配電網(wǎng)接線可靠性計算的原理及過程分析綜述目錄TOC\o"1-2"\h\u29140配電網(wǎng)接線可靠性計算的原理及過程分析綜述 1182391.1可靠性原理基礎(chǔ) 1145661.2可靠性指標 284891.3可靠性評估的基本方法 4143121.3.1FMEA法 4121651.3.2面向負荷點的方法 5219721.3.3最小路法 6146911.3.4最小割集法 7208511.3.5面向開關(guān)設(shè)備 9119011.4可靠性參數(shù) 980311.5可靠性評估步驟 101.1可靠性原理基礎(chǔ)不同的操作要求和運行環(huán)境下，可靠性會有不同的定義和標準。普遍接受的可靠性定義將可靠性定義為一個項目的特征，用它在規(guī)定的條件下在規(guī)定的時間內(nèi)執(zhí)行規(guī)定功能的概率來表示。可靠性的數(shù)學定義與概率密度函數(shù)有關(guān)，對于連續(xù)隨機變量，相關(guān)方程如下:（2-1）對于離散隨機變量，相關(guān)方程如下:（2-2）在處理電力系統(tǒng)時，術(shù)語可靠性為充分性和安全性。充足性與電力系統(tǒng)是否有足夠的發(fā)電量來滿足消費者需求有關(guān)。安全性與電力系統(tǒng)響應(yīng)系統(tǒng)中出現(xiàn)的瞬變和干擾的能力有關(guān)。可靠性標準常用于輸電系統(tǒng)規(guī)劃。可靠性要求電力系統(tǒng)中任何單個元件的損耗都不應(yīng)妨礙電力供應(yīng)。即使容量最高的線路是停止服務(wù)的線路，也需要這樣做。即使失去了最大的發(fā)電機組，這也是必需的。大多數(shù)情況下，最大發(fā)電機組的損失是一個限制事件，需要證明電力系統(tǒng)能夠承受，即使它發(fā)生在最糟糕的時刻。故障發(fā)生后，必須在幾分鐘內(nèi)恢復(fù)正常運行。必須有足夠的快速和慢速操作儲備。1.2可靠性指標隨著電子設(shè)備和自動化工藝的普及，電能質(zhì)量問題變得越來越頻繁，隨之而來的就是提升可靠性定性分析以滿足供電要求的問題，可靠性分析的最終目標是幫助回答諸如“系統(tǒng)足夠可靠嗎？”、“哪種方案失敗較少？”和“下一筆錢最好花在哪里改進系統(tǒng)？”，由于配電系統(tǒng)的負荷很少接近其極限，可靠性的重點在于系統(tǒng)的安全性，而不是系統(tǒng)的充分性。國家建設(shè)重要項目時需要獨立的研究背景和機密的設(shè)計理念，以至于建設(shè)這些產(chǎn)品需要一套標準指標來細化衡量，從而體現(xiàn)出我國的科研進步；另一方面，這些機密的標準指標一旦出現(xiàn)問題將會帶來嚴重的事故發(fā)生，這些事故也會造成難以彌補的損失，包括經(jīng)濟的動蕩和我國國際地位的下降，所以我們在生產(chǎn)生活中將管理生產(chǎn)的可靠性，并將此設(shè)為重要目標之一。為了達到近乎完美的質(zhì)量，公用事業(yè)公司可以花費大量的金錢和空間電能質(zhì)量要求較高的設(shè)備。另一方面，公用事業(yè)公司可能花費很少，并要求客戶補償由此產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題。兩種極端都不可取，公用事業(yè)必須在成本和電力之間找到平衡提供給客戶的質(zhì)量。通過將一般系統(tǒng)可靠性計算中的基本方法和通用原理，經(jīng)過精煉和改造后，同樣可以應(yīng)用于電力建設(shè)、運行及維護中的可靠性計算，同時電力系統(tǒng)的可靠性計算確保了特高壓電網(wǎng)系統(tǒng)、大型電力網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定工作[21-25]。