5电力系统规划与可靠性--配电系统可靠性评...

1、 多类型新能源发电综合消纳的关键技术电力系统规划与可靠性电力系统规划与可靠性配电系统可靠性评估配电系统可靠性评估Distribution System Reliability Evaluation课程承担：华北电力大学课程承担：华北电力大学输配电输配电研究所研究所任课教师：刘文霞任课教师：刘文霞电子邮件：电子邮件： North China Electric Power University North China Electric Power University 配电系统主要指10-110kV网络。 配电网的一些特点： 配电系统是由许多特有的元件所组成，例如，架空裸线、架空电缆、地理电缆、断

2、路器、空气开关、熔断器、变压器、调压器等； 根据现有设计标准，配电系统为冗余系统，即任一元件的故障均可采用手动或自动的切换方式使用户不致长期断电。 由于配电系统的结构往往比较复杂，为了运行方便，一般采用环形网络开环运行（形成辐射型）1. 概概 述述 North China Electric Power University1. 概概 述述 配电网可靠性：指供电点到用户，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系统及设备按可接受标准和期望数量满足用户电力和电能量需求之能力的度量。 配电网可靠性评价目的：主要是为了评估配电系统的充裕性。 对用户而言，任何一个用户均希望对它能充分保证供电

3、，不受到停电的影响，因此他们感兴趣的可靠性指标显然是服务质量； 对供电部门而言，感兴趣的指标是对系统所有用户的平均服务质量或最差供电指标。 配电网可靠性的工作，可分为两个基本方面，即量度过去的性能和预测未来的行为。即一方面对现有已运行的配电网进行历史的可靠性的统计、分析及评价，它是整个配电系统可靠性评价中极为重要的部分；另一方面，为了设计、规划和建立新的系统，或扩大、改造和发展现有系统供电能力而进行可靠性预测评估。 North China Electric Power University1. 概概 述述 可靠性统计、分析及评价是可靠性预测评估的基础。只有了解了现有配电系统及其设备、元件可靠性

4、的特性数据，才有可能进行配电网可靠性的预测评估。反之，可靠性的预测评估则是可靠性统计、分析及评价的深化和发展。只有通过可靠性的预测评估，并以此进行设计、规划和改造，才有可能从根本上改善配电网的可靠性。两者密切相关，相辅相成，是配电系统可靠性不可缺少的两个重要方面。 因此，配电网可靠性研究，用通俗的话来说，就是要通过对配电网可靠性进行历史的统计计算、分析和评价，来确定现有系统问题的所在，并通过对过去的计算预测未来，然后以预测来对运行情况进行比较，从而把可靠性推进到更高的阶段。在整个过程中，还涉及到如何合理地使用费用的问题。因此，配电网可靠性的评价实际上就是对整个配电网及其设备进行历史和未来的技术

5、和经济的综合评价。 North China Electric Power University1. 概概 述述评估原理：1.故障模式影响分析法(failure mode and effect analysis，FMEA) 根据选定的可靠性准则，将配电系统划分为完好和故障两类状态，然后根据故障状态计算出相应的可靠性指标的分析方法。故障准则：供电连续性遭破坏(停电)为故障状态。具体做法：建立故障模式影响分析表，查清每个基本故障事件及其影响，然后加以综合分析，计算出可靠性指标。适用于放射状网络，及可转供的复杂网络分析。复杂网络特点：各馈电线均有负荷点；馈点通过正常断开点彼此相连或与其他电源相连；负荷

6、可以转移；故障将会引起局部或全部断电。 North China Electric Power University2.配电网可靠度配电网可靠度预测分析法预测分析法引入联络率和可转供率的概念。表示馈电各区段联络程度的指标，描述了故障时线路的倒送能力；1表示该馈电线可以切换。表示负荷有效切换的指标，是馈线发生故障时所有各区段是否都可切换的判据；1. 概概 述述 North China Electric Power University1.1. 用户用户平均停电频率指标平均停电频率指标：CAIFI，customer average interruption frequency index2.2. 用

