基于混合法的復(fù)雜配電系統(tǒng)的可靠性評估

陳嵩峰，宋明玉

(樂山電業(yè)局，四川 樂山 614000)

0 引言

供電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中聯(lián)系電源與用戶的一個重要環(huán)節(jié)，其供電可靠性水平與電力用戶有著直接的關(guān)系。分析系統(tǒng)可靠性的方法有多種，總的說來這些方法可分為兩大類:解析法和模擬法。模擬法通常指蒙特卡洛模擬法［1-3］，模擬運行的實際問題，通過狀態(tài)選擇，用統(tǒng)計方法得到可靠性指標。解析法［4-5］適合于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小而網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較強的系統(tǒng)。此外，還有其他許多方法:如故障樹分析、邏輯圖法。

在總結(jié)已取得的成果和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合供電網(wǎng)絡(luò)的實際特點和現(xiàn)狀，提出一種網(wǎng)絡(luò)等值法與改進故障樹分析法相結(jié)合的供電網(wǎng)絡(luò)可靠性分析方法，并對供電系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計與分析進行了研究，并通過實例計算，驗證了該方法的正確性。

1 供電系統(tǒng)可靠性評估方法

1.1 網(wǎng)絡(luò)等值法原理

實際的供電網(wǎng)主要由主饋線和分支饋線構(gòu)成。對于這種復(fù)雜的供電網(wǎng)，可以利用向上等效或向下等效［6］的方法將復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)等值為一個簡單的放射形供電網(wǎng)，從而簡化供電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和減少計算量。采用向上等效的方法，將分支饋線對上級饋線的影響用一個串在上級饋線中的等效節(jié)點元件來表示，等效元件對上級線路的影響可以由等效元件的故障率λe、等效元件的年故障停電時間Ue、等效元件的故障修復(fù)時間Re來等效。具體過程如圖1所示。

在初始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中，饋線1及其所連接的元件為最末層，包括分支線、熔斷器及饋線上的主干線，它們發(fā)生故障會影響到本層負荷點的可靠性指標以及上層負荷點的可靠性。這種影響與饋線2上串聯(lián)一個元件類似，所以可以用一個等效元件E1來等值饋線1上所有元件故障的影響，即將方框內(nèi)的所有元件等效為元件E1，如圖1(b)所示。同理，逐層向上等效，饋線2上的所有元件等效為元件E2，饋線3上的所有元件等效為元件E1，從而得到一個簡化了的饋線網(wǎng)絡(luò)，如圖1(c)所示。等效元件對上級線路的影響可以由等效元件的故障率λe、等效元件的年故障停電時間Ue、等效元件的故障修復(fù)時間Re來等效。

圖1 復(fù)雜供電系統(tǒng)的可靠性等值示意圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)等值法等效參數(shù)的計算［7］

對負荷支路節(jié)點，由于它通常由變壓器、負荷支路線及熔斷器(可有可無)組成，它的等效故障率的求取必定會受到各元件的影響，因此有必要作適當?shù)姆治鎏幚怼Ｈ绻种Ь€路帶有熔斷器，設(shè)此熔斷器可靠工作的概率為Pr，如果負荷支路發(fā)生故障，影響到上級線路停電的概率為1-Pr，則此負荷支路對應(yīng)的等效元件的故障率為λ'j=(1-Pr)(λjl+λjt)，該負荷支路對應(yīng)的等效元件的平均停電持續(xù)時間為 rj'=Uj'/λj'。

在網(wǎng)絡(luò)等值過程中，分支饋線上的每個元件出現(xiàn)故障時，如果分支饋線的首端設(shè)有斷路器，設(shè)斷路器的可靠斷開率為Pd，則這條分支饋線上的每一個節(jié)點故障導(dǎo)致上一級饋線故障的概率為1-Pd，那么，該分支饋線對上級線路影響的等效故障率為該分支饋線上所有線路及其所連元件的故障率之和乘以1-Pd，由于斷路器配套有隔離開關(guān)，分支線路上的任一元件故障，隔離開關(guān)斷開，因此等效該級饋線的等效元件的故障修復(fù)時間為隔離開關(guān)的動作時間;如果分支饋線首端未設(shè)有斷路器，則分支饋線上的任一元件故障都會導(dǎo)致上級線路停運，那么，該分支饋線對上級線路影響的等效故障率為該分支饋線上所有線路及其所連接元件的故障率之和，其故障停運時間根據(jù)分支饋線結(jié)構(gòu)而定。

2 改進的FMEA

2.1 故障模式后果分析法原理

故障模式后果分析法(failure mode and effect analysis，F(xiàn)MEA)是供電網(wǎng)可靠性分析的基礎(chǔ)方法，其基本思想是，首先假定系統(tǒng)的故障元件，然后對該元件故障引起的系統(tǒng)狀態(tài)改變進行分析，進而找出受影響的線路及停電的負荷點。重復(fù)此過程直至枚舉完所有的系統(tǒng)元件，按因果關(guān)系歸納成表。對影響同一負荷點的各元件故障率和修復(fù)時間，根據(jù)邏輯關(guān)系進行計算疊加，可得負荷點指標并進而求得系統(tǒng)的可靠性指標［8］。

