配電系統(tǒng)可靠性評估

1、第五章配電系統(tǒng)可靠性評估,Distribution System Reliability Evaluation 5.1 概 述 5.2 配電系統(tǒng)可靠性指標的計算 5.3 放射狀配電系統(tǒng)的可靠性估計 5.4 配電系統(tǒng)典型結構的可靠性分析 5.5 考慮容量約束的配電系統(tǒng)可靠性評估 5.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估 5.7 2001年全國主要城市供電可用率統(tǒng)計 5.8 電壓驟降的可靠性評估,5.1 概 述,指供電點到用戶，包括配電變電所、高低壓配電線路及接戶線在內的整個配電系統(tǒng)及設備按可接受標準和期望數(shù)量滿足用戶電力和電能量需求之能力的度量。 配電系統(tǒng)可靠性主要評估充裕度。 評估原

2、理 故障模式影響分析法(failure mode and effect analysis，F(xiàn)MEA) 根據選定的可靠性準則，將配電系統(tǒng)劃分為完好和故障兩類狀態(tài)，然后根據故障狀態(tài)計算出相應的可靠性指標的分析方法。 故障準則：供電連續(xù)性遭破壞(停電)為故障狀態(tài)。 具體做法：建立故障模式影響分析表，查清每個基本故障事件及其影響，然后加以綜合分析，計算出可靠性指標。適用于放射狀網絡，可擴展并用于有轉移設備的復雜網絡的全面分析。 復雜網絡特點：各饋電線均有負荷點；饋點通過正常斷開點彼此相連或與其他電源相連；負荷可以轉移；故障將會引起局部或全部斷電。,5.1 概 述,評估原理 可靠度預測分析法 以裕度為基

3、礎。引入聯(lián)絡率和有效運行率的概念。 表示饋電各區(qū)段聯(lián)絡程度的指標，描述了故障時線路的倒送能力；1表示該饋電線可以切換。 表示負荷有效切換的指標，是饋線發(fā)生故障時所有各區(qū)段是否都可切換的判據；100為臨界值，100表示有裕度。,5.1 概 述,配電系統(tǒng)可靠性指標 用戶平均停電頻率指標：CAIFI，customer average interruption frequency index 用戶平均停電持續(xù)時間指標：CAIDI，customer average interruption duration index 系統(tǒng)平均停電頻率指標：SAIFI，system average interrupti

4、on frequency index 系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標：SAIDI，system average interruption duration index 平均供電可用率指標：ASAI，average service availability index 平均供電不可用率指標：ASUI，average service unavailability index 期望缺供電能量：EENS，expected energy not served,5.1 概 述,電力市場條件下對配電系統(tǒng)可靠性的新要求 發(fā)展電力市場時，配電系統(tǒng)必須有規(guī)劃和設計； 提高需求預測的準確性； 配電系統(tǒng)可靠性評估要考慮交易

5、形式不同（合同交易和現(xiàn)貨交易）帶來的不確定因素； 可靠性技術逐漸發(fā)展為實時系統(tǒng)； 要求提出評估停電損失的理論模型和開發(fā)應用軟件，用以分析可靠性投資和可靠性效益，確定合理的電價水平。,5.2 配電系統(tǒng)可靠性指標的計算,設某配電系統(tǒng)從六段母線引出六條主饋電線，共有55000個用戶。每條饋線供電的用戶數(shù)以及某年的用戶停電數(shù)據如表5.1和5.2所示。,表5.1 配電系統(tǒng)數(shù)據,表5.2 用戶停電數(shù)據,*在停電情況1和4中，有些用戶是通過母線D引出的饋線供電的。因此在停電情況4中加上1000個受停電影響的新用戶，總停電次數(shù)為17000次，實際影響用戶為16000個。,5.2 配電系統(tǒng)可靠性指標的計算,系統(tǒng)

6、平均停電頻率指標SAIFI：指每個由系統(tǒng)供電的用戶在每個單位時間內的平均停電次數(shù)。 SAIFI17000/550000.31 次/用戶.a 用戶平均停電頻率指標CAIFI：指每個受停電影響的用戶在單位時間內經受的平均停電次數(shù)。 CAIFI17000/160001.06 次/停電用戶.a 系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標SAIDI：每個由系統(tǒng)供電的用戶一年內經受的平均停電持續(xù)時間。 Ttl5000601000125000120 4000302000105 1242000 min SAIDI1242000/1600022.58 min/用戶.a,5.2 配電系統(tǒng)可靠性指標的計算,用戶平均停電持續(xù)時間指標C

