變電所電氣主接線可靠性分析方法的研究

劉璐

【摘要】變電站電氣系統的可靠性對是電力系統可靠性評估的重要組成部。

【關鍵詞】變電所；主接線；可靠性

前言

電力系統的可靠性是指電力系統按可接受的質量標準和所需數量，不間斷地向電力用戶供應電力和電能量之能力的度量，而變電所電氣主接線作為電力系統重要組成部分，能否安全可靠運行對保證用戶的可靠用電以及整個電力系統的安全穩定具有重要影響。

一、變電站實施可靠性分析的意義

變電站電氣主接線是電力系統接線的重要組成部分，它作為系統電能傳輸和分配的重要環節，直接擔負著從輸電網到各個負荷區的供電任務。變電站的設備一旦發生故障，可能會引起變電所的一條或多條輸電線路失去電源，或者電源進線與變電所隔離，引起停電事故，因此，變電站電氣主接線的可靠性與其各負荷的安全經濟運行有著密切的聯系。變電站作為電網的負荷站，肩負著一些用戶供電的重要任務，如水廠、衛星站、鑄鋼廠‘等重要負荷。即使其整個布局設計己趨于合理，設備運行己趨于穩定，但其各條供電線路及整個變電站的可靠性水平究竟維持在何種程度，生產管理部門只是定期做一些定性地衡量，而沒有真正進行過量化的可靠性評估。為了能夠準確掌握目前的可靠性水平，從而提出進一步提高系統可靠性的有效措施及建議，對變電站的定量可靠性與經濟性評估是必要的。

二、可靠性模型及指標

一般來說，電力系統中元件的停電行為可能由多種原因造成，諸如：短路、開路、檢修等等。在發現短路故障的情況下，故障元件的保護裝置將會動作來保護該元件。某些情況由于元件自身原因而停電的情況下，相應的保護裝置就不會動作。在可靠性評估中，不僅造成故障元件本身退出運行，還會造成保護區內所有斷路器動作，從而使非故障元件被迫停運的這種故障被稱為主動性故障 ；而故障只造成故障元件本身退出運行，不影響其他元件的運行時，稱之為被動性故障。在進行主接線可靠性評估時，會涉及到很多種類的元件，除了進出線路外，還包括變壓器、斷路器、隔離開關、母線等等。本文考慮了上述提到的這兩種故障類型，對于以上元件使用如圖1所示的四態模型。

圖1 元件的四狀態模型

三、變電站電氣主接線可靠性評估方法

1.邏輯表格法

在電氣主接線的可靠性分析中，常使用邏輯表格法。根據電氣主接線的實際情況，考慮單重及雙重故障的所有可能情況，將其發生頻次及造成的停運時問歸納列成一張表格，然后根據可靠性指標的定義，求出各項指標，如停運時間、停運頻率等。這種方法依賴實際接線的類型與具體的接線方式，對于規模不大的電力系統而言，它是簡易可行的，但隨著電氣主接線規模的不斷擴大，其結構同益復雜，運行方式靈活多變。這種固定不變的邏輯表格法已經不能滿足電氣主接線可靠性分析計算的要求。

2.故障模式與后果分析法

這是一種傳統的可靠性評估方法。這種方法通過對系統中各元件狀態的搜索，列出全部可能的系統狀態，然后根據所規定的可靠性判據對系統的所有狀態進行檢驗分析，找出系統的故障模式集合，最后在此狀態集合的基礎上，求得系統的可靠性指標。此方法原理簡單、清晰，模型準確，但是，它是一種歸納方法，要識別和分析每個元件所有可能的單故障模式或誤操作模式對系統和周圍元件的影響，因此，它的計算量隨元件數目的增長成指數增長。在大型電氣主接線中，元件數目及操作方式增多時，系統故障模式急劇增加，計算將變得冗長繁瑣。

