配电网可靠性问题研究综述

1、 配电网可靠性问题研究综述赵伟,李卫星,郭志忠哈尔滨工业大学电气工程系,哈尔滨 (150001摘要:研究配电网可靠性对保证供电质量具有非常重要的意义和作用。本文介绍了配电网可靠性研究中的一些基本概念,包括配电网可靠性的定义、任务和指标等。回顾了配电网可靠性研究的起源与发展,并简单回顾了经典的可靠性评估方法。具体讲述了近几年提出的可靠性评估方法、可靠性评估与优化中的经济性问题、分布式发电对配电网可靠性的影响及其评估方法。关键词:配电网;可靠性;评估方法;分布式电源;综述中图分类号:TM721.引言电能作为一种主要的终端能源,在能源供应中占有的比重越愈来愈大,这是现代文明社会发展的标志和必然趋势。

2、电力系统的根本任务就是尽可能经济而可靠的将电能供给用户。随着电力能源的普及,对电力系统可靠性的要求也不断提高,其原因有以下几点:第一,从网络安全角度看,电力系统规模不断扩大,停电可能造成的后果也更加严重。大面积长时间的停电不但造成巨大的经济损失,而且危及社会秩序,甚至可能成为“危及国家安全”的重大事件。因此,电力系统可靠性问题受到了世界各国的高度重视。第二,从经济角度看,传统体制下管理方式由于缺乏竞争,往往造成企业运营效率低下和资源浪费等问题。另外,电力供应商在电力合同中对供电可靠性进行了承诺,如果达不到相应水平,电力公司必须进行赔偿。为了争夺市场,减小停电成本,电力公司也需要使电网可靠性维持

3、在一定的水平。第三,从人文角度看,长期以来电力行业以垄断形态存在,尤其是在电价方面存在单一化的缺陷,很难保障消费者的权益,这在追求人权的现代文明社会是难以接受的。尽管现代社会希望按需求连续供给电能,但是系统中通常存在着超出人力控制的随机故障,而且电网可靠性还受到经济投资、环境保护等多方面因素的制约,在现有技术水平下要达到完全不间断的连续供电是不现实也是不经济的。因此,需要深入开展电力系统可靠性研究工作,以此指导电力系统规划、设计、运行、维修等各个环节,使电网能在合理投资限度内尽可能的减少停电事件,降低停电成本。可靠性技术能够适应电力系统的发展特点,因而得到广泛的研究应用。首先,可靠性技术是基于

4、概率的风险分析技术,它对系统或元件正常工作的作用是相当积极的,实践证明可靠性技术在运用到电力行业的几十年过程中,对停电时间和停电次数的减少,供电有效度的提高效果显著,取得了较大的经济效益。配电网可靠性评估及应用是可靠性技术中的重要分支。配电网处于电力系统末端,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,配电线路及接户线在内的整个配电网络及其设备。据电力公司统计,约80%的用户停电缘于配电网故障,因此提高配电网可靠性水平是保证供电可靠性水平的主要及重要手段之一,业已成为许多国家电网规划与改造中极为关注的问题。 2.配电网可靠性研究中的基本概念配电

5、网可靠性定义为“配电网按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户提供电力和电量的能力的量度”。配电网具有元件众多、结构繁杂的特点,如何快速准确的进行可靠性评估成为十分重要的问题。配电网可靠性与网络中的停匀元件有关,也与元件停运后隔离停运元件、恢复供电的开关装置有关。研究配电系统可靠性时,一般把研究对象划分为系统和元件两个层次,元件是构成系统的最基本单位,在系统中它不可再分割。系统是由元件组成的,是元件组成的整体。在元件模型的基础上,结合相应的理论方法计算可靠性指标,来评价系统的可靠性,以及存在的问题,并通过对过去的计算预测未来。同时对配电网可靠性作定量评估首先要规定问题的定量指标,这些定量

6、指标要能反映系统的运行、控制特性,并易为人们接受,且便于系统间的比较。这些定量指标就是所谓的可靠性指标。一组科学合理的可靠性指标,可以很好地反映系统的可靠性程度,提供丰富的信息,在配电系统可靠性研究中有十分重要的指导意义。2.1 配电网可靠性研究的任务配电网可靠性研究的主要任务包括:1.研究配电网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。可靠性评估包括评价元件或系统在过去的时间内的可靠性水平和预测元件或系统在未来时间内的可靠性水平两方面。可靠性研究的目的是更好的指导未来时间内电网的规划、设计、运行和维修。2.找出配电网中可靠性薄弱环节,寻求提高

