基于RAMSES的220 kV輸電系統可靠性研究

朱洪亮，周昱甬，尹建兵，龔劍波，黃民翔

（1.杭州市電力局，杭州 310009；2.浙江大學 電氣工程學院，杭州310027）

0 引言

輸電系統可靠性主要是指從電源點輸送電力到供電點并按預定規則滿足供電負荷電力和電能量需求之能力的度量，主要包括靜態角度的充裕度和暫態角度的安全性兩個方面[1]。傳統的可靠性分析主要是指充裕度分析，充裕度指標又分為表征故障局部影響的負荷點指標和表征故障對整個系統影響的系統指標兩大類。

隨著國家電網公司建設“一強三優”電網要求的提出，也為了適應“安全、高質、環保”的智能電網建設的需要，我國現行專注于設備側管理的輸電系統可靠性統計與評價體系已顯現不足，建立適合我國輸電系統的可靠性評價新體系已顯得日益重要。

本文介紹了輸電系統可靠性評價的國內外研究進展，基于RAMSES評價軟件建立適合國內輸電系統可靠性評價的模型，并對某220 kV電壓等級輸電系統的現狀網架和規劃網架開展了可靠性量化評價研究與結果分析。

1 國內外輸電系統可靠性評價體系研究

輸電系統可靠性評價及研究，國內外學者已取得一些成果[2-3]。其中，英、美等國近年來在可靠性統計與評價方面開展了大量研究，評價的側重點從原先側重于設備元件轉變為側重于從系統的角度對輸電系統進行總體評價[4]。

美國電科院（EPRI）將輸電系統的性能劃分為輸送能力系列和輸電服務能力系列，并把系統可用性和DP點可用性作為該可靠性評價體系的關鍵性指標，其中DP點定義為輸電系統變電站變壓器的高壓側，包括發電DP點、負荷DP點及聯絡線DP點。

美國中東部可靠性協作組織（ECAR）將系統可用性（System Availability）作為其重要的可靠性評價指標，定義為：

系統可用性=（總回路小時數-各回路總停用小時數）/總回路小時數×100%

式中：總回路小時數=每年小時數×總回路數。

英國能源監管機構（OFGEM）于2005年開始實施“輸電網可靠性激勵方案”，將電網全年從輸電系統失去的總供電量（MWh）作為可靠性評價標準。

而我國目前的輸電系統可靠性統計與評價體系仍專注于設備管理方面，與北美、英國地區的評價體系有較大差異[4]。從設備元件角度評價輸電系統的可靠性，能明晰管理電網資產，為設備維護、狀態檢修及招標工作提供有力支持，但是不利于對整個電網的整體評價、管理和工作效益考核，不能直接衡量系統可靠性的優劣。

從系統角度對輸電系統進行可靠性評價是我國電力工業發展的一個必然趨勢，國外的研究進展與實踐經驗，也為我國輸電系統評價體系的進一步發展與完善提供了參考方向。

2 基于RAMSES軟件的輸電系統可靠性評價建模

2.1 基于RAMSES的可靠性評價原理

大型商業可靠性評價軟件RAMSES（Reliability Analysis Methods for Electrical Power Systems）由德國亞琛工業大學電力系統與電力經濟研究所開發，已在世界電力工業界眾多企業中得到應用[5-6]。軟件采用基于解析的概率分析法，可實現的功能主要有：電網潮流和短路電流計算；電網故障模擬，并進行故障后果和預防策略分析；電網可靠性定量計算與分析，找出網絡可靠性的薄弱環節。

基于RAMSES原理進行可靠性評價的流程如下：

（1）建立網絡模型并按一定格式輸入RAMSES軟件，檢查輸入數據無誤后，確定相應的網絡故障組合。

（2）建立故障模型，主要包括單重故障和重疊故障。

（3）對故障后果進行分析。此過程中所有故障均被模擬，對所有預想的故障進行后果分析，判斷各種故障組合模型是否導致停電。

（4）計算并輸出各負荷點的可靠性指標，包括平均停電頻率、平均停電時間、供電可靠率等。

（5）通過負荷點的可靠性結果進一步計算整個系統的可靠性量化指標。

基于RAMSES的可靠性評價流程見圖1。

圖1 基于RAMSES的輸電系統可靠性評價流程

2.2 基于RAMSES的可靠性評價指標

RAMSES軟件輸出的可靠性評價指標偏向于負荷點側，在對輸電系統網絡建模時將各220 kV變電站主變壓器低壓側母線等效為負荷點，從而使軟件可直接計算得到各等效負荷點的可靠性指標：負荷點電力不足時間期望，h/a；負荷點年停電次數，次/年；負荷點電量不足期望值，MWh/a。

