地區(qū)電網(wǎng)變電站可靠性研究

摘 要： 變電站是地區(qū)電網(wǎng)的重要組成部分，要對(duì)地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，需首先評(píng)估變電站的可靠性指標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)評(píng)估變電站可靠性的目的，采用基于元件狀態(tài)空間的最小割集算法定量分析變電站電氣主接線的可靠性，并以某地區(qū)電網(wǎng)變電站為例進(jìn)行計(jì)算分析。通過(guò)算例，驗(yàn)證了該方法能夠有效地對(duì)變電站主接線系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，為進(jìn)一步對(duì)地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 變電站； 最小割集算法； 可靠性評(píng)估； 地區(qū)電網(wǎng)

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）08?0166?03

地區(qū)電網(wǎng)是直接與電力用戶連接的一級(jí)電網(wǎng)，隨著電力用戶對(duì)供電可靠性要求的不斷提高，研究和評(píng)估地區(qū)電網(wǎng)的供電可靠性已成為一項(xiàng)重要的課題。地區(qū)電網(wǎng)主要由變電站和電力線路組成[1]，要正確評(píng)估地區(qū)電網(wǎng)的供電可靠性，首先就需要對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的變電站進(jìn)行可靠性評(píng)估，然后可將變電站等效為地區(qū)電網(wǎng)的一個(gè)部件，在等效的基礎(chǔ)上可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)等值的思想，將地區(qū)電網(wǎng)簡(jiǎn)化成由點(diǎn)和線組成的網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而在該網(wǎng)絡(luò)中求出各負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)以及全網(wǎng)的可靠性指標(biāo)。因此，有必要對(duì)地區(qū)電網(wǎng)變電站的可靠性進(jìn)行評(píng)估與研究。

1 可靠性評(píng)估程序的實(shí)現(xiàn)

1.1 變電站電氣主接線的可靠性指標(biāo)

地區(qū)電網(wǎng)中的變電站是地區(qū)電網(wǎng)的重要環(huán)節(jié)和典型子系統(tǒng)，他的主要功能是將電能從一個(gè)電壓等級(jí)變換成另一個(gè)電壓等級(jí)，并輸送電能，同時(shí)還能在同一電壓等級(jí)的連接回路中進(jìn)行電能分配。變電站的可靠性與其電氣主接線方式有著密切的關(guān)系。

根據(jù)變電站的工作特點(diǎn)，本文采用以下可靠性指標(biāo)來(lái)評(píng)估變電站電氣主接線的可靠性能[2?5]：

（1）系統(tǒng)故障率（次/a）。變電站電氣主接線從某一起始時(shí)刻開(kāi)始，直至?xí)r刻t正常工作條件下，在時(shí)刻t以后的單位時(shí)間里發(fā)生故障的概率。

（2）年平均停運(yùn)時(shí)間（h）。在一年時(shí)間內(nèi)，變電站電氣主接線處于故障狀態(tài)的平均時(shí)間。

（3）系統(tǒng)可用率。變電站電氣主接線在某一起始時(shí)刻正常工作的情況下，在時(shí)刻t正常工作的概率。一般在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)該指標(biāo)為常數(shù)。

（4）系統(tǒng)不可用率。變電站電氣主接線在某一起始時(shí)刻處于正常狀態(tài)，從時(shí)刻t開(kāi)始處于故障狀態(tài)的概率。一般在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)也為常數(shù)。

（5）系統(tǒng)故障頻率（次/a）。指變電站電氣主接線出現(xiàn)故障的頻率。

（6）期望故障受阻電力（MW/a）。在一年的時(shí)間里，變電站電氣主接線因?yàn)榘l(fā)生故障而無(wú)法送出的電力的數(shù)學(xué)期望。