7、户平均停电持续时间指标用户平均停电持续时间指标：CAIDI，customer average interruption duration index3.3. 系统平均停电频率指标系统平均停电频率指标：SAIFI，system average interruption frequency index4.4. 系统平均停电持续时间指标系统平均停电持续时间指标：SAIDI，system average interruption duration index-RS 5.5. 平均供电可用率指标平均供电可用率指标：ASAI，average service availability index6.6. 平

8、均供电不可用率指标平均供电不可用率指标：ASUI，average service unavailability index我国统计指标我国统计指标-供电可靠性标准供电可靠性标准 North China Electric Power University设某配电系统从六段母线引出六条主馈电线，共有55000个用户。每条馈线供电的用户数以及某年的用户停电数据如表所示。母线母线馈电线供馈电线供电用户数电用户数A5000B15000C10000D10000E7000F8000总计总计55000停电情况停电情况用户停电次数用户停电次数持续时间持续时间/h1A 5000 D 1000*1.00.22C 5

9、0002.03B 40000.54D 2000*1.75用户停电总数用户停电总数17000受停电影响用户数受停电影响用户数16000*表表1 配电系统数据配电系统数据表表2 用户停电数据用户停电数据*在停电情况在停电情况1和和4中，有些用户是通过母线中，有些用户是通过母线D引出的馈线引出的馈线供电的。因此在停电情况供电的。因此在停电情况4中加上中加上1000个受停电影响的新个受停电影响的新用户，总停电次数为用户，总停电次数为17000次，实际影响用户为次，实际影响用户为16000个。个。 North China Electric Power University1. 系统平均停电频率指标系统平

10、均停电频率指标SAIFI：指每个由系统供电的用：指每个由系统供电的用户在每个单位时间内的平均停电次数。户在每个单位时间内的平均停电次数。SAIFI17000/550000.31 次次/用户用户.a2. 用户平均停电频率指标用户平均停电频率指标CAIFI：指每个受停电影响的用：指每个受停电影响的用户在单位时间内经受的平均停电次数。户在单位时间内经受的平均停电次数。CAIFI17000/160001.06 次次/停电用户停电用户.a3. 系统平均停电持续时间指标系统平均停电持续时间指标SAIDI：每个由系统供电的：每个由系统供电的用户一年内经受的平均停电持续时间。用户一年内经受的平均停电持续时间。

11、Ttl5000601000125000120 4000302000105 1242000 minSAIDI1242000/5500022.58 min/用户用户.a North China Electric Power University4. 用户平均停电持续时间指标用户平均停电持续时间指标CAIDI：一年中被停电的：一年中被停电的用户平均停电持续时间。用户平均停电持续时间。CAIFI1242000/1600077.63min/停电用户停电用户.a5. 平均供电可用率指标平均供电可用率指标ASAI：一年中用户经受不停电：一年中用户经受不停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。小时总数与用户

12、要求的总供电小时数之比。ASAI11242000/(55000876060)0.9999576. 平均供电不可用率指标平均供电不可用率指标ASUI：一年中用户的累积停：一年中用户的累积停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。ASUI1242000/(55000876060)0.000043显然，有显然，有ASUI1ASAI North China Electric Power University3. 3. 分析方法: 建立故障模式及后果分析表，即查清每个基本故障事件及其后果，然后加以综合。进行故障分析的3个指标：v 负荷点故障率：（次/a）；v 负荷

13、点每次故障平均停电持续时间：r（h/次）；v 负荷点的年平均停电时间：U（h/a） 对于对于n n个串联可修复元件个串联可修复元件(5.4) (5.3) (5.2) 1111niiiniiniiiniirUrr对于两个并联可修复元件对于两个并联可修复元件(5.7) (5.6) /(5.5) 21212121rUrrrrrrr North China Electric Power University 典型放射状配电系统典型放射状配电系统（F1F2F3DS1DS2CB2km2km3km3km1km1kmABC图图11.1 放射状配电系统放射状配电系统注：CB配电干线断路器；F熔断器 DS隔离开关

