-配电自动化条件下配电系统供电可靠性评估.doc

Q260046902 专业做论文 中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 题 目 配电自动化条件下配电系 统供电可靠性评估 学习中心 重庆信息工程专修学院奥鹏学习中 心 年级专业 0409 级 电气工程及自动化 学生姓名 晏小玲 学 号 0451480441 指导教师 韩亚军 职 称 讲 师 导师单位 重庆信息工程专修学院 中国石油大学 华东 远程与继续教育学院 论文完成时间 2007 年 12 月 20 日 中国石油大学 华东 现代远程教育 毕业设计 论文 任务书 发给学员 晏小玲 1 设计 论文 题目 配电自动化条件下配电系统供电可靠性评估 2 学生完成设计 论文 期限 年 月 日至 年 月 日 3 设计 论文 课题要求 此设计研究一种考虑配电自动化条件下配电系 统供电可靠性的评估方法 并实现了应用软件 经过理论分析及算例结 果验证 可以得出配电系统供电可靠性的评估 1 配电系统各参数可靠性的评估 2 配电系统各种假设模型 3 配电系统的现状与展望 4 实验 上机 调研 部分要求内容 1 配电系统的可靠性参数的调试 2 在老师的帮助下完成配电区域的测试 3 综合各部分的参数完成此次设计的完成 5 文献查阅要求 1 查阅配电系统的可靠性评估 2 查阅配电系统的现状与展望 3 查阅配电网的简化模型 6 发 出 日 期 2007 年 11 月 1 日 7 学员完成日期 2007 年 12 月 25 日 指导教师签名 学 生 签 名 i 摘摘 要要 配电自动化对于提高供电可靠性具有重要意义 本文研究了在实现 了配电自动化的条件下 配电系统供电可靠性的评估 所作的工作主要 包括 面向配电系统供电可靠性评估 建立了复杂配电网的简化模型 并 将配电网分解为一些内部不含有操作元件的最小配电区域 以最小配电 区域而不是以单个元件为单位设置故障进行供电可靠性分析 从而大大 提高了分析的效率 分析了母线故障 开关故障 断路器及熔断器发生 拒动等对供电可靠性的影响 并且在配电系统供电可靠性评估中综合考 虑了上述影响 根据当前各供电企业计划检修的实际安排特点 在配电系统供电可 靠性评估中 以各配电线路为单位设置检修 并考虑了母线及主变压器 计划检修的情形 评估结果更加符合实际情况 上述工作的基础上 研究了综合考虑通过配电自动化进行配电网络 重构条件下的配电系统供电可靠性评估方法 采用 VC 60 实现了包含 全部上述内容的配电系统供电可靠性评估应用软件 采用典型算例进行 了测试和验证 并与传统供电可靠性评估方法进行了比较 结果表明 提出的方法是可行的 并具有更高的计算效率 且能够考虑更多的影响 因素 关键词关键词 配电系统 配电自动化 供电可靠性 ii 目目 录录 摘 要 i 目 录 ii 第 1 章 绪论 1 1 1 配电系统供电可靠性评估研究的必要性 1 1 2 配电系统供电可靠性评估研究的现状及方法 3 1 2 1 传统的配电系统供电可靠性评估方法 4 1 2 2 改进的配电系统供电可靠性评估方法 5 1 3 本文研究的意义及所完成的工作 8 第 2 章 配电系统的供电可靠性指标及模型 11 2 1 供电可靠性指标及参数 11 2 1 1 元件的可靠性参数 11 2 1 2 负荷点的供电可靠性指标 11 2 1 3 系统的供电可靠性指标 12 2 2 元件的可靠性模型 13 2 2 1 功率元件 13 2 2 2 操作元件 14 2 2 3 负荷 16 2 3 系统的可靠性模型 16 2 3 1 简单系统的可靠性模型 16 2 3 2 复杂系统的可靠性模型 17 第 3 章 基于简化模型的配电系统可靠性评估 19 3 1 配电系统供电可靠性评估的基本方法 19 3 2 配电系统的可靠性简化模型 19 3 3 基于简化模型的基本处理 22 3 3 1 连通系及其分解 22 3 3 2 最小配电区域及其分解 23 iii 3 3 3 区域可靠性参数的等效计算 24 3 3 4 故障或检修的设置 25 3 3 5 网络拓扑 25 第 4 章 简化模型的配电系统供电可靠性评估方法 26 4 1 故障后的负荷点归类 26 4 2 故障后果分析 29 4 2 1 基于简化模型的配电系统可靠性评估 29 4 2 2 动作开关拒动的影响 32 4 2 3 计划检修的影响 33 4 3 供电可靠性指标的计算 34 4 4 供电可靠性评估流程 35 第 5 章 结论 37 致 谢 38 参考文献 39 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1 配电系统供电可靠性评估研究的必要性配电系统供电可靠性评估研究的必要性 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 断的向电力用户供应电力和电能能力的度量 其实质就是用最科学 经 济的方式充分发挥发供电设备的潜力 保证向全部用户不断供给质量合 格的电力 从而实现全面的质量管理和全面的安全管理 它的发展有着 深刻的社会背景以及重要原因 随着国民经济和系统规模的迅速增长 对于电力系统安全可靠性的要求必将越来越高 1 电力系统不断向超高压 远距离 大机组 大容量方向发展 不但要求提高系统的经济性 