基于RAMSES輸出的上述指標，可進一步采用以下輸電系統可靠性評價指標：

（1）系統電力不足時間概率LOLP。

式中：Ci為每個負荷點負荷大小；C為評估系統的總負荷大小；LOLPi為每個負荷點的電力不足時間概率。

（2）電量不足期望值 EENS， MWh/a。

（3）系統停電等效小時數SIEH，h/a。

（4）系統切電指標 BPECI， MWh/（MWa）， 即系統故障在供電點引起的消減電量總和與系統年最大負荷之比。

（5）停電影響的嚴重性指標SI。

SI用系統分來度量，一個系統分相當于在峰荷時全系統停電1 min。SI的大小代表停電影響的嚴重級別，SI越大，說明系統承受故障的能力越差，即可靠性水平越低。還可用SI對不同規模的系統進行比較。隨著我國電網規模的不斷擴大以及對可靠性問題的日益重視，SI指標將得到更為廣泛的應用。

3 計算實例

以浙江某220 kV輸電系統作為計算實例：該系統現狀網架以5座500 kV變電站和各發電廠為電源點，有220 kV變電站37座，總容量為1401萬kVA，全網最高負荷為792萬kW；該輸電系統的2015年規劃方案中，有220 kV公用變電站68座，變電容量為3003萬kVA，預測最高負荷達1500萬kW。

對本計算實例進行可靠性評價，網架建模采用該輸電網潮流數據；電力元件電氣參數由《電力工程電氣設計手冊》查得；元件可靠性基礎數據采用該地區2007-2009年可靠性統計數據，主要包括各元件非計劃停運率、平均每次非計劃停運時間、計劃停運率、平均每次計劃停運時間等；負荷建模時將各220 kV變電站110 kV母線側等效為負荷點，現狀年負荷數據由夏季用電高峰期間各主變壓器最大有功功率數據結合同時率統計得到，規劃網架負荷數據由該網2015年預測峰荷潮流數據得到。

本次評價不考慮因系統電源不足而限電導致的停電以及110 kV母線以下故障引起的停電。

根據RAMSES評價初步結果，并進一步計算系統可靠性指標，得到評價結果如表1所示。

表1 系統可靠性指標評價結果

根據上述評價指標結果，對該輸電系統現狀年和規劃年兩個網架的各項可靠性量化指標分析、對比如下：

（1）2015年規劃網架的可靠性指標除EENS指標外，其余指標均好于現狀網架。若綜合考慮規劃網架的變電容量和負荷在“十二五”期間有大幅度增長的情況，則規劃網架的系統可靠性要明顯好于現狀網架。如SI指標，現狀網架電量不足等效為2009年用電高峰時全系統停電6.121 min，而規劃網架年電量不足等效為2015年用電高峰時全系統停電4.920 min，系統故障嚴重程度減輕19.6%，系統可靠性明顯提高。

（2）2015年規劃網架可靠性提高的主要因素為500 kV和220 kV網架結構的改善。如現狀網架中存在單主變運行的變電所，不能通過“單主變N-1校驗”；而2105年規劃網架中不存在單主變運行變電站，220 kV電網以各500 kV變電所為中心，大部分形成閉式雙環網，部分形成鏈式網絡，供電可靠性有效提高。

（3）系統可靠性評價的精確度取決于評價所需數據是否完整。該實際輸電系統可靠性評價實例中，可靠性基礎數據統計和網架信息詳盡完整，使得本次可靠性評價為該地區“十二五”電網規劃提供了有力支持。

4 結語

在建設“安全、高質、環保”智能電網的背景下，建立適應國內電網實際的輸電系統可靠性評價體系非常重要。基于商業可靠性評價軟件RAMSES及相應的評價指標，可從系統角度對輸電系統進行可靠性評價，為實際電網的規劃工作提供了有效的參考依據。

[1] 郭永基.電力系統可靠性分析[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2] BILLLINTON R，ALLAN R.Reliability Evaluation of Power systems[M].New York and London∶Plenum Press，1996.

[3] 王超.電力系統可靠性評估中的幾個重要問題研究[D].浙江大學，2007.

[4] 謝偉.北美與英國輸電系統可靠性評價方法和提示[J].供用電.2009，26（1）∶1-13.

[5] 韓輝，黃民翔，林建寧.莆田市10 kV配電網可靠性評估與研究[J].能源工程.2008（6）∶15-19.

[6] 尹建兵，黃民翔，許諾.基于供電可靠性量化分析的110 kV電網典型接線方式選擇[J].浙江電力.2010（2）∶1-4.