7、AIDI：一年中被停電的用戶平均停電持續(xù)時間。 CAIFI1242000/1600077.63min/停電用戶.a 平均供電可用率指標ASAI：一年中用戶經受不停電小時總數(shù)與用戶要求的總供電小時數(shù)之比。 ASAI11242000/(55000876060)0.999957 平均供電不可用率指標ASUI：一年中用戶的累積停電小時總數(shù)與用戶要求的總供電小時數(shù)之比。 ASUI1242000/(55000876060)0.000043 顯然，有 ASUI1ASAI,5.3 放射狀配電系統(tǒng)的可靠性估計,分析方法 建立故障模式及后果分析表，即查清每個基本故障事件及其后果，然后加以綜合。進行故障分析的3個指

8、標： 負荷點故障率：（次/a）； 負荷點每次故障平均停電持續(xù)時間：r（h/次）； 負荷點的年平均停電時間：U（h/a） 對于n個串聯(lián)可修復元件,對于兩個并聯(lián)可修復元件,5.3 放射狀配電系統(tǒng)的可靠性估計,典型放射狀配電系統(tǒng),表5.4 元件的可靠性指標,5.3 放射狀配電系統(tǒng)的可靠性估計,表5.5 故障模式及后果分析,5.3 放射狀配電系統(tǒng)的可靠性估計,典型放射狀配電系統(tǒng) 根據表5.4和表5.5數(shù)據，可以計算出其他可靠性指標： 年用戶停電次數(shù)： ACI2501.351001.1500.85490 次/a 用戶停電持續(xù)時間： CID2501.551002.05502.05695 h/a SAIFI

9、490/4001.225 次/用戶.a SAIDI695/4001.7375 h/用戶.a CAIDI695/4901.4184 h/停電用戶.a ASUI695/(4008760)0.000198 ASAI1ASUI0.999802,5.4 配電系統(tǒng)典型結構的可靠性分析,配電系統(tǒng)的典型結構,所有元件串聯(lián),備用電源通過正常斷開的隔離開關或斷路器與主饋線連接,兩回電源同時工作，可以開環(huán)或閉環(huán)運行,5.4 配電系統(tǒng)典型結構的可靠性分析,配電系統(tǒng)典型結構的可靠性分析,計算參數(shù)： 非操作設備 主要考慮持續(xù)性強迫停運，用元件的故障率和修復時間r表示。 線路長度均為3km，0.1次/km.a， r3h/次

10、； 負荷大小均為1000kW，每個負荷點用戶數(shù)均為1個負荷； 暫不考慮預安排停電。,操作設備 隔離開關操作時間：t0.5h； 短路故障：0.01次/a，r5h/次； 誤分閘事故率：FT0.01次/a； 拒分閘概率：PS0.001； 拒合閘概率：PC0.001； 保護越級誤分閘概率：P00.01； 手動切換開關操作時間：t10.5h； 自動切換開關操作時間：t20.05h。 在以上假設情況下，計算各種結構的可靠性指標見表5.6和表5.7。,5.4 配電系統(tǒng)典型結構的可靠性分析,表5.6 各種結構用戶可靠性指標,表5.7 各種結構系統(tǒng)可靠性指標,5.4 配電系統(tǒng)典型結構的可靠性分析,配電系統(tǒng)典型結

11、構的可靠性分析結論： 單電源供電的放射式配電系統(tǒng)，在元件可用率確定的條件下，系統(tǒng)串聯(lián)的元件越多，失效的概率就越大，系統(tǒng)可用率就越低。 有備用電源的放射狀系統(tǒng)，不論備用電源的投入方式如何，其負荷點的故障率均與單回路放射式結構相同。但負荷點的每次故障平均停電持續(xù)時間及平均停電時間將會縮短，其縮短時間取決于備用電源倒閘操作的時間。自動投入方式會大大縮短用戶停電時間。 配電系統(tǒng)接入備用電源后，對改善干線某端用戶的供電質量效果明顯。其效果與備用電源的載荷能力有關。 配電系統(tǒng)因限制短路電流和簡化繼電保護的需要，常為開環(huán)運行方式，負荷在某一時刻只能從一個電源獲取電源。當開環(huán)的兩個系統(tǒng)之一方式故障時，切除故障