7、系统可靠性的途径。通过统计和量化计算的方法,进行深入分析,查找系统中可靠性的薄弱环节,提出有效的改进措施。提高配电网的可靠性就是要降低停电频率、缩小停电范围、减小停电和停电成本。3.研究可靠性和经济性之间的最佳平衡,将提高供电可靠性与提高效率有机结合起来。2.2配电网的可靠性指标电力公司采用人为定义的可靠性评估指标来量化描述系统或其组成部分的可靠性。这些指标为系统的规划决策和运行决策提供信息,通过这些指标,可找出系统的薄弱环节,从而提出解决办法。故障率i (次/年、修复时间i r (小时和年停运时间i U (小时/年是负荷点i 的三个主要基本指标,它们分别由以下公式计算可得:i j j M =

8、 (1 i j ij j M U T = (2 ii iU r = (3式中,j 是元件的故障率,M 是对负荷点i 有影响的元件个数,ij T 是第j 个元件故障 后引起负荷点i 停电的故障恢复时间。这三个主要指标是十分重要的,它们构成了可靠性指标的基础,但是它们无法完全表现出配电系统的可靠性特征。比如,不管负荷点连接的是1个用户还是100个用户,也不管负荷点的平均负荷是1MW 还是100MW ,所要计算的指标都是相同的,最后得到的结果也不能为系统优化提供更多的信息。为了反映系统停运的严重程度和重要性,需要定义一组系统的可靠性指标。系统可靠性指标用于评估整个系统的可靠程度,用i N 和i M

9、表示负荷点i 的用户数和停电用户总数,则系统可靠性指标可由负荷点可靠性指标求得。1. 系统平均停电频率指标(system average interruption frequency index ,SAIFI 系统平均停电频率指标表征在规定时间内系统中平均每个用户经受的持续性停电的次数,即每个由系统供电的用户在单位时间内所遭受到的平均停电次数。可以用户停电总次数与用户数之比表示。ii i N SAIFI N =用户持续性停电总次数用户总数 (12. 系统平均停电持续时间指标(system average interruption duration index ,SAIDI 系统平均停电持续时间

10、指标表征在规定时间内系统中平均每个用户经受的总停电时间,即每个由系统供电的用户在一年中所遭受的平均停电持续时间。可以用户停电时间总和与用户数之比表示。ii i U N SAIDI N =用户停电持续时间总和用户总数 (23. 用户平均停电持续时间指标(customer average interruption duration index ,CAIDI 用户平均停电持续时间指标是指在规定时间内系统中每个受停电影响的用户的平均停电持续时间,即一年中每个被停电用户所遭受的平均停电次数。可以用户停电总次数与停电用户总数之比表示。ii i iU N CAIDI N =用户停电持续时间总和用户停电总次数

11、 (3 4. 平均供电可用度指标(average service availability index ,ASAI 平均供电可用度指标是指在规定时间内用户经受的不停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。i i i iT N U N ASAI T N ×=×用户用电小时数用户需电小时数 (4 5. 系统总电量不足指标(expected energy not supplied ,EENS 系统总电量不足指标是指系统在规定时间内总的电量供给不足,其期望值简写为EENS 。=i i U L EENS (5式中,i L 为负荷点i 的平均负荷。 3.配电网可靠性研究的历史回顾3.1

12、 配电网可靠性的起源与发展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。1964-1965年,配电系统可靠性评估方法取得了极大的发展,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法。1970年,比灵顿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。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。近30年来,世界各国特别是工业技术发展较快的先进国家都普遍的开展了配电系统可靠性的研究和应用,并已取得了很多的成果。英国早在60年代就开始了配电系统可靠性的研究,并于1978年

13、发布了工程导则供电安全导则,该文件对恢复负荷的时间做了明确规定。加拿大早在40年代就开始认识到了用定量的条件来描述电力系统供电充裕度的必要性,并于1976年制定了配电系统可靠性工程指南,该指南提供了能够对供电有效度进行定量评价,且量度参数大体一致的方法。日本,美国和法国等国家也都制定自己的关于配网可靠性文件。随着这些国家对配电网可靠性的重视和深入研究,可靠性已达到了相当高的程度。据统计,19801985年,美国和英国用户年平均故障停电时间仅约为70min,法国约为300min。日本则降低到约0.38次/年和30min/年的水平,加拿大1998年的统计五年平均3.71小时/年。而我国的可靠性水平

