變電所電氣主接線可靠性分析

1、，摘要變電所電氣主接線是實現(xiàn)電能傳輸和分配的一種電氣接線，其根本任務(wù)就是盡可能經(jīng)濟而可靠地將電能提供給各種用戶，因此往往將是否對用戶停電作為一項主要的統(tǒng)計評價標(biāo)準(zhǔn)。本文采用基于元件狀態(tài)空間的最小割集算法定量分析變電所電氣主接線的可靠性，為主接線方案的合理選擇提供了有效的評價依據(jù)。關(guān)鍵詞電氣主接線最小割集法可靠性狀態(tài)空間引言電力系統(tǒng)的可靠性是指電力系統(tǒng)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供應(yīng)電力和電能量之能力的度量，而變電所電氣主接線作為電力系統(tǒng)重要組成部分，能否安全可靠運行對保證用戶的可靠用電以及整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定具有重要影響。目前應(yīng)用于電力系統(tǒng)可靠性計算的常用方法一般有兩種：

2、一種是模擬法即蒙特卡羅法（）、另一種是解析法、。其中解析法又可分為以求解邏輯網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)法和以解狀態(tài)空間模型為基礎(chǔ)的狀態(tài)空間法兩種。不同方法之間并不存在誰優(yōu)誰劣的問題，只是各有其優(yōu)缺點和適用范圍。本文在對上述各方法分析總結(jié)的基礎(chǔ)上，將狀態(tài)空間法與網(wǎng)絡(luò)法結(jié)合，綜合兩種方法的優(yōu)點，通過分析元件狀態(tài)或狀態(tài)組合對系統(tǒng)最小路的影響來進(jìn)行可靠性評估，即采用基于元件狀態(tài)空間的最小割集法來進(jìn)行變電所電氣主接線可靠性的分析計算，既能使計算過程快捷方便，同時又能保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。元件可靠性模型在研究電力系統(tǒng)可靠性時，一般把研究對象區(qū)分為元件和系統(tǒng)，系統(tǒng)是由元件所組成，它可看成是元件組成的總體。在分析變電所

3、電氣主接線可靠性估計過程中，可將整個電氣主接線定義為一個系統(tǒng)；把主接線中所包括的母線、變壓器、斷路器、互感器、隔離開關(guān)以及繼電保護裝置等輔助設(shè)備定義為元件。主接線主要元件的可靠性模型在計算可靠性時，將主接線主要元件均看作三狀態(tài)模型：正常狀態(tài)、故障狀態(tài)、計劃檢修狀態(tài)。正常狀態(tài)指元件能正常執(zhí)行其功能，發(fā)揮其在主接線中的作用。故障狀態(tài)指元件喪失其功能，影響主接線正常作用的發(fā)揮。計劃檢修狀態(tài)是元件自身被檢修而退出運行（不影響其它元件）。計劃檢修的影響雖然與故障狀態(tài)的影響相同，但這是人為安排的，不是隨機發(fā)生的，因此不能將其與故障狀態(tài)合并。通過檢修可發(fā)現(xiàn)元件存在的故障隱患，以提高元件的可靠性，有時還可通過

4、投入備用元件來替代檢修元件運行，以保證系統(tǒng)的不間斷供電。在將元件按其作用進(jìn)行分類，并分析元件不同故障狀態(tài)的性質(zhì)和影響之后，運用馬爾可夫理論，就可以建立主接線主要元件的三狀態(tài)可靠性模型，如下圖所示。其中：為故障率；為計劃檢修率；為故障修復(fù)率；為計劃檢修修復(fù)率。運用狀態(tài)空間法，三狀態(tài)元件馬爾可夫模型設(shè)元件正常運行狀態(tài)、計劃檢修狀態(tài)、故障狀（態(tài)概率分別為、，因元件處于任一狀態(tài)的事件是互斥的，則有：（）在穩(wěn)態(tài)情況下，元件的馬爾可夫狀態(tài)方程為：!#（）#（）#$將上式與式（）聯(lián)立求解可得在穩(wěn)態(tài)情況下各狀態(tài)的概率，結(jié)果如下：!#&#（）#$隔離開關(guān)、電流互感器（）和電壓互感器（）的可靠性模型隔離開關(guān)、等元

