變電站主接線可靠性分析與評估

陳鑫，耿曉超

（國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京100073）

變電站主接線可靠性分析與評估

陳鑫，耿曉超

（國網冀北電力有限公司經濟技術研究院，北京100073）

變電站是電力系統的樞紐，其主接線是電力能源傳輸的通道，直接關系著電力系統的正常運行。因此，提出一種適合于衡量變電站主接線可靠性的評估方法是十分必要的。變電站主接線的可靠性不應只考慮變電站的容量，而應當從其對整個電網的影響整體考慮。論文從整個電網的可靠性出發，在考慮變電站容量的同時，綜合考慮主接線故障對整個系統的影響，對變電站主接線的可靠性評估工作有一定的參考意義。

變電站;主接線;可靠性;評估

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.016

1 引言

變電站主接線是電力系統能源輸送的主要通道，擔負著能源輸送的重要任務。變電站的主接線一方面要能滿足當地電能消耗的需求，另一方面必須保障電網的暢通和穩定。在電能作為主要能源的今天，變電站主接線的地位變得更加重要，其可靠性評估的意義也越來越重大。在變電站主接線的可靠性評估工作中，容量和電壓等級相同，但所處電網位置不同,使其可靠性的評價標準不同；另外，同一變電站的主接線接入電網的位置不同時，對電網的影響程度也是不同的。因此,本文結合主接線所處電網位置的影響，并綜合考慮變電站的傳輸容量，線路數量，主接線方式等相關因素，把主接線和整個電網的結合起來，把可靠性進行成本計算進行整體評估。

2 變電站主接線可靠性評估相關模型和標準

2.1 變電站主接線可靠性評估的相關模型

根據功能以及故障狀態劃分，變電站主接線設備可劃分為三狀態模型、四狀態模型和五狀態模型3種[1]。

2.1.1 三狀態模型

變電站主接線中的設備主要有發電機組、主變壓器、輸電線路、不存在道閘的母線、無功補償設備等。其狀態模型如圖1所示，N為運行正常狀態；R為故障停止及排除狀態；M為設備檢修狀態。λR是故障頻率；λM是正常檢修頻率；μR是故障恢復的時間的倒數，為故障停車狀態轉移到正常運行狀態的轉移率；μM為正常檢修的恢復率。

圖1 三狀態模型

2.1.2 四狀態模型

斷路器的故障模型為四狀態模型（見圖2）。N是運行正常狀態，M是設備檢修狀態；R是修復狀態；S是重故障狀態。

圖2 四狀態模型

2.1.3 五狀態模型

斷路器的響應反映了繼電保護的動作，繼電保護命令由斷路器執行。繼電保護失效的表現為誤動作和不動作2種。繼電保護產生誤動作，根據可能造成的后果可以將其劃分到重故障S中。當繼電保護不動作時，會引發后備動作，造成上級保護動作，從而將故障范圍繼續擴大，造成的影響超過S級，因此單獨劃分為F級(見圖3)。

圖3 五狀態模型

2.2 可靠性和經濟性的相關標準

2.2.1 變電站電能不足期望EENS

變電站電能不足期望表示在一定時間，由于設備故障導致的電站未能提供的電能期望值，表現出變電站的電能供應情況。該數值越高，表示變電站的能量供應情況越差。其表達式為:

式中，ci是第i次情況時的電能量值,MW；pi第i次情況發生的概率；c0是變電站輸送的總電能,MW。EENS以102GW·h為單位。

2.2.2 變電站設備故障導致電網電能損失期望值EESS

該值表現了變電站對電網的影響程度。EERS越大,表示變電站故障的容納能力越差，對電網的影響越大。其表達式為：

式中，cs為第i次故障導致電網損失的電能量，MW；pi為第i種故障的概率。EESS以102GW·h為單位。

2.2.3 變電站設備故障造成電網能量的轉移的期望EERS

該值表現了電網對該變電站故障的容錯程度。EERS越大，表示電網對該變電站的容錯能力越高。其表達式為：

式中，cRi為第i次故障導致電網轉移的電能量，MW；pi為第i種故障的概率。EERS以102GW·h為單位。

2.2.4 變電站能量受阻率LOGP

該值表示變電站發生故障導致電能輸送受阻的概率的和。其數值越高，代表電能受阻的概率越大，系統可靠性越差。其表達式為：

2.2.5 變電站主接線對電網電量損失的影響程度YI。

該值表現了變電站主接線影響電網的能力。其表達式為:

式中,x為主接線設備的故障狀態；X為主接線故障狀態的集合；Yx和Sx分別為x狀態下變電站和電網損失的有功能量。

2.2.6 變電站主接線對電網電量轉移的影響程度YR

該值表現了電網對變電站的容錯能力。其表達式為：式中，x為主接線設備的故障狀態，X為主接線故障狀態的集合；Yx和Rx分別為x狀態下變電站和電網轉移的有功能量。

2.2.7 變電站投資和可靠性的經濟綜合評價標準U

該值為變電站總投資和故障損失的總和。其數值越大，表示該變電站的經濟綜合標準越差。

3 變電站主接線可靠性評估

對變電站可靠性進行評估，首先應當將電網節點根據電氣位置分類，分辨出被評估電站所處的節點類型，然后再根據實際情況，采用變電站重載狀態分析法判斷該變電站電能輸送的最大工作狀態，然后進行計算。一方面在對相關線路故障進行枚舉的計算時，要對電網狀態進行分析，計算出枚舉對應的變電站損失的負荷、電網損失的負荷、電網過載情況、電網解列和電壓過低的情況；另外，在系統中輸入主接線的編號、線路數、運行形式等數據，從而計算出枚舉時相應的概率和頻率；然后應用相關算法計算出電網線路的最優分配方法，對相應線路進行分配，得出可靠性指標；最終根據可靠性指標，計算出變電站的綜合經濟指標。評估的整體流程如圖4所示。

