配電網(wǎng)可靠性評估的網(wǎng)絡(luò)等值法模型研究

1、第23卷第5期中國電機工程學(xué)報Vol.23 No.5 May 2003配電網(wǎng)可靠性評估的網(wǎng)絡(luò)等值法模型研究萬國成,任震,田翔(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東廣州510640STUDY ON MODEL OF RELIABILITY- NETWORK-EQUIVALENT OFDISTRIBUTION SYSTEM RELIABILITY EVALUTIONWAN Guo-cheng , REN Zhen , TIAN Xiang(South China University of Technology, Guangzhou 510640, ChinaABSTRACT: A method of re

2、liability-network-equivalent of distribution systems is introduced based on analyzing the working mechanism of the distribution systems. The deficiency of the mathematic model of the reliability-network-equivalent, given in the IEE reference is pointed out. The model in the IEE reference doesnt cons

3、ider the effect of the breaker installed at the sending end of feeders. A modified mathematic model of the reliability-network-equivalent considering the effect of the breaker in the feeders is also presented in the paper. The modified model can be applied to any distribution system even with breake

4、rs installed in feeders.KEY WORDS: Distribution system; Reliability; Network-equivalent摘要:配電網(wǎng)可靠性是電力系統(tǒng)可靠性三大組成部分之一,相對于發(fā)電及輸電系統(tǒng)的可靠性研究,配電環(huán)節(jié)的可靠性研究一直處于較弱的水平;而復(fù)雜配網(wǎng)的可靠性評估更是一個薄弱環(huán)節(jié)。該文通過對配電網(wǎng)工作機理的分析,介紹了對帶有復(fù)雜分支饋線的配電網(wǎng)可靠性評估的網(wǎng)絡(luò)等值法,同時指出了原IEE文獻中網(wǎng)絡(luò)等值法所采用的數(shù)學(xué)模型中沒有考慮各分支饋線首端所設(shè)斷路器的影響的不足,并給出了修正的網(wǎng)絡(luò)等值法數(shù)學(xué)模型,該模型較完備地考慮了熔斷器、斷路器、備用

5、變壓器等設(shè)備的影響,與原模型相比,修正后的模型具有更寬的適應(yīng)面,更適合饋線中設(shè)有斷路器的系統(tǒng)。能更真實地反應(yīng)配網(wǎng)的實際情況。關(guān)鍵詞:配電網(wǎng);可靠性;網(wǎng)絡(luò)等值法1引言在相當長一段時間里,電力系統(tǒng)的可靠性研究都集中在發(fā)電與輸電環(huán)節(jié)上,對配電網(wǎng)的可靠性研究只是近些年才引起人們的關(guān)注。其實,配電網(wǎng)的可靠性研究與發(fā)電及輸電系統(tǒng)一樣,具有相當重要的意義。有統(tǒng)計資料顯示1:大約有80%的停電事故是由配電系統(tǒng)的故障造成的。由于配電系統(tǒng)其自身的特點,對配網(wǎng)的可靠性評估的方法與發(fā)電系統(tǒng)及輸電系統(tǒng)相比均有較大差異。文2提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)可靠性評估方法主要是針對發(fā)電及輸電系統(tǒng)的;配電網(wǎng)可靠性評估的傳統(tǒng)方法為故障

6、模式后果分析法3 (Failure-Mode-and-Effect Analysis,該方法對所有可能的故障事件或元件失效進行分析,并確定對負荷點的影響,找出系統(tǒng)的故障模式集合,最終在此狀態(tài)集合的基礎(chǔ)上得到負荷點的可靠性指標。FMEA法適用于對簡單輻射狀主饋線系統(tǒng)的可靠性評估。對帶有復(fù)雜分支饋線的系統(tǒng),由于故障模式太多,直接使用FMEA法有一定困難4。為此,文5介紹了一種能靈活響應(yīng)配電網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)變化的復(fù)雜輻射狀配電系統(tǒng)可靠性評估的故障遍歷算法;而文6提出了利用網(wǎng)絡(luò)等值法對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進行等效簡化的方法。該方法的基本思想是利用一個等效元件來代替一部分配電網(wǎng)絡(luò),從而將復(fù)雜結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)逐步簡化成簡單輻