對于負荷點可靠性指標來說高壓配電網(wǎng)與中壓配電網(wǎng)直接相連，為考慮其作為等值電源對中壓配電網(wǎng)可靠性評估的影響，應(yīng)計算高壓變電站低壓母線的可靠性指標。在這個時候，可將高壓配電網(wǎng)負荷點指標計算結(jié)果作為中壓線路等值電源點參數(shù)傳遞給中壓配電網(wǎng)，相關(guān)高壓配電網(wǎng)負荷點指標可采用中壓配電網(wǎng)2個獨立指標（平均停電率和每次停電的平均持續(xù)時間），或為提高評估的精度采用4個相關(guān)獨立指標，涉及平均停電率、負荷轉(zhuǎn)供時間、修復(fù)時間和切符合率。對于基于負荷點用戶數(shù)的系統(tǒng)可靠性指標，由于作為高壓配電網(wǎng)負荷點的變電站低壓母線所供的用戶數(shù)不詳，以及在高壓配電網(wǎng)評估中不便考慮中壓饋線間相互轉(zhuǎn)供的影響，準確計算指標仍有一定的困難。可采用近似處理方法：根據(jù)可獲取的數(shù)據(jù)情況，采用變電站所供饋線的配變個數(shù)，或?qū)⒚總€變電站低壓母線當作一個用戶。因此，輸電網(wǎng)可靠性指標種類繁多，既有系統(tǒng)范圍的指標，又有負荷節(jié)點指標；既有概率、頻率和時間類指標，又有概率與后果（切負荷或失去穩(wěn)定）相結(jié)合的指標；既有絕對性質(zhì)的指標，又有經(jīng)過歸一化后的相對性質(zhì)的指標[26]。同時，由于輸電網(wǎng)用戶符合種類復(fù)雜且大小不一，一般不采用涉及用戶個數(shù)的可靠性指標。可靠性描述指標一般包括電力不足概率、電力不足時間期望、電力不足頻率,、電力不足持續(xù)平均時間、電力不足期望和電量不足期望，其中電力不足又可以稱之為失負荷。上述可靠性描述指標分別按公式（2-3）、（2-4）、（2-5）、（2-6）、（2-7）和（2-8）進行計算。在下述公式中表示為系統(tǒng)非常態(tài)集合，同理則是集合中第個非常態(tài)集合。電力不足概率代表平均每年發(fā)電系統(tǒng)的可用電量不能滿足系統(tǒng)需求的概率，計算方法如式（2-3）所示：（2-3）電力不足時間期望代表每年發(fā)電系統(tǒng)的可用電量缺少的時間，單位為小時，計算方法如式（2-4）所示：（2-4）電力不足頻率代表每年發(fā)電系統(tǒng)的平均停電次數(shù)，單位為次/年，計算方法如式（2-5）所示：（2-5）電力不足平均持續(xù)時間代表每次發(fā)電系統(tǒng)停電的平均時長，單位為小時/次，計算方法如式（2-6）所示：（2-6）電力不足期望代表發(fā)電系統(tǒng)可用電力的平均缺少量，單位為兆瓦，計算方法如式（2-7）所示：（2-7）電量不足期望代表每年發(fā)電系統(tǒng)可用電量的平均缺少量，單位為兆瓦小時/年，計算方法如式（2-8）所示：（2-8）上述公式中表示事件發(fā)生的概率，表示事件發(fā)生的頻率。1.3可靠性評估的基本方法配電網(wǎng)可靠性指標計算的主流方法主要包括近似估算方法、連通性分析方法、失負荷分析方法和多電壓等級配電網(wǎng)評估。其中，連通性分析方法主要分類為面向元件、面向負荷點和面向開關(guān)設(shè)備。面向元件的方法通常采用故障模式及其影響分析法[15]，其常用于配電網(wǎng)的可靠性參數(shù)計算和評價。1.3.1FMEA法通過識別每個故障及其對系統(tǒng)的影響，并計算負載和可靠性度量，生成故障所產(chǎn)生的結(jié)果的對應(yīng)解釋。但是，故障所產(chǎn)生的結(jié)果的對應(yīng)解釋不是自動生成的，而是人工標注的，所以標準化過程很困難；此外由于模型存在很多故障，因此故障所產(chǎn)生的結(jié)果的對應(yīng)解釋的建立可能非常困難，這使應(yīng)用變得困難。法計算步驟如下：窮舉所有器件，隨機使得某個器件停止工作，同時考慮到停電至重新供電時的時間間隔，確定器件停止工作對負載故障率和故障時間的影響。