數(shù)學(xué)描述:分析一次故障事件。饋線上可能有用戶變壓器、開關(guān)、線路三類元件故障，考慮一段上所有可能出現(xiàn)的故障事件，結(jié)合元件可靠性數(shù)據(jù)，得到一段上(假設(shè)為第k段)所有故障事件引起的用戶停電持續(xù)時間(時戶數(shù))。

式中，Mn為段上第n類元件的臺數(shù)(線路取平均分段長度，用戶變壓器取臺數(shù)，開關(guān)一般為1個);λn為第n類元件的故障率;tn為第n類元件故障排除時間;ta為出線開關(guān)、分段開關(guān)操作時間;tb為聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作時間;C1為故障段之前能由母線恢復(fù)供電的所有用戶數(shù)之和;C2為故障段之后能由聯(lián)絡(luò)線恢復(fù)供電的所有用戶數(shù)之和;Cx為故障期間不能恢復(fù)供電的所有用戶數(shù)之和。

以此逐一計算饋線中各段的停電時戶數(shù)，得到一整條饋線的停電時戶數(shù)，進而得到變電站及整個供電網(wǎng)的停電時戶數(shù)。

2.2 改進的故障模式后果分析法

由于故障模式后果分析法運算量大，運算時間長，不利于用在大型的供電網(wǎng)系統(tǒng)。部分學(xué)者以故障模式后果分析法為基本原理，對供電網(wǎng)拓撲進行分析，建立故障關(guān)聯(lián)矩陣，根據(jù)故障關(guān)聯(lián)矩陣的計算得出各個負荷點的可靠性指標，最后總和各負荷點可靠性指標，得出整個供電系統(tǒng)的可靠性。這個方法與FMEA法比較，由于只通過了矩陣運算，減少了運算量和預(yù)算時間，矩陣的加入使得計算過程更加簡單明了，同時具有良好的擴展性和實用性。但是隨著系統(tǒng)的擴大，矩陣的維數(shù)也會隨著增加，計算量同時增加。因此，先通過網(wǎng)絡(luò)等值，將復(fù)雜的供電網(wǎng)系統(tǒng)簡化成簡單的主饋線系統(tǒng)，然后再利用改進了的故障模式后果分析法計算。

3 計算實例

3.1 原始數(shù)據(jù)

算例結(jié)構(gòu)參考IEEE RBTS母線6的主饋線4［6］，該饋線包括 30 條線路、23 個負荷點、23 個熔斷器，23個供電變壓器、4個斷路器及1個分段開關(guān)。設(shè)熔斷器為100%的可靠熔斷;線路的故障率取為0.05次/年·km，每段線路修復(fù)時間均取為4 h;斷路器故障率取0.002次/年，修復(fù)時間取4 h;變壓器故障率取為0.015次/年，修復(fù)時間取為200 h，切換到備用變壓器的時間為1 h;分段開關(guān)的操作時間為20 min;聯(lián)絡(luò)開關(guān)的倒閘時間為1 h。

3.2 計算結(jié)果

在計算供電網(wǎng)可靠性指標時，認為發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)都是可靠的，發(fā)電系統(tǒng)總能滿足負荷的要求。假設(shè)系統(tǒng)各元件都是獨立的，串聯(lián)元件可以合并成一個等效的元件。下面分幾種情況來求各負荷點的可靠性指標。

1)供電變壓器不設(shè)備用，斷路器的可靠動作率為80%，設(shè)隔離開關(guān);

2)供電變壓器不設(shè)備用，斷路器的可靠動作率為100%，設(shè)隔離開關(guān);

3)供電變壓器設(shè)備用，斷路器的可靠動作率為80%，不設(shè)隔離開關(guān);

4)供電變壓器不設(shè)備用，斷路器的可靠動作率為80%，不設(shè)隔離開關(guān);

在以上4種情況下，計算分支線路向上等效的過程中，等效元件的故障率λ、年故障時間U以及故障修復(fù)時間r是相同的，因為熔斷器是100%可靠工作的。

對該系統(tǒng)進行網(wǎng)絡(luò)等值，得到的等效元件可靠性參數(shù)于表1。

表1 分支饋線等效元件可靠性參數(shù)

表2 部分負荷點可靠性參數(shù)

4 可靠性分析

由求得的系統(tǒng)可靠性指標可以看出，第4種情況:供電變不設(shè)備用，斷路器的可靠動作率為80%，不設(shè)隔離開關(guān)，這種情況下，系統(tǒng)可靠性最差，用戶斷電時間長;在第3種情況，增加了供電網(wǎng)變壓器備用，縮小了由于變壓器檢修而產(chǎn)生的停電時間，用戶停電持續(xù)時間大大降低;第1種情況在第四種的情況下增設(shè)了隔離開關(guān)，因此縮小了停電范圍;第2種情況考慮了斷路器的可靠操作率，可以看出，在斷路器能夠100%動作的情況下系統(tǒng)的可靠性更高。

表3 系統(tǒng)可靠性指標

因此，可以看出，對于同一網(wǎng)絡(luò)，不同的接線方式下，其系統(tǒng)可靠性指標有很大的不同。對可靠性較差的網(wǎng)絡(luò)，可以采取一定的增強措施，如加裝主饋線隔離開關(guān)、加分支線保護、備用供電變壓器、增加備用電源等方式來增加其運行靈活性，從而提高其可靠性指標。

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