而且对系统的安全可靠性也提出了新的更 高的要求 60 年代以后 许多国家的大电网相继发生了重大的事故 引起了大面积的停电 这些停电事件不但造成了巨大的经济损失 而且 危及社会秩序 对整个社会造成了一定的影响 为了预防这些事故的发 生 定量的评价和改善电力系统可靠性的研究 便越来越受到人们的重 视 2 为了避免电力系统超高压 远距离 大机组 大容量的优越性 被不利因素的影响所抵消 对可靠性的研究也日益迫切 3 随着国民经济的发展 社会的高度信息化 现代化 办公设备 的自动化 人们对电力的依赖性越来越深 任何短时间的停电 频率偏 差 瞬时电压下降 都会对生产生活带来影响 因此 电力行业作为共 用事业 政府从行政及立法上对供电质量 安全性 可靠性提出了越来 越高的要求 4 电力是国民经济发展必不可少的能源 近几年在西方国家的电 力行业中引入了市场竞争机制 其竞争的焦点是电力的可靠性和经济性 为了适应市场的需要 各国电力公司重点研究和发展可靠性 配电系统的根本任务就是尽可能经济而可靠的将电力分配给各种用 2 户 整个电力系统的供电能力和质量都必须通过配电系统来实现 配电 系统的供电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 因此 配电系统供电可靠性是整个电力系统可靠性的一个重要组成 部分 1 配电系统处于整个电力系统的最末端 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 向用户供应电 能和分配电能的重要环节 一旦配电系统或设备发生故障或进行检修 往往就会同时造成系统对用户供电的中断 直到配电系统及其设备的故 障或检修被排除或修复 恢复到原来的完好状态 才能继续对用户供电 据不完全统计 用户停电故障中 80 以上是由配电系统故障引起的 2 配电系统大多采用辐射式的网状结构 对单故障比较敏感 据 国内外统计资西安科技大学硕士学位论文料表明 配电网络约占整个配 电系统投资的 60 及运行成本的 20 它对用户配电系统供电可靠性的 影响也最大 其可靠性直接关系到国民经济和居民生活 3 随着电子科学技术的发展 以计算机为代表的高度信息化设备 的广泛普及 用户对配电系统供电可靠性要求也越来越高 既使仅从加 强配电系统供电可靠性所花费的资金及其对社会和经济所产生的效益来 看 配电系统在整个电力系统可靠性工程中也具有极为重要的地位 因此 对配电系统供电可靠性的研究 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以及进行城市电网建设和改造有着重要作用 配电 系统供电可靠性问题已越来越为人们所关注 目前 国际上发达国家对 于配电系统的供电可靠性都有着较高的要求 一般都在 99 99 以上 而在我国 电力事故调查规程 中己将 10KV 用户供电可靠率列入供电 安全考核项目之中 并且主管部门提出的供电企业的一流标准中 配电 系统用户供电可靠率 市中心 市区 城镇 不低于 99 用户年平均停 电时间小于 8 76 小时 显然 这个水平比起国际先进水平来 差距很 3 大 所以 对配电系统供电可靠性进行研究 并提高其整体水平 在我 国就显得尤为重要 配电系统供电可靠性评估就是根据可靠性工程理论 采用一定的评 估方法和评估手段对整个系统的供电可靠性进行定量的预测 它是配电 系统供电可靠性研究问题中的核心内容 是进行配电系统供电可靠性管 理的前提和基础 通过对供电可靠性的预测和评估 能够找出配电系统 的薄弱环节 发现影响供电可靠性的主要因素 从而可以针对存在的问 题提出具体的改进措施 进一步提高供电可靠性管理工作的水平并使整 个系统的安全性能和经济效益得到显著的增加 1 21 2 配电系统供电可靠性评估研究的现状及方法配电系统供电可靠性评估研究的现状及方法 国外 对于配电系统供电可靠性评估的研究起步较早 现在 供电 可靠性评估己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 西欧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 对配电系统供电可靠性的研究始于上世纪 80 年代初期 晚 于发电和输电系统的研究 由于缺乏必要的统计数据和行之有效的分析 方法 发展较为缓慢 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 目前求取电力系统可靠性指标的方法主要有模拟法和解析法两大类 模 拟法 是通过对元件的概率分布采样来进行状态的选择和估计 利用统 4 计试验方法得到可靠性指标 该方法灵活且不受系统规模限制 但是耗 时多而且精度不高 主要用于发 输电组合系统的可靠性评估中 解析 法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 数值计算方法获得系统的各项指标 它可以进一步分为马尔可夫法和网 络法两类 马尔可夫法能够较好的处理各种复杂情况 但当系统规模大 结构复杂时 该方法将变得十分繁复 网络法是配电系统供电可靠性评 估中最为常用的传统方法 1 2 1 传统的配电系统供电可靠性评估方法传统的配电系统供电可靠性评估方法 传统的配电系统供电可靠性评估方法是网络法 该方法也称为故障 