分別關(guān)閉所有元器件后，創(chuàng)建每個負載點的故障率和故障時間的列表，形成故障所產(chǎn)生的結(jié)果的對應(yīng)解釋，匯總每個負載點的故障率和故障時間，以表明其可靠性指標。系統(tǒng)可靠性指標可以根據(jù)所有不同負載的可靠性指標及其貢獻率計算得出。1.3.2面向負荷點的方法目前大多數(shù)電力線路的結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)輻射狀，基本都可等效轉(zhuǎn)變成串聯(lián)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)。其中，串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)如圖2-1和圖2-2所示。、、和（或、、和）分別為器件（或系統(tǒng)）的平均失效概率、平均每年停止通電時長、平均每次失效時間所導(dǎo)致的停止通電時長和平均恢復(fù)通電概率。圖2-1串聯(lián)系統(tǒng)對于串聯(lián)系統(tǒng)有計算公式，如（式2-9）所示：，，（2-9）圖2-2并聯(lián)系統(tǒng)對于并聯(lián)系統(tǒng)，根據(jù)概率計算規(guī)則可知計算公式，如（式2-10）所示：，，（2-10）雖然上述串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)公式僅適合使用在只由元件串聯(lián)構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)或元件并聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)系統(tǒng)，但是上述公式是計算串聯(lián)、并聯(lián)及混聯(lián)系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)。在混聯(lián)系統(tǒng)中，通過依次合并串聯(lián)分支和并聯(lián)分支，實現(xiàn)系統(tǒng)復(fù)雜性逐漸降低，最終化簡系統(tǒng)到只包含一個元器件。此元器件的可靠性等價于原混聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的可靠性，上述思路一般稱之為網(wǎng)絡(luò)等效化簡方法。1.3.3最小路法最小路是從負載出發(fā)至電源的最短路徑。最小路法[16]的基本思路是：首先確定每個負載點的最短路徑，然后首先計算最短路徑上元器件的可靠性指標，其次計算其他路徑上元器件的可靠性指標，然后通過計算最小路及其他路徑對負載可靠性指標的權(quán)重，加權(quán)得到最終的可靠性指標。如圖2-3所示，負載LP1的最短路徑是由主路1連接分支a。其他路徑包括主路2連接分支b、主路3連接分支c和主路4連接分支d，以及其排列組合。圖2-3簡單輻射型網(wǎng)絡(luò)最小路法本質(zhì)是基于法的大體思路上，對其故障貢獻率計算上進行重構(gòu)，其適用于非閉環(huán)工作的配電網(wǎng)，計算步驟如圖2-4所示:圖2-4最小路法計算步驟1.3.4最小割集法最小割集是指可能引發(fā)系統(tǒng)故障的所有元件的最小的不可分集合，即如果最小割集中所有的元器件全部停止工作，系統(tǒng)才會發(fā)生故障，只要最小割集中的任意一個元器件沒有發(fā)生故障，系統(tǒng)也會正常運行，不會停止工作[17]。最小割集的基本思想是通過搜索系統(tǒng)回路中所有負載，確定各個負載的對應(yīng)的備用以及最小連集，然后通過邏輯推理獲得上述兩個連集中對應(yīng)的最小不可分的集合：割集。