7、射狀主饋線系統(tǒng)。對輻射狀配電網(wǎng)而言,該等效方法具有很好的適應(yīng)性。本文對網(wǎng)絡(luò)等值過程中的等效機理進行了分析,指出了文4中等效模型的不足,并給出了修正后的等效模型,最后在文末以一具體實例加以說明。2簡單輻射狀主饋線系統(tǒng)簡單輻射狀主饋線供電系統(tǒng)在配電網(wǎng)中占有主要的地位,在這種系統(tǒng)中,負荷沿途分布在饋線的兩側(cè),它是研究復(fù)雜結(jié)構(gòu)配電網(wǎng)的基礎(chǔ)。典型的簡單輻射狀主饋線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中,虛線框1代表一負荷支路,虛線框第5期萬國成等:配電網(wǎng)可靠性評估的網(wǎng)絡(luò)等值法模型研究49 p 1 p 1p 1圖1 簡單輻射狀主饋線結(jié)構(gòu)圖 Fig. 1 Simple distribution system2代表分

8、段開關(guān),N/O 表示聯(lián)絡(luò)開關(guān),此外,在靠近電源的地方還有斷路器。典型的簡單輻射狀主饋線系統(tǒng)由斷路器、若干段主饋線、負荷支路、分段開關(guān)、聯(lián)絡(luò)線及聯(lián)絡(luò)開關(guān)構(gòu)成。在進行可靠性評估時,可將斷路器、各饋線段、分段開關(guān)等分別看成一個節(jié)點,如果把負荷支路也當成串在回路中的一個節(jié)點元件,則對該類系統(tǒng)進行可靠性評估時圖1可由圖2來完全等效。此時,節(jié)點與節(jié)點之間的連線只表示一種連接關(guān)系,不帶任何屬性,系統(tǒng)的所有故障均由各節(jié)點的屬性決定。 圖2 簡單輻射狀主饋線系統(tǒng)等效圖Fig. 2 Equivalent configuration for simple distributionsystem等效后的系統(tǒng)可看成由n

9、個元件組成,前n 一個元件中的每個元件都屬于集合=斷路器、線路、負荷節(jié)點、分段開關(guān),第n 個為聯(lián)絡(luò)線及聯(lián)絡(luò)開關(guān)(可有可無。不同類節(jié)點具有不同的屬性。對應(yīng)斷路器的節(jié)點屬性為斷路器 | 故障率,修復(fù)時間r ,可靠斷開的概率p b ;對應(yīng)主饋線段的節(jié)點屬性為主饋線段 | 故障率,修復(fù)時間r ;對應(yīng)分段開關(guān)的節(jié)點屬性為分段開關(guān) | 操作時間1t ,故障率(取為0;對應(yīng)負荷支路的節(jié)點屬性為負荷支路 | 等效故障率,等效修復(fù)時間r ;對應(yīng)聯(lián)絡(luò)線及聯(lián)絡(luò)開關(guān)的節(jié)點屬性為聯(lián)絡(luò)線及聯(lián)絡(luò)開關(guān) | 聯(lián)絡(luò)線故障率,聯(lián)絡(luò)開關(guān)倒閘時間2t 。一般而言,聯(lián)絡(luò)開關(guān)倒閘時間12t t 。另外,在分段開關(guān)的屬性中加上故障率并將它取