模式与后果分析法 FailuerModenadE 价 et 劫 alysis FMEA 在进行 供电可靠性分析的过程中 FMEA 方法通过对系统中各元件状态的搜索 列出全部可能的系统状态 然后根据所规定的可靠性判据对系统的所有 状态进行检验分析 找出系统的故障模式集合 并在此集合的基础上 求得系统的供电可靠性指标 在对系统中各元件状态的搜索 列出全部可能的系统状态的过程中 首先对系统进行预想事故的选择 确定负荷点失效事件 即故障集 并 对各个预想事件进行潮流分析和系统补救 形成事故影响报表 将这些 失效事件 事故 和影响报表统一存放在预想事故表中 根据负荷点的故 障集 从预想事故表中提取相应故障的后果 计算负荷点的可靠性指标 系 统可靠性指标则可从各个负荷点的可靠性指标中分析得到 负荷点失效 事件包括 1 结构性失效又称全部失去连续性事件 ToatlLossofConiinuiyt TLOC 指当负荷点和所有电源点之间的所有 通路都断开时导致的该负荷点全部失电 通过寻找配电网络的最小割集 可有效判断出导致 TLOC 的停运组合 2 功能性失效又称为部分失去连续性事件 5 partiaxLossofeontinuiyt PLoe 它考虑到各元件的负载能力和系统 电压约束 如果一个停运事件引起网络超过约束 则必须断开或者削减 某一点的负荷以消除过载或电压越限 可通过最小割集中的元件组合来 寻找可能引起 PLOC 事件的停运组合 如二阶停运组合可以通过选择三 阶割集中的所有二阶组合来获得 确定停运组合之后 进行潮流计算并 确定是否违反网络约束 即可鉴别是否会发生 PLOC 事件 配电系统对 一阶故障敏感 高阶故障发生几率极低 因此在使用该方法分析配电系 统供电可靠性时可以略去三阶及以上停运事件 FMEA 方法比较简单 并且网络模型与配电系统的拓扑结构有着自然的相似 但当网络规模变 大时各种故障后果分析将变得十分冗长 1 2 2 改进的配电系统供电可靠性评估方法改进的配电系统供电可靠性评估方法 FEMA 法概念清晰 原理简单 但是具有计算过程繁琐 计算量大 的不足 因此 大量学者都在 FMEA 法的基础上继续经行了探索和研究 并提出了许多改进方法 l 最小路法 连接任意两节点间的有向弧或无向弧组成的集合称为这两个节点间 的一条路 如果一条路中移去任意一条弧后就不再构成路则称这条路为 最小路 最小路法是基于最小路原理的快速评估方法 其基本思想是 对每一负荷点 求取其最小路 根据网络的实际情况 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 对每个负荷点 仅对其最小路上的元件与节点进行计算 即可得到负荷 点相应的可靠性指标 基于最小路原理的快速评估方法的核心是求取每 个负荷点的最小路 这样 整个系统的元件便可分为两类 最小路上的 元件和非最小路上的元件 对于最小路上的元件 处理原则为 如果系统无备用电源 那么最小路上的每个元件发生故障或检修 均会引起负荷点的停运 所以 参与计算的为元件停运率 即故障率与 6 计划检修率之和 和停运时间 如果系统有备用电源 且主馈线上装有分段装置 隔离开关或分 段断路器 那么分段装置前的元件发生故障引起的后段负荷点停运时 间仅为 Mxa 夏 S T 其中 S 为分 段装置的操作时间 T 为备用电源的 倒闸操作时间 并且假设前段元件的检修不会引起后段负荷的停运 对于非最小路上的元件 先根据系统的结构 将其对负荷点可靠性 指标的影响折算到相应的最小路的节点上 然后再按照上面所讲的方法 处理即可 其处理原则如下 对于分支线 如果其首端装有烙断器 那么分支线上的元件发生 故障 熔断器熔断 故障不影响其它支线 如果主馈线上装有隔离开关或分段断路器 那么隔离开关或分段 断路器后的元件发生故障所引起的前段负荷点停运时间 为隔离开关或 分段断路器的操作时间 S 并且后段元件的检修不会引起前段负荷点的 停运 2 最小割集法 如果最小路中的任一点不会通过网络中的任一支路 此点与同一最 小路中在其前或后的点形成的支路除外 与同一最小路中另一点相连 则称此最小路为基本最小路 其余的最小路称为辅助最小路 一个切断 所有基本最小路的最小割集也将切断所有的辅助最小路 因此 只要通 过切断基本最小路的故障元件对网络元件进行重新组合 就能充分地导 出网络的全部最小 害集 对于一个复杂网络 基本最小路数目可能要比最小路数目少 几个数量级 因此 1 绪论导出最小割集的时间大大减少 计算速度大 大提高 求出最小割集的方法与步骤如下 第一步形成最小路树 第二步 由最小路树导出基本最小路 第三步利用基本最小路求出最小割集 前 两步算法比较简单 第三步可如下实现 用 NP 纪录基本最小路数 并把在基本最小路中出现的元件及出 7 现的次数分别存放在数组 C01JNT I l COIJNT I 2 中 若一元件出现的次数等于 NP 则该元件构成一阶最小割集 这 样就迅速找出全部一阶最小割集 在 COUNT 数组中把对应形成一阶最小割集元件的值赋零 并压缩 COIJNT 数组 在 C01 刃 NT 数组中找出构成最短基本最小路的元件并移到数组 最前面 然后和后面非最小路中的元件组合 形成二阶割集 若该割集 中两个元件出现的次数之和不小于 NP 并且每个基本最小路中都至少 包含其中一个元件 则该割集是二阶最小割集 