配電網(wǎng)可靠性定量評估及成本,效益分析軟件包研究

1、配電網(wǎng)可靠性定量評估及成本/效益分析軟件包研究 邱 生1 張 焰1 陶 鵬1 王之佩2 駱敏2 （1.上海交通大學，上海 200030 2.上海市電力公司，上海 310014）摘 要 ：在綜合應用配電系統(tǒng)可靠性理論、成本/效益分析理論、圖論以及面向?qū)ο蟮挠嬎銠C編程技術基礎上，研究開發(fā)了一套用于定量評估配電網(wǎng)可靠性以及進行可靠性成本/效益分析的軟件包系統(tǒng)。文中著重介紹了該系統(tǒng)的設計開發(fā)思路、軟件包工作流程和功能等。最后應用該軟件包系統(tǒng)對我國某地區(qū)中壓配電網(wǎng)的供電可靠性進行了定量計算，并對為提高可靠性而投入的成本以及所獲得的效益進行了分析比較。研究結(jié)果可以為電網(wǎng)的規(guī)劃人員與運行管理人員提供依據(jù)。關

2、鍵詞：配電網(wǎng)；可靠性；成本/效益；軟件包0 引 言安全可靠的電網(wǎng)是維持國民經(jīng)濟發(fā)展以及人民生活水平的重要保障。電網(wǎng)故障引起供電中斷所造成的經(jīng)濟損失和社會影響往往是巨大的。配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)中聯(lián)系電源與用戶的一個重要環(huán)節(jié)，其供電可靠性水平的高低與電力用戶有著直接的關系。保證供電可靠性是配電網(wǎng)規(guī)劃與運行管理中需要考慮的一個重要問題。電網(wǎng)的供電可靠性與電網(wǎng)建設的經(jīng)濟性有時是相互矛盾的兩個方面。提高供電可靠性，則可能需增加對電網(wǎng)的投資，使電網(wǎng)的經(jīng)濟性下降，但若不采取措施提高可靠性，則包括停電損失在內(nèi)的電網(wǎng)總成本可能反而會上升。如何使電網(wǎng)供電可靠性與電網(wǎng)經(jīng)濟性之間協(xié)調(diào)達到最大滿意程度，則要通過可靠性成本/

3、效益分析來完成。首先需要合理地定量評價電網(wǎng)的供電可靠性，找出其薄弱環(huán)節(jié)，然后通過成本/效益分析來采取合理的措施提高電網(wǎng)供電可靠性。因此，開發(fā)具有實用性的配電網(wǎng)供電可靠性定量評估及可靠性成本/效益分析軟件包系統(tǒng)具有重要的意義。1 軟件包設計思路軟件包開發(fā)遵循實用、方便和可擴展性的設計原則。配電網(wǎng)接線復雜、設備數(shù)目多、涉及的信息量大，各設備參數(shù)及功能之間存在一定作用關系，相應的數(shù)據(jù)及其處理密切相關。本文采用面向?qū)ο蟮挠嬎銠C編程技術設計軟件包平臺，在圖形化操作界面（如圖1示）上用圖元的形式把設備的參數(shù)和狀態(tài)集中在一起，然后利用這些圖元信息和圖元之間的聯(lián)絡信息形成計算用數(shù)據(jù)，最后應用可靠性理論計算配電

4、網(wǎng)的各種可靠性評估指標。根據(jù)面向?qū)ο蟮姆椒ū疚脑O計了圖元的基本類，定義了普通圖元所具有的所有功能，具體的電氣設備圖元類可以通過繼承普通圖元類的屬性和編寫個性函數(shù)的方法來完成設計。為在完成圖元繪制的同時，能夠?qū)崿F(xiàn)參數(shù)輸入和數(shù)據(jù)存儲，在圖元總體設計方案中，采用“三位一體”的方法，即對于每一種設備，都設計相應的對話框類、數(shù)據(jù)庫接口類和總體控制類。其中的總體控制類可以利用對話框類和數(shù)據(jù)庫接口類實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入輸出和數(shù)據(jù)存儲，并利用自身的函數(shù)完成圖形繪制等功能。圖 1 圖形化界面對配電網(wǎng)進行供電可靠性計算以及進行有關提高可靠性的成本/效益分析時需要依賴數(shù)據(jù)庫技術管理龐大的信息量。開發(fā)的軟件包采用關系數(shù)據(jù)庫技