5、件一般無計劃檢修，它們故障所引起的后果與它們所連接的元件故障一樣。所以為了簡化模型，提高計算效率，可將這些元件按照可靠性邏輯合并到其端部的母線或斷路器中，當(dāng)某元件連接有個元件，其故障率和修復(fù)率分別為和（、）；當(dāng)它們在可靠性邏輯上是串聯(lián)關(guān)系時，則合并后該元件的等效故障率和等效修復(fù)率為：（）（）常開元件的可靠性模型在變電所主接線中經(jīng)常存在一些常開元件，使得系統(tǒng)在發(fā)生故障時可通過這些常開元件恢復(fù)部分或全部負(fù)荷，因此在進(jìn)行主接線可靠性分析計算時需要對它們進(jìn)行準(zhǔn)確的模擬。常開元件總是用來替代某些檢修或故障元件的，所以并不影響變電所主接線的正常運行，因此在搜索變電所主接線最小路集，形成割集事件時，可暫不考

6、慮常開元件。當(dāng)發(fā)生故障時，可利用常開元件恢復(fù)供電，從而減小故障的停運時間。基于元件狀態(tài)空間最小割集算法的數(shù)學(xué)模型通過對主接線系統(tǒng)狀態(tài)的分析，可看出系統(tǒng)狀態(tài)的改變和事件的發(fā)生是由組成系統(tǒng)的元件狀態(tài)變化所引起的，因此其可靠性計算必須基于主接線各元件的可靠性，以及主接線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究變電所電氣主接線可靠性時，一般假定以某一電源點為起點，且電源點完全可靠，以二次母線（變壓器低壓側(cè)）為終點，分析和計算由起點到終點的可靠性指標(biāo)，而這些可靠性指標(biāo)值則是由電源起點和低壓母線間的主接線元件構(gòu)成的電力傳輸通道所決定的。從圖論的觀點來看，這些電力通道就是變電所主接線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖中的最小路，當(dāng)主接線某元件因故障或

7、其他原因而停運時，將導(dǎo)致某些最小路（即電力傳輸通道）被切斷，造成系統(tǒng)供電的中斷?；谏鲜龇治觯煽闯鱿到y(tǒng)的故障狀態(tài)是由元件的故障狀態(tài)或狀態(tài)組合所確定的，假設(shè)系統(tǒng)的狀態(tài)空間為，整個系統(tǒng)狀態(tài)域由兩部分組成：工作狀態(tài)域和故障狀態(tài)域。在域中狀態(tài)，經(jīng)每一次修復(fù)都轉(zhuǎn)移到域中，則這些狀態(tài)稱為最小割集狀態(tài)。最小割集狀態(tài)與最小割集的概率緊密相關(guān)，割集是元件集合，當(dāng)這些元件同時故障導(dǎo)致系統(tǒng)故障，而最小割集狀態(tài)是元件狀態(tài)的集合，其中故障元件的修復(fù)都將使系統(tǒng)恢復(fù)到工作狀態(tài)。應(yīng)用最小割集狀態(tài)可以達(dá)到兩個目的：在一定條件下，用最小割集狀態(tài)代替全部的系統(tǒng)故障狀態(tài)，可以得到系統(tǒng)故障概率和頻率的近似式。一旦最小割集狀態(tài)已知，其

8、他狀態(tài)里面只要故障元件包含最小割集狀態(tài)中的故障元件，也必然是系統(tǒng)的故障狀態(tài)，這樣可以大大簡化故障的后果分析。因此可以推導(dǎo)出基于元件狀態(tài)空間的最小割集法的近似計算公式，系統(tǒng)和的計算表達(dá)式為：此無論界限內(nèi)元件是串聯(lián)還是并聯(lián)關(guān)系，在等效元件界限內(nèi)均看作串聯(lián)關(guān)系。各等效元件的可靠性指標(biāo)如表所示。（）表高壓電氣主接線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電氣主接線序號接線方式電氣主接線（）（）序號接線方式式中：系統(tǒng)故障概率；最小割集狀態(tài)；系統(tǒng)故障頻率；系統(tǒng)最小割集狀態(tài)向正常狀態(tài)轉(zhuǎn)移的轉(zhuǎn)移率。一路電源，隔離開關(guān)受電的單母線接線兩路電源，斷路器受電和分段的單母線接線實例計算在對基于元件狀態(tài)空間一路工作電源，一路聯(lián)絡(luò)電源，斷路器受電的

9、單母線接線兩路電源，斷路器受電和分段，帶旁路母線的單母線接線的最小割集法的算法思想，和如何進(jìn)行變電所主接線可靠性指標(biāo)計算進(jìn)行詳細(xì)論述的基礎(chǔ)上，針對適用于雙電源供電和兩臺變壓器互為備用運行方式條件的六種典型的變電所高壓電氣主接線方案，應(yīng)用該算法來進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性分析計算，六種典型方案的高壓電氣主接線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如表所示、。兩路電源，斷路器受電、隔離開關(guān)分段的單母線接線兩路電源，斷路器受電、斷路器聯(lián)絡(luò)的雙母線接線電氣主接線元件的可靠性模型在參照國內(nèi)外相關(guān)統(tǒng)計資料的基礎(chǔ)上，本文采用文獻(xiàn)表主接線元件原始可靠性參數(shù)中的電氣主接線元件原始元件名稱母線輸電線（線纜）斷路器變壓器隔離開關(guān)（）（年）（年）可靠性

