配電系統(tǒng)可靠性評估的研究

1、西安理工大學碩士學位論文配電系統(tǒng)可靠性評估的研究姓名：劉文洪申請學位級別：碩士專業(yè)：電氣工程指導教師：劉丁20030301西安理工大學工程碩士學位論文題目：配電系統(tǒng)可靠性評估的研究學科：電氣工程作者：劉文洪簽名：導師：劉丁教授簽名：答辯日期：20033摘要本論文是在綜合考慮影響配電系統(tǒng)可靠性各種因素的基礎上，采用了一種基于最小割集的配電系統(tǒng)實用的可靠性評估方法，并編制了相應的應用程序。該方法考慮了系統(tǒng)運行的實際情況，列舉引起負荷點停電事件割集,還考慮了負荷點供電的轉(zhuǎn)移特性，網(wǎng)絡元件的計劃檢修和主動性故障使評估過程更加合理和有效。程序運行結(jié)果為配電網(wǎng)絡規(guī)劃和運行提供了大量有效信息，有利于工程技術(shù)

2、人員發(fā)現(xiàn)配電系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)和采取相應的增強措施。同時，本文還對影響系統(tǒng)可靠性的各種因素進行了詳盡的評述和比較，得到了有關(guān)配電系統(tǒng)可靠性研究和提高實際系統(tǒng)可靠性的有益的結(jié)論。關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)可靠性最小割集摘要subject:application research onreliability evaluation ofdistribution systemsmajor:electrical engineeringauthor:liuwenhongtutor：liudingsignature：signature：date:2003-3abstractthe paper proposes a meth

3、od for reliability evaluation ofdistribution systems.which takes many real factors into consideration,and then programs relevant software.the practical situations of system operations are considered inthis paper. based on the enumeration of the cut sets for the load pointinterruption, load transitio

4、n character, maintenance of devices,active failure mode and overload of transmission line are all discussed.the evaluation is more realistic and effective. the results can alsohelp engineers to find weak point of a distribution system underinvestigation and take some corresponding improving measures

5、. moreoverthe paper compares every factor of reliability of distribution systems,and gets some useful conclusion in reliability of distribution systems.key words: distribution system, reliability, the minimum cut sets西安理工大學工程碩士學位論文第一章前言1.1 配電系統(tǒng)可靠性問題的提出及意義電力系統(tǒng)可靠性實質(zhì)就是用最科學，經(jīng)濟的方式充分發(fā)揮發(fā)、供電設備的潛力，保證向全部用戶不斷供

6、給質(zhì)量合格的電力，從而實現(xiàn)全面的質(zhì)量管理和全面的安全管理。隨著電力系統(tǒng)不斷向超高壓，遠距離，大機組，大容量方向發(fā)展，不但要求提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性，而且對系統(tǒng)的安全可靠性也提出了新的更高的要求。60 年代以后，許多國家的大電網(wǎng)相繼發(fā)生了重大的事故，引起了大面積長時間的停電。這些停電事件不但造成了巨大的經(jīng)濟損失，而且危及社會秩序，對整個社會造成了一定的影響。為了預防這些事故的發(fā)生，定量的評價和改善電力系統(tǒng)可靠性的研究，便越來越受到人們的重視。為了避免電力系統(tǒng)超高壓，遠距離，大機組，大容量的優(yōu)越性被不利因素的影響所抵消，對可靠性的研究也日益迫切。自 60 年代以來，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，社會的高度信息化，

7、現(xiàn)代化，辦公設備的自動化,人們對電力的依賴越來越深。任何短時間的停電，頻率偏差，瞬時電壓下降，都會對生產(chǎn)生活帶來影響。因此電力行業(yè)作為公用事業(yè)，政府從行政及立法上對供電質(zhì)量、安全性、可靠性提出了越來越高的要求。電力是國民經(jīng)濟發(fā)展必不可少的能源。近幾年在西方國家的電力行業(yè)中引入了市場競爭機制，其競爭的焦點是電力的可靠性和經(jīng)濟性。為了適應市場的需要，各國電力公司重點研究和發(fā)展可靠性。對配電系統(tǒng)可靠性的研究和應用，是保證供電質(zhì)量，實現(xiàn)電力工業(yè)現(xiàn)代化的重要手段。對促進和改善電力工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)和管理，提高經(jīng)濟效益和社會效益，進行城市網(wǎng)絡建設和改造有著重要作用。整個電力系統(tǒng)對用戶供電能力和質(zhì)量都必須通過配電

8、系統(tǒng)來體現(xiàn)。配電系統(tǒng)可靠性指-1-第一章前言標實際上是整個電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運行特性的集中反映。據(jù)不完全統(tǒng)計，用戶停電故障中 80%以上是由配電系統(tǒng)故障引起的，它對用戶供電可靠性的影響也最大。國外應用可靠性評估技術(shù)，計算電網(wǎng)隨機故障引起的用戶停電損失，從而采用考慮投資、年運行費和停電損失的年費用最小法進行方案決策，取得了顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。這種方法可以從整個國民經(jīng)濟的總效益綜合權(quán)衡，使有限的資金和資源得到最有效地利用。根據(jù)國外的經(jīng)驗，認為使用這一新的技術(shù)，可以取得平均每年節(jié)約電網(wǎng)建設費用 5-8%的巨大經(jīng)濟效果。對于我國這樣一個資源緊缺的發(fā)展中國家，這無疑有著十分重要的現(xiàn)實意義和潛在的戰(zhàn)略意