對于地區(qū)級的配電網(wǎng)而言，由于其體量過大，負載點過多，不建議使用最小割集法，計算量過大，且可能無法有效找到最小割集。圖2-5橋型網(wǎng)絡(luò)如圖2-5所示，網(wǎng)絡(luò)中所有負載的最小割集分別是：（M,K）、（J,N）、（M,I,N）、（J,I,K）。于是得到該網(wǎng)絡(luò)等效重構(gòu)為如圖2-6所示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。圖2-6橋型網(wǎng)絡(luò)等效可靠性框圖圖2-6所展示的結(jié)構(gòu)中各最小不可分集合中的器件呈現(xiàn)并聯(lián)結(jié)構(gòu)，而不同的最小不可分集合呈現(xiàn)串聯(lián)機構(gòu)，則可通過式(2-11)、式(2-12)和式(2-13)計算出網(wǎng)絡(luò)的負載所對應(yīng)的三個基礎(chǔ)可靠性參數(shù)。負荷點每年的平均停電次數(shù)，即平均停電率，記作（次/年），公式為：（2-11）上式中，是器件的停止運行概率，包括計劃外（意外：線路斷裂、變壓器故障）停止運行概率和計劃內(nèi)（檢修）停止運行概率；是使得負載停止通電的器件的最小割集。負載的暫時停止通電（意外、計劃均包含）平均時長（年），記作（h/年），如式（2-12）所示：（2-12）式（2-12）中，是因為器件停止通電，從而導(dǎo)致的負載的停止通電平均時長（h）。負載的暫時停止通電（意外、計劃均包含）平均時長（次），記作（h/次），如式（2-13）所示：（2-13）1.3.5面向開關(guān)設(shè)備基于開關(guān)設(shè)備的算法的主體思想是以故障傳播為基礎(chǔ)，以評估的方式代替計算，實現(xiàn)可靠性計算。其基本步驟是第一步窮舉系統(tǒng)故障狀態(tài)，為特定故障狀態(tài)查找控制開關(guān)，得到該特定故障所影響的系統(tǒng)區(qū)域。第二步根據(jù)上述故障狀態(tài)的擴散路徑，查找故障所傳播的最遠途徑，從而確定系統(tǒng)中未受影響的區(qū)域（即隔離區(qū)域），最后一步按照故障類型的不同，將系統(tǒng)器件分類到不同的集合當中，按照不同集合故障時間的不同，計算出系統(tǒng)器件平均故障時間，最終得到系統(tǒng)可靠性指標，具體內(nèi)容可參考文獻[18]。系統(tǒng)全部失負荷指當最小割集中的全部器件失效，負載的供能路徑全部失效，負載停止工作。系統(tǒng)部分失負荷指當最小割集中的部分器件失效，負載的部分供能路徑失效，而且剩余器件過度負荷，有可能發(fā)生超出容量限制，導(dǎo)致系統(tǒng)失衡。同時分布式發(fā)電系統(tǒng)的快速發(fā)展，使得低污染、高可靠和效率的分布式電源廣泛應(yīng)用在供電系統(tǒng)中，以取代傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)，同時打破了傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中只存在單一發(fā)電源的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可靠性的計算方式也隨之發(fā)生改變[19-20]。1.4可靠性參數(shù)可靠性參數(shù)包括不同設(shè)備的停運率（故障停電和計劃停電）和相關(guān)的停電和開關(guān)切換時間[35]。對于可靠性參數(shù)收集統(tǒng)計的一般原則如下：可靠性參數(shù)統(tǒng)計的地域應(yīng)隨評估區(qū)域大小而定，且范圍要合理適當，不能過大或過小。可靠性參數(shù)的統(tǒng)計時間范圍一般為1~5年，時間類參數(shù)應(yīng)采用1~3年的統(tǒng)計值，故障停運率應(yīng)采用1~5年的統(tǒng)計值，確