14、；A，B，C负荷点名称名称故障率故障率(次次/km.a)平均故障修平均故障修复时间复时间r/h供电干线供电干线0.13.0分支线分支线0.251.0DS1，DS2 操作时间操作时间/h0.5负荷点供负荷点供电用户数电用户数A250B100C50表表1 元件的可靠性指标元件的可靠性指标断路断路器器熔断熔断器器隔离隔离开关开关负荷负荷点点 North China Electric Power University（F1F2F3DS1DS2CB2km2km3km3km1km1kmABC元元 件件负荷点负荷点A负荷点负荷点B负荷点负荷点C/(次次/a)r/hU(h/a)/(次次/a)r/hU(h/a)

15、/(次次/a)r/hU(h/a)供供电电干干线线2km段段0.23.00.60.23.00.60.23.00.63km段段0.30.50.150.33.00.90.33.00.91km段段0.10.50.050.10.50.050.13.00.3分分支支线线3km段段0.751.00.752km段段0.51.00.51km段段0.251.00.25总总 计计1.351.151.551.11.862.050.852.412.05 故障模式及后果分析故障模式及后果分析名称名称故障率故障率(次次/km.a)平均故障修复平均故障修复时间时间r/h供电干线供电干线0.13.0分支线分支线0.251.0D

16、S1，DS2 操作时间操作时间/h0.5负荷点供电的负荷点供电的用户数用户数A250B100C50 North China Electric Power University 典型放射状配电系统根据表中数据，可以计算出其他可靠性指标：v 年用户停电次数：ACI2501.351001.1500.85490 次/av 用户停电持续时间：CID2501.551002.05502.05695 h/av SAIFI490/4001.225 次/用户.av SAIDI695/4001.7375 h/用户.av CAIDI695/4901.4184 h/停电用户.av ASUI695/(4008760)0.

17、000198v ASAI1ASUI0.999802 North China Electric Power University4. 配电系统典型结构的可靠性分析配电系统典型结构的可靠性分析 配电系统的典型结构配电系统的典型结构CADBE图图11.2 单回路放射结构图单回路放射结构图 (结构结构A)ECADB图图11.3 有备用电源的放射结构图有备用电源的放射结构图 (结构结构B)ASBACDE图图11.4 环式结构图环式结构图 (结构结构C)F(开环点开环点)图图11.5 并联结构图并联结构图 (结构结构D)ABCDES1S2开关开关闭合闭合开关开关断开断开所有元件串联所有元件串联 备用电源通

18、过正常备用电源通过正常断开的隔离开关或断断开的隔离开关或断路器与主馈线连接路器与主馈线连接两回电源同时工作，可以开环或闭环运行两回电源同时工作，可以开环或闭环运行 North China Electric Power University.4 配电系统典型结构的可靠性分析配电系统典型结构的可靠性分析 配电系统配电系统典型结构的可靠性分析典型结构的可靠性分析计算参数：计算参数：v非操作设备非操作设备 主要考虑持续性强迫停运，主要考虑持续性强迫停运，用元件的故障率用元件的故障率和修复时间和修复时间r表示。表示。 线路长度均为线路长度均为3km，0.1次次/km.a， r3h/次；次； 负荷大小均为

19、负荷大小均为1000kW，每个负荷点用户数均为每个负荷点用户数均为1个负荷；个负荷； 暂不考虑预安排停电。暂不考虑预安排停电。v操作设备操作设备 隔离开关操作时间：隔离开关操作时间：t0.5h； 短路故障：短路故障：0.01次次/a，r5h/次；次； 误分闸事故率：误分闸事故率：FT0.01次次/a； 拒分闸概率：拒分闸概率：PS0.001； 拒合闸概率：拒合闸概率：PC0.001； 保护越级误分闸概率：保护越级误分闸概率：P00.01； 手动切换开关操作时间：手动切换开关操作时间：t10.5h； 自动切换开关操作时间：自动切换开关操作时间：t20.05h。 在以上假设情况下，计算各种结构的可

20、靠在以上假设情况下，计算各种结构的可靠性指标见表性指标见表5.6和表和表5.7。 North China Electric Power University4. 配电系统典型结构的可靠性分析配电系统典型结构的可靠性分析各种各种结构用户可靠性指标结构用户可靠性指标各种结构各种结构节点节点A节点节点B节点节点C节点节点D节点节点E次次/aUh/a次次/aUh/a次次/aUh/a次次/aUh/a次次/aUh/a结构结构A：单回路放射式：单回路放射式1.812.451.813.21.813.951.814.71.812.45结构结构B：手动切换：手动切换0.5h1.811.851.812.001.81

