章配电网可靠性评估的基本知识 由上文介绍的公式可得 2 2 可靠性框图的基础知识 2 2 1 可靠性框图的概念 协 一 iu u l p d k p m q 办 妞 2 1 3 d 砌 垃 1 可靠性框图的定义 5 7 可靠性框 药 r e l i a b i l i t yb l o c kd i a g r a m 是研究系统可靠性的重要工具 简单 地说 可靠性框图是一种用来直观地反映组成系统的各设备之间在完成系统功能 时的关系图 由代表设备的模块 逻辑关系连线和节点等组成 产品 系统 的各 部分由零件 元件 部件 组合件 单机 机组 装置 分系统构成 系统的可 靠性依赖于每一部分的可靠性 同时也依赖于每一部分的组合方式 因此 研究 系统的可靠性 一方面要研究各部分的组合方式 另一方面要研究每一部分的可 靠性与整个系统可靠性的关系 即可靠性逻辑关系 常见的可靠性逻辑关系有串 联连接 并联连接 k n 连接 混合连接 桥形连接及复杂的网络系统等 可靠 性框图就是表示这些逻辑关系的工具 2 可靠性框图的作用 5 7 根据可靠性框图可以得到各组成部分的可靠性与产品可靠性之间的关系 即 数学模型 叫可靠性模型 根据它可以计算出相应的可靠性指标 例如可靠度 平均故障间隔时间 故障率等 它是分配及预计产品可靠性的基础 3 绘制可靠性框图的步骤 5 7 首先 要得到产品 系统 的原理图 或功能图 原理图表示的是产品各部分 的功能间的逻辑关系 然后根据产品的原理图 分析各部分的故障及其相互逻辑 关系 并用框图的形式表示出来 即得到可靠性框图 在可靠性框图中用方块表示设备工作 将方块移去或关闭表示设备故障 如 果移去或关闭一些方块后 系统输入输出之间断开 则表示这些设备故障导致系 统故障 在对设备进行故障后果分析的基础上 根据系统原理图和系统故障判据 就 可以按照可能导致整个系统故障的设备组合来绘制可靠性框图 需要注意的是 第二章配电网可靠性评估的基本知识 系统的原理图与它的可靠性框图不一定具有相同的拓扑结构 2 2 2 常见的可靠性逻辑关系模型 1 串联系统 从逻辑意义上讲 系统中任何一台设备故障停运都将导致系统故障 则由代 表设备的方块全部串联构成的网络即为原系统串连等效的可靠性框图 设由n 个 元件组成的串联系统 任一个元件发生故障 则系统故障 或者说只有全部元件 正常时系统才正常工作 12 n o t 卜 q o 图2 5 串联系统可靠性框图 根据串联系统的定义及其逻辑框图 其数学模型及系统可靠度为 5 8 r t n r f 2 1 4 式中 r 组成系统的单元数 若各单元的寿命分布均为指数分布时 即 曩 f e x p 一五f 2 1 5 则系统可靠度 r o f i 一 e 中 一乃 e x p 一 喜丑 e x p 一五 c 2 6 系统的故障率a 为各单元故障率 之和 五 a 2 1 7 则系统的平均故障间隔时间 1 五 1 元 2 1 8 可见 串联系统中各单元的寿命为指数分布时 系统的寿命也为指数分布 1 在串联系统中 元件可靠度对系统可靠性的影响 假设由三个元件组成的串联系统 三个元件在某一时刻的可靠度不同时系统 可靠度的变化情况如表2 1 所示 第二章配电网可靠性评估的基本知识 表2 1 串联系统中三元件的可靠度变化时串联系统的可靠度变化情况表 元件1元件2元件3 系统可靠度 0 70 80 9 0 5 0 4 0 80 80 90 5 7 6 0 7 0 90 90 5 6 7 o 70 8 o 9 90 5 5 5 由表2 1 可以看出 可靠度最低的元件对系统的可靠度影响最大 这一结论 也能用图表的形式解释 如图2 6 所示 系统可靠度v s 元件可靠度 图2 6 部件对串联系统可靠度的影响 图2 6 中 元件1 对应的线段表示元件1 的可靠度变化而其它两个元件的可 靠度不变时 系统的可靠度变化情况 元件2 和元件3 对应的线段的意义与元件 l 对应的相同 由上图可以看出 元件1 的可靠度变化对系统的可靠度影响最大 也就是说 元件l 对系统可靠性的重要性最大 2 串联系统中 元件个数对系统可靠性的影响 串联系统中的元件数量是影响系统可靠性的另一个重要因素 随着串联系统 中元件数量的增加 系统的可靠性降低 由式 2 1 4 可知 也同样能得出此结 论 图2 7 为串联系统中元件在不同的可靠度值下 其数量对系统可靠性的影响 该图同样能说明元件数量对系统可靠性影响的极端情况 尤其是在元件的可靠度 很低的情况下 换而言之 为了获取较高的可靠性指标 元件的可靠度必须也很 高 尤其是对于元件数量很多的串联系统 假设一个由单元件组成的串联系统 该元件的可靠度为9 5 则该系统的可 第二章配电网可靠性评估的基本知识 靠度为9 5 当元件数量变化时 系统的可靠度如表2 2 所示 1 剖o 8 善o 6 卷o4 02 o 串联幕坑w 度v 螂件日靠度 0l 020 30 4050 60 70809l 日靠度 一2 r 件一3 i 重壁旦型 二一1 蛔丝二些i 世二 重壁 圈2 7 由n 个相互独立元件组成的串联系统可靠性随元件可靠性变化图 2 简单并联系统 当构成系统的所有单元都发生故障时 