12、部分，并以此作為新的斷開點恢復系統(tǒng)的運行。 環(huán)網供電系統(tǒng)負荷的可用率，隨著其與電源點的遠近變化，位于兩電源中心的負荷可用率最低。環(huán)網結構與雙電源結構的可靠性相近，而投資較少，是一種較好的結構。,5.5 考慮容量約束的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.5.1 原理和模型 配電系統(tǒng)可靠性以連續(xù)性為準則，以用戶的停電頻率、停電持續(xù)時間、供電可用率和故障引起的缺供電量作為衡量指標。 對放射形及并聯(lián)形配電系統(tǒng)，采用公式5.25.7計算。 對環(huán)形系統(tǒng)，一般先求出電源點與用戶之間的最小割集，然后求出相應的可靠性指標。 可靠性事件分類： TLOC (total loss of continuity，全部失去連續(xù)性事件)

13、：指負荷點具有等到引起停運的故障元件修復后才能恢復負荷正常供電的系統(tǒng)故障； PLOC (partial loss of continuity，部分失去連續(xù)性事件)：指元件故障不會導致負荷點和電源之間的所有通路都斷開的系統(tǒng)故障，但會造成線路(或變壓器)過負荷或電壓越限，因而必須減少部分或全部負荷點的負荷。,5.5 考慮容量約束的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.5.2 容量約束模型 配電系統(tǒng)中線路的故障停運引起的負荷變化必須考慮。在忽略線路電容、電阻和負荷無功的條件下，可用直流潮流法與Z矩陣法相結合求解配電網絡中線路故障或負荷點減負荷時網絡的潮流分布。求出潮流后，很容易算出負荷點和系統(tǒng)可靠性指標。主要原理

14、： 在不計入松弛母線的條件下形成系統(tǒng)阻抗矩陣Z1，并變換為導納矩陣Y1。 在計入松弛母線和負荷阻抗的條件下形成另一個系統(tǒng)阻抗矩陣Z2，并變換為導納矩陣Y2。 用Z1和直流潮流法求解發(fā)電機和負荷點有注入功率時系統(tǒng)的潮流。負荷點削減負荷也可視為特殊的注入功率來處理。 用下式修改Z2，以反映負荷點削減負荷后負荷阻抗的變化,式中， Zb對應新負荷的阻抗；Zij是Zold中第i行第j列的阻抗。,5.5 考慮容量約束的配電系統(tǒng)可靠性評估,用式(5.9)修改Z2，以反映線路P-Q斷開,KIPQ0/IPQ且IPQ(ZPPZQQ)/ZlinePQ 式中，ZLiZiLZPiZi ；當iL時，ZLLZPiZQiZl

15、inePQ； IPQ0和IPQ分別為故障前后在線路P-Q處的電流。 當母線P注入電流K時，將在線路i-j形成電流Iij IijK(ZPiZPj)/Zlineij(5.12) 任一線路故障前后導致P-Q處的電流變化，也將引起i-j處的電流變化Iij IijK(ZPiZjP)old(ZPiZjP)new/Zlineij (5.13) 潮流的變化應加入直流潮流的計算結果。 檢查線路過負荷，必要時削減負荷點的負荷，重復步驟36，使線路過負荷減到容限之內。（可采用就近削減負荷策略）,5.5 考慮容量約束的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.5.3 可靠性指標 SAIFI系統(tǒng)平均停電頻率指標，單位：a1； CAIFI

16、用戶平均停電頻率指標，單位：a1； SAIDI系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間指標，單位：h/a； CAIDI用戶平均停電持續(xù)時間指標，單位：h/a； ASAI 平均供電可用率指標； ENS 缺供電量，單位：MW.h/a AENS 平均缺供電量，單位：MW.h/(用戶.a),5.5.4 算例 （略）,5.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估,Failure mode and effect analysis（FMEA）是通過對系統(tǒng)中各元件狀態(tài)的搜索，列出全部可能的系統(tǒng)狀態(tài)，然后根據所規(guī)定的可靠性判據對系統(tǒng)的所有狀態(tài)進行檢驗分析，找出系統(tǒng)的故障模式集合，查清其對系統(tǒng)的影響，求得系統(tǒng)的可靠性指標。 本

17、節(jié)介紹一種結合最小割集法的FMEA方法，該方法能夠考慮故障后的潮流和電壓約束，可應用于大規(guī)模配電系統(tǒng)可靠性評估。,5.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.6.1 基本原理 基本思路：首先對系統(tǒng)進行預想事故的選擇，即確定負荷點失效事件，并對各個預想事件進行潮流分析和系統(tǒng)補救，形成事故影響報表，并將事故及其影響報表存入預想事故表；再根據負荷點的故障集從預想事故表中提取相應的故障后果，計算出負荷點的可靠性指標。系統(tǒng)可靠性指標則可從各負荷點的指標中分別得到。 負荷點失效事件： TLOC：結構性失效，又稱全部失去連續(xù)事件，指當負荷點和所有電源點之間的所有通路都斷開時導致該負荷點全部失電。