21、2.151.812.301.812.45结构结构C：正常开环，手动切换：正常开环，手动切换0.5h0.3460.3970.6680.5120.3580.4030.6580.5530.9480.651结构结构C：正常开环，自动投入：正常开环，自动投入0.05h 0.3460.2620.6680.2270.3580.2620.6590.2770.9480.241结构结构C：正常闭环：正常闭环0.0360.1970.0360.1950.0360.1970.0360.1970.0360.195结构结构D：双电源结构：双电源结构0.0460.2230.0450.2250.0460.2250.0460.1

22、960.0360.196表表11.7 各种结构系统可靠性指标各种结构系统可靠性指标各种结构各种结构SAIFI次次/用户用户.aSAIDIh/用户用户.aASAI%ENSkW.h/aAENSkW.h/用户用户.a结构结构A：单回路放射式：单回路放射式1.813.9599.954917950.03950.00结构结构B：手动切换：手动切换0.5h1.812.1599.975510750.02150.00结构结构B：自动投入：自动投入0.05h1.810.89799.98985350.03891.67结构结构C：正常开环，手动切换：正常开环，手动切换0.5h0.5960.50399.99422516

23、.02503.204结构结构C：正常开环，自动投入：正常开环，自动投入0.05h0.5860.25499.99711269.85253.97结构结构C：正常闭环：正常闭环0.0360.19699.9977981.64196.33结构结构D：双电源结构：双电源结构0.0420.21399.99751065.86213.172 North China Electric Power University 配电系统配电系统典型结构的可靠性分析结论：典型结构的可靠性分析结论：1)1) 单电源供电单电源供电的放射式配电系统，在元件可用率确定的条件下，系统串联的元件越多，失效的概率就越大，系统可用率就越低。

24、2)2) 有备用电源的放射状系统有备用电源的放射状系统，不论备用电源的投入方式如何，其负荷点的故障率均与单回路放射式结构相同。但负荷点的每次故障平均停电持续时间及平均停电时间将会缩短，其缩短时间取决于备用电源倒闸操作的时间。自动投入方式会大大缩短用户停电时间。3) 配电系统接入备用电源后，对改善干线某端用户的供电质量效果明显。其效果与备用电源的载荷能力有关。4) 配电系统因限制短路电流和简化继电保护的需要，常为开环运行方式，负荷在某一时刻只能从一个电源获取电源。当开环的两个系统之一方式故障时，切除故障部分，并以此作为新的断开点恢复系统的运行。5) 环网供电系统负荷的可用率，随着其与电源点的远近

25、变化，位于两电源中心的负荷可用率最低。环网结构与双电源结构的可靠性相近，而投资较少，是一种较好的结构。 North China Electric Power University5.5.各种各种影响因素分析影响因素分析1. 算例及计算结果算例及计算结果2. 分支线保护的影响分支线保护的影响3. 隔离开关的影响隔离开关的影响4. 保护系统故障的影响保护系统故障的影响5. 转移负荷的影响（转移不受限制）转移负荷的影响（转移不受限制） North China Electric Power University1 1. . 算算例及计算结果例及计算结果负荷点用户数连接的平均负荷（千瓦）A1000500

26、0B8004000C7003000D5002000r元件长度（公里） （次/年） （小时）线段120.24210.14330.34420.24分支线a10.22b30.62c20.42d10.22系统可靠性参数系统可靠性参数系统的用户和负荷系统的用户和负荷 North China Electric Power University计算结果元件故障负荷点A负荷点B负荷点C负荷点DrU rUrUrU 线段10.240.80.240.80.240.80.240.820.140.40.140.40.140.40.140.430.341.20.341.20.341.20.341.240.240.80.2

27、40.80.240.80.240.8分支线a0.220.40.220.40.220.40.220.4b0.621.20.621.20.621.20.621.2c0.420.80.420.80.420.80.420.8d0.220.40.220.40.220.40.220.4总计2.22.7362.22.7362.22.7362.22.736 North China Electric Power University 可靠性指标： 断电次数/用户年； 小时/用户年； 小时/用户； 千度/年 ， 度/用户年；2 . 2SAIFI0 . 6SAIDI73. 2CAIDI000685. 0ASUI99