9、義。國內(nèi)，對配電系統(tǒng)可靠性的研究始于上世紀 80 年代初期，發(fā)展較為緩慢。為使有限的資源取得最大的收益，迫切需要對配電網(wǎng)進行科學合理的規(guī)劃，這就促進了配電網(wǎng)可靠性評估的發(fā)展。有鑒于此，我國能源部、建設部曾于 1993 年共同頒布的城市電力網(wǎng)規(guī)劃原則中提出：在規(guī)劃設計中“方案比較還可以用優(yōu)化供電可靠性的原則進行，即不先設定可靠性指標，將不同可靠性而引起的少供電損失費用引入計算，以取得供電部門和全社會的最大綜合經(jīng)濟效益”。在電力生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程中 10kv 用戶供電可靠率已列入供電安全考核項目之中。1.2 研究內(nèi)容的國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展情況配電系統(tǒng)可靠性的研究始于本世紀中后期，其起步晚于發(fā)電和輸電系統(tǒng)

10、可靠性的研究。由于缺乏可靠性的研究和管理，以及人們開始并未意識到高壓配電網(wǎng)可靠性的重要性，一些國家的電力系統(tǒng)曾發(fā)生過大面積停電事故。隨著統(tǒng)計工作的不斷完善和可靠性資料的不斷積累，人們發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)的故障對用戶供電可靠性的影響最大，其比率可高達 83%。同時，為數(shù)眾多的高壓配電網(wǎng)投資累計將是一個十分可觀的數(shù)字，這就意味著城市電網(wǎng)可靠性工程應用將帶來巨大的經(jīng)濟效益，從而促進了可-2-西安理工大學工程碩士學位論文靠性研究在這一領(lǐng)域的迅速發(fā)展。國內(nèi)于二十世紀七十年代末，在一些高校和研究機構(gòu)中開展了電力系統(tǒng)可靠性的研究。由于缺乏必要的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和行之有效的計算技術(shù)，初期發(fā)展緩慢。1983 年成立了中國電機工程

11、學會可靠性專委會，1985 年成立了中國電力可靠性管理中心。此后，隨著國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城市用電負荷迅速增長，供需矛盾日益突出，迫切需要對配電網(wǎng)進行科學合理的規(guī)劃，這就促進了配電網(wǎng)可靠性評估的發(fā)展。近十年來，供電企業(yè)創(chuàng)一流，已將配電系統(tǒng)可靠性數(shù)值指標列入技改指標，取得了良好效果。1.3 電力系統(tǒng)可靠性的研究內(nèi)容可靠性定量評估是電力系統(tǒng)可靠性技術(shù)的核心。這是因為一個電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性經(jīng)常相互抵觸，而兩者之間只有量化后才能達到某種程度的平衡。電力系統(tǒng)的用戶負荷具有隨機性，系統(tǒng)故障也具有隨機性。因此，以負荷停電損失為基本內(nèi)容的可靠性評估技術(shù)是建立在概率論基礎上的?？煽啃岳碚撌窍到y(tǒng)工程學的一個

12、重要方面。它從系統(tǒng)的觀念出發(fā)，研究系統(tǒng)均衡性與整體一致性的數(shù)量特征?？煽啃岳碚搼酶怕式y(tǒng)計的方法分析整個系統(tǒng)的生命周期，定量的預測系統(tǒng)性能，對系統(tǒng)不同的設計方案的相對可靠性水平提供統(tǒng)一的定量評估方法6。電力系統(tǒng)是一個大系統(tǒng)，它的任何一個單一的子系統(tǒng)都不能獨立的完成將電能輸送給用戶的功能。由于各子系統(tǒng)不同的特點，在研究可靠性問題時將電力系統(tǒng)分為發(fā)電系統(tǒng)、互聯(lián)系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)、變電站及主接線等。由于電力系統(tǒng)的復雜性，對于它進行整體評估和計算是不現(xiàn)實的，因此可靠性的研究要分層次進行7。本論文主要對配電系統(tǒng)的可靠性評估進行研究。配電系統(tǒng)可靠性研究的特點：-3-第一章前言由于電力系統(tǒng)具有發(fā)，供，

13、用的同時性，且配電系統(tǒng)處于電力系統(tǒng)的末端，直接與用戶設備相連接，配電系統(tǒng)可靠性指標實際上是整個電力系統(tǒng)可靠性的綜合反映。因此，研究配電系統(tǒng)可靠性時，不僅要考慮配電系統(tǒng)及其設備自身的結(jié)構(gòu)，特性狀況，而且必須考慮發(fā)電，輸變電等上級系統(tǒng)及設備以及用戶設備的結(jié)構(gòu)，特性狀況可能帶來的影響。配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)向用戶供應電能和分配電能的最終環(huán)節(jié)，因此必須以改善和提高配電系統(tǒng)對用戶供電的能力和質(zhì)量為目的。配電系統(tǒng)設備分散，點多面廣，受外界環(huán)境和氣候條件的影響極大。配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設備的型號，規(guī)則，容量和數(shù)量的大小是隨用戶及負荷的增長和變化而不斷變化的，而且常因檢修方式的不同而更換和改變。其狀態(tài)停留時間服從不同的