10、為0是為了后面的敘述方便。對負荷支路節(jié)點,由于它是由變壓器、負荷支路線以及熔斷器(可有可無組成,因此有必要對它的等效故障率的求取作適當?shù)姆治鎏幚?。設(shè)熔斷器可靠工作的概率為f p ,如果負荷支路j 的首端設(shè)有熔斷器,則此負荷支路所對應(yīng)的等效節(jié)點的故障率(1(jt jl f j p +=。如果熔斷器100%地可靠工作,則負荷支路的故障不影響?zhàn)伨€上其它點的可靠性指標, 即0=j ;如果不設(shè)熔斷器,相當于f p =0,則在干線上反映該負荷支路的節(jié)點所對應(yīng)的可靠性參數(shù)為故障率jt jl j +=,年停電時間為jl jl j r u =jt jt r +,平均停電持續(xù)時間為j j j u r =/(當設(shè)有

11、熔斷器但不是100%地可靠工作時,等效節(jié)點只是故障頻率發(fā)生改變,而修復(fù)時間仍然維持此值不變。其中, jl 為該負荷支路線路的故障率, 它等于線路長度乘以單位長度線路的故障率,jt 為該負荷支路上變壓器的等效故障率,jl r 為該線路的等效修復(fù)時間,jt r 為該支路上變壓器的等效修復(fù)時間。對簡單輻射狀主饋線系統(tǒng),如果忽略二重及二重以上的元件故障,各負荷節(jié)點的可靠性指標計算方法如下:設(shè)節(jié)點j 為一負荷支路對應(yīng)的節(jié)點,則該負荷點對應(yīng)的故障率j 、故障修復(fù)時間r j 及年停電時間U j 分別為jtjlnjk k kj +=,1 (1j j j U r /= (2 jt jt jl jl njjk k

12、 k jkk j r r rU +=,1 (3式中 k 為圖2中第k 個節(jié)點的等效故障率;r jk為求第j 個節(jié)點時第k 個節(jié)點故障導(dǎo)致的第j 個節(jié)點的停運時間。r jk 的取值依賴系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),其表述如下: (1第k 個元件在電源側(cè)若第k 個元件與j 元件間無分段開關(guān),則r jk 為第k 個等效元件的故障修復(fù)時間;如果第k 個元件與j 元件間設(shè)有分段開關(guān),且j 元件以后的饋線上設(shè)有聯(lián)絡(luò)開關(guān),則r jk 取為分段開關(guān)操作時間與聯(lián)絡(luò)開關(guān)倒閘時間中的較大值;如果第k 個元件與j 元件間設(shè)有分段開關(guān),但j 元件以后的饋線上沒有裝設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān),則r jk 仍取為第k 個等效元件的故障修復(fù)時間;(2第k 個

13、元件比j 元件遠離電源側(cè)若第k 個元件與j 元件間無分段開關(guān),則r jk 為第k 個等效元件的故障修復(fù)時間;如果第k 個元件與j 元件間設(shè)有分段開關(guān),則r jk 取為分段開關(guān)操作時間。得到了該負荷點對應(yīng)的故障率j 、故障修復(fù)時間r j 如年停電時間U j 后,系統(tǒng)的可靠性指標就能很容易地獲得了。50 中 國 電 機 工 程 學(xué) 報 第23卷3復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的等值法復(fù)雜結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)是指具有分支饋線的配電網(wǎng),如圖3(a所示。由圖可見,對簡單輻射狀配電網(wǎng),如果在某些負荷節(jié)點接的不是負荷支路,而是分支饋線(分支饋線除了不帶聯(lián)絡(luò)線及聯(lián)絡(luò)開關(guān)外其它與簡單輻射狀網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相同,就構(gòu)成了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng),而分支饋線仍

14、然可帶下一級分支饋線。處理該類結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng),可先將它等效成簡單輻射狀配電網(wǎng)。對復(fù)雜結(jié)構(gòu)配電網(wǎng)的可靠性評估含向上等效及向下等效兩個過程。在向上等效的過程中,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)點元件來代表;而向下等效的過程中,將上級饋線對下級饋線的影響用一個串在下級饋線首端的等效節(jié)點元件來代表。在將分支饋線等值簡化的過程中,如圖3中將虛線框E 3等效成元件E 3,虛線框E 2等效成元件E 2,等效元件對上級饋線的影響可由等效元件的故障率e 、等效元件的年故障時間U e 以及等效元件 L p 23L p 1(cL p 2圖3 復(fù)雜結(jié)構(gòu)配電網(wǎng)絡(luò)等效圖 Fig. 3 Reliabil