系统才发生故障 这种系统就叫做并 联系统 它是最简单的冗余系统 在一个并联系统中 只要有任何一个单元工作 系统就处在工作状态 因此 并联系统可以提高系统可靠性田 其可靠性框图如 图2 8 所示 r 一 叫讣 i 占i 图2 8 井联系统可靠性框图 根据并联系统的定义及其逻辑框图 其数学模型及系统可靠度为 5 1 第二章配电网可靠性评估的基本知识 足 1 一r t l 1 一局 f 2 一1 9 考虑一个由r 个相同且相互独立的元件构成的并联系统 每个元件的寿命服 从参数为入的指数分布 则并联系统的可靠性指标如下 系统可靠度 r f l 一 1 e x p a z 2 2 0 系统的失效率 忽 z t r t 刀a e x p 一办 1 一e x p 一刀 n 帅一e x p 一刀 n 2 2 1 系统平均寿命 m t t f s f r f 斫 l 五芝1 f 2 2 2 1 并联系统中 元件可靠度对系统可靠性的影响 假设由三个元件组成的串联系统 三个元件在某一时刻的可靠度分别为 r 1 6 0 r 2 7 0 r 3 8 0 由此三个元件组成的系统的可靠度为9 7 6 通过 表2 3 可以看出每一个单元对整个系统的可靠度的影响 表2 3 并联系统中三元件的可靠度变化时并联系统的可靠度变化情况表 元件1元件2元件3系统可靠度 0 6o 70 80 9 7 6 0 70 70 8 0 9 8 2 0 60 8o 80 9 8 4 0 60 7o 90 9 8 8 由表2 3 可以看出 元件3 可靠度变化时 系统的可靠度变化最大 也就是 说并联系统中 可靠度最高的元件对系统的可靠度影响最大 这一结论同样能用 图2 9 说明 第二章配电两可靠性评估的基本知识 三髟 图2 9 中 元件1 对应的线段表示元件1 的可靠度变化而其它两个元件的可 靠度不变时系统的可靠度变化情况 元件2 和元件3 对应的线段的意义与元件1 对应的相同 由上图可以看出 元件3 的可靠度变化对系统的可靠性影响最大 也就是说 元件3 对系统的可靠度的重要性最大 2 并联系统中 元件个数对系统可靠度的影响 由式 2 1 9 可见 并联单元越多 系统越可靠 理论上随着并联元件的增 多 系统的平均寿命也会随之增加 但是 实际上随着元件的增加 新增加的元 件对系统可靠性及寿命提高的贡献会越来越小 由h 个相互独立的单元组成的并 联系统可靠度随元件可靠度变化如图2 1 0 所示 日 度v s 日靠虚 00 1o20 3040506 0 70 809 件日 度 一三堡三查e 虿垂三三 图2 1 0 由n 个相互独立元件组成的并联系统可靠度随元件可靠度变化圈 1 8 6 4 z 0 o o 0 o 世 口 第二章配电网可靠性评估的基本知识 3 串并联混合系统 5 7 1 有些系统中的各个单元之间的关系既有串联关系也有并联关系 这样的系统 称为串并联混合系统 其可靠性框图如图2 11 所示 1 2 图2 1 1 串并联混合系统可靠性框图 对于串并联混合系统 可以反复应用上述串联系统和并联系统的计算方法 将串 并联支路归并起来 使系统逐步简化为一个等效方块 这个等效方块的可 靠性也就代表了原始系统的可靠性 4 k n 系统 1 组成系统的刀个单元中如果有至少尼个单元故障 则系统故障 这样的系统 被称为k n 系统 如图2 1 2 所示 当k i 时为串联模型 而当k n 时 则得到并 联模型 因此 串联模型和并联模型都是k n 模型 k o u 卜 o f nm o d e l 的特例 1 l i i f 图2 1 2k n 系统可靠性框图 最简单的k n 系统是各单元相互独立的 也就是说所有单元具有相同的失效 分布函数 在这种情况下 系统的可靠度为 5 7 足 七 刀 r 砉 弘7 一r 7 c 2 2 3 当组成系统的单元具有不同的寿命分布时 可用迭代公式来计算系统可靠 度 为简便起见 在下列迭代公式中略去时间的符号t 定义 第二章配电网可靠性评估的基本知识 椭f 个单元的可靠性 1 2 甩 留广第i 个单元的失效概率 鼋尸1 甲f 1 2 狞 q f 1 个含有单元l 2 的子系统中至少有i 个故障单元的 概率 即是1 个圻子系统的故障概率 这样k n 系统的故障概率q 后 刀 是 q 七 刀 q 七 刀一1 q q k 1 刀一1 2 2 4 该式的边界条件是 q 5 0 当7 o 2 2 5 o o 1 笥 0 该系统的可靠性r 尼 珂 1 9 后 力 2 3 本章小结 本章首先概括阐述了电力系统中设备靠性的基础知识 其次介绍了可靠性框 图的基本概念以及常见的可靠性逻辑关系 并对各常见的逻辑关系进行研究分 析 通过实际例子的计算 找出影响各逻辑关系的主要因素 以便为制定提高系 统可靠性措施提供参考 第三章配电网常用接线模式及其可靠性框图 第三章配电网常用接线模式及其可靠性框图 3 1l o k v 配电网几种常用接线模式简介 因为配电线路分为架空线路和电缆线路 所以在接线模式上也分为架空网接 线模式和电缆网接线模式 但是在建立接线模式的可靠性框图时 并没有逻辑关 系的差异 只有框图单元的参数存在差异 因此 本节研究的接线