基於供電分區的配電網可靠性分析方法與流程

2024-03-24 05:12:05

本發明涉及配電網性能分析技術領域，尤其涉及基於供電分區的配電網可靠性分析方法。

背景技術：

近年來，配電網經過大規模的建設改造，在供電能力、供電可靠性和供電質量方面都有了顯著提高。隨著中國國民經濟快速發展，電力負荷增長明顯加快，配電網發展面臨著新機遇和新挑戰，電網供電能力評估是電網規劃的必要組成部分。配電網系統可靠性是指供電點到用戶，包括整個配電系統及設備按可接受標準及期望數量滿足用戶電力及電能量需求能力的度量。

申請號為201510071776.7的專利一種配電網供電可靠性評估方法，屬於配電網供電領域，本發明先讀入原始數據，然後對於各電網設備，枚舉相應的故障事件；對變壓器進行搜索，得到由故障引起的停電區域，進行故障狀態仿真，並區分可恢復和不可恢復供電區域；對於可恢復供電區域中的每個故障事件，通過負荷轉移路徑分析求取負荷轉移路徑；進行潮流計算，若潮流過載、負荷轉移不成功則求取新的負荷轉移路徑；最後根據故障後的可恢復供電區域和不可恢復供電區域，計算各負荷點和整個配電網的可靠性指標。該發明對配電網供電的可靠性評估更加準確全面，能夠深入認識城市電網在供電能力方面所能達到的水平以及目前存在的問題和發展前景等問題。

申請號為201010587104.9的專利一種配電網可靠性評價方法，包括以下步驟：(1)將配電網可靠性的評價轉換為對配電網停電因素的分析，並對配電網停電因素進行解耦處理；(2)利用層次分析法建立配電網可靠性評價體系；(3)建立配電網可靠性綜合量化模型；(4)制定配電網可靠性評價標準；(5)設定配電網可靠性權重指標。該發明將配電網可靠性評價理論與實際電網結合起來，將配電網可靠性的評價轉換為對配電網停電因素的分析並建立起配電網可靠性評價體系、評價模型、評價標準和評價指標權重，能夠從多個角度定量反映配電網當前的可靠性水平，在配電網可靠性評價、高可靠性配電網建設原則制定及建設方向等有關決策、高可靠性供電區域配電網規劃等工作發揮巨大作用。

申請號為201510702589.4的專利公開一種配電網可靠性評估方法及系統，包括：獲取輸電網的終端變電站的主接線拓撲結構，並分別獲取終端變電站的電源進線和站內主設備的平均停運指標；根據主接線拓撲結構及電源進線和站內主設備的平均停運指標，確定輸配連接點的平均停運指標；獲取配電網拓撲結構，根據配電網拓撲結構、以開關裝置為邊界將待評估饋線劃分為若干個最小隔離區；根據配電網拓撲結構確定最小隔離區的區域類型及每個最小隔離區的用戶數，並獲取各區域類型的平均停運指標；根據輸配連接點的平均停運指標、主接線拓撲結構、配電網拓撲結構、用戶數及待評估饋線的各區域類型的平均停運指標，確定待評估饋線的系統平均停電時間。其評估結果更準確。

技術實現要素：

本發明目的在於提供基於供電分區的配電網可靠性分析方法，在配電網規劃模式的基礎上，以可靠性為基準，選擇能夠反應供電模式特點的評價指標，對配電網供電模式進行可靠性評價。

為實現上述目的，本發明採用的技術方案是：基於供電分區的配電網可靠性分析方法，包括如下步驟：1）選取評估方案，並根據方案提出評估配電網規劃模式可靠性的計算方法；2）對配電網中的元件進行可靠性建模；3）設定元件的故障率函數，並根據故障率函數計算元件的故障率，進而得出元件的可靠率；4）將配電網的連接方式進行功能等效，通過可靠率計算方法計算整個配電網的可靠性。

進一步地，所述評估方案包括模擬法分案和解析法方案，所述模擬法方案通過模擬元件的故障、老化過程，統計在仿真時間內網絡的故障次數和影響範圍來獲取可靠性指標，所述解析法方案是通過對各元件故障產生的影響分析，列出全部可能的故障影響事件，再據此綜合得出各負荷點的可靠性指標以及系統的可靠性指標。