15、ity-network equivalent的故障修復(fù)時間r e 來反映。分支饋線上等效元件的故障對上級饋線的影響為:(1當分支饋線上每個節(jié)點元件故障時,如果在分支饋線的首端設(shè)有斷路器,且斷路器可靠斷開的概率為p b ,則分支饋線上有節(jié)點元件故障時導(dǎo)致上級饋線停運的概率為1p b ,因此,上級饋線中反映該分支饋線的等效節(jié)點故障率應(yīng)該是分支饋線上所有節(jié)點的故障率之和與1p b 的乘積;而斷路器若不斷開,由于斷路器配套有隔離開關(guān),因此,每次分支饋線上的節(jié)點元件故障,上級饋線中反映該分支饋線的等效節(jié)點的修復(fù)時間為隔離開關(guān)的操作時間,取為1t ;(2如果不設(shè)斷路器,則分支饋線上的每個節(jié)點故障時都會導(dǎo)致

16、上級饋線停運,因此,上級饋線中反映該分支饋線等效節(jié)點的故障率應(yīng)該是分支饋線上所有節(jié)點的故障率之和,其停運時間根據(jù)分支饋線的結(jié)構(gòu)而定:如果分支饋線上第j 個節(jié)點與分支饋線首端間設(shè)有分段開關(guān),則第j 個節(jié)點故障時,上級饋線中反映該分支饋線等效節(jié)點的修復(fù)時間為分段開關(guān)的操作時間1t ;如果第j 個節(jié)點與分支饋線首端間不設(shè)分段開關(guān),則第j 個節(jié)點故障時,上級饋線中反映該分支饋線等效節(jié)點的修復(fù)時間為第j 個節(jié)點的修復(fù)時間j r 。對應(yīng)(1、(2兩種影響,求分支饋線等效元件的故障率e 、故障修復(fù)時間r e 以及年故障時間U e 的兩組公式分別為:1分支饋線首端設(shè)有斷路器(配套有隔離開關(guān)時=n k kb e

17、 p 1;1(;1111t t r nk knk k e=Bt U nk k e =11其中,k為分支饋線上第k 個節(jié)點 的等效故障率;b p 為分支饋線首端斷路器可靠斷開的概率;1t 為分支饋線上與斷路器相配套的隔離開關(guān)的操作時間。2分支饋線首端不設(shè)斷路器時丟1=nk k e G 110=n k k n k k k e ee r u r 10=nk k k e r U 其中,k 為分支饋線上第k 個節(jié)點的等效故障率;0k r 為第k 個節(jié)點故障時導(dǎo)致分支饋線首端的停電時間。其計算方法為:當?shù)趉 個節(jié)點與分支饋線首端無分段開關(guān)時,0k r 為第k 個節(jié)點的等效修復(fù)時間;第5期 萬國成等:配電網(wǎng)

18、可靠性評估的網(wǎng)絡(luò)等值法模型研究51當?shù)趉 個節(jié)點與分支饋線首端有分段開關(guān)時,0k r 為分段開關(guān)的操作時間1t 。有了以上2組公式, 就可以將復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)最終簡化成簡單輻射狀網(wǎng)絡(luò)。對簡單輻射狀網(wǎng)絡(luò),由式(1(3可求得主饋線上各負荷點的可靠性指標。如果第j 個節(jié)點對應(yīng)于分支饋線,作為加在下級饋線首端所串接的節(jié)點可靠性參數(shù), 則可用第3組公式;,1=n j k k k j G j jj U r = =n j k k jk k j r U ,1 來求復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上級饋線對下級饋線的影響。以上3組公式中的n 表示的是分支饋線的節(jié)點數(shù),其它各符號的意義與上面簡單輻射網(wǎng)相同。 對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)的可靠性評估,含向

