配電網(wǎng)可靠性問(wèn)題研究綜述

1、 配電網(wǎng)可靠性問(wèn)題研究綜述趙偉,李衛(wèi)星,郭志忠哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程系,哈爾濱 (150001摘要:研究配電網(wǎng)可靠性對(duì)保證供電質(zhì)量具有非常重要的意義和作用。本文介紹了配電網(wǎng)可靠性研究中的一些基本概念,包括配電網(wǎng)可靠性的定義、任務(wù)和指標(biāo)等?；仡櫫伺潆娋W(wǎng)可靠性研究的起源與發(fā)展,并簡(jiǎn)單回顧了經(jīng)典的可靠性評(píng)估方法。具體講述了近幾年提出的可靠性評(píng)估方法、可靠性評(píng)估與優(yōu)化中的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題、分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響及其評(píng)估方法。關(guān)鍵詞:配電網(wǎng);可靠性;評(píng)估方法;分布式電源;綜述中圖分類號(hào):TM721.引言電能作為一種主要的終端能源,在能源供應(yīng)中占有的比重越愈來(lái)愈大,這是現(xiàn)代文明社會(huì)發(fā)展的標(biāo)志和必然趨勢(shì)。

2、電力系統(tǒng)的根本任務(wù)就是盡可能經(jīng)濟(jì)而可靠的將電能供給用戶。隨著電力能源的普及,對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的要求也不斷提高,其原因有以下幾點(diǎn):第一,從網(wǎng)絡(luò)安全角度看,電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大,停電可能造成的后果也更加嚴(yán)重。大面積長(zhǎng)時(shí)間的停電不但造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失,而且危及社會(huì)秩序,甚至可能成為“危及國(guó)家安全”的重大事件。因此,電力系統(tǒng)可靠性問(wèn)題受到了世界各國(guó)的高度重視。第二,從經(jīng)濟(jì)角度看,傳統(tǒng)體制下管理方式由于缺乏競(jìng)爭(zhēng),往往造成企業(yè)運(yùn)營(yíng)效率低下和資源浪費(fèi)等問(wèn)題。另外,電力供應(yīng)商在電力合同中對(duì)供電可靠性進(jìn)行了承諾,如果達(dá)不到相應(yīng)水平,電力公司必須進(jìn)行賠償。為了爭(zhēng)奪市場(chǎng),減小停電成本,電力公司也需要使電網(wǎng)可靠性維持

3、在一定的水平。第三,從人文角度看,長(zhǎng)期以來(lái)電力行業(yè)以壟斷形態(tài)存在,尤其是在電價(jià)方面存在單一化的缺陷,很難保障消費(fèi)者的權(quán)益,這在追求人權(quán)的現(xiàn)代文明社會(huì)是難以接受的。盡管現(xiàn)代社會(huì)希望按需求連續(xù)供給電能,但是系統(tǒng)中通常存在著超出人力控制的隨機(jī)故障,而且電網(wǎng)可靠性還受到經(jīng)濟(jì)投資、環(huán)境保護(hù)等多方面因素的制約,在現(xiàn)有技術(shù)水平下要達(dá)到完全不間斷的連續(xù)供電是不現(xiàn)實(shí)也是不經(jīng)濟(jì)的。因此,需要深入開(kāi)展電力系統(tǒng)可靠性研究工作,以此指導(dǎo)電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維修等各個(gè)環(huán)節(jié),使電網(wǎng)能在合理投資限度內(nèi)盡可能的減少停電事件,降低停電成本?？煽啃约夹g(shù)能夠適應(yīng)電力系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn),因而得到廣泛的研究應(yīng)用。首先,可靠性技術(shù)是基于

4、概率的風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù),它對(duì)系統(tǒng)或元件正常工作的作用是相當(dāng)積極的,實(shí)踐證明可靠性技術(shù)在運(yùn)用到電力行業(yè)的幾十年過(guò)程中,對(duì)停電時(shí)間和停電次數(shù)的減少,供電有效度的提高效果顯著,取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。配電網(wǎng)可靠性評(píng)估及應(yīng)用是可靠性技術(shù)中的重要分支。配電網(wǎng)處于電力系統(tǒng)末端,把電源系統(tǒng)或輸變電系統(tǒng)與用戶設(shè)施連接起來(lái),向用戶分配電能和供給電能的重要環(huán)節(jié),包括配電變電所,配電線路及接戶線在內(nèi)的整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)及其設(shè)備。據(jù)電力公司統(tǒng)計(jì),約80%的用戶停電緣于配電網(wǎng)故障,因此提高配電網(wǎng)可靠性水平是保證供電可靠性水平的主要及重要手段之一,業(yè)已成為許多國(guó)家電網(wǎng)規(guī)劃與改造中極為關(guān)注的問(wèn)題。 2.配電網(wǎng)可靠性研究中的基本概念配電

