配電網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 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面向開關設備 9119011.4可靠性參數 980311.5可靠性評估步驟 101.1可靠性原理基礎不同的操作要求和運行環境下，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，用它在規定的條件下在規定的時間內執行規定功能的概率來表示。可靠性的數學定義與概率密度函數有關，對于連續隨機變量，相關方程如下:（2-1）對于離散隨機變量，相關方程如下:（2-2）在處理電力系統時，術語可靠性為充分性和安全性。充足性與電力系統是否有足夠的發電量來滿足消費者需求有關。安全性與電力系統響應系統中出現的瞬變和干擾的能力有關。可靠性標準常用于輸電系統規劃。可靠性要求電力系統中任何單個元件的損耗都不應妨礙電力供應。即使容量最高的線路是停止服務的線路，也需要這樣做。即使失去了最大的發電機組，這也是必需的。大多數情況下，最大發電機組的損失是一個限制事件，需要證明電力系統能夠承受，即使它發生在最糟糕的時刻。故障發生后，必須在幾分鐘內恢復正常運行。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備和自動化工藝的普及，電能質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？”，由于配電系統的負荷很少接近其極限，可靠性的重點在于系統的安全性，而不是系統的充分性。國家建設重要項目時需要獨立的研究背景和機密的設計理念，以至于建設這些產品需要一套標準指標來細化衡量，從而體現出我國的科研進步；另一方面，這些機密的標準指標一旦出現問題將會帶來嚴重的事故發生，這些事故也會造成難以彌補的損失，包括經濟的動蕩和我國國際地位的下降，所以我們在生產生活中將管理生產的可靠性，并將此設為重要目標之一。為了達到近乎完美的質量，公用事業公司可以花費大量的金錢和空間電能質量要求較高的設備。另一方面，公用事業公司可能花費很少，并要求客戶補償由此產生的電能質量問題。兩種極端都不可取，公用事業必須在成本和電力之間找到平衡提供給客戶的質量。通過將一般系統可靠性計算中的基本方法和通用原理，經過精煉和改造后，同樣可以應用于電力建設、運行及維護中的可靠性計算，同時電力系統的可靠性計算確保了特高壓電網系統、大型電力網絡的穩定工作[21-25]。對于負荷點可靠性指標來說高壓配電網與中壓配電網直接相連，為考慮其作為等值電源對中壓配電網可靠性評估的影響，應計算高壓變電站低壓母線的可靠性指標。在這個時候，可將高壓配電網負荷點指標計算結果作為中壓線路等值電源點參數傳遞給中壓配電網，相關高壓配電網負荷點指標可采用中壓配電網2個獨立指標（平均停電率和每次停電的平均持續時間），或為提高評估的精度采用4個相關獨立指標，涉及平均停電率、負荷轉供時間、修復時間和切符合率。對于基于負荷點用戶數的系統可靠性指標，由于作為高壓配電網負荷點的變電站低壓母線所供的用戶數不詳，以及在高壓配電網評估中不便考慮中壓饋線間相互轉供的影響，準確計算指標仍有一定的困難。可采用近似處理方法：根據可獲取的數據情況，采用變電站所供饋線的配變個數，或將每個變電站低壓母線當作一個用戶。因此，輸電網可靠性指標種類繁多，既有系統范圍的指標，又有負荷節點指標；既有概率、頻率和時間類指標，又有概率與后果（切負荷或失去穩定）相結合的指標；既有絕對性質的指標，又有經過歸一化后的相對性質的指標[26]。同時，由于輸電網用戶符合種類復雜且大小不一，一般不采用涉及用戶個數的可靠性指標。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非常態集合，同理則是集合中第個非常態集合。電力不足概率代表平均每年發電系統的可用電量不能滿足系統需求的概率，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電系統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電系統的平均停電次數，單位為次/年，計算方法如式（2-5）所示：（2-5）電力不足平均持續時間代表每次發電系統停電的平均時長，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電系統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電系統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生的概率，表示事件發生的頻率。1.3可靠性評估的基本方法配電網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設備。面向元件的方法通常采用故障模式及其影響分析法[15]，其常用于配電網的可靠性參數計算和評價。