趙緒杰 吉興全 李可軍 孫 瑩

（1. 山東科技大學信息與電氣工程學院，山東 青島 266510;2. 山東大學電氣工程學院，濟南 250061）

基于Paladin DesignBase的配電網(wǎng)可靠性評估與分析

趙緒杰1吉興全1李可軍2孫 瑩2

（1. 山東科技大學信息與電氣工程學院，山東 青島 266510;2. 山東大學電氣工程學院，濟南 250061）

以Paladin DesignBase為仿真平臺對配電系統(tǒng)進行可靠性分析。相比傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析軟件而言，Paladin DesignBase軟件操作界面更加直觀，功能更齊全，不僅能夠進行電力系統(tǒng)各種靜態(tài)的計算和分析，還能提供動態(tài)的仿真分析。首先簡述了該軟件的主要功能及特點，然后重點闡明了以它為仿真工具進行可靠性分析的基本步驟及可靠性指標。最后通過一個實際配電系統(tǒng)的例子說明了在設備可靠性參數(shù)的輸入、可靠性指標的計算以及結果輸出等方面的特點。

配電網(wǎng)；Paladin DesignBase；可靠性

隨著社會發(fā)展和生活水平的不斷提高，用戶對電力的需求越來越大，同時對供電可靠性要求也越來越高。而配電系統(tǒng)置于電力系統(tǒng)的末端，是電力系統(tǒng)與用戶聯(lián)系、向用戶供應電能、分配電能的重要環(huán)節(jié)。一旦配電系統(tǒng)設備發(fā)生故障或進行檢修、試驗就會同時造成系統(tǒng)向用戶供電的中斷。因此近年來，配電網(wǎng)可靠性問題日益受到重視。

近年來國內(nèi)外陸續(xù)開發(fā)出多種用于可靠性分析的綜合仿真工具，如PTI公司開發(fā)的PSS/ADEPT[1]、OTI公司研發(fā)的 ETAP軟件，以及清華大學編制的DSRE-TH軟件[2]。這些工具各具特色，可靠性分析的方法、功能和應用場合不盡相同，為便于比較，本文將美國Power Analytics（簡稱PA）公司開發(fā)的Paladin DesignBase軟件應用于配電網(wǎng)的可靠性分析中，結合實際的配電系統(tǒng)，對其可靠性進行評估和分析，并通過仿真過程和計算結果來呈現(xiàn)該軟件在配網(wǎng)可靠性評估中的應用。

1 Paladin DesignBase軟件介紹

Paladin DesignBase是世界頂級的電力系統(tǒng)設計和仿真分析軟件平臺，并能與 PA公司的 Paladin Live實時在線系統(tǒng)進行無縫連接，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的實時監(jiān)測、控制和維護。它提供了功能全面的圖形編輯器，用戶可以利用它很方便地建立電氣系統(tǒng)的單線圖，其圖型用戶界面如圖1所示。

圖1 Paladin DesignBase圖型用戶界面

Paladin DesignBase軟件包含幾十個功能模塊，配合后臺數(shù)據(jù)庫，用戶可以方便地對電力系統(tǒng)進行各種分析和優(yōu)化，模塊按功能可以分為兩類：基本功能模塊和優(yōu)化功能模塊，基本功能包括：短路計算與分析、潮流計算與分析、保護設備整定計算、電動機起動分析等；優(yōu)化功能主要包括：電能質(zhì)量分析和控制、動態(tài)特性仿真、電力系統(tǒng)優(yōu)化（PSO）及可靠性分析與負載能力等，下面對其主要模塊做簡要說明。

1）短路計算與分析

Paladin DesignBase遵循多種國際計算標準（如IEC60909、IEC61363等），可計算電力系統(tǒng)出現(xiàn)的各種對稱和不對稱故障電流，包括三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路、傳輸線路故障、斷線故障和三相不平衡故障。

2）潮流計算與分析

Paladin DesignBase潮流計算程序根據(jù)系統(tǒng)給定的運行條件，對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行仿真?？梢杂嬎爿敵鱿到y(tǒng)中所有母線（節(jié)點）的電壓幅值和相位，所有線路的功率分布和功率損耗，自定義電壓超限報告和支路負載超限報告等。針對不同復雜程度和層級的電力網(wǎng)絡，例如輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)、工業(yè)企業(yè)電力網(wǎng)或其組合系統(tǒng)，Paladin DesignBase提供不同的計算方法，如快速解耦法、牛頓拉夫遜法、混合法和高斯賽德爾法等，并且提供三種自動電壓控制方式，即變壓器抽頭調(diào)節(jié)、發(fā)電機電壓調(diào)節(jié)和靜態(tài)無功補償調(diào)節(jié)。