18、通過尋找配電網絡的最小割集可有效判斷出導致TLOC的停運組合。 PLOC：功能性失效，又稱部分失去連續(xù)事件，它考慮到各元件負載能力和系統(tǒng)電壓約束，則必須斷開或者削減某一點的負荷以消除過載電壓越限?？赏ㄟ^最小割集中元件組合來尋找可能引起PLOC事件的停運組合。確定停運組合后，進行潮流計算并確定是否違反網絡約束，即可識別出是否會發(fā)生PLOC事件。配電系統(tǒng)對一階故障敏感，高階故障發(fā)生概率極低，因此略去三階及以上停運事件。 可靠性指標計算應考慮：母線、變壓器、線路、電纜和開關設備等元件的強迫停運和計劃檢修的影響，以及系統(tǒng)負荷轉移的影響。,5.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.6.2

19、最小割集算法 初始化系統(tǒng)拓撲信息。形成源點、負荷點鏈表，得到支路元件關系； 逐一搜索負荷點鏈表，并對每一負荷點按以下規(guī)則對支路編碼得到新支路表。 首先，對指定的有向支路、輸出支路、輸入支路進行編碼，其中輸入支路的輸入節(jié)點號改為1； 然后，對所有的無向支路進行編碼，同時復制所有無向支路，以反映潮流的雙向流動； 接著給負荷點形成新支路，對包含前述負荷點的新支路進行編碼，其輸出節(jié)點（負荷點）號為0； 最后，對復制的無向支路按相反的順序進行編碼。,5.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.6.2 最小割集算法 形成負荷點的最小路。 對系統(tǒng)每一支路，分別得到其所有的前趨支路。防止多制支路成

20、為其自身的前趨支路的方法：無向支路的新編號加上復制支路的新編號是否等于2倍的負荷點支路的新編號。若否，則不是自身復制，將該支路插入前趨支路鏈表。 用遞歸算法從前趨支路鏈表中獲得自源點至負荷點的最小路：構造堆棧，首先將負荷點支路壓棧；遍歷前趨支路，若支路無前趨支路或由于某條支路導致路徑循環(huán)，則路徑刪除，否則將支路壓棧；遍歷其余前趨支路，如果遍歷到輸出支路，則終止遍歷。存入堆棧中的支路即為最小路。 根據新支路與原支路的對應關系，將最小路集用原支路表示；根據支路元件的對應關系，得到以元件表示的采用二進制編碼的最小路矩陣。,5.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.6.2 最小割集算法

21、求最小割集。 如果最小路矩陣中某一列元件都是1，則矩陣的列所對應的元素就是網絡的一階最小割集； 將最小路矩陣中任意兩列元素進行組合（邏輯加），如果組合后的列元素都是1，則該兩列元素就是網絡的一個二階割集； 依次類推，可以得到網絡的2n階割集。 求nj階割集時，需校驗是否包含ni(ni1nj1) 階最小割集。若是，此割集將作為非最小割集而舍棄。檢驗方法： 研究兩個割集I（ni階最小割集）和J（nj階最小割集），且ninj Iai，bi，ci，A，有ni個元件； Jaj，bj，cj，A，有nj個元件； AIJ，若A的非零元件個數(shù)等于ni，那么，割集J是非最小割集，應予舍棄。 重復步驟24直到負荷鏈

22、表搜索完畢。,5.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.6.3 TLOC事件 TLOC事件引起的相關負荷點可靠性指標可由串、并聯(lián)系統(tǒng)原理求得。 并聯(lián)元件可靠性評估涉及計劃檢修，考慮強迫停運與強迫停運的重疊、強迫停運與檢修停運的重疊。 5.6.4 PLOC事件 分析時必須考慮在不滿足網絡約束時，對負荷點削減的情況?？梢圆捎脝l(fā)式的系統(tǒng)補救措施： 首先判斷故障所在饋線如果發(fā)生節(jié)點電壓越界，搜索距離節(jié)點最近的負荷點，將該處的負荷切除，直到母線電壓的值正常為止。 如果發(fā)生線路過載，根據線路潮流方向，搜索離線路潮流方向的末端節(jié)點最近的負荷點，將該處的負荷切除，直到線路潮流的值正常為止。,5