圖4 變電站主接線可靠性評估流程圖

3.1 變電站運行的重載狀態判斷方法

對變電站重載狀態進行分析，首先要對變電站所處電網位置的節點類型進行分析，判斷其是關節點、邊界節點還是一般節點，對節點進行對應編號后，根據節點類型進行相應處理。當變電站為關節點和邊界節點時，可直接進入下一步運算中，而當變電站為一般節點時，則應搜索和該節點在相同工作面的相關節點，對線路元器件儲存并執行故障枚舉，并對結果進行分析、記錄。然后進入下一運算步驟。

3.2 分析電網運行狀態的方法

電網運行狀態的分析過程中，有可能出現給定條件不能滿足的情況，此時則要進行校正，使電網的運行重新恢復正常，當電網負荷不平衡或有過載情況發生，則應對電能的輸入或輸出進行調整。綜合分析電網的運行狀態的方法如圖5所示。

圖5 電網運行狀態分析流程圖

3.3 變電站主接線可靠性分析計算

對變電站主接線進行可靠性分析計算時，首先要根據設備的結構和可靠性數據，進行設備可靠性相關模型參數計算，同時計算出主接線所有設備的進出線點對應的最小路集，然后執行對設備故障的枚舉，針對枚舉的事件狀態，建立故障向量，并進行運算分析，判斷進站點和出站點是否存在中斷，當有中斷產生時，則用備用設備自動替換故障設備，并記錄故障的概率和頻率。最終將枚舉得出的可靠性數據合并，計算分析所有情況下中斷事件的概率和頻率[2]。變電站主接線可靠性分析計算的流程如圖6所示。

圖6 變電站主接線可靠性分析

3.4 變電站進出站點和連接線路的最優化分配

進行最優化分配，一方面要統計執行故障枚舉過程中主接線連接線路的中斷容量信息，另外統計相應事件的累積概率，然后使二者乘積的和最小，從而計算出最優的分配模式。

3.5 變電站主接線經濟性評估

變電站主接線和電網運行的經濟成本緊密相連，本文把變電站主接線的可靠性分析最終轉換為經濟性分析，提出年度總成本，其最終結果應當包括變電站設備的投資和運行維護的總費用，還應包括電能量損失的年度總和對應的成本數[3]。其運算模型為：

式中，U為年度總成本；C為設備投資和運營成本；E為電能量損失的年度總值。

3.6 案例分析

應用文中的評估方法對某變電站進行評估分析，并根據評估結果對變電站進行了優化分配。優化前的年度EENS和年度總成本U分別為4.4 652×102GW·h和0.28 536×104萬元，而優化后的 EENS和 U分別為3.28 106×102GW·h和0.21 468×104萬元。優化后的成本比優化前減少了超過20%。可見，優化后的效果非常明顯，文中的評估方法的實際應用效果是比較明顯的。

4 結論

本文將變電站成本計算運用到主接線的可靠性評估中，將可靠性問題最終歸結為成本體現。提高變電站主接線運行的穩定性和可靠性，必然會降低變電站運行的成本，同時線路方案的優化對提高主接線可靠性和降低電網運行成本有著很大的實際意義。但是，本文的方案也存在著一些不足，有些問題考慮的可能還不夠全面，還需要在今后的工作中不斷完善。

【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】萬國成,任震,吳日昇，等.混合法在復雜配電網可靠性評估中的應用[J].中國電機工程學報,2004,24(9):92-89.

【3】謝瑩華,王成山,葛少云，等.城市配電網接線模式經濟性和可靠性分析[J].電力設備自動化設備,2005,25(7):12-17.

Analysis and Evaluation of the Reliability of Substation Main Wiring

CHEN Xin,GENG Xiao-chao
（StateGridJibeiElectricEconomic ResearchInstitute，Beijing 100073，China）

The substation is the hub of the electricpower system, itsmainwiring is electric energytransmission channel, directly affects thenormal operation of electric power system. Therefore, a suitable measure of substation reliability evaluation method is very necessary. Thereliability of substation main wiring should not only consider the substation capacity, but should from its impact on the entire power gridconsidering thewhole.Based on the reliability of thewhole power grid, considering the substation capacity at the same time, considering theimpact of themain wiring fault of the system, have certain reference significance for the reliability assessment of the transformer substationmainwiring.

substation;mainconnection;reliability;evaluation

TU271.9

A

1007-9467（2016）09-0068-04

2016-04-1

陳鑫（(1984～），男，北京人，工程師，從事交流變電站建設管理研究，（電子信箱）cxsgcc@163.com。