基于區域支路法的變電站可靠性分析

林澤銳

摘 ? 要：傳統的可靠性分析法，如解析法與蒙特卡洛模擬法隨著系統擴大與互聯的增多，在評估不可靠的保護裝置和保護整定機制對給定廠房結構中各負荷點可靠性指標影響時的計算能力會受到制約和限制。區域支路法相對比具有容易地辨識出故障的保護機制并計算負荷點，可供專業人員方便地評估大規模電力系統中保護整定方案對各負荷點可靠性指標的影響。本文主要闡述區域支路法的基本思想及算法流程，證明區域支路法對評估電力系統可靠性分析是有效且可行的，并且具有一定的便捷性。

關鍵詞：電力系統 ?變電站 ?可靠性分析 ?區域支路法

中圖分類號：TM732 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0034-02

1 ?區域支路法介紹

1.1 區域支路概念

在一個工業電力系統的圖形或數字表示中最基本的元素為鏈接，即系統中任意兩個節點或母線之間的單一連接。鏈接可能是連接在電 路中兩點之間的1臺電氣設備，如變壓器或調壓器，也可能是一段架空線路、電纜或母線槽。繼電保護裝置通常安裝在鏈接、支路或者饋線段的起始段來保護后繼設備不受到本鏈接、支路或饋線段內故障的影響。在工業系統中用到的一些基本的繼電保護裝置為：斷路器和繼電器、熔斷器、重合器、分段器及自動或手動隔離開關。需要重點說明的是繼電保護裝置的動作或不動作都將直接影響工業電力系統的可靠性，即它們是因變量。為了評估一個給定工業電力系統的保護整定以及可靠性的特征，有必要將這個工業電力系統劃分為若干保護區域[1]。

1.2 保護區域支路定義

在定義保護區域支路概念及構成時將基于以下幾個假設：

（1）所有故障都是永久性的;

（2）繼電保護裝置可以瞬時完美地隔離所有永久性故障;

（3）繼電保護裝置整定完美，即最靠近故障的設備最先動作。

在確定區域1時，第一步為辨認在這個系統中與一個正常供電電源相連接且故障時該電源內的保護裝置將會把工業廠房與公用電網其他部分隔離的所有支路，以及變壓器等其他相關設備，在其中發生永久性故障會導致只有正常供電電源的保護裝置來分辨和隔離這一永久性故障。這些支路與變壓器將會被標識為區域1設備。它們通常為沒有保護的分支線路、直接與工業電力系統的電源或主干網呈輻射狀連接的饋線段與變壓器。

當兩個保護裝置串聯連接時，假設與永久性故障距離最近的保護裝置優先動作來隔離故障。判斷保護區域第二步為確定發生在鏈接上的會導致除了正常供電電源裝置以外的其他一些保護裝置動作以將故障鏈接與區域1的鏈接隔離開的永久性故障。這些鏈接被標示為區域2，支路i，其中i為支路編號。這個將鏈接劃分到各自相應保護區域中的過程將一直繼續，直到所有的鏈接都被標示完畢為止。每一個區域支路都與一個標示為S（i，j）的隔離設備相聯系，其中i為區域編號，j為支路編號。這些隔離設備可能為自動或手動開關、熔斷器、重合器、分段器或繼電器與斷路器的組合等。每一個隔離設備都由一個該設備未能識別并隔離本區域內永久性故障的概率q（i，j）與之相聯系。值得注意的是，如果隔離設備是一個手動開關，那么q（i，j）=1.0;如果設備是一個理想的斷路器—繼電器機制，那么q（i，j）=0;若機制不理想，則0.0

2 ?區域支路算法流程

區域支路法基本思想為將區域內設備的各項參數進行計算，形成每一個區域的年平均停電頻率、年停電時間及平均停電持續時間，然后將發生故障的故障點支路（由電源端開始）所經過的區域通過串并聯關系進行各項指標的數學計算，進而算出故障點的年停電頻率等指標。

如圖1為一個工業電力系統以及相應的區域支路的分布圖，圖2為依照圖1進行區域劃分及化簡的工業電力系統區域支路圖，并根據區域支路法的劃分區域原則對其進行區域劃分。可以看出，任意區域i、支路j的故障率"λ"（"i，j"）是在故障時只引起區域i支路j的隔離裝置動作的所有設備的故障率之和，并對于每一個區域i、支路j，總故障率λT（i，j）、年停運時間λr（i，j）及平均停電持續時間為

（1）

（2）

（3）

式中 ? ? λS——公用電力供應或者發電廠供電的故障率;

rS——公用電力供應的供電恢復時間;

z——區域支路編號;

k——系統中區域支路的總數;

R（z，k）——區域支路的修復或開關時間;

FZB（k）——包含每一個區域支路k故障率的故障區域支路數組;

RIA（z，k）——識別和隔離數組系數;

為了方便，一般將電力系統中的每一個區域支路都被賦予一個獨一無二的編號，本例中將區域支路按1～8編號如表1所示。

要注意的是，轉換后的故障區域支路數組FZB（k）中包含區域支路k的故障率。轉換后的故障區域支路數組FZB（k），以及辨識與隔離數組RIA（z，k）的定義如表2所示，并由表可以得知，每一個區域支路的總故障率取決于工業電力系統中所有區域支路的故障率以及隔離裝置檢測到相應區域支路內永久性故障的概率。

該例子中省略了由隔離裝置計算得出區域故障率的步驟，依據圖2及表格數據，區域3、支路2的總故障率為：

式中方括號內的元素對應著RIA（z，k）的元素。連接到區域3、支路2的設備年停運時間[λr（3，2）]為：

式中 ?r（i，j）——區域i、支路j的修復或轉移時間

Rsw（i，j）——區域i、支路j的開關或隔離時間

對于某些區域支路來說，在其直接供電路徑上的任何區域支路都需要修復操作，而那些不處于其直接供電路徑結構（“鯡魚結構”）上的區域支路，則只需開關與隔離操作。因此在直接供電路徑上的開關修復時間為r（i，j），與直接供電路徑相接的區域支路的開關或隔離時間為Rsw（i，j）。

3 ?結語

影響變電站可靠性的因素眾多，從變電站自身結構問題，到設備的選型及相關參數，再到負荷點的配電網絡結構、設備問題上，都對其可靠性具有重大影響[2]。對給定的工業電力系統結構中的負荷點進行停電頻率與持續時間分析的方法眾多，但隨著系統逐漸擴大和互聯的增多，已有的這些方法在評估不可靠的保護裝置和保護整定機制對給定廠房結構中各負荷點可靠性指標影響時的計算能力會受到制約和限制[3]。相比之下區域之路法的優勢在于，可以在一個包含所有元件的工業電力系統中很容易地辨識出故障的保護機制并計算負荷點的可靠性指標。

參考文獻

[1] Ali A.Chowdhury，Don O.Koval.配電系統可靠性實踐方法及應用[M].王守相，李志新，譯.北京：中國電力出版社，2012.

[2] 鮑曉慧，侯慧.電力系統可靠性評估述評[J].武漢大學學報：工學版，2008（4）：96-101.

[3] 曾彩鳳，張金亮.基于提高變電站供電可靠性措施研究[J].硅谷，2013（20）：134，133.