再取最短基本最小路中的一个元件和非最小路中的两个元件的组 合 形成三阶割集 若三个元件出现次数总和不小于 NP 同时每个基 本最小路中都至少包含其中一个元件 并且该割集中不包含二阶最小割 集 则该割集是三阶最小割集 同理可找出四阶最小割集 除进行上述检查外 还要判断是否包 含三阶最小割集 若有必要 对四阶以上的最小割集可以此类推求出 3 网络等值法 实际的配电系统往往由主馈线和副馈线构成 结构复杂 网络等值 法主要针对实际配电系统的结构特点 利用一个等效元件来代替一部分 配电网络 从而将一个复杂结构的配电系统逐步简化为简单辐射状的主 馈线系统 等值法分为两个步骤 首先是向上等效过程 该过程主要处 理下层元件对上层元件的可靠性影响 将一个复杂的副馈线分支用等效 分支线代替 逐层向上层等效 最终将网络简化为一个简单辐射状的主 馈线网络 然后进行向下等效过程 该过程主要处理上层元件对下层元 件可靠性的影响 将这种影响用等效串联元件表示 并分层计算分布在 各层的负荷点的可靠性 4 基于故障扩散的评估方法 这是一种对带子馈线的配电系统具有较强处理能力的供电可靠性评 8 估方法 首先利用前向搜索算法确定断路器动作影响范围 利用故障扩 散方法确定故障隔离的范围 从而可以确定节点的故障类型 根据受故 障影响的时间不同 将所有节点分为不受故障影响 受故障影响时间为 隔离时间 受故障影响时间为隔离时间加切换操作时间 受故障影响时 间为故障修复时间 4 种类型 根据节点的故障类型 便可得出各个负 荷点以及系统的供电可靠性指标 5 递归算法 递归算法利用了配电网络的基本结构多为树状的特点 首先将配电 系统以靠性等效 简化为一个形式简单的网络 在遍历过程中递归调用 可靠性计算公式 最终得到整个配电系统的所有负荷点可靠性指标和整 个系统的可靠性指标 这种算法利用了树型结构与配电系统结构的相似 性 首先将配电系统的馈线作为树的结点 将配电系统存储为树型结构 通 过对树的后序遍历逐层将下层馈线对上层馈线的影响等效成等效分支线 直至将包含主馈线和多条子馈线的复杂的配电网简化为简单的馈线连接 负荷点的 可以直接利用可靠性计算公式计算的简单结构配电系统 然 后 通过对树的前序遍历 逐层计算连接在不同层馈线上的负荷点可靠 性指标 找到表示上层馈线上的元件对下层馈线上负荷点可靠性影响的 等效串联元件 这样递归遍历下去 直到求出整个系统的负荷点可靠性 指标 进而求出整个系统的供电可靠性指标 1 31 3 本文研究的意义及所完成的工作本文研究的意义及所完成的工作 综上所述 配电系统供电可靠性评估的研究具有巨大的理论价值和 现实意义 前人对此进行了大量的探索 并且已经取得了许多重要的成 果 但是 无论是传统的研究方法还是改进方法都存在着共同的不足 1 现有的供电可靠性评估方法或者以元件为单位计算 或者先对 整个系统进行分析并等效后再计算 由于系统中元件数目众多 网络结 构复杂 因此具有计算量大 计算过程繁琐的不足 随着配电系统的迅 9 速发展 这个缺点进一步的突出 对于部分特复杂的网络 采用现有的 方法甚至很难得到评估结果 2 现有的供电可靠性评估方法没有深入考虑母线及开关的故障对 于供电可靠性指标的影响 配电系统中的母线和开关数量众多 这些元 件发生故障的概率虽然较小 但是发生后往往会造成大量负荷点同时停 电 后果比较严重 因此忽略这些元件必然会造成评估结果的不准确 3 现有的供电可靠性评估方法大多没有根据系统运行中的实际情 况考虑计划检修的影响 从而造成了评估结果的不够完全真实 4 现有的供电可靠性评估方法没有考虑配电系统的自动化对于供 电可靠性指标的影响 自动化的应用对于配电系统的供电可靠性具有直 接影响 一方面 实现自动化后开关的操作时间大大缩短 另一方面 实 现自动化后 故障或检修时可以通过网络重构尽快的恢复受影响的健全 区域的供电 网络重构就是在满足系统约束条件 如保证系统的连续性 辐射状连接以及不能超过元件的电气极限容量和继电保护电流整定值等 的 前提下 确定使配电系统某一指标 如配电系统的线损 电压质量或供 电可靠性等 最佳的配网运行方式 因此考虑自动化以及网络重构时 配电系统的供电可靠性指标不仅取决于系统的网架结构 还受到元件电 气极限容量和继电保护电流整定值的影响 目前自动化在配电系统中的 应用已经日益广泛 在进行供电可靠性评估时如果不考虑其影响 所得 到的结果肯定同样不能真实反映系统的实际运行情况 针对以上不足 本文总结和继承了前人的成果及经验 在对配电系统的特点和现状进行 整体分析并综合考虑影响评估指标的各种因素后 提出了一种配电系统 的供电可靠性评估方法 主要工作有 1 建立了面向配电系统供电可靠性评估的配电系统的简化模型 并将配电系统分解为一些最小配电区域 各个最小配电区域内部不含有 操作元件 以最小配电区域而不是以单个元件为单位设置故障进行供电 可靠性分析 以提高分析的效率 10 2 在配电系统供电可靠性评估中 综合考虑母线故障 开关故障 断路器及熔断器发生拒动等情形的影响 3 在配电系统供电可靠性评估中 结合各供电局的实际检修工作 计划 以各配电线路为单位设置检修 并考虑母线及主变压器计划检修 的情形 使评估结果更加符合实际情况 4 从文献中提出了在故障 检修和过负荷情况下 以甩负荷总量 最小为目标函数 以配电系统中各个元件的电气极限容量和继电保护电 