10、參數(shù)，如表所示。對主接線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖進(jìn)行可靠性分析，首先依據(jù)第（年）（）（年）節(jié)所述內(nèi)容將主接線元件進(jìn)行等效處理，在等效元件界限內(nèi)，任一元件發(fā)生故障均將引起所在支路的供電中斷，因注：為故障修復(fù)時間；為計劃檢修持續(xù)時間。故障修復(fù)率；計劃檢修修復(fù)率（小時天小時）。表等效元件的可靠性指標(biāo)等效元件元件編碼組合（年）（年）（）（年）（）（年）、表中：為等效故障率；為等效修復(fù)率；為等效故障修復(fù)時間，；為等效計劃檢修修復(fù)率；為等效計劃檢修持續(xù)時間；為等效計劃檢修修復(fù)率。根據(jù)節(jié)的主接線元件各狀態(tài)概率的計算公式，可得元件各狀態(tài)概率值，如表所示。表等效元件各狀態(tài)概率值元件狀態(tài)概率元件正常工作元件故障狀態(tài)元件計劃

11、檢修狀態(tài)狀態(tài)、主接線網(wǎng)絡(luò)的最小路集和最小割集狀態(tài)根據(jù)前面章節(jié)所述，在對變電所主接線可靠性分析計算時，首先應(yīng)對主接線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的最小路集和反映系統(tǒng)故障狀態(tài)的最小割集狀態(tài)進(jìn)行分析，如表所示?？煽啃灾笜?biāo)計算結(jié)果在求出變電所主接線網(wǎng)絡(luò)各等效元件的概率值，最小路集和反映系統(tǒng)故障狀態(tài)的最小割集狀態(tài)表達(dá)式以后，就可根據(jù)第節(jié)中敘述的狀態(tài)分析方法計算出各典型主接線方案的可靠性指標(biāo)，具體計算結(jié)果如表所示。表主接線網(wǎng)絡(luò)最小路集和最小割集狀態(tài)注：表示一臺變壓器連續(xù)供電。表各典型電氣主接線可靠性指標(biāo)可靠單臺變壓器連續(xù)運行指性標(biāo)判系統(tǒng)工作系統(tǒng)故障率系統(tǒng)平均無故障據(jù)可靠率工作時間接線方式（年）（）表中：；。結(jié)論本文提出的基于

12、元件狀態(tài)空間的最小割集法電從計算結(jié)果可以看出該方法能正確地反映系統(tǒng)的實際運行工況。相比較定性分析，從定量角度能更加客觀、準(zhǔn)確地對主接線方案和運行方式的選擇進(jìn)行系統(tǒng)的可靠性分析。郭永基電力系統(tǒng)可靠性原理與應(yīng)用北京：清華大學(xué)出版社，：，氣主接線可靠性評估的模型和算法具有以下特點：該算法認(rèn)識到主接線功能的實現(xiàn)是由電源起點和低壓母線間的配電裝置所構(gòu)成的電力傳輸通道（即最小路）來實現(xiàn)的，而主接線系統(tǒng)元件因故障或檢修等原因引起的停運，使得某些最小路被切斷。因此該算法在進(jìn)行變電所主接線可靠性分析時，綜合考慮了主接線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特點以及系統(tǒng)狀態(tài)的改變是由構(gòu)成系統(tǒng)的元件狀態(tài)變化所引起的。其物理概念清晰，符合電力系統(tǒng)可靠性工程的特點，即電力系統(tǒng)可靠性工程就是將可靠性原理與電力系統(tǒng)工程實際相結(jié)合。郭永基電力系統(tǒng)可靠性分析北京：清華大學(xué)出版社，：別朝紅，王錫凡蒙特卡洛法在評估電力系統(tǒng)可靠性中的應(yīng)用電力系統(tǒng)自動化，（）：田應(yīng)康，閻超大型電廠主接線可靠性評估及分析（一）基本模型及基本算法重慶大學(xué)學(xué)報，（）：在建立元件可靠性模型時，充分認(rèn)識到元件故障間的相關(guān)性，計劃檢修的非隨機性，元件故障后的切換操作過程以及母線有無倒閘操作問題，使所建立的元件可靠性模型與元件實際運行相一致，反映了實際系統(tǒng)的運行特性。王奇，孫笑