14、概率分布。配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式和運行方式是多種多樣的，有放射式結(jié)構(gòu)，雙回路結(jié)構(gòu)或多回路結(jié)構(gòu)，雙電源結(jié)構(gòu)，環(huán)型及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和多分割多聯(lián)絡的結(jié)構(gòu)以及潮流單方向，系統(tǒng)為冗余系統(tǒng)等。目前，電力系統(tǒng)可靠性的研究方法有解析法和統(tǒng)計模擬算法兩大類。解析法的特點，是首先建立系統(tǒng)或子系統(tǒng)的可靠性數(shù)學模型，然后通過數(shù)值計算求解，得出可靠性指標。這類方法包括了當前電力系統(tǒng)可靠性分析的主要方法并應用于各子系統(tǒng)的評估中。解析法的主要優(yōu)點在于：物理概念清晰；模型精度高; 在給定的假設條件下，一般可求得準確的結(jié)果。解析法的主要缺點在于：計算量隨系統(tǒng)規(guī)模的增大而急劇增大；只能考慮有限的負荷水平；不宜處理相關(guān)事件；統(tǒng)計模擬算法(蒙特

15、卡羅模擬法)：它的特點是將系統(tǒng)分成許多元件，這些元件的特性可通過概率方法加以評估，通過采樣實驗求得結(jié)果。蒙特卡羅模擬法屬于統(tǒng)計試驗方法，比較直觀,便于處理負荷的隨機變化特性。適于元件故障和修復時間不服從指數(shù)分布，故障檢修，計劃維修間存在較復雜的關(guān)系。但它的不足之處在于具有明顯的統(tǒng)計性質(zhì)；計-4-西安理工大學工程碩士學位論文算時間與計算精度的緊密相關(guān)性，為了獲得較高的可靠性指標，往往需要很長的計算時間。1.4 配電系統(tǒng)可靠性的評估方法配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中將電能輸送、分配到負荷點用戶的最后一個環(huán)節(jié)。它通常包括一次配電線路、配電站、配電變壓器、二次配電線路以及把這些元件連接在一起的電氣設備。配電系統(tǒng)

16、的可靠性研究以解析法為主，迄今已有大量的文獻發(fā)表1,2,3,4。研究主要以供電是否滿足連續(xù)性作為負荷點是否停電的依據(jù)。它是對預想的停運事件進行逐個評估和計算，最終得到用戶和系統(tǒng)的可靠性指標。-5-第二章咸陽市區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀分析第二章 咸陽市區(qū)配電網(wǎng)現(xiàn)狀分析1.1 咸陽市區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)110kv 秦都變、陳陽變、咸陽變、堿灘變、茂陵變構(gòu)成了咸陽市配電網(wǎng)網(wǎng)架，共有主變 9 臺，總?cè)萘?297.5mva，1997 年市區(qū)電網(wǎng)最大負荷 13.37 萬 kw。2.2 咸陽市區(qū)配電網(wǎng)中低壓電力設施現(xiàn)狀咸陽市區(qū) 10kv 中低配電網(wǎng)共有架空公網(wǎng)線路 26 條 237.8 公里，電纜線路 6 條 0.87 公里，配

17、變 855 臺，總?cè)萘?198965kva，用戶數(shù)850 戶，斷路器 28 臺，開關(guān)類設備 26 臺；10kv 架空專線 2 條 10.1公里，電纜線路 39 條 25.29 公里，配變 185 臺，總?cè)萘?150310kva，用戶數(shù) 190 戶，斷路器 5 臺，開關(guān)類設備 31 臺，其中雙電源 2 戶，容量 5040kva；2.3 咸陽市區(qū)配電網(wǎng)負荷狀況1997 年全年供電量 294261.21 萬千瓦時，購電量 20150.40 萬千瓦時，售電量 281983.96 萬千瓦時，日最大供電量 1101.64 萬千瓦時，日最小供電量 506.09 萬千瓦時；1997 年最大負荷 45.8 萬千

18、瓦，年平均負荷率 86%，最大峰谷差 192 萬千瓦；10kv 電壓合格率 92.39%；2.4 本文所作的工作-6-西安理工大學工程碩士學位論文近年來隨著市區(qū)主網(wǎng)建設的發(fā)展以及城農(nóng)網(wǎng)改造工程的實施,咸陽市城市配電網(wǎng)取得了長足的發(fā)展。城市供電能力和供電質(zhì)量都有了很大提高。但仍然存在一些薄弱環(huán)節(jié)。另外，從長遠發(fā)展來看，隨著城市現(xiàn)代化進程的加快，用電負荷的持續(xù)增長，必將對城市供電提出更高的要求。因此，本文從配電系統(tǒng)可靠性的角度出發(fā)，研究了咸陽市區(qū)配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，對配電系統(tǒng)進行可靠性定量分析及對城網(wǎng)改造進行定量評估，找出薄弱環(huán)節(jié)，進行數(shù)值分析。探索咸陽市區(qū)配網(wǎng)建設改造的技術(shù)措施，指導判斷目前正在進行

19、的咸陽城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設與改造工程是否符合以提高配電網(wǎng)供電可靠性、改善電壓質(zhì)量、降低線損的標準。本文的主要工作有：(1)充分研究了負荷點的供電方式，采用了一種基于最小割集的配電系統(tǒng)實用評估方法，并設計了基于 windows 平臺的通用應用程序。(2)該方法將影響負荷點供電的路徑歸納為正常運行的供電路徑和備用電源路徑，從判斷兩種路徑是否相重得到可靠性的主要指標。此外，該方法主要考慮了元件故障的形式、故障影響范圍、負荷的恢復過程，以及網(wǎng)絡的約束條件，使評估結(jié)果更加全面和符合系統(tǒng)運行的實際情況。(3)應用配電系統(tǒng)可靠性分析軟件對咸陽市區(qū)建設改造前后的配電網(wǎng)進行可靠性評估，計算結(jié)果驗證了本文所采用方法的有效