5、術。數(shù)據(jù)庫中包括（1）設備信息表，如線路、變壓器和開關等設備的型號、名稱、額定電壓、電流或容量、設備強迫停運率、計劃停運率、非計劃停運時間、計劃停運時間、誤動率以及設備狀態(tài)（是否在運行）、設備投資費、電價、單位停電損失費等；（2）圖形信息表，如設備圖元的端點編號、名稱、位置的X和Y坐標值以及所屬網(wǎng)圖的地址等；（3）計算結(jié)果表，如系統(tǒng)平均停電頻率、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間、用戶平均停電持續(xù)時間、平均供電可靠率、系統(tǒng)總的電量不足期望值以及各用戶點的可靠性指標等；（4）設備故障后果分析表，如各種設備故障對電網(wǎng)所造成的影響分析報告等；（5）可靠性成本/效益分析結(jié)果；等等。圖2為線路參數(shù)輸入的典型界面。圖2

6、線路參數(shù)輸入界面在上述的圖形化界面和數(shù)據(jù)庫基礎上，軟件包綜合考慮配電網(wǎng)接線形式、運行方式、設備故障、設備計劃檢修以及故障情況下供電負荷轉(zhuǎn)移路徑等影響因素，應用可靠性理論與方法，通過預想事故后果分析，計算出配電網(wǎng)在選定運行方式下的供電可靠性指標，如配電網(wǎng)發(fā)生故障停電的概率指標，供電可靠率指標、年平均停電時間指標以及由于配電網(wǎng)設備故障停電造成的電量不足期望值指標和各負荷點指標等；通過對各種設備故障或檢修對配電網(wǎng)停電影響程度的排序，找出薄弱環(huán)節(jié)，分析哪些設備對整個配電網(wǎng)可靠性影響最大，需要加強其可靠性考核及管理，以提高其運行可靠性；確定提高配電網(wǎng)供電可靠性的具體方案并進行相應的成本/效益分析。2 軟

7、件包工作流程及功能軟件包工作流程如圖3所示。繪制配電網(wǎng)電氣接線圖并輸入相關信息進行網(wǎng)絡拓撲分析確定配電網(wǎng)運行狀態(tài)選則電網(wǎng)可靠性判據(jù)進行預想事故后果分析和相應的潮流計算并實施故障情況下的負荷轉(zhuǎn)移方案計算可靠性評價指標找出可靠性薄弱環(huán)節(jié)擬訂改進方案，進行成本/效益分析輸出結(jié)果 圖3 軟件包工作流程圖軟件包主要功能包括： 1）配電網(wǎng)電氣接線圖的繪制可以通過操作軟件包中標準的制圖工具欄來繪制配電網(wǎng)電氣接線圖。工具欄分別支持文字輸入、電纜、架空線、用戶變壓器、進線開關、進線刀閘、用戶變壓器保險熔絲和柱上開關等的繪制。關于配電網(wǎng)電氣接線圖繪制得是否正確，軟件包有自動檢測功能。2）配電網(wǎng)運行方式的選擇運行方

8、式不同，電網(wǎng)的供電可靠性也不相同。配電網(wǎng)運行方式的改變實質(zhì)上是設備運行狀況的改變。設備運行狀態(tài)可以通過每臺設備對話框的狀態(tài)欄來改變，非常方便。3）可靠性判據(jù)的選擇電網(wǎng)是否可靠是相對于一定準則而言的。關于可靠性判據(jù)的選擇可以通過軟件包中專門設置的對話框來實現(xiàn)：圖4 可靠性判據(jù)選擇對話框4）可靠性定量評估對于配電網(wǎng)供電可靠性定量評估的整體思路是：對于每一臺設備，首先根據(jù)設備屬性設定它的故障類型（如短路、開路，以及檢修方式下的故障等），然后對每種預想事故和故障類型求出相應的故障范圍，對故障范圍進行可操作恢復供電區(qū)域和不可操作恢復供電區(qū)域劃分，并實施非故障區(qū)域的負荷轉(zhuǎn)移模擬，同時通過潮流計算，判斷轉(zhuǎn)移