23、.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估,PLOC事件的狀態(tài)空間如圖5.7所示。由圖中可以導出： PLOC事件的發(fā)生率 ePeL(1P)rerL/(rerL) PLOC事件平均持續(xù)時間 rrerH/(rerH) PLOC事件中斷開的平均負荷 LL(t)dt /t1LS L、rL和rH之間的關系 LHP/(1P) P/(1P)rH rL1/L(1P)rH/P,5.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.6.5 大規(guī)模配電系統(tǒng)可靠性評估算法流程,5.6 基于故障模式影響分析法的配電系統(tǒng)可靠性評估,5.7 2001年全國主要城市供電可用率統(tǒng)計,5.7.1 供電系統(tǒng)用戶供電可靠性評

24、價規(guī)程 1988年頒發(fā)供電系統(tǒng)用戶供電可靠性評估規(guī)程要點： 規(guī)定了適用范圍、基本內容、定義及分類、評價指標及計算公式等。主要指標5個，參考指標18個。 定義了供電可靠性、用戶、用戶統(tǒng)計單位、用戶容量、用戶設施、系統(tǒng)與設備的狀態(tài)。其中，用戶分別以電壓380/220V，10(20.6)kV，35kV及以上等三個等級劃分為低壓用戶、中壓用戶和高壓用戶。 將停電性質分為故障停電和預安排停電兩大類。故障停電又分為外部故障停電和內部故障停電。預安排停電則分為計劃停電、臨時停電和限電。 只統(tǒng)計造成用戶停電的事件及數(shù)據，不統(tǒng)計設備停運未造成用戶停電的事件及數(shù)據。 供電可靠率(RS)、用戶平均停電時間(AIHC

25、)和次數(shù)等3項主要指標，按3個不同檔次來統(tǒng)計： 計及一切影響（RS-1、AIHC-1）； 不計及外部影響（RS-2、AIHC-2） ； 不計及系統(tǒng)電源容量不足限電影響（RS-3、AIHC-3） 。,5.7 2001年全國主要城市供電可用率統(tǒng)計,5.7.2 主要指標計算公式 計及一切影響時 AIHC-1每戶每次停電次數(shù)/總用戶數(shù) RS-1（1AIHC-1/統(tǒng)計期間時間）100 不計及外部影響時 AIHC-2每戶每次停電次數(shù) 因外部影響造成的停電時間/總用戶數(shù) RS-2（1AIHC-2/統(tǒng)計期間時間）100 不計及由于系統(tǒng)電源不足的影響時 AIHC-3用戶平均停電時間用戶平均限電停電時間 RS-3

26、（1AIHC-3/統(tǒng)計期間時間）100,5.7 2001年全國主要城市供電可用率統(tǒng)計,5.7.3 10kV用戶供電可靠性指標 表5.17 10kV用戶供電可靠性統(tǒng)計,表5.18 全國直轄市及省會城市10kV用戶供電可靠性統(tǒng)計（按RS-1排序）,續(xù)表5.18 全國直轄市及省會城市10kV用戶供電可靠性統(tǒng)計（按RS-1排序）,5.8 電壓驟降的可靠性評估,電壓驟降定義： IEEE Voltage Sag：指供電系統(tǒng)中某點的工頻電壓有效值突然下降至額定值的1090，并在隨后的10ms1min的短暫持續(xù)期后恢復正常。 IEC Voltage Dip：電壓幅值的范圍為190額定值。 產生原因： 短路故障

27、，如雷擊等； 大型電機的啟動，電弧爐、軋鋼機等沖擊負荷的投運等。,5.8 電壓驟降的可靠性評估,5.8.1 電壓驟降的評估方法 基于電力網的電壓驟降特性、規(guī)律（幅值、持續(xù)時間和發(fā)生頻率等）和負荷（或工業(yè)過程）的敏感曲線（允許曲線）兩者的結合。包括： 基于實測數(shù)據的評估方法系統(tǒng)平均有效值波動頻率指標SARFIX以及從屬的3個針對即時、瞬時和暫時電壓驟降的子指標。 基于理論分析的預測方法，尚無成熟、精確的理論分析法。 基于頻率和持續(xù)時間的線路逐段分析法,5.8 電壓驟降的可靠性評估,5.8.2 電壓驟降評估指標體系 用戶的敏感設備模型 用戶的敏感設備：大型計算機、可調速驅動設備(ASD)、熒光照明設備、基于計算機和微處理器的負荷以及其他一般負荷。 可由公共連接點(PCCpoint of common coupling