配电系统的可靠性分析.doc

配电系统的可靠性分析【摘要】提出一种基于最小路的配电系统可靠性评估算法。该算法同时考虑最小路上元件和非最小路上元件对负荷点可靠性指标的影响, 并能为工程技术人员找出网络中最薄弱环节及采取相应的增强措施提供了参考。实际计算验证了该方法的有效性。【关键词】配电系统可靠性最小路0引言配电系统可靠性的研究始于本世纪60 年代, 其起步晚于发电和输电系统的可靠性研究。可是, 随着人们对配电系统在供电可靠性中地位的认识和大量的配电系统投资, 配电系统的可靠性研究得到了迅速的发展。目前, 在工业发达国家, 可靠性评估已成为配电系统规划决策中的一项常规性工作。国内, 对配电系统可靠性的研究始于80 年代初期, 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, 由于电力供需矛盾日益突出和电力企业管理工作的不断发展和深化, 供电可靠性在生产管理工作中所占的位置也越来越重要。在1995 年电业生产事故调查规程中, 10kV用户供电可靠率已列入供电安全考核项目之中。这不仅提高了人们对配电系统可靠性的重视程度, 也对配电系统可靠性评估方法提出了新要求, 由此本文对配电系统的可靠性模型和评估算法进行了探讨, 提出一种基于最小路的快速评估算法, 进而讨论了网络结构及设备可靠性对系统可靠性的影响及相应的增强措施。1评估算法的模型及指标1. 1元件的可靠性模型对于配电变压器、架空线路、电缆、隔离开关、熔断器等元件, 采用三状态模型模拟, 如图1 所示。图1元件的三状态模型N正常运行状态; R计划检修状态; F故障停运状态; K检修率; L计划检修修复率; K故障率; L故障修复率对断路器而言, 要真实描述各种故障条件下开关功能, 则需要较为复杂的模型。但是, 当评估配电系统负荷点的可靠性指标时, 可以对其模型进行简化。这一简化模型的主要假设为:( 1) 断路器成功断开概率为1; ( 2) 断路器断开失败的概率为0; ( 3) 断路器开路的概率忽略不计。由于配电系统中, 断路器断开失败和开路的概率通常很小, 它们对评估结果的影响也很小, 因此, 以上假设是成立的。那么, 断路器的模型如表1 所示。表1断路器模型状态模拟方法误开路把断路器视为系统的元件, 并把误开路的指标划归给它自行清除短路在母线侧短路将断路器母线侧的短路指标同它所联接的母线的可靠性指标相组合在线路侧短路将断路器线路侧的短路指标划归给所考虑的断路器非自行清除短路在母线侧短路将断路器母线侧的短路指标同它所联接的母线的可靠性指标相组合在线路侧短路将断路器母线侧的短路指标同它所联接的母线的可靠性指标相组合注: 表中自行清除短路的含义为断路器能清除它自身的短路; 非自行清除短路的含义为短路不能通过断路器本身的动作而得到清除。1. 2可靠性指标本文采用以下指标评估电力系统的可靠性: ( 1)各负荷点及系统的平均停运率K, 平均停运持续时间r , 年平均停运时间u; ( 2) 各负荷点及系统缺电时间期望值LOLE, 电量不足期望值EENS; ( 3) 为了反映系统停运的严重程度和重要性, 还采用以下指标: 系统平均断电频率SAIFI, 平均断电持续时间SAIDI, 用户平均断电持续时间CAIDI, 供电可靠率ASAI, 不可靠率ASUI, 以及平均电量不足AENS。2评估算法2. 1基本原理目前, 我国的配电系统多为辐射形。其可靠性指标可以按以下公式计算:Ks = is(Ki + Ki ) ( 1)us = is( Kir i + Ki ri ) ( 2)rs =usKs =is(Ki r i + Ki r i ) is(Ki + Ki )( 3)式中Ks系统的平均停运率, 次/ a ;us系统的平均年停运时间, h/ a;r s系统的平均停运持续时间, h/ 次;Ki 元件的故障率, 次/ a;Ki 元件i 的检修停运率, 次/ a;ri 元件i 的平均故障修复时间, h/ 次;ri 元件i 的平均检修持续时间, h/ 次。2. 