進一步地，所述元件包括配電變壓器、架空線路、電纜、隔離開關和熔斷器，所述元件的可靠性模型採用三狀態模型模擬。

進一步地，所述故障率函數為故障率故障密度函數f(t)與可靠度函數R(t)的比，是元件在t時刻以前正常工作的條件下，在t時刻以後單位時間內發生故障的

條件概率，符號記為λ(t)，計算公式為

進一步地，所述配電網可以根據連接方式等效為串聯繫統、並聯繫統和串並聯混合系統。

進一步地，所述串聯繫統含有個互相獨立的元件，各個元件均為雙態元件，若以符號Ri和Rs，λi和λs(i＝1…n)表示各元件和系統的可靠度與故障率，並設各元件相互獨立，根據概率乘法定律，串聯繫統的可靠度為

進一步地，所述並聯繫統含有相互獨立的n個元件，各個元件都是雙態元件，如以符號Ri(i＝1,…,n)表示各元件的可靠度，那麼各元件的不可靠度為Fi＝1-Ri，由於是所有元件都故障時系統才發生故障，則系統的不可靠度為

進一步地，所述串並聯混合系統是由串聯繫統和並聯繫統綜合組成的系統，對串並聯混合系統的可靠性計算，可將系統分解成幾個串聯和並聯的子系統，然後按照其串並聯的順序，分別計算各子系統的可靠度，最後計算系統的可靠度。

本發明的有益效果在於：本方案通過對配電網可靠率的計算，得出基於供電分區的配電網可靠性分析方法，可以保證配電網能夠可靠、經濟、有效地運行，有效實現了高壓配電網和低壓配電網的關鍵性連接，使配電網網絡結構合理、運行維護靈活方便、投資經濟，不僅對電網的發展意義重大，而且對電力系統的可靠性和用戶電能質量起著重要影響，對供電模式進行合理有效的布局，極大地提高系統的供電質量，同時獲得良好的社會與經濟效益。

附圖說明

圖1是本發明的方法流程圖。

圖2是本發明的元件三狀態模型圖。

圖3是本發明的斷路器元件等效模型圖。

圖4是本發明的元件典型故障曲線圖。

圖5是本發明的串聯繫統等效模型圖。

圖6是本發明的並聯繫統等效模型圖。

圖7 是本發明解析算法中A+類典型供電模式下的最小可靠率和平均可靠率圖。

圖8是本發明解析算法中A類典型供電模式下的最小可靠率和平均可靠率圖。

圖9 是本發明解析算法中B類典型供電模式下的最小可靠率和平均可靠率圖。

圖10 是本發明解析算法中C類典型供電模式下的最小可靠率和平均可靠率圖。

圖11是本發明解析算法中D類典型供電模式下的最小可靠率和平均可靠率圖。

具體實施方式

如圖1至圖11所示，基於供電分區的配電網可靠性分析方法，包括如下步驟：1）選取評估方案，並根據方案提出評估配電網規劃模式可靠性的計算方法；2）對配電網中的元件進行可靠性建模；3）設定元件的故障率函數，並根據故障率函數計算元件的故障率，進而得出元件的可靠率；4）將配電網的連接方式進行功能等效，通過可靠率計算方法計算整個配電網的可靠性。

配電網可靠性評估方案綜合起來可以分為兩大類：模擬法、解析法。本實施例對以上兩種方法進行比選，提出評估配電網規劃模式可靠性的計算方法，列舉每種典型規劃模式的可靠率數值大小並進行比對。

模擬法通常指蒙特卡羅模擬法。通過模擬元件的故障、老化過程，統計在仿真時間內網絡的故障次數和影響範圍來獲取可靠性指標。該方法能夠模擬元件的複雜壽命過程和複雜系統行為，能充分計及元件的非指數分布的修復時間和重疊故障，為客觀評價不同狀態下網絡的可靠性提供了良好的工具。但是蒙特卡羅模擬法存在不足之處，主要表現在：運用該方法仿真所得的可靠性指標的可信度與仿真計算時間和抽樣樣本數量密切相關，通常為了獲得足夠的可靠性指標精度，需要大量增加抽樣次數，導致計算量增大，計算時間變長。