5、網(wǎng)可靠性定義為“配電網(wǎng)按可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需數(shù)量不間斷地向電力用戶提供電力和電量的能力的量度”。配電網(wǎng)具有元件眾多、結(jié)構(gòu)繁雜的特點(diǎn),如何快速準(zhǔn)確的進(jìn)行可靠性評(píng)估成為十分重要的問(wèn)題。配電網(wǎng)可靠性與網(wǎng)絡(luò)中的停勻元件有關(guān),也與元件停運(yùn)后隔離停運(yùn)元件、恢復(fù)供電的開(kāi)關(guān)裝置有關(guān)。研究配電系統(tǒng)可靠性時(shí),一般把研究對(duì)象劃分為系統(tǒng)和元件兩個(gè)層次,元件是構(gòu)成系統(tǒng)的最基本單位,在系統(tǒng)中它不可再分割。系統(tǒng)是由元件組成的,是元件組成的整體。在元件模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合相應(yīng)的理論方法計(jì)算可靠性指標(biāo),來(lái)評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性,以及存在的問(wèn)題,并通過(guò)對(duì)過(guò)去的計(jì)算預(yù)測(cè)未來(lái)。同時(shí)對(duì)配電網(wǎng)可靠性作定量評(píng)估首先要規(guī)定問(wèn)題的定量指標(biāo),這些定量

6、指標(biāo)要能反映系統(tǒng)的運(yùn)行、控制特性,并易為人們接受,且便于系統(tǒng)間的比較。這些定量指標(biāo)就是所謂的可靠性指標(biāo)。一組科學(xué)合理的可靠性指標(biāo),可以很好地反映系統(tǒng)的可靠性程度,提供豐富的信息,在配電系統(tǒng)可靠性研究中有十分重要的指導(dǎo)意義。2.1 配電網(wǎng)可靠性研究的任務(wù)配電網(wǎng)可靠性研究的主要任務(wù)包括:1.研究配電網(wǎng)中元件和系統(tǒng)的可靠性計(jì)算模型,獲得元件的可靠性參數(shù),在此基礎(chǔ)上對(duì)系統(tǒng)可靠性水平進(jìn)行定量評(píng)估?？煽啃栽u(píng)估包括評(píng)價(jià)元件或系統(tǒng)在過(guò)去的時(shí)間內(nèi)的可靠性水平和預(yù)測(cè)元件或系統(tǒng)在未來(lái)時(shí)間內(nèi)的可靠性水平兩方面?？煽啃匝芯康哪康氖歉玫闹笇?dǎo)未來(lái)時(shí)間內(nèi)電網(wǎng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維修。2.找出配電網(wǎng)中可靠性薄弱環(huán)節(jié),尋求提高

7、系統(tǒng)可靠性的途徑。通過(guò)統(tǒng)計(jì)和量化計(jì)算的方法,進(jìn)行深入分析,查找系統(tǒng)中可靠性的薄弱環(huán)節(jié),提出有效的改進(jìn)措施。提高配電網(wǎng)的可靠性就是要降低停電頻率、縮小停電范圍、減小停電和停電成本。3.研究可靠性和經(jīng)濟(jì)性之間的最佳平衡,將提高供電可靠性與提高效率有機(jī)結(jié)合起來(lái)。2.2配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)電力公司采用人為定義的可靠性評(píng)估指標(biāo)來(lái)量化描述系統(tǒng)或其組成部分的可靠性。這些指標(biāo)為系統(tǒng)的規(guī)劃決策和運(yùn)行決策提供信息,通過(guò)這些指標(biāo),可找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),從而提出解決辦法。故障率i (次/年、修復(fù)時(shí)間i r (小時(shí)和年停運(yùn)時(shí)間i U (小時(shí)/年是負(fù)荷點(diǎn)i 的三個(gè)主要基本指標(biāo),它們分別由以下公式計(jì)算可得:i j j M =