28、9315. 0ASAI84ENS28AENS North China Electric Power University2. 分支线保护的影响分支线保护的影响 在每条分支线的T接点加装熔断器。这时，分支线短路使相应的熔丝烧断，这将会在故障清除前使这一负荷点开断，但不影响即不会导致其他任何负荷点开断。 在这种情况下，所有负荷点的可靠性指标都得到了改善，尽管对每个负荷点改善的程度是不同的。最不可靠的负荷点是B，这是因为故障主要影响该分支线。系统可靠性指标为： 断电次数/用户年； 小时/用户年； 小时/用户； 千度/年， 度/用户年；15. 1SAIFI91. 3SAIDI39. 3CAIDI000

29、446. 0ASUI999554. 0ASAI8 .54ENS3 .18AENS999315. 0ASAI North China Electric Power University分支线保护的影响元件故障负荷点A负荷点B负荷点C负荷点DrUrUrUrU 线段10.240.80.240.80.240.80.240.820.140.40.140.40.140.40.140.430.341.20.341.20.341.20.341.240.240.80.240.80.240.80.240.8分支线a0.220.4b0.621.2c0.420.8d0.220.4总计1.03.63.61.43.144

30、.41.23.334.01.03.63.6 North China Electric Power University3. 3. 隔离开关的影响隔离开关的影响 沿主馈电线在某些敏感的点装设隔离开关即隔离器。通常，这些不是切断故障的开关，从而馈电线上的任何短路都将引起主断路器动作。然而，在监测到故障以后，可以开断开关的隔离开关并重合断路器。这个办法能使在电源点和隔离点之间的所有负荷点在清除故障的过程完成之前就恢复供电。布置隔离点的系统如图4所示，并设总的隔离和操作时间为0.5小时。图图4用隔离开关及熔断器后的电网用隔离开关及熔断器后的电网 North China Electric Power U

31、niversity 在这种情况下，负荷点A、B、C的可靠性指标都得到了改善，其改善的程度距电源点近的那些点较大，而距电源点远的那些点则较小。负荷点D的指标保持不变，这是因为隔离不会消除故障对这个负荷点的影响。系统可靠性指标为： 断电次数断电次数/用户用户年；年； 小时小时/用户用户年；年； 小时小时/用户；用户； 千度千度/年，年， 度度/用户用户年；年；15. 1SAIFI58. 2SAIDI23.2CAIDI000291. 0ASUI999706. 0ASAI2 .35ENS7 .11AENS999554. 0ASAI North China Electric Power Universi

32、ty元件故障负荷点A负荷点B负荷点C负荷点DrUrUrUrU 线段10.240.80.240.80.240.80.240.820.10.50.050.140.40.140.40.140.430.30.50.150.30.50.150.341.20.341.240.20.50.100.20.50.100.20.50.10 0.240.8分支线a0.220.4b0.621.2c0.420.8d0.220.4总计1.01.51.51.4 1.892.651.22.753.31.03.63.6具有分支线保护和隔离开关的可靠性指标具有分支线保护和隔离开关的可靠性指标 North China Electr

33、ic Power University4. 保护系统保护系统故障的影响故障的影响 在2和3中，每个负荷点的可靠性指标是在这样的假定下计算得出的，即运行的分支线上的熔断器无论分支线在什么时候发生故障时，它们都起到保护作用。然而，主保护系统有时候也会失效，这时后备保护就要动作。假定图4所示系统中熔断器动作的概率为0.9，即熔丝在所要求的10次动作中有9次是成功的。熔丝失效熔丝失效故障率熔丝融断熔丝融断故障率故障率PP North China Electric Power University保护系统故障的影响(续)元件故障负荷点A负荷点B负荷点C负荷点DrUrUrUrU 线段10.240.80.240.80.240.80.240.820.10.50.050.140.40.140.40.140.430.30.50.150.30.50.150.341.20.341.240.20.50.100.20.50.100.20.50.100.240.8分支线a0.220.40.020.50.010.020.50.10.020.50.01b0.060.50.030.621.20.060.50.030.060.50.03c0.04