1.2 變電站主要元件的馬爾可夫模型

根據(jù)系統(tǒng)元件的工作、故障、檢修模式的不同，可以把系統(tǒng)中的元件劃分為多種狀態(tài)，而系統(tǒng)的總的狀態(tài)不僅與每個(gè)元件的狀態(tài)有關(guān)，還與其工作環(huán)境的狀態(tài)有關(guān)。把一個(gè)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的全部狀態(tài)的集合稱為狀態(tài)空間，同時(shí)可采用狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換圖來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換遷移關(guān)系。狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換圖包括了系統(tǒng)的所有狀態(tài)，以及各個(gè)狀態(tài)之間可能出現(xiàn)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換遷移的方式。計(jì)算變電站電氣主接線可靠性時(shí)，變電站的主要元件可視為三狀態(tài)模型：正常狀態(tài)N，故障狀態(tài)R，計(jì)劃?rùn)z修狀態(tài)[6]M。正常狀態(tài)（N）是指元部件能正常運(yùn)行和執(zhí)行其功能，正確發(fā)揮其在電氣主接線系統(tǒng)中的作用。故障狀態(tài)（R）是指元件失去其部分或全部功能，已經(jīng)使電氣主接線系統(tǒng)無(wú)法正常工作。計(jì)劃?rùn)z修狀態(tài)（M）是指元件根據(jù)檢修計(jì)劃進(jìn)行檢修而主動(dòng)退出運(yùn)行。元件計(jì)劃?rùn)z修對(duì)系統(tǒng)的的影響與故障狀態(tài)對(duì)系統(tǒng)的影響是一樣的，但是計(jì)劃?rùn)z修是人為主動(dòng)安排而不是隨機(jī)發(fā)生的，因此不能將計(jì)劃?rùn)z修狀態(tài)和故障狀態(tài)合并。并且通過(guò)計(jì)劃?rùn)z修可以提前發(fā)現(xiàn)和消除元部件存在的隱患，可以提高元部件的可靠性。而且由于計(jì)劃?rùn)z修狀態(tài)是主動(dòng)進(jìn)行，因此有時(shí)還可以在檢修期間投入備用元部件來(lái)代替計(jì)劃?rùn)z修元部件運(yùn)行，這樣可以保證系統(tǒng)的供電連續(xù)。通過(guò)運(yùn)用馬爾可夫理論，可以建立起變電站主要元件的三狀態(tài)模型，如圖1所示。

1.3 變電站可靠性評(píng)估原理

（1）連集等效模型。最小連集是一些元件的集合，當(dāng)這些元件都工作時(shí)，系統(tǒng)才能正常工作；若其中一個(gè)元件停止工作時(shí)，系統(tǒng)停止工作，這些元件集合稱為最小連集[7]。根據(jù)最小連集的定義，在變電站電氣主接線的電氣通路中我們規(guī)定，由電源點(diǎn)到負(fù)荷點(diǎn)的通路經(jīng)過(guò)同一結(jié)點(diǎn)或交叉點(diǎn)的次數(shù)少于兩次，則這條通路就是最小路。最小路中的元件構(gòu)成的集合就是最小連集。利用圖論的方法，可以找到一種適用于尋找最小路的廣度優(yōu)先搜索算法。該算法步驟如下：網(wǎng)絡(luò)模型的支路編序號(hào)；每個(gè)結(jié)點(diǎn)編序號(hào)，每個(gè)支路的首結(jié)點(diǎn)和末結(jié)點(diǎn)采用鏈表類型進(jìn)行動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)；從電源點(diǎn)開(kāi)始搜索，首先搜索當(dāng)前鄰接的所有頂點(diǎn)，然后再依次從鄰接頂點(diǎn)繼續(xù)搜索下一級(jí)鄰接的所有結(jié)點(diǎn)，直到負(fù)荷點(diǎn)為止，同時(shí)記錄所有通過(guò)的元件；運(yùn)用廣度優(yōu)先搜索算法找出網(wǎng)絡(luò)中的全部最小路和最小路中的所有元件。

（2）割集等效模型。最小割集是一些元件的集合，當(dāng)他們失效時(shí)，必然會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效[8?9]，因此變電站電氣主接線系統(tǒng)的故障模式是直接與其最小割集相關(guān)聯(lián)的。一般認(rèn)為最小割集之間是串聯(lián)關(guān)系，而最小割集中的元件之間是并聯(lián)關(guān)系，這樣可簡(jiǎn)化認(rèn)為系統(tǒng)的失效度是各最小割集不可靠度的總和并可用最小割集理論去認(rèn)定復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)等效的可靠性網(wǎng)絡(luò)模型。

（3）連集與割集等效模型的轉(zhuǎn)換。對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，直接識(shí)別最小割集是比較困難的，為便于用程序?qū)崿F(xiàn)搜索最小割集，采用由最小連集求取最小割集的方法。首先，搜索電源點(diǎn)至負(fù)荷點(diǎn)之間的所有最小路，并記錄最小路中的所有元件，在搜索過(guò)程中采用鏈表類型進(jìn)行動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)并將最終結(jié)果存儲(chǔ)。通過(guò)上述搜索過(guò)程將各最小路中的元件狀態(tài)建立連集矩陣，其形式如式（1）所示：