8、 (1 i j ij j M U T = (2 ii iU r = (3式中,j 是元件的故障率,M 是對(duì)負(fù)荷點(diǎn)i 有影響的元件個(gè)數(shù),ij T 是第j 個(gè)元件故障 后引起負(fù)荷點(diǎn)i 停電的故障恢復(fù)時(shí)間。這三個(gè)主要指標(biāo)是十分重要的,它們構(gòu)成了可靠性指標(biāo)的基礎(chǔ),但是它們無(wú)法完全表現(xiàn)出配電系統(tǒng)的可靠性特征。比如,不管負(fù)荷點(diǎn)連接的是1個(gè)用戶還是100個(gè)用戶,也不管負(fù)荷點(diǎn)的平均負(fù)荷是1MW 還是100MW ,所要計(jì)算的指標(biāo)都是相同的,最后得到的結(jié)果也不能為系統(tǒng)優(yōu)化提供更多的信息。為了反映系統(tǒng)停運(yùn)的嚴(yán)重程度和重要性,需要定義一組系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。系統(tǒng)可靠性指標(biāo)用于評(píng)估整個(gè)系統(tǒng)的可靠程度,用i N 和i M

9、表示負(fù)荷點(diǎn)i 的用戶數(shù)和停電用戶總數(shù),則系統(tǒng)可靠性指標(biāo)可由負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)求得。1. 系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)(system average interruption frequency index ,SAIFI 系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo)表征在規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中平均每個(gè)用戶經(jīng)受的持續(xù)性停電的次數(shù),即每個(gè)由系統(tǒng)供電的用戶在單位時(shí)間內(nèi)所遭受到的平均停電次數(shù)?？梢杂脩敉ｋ娍偞螖?shù)與用戶數(shù)之比表示。ii i N SAIFI N =用戶持續(xù)性停電總次數(shù)用戶總數(shù) (12. 系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)(system average interruption duration index ,SAIDI 系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間

10、指標(biāo)表征在規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中平均每個(gè)用戶經(jīng)受的總停電時(shí)間,即每個(gè)由系統(tǒng)供電的用戶在一年中所遭受的平均停電持續(xù)時(shí)間?？梢杂脩敉ｋ姇r(shí)間總和與用戶數(shù)之比表示。ii i U N SAIDI N =用戶停電持續(xù)時(shí)間總和用戶總數(shù) (23. 用戶平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)(customer average interruption duration index ,CAIDI 用戶平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中每個(gè)受停電影響的用戶的平均停電持續(xù)時(shí)間,即一年中每個(gè)被停電用戶所遭受的平均停電次數(shù)?？梢杂脩敉ｋ娍偞螖?shù)與停電用戶總數(shù)之比表示。ii i iU N CAIDI N =用戶停電持續(xù)時(shí)間總和用戶停電總次數(shù)

11、 (3 4. 平均供電可用度指標(biāo)(average service availability index ,ASAI 平均供電可用度指標(biāo)是指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)用戶經(jīng)受的不停電小時(shí)總數(shù)與用戶要求的總供電小時(shí)數(shù)之比。i i i iT N U N ASAI T N ×=×用戶用電小時(shí)數(shù)用戶需電小時(shí)數(shù) (4 5. 系統(tǒng)總電量不足指標(biāo)(expected energy not supplied ,EENS 系統(tǒng)總電量不足指標(biāo)是指系統(tǒng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)總的電量供給不足,其期望值簡(jiǎn)寫為EENS 。=i i U L EENS (5式中,i L 為負(fù)荷點(diǎn)i 的平均負(fù)荷。 3.配電網(wǎng)可靠性研究的歷史回顧3.1