1.3.1FMEA法通過識別每個故障及其對系統的影響，并計算負載和可靠性度量，生成故障所產生的結果的對應解釋。但是，故障所產生的結果的對應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，因此故障所產生的結果的對應解釋的建立可能非常困難，這使應用變得困難。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。分別關閉所有元器件后，創建每個負載點的故障率和故障時間的列表，形成故障所產生的結果的對應解釋，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。系統可靠性指標可以根據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電力線路的結構呈現輻射狀，基本都可等效轉變成串聯、并聯結構。其中，串聯、并聯系統如圖2-1和圖2-2所示。、、和（或、、和）分別為器件（或系統）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致的停止通電時長和平均恢復通電概率。圖2-1串聯系統對于串聯系統有計算公式，如（式2-9）所示：，，（2-9）圖2-2并聯系統對于并聯系統，根據概率計算規則可知計算公式，如（式2-10）所示：，，（2-10）雖然上述串聯、并聯系統公式僅適合使用在只由元件串聯構成的串聯系統或元件并聯構成的并聯系統，但是上述公式是計算串聯、并聯及混聯系統可靠性的基礎。在混聯系統中，通過依次合并串聯分支和并聯分支，實現系統復雜性逐漸降低，最終化簡系統到只包含一個元器件。此元器件的可靠性等價于原混聯網絡的可靠性，上述思路一般稱之為網絡等效化簡方法。1.3.3最小路法最小路是從負載出發至電源的最短路徑。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重，加權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簡單輻射型網絡最小路法本質是基于法的大體思路上，對其故障貢獻率計算上進行重構，其適用于非閉環工作的配電網，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系統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，系統才會發生故障，只要最小割集中的任意一個元器件沒有發生故障，系統也會正常運行，不會停止工作[17]。最小割集的基本思想是通過搜索系統回路中所有負載，確定各個負載的對應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的最小不可分的集合：割集。對于地區級的配電網而言，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橋型網絡如圖2-5所示，網絡中所有負載的最小割集分別是：（M,K）、（J,N）、（M,I,N）、（J,I,K）。于是得到該網絡等效重構為如圖2-6所示的網絡結構。圖2-6橋型網絡等效可靠性框圖圖2-6所展示的結構中各最小不可分集合中的器件呈現并聯結構，而不同的最小不可分集合呈現串聯機構，則可通過式(2-11)、式(2-12)和式(2-13)計算出網絡的負載所對應的三個基礎可靠性參數。負荷點每年的平均停電次數，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（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面向開關設備基于開關設備的算法的主體思想是以故障傳播為基礎，以評估的方式代替計算，實現可靠性計算。其基本步驟是第一步窮舉系統故障狀態，為特定故障狀態查找控制開關，得到該特定故障所影響的系統區域。第二步根據上述故障狀態的擴散路徑，查找故障所傳播的最遠途徑，從而確定系統中未受影響的區域（即隔離區域），最后一步按照故障類型的不同，將系統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，計算出系統器件平均故障時間，最終得到系統可靠性指標，具體內容可參考文獻[18]。系統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，有可能發生超出容量限制，導致系統失衡。同時分布式發電系統的快速發展，使得低污染、高可靠和效率的分布式電源廣泛應用在供電系統中，以取代傳統發電技術，同時打破了傳統供電系統中只存在單一發電源的傳統結構，系統可靠性的計算方式也隨之發生改變[19-20]。1.4可靠性參數可靠性參數包括不同設備的停運率（故障停電和計劃停電）和相關的停電和開關切換時間[35]。對于可靠性參數收集統計的一般原則如下：可靠性參數統計的地域應隨評估區域大小而定，且范圍要合理適當，不能過大或過小。可靠性參數的統計時間范圍一般為1~5年，時間類參數應采用1~3年的統計值，故障停運率應采用1~5年的統計值，確