解析法是通過對各元件故障產生的影響分析，列出全部可能的故障影響事件，再據此綜合得出各負荷點的可靠性指標以及系統的可靠性指標。解析法的主要優點是：物理概念清楚，模型精度高。當然，解析法也存在一些不足，主要表現在：1）不能模擬具有多種故障特性的電力元件，僅適用電力元件的狀態概率呈指數分布；2）不能計及節點負荷特性的變化；3）計算量隨著系統的增大、元件數目的增多而急劇增加；4）不易求解頻率指標等。目前對於解析法的改良主要針對於它的第三個缺陷。針對這個問題的研究非常多，根據考慮元件故障影響範圍和配電網網絡簡化思路的不同，可細分為故障模式影響分析法、最小路、最小割集法、網絡等值法、區域分塊法等。

表1各種可靠性評估方案對比

針對本項目研究的規劃模式網架特點和用戶接入的不同，利用已有的可靠性評估方案得不到有效的可靠性指標。因此，在利用解析法基於故障枚舉思想可靠性評估計算方法的基礎上，本報告對配電系統的可靠性模型、評估算法進行探討，從配電網的結構特點和運行方式出發，枚舉引起各節點可靠性改變的網絡單元，並通過元件可靠性指標的傳遞性求解各節點的可靠性指標。

可靠率指標的計算首先探討配電網中各個元件模型，其次確定元件的故障率，利用元件的故障率可得到元件的可靠率；最後將電網等效為串並聯混合系統，運用串並聯繫統可靠率計算方法計算整個配電網的可靠性。

對於配電變壓器、架空線路、電纜、隔離開關、熔斷器等元件，採用三狀態模型模擬，如圖2所示。

斷路器屬於可操作元件，其操作結果可以改變系統接線的拓撲結構，對系統運行有著嚴重的影響。而且，斷路器其本身結構複雜，動作部件多，故障形式多種多樣，所以斷路器的可靠性模型需要特別處理。斷路器共有7種運行狀態，分別為正常運行狀態、計劃檢修狀態、臨時檢修狀態、誤動狀態、接地或絕緣故障狀態、拒動狀態和故障修復狀態。將這些狀態按照它們對周圍元件的影響及對系統的危害程度進行合併，這樣將臨時檢修，誤動、故障修復狀態近似合併為修復狀態(R狀態)，拒動狀態與接地或絕緣故障狀態合併為擴大型故障狀態(S狀態)。合併圖2斷路器的等效模型以後，斷路器的等效模型如圖3所示。

故障率故障密度函數f(t)與可靠度函數R(t)的比，稱為故障率函數。它表示的是元件在t時刻以前正常工作的條件下，在t時刻以後單位時間內發生故障的條件概率，符號記為λ(t)，即

由上式可以看出可靠度、不可靠度與故障率之間的關係，由f(t)和R(t)就可以求得λ(t)，又由複合函數微分法則有

故

故障率是衡量元件可靠性的基本指標之一，λ(t)越小，表示元件在時間間隔[t,t+Δt]內發生故障的概率越小；反之則越大。可以看出，電力系統的可靠度函數、不可靠度函數和故障密度函數都是按時間呈指數分布。不可修復元件的典型故障率曲線如圖2所示，俗稱浴盆曲線。它表明在元件的整個壽命期間，故障率的變化可分為三個階段。第一個階段是早期故障期Ⅰ，是在元件使用初期，由於設計、製造、安裝、調試等方面的缺陷，以及運行人員尚不熟悉等原因所造成的故障率較高的時期。第二個階段是偶發故障期Ⅱ，只是由於偶然原因才會引起故障的正常使用期，故障率較低且平穩近似為一常數λ，這個階段也稱為設備的使用壽命。最後階段為耗損故障期Ⅲ，是由於元件老化等原因，使故障率又逐漸升高。

在可靠性分析中，最關心的是元件在其正常使用期中的可靠性指標。因這時的λ(t)≈λ為常數，故由上述所列公式式可以導出下列重要關係：

R(t)＝e-λt

F(t)＝1-e-λt

f(t)＝λe-λt

在配電網的可靠性評估中，可以將電網等效為串聯繫統、並聯繫統和串並聯混合系統。

系統中任一元件失效(故障)整個系統就失效(故障)，或者說必須全部元件均完好系統才完好，則稱此系統為串聯繫統。

圖5所示串聯繫統中，含有個互相獨立的元件，各個元件均為雙態元件，若以符號Ri和Rs，λi和λs(i＝1…n)表示各元件和系統的可靠度與故障率，並設各元件相互獨立，根據概率乘法定律，串聯繫統的可靠度為