[T=10100011010101010011] （1）

式中列數(shù)為網(wǎng)絡(luò)的元件個(gè)數(shù)；行數(shù)為網(wǎng)絡(luò)的最小路個(gè)數(shù)；每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)最小路；“1”表示該列號(hào)的元件在此該行號(hào)的最小路中；“0”表示該列號(hào)的元件不在此行號(hào)的最小路中，如果某一列均為“1”，則對(duì)應(yīng)元件是該系統(tǒng)的一個(gè)一階最小割集。如果某個(gè)元件是系統(tǒng)的一階最小割集，說(shuō)明該元件的實(shí)效將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障。對(duì)于連集中的任意兩個(gè)列向量，如果進(jìn)行邏輯或運(yùn)算能夠得到單位列向量，則說(shuō)明這個(gè)兩列向量對(duì)應(yīng)的元件就組成了一個(gè)該系統(tǒng)的二階割集，由網(wǎng)絡(luò)最小連集矩陣得到的最小割集矩陣如式（2）所示。

[T=11000001101001101101] （2）

式中：列號(hào)為網(wǎng)絡(luò)元件序號(hào)；每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)最小割集；“1”表示元件在該行號(hào)的割集中；“0”表示元件不在該行號(hào)的割集中。

1.4 變電站可靠性評(píng)估程序流程

由于變電站電氣主接線系統(tǒng)的元件數(shù)量較大，為簡(jiǎn)化分析在評(píng)估時(shí)做如下假設(shè)：元件的故障是獨(dú)立的；元件的連續(xù)工作時(shí)間、修復(fù)時(shí)間、計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間服從指數(shù)分布；不考慮元件過(guò)負(fù)荷；只考慮元件的單一故障和二重故障，不考慮二重以上的故障；繼電保護(hù)的影響計(jì)入斷路器的可靠性數(shù)據(jù)中；把元件作為可修復(fù)元件處理，電氣主接線系統(tǒng)作為可修復(fù)系統(tǒng)處理。根據(jù)上述假設(shè)，變電站電氣主接線可靠性評(píng)估流程圖如圖2所示。

2 算 例

以地區(qū)電網(wǎng)的某變電站為例，電氣主接線情況見(jiàn)圖3。該變電站高壓側(cè)采用雙母帶旁母的接線方式，在檢修出線開(kāi)關(guān)斷路器時(shí)可以利用旁母及旁母斷路器不間斷供電，進(jìn)線斷路器故障時(shí)，短時(shí)停電后可以恢復(fù)正常供電。因此旁路母線只對(duì)進(jìn)線斷路器的可靠性指標(biāo)有影響，可以將其可靠性參數(shù)歸算到線路斷路器中，在分析該變電站電氣主接線系統(tǒng)可靠性時(shí)，可以不考慮旁路母線的影響。

輸入變電站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D[10]，輸入的內(nèi)容有：元件編號(hào)。對(duì)各元件依次進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)的最大數(shù)等于網(wǎng)絡(luò)的元件數(shù)。元件類型。0為母聯(lián)斷路器，1為母線，2為斷路器，3為變壓器，4為隔離開(kāi)關(guān)。始節(jié)點(diǎn)、末結(jié)點(diǎn)。電能流入節(jié)點(diǎn)為始結(jié)點(diǎn)，電能輸出結(jié)點(diǎn)為末結(jié)點(diǎn)，母線視為始結(jié)點(diǎn)和末結(jié)點(diǎn)相同的元件。工作狀態(tài)。0為元件退出工作，斷路器斷開(kāi)，1為元件投入工作，斷路器閉合。高、低壓母線結(jié)點(diǎn)。高壓側(cè)母線結(jié)點(diǎn)用負(fù)數(shù)表示，低壓母線結(jié)點(diǎn)用正數(shù)表示。母線接線形式。在這一列中，第一個(gè)數(shù)表示高壓側(cè)母線接線方式，第二個(gè)數(shù)表示低壓側(cè)母線接線方式，1表示是雙母線，0表示不是雙母線。母線負(fù)荷。表示低壓側(cè)兩根母線上的負(fù)荷。倒閘時(shí)間。進(jìn)行刀閘操作所需要的時(shí)間。根據(jù)上述方法計(jì)算出該變電站電氣主接線的可靠性指標(biāo)如表1所示。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)地區(qū)電網(wǎng)的具體情況，應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)等值的思想，采用基于元件狀態(tài)空間的最小割集算法定量分析變電站電氣主接線的可靠性，通過(guò)算例可以看出，所編寫的變電站主接線可靠性分析程序能夠有效地對(duì)變電站主接線系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估。在對(duì)變電站進(jìn)行可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)上，可以將每個(gè)變電站主接線等效為系統(tǒng)中的一個(gè)元件，將地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化，對(duì)地區(qū)電網(wǎng)進(jìn)行整體可靠性評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

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