流整定值为约束条件的配电网络重构算法 该算法是对配电自动化条件 下进行配电系统供电可靠性评估的关键 因此需要将该算法作为子程序 加以实现 5 综合前 4 项工作 采用 vc 60 实现综合考虑通过配电自动化 进行配电网络重构条件下的配电系统供电可靠性评估应用软件 6 采用典型算例进行了测试和验证 并与传统供电可靠性评估方 法进行了比较 11 第第 2 2 章章 配电系统的供电可靠性指标及模型配电系统的供电可靠性指标及模型 建立可靠性指标及模型是进行配电系统供电可靠性评估的前提和基 础 在进行分析时 一般把研究对象划分为元件和系统两个层次川 本 文将对配电系统的供电可靠性评估理论进行研究 给出评估的参数及指 标 并建立元件的可靠性模型和网络的可靠性模型模型 以此为基础 在对配电系统进行最小区域分解后 即能求出各最小配电区域的可靠性 等效参数 从而可以区域为单位分析供电可靠性 2 12 1 供电可靠性指标及参数供电可靠性指标及参数 2 1 1 元件的可靠性参数元件的可靠性参数 元件的可靠性参数是进行配电系统可靠性评估的基本元素和原始数 据 在实际计算中 这些参数值通常是在对各种运行记录经过统计以后 得出的 一般有以下几项 1 年故障率兄 次 公里 年或次 台 年 2 平均故障修复时间 小时 次 3 年计划检修率刃 次 公里 年或次 台 年 4 平均检修持续时间 r 小时 次 需要指出的是 系统中的检修包括临时检修及计划检修 与故障情 况类似 临时检修也是随机事件 因此实际计算时 通常都将临时检修 率归入故障率中 本文中的检修仅指计划检修 2 1 2 负荷点的供电可靠性指标负荷点的供电可靠性指标 负荷点的供电可靠性指标是衡量系统中各个负荷点供电能力的尺度 可以根据配电系统中元件的可靠性参数经过计算后得出 常用指标有 1 年停电率入 次 年 指负荷点 i 在单位时间 通常为一年 中因 配电系统元件故障或检修而造成停电的次数 12 2 年停电时间 u 小时 年 指负荷点 i 在单位时间 通常为一年 中因配电系统元件故障或检修而造成停电的时间数 3 平均停电时间 ri 小时 次 指负荷点 i 因配电系统元件故障或 检修而造成停电的每次停电的平均持续时间 以上三个指标之间存在着以下关系 2 1 i u ii r 2 1 3 系统的供电可靠性指标系统的供电可靠性指标 系统的供电可靠性指标反映系统因故障或检修而造成供电中断的严 重程度 可以根据负荷点的供电可靠性指标经过计算后得出 常用指标 有 1 系统平均停电频率 ASIFI 次 户 年 ASll 汀是指系统中运行的用户在一年时间内的平均停电次数 可 以用一年内用户停电的累积次数除以配电网供电的总用户数来估计 计 算公式为 2 2 NiNSAIFT ii 用户总数用户断电持续时间总和 2 系统平均停运持续时间 AS 石 Dl 小时 户 年 AS 石 Dl 是指系统中运行的用户在一年时间内经受的平均停电持续 时间 可以用一年时间内用户经受的停电持续时间的总和除以该年中由 配电网供给的用户总数求得 计算公式为 2 3 iii NNUSAIDI 用户总数用户断电持续时间总和 3 用户平均停电持续时间 AC 力 Dl 小时 户 年 AC 石 Dl 是指一年中每个受停电影响的用户每次停电所持续的时间 它反映了该系统里停电用户的电源 设备的备用情况 可以用一年时间 内用户停电持续时间的总和 计算公式 iiii NNUCAIDI 用户断电总次数用户断电持续时间总和 2 4 13 2 22 2 元件的可靠性模型元件的可靠性模型 配电系统由许多特有的元件所组成 如 架空线路 配电变压器 隔离开关 熔断器等 在这些元件中 绝大部分是可修复元件 近似的 认为元件各种状态之间的转移率为常数 概率分布符合指数分布 因此 可以用马尔可夫过程来分析 2 2 1 功率元件功率元件 配电系统中的功率元件包括变压器 输电线路 母线等 在可靠性 分析中 还可以将上一级电源 或系统 视为具有一定可靠度的功率元件 它们的功能主要是传送电能 对功率元件采用三状态模型 其状态转移 关系用图 2 1 来表示 图 2 1 功率元件的可靠性模型 图中 N 为正常工作运行状态 M 为计划检修状态 R 为故障停电 及修复状态 而分别为故障率 计划检修率 单位为次 年 由故障状态 向正常工作状态的转移率 它与故障恢复时间凡互为倒数 产 M 是由检 修状态向正常工作状态的转移率 它与检修持续时间马互为倒数 2 2 2 操作元件操作元件 操作元件是指执行开关操作 使系统状态和拓扑发生改变的元件 14 包括断路器 负荷开关 隔离开关 熔断器等 操作元件在配电系统可 靠性分析中具有重要的地位 可以根据自身特性及对系统可靠性指标的 影响将其分为 3 类 第 1 类是可自动分断开关 包括断路器 熔断器等 它们可以断开或接通电路中的正常工作电流或故障电流 在系统发生故 障时 能够自动动作 决定故障在网络中的扩散情况 主要影响负荷点 的故障率 第 2 类是不可自动分断但可带负荷操作开关 主要指负荷开 关 它们可以断开或接通电路中的正常工作电流 在系统发生故障时 不能够自动切除故障 经常作为分段开关或联络开关 故障后通过联络 开关的倒闸操作可能恢复部分或全部负荷点的供电 第 3 类是不可自动 分断且不可带负荷操作开关 主要指隔离开关 它们只能断开或接通无 电流或仅有很小电流的电路 在系统发生故障时 