若各元件的故障率為常數，則

上述可靠度公式表明串聯繫統的可靠度等於諸元件可靠度之積。由於Ri＜1，故必然有Rs＜1，且Rs＜Ri，即串聯繫統的可靠度比其中可靠度最小元件的可靠度都要小，串聯元件越多，則系統的可靠度越低。而系統的故障率λs等於各元件故障率之和，串聯元件越多，則系統的故障率越高。所以，提高串聯繫統可靠度，首先要提高可靠度最小元件的可靠度，而且不宜採用多元件的串聯繫統。

由上式可以得出串聯繫統的平均無故障工作時間為

此式表明串聯元件越多，系統的平均壽命越短。

系統中的全部元件失效(故障)整個系統才失效(故障)，或者說其中任一元件完好系統就完好，則稱此系統為並聯繫統。

圖6所示的並聯繫統中，含有相互獨立的n個元件，各個元件都是雙態元件。如以符號Ri(i＝1,…,n)表示各元件的可靠度，那麼各元件的不可靠度為Fi＝1-Ri，由於是所有元件都故障時系統才發生故障，則系統的不可靠度為

因為Fs+Rs＝1，所以並聯繫統可靠度為

上式表明並聯繫統的不可靠度等於各元件不可靠度之積。由於Fi＜1，故必有Fs＜1，且Fs＜Fi，即並聯繫統的不可靠度比其中任一元件的不可靠度都要小。由此可見，並聯元件增多，則系統的可靠度提高。若n個元件的故障率λi均為常數，即可靠度則並聯繫統可靠度為

平均無故障工作時間為

若n個元件的故障率均相同，且λi＝λ為常數，則有

Rs(t)＝1-(1-e-λt)n

這說明並聯繫統的平均無故障時間，即其平均壽命比單個元件的壽命長，增加並聯元件的個數能增加系統的壽命，但隨著元件數量的增加，系統壽命增加的程度逐漸變小。

串並聯混合系統是由串聯繫統和並聯繫統綜合組成的系統。對串並聯混合系統的可靠性計算，可將系統分解成幾個串聯和並聯的子系統，然後按照其串並聯的順序，分別計算各子系統的可靠度，最後計算系統的可靠度。

本方案引入可靠性參數、、、，用於表示線路、變壓器、斷路器、隔離開關的故障概率特性，且假設設備的平均可靠率0.991，然後依據串並聯關係計算配電網各種供電模式的可靠率。

對n個串聯可修復元件，計算時可採用以下公式：

式中，λi是元件的故障率。

對兩個並聯可修復元件，採用以下公式計算：

λ＝λ1λ2

式中，λi是元件的故障率。

下面進行可靠率計算方法的算例分析：

以A+-1模式為例，在線路、變壓器、斷路器等電力設備的故障率數據基礎上，利用可靠率計算方法，逐步計算得到110kV母線、10kV母線、一級用戶配電室等的可靠率，最終得到用戶側的可靠率。詳細計算過程如下：

從220kV母線開始計算各點的供電可靠率(將各個設備和線路的可靠率都近似為平均可靠率99.1％)，一直計算到用戶的可靠率。依據串並聯關係計算配電網供電模式的可靠率，串聯：假設A與B串聯，則串聯後的可靠率＝A的可靠率*B的可靠率；並聯：假設A與B並聯，則並聯後的可靠率＝1-(1-A的可靠率)*(1-B的可靠率)。計算結果如下。

(1)110kV母線上的可靠率(由於線路對稱，母線上各個點的可靠率均相同)：

(1-rd)2(1-rl)＝R1

(1-R1)[(1-rd)3(1-rl)]＝R2

(1-R1-R2)(1-rd)3(1-rl)＝R3

{1-R1-R2-[1-(1-rd)3(1-rl)]}[R2(1-rd)2(1-rl)]＝R4

110kV母線上的可靠率：R5＝R1+R2+R3+R4

經過計算得此母線上的可靠率為99.996％。

(2)10kV母線上的可靠率：

R5×(1-rd)2(1-rt)＝R6

(1-R6)×R6×(1-rd)＝R7

10kV母線上的可靠率R8＝R6+R7

經過計算此母線上的可靠率為99.9518777％。

(3)一級用戶配電室：

R8×(1-rl)(1-rd)＝R9

(1-R9)R8×(1-rd)2(1-rl)＝R10

(1-R9-R10)R8(1-rd)2(1-rl)＝R11

(1-R9-R10-R11)R8(1-rd)2(1-rl)＝R12

送達一級配電室的可靠率為上述4種情況之和，經計算可靠率達到99.9999628％。

(4)中間20MW用戶:

