一種基于典型接線模式的城市復雜中壓配電網的可靠性評估算法

張 順，文承毅，何禮鵬，陳明帆，呂 懿，李琳瑋

(1.中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071；2.海南電網有限責任公司，海南 海口 572023)

0 引 言

隨著中國經濟由高速增長階段轉向高質量發展階段，全社會對電力的依賴程度越來越高，廣大用戶對供電可靠性提出了更高的要求[1-5]。因此，在進行配電網規劃和建設時需把提高配電網供電可靠性擺在十分重要的位置。

配電網可靠性評估常用方法為故障模式后果分析法(failure mode and effect analysis,FMEA)。該方法通過對各元件狀態失效事件進行分析，并確定對負荷點的影響，分析系統故障模式集合，最終形成負荷點及系統可靠性指標。FMEA法對簡單配電網的可靠性評估較有效。但實際配電網中往往含有多種接線模式或復雜分支饋線的區域配電網系統，這種網絡結構復雜、故障模式多，如直接用FMEA法搜索復雜系統所有元件的狀態，隨著元件數目的增多，系統故障模式將急劇增加，計算量呈指數增長[6-8]。

國內外已有較多文獻針對復雜配電網供電可靠性計算做了深入研究。文獻[9]結合復雜中壓配電網結構特點，提出可靠性評估的快速分塊算法；但其只適合開環運行的配電網，對閉環運行的配電網存在局限性。文獻[10]根據復雜配電網特點將網絡分塊，將塊等效為簡單支路形成簡化網絡模型。文獻[11]通過對配電網工作機理的分析，介紹了一種帶有復雜分支饋線的配電網可靠性評估的網絡等值法；但該模型未考慮含有較多主干饋線的大規模配電網可靠性評估簡化問題。

復雜中壓配電網架結構盡管含有較多復雜的分支饋線，但主干饋線基本是由典型接線構成，下面首先分析了城市復雜中壓配電網的接線模式，將復雜配電網依據典型接線模式進行簡化，將含有復雜分支饋線的網架結構轉化為典型接線模式，同時將配電網系統供電可靠率的計算公式進行相應轉化，形成了一種基于典型接線模式的復雜配電網可靠性評估算法。該方法有效解決了大型復雜配電網可靠性計算采用FMEA法所面臨的故障模式多、計算量大的問題，對規劃階段的中壓配電網可靠性評估具有較強的實用價值。

1 復雜中壓配電網接線模式分析及簡化

城市配電網一般由架空線和電纜線混合組成。通過分析國內外城市中壓配電網結構可以發現，城市中壓配電電網可以分為兩層，上層為中壓主干饋線，下層為分支饋線。主干線一般采用典型接線模式(分別為單環網、雙環網、兩供一備、三供一備、花瓣形接線)，分支饋線均呈輻射狀。主干饋線常用接線方式見圖 1。

中壓配電網一般在饋線上每隔一定距離安裝一個分段斷路器，而含子饋線的復雜系統在子饋線入口處也會安裝斷路器。考慮到分支線入口處一般安裝有熔斷器(或負荷開關)，發生故障時熔斷器動作，不影響網絡其他部分，故將分支饋線連同分支饋線上的設備構成一個分支塊。塊內元件的故障后果相同且具有整體性，運行方式的變化不會打破塊的結構。因此，為方便分析整個系統的可靠性，將每個分支饋線等效為一個負荷點。

圖 1 中壓配電網常用接線方式

圖2為復雜配電網的化簡流程。

圖 2 復雜配電網等效網絡

2 復雜中壓配電網系統可靠性指標

文獻[12]給出了中壓配電網可靠性評估的相關指標，其定義及計算公式如下：

1)系統平均故障停電時間期望值，指供電系統用戶在單位年度內的平均停電小時數，記作SAIDI，單位為h/(戶·年)，計算公式為

(1)

式中：μi為負荷點i的年停電時間；Ni為負荷點i的用戶數。

2)平均供電可靠率期望值，指在單位年度內，對用戶有效供電總小時數期望值與單位年度總小時數的比值，記作ASAI，計算公式為

(2)