3）高級暫態(tài)穩(wěn)定性分析

Paladin DesignBase高級暫態(tài)穩(wěn)定性程序采用時域仿真法，應用數(shù)值積分方法對描述暫態(tài)過程的微分方程和代數(shù)方程組進行求解。可以模擬多種擾動事件（包括短路故障、支路增加或切除、發(fā)電機投入或切除、起動或停止電動機、電動機負載變化、負載投入或切除等），仿真電力系統(tǒng)由于擾動帶來的運行狀態(tài)的動態(tài)變化過程（包括功角、電壓、頻率、功率和阻抗等），并給出系統(tǒng)穩(wěn)定性安全指數(shù)（0～100），指數(shù)值越大表示系統(tǒng)經(jīng)受擾動的安全穩(wěn)定性越高。

4）可靠性與負載能力分析

利用該模塊可以實現(xiàn)區(qū)域可靠性分析、輸配電可靠性分析、負荷預測等。電力系統(tǒng)的可靠性可以分為兩個基本的類別：系統(tǒng)的充裕性和系統(tǒng)的安全性。Paladin DesignBase只對系統(tǒng)的充裕性進行評估。

2 配電網(wǎng)可靠性評估方法及可靠性指標

2.1 配電網(wǎng)可靠性評估方法

綜合目前可靠性研究領域的已有成果，電力系統(tǒng)可靠性的分析方法有解析法、模擬法、混合法和人工智能算法四大類。其中解析法和模擬法是目前常采用的兩種主要方法。

1）解析法

解析法基于馬爾可夫模型[3]，利用系統(tǒng)的結構和元件的功能以及兩者之間的邏輯關系，建立可靠性概率模型，通過遞推和迭代等過程對該模型精確求解，從而計算可靠性指標，其優(yōu)點在于采用了嚴格的算法和精確數(shù)學模型，物理概念清楚，因此計算可信度高，在實際工作中這種方法使用的最多。但隨著元件數(shù)的增多，計算量呈指數(shù)增長，當系統(tǒng)規(guī)模大到一定程度時，這種方法使用起來較困難。根據(jù)具體處理方式的不同，解析法[4]又進一步分為狀態(tài)枚舉法、故障模式與后果評估法、故障樹分析法、頻率和持續(xù)時間法、最小割集法等。

Paladin DesignBase可靠性分析程序正是采用狀態(tài)枚舉法[5]作為程序計算方法。狀態(tài)枚舉法建立在 Markov模型的基礎之上，它通過具體分析元件各狀態(tài)對配電系統(tǒng)狀態(tài)的影響，列出所有的系統(tǒng)狀態(tài)，確定狀態(tài)間的轉移模式和轉移率，由故障判據(jù)判定系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，求得系統(tǒng)的可靠性指標。

2）模擬法

蒙特卡羅模擬方法是一種以概率統(tǒng)計理論為基礎的數(shù)值計算方法，該方法結合了故障樹的分析技術，是對系統(tǒng)進行可靠性預測分析的有效的途徑。由于它屬于統(tǒng)計的試驗方法，它的實現(xiàn)方式較為直觀，易于被工程技術人員掌握和理解，通常它可以預測到一些人們預料之外的事故，而且該方法的采樣次數(shù)與系統(tǒng)的規(guī)模無關，對于較為復雜的系統(tǒng)進行可靠性評估時具有更為優(yōu)越的特性。但其計算精度往往受到各種因素的限制。為獲得較高精度的可靠性指標，采用蒙特卡洛模擬法時極易出現(xiàn)模擬很長時間也采集不到所需系統(tǒng)狀態(tài)的情況。

2.2 配電網(wǎng)可靠性評估分析指標

Paladin DesignBase可靠性分析程序將電力系統(tǒng)的可靠性指標劃分三組，即負荷點指標、支路過負荷指標、和整個系統(tǒng)可靠性指標。

式中，Pj和fj分別為預想事故j發(fā)生的概率和頻率，Pkj為母線 k的負荷超出最大允許負荷的概率，Lkj為由于預想事故j而使母線k削減的負荷，Dj為由于預想事故 j導致切負荷而持續(xù)的時間， j∈LC表示所有導致切負荷的預想事故。