12、 配電網(wǎng)可靠性的起源與發(fā)展最初使用的可靠性評(píng)估方法是以幾乎沒(méi)有經(jīng)過(guò)修正的串聯(lián)系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)的經(jīng)典法為基礎(chǔ)的。1964-1965年,配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法取得了極大的發(fā)展,在計(jì)算停運(yùn)率和停運(yùn)持續(xù)時(shí)間近似方程的基礎(chǔ)上提出了新的評(píng)估方法和評(píng)估指標(biāo),它成為了后來(lái)更新的方法的基礎(chǔ)和起點(diǎn)法。1970年,比靈頓編寫了第一部電力系統(tǒng)可靠性專著電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估1。此后,經(jīng)過(guò)眾多專家學(xué)者和科研人員的不懈努力和探索,又取得了一系列研究成果。近30年來(lái),世界各國(guó)特別是工業(yè)技術(shù)發(fā)展較快的先進(jìn)國(guó)家都普遍的開(kāi)展了配電系統(tǒng)可靠性的研究和應(yīng)用,并已取得了很多的成果。英國(guó)早在60年代就開(kāi)始了配電系統(tǒng)可靠性的研究,并于1978年

13、發(fā)布了工程導(dǎo)則供電安全導(dǎo)則,該文件對(duì)恢復(fù)負(fù)荷的時(shí)間做了明確規(guī)定。加拿大早在40年代就開(kāi)始認(rèn)識(shí)到了用定量的條件來(lái)描述電力系統(tǒng)供電充裕度的必要性,并于1976年制定了配電系統(tǒng)可靠性工程指南,該指南提供了能夠?qū)╇娪行Ф冗M(jìn)行定量評(píng)價(jià),且量度參數(shù)大體一致的方法。日本,美國(guó)和法國(guó)等國(guó)家也都制定自己的關(guān)于配網(wǎng)可靠性文件。隨著這些國(guó)家對(duì)配電網(wǎng)可靠性的重視和深入研究,可靠性已達(dá)到了相當(dāng)高的程度。據(jù)統(tǒng)計(jì),19801985年,美國(guó)和英國(guó)用戶年平均故障停電時(shí)間僅約為70min,法國(guó)約為300min。日本則降低到約0.38次/年和30min/年的水平,加拿大1998年的統(tǒng)計(jì)五年平均3.71小時(shí)/年。而我國(guó)的可靠性水平

14、同這些發(fā)達(dá)國(guó)家相比,差距較大。有關(guān)資料顯示,1994年全國(guó)174個(gè)主要城市配電系統(tǒng),用戶供電可靠率最高的是99.85%,相當(dāng)于年平均停電時(shí)間13.14小時(shí)/年·戶;用戶供電可靠率最低是95.741%,相當(dāng)于年平均停電時(shí)間373.088小時(shí)/年·戶。我國(guó)已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了配電網(wǎng)可靠性的重要性,并于近十多年來(lái)有組織、有計(jì)劃的開(kāi)展了配電系統(tǒng)可靠性的研究和應(yīng)用,制定了配電系統(tǒng)可靠性的統(tǒng)計(jì)辦法及程序,建立了有效的配電系統(tǒng)可靠性數(shù)據(jù)信息庫(kù)和可靠性管理體系,開(kāi)展了廣泛的學(xué)術(shù)交流、經(jīng)驗(yàn)交流和培訓(xùn)教育。目前,配電系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計(jì)分析和應(yīng)用工作,除全國(guó)重點(diǎn)城市及沿海開(kāi)放城市外,幾乎已遍及全國(guó),并正在逐

15、步深入和全面地發(fā)展。配電網(wǎng)可靠性研究包含理論研究和應(yīng)用研究?jī)蓚€(gè)層次?？煽啃岳碚撗芯康闹饕康氖墙⒖煽啃阅Ｐ?、計(jì)算可靠性指標(biāo),評(píng)估負(fù)荷點(diǎn)和系統(tǒng)可靠性?？煽啃詰?yīng)用研究的主要目的是根據(jù)計(jì)算所得的可靠性指標(biāo),切實(shí)指導(dǎo)配電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)、運(yùn)行維護(hù)等環(huán)節(jié)。3.2 經(jīng)典的評(píng)估方法用于定量評(píng)估配電網(wǎng)可靠性的方法可分為解析法和模擬法等2。1.解析法解析法的基本思想是根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和元件的功能以及兩者之間的邏輯關(guān)系建立系統(tǒng)的可靠性概率模型。通過(guò)對(duì)模型的精確求解而得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。其優(yōu)點(diǎn)是概念清晰, 模型精度高。但解析法的計(jì)算工作量隨系統(tǒng)規(guī)模呈指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng),而且當(dāng)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜時(shí),其狀態(tài)空間的狀態(tài)數(shù)劇