20、性和合理性，以此為基礎討論了各種不同因素對系統(tǒng)可靠性指標的影響。-7-第三章 配電系統(tǒng)可靠性評估模型與指標第三章 配電系統(tǒng)可靠性評估模型與指標本章將對配電網(wǎng)的可靠性評估理論進行研究，采用網(wǎng)絡基本最小路求取網(wǎng)絡最小割集。3.1 可靠性評估模型與指標電力系統(tǒng)的元件是多種多樣的。根據(jù)配電系統(tǒng)中的元件的功能，對其進行分類，可分為功率元件和操作元件。由于在電力系統(tǒng)中所起作用不同，他們對可靠性的影響也大不相同。下面分別敘述它們的可靠性模型。3.1.1 元件可靠性模型3.1.1.1 功率元件配電系統(tǒng)中的功率元件包括變壓器、輸電線路、母線、系統(tǒng)補償器等元件。在可靠性評估中，還可以將上一級評估的電源（或系統(tǒng)）視

21、為具有一定可靠度的功率元件。它們的功能主要是將電能從一處送至另一處，或調(diào)度和控制系統(tǒng)電壓。對于它們可采用三狀態(tài)模型。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型可以用下圖來表示：nrmrmrm圖 3-1功率元件的可靠性模型圖中，n 為正常工作運行狀態(tài)，m 為計劃檢修狀態(tài)，r 為故障停運及修復狀態(tài)；r、m 分別為故障率、計劃檢修率，單位為次/年；r 是由故障狀態(tài)向正常工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率，它與故障修復時間 tr 互為倒數(shù)；m 是由檢修狀態(tài)向正常工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率，它與故障修復時間 tm 互為倒數(shù)。設正常運行狀態(tài)、計劃檢修和故障恢復狀態(tài)的概-8-西安理工大學工程碩士學位論文率分別為 pn、pm、pr，則知：pn+pm+pr=1穩(wěn)態(tài)情

22、況下其馬爾柯夫狀態(tài)方程為：-(r+m)pn+rpr+mpm=0rpn-rpr=0mpn-mpm=0（2-1）（2-2）聯(lián)立求解，各狀態(tài)的概率為：pn=1/（r/r + m/m +1）（2-1）（2-2）(2-3)pm=（m /m）pn=mtmpnpr=（r /r） pm=rtr pn其中 pn，pm，pr，m，tm，r，tr 為功率元件可靠性的基本參數(shù)。3.1.1.2 操作元件：nmmmmfrststfmmrstiifi圖 3-2 操作元件的原始模型操作元件是指那些執(zhí)行開關(guān)操作，使系統(tǒng)狀態(tài)和拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的元件，包括斷路器，負荷開關(guān)，隔離開關(guān)，熔斷器等元件，其故障狀態(tài)比較復雜。原始模型如圖

23、3-2 所示，n正常運行狀態(tài)；m計劃檢修狀態(tài)；-9-第三章 配電系統(tǒng)可靠性評估模型與指標m臨時檢修狀態(tài)；f誤動狀態(tài)；i接地或絕緣故障狀態(tài)；st拒動狀態(tài)；r故障修復狀態(tài)。對這些狀態(tài)，按照它們對周圍元件的影響及對系統(tǒng)的危害程度可以分為非擴大型故障狀態(tài)和擴大型故障狀態(tài)，其中計劃檢修，臨時檢修，誤動，故障修復四種狀態(tài)的后果都是使該操作元件本身斷開，不會影響到操作元件周圍元件的正常運行，都屬于非擴大型故障。拒動，接地或絕緣故障兩種狀態(tài)均會導致操作元件周圍的，能將該操作元件從系統(tǒng)中隔離的那些斷路器跳開。通過故障隔離操作，該故障元件被隔離開來，周圍的斷路器恢復正常運行，該操作元件進入故障后修復狀態(tài)，這兩種狀

24、態(tài)屬于擴大型故障狀態(tài)。據(jù)此，我們將計劃檢修，臨時檢修，誤動，故障修復四種狀態(tài)近似合并為修復狀態(tài)（r 狀態(tài)）；拒動，接地或絕緣故障兩種狀態(tài)合并為擴大型故障狀態(tài)（s 狀態(tài)）。圖 3-3 為操作元件的等效模型：nmmmrrsssr圖 3-3 操作元件的等效模型其中，r=m+fs=i+st(3-4)(3-5)設正常運行狀態(tài)，計劃檢修狀態(tài)，故障停運狀態(tài)和擴大型故障狀態(tài)的概率分別為 pn，pm，pr，ps,則知：- 10 -西安理工大學工程碩士學位論文pn+ pm+ pr+ps=1在穩(wěn)態(tài)條件下，其馬爾柯夫狀態(tài)方程為：-(r+m+s)pn+rpr+mpm=0spn-sps=0rpn+sps-rpr=0m p