2）支路過負荷指標

支路過負荷指標是基于校正措施實施前的過負荷量來計算的，對每條支路，其過負荷指標計算如下。

式中，Plj為支路l的功率越限的概率；Olj為由于預想事故j導致的支路l的過負荷量；j∈OL為所有導致支路過負荷的預想事故。

3）系統(tǒng)可靠性指標

系統(tǒng)停電指標（Bulk Power Interruption Index,BPII）表示整個供電系統(tǒng)的負荷在一年內(nèi)的停電次數(shù)，計算如下：

式中，LS為系統(tǒng)的總負荷（MW）。

平均每次停電的損失負荷（MW）表示如下：

系統(tǒng)削減電量指標BPECI（Bulk Power Energy Curtailment Index）按下式計算：

程序還采用了一種修改的系統(tǒng)削減電量指標MBPECI（Modified Bulk Power Energy Curtailment Index），表示如下：

電力不足概率LOLP（The Loss of Load Probability）表示由于故障停運而引起供電能力不足造成用戶停電的概率，計算如下：

電力不足期望值 EPNS（Expected Power Not Supplied）表示由于供電不足而造成對用戶停電損失的期望值，計算如下：

電量不足期望值 EENS（Expected Energy Not Supplied）表示由于供電不足造成用戶減少用電量的期望值，計算如下：

3 Paladin DesignBase軟件建模與可靠性計算流程

3.1 構建系統(tǒng)網(wǎng)絡模型

Paladin DesignBase軟件在進行可靠性計算分析之前，首先需要構建一個圖形與數(shù)據(jù)結合的系統(tǒng)單線圖模型。利用單線圖繪制網(wǎng)絡，可以直接將工具欄上或者元件庫中的電力元件拖拽到繪圖區(qū)，元件連接處自動捕捉，到出現(xiàn)提示“Connect to Socket”證實連接完成，如圖2所示。

圖2 元件連接示意圖

網(wǎng)絡搭建完成后需要設置可靠性參數(shù)， Paladin DesignBase中的元件包括線路、電纜、電源、發(fā)電機、隔離開關、斷路器、變壓器和負載等。由于采用圖形化的數(shù)據(jù)編輯界面，故各元件輸入?yún)?shù)的方法大致相同。通過雙擊元件圖標會彈出元件數(shù)據(jù)輸入對話框，用戶需要提供故障率或者故障的平均時間，故障修復率或者平均修復時間，需要的可用率等基本參數(shù)。各參數(shù)輸入完成以后，點擊工具欄上的可靠性程序圖標“Analyze”按鈕來啟動可靠性評估仿真，仿真完成后程序會輸出計算報告。

3.2 可靠性計算流程

Paladin DesignBase可靠性分析程序采用狀態(tài)枚舉法評估配電系統(tǒng)的可靠性。對每種預想事故，程序通過潮流計算確定系統(tǒng)狀態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷并評估恢復措施的效果。其基本步驟如下。

1）輸入數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理。

2）對系統(tǒng)基本狀態(tài)進行仿真計算。

3）判斷基本狀態(tài)是否滿足可靠性條件，若不滿足則退出程序。

4）順序取出一條預想事故，并進行仿真計算。

5）若為發(fā)電機事故，則對其它機組進行重新組合和調(diào)度。

6）對當前系統(tǒng)進行潮流計算。

7）判斷系統(tǒng)狀態(tài)是否在允許范圍，若不在允許范圍，則采取恢復措施。

8）計算可靠性指標。

9）判斷預想事故是否已枚舉完畢，若未完畢，轉到步驟4）。

10）輸出結果。

4 應用算例分析

利用Paladin DesignBase可靠性計算程序，基于狀態(tài)枚舉法對一個雙電源供電的 10kV簡單輻射狀配電系統(tǒng)進行可靠性計算，并對結果進行分析總結。

4.1 配電網(wǎng)可靠性計算應用舉例

圖3所示為一雙電源供電的10kV簡單輻射狀配電系統(tǒng)[6]。假定保護裝置完全可靠，電源出口安裝斷路器，用戶負荷由供電干線經(jīng)變壓器和裝有熔斷器的分支線供電，該系統(tǒng)由1條主饋線，16條架空線路，30個節(jié)點，8個負荷點，8個熔斷器，以及8個用戶變壓器構成。