供電可靠率為：

1-(1-R8×(1-rL))2＝R13

1-(1-R13)2＝R14

經計算可靠率為R14：99.999999％。

(5)三回電纜進線(兩供一備)

(R8×(1-rl)(1-rd)＝R15

(1-(1-R15)2＝R16

((1-(R8×(1-rd)))2×(1-rd)(1-rl)＝R17

(1-(1-R17)2＝R18

1-(1-(R16+R18))2＝R19

送達開關站的可靠率為R19，經計算達到99.9999973％。

以A+-1模式的計算過程為例，分別計算其它模式下的用戶可靠率，計算結果如表2。

表2 13種供電模式下的可靠率計算結果

由表2可以看出，13種供電模式下的用戶可靠率均能滿足目標可靠性要求。而實際的用戶可靠率還要大於表2中顯示的計算可靠率，這是因為某些斷路器的可靠性是高於0.9991的，我們用平均值來計算，算得的可靠率其實會比實際低一些。

對於某些發生機率極低的事件我們沒有考慮在內，也就是說對一些要從很遠的地方經過很多設備才會把電傳送過來這樣的備用線路，他們的可靠率僅有10-5或更小的數量級，這樣的情況沒有考慮在內。

計算用戶的可靠率時，有些用戶形成環網，計算起來很麻煩，我們就把環網用戶看做一個用戶，如果有一條進線，就把用戶的可靠率等於線路的可靠率，如果有兩根進線，就把用戶的可靠率看做兩條線路可靠率並聯。實際上用戶的可靠性會更高一點。

某些用戶的附近接入了分布式電源，這會提高用戶的可靠率，而我們沒有計算在內。

為了更深入的對比各種供電模式可靠性性能，從表2中提取出各種供電模式下所有用戶的最小可靠率（標灰的數據）和平均可靠率，最小可靠率可以反映供電模式能否滿足所有用戶的可靠性要求及滿足的能力大小，平均可靠率則可以從總體上反映供電模式的可靠性水平。本文通過比較各類供電區域下不同供電模式的最小可靠率和平均可靠率大小來確定其可靠性的優劣。A+～D類供電區域下的不同供電模式的最小可靠率和平均可靠率對比分別如圖7～11，這些圖中，縱軸的起始值為目標可靠率，如此，不但可以直觀比較不同典型供電模式下的最小可靠率和平均可靠性，還可以方便看出與目標可靠率的差值大小。

由圖7可知，A+-1類典型供電模式的最小可靠率和平均可靠率均優於A+-4類典型供電模式。

由圖8可知，A-5類典型供電模式的最小可靠率明顯優於A-3類典型供電模式，平均可靠率略優於A-3類典型供電模式，說明A-5類典型供電模式的各用戶的可靠率分布比較集中，而A-3類典型供電模式的可靠率分布則比較分散。

由圖9可知，B-3、B-5、B-6類典型供電模式的最小可靠率雖然依次減小，但減小的幅度不大，可以認為近似相等，而平均可靠率則依次增大，且增大幅度較大。因此，綜合比較可知，B-6類典型供電模式的可靠性最好，B-5類典型供電模式的可靠性次之，B-3類典型供電模式的可靠性最差。

由圖10可知，C-2類典型供電模式的最小可靠率和平均可靠率均最小，其可靠性最差。C-4類典型供電模式的最小可靠率與平均可靠率均高於C-1類典型供電模式，因此，C-4類典型供電模式的可靠性優於C-1類典型供電模式。

由圖11可知，D-2類典型供電模式的最小可靠率和平均可靠率均最小，其可靠性最差。D-3類典型供電模式的最小可靠率略大於D-1類典型供電模式，而平均可靠率略小於D-1類典型供電模式，因此，從可靠率角度難以比較兩種供電模式的優劣，但兩種供電模式均能滿足可靠性要求，且有較大裕量。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，並不用以限制本發明，本領域的一般技術人員將認識到，使用本發明的方案還可以實現許多可選的實施例。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。