16、增,這必然會(huì)造成維數(shù)災(zāi)難。通常,為了獲得解析模型,需要對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際條件作較多簡(jiǎn)化,所以其應(yīng)用受到較大的限制。但是,各種故障篩選和截?cái)嗉夹g(shù)的采用,使解析法的計(jì)算量得到了很大提高。因此,解析法適用于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中、小型電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)法。故障模式后果分析法3和最小路法4是解析法中比較有代表性的方法。 (1故障模式影響分析法(failure mode and effect analysis,FMEA通過(guò)列舉系統(tǒng)中各元件狀態(tài),確定系統(tǒng)狀態(tài),然后根據(jù)所給定的可靠性判據(jù)對(duì)所有系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)分析,建立故障模式影響表,確定元件故障對(duì)系統(tǒng)的影響,求得系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。建立故障模式影響表的過(guò)程比較復(fù)雜,對(duì)于大型的

17、配電網(wǎng)絡(luò)則不容易分析可靠性。但它依然是配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估中最有效的方法之一。同時(shí)也是其它故障分析方法的基礎(chǔ),例如最小割集法、可靠性框圖法等方法中都包含影響分析的過(guò)程。(2最小路集法(minimal path set首先求取負(fù)荷點(diǎn)的最小路,將系統(tǒng)中的元件分為最小路上元件和非最小路上元件兩類,再將非最小路中元件的影響折算到相應(yīng)最小路中,最后分析最小路中元件對(duì)可靠性指標(biāo)的影響并求取可靠性指標(biāo)。2.模擬法蒙特卡羅模擬法是按一定的步驟在計(jì)算機(jī)上模擬隨機(jī)出現(xiàn)的各種系統(tǒng)狀態(tài),即用數(shù)值方法模擬一個(gè)實(shí)際過(guò)程,并從大量的模擬試驗(yàn)結(jié)果中統(tǒng)計(jì)出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)法5。它以配電網(wǎng)各元件的可靠性原始數(shù)據(jù)為前提, 通過(guò)計(jì)算機(jī)

18、模擬隨機(jī)出現(xiàn)的各種系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài), 從大量的模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果中統(tǒng)計(jì)出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的方法。需先找到故障元件影響的所有負(fù)荷點(diǎn), 形成它們的工作恢復(fù)的歷史數(shù)據(jù)表。通過(guò)對(duì)負(fù)荷點(diǎn)歷史記錄的采樣、分析和計(jì)算, 便可求出系統(tǒng)和負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo), 包括其均值和概率分布。模擬法所要求的模擬次數(shù)與系統(tǒng)的規(guī)模無(wú)關(guān), 算法和程序結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單, 可以求出可靠性指標(biāo)的概率分布, 適合于復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性評(píng)估 , 在處理故障相關(guān)性、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷相關(guān)性及按時(shí)序進(jìn)行的操作方面有很好的效果, 并可反映負(fù)荷的隨機(jī)變化特性。其隨機(jī)模擬次數(shù)與系統(tǒng)規(guī)模無(wú)關(guān),適應(yīng)性強(qiáng),算法及程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。該方法不僅可以隨機(jī)模擬系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)際方式,不需要對(duì)實(shí)際問(wèn)題作過(guò)多簡(jiǎn)化和假設(shè),而且考慮更加全面,因此更適用于大型電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估。但蒙特卡羅模擬法本身具有兩個(gè)制約因素:1.估計(jì)量的方差系數(shù)隨樣本容量的增大按平方根的關(guān)系下降。2.系統(tǒng)的可靠性水平越高,在同樣的樣本容量下模擬估計(jì)量的精度越差。4.配電網(wǎng)可靠性研究的新進(jìn)展近些年,配電網(wǎng)可靠性問(wèn)題依然是比較受關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一,相繼提出了一些新的可靠性評(píng)估方法,而且可靠性評(píng)估中的經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題以及分布式發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響成為配電網(wǎng)可靠性研究中的熱點(diǎn)問(wèn)題。4.1 可靠性評(píng)估方法隨著統(tǒng)計(jì)工作的不斷完善和可靠性資