9、是否成功，最后得到電網(wǎng)的故障事件集合列表，并進行相應的可靠性指標計算。5）自動形成預想事故后果分析報告和顯示計算結(jié)果及排序功能用戶可以通過查看預想事故后果分析報告和可靠性指標的排序結(jié)果尋找可靠性薄弱環(huán)節(jié)。圖5可靠性指標顯示窗口圖6 預想事故后果分析顯示窗口6）可靠性成本/效益分析為提高電網(wǎng)的供電可靠性，有時需要增加電網(wǎng)的投資成本，包括新增設備的費用和運行管理費等，相應的可靠性效益可以用因可靠性改善而使供電部門因少售電量而少收電費的減少和給予用戶停電損失賠償費的減少以及設備故障維修費的減少來衡量。可靠性成本/效益分析結(jié)果可以通過顯示的界面查看。圖7 成本/效益分析界面4 應用實例應用所開發(fā)的軟件

10、包系統(tǒng)對我國上海市某小區(qū)的10kV配電網(wǎng)供電可靠性進行定量評估及相應的成本/效益分析。該配電網(wǎng)有8條電源進線、130臺10kV/0.4kV用戶變壓器，41臺柱上油開關，是上海采用配電自動化的一個試點小區(qū)。電網(wǎng)分析計算中所需要的電氣設備可靠性參數(shù)均為該電網(wǎng)近3年的實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)。該配電網(wǎng)電氣接線如圖1所示，可靠性指標計算結(jié)果如表1的第2列所示。對于配電網(wǎng)供電可靠性的改善可以從以下幾方面考慮：1） 電網(wǎng)改造可以通過電網(wǎng)改造，如增加線路和柱上開關等來提高電網(wǎng)可靠性。軟件包在每一個設備的對話框中都提供設備成本的參數(shù)輸入，電網(wǎng)規(guī)劃者可以在軟件包的原有電網(wǎng)接線圖上進行設備的增加及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的調(diào)整并輸入需要增加

11、的設備費用，然后重新進行可靠性指標計算并進行成本/效益分析，并可以通過調(diào)用軟件包的成本/效益分析模塊來觀察電網(wǎng)改造前后的成本/效益比。對算例中的小區(qū)進行計算時沒有發(fā)現(xiàn)電源進線不滿足N-1的情況，以及由于局部負荷轉(zhuǎn)移而出現(xiàn)設備過載的情況，因此這里沒有給出電網(wǎng)改造前后的可靠性成本/效益分析。但是所開發(fā)的軟件包支持這種功能。2） 投入配電自動化設備投入配電自動化設備后其對電網(wǎng)供電可靠性的改善主要體現(xiàn)在：突發(fā)故障情況下減少故障尋址和故障隔離以及恢復供電的操作時間，使非故障區(qū)的用戶可以快速恢復供電。對于上述算例，投入自動化設備后，非故障區(qū)的停電時間減小到了1分鐘。但是如果電網(wǎng)中的柱上開關過少，則無法在所

12、有故障情況下對故障點進行隔離，所以改進效果不會很明顯。因此，配電自動化設備的投入需要與電網(wǎng)的一次設備改造相結(jié)合。表1給出了算例中的小區(qū)采用配電自動化設備前后可靠性指標比較結(jié)果以及可靠性成本/效益比。表1 投入配電自動化設備前后的可靠性比較配電網(wǎng)可靠性指標未采用配電自動化采用配電自動化電網(wǎng)平均停電頻率0.114405次/戶.年0.114405次/戶.年電網(wǎng)平均停電持續(xù)時間0.770531小時/戶.年0.731119小時/戶.年電網(wǎng)平均供電可靠率99.991204%99.991654%電網(wǎng)總的電量不足11.782252MWh/年11.070457MWh/年用戶平均電量不足0.095791MWh/年