25、n-mpm=0由(3-6) (3-7)式聯(lián)立求解，各狀態(tài)的概率為：pn =1/（s/+(ss+r)/r+m/m+1）ps =(s/s)pn(3-6)(3-7)(3-8)pm=（m/m）pn=mtmpnpr =(s+r)/r)pn=(s+r) tr pn其中 pn、 pm 、 pr 、 ps 以及非主動性故障率r ,主動性故障率s、m、tr 、tm 是元件可靠性的基本參數(shù)。當研究周期內(nèi)元件不進行計劃檢修或不考慮計劃檢修時，可令m=0。3.1.1.3 負荷在配電系統(tǒng)中，由于各負荷點的負荷規(guī)模較小，且受到負荷性質(zhì)的影響，負荷的大小和特征很難用簡單、統(tǒng)一的數(shù)學模型來描述；有的配電系統(tǒng)缺乏細致的統(tǒng)計工作

26、，要得到準確的負荷模型也非常不易的。因此，我們用平均負荷來表征每個負荷點母線上的負荷參數(shù)。即將負荷描述為一年中不變的平均負荷。平均負荷 la 可用兩種方法得到：1）2）la=lpf;式中：lp 是負荷點峰值功率，f 為負荷系數(shù)la=在所研究其間所需的總電量/研究時期- 11 -(3-9)(3-10)第三章 配電系統(tǒng)可靠性評估模型與指標3.1.2 可靠性指標本文采用以下幾組指標來評估配電系統(tǒng)的可靠性：3.1.2.1 負荷點指標反映各負荷點可靠性的指標有年故障停運率（次/年）；平均停運持續(xù)時間 r（小時/次）；年平均停運時間 u（小時/年）。下面分別介紹這三個指標的具體含義和特征：(1) 年故障停

27、運率是指負荷點在一年中因電網(wǎng)元件故障而造成停電的次數(shù)。各負荷點的的大小說明了該負荷點供電的可靠性程度，供電路徑中所需的割集數(shù)（尤其是一階割集的數(shù)目）越多，則負荷點的年停電次數(shù)越多，供電越不可靠。(2) 年平均停運時間 u 是指負荷點一年內(nèi)每次停電的事件總數(shù)。它反映了該負荷點供電的可靠性。u 值越大則系統(tǒng)對負荷點的供電越不可靠。(3) 平均停運時間 r 是指從停電開始到恢復供電這段時間的平均值。r 在一定程度上說明在停電事故發(fā)生后恢復供電的類型，在有備用電源、備用元件可供切換的情況下，其停電后恢復時間較短，r 值也就越小。3.1.2.2 系統(tǒng)指標為了反映系統(tǒng)停運的嚴重程度和重要性，采用了以下指標

28、對整個系統(tǒng)進行總體評估：(1) 系統(tǒng)平均停電頻率 saifisaifi 是指每個由系統(tǒng)供電的用戶在單位時間內(nèi)的平均停電次數(shù)。這里的單位時間我們以一年計。它可以由下面公式計算出：saifi=用戶斷電總次數(shù)/用戶總數(shù)=ini/ni式中，i 為故障率，ni 為負荷點 i 的用戶數(shù)。- 12 -(3-11)西安理工大學工程碩士學位論文(2) 系統(tǒng)平均停運持續(xù)時間 saidisaidi 是指每個由系統(tǒng)供電的用戶在單位時間內(nèi)經(jīng)受的平均停電持續(xù)時間。它的計算公式為：saidi=用戶斷電持續(xù)時間總和/用戶總數(shù)=ui ni/ni (3-12)式中,ui 為年停運時間，ni 為負荷點 i 的用戶數(shù)。(3) 用戶平

29、均停電持續(xù)時間 caidicaidi 是指單位時間內(nèi)每個受停電影響的用戶在每次停電所持續(xù)的時間。它反映了該系統(tǒng)內(nèi)停電用戶的電源、設備的備用情況。它的計算公式為：caidi=用戶斷電持續(xù)時間總和/用戶斷電總次數(shù)=ui ni/ ini(3-13)式中，i 為故障率，ui 為年停運時間，ni 為負荷點 i 的用戶數(shù)。(4) 供電可靠率 asaiasai 是指每個由系統(tǒng)供電的用戶在單位時間內(nèi)的平均停電持續(xù)時間比率。它的計算公式為：asai=用戶用電小時數(shù)/用戶需電小時數(shù)=(ni8760-ui ni)/ni8760(3-14)式中，ui 為年停運時間，ni 為負荷點 i 的用戶數(shù)。(5) 不可靠率 as

30、uiasui 是指一年中用戶累積停電的小時數(shù)與用戶要求的總供電小時數(shù)之比。它的計算公式為：asui=1-asai=用戶斷電小時數(shù)/用戶需電小時數(shù)=uini/ni8760(3-15)式中，ui 為年停運時間，ni 為負荷點 i 的用戶數(shù)。(4) 總停電電量指標 ensens 是指系統(tǒng)在一年中因停電而造成用戶總的電量損失。它的計- 13 -第三章 配電系統(tǒng)可靠性評估模型與指標算公式為：ens=la(i)ui(3-16)式中，la(i)為連接在負荷點 i 的平均負荷。(5) 用戶平均停電電量 aensaens 是指系統(tǒng)一年中總的停電電量損失平均到系統(tǒng)內(nèi)每個由系統(tǒng)供電的用戶的平均電量。它的計算公式為：