(3)

(4)

式中：SAIDIj為第j條主干接線的平均故障停電時間期望值；kj為接線模式負荷點占比，即第j條接線模式的用戶數與全區域配網的用戶總數的比值。

(5)

同樣，系統平均供電可靠率期望值可做如下轉化：

(6)

(7)

式中，ASAIj為第j條主干接線的平均供電可靠率期望值。

3 可靠性評估算法描述

利用前面介紹的模型簡化方法將待評估系統簡化為多種典型接線模式后，就可以典型接線為單位對系統進行可靠性評估。基于典型接線模式的復雜中壓配電網可靠性評估算法可描述為：

1)讀入原始數據；

2)統計數據，統計各典型接線模式所帶用戶數量，計算各典型接線模式負荷點占比；

3)網絡簡化，將帶分支饋線的復雜中壓配電網轉化為典型接線的配電網；

4)利用FMEA法計算不同接線模式饋線的可靠性指標；

5)利用所提的復雜中壓配電網可靠性指標計算公式計算系統可靠性指標。

因此經過上述分析，針對復雜中壓配電網的可靠性評估可以簡化為對幾種典型接線的可靠性評估。需要說明的是，以上供電可靠性公式的轉化過程是基于以下2個假設：

1)該區域的各主干饋線的相同設備的故障率和修復時間一致。這是因為對于某一特定地區的配電網來說，其設備水平、管理水平等對于不同的接線并無差異化。

2)該區域的分支饋線入口處需安裝有熔斷器或負荷開關，分支饋線的故障只對該饋線的可靠性有影響，對主干饋線的供電可靠性無影響。

4 算例分析

以某城區中壓配電網為例進行仿真驗證，圖3給出了2018年該城區中壓電網網架結構圖。該城區共有10 kV線路42回，其中架空線路2回，電纜線路40回。從拓撲圖可以發現，河西站、河口站、卓達站的部分10 kV線路為非典型接線，需將其簡化為典型接線。可以發現，鳳凰島Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ線為分支線，可將其等效為負荷點，同樣，鳳西線和海岸線可以等效為負荷點；吉祥線、解放Ⅰ線、T12線、解放Ⅱ線、兒童線、通港II線構成較為復雜的非典型接線，依據等效原則，可將此6回線等效為3組單環網。簡化后的拓撲圖如圖4所示。

圖 3 某城區中壓配電網等效網絡

圖 4 某城區中壓配電網簡化等效網絡

對城區典型接線情況進行統計，結果見表 1所示。

根據電網公司調度運行日志，整理出城區的供電可靠性參數如表2所示。表中：λ1為單臺設備或每公里線路故障率，次/(年·km)或次/(年·臺)；λ2為單臺設備或每公里線路預安排停電率，次/(年·km)或次/(年·臺)；r1為設備或線路的平均故障修復時間，h/次；r2為設備或線路的平均預安排停電時間，h/次；s為平均故障隔離和倒閘切換時間，h。

表1 城區典型接線基本情況

表2 城區供電可靠性參數表

采用文獻[12]所提供的FMEA法，分別計算出城區中壓電網各典型接線模式的可靠性指標，結果如表 3所示。

表3 城區典型接線模式可靠性指標

根據表 3計算結果和式(7)，可計算得到該城區供電可靠率理論計算值為

ASAI =∑ASAIj×kj=99.960 8%

依據電網公司提供相關資料，2018年該市城區停電時間為3.36 h，轉化為供電可靠率為99.961 6%，說明所提出的算法有效可靠。

5 結 論

在分析復雜配電網網絡接線的基礎上，出了一種基于典型接線模式的復雜配電網的可靠性評估算法。該算法首先將復雜配電網依據典型接線模式進行簡化，然后計算各典型接線模型的供電可靠率，最后計算整個系統的供電可靠率。

該算法將含有分支饋線的復雜配電網轉化為典型接線模式的配電網，簡化了配電網拓撲結構，減少了計算量，對規劃階段的中壓配電網可靠性評估具有較強的實用價值。