不能自动切除故障 主要影响负荷点的故障类型和停运时间 如果操作元件两侧和馈线之间 没有明显的断开点 则操作元件的故障完全相当于与该操作元件相连的 两个区域同时发生故障 如果操作元件两侧和馈线之间有明显的断开点 操作元件故障后可以迅速断开与相邻两个区域的连接 从而能够尽快恢 复相邻两个区域的供电 一般的 可以认为除隔离开关之外 系统中的 其它操作元件和馈线之间都有明显的断开点 操作元件故障状态比较复 杂 要真实描述其在各种故障状态条件下的开关功能 需要较为复杂的 模型 图 22 为操作元件的原始模型 15 图 2 2 操作原理的可靠性原始模块 其中 N 为正常运行状态 M 为计划检修状态 m 为临时检修状态 f 为误动状态 i 为接地或绝缘故障状态 st 为拒动状态 R 为故障修 复状态 需要注意的是 可自动分断开关的拒动状态包括操作时的拒动 未分闸和未合闸 和故障后的拒动 故障后应分闸而未分闸 两种情况 不可自动分断开关则只有操作时的拒动 操作时的拒动一般不会造成故 障的扩大 而且在运行中也很少发生 对可靠性指标的影响不大 在分 析时可以忽略不计 因此 本文中操作元件的拒动仅指故障后可自动分 断开关的拒动 包括由于继电保护不可靠使其它开关越级跳闸所造成的 拒动以及由于开关自身的原因所造成的拒动 如果系统实现自动化 则 继电保护不可靠所造成的影响可以在很短时间内消除 只考虑由于开关 自身原因所造成的拒动 该模型比较全面的考虑了操作元件的故障状态 然而 并非在任何 情况下都必须使用如此完备的模型 在进行配电系统可靠性分析时 这 种复杂模型是不实用的 考虑的因素太多会使问题的复杂性大大增加 因此有必要将模型进行简化 从故障的后果和影响来分析 在 16 m f i st R 五种状态下 都必须将该元件从系统隔离 必然会造 成相邻的操作元件的断开 直到其状态恢复正常为至 因此可以将此五 种状态合并为一种 故障修复状态 R 经过简化以后 最终可以得到操 作元件的三状态可靠性模型 具体的模型以及马尔柯夫状态方程与 2 2 1 节所描述的情况类似 2 2 3 负荷负荷 配电系统可靠性评估时 系统中的负荷与评估结果之间有密切的联 系 特别是当考虑元件电气极限容量和继电保护电流整定值约束 进行 故障后的网络重构时 事实上系统的可靠性是随着负荷的改变而发生变 化的 当前负荷的大小对其结果有着直接的影响 可以对负荷不相同的 各个时刻分别进行可靠性评估 并进一步得出 AASI 评估结果曲线 在本文的可靠性简化模型中 将开关看作是节点 将馈线段看作是 边 假设沿线电压和负荷的功率因数相近 可以近似采用电流反映负荷 将负荷作为节点和边的权 关于负荷的具体模型及计算在后文中叙述 2 32 3 系统的可靠性模型系统的可靠性模型 2 3 1 简单系统的可靠性模型简单系统的可靠性模型 串联和并联是配电系统中元件之间的最基本 最简单的连接关系 可靠性评估时 可以将串联系统或并联系统等效为一个元件进行计算 从而可以简化计算的复杂程度 1 串联系统的可靠性模型 2 配电系统可靠性评估指标及模型 串联系统是由两个或两个以上元件组成的系统 若其中任何一个元 件失效均构成系统失效 在串联系统中 必须所有元件同时完好 系统 才能正常工作 设图 2 一 2 是由 N 个元件组成的串联系统的可靠性网络 模型 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 求 17 出串联系统的等效参数 图 2 3 串联系统的可靠性模型 2 10 i 5 其中 i 1 分别表示串联系统中元件 i 的故障率 年 次 平 均故障修复时间 小时 s s 分别表示串联系统等效后的故障率 年 次 平均故障修复时间 小时 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组成的系统 必须是元件同时失 效才构成系统失效 或者说 只要其中一个元件完好 系统便算完好 图 24 表示 2 个独立元件组成的并联系统的可靠性网络模型 同样可以 通过马尔柯夫过程理论得到并联系统的可靠性计算公式以及等效参数 图 2 4 并联系统的可靠性模型 2 11 2121 rr 2 12 2121 rrrrr 其中 1 i 分别表示并联系统中元件 i 的故障率 年 次 平 均故障修复时间 小时 p p 今分别表示并联系统等效后的故障率 年 次 平均故障修复时间 小时 类似的 可以得到多元件并联系 统的可靠性计算公式及等效参数 2 3 2 复杂系统的可靠性模型复杂系统的可靠性模型 配电系统中的元件数目众多 而且相互之间的连接关系十分复杂 18 简单的串 并联等效也不能完全适用 因此 如果直接对整个系统进行 可靠性评估 计算量必将非常可观 对于部分特别复杂的系统 甚至很 难得到有效的结果 本文将建立配电系统的可靠性简化模型 并在评估 过程中引入最小配电区域的概念 最小配电区域是指相互连通的若干馈 线段构成的子网络 其外部端点全部为开关节点或末梢点 内部或者没 有端点 或者全部端点为 T 接点 配电开闭所 小区变中的 10kv 母线节 点也可看作广义的 T 接点 或末梢点 当最小配电区域中的任一元件发 生故障时 必然会造成整个最小配电区域停电 也即最小配电区域是故 障停电的最小范围 可以将每个最小配电区域都当作串联系统处理 因 此 