31、aens=la(i)/ ni(3-17)3.2 二元件系統(tǒng)狀態(tài)空間分析一般的電力系統(tǒng)是作為可修復系統(tǒng)來處理其可靠性問題的?？尚迯拖到y(tǒng)指若系統(tǒng)使用一段時間后發(fā)生故障，經(jīng)過修復后系統(tǒng)恢復到原來的工作狀態(tài)。下面進行兩元件系統(tǒng)的狀態(tài)空間分析：一個由兩獨立元件構(gòu)成的系統(tǒng)，每個元件均有兩個狀態(tài)運行（up）和停運（down）。兩元件的故障率分別為1，2，修復率分別為1, 2。下圖為系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率：111u2u11d2u2221u211d232d2d41圖 3-4 二元件的馬爾柯夫狀態(tài)圖圖中狀態(tài) 1 對應元件 1，2 都運行；狀態(tài) 2 對應元件 1 停運，元件 2 運行；狀態(tài) 3 對應元件 1 運行，元件

32、2 停運；狀態(tài) 4 對應元件 1，- 14 -西安理工大學工程碩士學位論文2 都停運；轉(zhuǎn)移矩陣 a 為：-（1+2）120a=120-（1+2）020-（1+ 2）121-（1+ 2）設 p=p1，p2，p3，p4分別為圖中系統(tǒng)中四個狀態(tài)的穩(wěn)定概率；則狀態(tài)概率方程為：pa=0由于 p1 +p2 +p3 +p4 =1，與上面方程中的任意三式聯(lián)立求得各個狀態(tài)的概率。1） 若兩個元件構(gòu)成的系統(tǒng)為并聯(lián)系統(tǒng)，即兩個元件均故障時系統(tǒng)才停運，對應狀態(tài) 4，則停運概率us=12r1r2/(1+1r1+2r2+12r1r2)系統(tǒng)的故障率為ss=12(r1+r2)(1+1r1+2r2)系統(tǒng)的故障停運時間 rsrs

33、= r1r2/(r1+r2)(3-18)(3-19)(3-20)2） 若兩個元件構(gòu)成的系統(tǒng)為串聯(lián)系統(tǒng)，即任一元件均故障時系統(tǒng)就處于停運狀態(tài)，則停運概率us=(1r1+2r2+12r1r2)/(1+1r1+2r2+12r1r2)(3-21)系統(tǒng)的故障率為s=1+2系統(tǒng)的故障停運時間rs=(1r1+2r2+11r1r2)/(1+2)- 15 -(3-22)(3-23)第三章 配電系統(tǒng)可靠性評估模型與指標在目前運行的電力系統(tǒng)中，通常的值都很?。ㄔ诠收下瘦^高的配電網(wǎng)中，是以縮短統(tǒng)計時間和線路長度來達到這個要求）,可以認為iri1。因此，我們可以總結(jié)出下面應用在一般工程計算中的近似公式：a)并聯(lián)系統(tǒng)s=

34、12(r1+r2)rs= r1r2/(r1+r2)us=12r1r2b)串聯(lián)系統(tǒng)s=1+2rs=(1r1+2r2)/(1+2)(3-24)(3-25)us=1r1+2r2上述公式表達了兩元件系統(tǒng)的可靠性指標情況，但其應用有許多約束條件：如元件只考慮兩個狀態(tài)；元件故障時不計斷路器的動作時間；未考慮計劃檢修等等；以上方法只能用于單一輻射形系統(tǒng)。3.3 網(wǎng)絡簡化最小割集的故障模式狀態(tài)空間分析法為計算網(wǎng)絡可靠性提供了一種基本方法，但隨之而來的復雜性卻不容忽視。電力系統(tǒng)是由難以計數(shù)的電力元件構(gòu)成的，一個由 n 個電力元件構(gòu)成網(wǎng)絡，若每個元件保持兩個狀態(tài)中的一個（停運、運行），那樣系統(tǒng)的狀態(tài)空間就有 2n

35、 個，既使對于較簡單的配電系統(tǒng)，其狀態(tài)空間圖也極其復雜，難以求解。在實際應用中必須將網(wǎng)絡簡化，將狀態(tài)概率小的截去不計，對系統(tǒng)進行故障模式和影響分析，近似計算系統(tǒng)可靠性。在大多數(shù)的可靠性評估中，分析是以預先假定的判據(jù)為基礎的。按照這些判據(jù)，系統(tǒng)狀態(tài)劃分為完好和故障兩種狀態(tài)。然而，當判- 16 -西安理工大學工程碩士學位論文據(jù)一經(jīng)確定，就要進行故障模式和影響分析。故障模式直接與系統(tǒng)的最小割集相關(guān)聯(lián)。割集是一些元件的集合，當它們失效時，會導致系統(tǒng)失效。最小割集是元件集合中的最小子集合。如果此集合中的任意一元件沒有失效，就不會導致系統(tǒng)失效。在實際電力系統(tǒng)中，由于網(wǎng)絡的復雜性，負荷點到電源點（可能是多個

36、）的供電通路可能有多條。因而，造成負荷點失去供電的最小割集也有許多個。這個原則不但在配電網(wǎng)絡中存在，在其它任意的復雜網(wǎng)絡中均存在。- 17 -第四章 配電系統(tǒng)可靠性評估算法及可靠性評估軟件編制第四章配電系統(tǒng)可靠性評估算法及可靠性評估軟件編制4.1 配電系統(tǒng)可靠性評估算法4.1.1 最小割集的求取4.1.1.1 配電網(wǎng)絡的連集等效模型圖 41 網(wǎng)絡模型圖連集是一些元件的集合，當這些元件都工作時，系統(tǒng)才正常工作。保證系統(tǒng)正常運行的元件集合的最小子集合，稱為最小連集。在配電網(wǎng)絡中，最小路的定義如下：如果在通道中沒有兩次以上經(jīng)過同一結(jié)點或交叉點，那么，這個兩節(jié)點之間的通路是最小的。對于復雜系統(tǒng)的最小連