3.最小割集法

最小割集法是將所計算的狀態限制在所謂的最小割集狀態內，避免了計算全部的系統狀態，從而節省了計算量。特別是在電力系統中的元件為高可靠性元件時，其計算結果滿意。隨著大型水電站的出現，其電氣主接線結構越來越復雜，直觀地判斷出系統故障事件越來越困難，而最小割集法能較容易地判斷，并找出其薄弱環節，提出增強性措施。

4.基于故障擴散的評估方法

這種方法利用前向搜索算法確定斷路器動作影響范圍，用故障擴散方法確定故障隔離的范圍，從而確定節點的故障類型。根據故障的類型，便可形成相應的節點、饋線以及系統的可靠性指標。這種算法雖然以故障擴算法為基礎，不需進行等值處理，能一次性形成負荷點和系統可靠性指標，但該算法在前向搜索斷路器時采用潮流計算，大大增加了計算量，所以還有待于提高。

5.網絡法

網絡法是國內外對主接線可靠性研究中最為常用的方法，這對于包括大量元件的主接線來說，分析計算比較簡單。主要因為其簡單并且網絡模型與主接線系統的拓撲結構有著自然的相似，這種方法主要采用故障模式后果分析（FailureMode and Effect Analysis，即FMEA），但當網絡規模變大時，各種故障后果分析將變得十分冗長。

6.頻率和平均持續時間法

簡稱FD法（Frequency&Duration）FD（Frequency&duration）法是一種基于

Markov過程的方法，它運用累積狀態的頻率和累積狀態之間的轉移頻率的概念，對于建立子系統、組合系統及整個系統的等效模型帶來很大的方便。具體的做法是系統從電源端到負荷端逐次運用Markov過程的基本理論列寫狀態空間圖求解，每一步均充分考慮元件的擴大型故障等可能因素，最后得到整個系統的累積狀態空間圖，在此基礎上計算出各種可靠性指標。

7.蒙特卡羅法（Monte.Carlo）

模擬法是指用蒙特卡羅法（Monte.Carlo）對可靠性進行評估，它用抽樣的方法進行狀態選擇，用統計的方法得到可靠性指標。在蒙特卡羅法中，系統的狀態是從設備概率分布函數中抽樣確定的，然后對產生的狀態進行狀態估計.一個模擬序列表示一個實際的樣本，系統的可靠性指標是在累積了足夠數目的樣本后，對每次狀態估計的結果進行統計而得到的。

四、電氣主接線分析軟件及應用

近年來，國內外的高校、研究機構和電力部門已相繼研制了各種主接線可靠性分析軟件。上海交通大學開發了基于面向對象技術的變電站供電可靠性分析計算軟件包，通過定量計算，可以分析不同類型、不同接線形式的變電站在任意運行方式下的供電可靠性以及各種設備故障對變電站可靠性的影響程度，還可分析繼電保護裝置配置及動作的影響。清華大學電機系開發的發電廠及變電所電氣主接線可靠性評估軟件SSRE.TH用于對水電站/變電所各種電氣主接線方案進行可靠性及經濟性評估，可計算電氣主接線在各種運行、檢修和元件故障組合狀態下的停電容量、頻次、時間及停電損失等指標，還可以進行電氣主接線方案的技術經濟綜合評價，為主接線方案決策提供輔助信息。抽水蓄能電站主接線可靠性評估的模型和算法，在此基礎上開發了抽水蓄能電站主接線可靠性評估的REBUS Ⅲ軟件。該軟件已經成功地應用于多個抽水蓄能電站主接線的優化設計中。電站主接線可靠性綜合分析系統SSRE已在瀑布溝、向家壩等大型水電工程以及安順500 kV變電站電氣主接線設計中推廣應用。

五、結論

變電所電氣主接線的可靠性對變電所的穩定運行有著直接的影響，因此，選用恰當的方法對變電所電氣主接線可靠性進行計算與評估，并選擇合適的變電所電氣主接線，對提高變電所的供電質量，確保電力系統的運行的穩定起到了重要的作用。

參考文獻

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