14、同这些发达国家相比,差距较大。有关资料显示,1994年全国174个主要城市配电系统,用户供电可靠率最高的是99.85%,相当于年平均停电时间13.14小时/年·户;用户供电可靠率最低是95.741%,相当于年平均停电时间373.088小时/年·户。我国已经认识到了配电网可靠性的重要性,并于近十多年来有组织、有计划的开展了配电系统可靠性的研究和应用,制定了配电系统可靠性的统计办法及程序,建立了有效的配电系统可靠性数据信息库和可靠性管理体系,开展了广泛的学术交流、经验交流和培训教育。目前,配电系统可靠性统计分析和应用工作,除全国重点城市及沿海开放城市外,几乎已遍及全国,并正在逐

15、步深入和全面地发展。配电网可靠性研究包含理论研究和应用研究两个层次。可靠性理论研究的主要目的是建立可靠性模型、计算可靠性指标,评估负荷点和系统可靠性。可靠性应用研究的主要目的是根据计算所得的可靠性指标,切实指导配电网的规划设计、运行维护等环节。3.2 经典的评估方法用于定量评估配电网可靠性的方法可分为解析法和模拟法等2。1.解析法解析法的基本思想是根据系统的结构、系统和元件的功能以及两者之间的逻辑关系建立系统的可靠性概率模型。通过对模型的精确求解而得到系统的可靠性指标。其优点是概念清晰, 模型精度高。但解析法的计算工作量随系统规模呈指数关系增长,而且当系统变得越来越复杂时,其状态空间的状态数剧

16、增,这必然会造成维数灾难。通常,为了获得解析模型,需要对系统的实际条件作较多简化,所以其应用受到较大的限制。但是,各种故障筛选和截断技术的采用,使解析法的计算量得到了很大提高。因此,解析法适用于结构简单的中、小型电力系统的可靠性评法。故障模式后果分析法3和最小路法4是解析法中比较有代表性的方法。 (1故障模式影响分析法(failure mode and effect analysis,FMEA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。建立故障模式影响表的过程比较复杂,对于大型的

17、配电网络则不容易分析可靠性。但它依然是配电系统可靠性评估中最有效的方法之一。同时也是其它故障分析方法的基础,例如最小割集法、可靠性框图法等方法中都包含影响分析的过程。(2最小路集法(minimal path set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并求取可靠性指标。2.模拟法蒙特卡罗模拟法是按一定的步骤在计算机上模拟随机出现的各种系统状态,即用数值方法模拟一个实际过程,并从大量的模拟试验结果中统计出系统的可靠性指标法5。它以配电网各元件的可靠性原始数据为前提, 通过计算机

18、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统计出系统的可靠性指标的方法。需先找到故障元件影响的所有负荷点, 形成它们的工作恢复的历史数据表。通过对负荷点历史记录的采样、分析和计算, 便可求出系统和负荷点的可靠性指标, 包括其均值和概率分布。模拟法所要求的模拟次数与系统的规模无关, 算法和程序结构较简单, 可以求出可靠性指标的概率分布, 适合于复杂系统的可靠性评估 , 在处理故障相关性、节点负荷相关性及按时序进行的操作方面有很好的效果, 并可反映负荷的随机变化特性。其随机模拟次数与系统规模无关,适应性强,算法及程序结构简单。该方法不仅可以随机模拟系统运行的实际方式,不需要对实际问题作过多简化和假设,而且考虑更加全面,因此更适用于大型电力系统的可靠性评估。但蒙特卡罗模拟法本身具有两个制约因素:1.估计量的方差系数随样本容量的增大按平方根的关系下降。2.系统的可靠性水平越高,在同样的样本容量下模拟估计量的精度越差。4.配电网可靠性研究的新进展近些年,配电网可靠性问题依然是比较受关注的热点问题之一,相继提出了一些新的可靠性评估方法,而且可靠性评估中的经济性问题以及分布式发电对配电网可靠性的影响成为配电网可靠性研究中的热点问题。4.1 可靠性评估方法随着统计工作的不断完善和可靠性资