37、集的判別方法有聯(lián)絡矩陣法，布爾行列法等，但這些方法都不適合程序化。本文利用圖論的方法，采用一種適于計算機判別網(wǎng)絡全部最小連集的廣度優(yōu)先搜索算法。用最小連集理論確定系統(tǒng)的可靠性網(wǎng)絡模型時，各連集間是并聯(lián)關(guān)系，連集內(nèi)元件以串聯(lián)形式聯(lián)接。圖 41 網(wǎng)絡模型的最小連集為(a、c)、(b、d)、(a、e、d)、(b、e、c)。4.1.1.2 配電網(wǎng)絡的割集等效模型配電系統(tǒng)的故障模式直接與系統(tǒng)的最小割集相關(guān)聯(lián)。最小割集是一些元件的集合，當它們失效時，必然會導致系統(tǒng)失效。最小割集- 18 -西安理工大學工程碩士學位論文法是將計算的狀態(tài)限制在最小割集內(nèi)，而不需計算系統(tǒng)的全部狀態(tài)，從而大大節(jié)省了計算量。每個割集

38、中的元件存在并聯(lián)關(guān)系，近似認為系統(tǒng)的失效度可以簡化為各個最小割集不可靠度的總和。用最小割集理論確定與復雜網(wǎng)絡等效的可靠性網(wǎng)絡模型。以圖 41 為例，可得到該網(wǎng)絡模型的最小割集為(a、b)、(c、d)、(a、d、e)、(b、c、e)。4.1.1.3 復雜網(wǎng)絡的等效轉(zhuǎn)換對于復雜的系統(tǒng)，其最小割集用直觀識別越來越困難。為便于計算程序的實現(xiàn),本文采用的是由最小路求取最小割集的方法。以圖 41 為例，首先，搜索從負荷點至電源點之間的所有最小路，通過最小路中節(jié)點信息導出元件信息，并建立連集矩陣（41）。其列序號為網(wǎng)絡的支路序號，其行數(shù)為網(wǎng)絡的的最小連集數(shù)。每一行為一個最小連集，“1”表示該列序號的支路在此

39、連集中，“0”表示該列序號的支路不在此連集中。然后，由連集矩陣導出最小割集。對于連集矩陣中任意兩個列向量，如果進行邏輯加運算，得到的是單位列向量，則這兩列所對應的兩個支路上的元件組成了該系統(tǒng)網(wǎng)絡的二階割集。當這兩個支路上的元件故障時，即系統(tǒng)發(fā)生故障。同理可以得到系統(tǒng)的多階割集，但要注意，在生成某一階割集時，必須實時檢查是否包含低一階的割集，如果包含，應及時刪除，不參與以后的計算。這樣可以避免生成大量的中間數(shù)據(jù)，因為當元件較多時，會產(chǎn)生相當多的重復割集。根據(jù)網(wǎng)絡的最小連集矩陣（41）得到網(wǎng)絡的最小割集矩陣為式（42）。10100t = 0101010011(41)- 19 - 01101第四章

40、配電系統(tǒng)可靠性評估算法及可靠性評估軟件編制11000c = 10011 01101(42)根據(jù)以上的步驟，得到的最小割集的階數(shù)達到網(wǎng)絡的元件數(shù)。但由于在配電系統(tǒng)中，低階割集支配了系統(tǒng)的可靠性指標，故本文在求最小割集時只求到二階。根據(jù)最小割集的定義，顯然若系統(tǒng)失效，每個割集中的所有元件必須失效。所以，每個割集中的元件存在并聯(lián)關(guān)系，割集中元件的失效概率可以用并聯(lián)系統(tǒng)的原理進行“合并”。另外，任意一割集失效時，系統(tǒng)就發(fā)生故障，所以割集與割集之間存在串聯(lián)關(guān)系。雖然系統(tǒng)的最小割集是串聯(lián)形式連接的，但因為一個元件可以在多個割集中出現(xiàn)，割集之間并不相互獨立，精確計算非常費時和煩瑣。為了克服這一困難，可以利用

41、下面近似方法求解，將會大大提高計算速度。對于元件高可靠度的系統(tǒng)，帶來的誤差可忽略不計或在允許范圍之內(nèi)。第一種近似認為系統(tǒng)的失效度 qs 可以簡化成各個最小割集不可靠度的總和，即ni =1(45)盡管割集事件間并不相互獨立，我們可以近似認為串聯(lián)原理公式可以適用于割集的合并。第二種近似是忽略階數(shù)超過某一給定值的割集（割集的階等于割集中的元件數(shù)）。這種近似認為高階割集發(fā)生的概率遠遠小于低階割集，當然這種近似的條件是元件的可靠度較高且比較平均（而一般電力系統(tǒng)可以達到要求）。于是，在實際應用中，往往只計及一階和二階的故障割集，忽略三階以上故障事件。- 20 - 00110qs = pci 西安理工大學工