建立了配电系统可靠性简化模型并进行最小配电区域分解后 可以 最小配电区域为单位依次设置故障并分析可靠性 关于可靠性简化模型的建立以及最小配电区域的分解在后文中有详 细的叙述 19 第第 3 3 章章 基于简化模型的配电系统可靠性评估基于简化模型的配电系统可靠性评估 3 13 1 配电系统供电可靠性评估的基本方法配电系统供电可靠性评估的基本方法 FaliuerMdoenadEeffctAnalssis FMEA 它是以系统中的每一 个元件为对象 分析其基本故障事件及后果 然后结合元件的可靠性数 据 求得所有的故障状态 综合形成系统的供电可靠性指标川 FMEA 法概念清晰 原理简单 但是具有计算过程繁琐 计算量大的不足 当 系统结构复杂 元件众多时 这个缺点尤为突出 因此 不少学者都对 FMEA 法进行了完善 并提出了多种改进方法 基于故障扩散的可靠性 评估方法就是其中比较常用和有效的一种 该方法首先利用前向搜索算 法确定断路器动作影响范围 利用故障扩散方法确定故障隔离的范围 从而可以确定节点的故障类型 根据受故障影响的时间不同 将所有节 点分为不受故障影响 受故障影响时间为隔离时间 受故障影响时间为 隔离时间加切换操作时间 受故障影响时间为故障修复时间 4 种类型 根据负荷点的类型便可求出其供电可靠性指标 并进一步求出整个系统 的供电可靠性指标脚邓 由于类型相同的负荷点可以一起进行计算 因此比较 FMEA 法而言 基于故障扩散的可靠性评估方法的计算效率有 了明显的提高 但是对于复杂系统 直接使用该方法仍然具有一定的难 度 而且该方法没有深入考虑母线和开关的故障对于供电可靠性指标的 影响 本章将在总结前人研究成果的基础上进一步发展 建立配电系统 可靠性简化模型 并以最小配电区域为单位进行供电可靠性评估 在评 估过程中 深入考虑了母线和开关的故障以及系统的检修对于供电可靠 性指标的影响 3 23 2 配电系统的可靠性简化模型配电系统的可靠性简化模型 文献 251 和 27 提出了一种基于图论的配电系统简化模型 将开 关 包括断路器 负荷开关 隔离开关 熔断器等 T 接点和末梢点看 20 作是节点 而将馈线段看作是边犷但是该模型仅描述到主变电站的 10kv 出线 并且没有考虑有关供电可靠性计算的数据 本文将对该模 型进行补充 将上一级电源 或系统 以及各个主变电站的 10kv 母线也 当作节点 并根据供电可靠性评估的需要 增加了节点类型 补充了各 负荷点 负荷点也作为末梢点 以及其它一些与供电可靠性计算有关的数 据 在建立模型时 先将两个相邻节点之间的所有元件按 2 10 2 13 进 行串 并联等效 从而简化了模型的复杂程度 在此基础上可以建立配 电系统的可靠性简化模型 具体地 1 定义 N 行 5 列的网基邻接表 DT 反映网架结构 其中的元素 di 描述节点 i 的类型 其取值可以为 0 1 2 3 4 5 6 或 7 分别表 示该节点是上一级电源系统 的等效点 源点 即主变电站 10kv 出线开 关 通常是断路器 可自动分断开关节点 断路器 熔断器等 隔离 开关节点 负荷开关节点 T 接点 末梢点 负荷点 或母线节点 而描 述节点 i 是否过负荷 若过负荷则 dzi l 否则 dzi 0 Dsi 5 描述和 各节点邻接的节点的序号 如果节点 vi 和节点 kv 场和 nv 相邻接 则 di 3k 试 4m di sn 在 DT 中的空闲的位置填 1 2 定义 N 行 5 列的网形邻接表 CT 反映当前的运行方式 其中的元素 cli 描述节点 i 所处的状态 一般的 上一级电源的等效点 母线节点 T 接点均认为处于合闸状态 末梢点 联络开关节点均认为处于分闸状 态 1 表示合 0 表示分 对于母线节点 Cli 5ci 中的元素无意义 可填 1 对于其他节点 2cl 和 3cl 分别表示以节点 i 为终点的有向边 即 弧 其方向为相应馈线段上潮流的方向 的起点序号 4ci 和 5ci 描述以相应的节点为起点的弧的终点序号 在 CT 中的空闲位置填 1 3 定义 N 行 4 列的故障率邻接表 AT 反映各节点和边的故障率 其中 的元素击 描述节点 i 的故障率 而一彻描述以相应的节点为端点的边的 故障率 在 AT 中的空闲位置填一 1 故障率邻接表 AT 中元素的顺序和 网基结构邻接表 DT 的第三列至第五列对应的边的顺序一致 21 4 定义 N 行 4 列的平均故障修复时间邻接表 RT 反映各节点和边的平 均故障修复时间 其中的元素 911 描述节点 i 的平均故障修复时间 即 卜 914 描述以相应的节点为端点的边的平均故障修复时间 在 RT 中的空 闲位置填一 1 平均故障修复时间邻接表 RT 中元素的顺序和网基结构 邻接表 DT 的第三列至第五列对应的边的顺序一致 5 定义 N 行 1 列的检修率邻接表 AT 反映各主变电站 10kv 母线节点 及与其相连的主变压器 和各配电线路的计划检修率 配电线路的参数 反映到相应的源点上 在 AT 中的空闲位置填 1 6 定义 N 行 1 列的检修平均持续时间邻接表 RT 反映各主变电站 10kv 母线节点和各配电线路的检修平均持续时间 在 RT 中的空闲位置 填 1 7 定义 N 行 1 列的用户数邻接表 NT 反映各负荷点所供用户的数量 在 NT 中的空闲位置填 1 8 定义 N 行 1 列的平均负荷邻接表 