13、.戶0.090004MWh/年.戶電網(wǎng)停電損失6.621692萬元/年6.221574萬元/年成本效益比199.9從上表可以看出，采用配電自動化設備后，對于電網(wǎng)可靠性的提高不是很明顯，但是投入?yún)s很大。效果不理想的主要原因是由于電網(wǎng)中的柱上隔離開關不夠多，電網(wǎng)發(fā)生故障時，能夠轉(zhuǎn)移的負荷仍舊只是一小部分，再加之該配電網(wǎng)的供電可靠性水平原本就較高。3） 加強設備管理及運行維護通過加強設備管理和運行維護可以提高設備的可靠性，最終提高電網(wǎng)的可靠性水平。表2給出了設備故障率減半前后的電網(wǎng)可靠性指標對比情況。表2 設備故障率減半前后的可靠性比較配電網(wǎng)可靠性指標設備維持現(xiàn)狀設備故障率減半電網(wǎng)平均停電頻率0.1

14、14405次/戶.年0.111327次/戶.年電網(wǎng)平均停電持續(xù)時間0.770531小時/戶.年0.694385小時/戶.年電網(wǎng)平均供電可靠率99.991204%99.992073%電網(wǎng)總的電量不足11.782252MWh/年10.480461MWh/年用戶平均電量不足0.095791MWh/年.戶0.085207MWh/年.戶電網(wǎng)停電損失6.621692萬元/年5.889945萬元/年從上表可以看出，通過提高設備可靠性，可以有效地提高電網(wǎng)的可靠性水平，而且除管理與維護費外，不需要另外增加投資。4） 設備采取帶電檢修方式采取帶電作業(yè)方式可以降低設備檢修情況下對于用戶的停電范圍和停電時間。表3給出

15、了采取帶電檢修前后配電網(wǎng)的可靠性指標比較。表3 設備帶電檢修前后的可靠性比較配電網(wǎng)可靠性指標設備帶電檢修前設備帶電檢修后電網(wǎng)平均停電頻率0.114405次/戶.年 0.111667次/戶.年電網(wǎng)平均停電持續(xù)時間0.770531小時/戶.年 0.667708小時/戶.年電網(wǎng)平均供電可靠率99.991204% 99.992378%電網(wǎng)總的電量不足11.782252MWh/年 10.03541用戶平均電量不足0.095791MWh/年.戶 0.081589電網(wǎng)停電損失6.621692萬元/年 5.639857萬元/年從上表可以看出，設備采取帶電檢修方式后，可以較有效地減少電網(wǎng)停電時間。5 結(jié) 語為保

16、證電網(wǎng)安全可靠運行，在電網(wǎng)的規(guī)劃設計和運行管理中定量評估電網(wǎng)的供電可靠性并進行提高可靠性的成本/效益分析具有重要的意義。利用開發(fā)的軟件包可以方便而高效地對中壓配電網(wǎng)供電可靠性進行分析計算。電網(wǎng)規(guī)劃人員可以以可計算結(jié)果作為合理制定最佳規(guī)劃方案時的技術衡量指標；電網(wǎng)運行管理人員可以根據(jù)計算結(jié)果找出電網(wǎng)供電可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為及時采取措施提高電網(wǎng)供電可靠性提供科學決策依據(jù)。參考文獻1 范文濤，薛禹勝，慕志恒（Fan Wentao, Xue Yusheng, Mu Zhiheng）.面向?qū)ο蠹夹g及其在電力系統(tǒng)中的應用（objected-oriented technology and its applications in power system）.電力系統(tǒng)自動化(Automation of Electric Power Systems)，1998，22（12）：72762 郭永基（Guo Yongji）.電力系統(tǒng)可靠性原理和應用（Principle and Application of Power System），北京，清華大學出版社（Tsinghua University Press, Bei