2评估算法配电系统的基本可靠性指标Ks , r s , us 按公式( 1) ( 3) 计算, 其他可靠性指标均可根椐以上指标求得。但是, 在实际的工程应用中, 由于网络结构及系统配置的不同, 系统中各个元件参与计算的方式也不同, 这就为实际应用带来了一定的困难。因此,本文结合系统的实际配置, 提出了一种基于最小路的快速评估方法。其基本思路是: 对每一负荷点求取其最小路, 根据网络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节点上; 从而对每个负荷点的可靠性指标, 仅对其最小路上元件与节点进行计算即可。算法考虑了分支线保护、隔离开关、分段断路器及计划检修的影响,并且能够处理有无备用电源和有无备用变压器的情况。下面以一简单的辐射形系统来介绍评估的具体方法, 如图2。图2简单辐射形配电系统首先, 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: 最小路上元件和非最小路上元件。对于最小路上元件, 处理原则为: ( 1) 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, 参与计算的是元件停运率( 即故障率与计划检修率之和) 和停运时间。( 2) 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后段负荷点停运时间仅为maxS, 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, 前段元件的检修不会引起后段负荷点的停运。以图2 为例, 主馈线1 故障, 负荷点2 的停运时间仅为max S, T , 如果主馈线1检修, 负荷点2 不停运。除此之外, 最小路的元件停运, 均会引起负荷点的停运, 参与计算的为元件停运率和停运时间, 即图2 中主馈线2, 分支线b 的停运都会造成负荷点2 的停运。对于非最小路上的元件, 先根椐系统的结构, 将其对负荷点可靠性指标的影响折算到相应的最小路节点上, 然后按上述方法处理即可。如图2 所示, 对于负荷点2, 分支线a 的影响可以折算到节点A 上,主馈线3、4 和分支线c、d 的影响折算到节点B 上,这样非最小路上元件的影响便转化为最小路上的节点A、B 的等效可靠性指标, 此时按照上面所讲的原则对A、B 进行处理即可。非最小路上的元件按以下原则计算: ( 1) 对于分支线, 如果其首端装有熔断器,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。( 2) 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, 并且后段元件的检修不会引起前段负荷点的停运。以图2 为例, 即主馈线3、4故障, 负荷点2 的停运时间仅为隔离开关或分段断路器的操作时间, 并且3、4 检修, 负荷点2 不停运。此外, 计算过程中记录了每个元件对负荷点可靠性指标的贡献, 这可以为分析系统的薄弱环节, 采取相应的增强措施提供有益的参考。图3评估算法流程3算例及分析表2各种接线方式下系统的可靠性指标接线方式SAIFI 次/ ( 户年) SAIDIh / ( 户年) CAIDI h/ ( 户次) ASAI ASUI ENS(kWh / a)AENS kWh/ ( 户年) 1 0. 248 3. 61 14. 55 0. 999 588 0. 000 412 37 746 19. 782 0. 602 22. 5 37. 48 0. 997 432 0. 002 568 231 263 121. 23 0. 248 4. 16 16. 77 0. 999 525 0. 000 475 43 825 22. 974 0. 602 6. 74 11. 19 0. 999 231 0. 000 769 67 197 35. 225 0. 248 0. 77 3. 08 0. 999 913 0. 000 087 8 844 4. 