42、程碩士學位論文通過以上兩個近似，我們在計算配電系統(tǒng)負荷的可靠性時，可應用第二章給出的串聯(lián)、并聯(lián)系統(tǒng)公式進行割集合并。4.1.2 計入計劃檢修計劃檢修有利于降低元件的故障率，提高元件的平均無故障時間 mtbf(mean time between failure)。電力系統(tǒng)計劃檢修的主要任務是：把元件從系統(tǒng)中切除、外觀檢查、進行有關(guān)電氣試驗以及維護等。計劃檢修將元件處于不可用狀態(tài)，必然會對系統(tǒng)供電的可靠性造成影響。在電力系統(tǒng)中,一般不會安排兩個并聯(lián)關(guān)系的元件同時進行檢修，但常會將兩三個串聯(lián)的元件同時停運的(例如,某一回線進行停電檢修時,順便將出線斷路器、負荷開關(guān)等一并進行檢修),此時檢修時間應是每

43、個元件檢修時間的總和。另外,當某一元件發(fā)生強迫停運(故障)時,此時,系統(tǒng)檢修力量的工作應是對故障元件進行修復,而原準備計劃檢修的元件將會推遲進行。因此，對于二階停運割集中兩個元件，我們認為可以考慮的停運狀態(tài)重疊就只有：1）一元件計劃檢修（m）與另一元件的強迫停運（f）；2）一元件的強迫停運（f）與另一元件的強迫停運（f）；對于狀態(tài) 2）的可靠性指標可根據(jù)上一章的“網(wǎng)絡簡化”計算得到。對于狀態(tài) 1）可利用類似的簡化方法得到。即參照如下公式進行計算：pm=1 2 r1+2 1 r2upm=(1 2r1r1 r2)/(r1+r2)+(21 r2 r1r2)/(r1+r2)(4-6)rpm= upm/

44、pmpm 強迫停運與計劃檢修相重疊時負荷點的停運率；upm強迫停運與計劃檢修相重疊時負荷點的年停運時間；rpm強迫- 21 -第四章 配電系統(tǒng)可靠性評估算法及可靠性評估軟件編制停運與計劃檢修相重疊時負荷點的停運持續(xù)時間；i元件 i 的檢修停運率； ri元件 i 的檢修停運時間；i元件 i 的故障停運率；ri元件 i 的故障停運時間。對于三階以上的重疊停運狀態(tài)不予考慮。從上式可以看出，對于狀態(tài) 1)實際上由兩部分組成，它們是每個元件檢修是和另一元件故障造成用戶供電停止的概率指標。4.1.3 停電的恢復與備用路徑開始從負荷點搜索備用電源存儲備用供電路徑計算出備用割集矩陣查找故障及備用割集不同元件改

45、變這些元件的修復時間 r參與累加計算恢復元件參數(shù)結(jié)束圖 4-2 備用路徑處理程序流程圖由于電力系統(tǒng)負荷一旦失去供電將遭受損失，電力部門給它們的供電時多電源或多個供電路徑。為避免電磁環(huán)網(wǎng)，正常運行時又是單電源、單回路或輻射式的。這樣，對于電力負荷就存在正常供電電源- 22 -西安理工大學工程碩士學位論文和備用電源、正常供電路徑和負荷轉(zhuǎn)移路徑。電力系統(tǒng)中任意線路、母線或斷路器等設備發(fā)生故障時，運行人員通過斷路器、隔離開關(guān)的切換操作，隔離故障元件，將停運負荷轉(zhuǎn)移到其它非故障區(qū)域或限制在最小范圍內(nèi)。基于以上思想，本文在進行配電系統(tǒng)可靠性評估時，將負荷點的供電路徑歸納為故障路徑(路徑中割集事件的發(fā)生造成

46、該負荷點的停電)和備用路徑（路徑中割集事件的發(fā)生使該負荷點的轉(zhuǎn)移路徑切斷）。當電力網(wǎng)絡中存在允許切換的條件，故障發(fā)生后，負荷點的指標就取決于下面的操作過程。1)故障割集不能隔離：如果故障割集事件發(fā)生且與備用割集為同一元件或元件集合，則負荷點的故障路徑和備用路徑全部斷開，負荷點在這些元件得到修復或更換前仍處于斷電狀態(tài)。停電指標為：=割集的計算故障率r =割集的修復（或更換時間）(4-7)u =r2)故障割集可以隔離：在實際運行中，該負荷點的故障割集不包含在備用割集里，負荷點經(jīng)過切換操作后，就可以恢復供電狀態(tài)。=割集的計算故障率r =割集元件發(fā)生故障到負荷被切換到備用路徑的時間 (4-8)u=r可

47、以看出，備用路徑的效果是影響負荷點故障發(fā)生后的恢復時間。這個時間不僅僅是各元件的合閘“瞬間”時間，還包括判斷故障、確定供電方案和操作準備時間。根據(jù)經(jīng)驗，大約為 1 小時。一般來講，負荷轉(zhuǎn)移的時間遠小于故障元件的修復時間。這樣時負荷點的停電時間大為縮短，提高了供電可靠性。4.2 軟件設計總體規(guī)劃- 23 -第四章 配電系統(tǒng)可靠性評估算法及可靠性評估軟件編制4.2.1 軟件運行平臺程序采用面向?qū)ο蟮目梢暬幊坦ぞ?visual c+ 6.0 進行編制，以便處理較復雜的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并且借助于面向?qū)ο蟮膬?yōu)點規(guī)范代碼，產(chǎn)生兼容性較強，速度較快的可執(zhí)行文件。并且充分利用可視化的優(yōu)點，設計出了人機對話較友好的