ALT 反映各负荷点的平均负荷 在通尤 T 中的空闲位置填 1 9 定义 N 行 1 列的开关拒动概率邻接表 PT 反映各开关节点发生拒动 的概率 在 PT 中的空闲位置填 1 10 定义 N 行 1 列的开关操作时间邻接表 TT 反映各开关节点的操作 时间 在 TT 中的空闲位置填 1 l l 定义主变电站 10kv 母线与源点 1kov 出线开关 对应关系表 B T 巧表示与母线 i 相连的源点的序号 在 BT 中的空闲位置填 13 基 于简化模型的配电系统可命性评估注意 该模型考虑了上一级电源 或 系统 的影响 如果不需要考虑 可以将对应的有关参数设为 0 图 3 1 所示为一个典型配电系统及其可靠性简化模型 其中 LP1 LP16 为负荷点 22 a 一个典型的配电系统 b 可靠性简化模型 图 3 1 一个典型配电系统及其可靠性简化模型 3 33 3 基于简化模型的基本处理基于简化模型的基本处理 3 3 1 连通系及其分解连通系及其分解 在配电系统中 不考虑源点间由母线构成的联系时 具有潜在连通 关系的子系统称为连通系 图 3 2 所示为一个具有两个连通系的配电系 统 其中 连通系 1 中包含 9 个节点 即节点 l 2 3 4 5 6 7 8 9 连通系 2 中包含 4 个节点 即节点 23 10 11 12 13 连通系取决于网架结构而与运行方式无关 根据某个 配电系统的网基邻接表 DT 可 连通系的分解可基本沿用文献中描述的 方法 在发生故障或检修时 受影响的健全区域内的负荷可以转移到同 一个连通系中的其他电源点上 而不同连通系中的负荷则不能相互转移 因此对于供电可靠性的分析可以分连通系进行 这样可以大大减少计算 量 图 3 2 一个包含两个连通系的配电系统 3 3 2 最小配电区域及其分解最小配电区域及其分解 最小配电区域 以下简称 区域 是指相互连通的若干馈线段构成 的子网络 区域的外部端点全部为开关节点或末梢点 其中潮流流入的 端点称为该区域的入点 其余端点称为出点 区域的内部或者没有端点 或者全部端点为 T 接点 配电开闭所 小区变中的 10kv 母线节点也可看 作广义的 T 接点 或末梢点 当区域中任一元件故障时 必然会造成整 个区域停电 因此 区域是故障以及停电的最小范围 可以区域为单位 分析供电可靠性 从某个最小配电区域的入点 各个出点 或元件 x 出发 逆 顺 着潮流方向搜索 可以得到一个由相邻区域或元件构成且不包括 x 本身的集合 称做 x 的上 下 游 其中的各个最小配电区域或元件称 24 作 x 的上 下 游区域或元件 定义入点为开关节点或熔短器节点且所有 出点都处于分闸状态 末梢点或联络开关节点 的最小配电区域为末梢区 域 显然 末梢区域没有下游 当其入点为可自动分断开关且动作可靠 时 末梢区域内故障只影响其本身包含的用户 而对其他用户没有影响 最小配电区域的分解可基本沿用文献中描述的方法 注意应该将配电开 闭所以及小区变中的 10kv 母线节点包含在内 在配电系统的初始状态 下 正常运行方式 进行最小配电区域分解后保存其结果并对各区域编 号 所有的分析及计算都以此为基础 所以 最小配电区域的分解只需 要进行一次即可 图 3 3 为图 3 1 所示配电系统的最小配电区域分解结 果 虚线框 l 碑 12 为其最小配电区域 其中 l 6 8 l0 12 最小配电区域为末梢区域 7 和 9 最小配电区域为非末梢区域 图 3 3 一个典型配电系统的最小配电区域 3 3 3 区域可靠性参数的等效计算区域可靠性参数的等效计算 区域是故障的最小范围 当其中中任一元件故障时 必然会造成整 个区域停电 因此供电可靠性评估时 每个区域都相当于一个串联系统 可以求出其等效参数 根据公式 2 10 2 11 最小配电区域 p 的等效故 25 障率人 p 和等效平均故障修复时间 p 分别为 3 1 kpp 其中 p 是最小配电区域 p 包含的边的集合 3 3 4 故障或检修的设置故障或检修的设置 故障或检修的设置就是在初始状态 正常运行方式 下 假设配电系 统中的元件发生故障或检修 系统中的元件包括母线 开关及馈线段 变压器等其它元件已经在建模时通过等效归算到其所在的馈线段上 由于馈线段以及配电开闭所 小区变中的 10kv 母线包含在区域内 只 需依次设置各个区域 主变电站 10kv 母线以及开关的故障即可 一般 的 在系统的实际运行中 一条配电线路上的元件同时检修 主变电站 10kv 母线及主变压器的检修一并进行 因此检修的设置以各配电线路 为单位 主变电站 10kv 母线及主变压器需要另外考虑 设置故障或检 修后 可以根据开关状态变化的真实情况 通过改变初始状态的网形邻 接表 CT 第一列中对应元素的值虚拟开关的状态变化并进行网络拓扑 3 3 5 网络拓扑网络拓扑 故障或检修后 系统的运行方式以及潮流方向会发生改变 网络拓 扑就是根据配电网架结构 DT 和开关的当前状态 CT 第一列 求出配电 系统的运行方式 CT 其余各列 的过程 网络拓扑跟踪完成后 CT 中的 非 0 元素反映得到供电的有向边 其方向就是潮流的方向 网络拓扑可 基本采用文献 271 描述的步骤 只是注意主变电站的 10kv 母线节点不 参与 因为事先已经定义好了 26 第第 4 4 章章 简化模型的配电系统供电可靠性评估方法简化模型的配电系统供电可靠