646 0. 602 9. 93 16. 49 0. 998 866 0. 001 134 149 188 78. 193. 1算例本文以RBT S 母线2 的配电系统为例, 应用所提出的方法对其进行了可靠性评估计算。该系统有33 kV 变电所一座, 出线4 条, 负荷点22 个, 用户190 8 户, 总平均负荷12. 291 MW。系统接线如图4所示。图4RBTS 母线2 的配电系统计算结果如表2 所示。表中给出了6 种不同的接线方式下系统的可靠性指标。表中, 各种接线方式为: 1主馈线上装有隔离开关, 有分支线保护, 有备用电源, 变压器无备用;2主馈线无隔离开关, 无分支线保护, 无备用电源,变压器无备用; 3主馈线上无隔离开关, 有分支线保护, 无备用电源, 变压器无备用; 4主馈线上装有隔离开关, 无分支线保护, 有备用电源, 变压器无备用; 5主馈线上装有隔离开关, 有分支线保护, 有备用电源, 变压器有备用; 6主馈线上装有隔离开关,无分支线保护, 无备用电源, 变压器无备用。3. 2可靠性指标的分析根据各个元件对可靠性指标的贡献, 可以找出网络的最薄弱环节, 并依此采取相应的增强措施。以图4 所示的配电系统为例, 分析计算结果, 可以得到:3. 2. 1网络结构是影响系统可靠性的重要因素从表2 的计算结果可以看出, 对于同一网络, 不同的接线方式, 其可靠性指标也大不相同。对于可靠性较低的网络, 可以采取一定的增强措施, 如加装隔离开关、加分支线保护、增加备用电源等来提高网络的可靠性。表2 中接线方式2 的可靠性指标最差, 这是因为该方式没采取任何提高系统可靠性的措施。方式3 与方式2 相比, 方式3 在分支线首端加装了熔断器, 减少了保护区内故障对区外负荷点的影响, 使系统的可靠性指标显著改善, 供电可靠率提高了0. 21 个百分点。方式6 与方式2 相比, 方式6 在各主馈线的始端加装了隔离开关, 使得电源点与隔离开关之间的负荷点仅经过开关的开断时间就恢复供电, 因此, 系统每次停电所持续时间CAIDI 大大减小, 降低了56. 1 个百分点, 同时供电可靠率提高0. 14 个百分点。方式4 与方式2 相比, 方式4 在加装隔离开关的基础上, 又增加了备用电源。此时, 当隔离开关前发生故障, 隔离开关使前后两段隔离, 备用电源投入后即可使后段恢复供电, 提高了后段可靠性。从计算结果来看, 供电可靠率提高0. 18 个百分点。1997 5 30表3变压器可靠性对系统可靠性指标的影响SAIFI 次/ ( 户年) SAIDI( h / ( 户年) CAIDI ( h/ ( 户次) ASAI ASUI ENS kWh / aAENS kWh/ ( 户年) 变压器可靠0. 239 0. 62 2. 58 0. 999 929 0. 000 071 7 038 3. 70变压器不可靠0. 248 3. 61 14. 55 0. 999 588 0. 000 412 37 746 19. 78以上分析表明: 加熔断器, 可以减少保护区内的故障对区外负荷点的影响; 加隔离开关, 可以增加隔离开关前负荷点的可靠性; 设备用电源, 可以提高后段的可靠性, 因此要根据网络的实际情况, 确定合理、有效的网络结构, 以提高系统的可靠性。3. 2. 2设备可靠性对系统可靠性的影响不可忽视配电设备是组成配电系统的基本要素, 因此, 提高配电设备的可靠性对提高系统的可靠性起着显著的作用。以配电变压器为例来说明这一问题。在图4 所研究的系统中, 如果配电变压器是完全可靠的,系统的可靠性指标如表3 所示( 以接线方式1 为例) 。从表3 可以看出, 如果不考虑配电变压器的故障率, 系统的可靠性大幅度提高, 供电可靠率达到99. 992 9% 。但是, 在实际情况中, 配电变压器不可能完全可靠, 因此, 可设一台备用变压器, 当配电变压器发生故障时, 以完好备用的变压器代替故障变压器, 由于变压器的更换时间远小于变压器的故障修复时间, 所以此时系统的可靠性指标也比较理想。设备可靠性对系统可靠性的影响相