19、上等效及向下等效兩個過程。在向上等效的過程中,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)點元件來代表,該等效節(jié)點元件的可靠性參數(shù)由第1組公式或第2組公式獲得;而在向下等效的過程中,將上級饋線對下級饋線的影響用一個串在下級饋線首端的等效節(jié)點元件來代表,該等效節(jié)點元件的可靠性參數(shù)由第3組公式獲得。由第3組公式得分支饋線所對應(yīng)的節(jié)點的可靠性指標,將它作為加在下級饋線首端所串接的節(jié)點可靠性參數(shù),然后再把上級饋線作為電源點,則構(gòu)成新的簡單輻射狀網(wǎng)絡(luò)。重復(fù)利用式(1(3,可求得該饋線上各負荷點的可靠性指標;由第3組公式得該饋線上、下級分支饋線所對應(yīng)的節(jié)點可靠性指標, ,如此一級一級算下去,可求

20、得整個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)所有負荷點的可靠性指標。4實例本文的算例結(jié)構(gòu)參考IEEE RBTS 母線65的主饋線4,系統(tǒng)接線如圖4所示。該饋線包括30條線路、23個負荷點、23個熔斷器, 23個配電變壓器、4個斷路器及1個分段開關(guān)。各原始數(shù)據(jù)如表1、2所示。設(shè)斷路器可靠動作的概率為80%,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4h ;斷路器故障率取0.002次/年,修復(fù)時間取4h ;變壓器故障率取為0.015次/年,修復(fù)時間取為200h ,切換到備用變壓器的時間為1h ;分段開關(guān)的操作時間為20min ;聯(lián)絡(luò)開關(guān)的倒閘時間為1h 。下面分幾種情況來求各負荷點

21、的可靠性指標:表1 線路數(shù)據(jù)Tab. 1 Feeder data饋線類型長度/km 線路標號10.607,13 20.7527 30.809,21 40.904,105 1.603,5,8,15,20,28 6 2.502,6,18,23,267 2.801,12,16,22,25,30 8 3.2011,17,19,24,2993.5014表2 負荷數(shù)據(jù) Tab. 2 Customer data負荷點數(shù)目負荷點編號用戶類型負荷點用戶數(shù)12居民用戶 12621,6居民用戶 14715居民用戶 13248,11,14,19 居民用戶 79410,12,16,22 居民用戶 76215,20 農(nóng)業(yè)

22、用戶 133,13,17 農(nóng)業(yè)用戶 124,18 農(nóng)業(yè)用戶 127,23 農(nóng)業(yè)用戶 129,21 農(nóng)業(yè)用戶1總計1183F 4L p 1Lp 2L p 4L p 6L p 3L p 5L p 7L p 8L p 9L p 10L p 14L p 15L p 16L p 17L p 18L p 11L p 12L p 13L p 20 L p 21 L p 22 L p 23F 5F 6F 7L p 1923424111213141525161718262728 29 301圖4 配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Configuration of distribution system(1配電變不設(shè)備用

23、,不設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān); (2配電變都設(shè)備用,不設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān); (3配電變設(shè)備用,在主饋線上位于F 6與F 7之間的點設(shè)聯(lián)絡(luò)線及聯(lián)絡(luò)開關(guān)與其它饋線相連,并假設(shè)聯(lián)絡(luò)開關(guān)靠近所討論的系統(tǒng),即忽略聯(lián)絡(luò)線故障對所討論的系統(tǒng)的影響。在以上3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e 、年故障時間U e52 中國電機工程學(xué)報第23卷以及故障修復(fù)時間r e是相同的,因為熔斷器是100%的可靠工作的;而在此3種情況下向下等效即作為加在下級饋線首端所串接的節(jié)點的可靠性參數(shù)是各不相同的。通過編程計算,這些結(jié)果匯于表3。編程計算得在此3種情況下部分負荷點可靠性指標和系統(tǒng)可靠性指標,見表4、5。表3 等效后的可

24、靠性參數(shù)Tab. 3 Equivalent-lateral-section parameters向上等效的可靠性參數(shù)向下等效的可靠性參數(shù)系統(tǒng)設(shè)置狀況子饋線e/(次年-1 r e/(h次-1U e/(h年-1 e/(次年-1 r e/(h次-1U e/(h年-1 F5 0.1334 0.3333 0.0445 1.4898 2.0144 3.0011F6 0.0854 0.3333 0.0285 1.5378 3.3919 5.2161 第1種情況F70.1294 0.3333 0.0431 1.4938 3.2776 4.89615F6 0.0854 0.3333 0.0285 1.5378

25、3.3919 5.2161 第2種情況F70.1294 0.3333 0.0431 1.4938 3.2776 4.8961F5 0.1334 0.3333 0.0445 1.4898 2.0144 3.0011F6 0.0854 0.3333 0.0285 1.5378 1.9873 3.0561 第3種情況F70.1294 0.3333 0.0431 1.4938 1.8316 2.7361表4 部分負荷點可靠性指標Tab. 4 Load-point indexes第1種情況的可靠性指標第2種情況的可靠性指標第3種情況的可靠性指標負荷點i/(次年-1 r i/(h次-1 U i/(h年-1

26、 i/(次年-1 r i/(h次-1 U i/(h年-1 i/(次年-1r i/(h次-1 U i/(h年-1L p1 1.638 3.431 5.621 1.638 1.609 2.636 1.638 1.609 2.636 L p7 1.678 3.589 6.021 1.678 1.809 3.036 1.678 1.809 3.036 L p9 1.668 4.661 7.776 1.668 2.872 4.791 1.668 1.577 2.631 L p13 1.980 4.760 9.424 1.980 3.252 6.439 1.980 2.161 4.279 L p16 2.

27、172 3.734 8.109 2.172 2.359 5.124 2.172 2.359 5.124 L p20 2.193 4.620 10.134 2.193 3.260 7.149 2.193 2.275 4.989表5 系統(tǒng)可靠性指標Tab. 5 System indexes系統(tǒng)設(shè)置狀況可靠性指標第1種情況第2種情況第3種情況SAIFI 1.82700 1.82700 1.82700SAIDI 7.31700 4.33200 3.47400CAIDI 4.00400 2.37100 1.90100ASAI 0.99916 0.99950 0.99960注:SAIFI為系統(tǒng)平均停電頻率

28、指標;SAIDI 為系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標;CAIDI 為用戶平均停電持續(xù)時間指標;ASAI為平均可用率指標。5結(jié)論對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的可靠性評估,可采用網(wǎng)絡(luò)等值法將其簡化為簡單輻射狀網(wǎng)絡(luò),然后再采用FMEA 法計算每個負荷點的可靠性指標。它避免了直接使用FMEA故障模式中太多的困難,因此不失為復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性評估的一種較理想的方法。文中通過對復(fù)雜配網(wǎng)工作機理的分析,給出了等值過程中所應(yīng)采用的數(shù)學(xué)模型。該模型較完備地考慮了熔斷器、斷路器、備用變壓器等設(shè)備的影響,與文4中給出的模型相比,該模型能更真實地反應(yīng)配網(wǎng)的實際情況。由文中的計算結(jié)果可知:備用變及聯(lián)絡(luò)開關(guān)的存在雖然不能改善系統(tǒng)的停電頻率,但卻對系統(tǒng)的停電時間有較大的影響。參考文獻1 Billinton R, Billinton J E. Distribution system reliability indices J.IEEE Transactions on Power Delivery, 1989, 4(1:561-568.2 吳開貴,王韶,張安邦,等(WuKaigui,WangShao,ZhangAnbang,etal.基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)可靠性評估模型研究(TheStudyonRel