圖3 簡單輻射狀配電系統(tǒng)單線圖

元件可靠性參數(shù)可依據(jù)中國電力可靠性管理年報來確定。計算需用到的參數(shù)包括變壓器、斷路器、隔離開關、架空線等四類設備的4個基本參數(shù)：故障率、平均修復時間、計檢率、計檢平均時間。表1列出了系統(tǒng)中主要元件的可靠性原始參數(shù)[7]。設熔斷器 100%可靠熔斷，當任意線路元件發(fā)生故障停電或者發(fā)電機停運時，對配電系統(tǒng)進行可靠性分析計算。

表1 可靠性原始參數(shù)

4.2 運行結果分析

依據(jù)設備可靠性參數(shù)，通過可靠性分析程序的仿真計算，可得到該配電系統(tǒng)的詳盡的可靠性指標，結果如表2至表5所示，分別為干擾事件統(tǒng)計指標、系統(tǒng)可靠性指標、負荷點可靠性指標、和支路過負荷指標。

表2 干擾事件統(tǒng)計指標

表3 系統(tǒng)可靠性指標

表4 負荷點母線指標期望值

根據(jù)算例結果可知應用 Paladin DesignBase的配網(wǎng)可靠性分析程序可以很好的實現(xiàn)對電網(wǎng)的可靠性分析研究，不僅輸入?yún)?shù)和輸出結果直觀形象，而且輸出內(nèi)容豐富，包括了系統(tǒng)、負荷、支路三類可靠性指標，因此完全滿足對配電網(wǎng)可靠性分析的需要。表6列出了Paladin DesignBase與另一可靠性分析程序PSS/ADEPT對同一算例系統(tǒng)的對比結果，可知由該軟件得到的計算結果與其他軟件結果很接近[8]，且PA仿真計算的速度具有一定優(yōu)勢。

表5 支路過負荷指標

表6 不同可靠性分析軟件的結果對比

5 結論

本文將 Paladin DesignBase可靠性分析程序應用于中低壓配電網(wǎng)的可靠性分析中，簡要介紹了該軟件的系統(tǒng)模型構建、參數(shù)輸入及程序的計算流程，由于該程序考慮的因素和計算指標較為全面，數(shù)據(jù)庫功能完善，人機交互界面友好，并且計算速度快，結果精確。因此它完全滿足復雜的高壓配電網(wǎng)可靠性分析的需要，逐漸受到電氣設計人員的青睞。該軟件目前存在的不足之處主要是可靠性評估的計算時間將隨著偶發(fā)事件的增多而急劇增大，但用戶可以通過選擇和設定重疊停運的標準來減少偶發(fā)事件的數(shù)量。

[1] 朱金花，徐政. 基于PSS/ADEPT的配電網(wǎng)可靠性分析[J]. 電氣應用, 2006, 25(7): 49-52.

[2] 楊曉東，栗然. 配電網(wǎng)可靠性評估算法[J]. 電力環(huán)境保護, 2002, 18(4): 33-36.

[3] 李朝順. 電力系統(tǒng)可靠性評估方法的分析[J]. 電力勘測設計, 2009, 10(5): 53-57.

[4] BILLINTON R, BILLINTON J E. Distribution System Reliability Indices [J]. IEEE Trans on Power System,1989, 4(2): 470-490.

[5] 郭如春. 分布式發(fā)電對配電網(wǎng)的影響[D]. 天津：天津大學, 2010.

[6] 林家玲. 城市10kV配電網(wǎng)接線方式探討[J]. 廣東電力, 2009, 22(3): 80-83.

[7] 郭永基. 電力系統(tǒng)可靠性分析[M]. 北京：清華大學出版社, 2003.

[8] BILLINTON R, ALLAN R N. Reliability assessment of large electric power systems[M]. Kluwer Academic Publishers, 1988.

Reliability Evaluation and Analysis of Distribution System Based on Paladin DesignBase

Zhao Xujie1 Ji Xingquan1 Li Kejun2 Sun Ying2
(1. College of Electrical and Information Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510;2. College of Electrical Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061)

Distribution system reliability is analyzed based on Paladin DesignBase simulation platform in this paper. As a powerful and easy-to-use tool in comparison with the traditional power system analysis software, Paladin DesignBase not only can be used in power system static analysis, but also in dynamic simulation analysis. Firstly the main functions and features of Paladin DesignBase are presented. Then the basic steps of reliability analysis are illustrated, and the reliability indices given by Paladin DesignBase are listed. Finally, the reliability of an actual distribution system is calculated for illustrating the characteristics of Paladin DesignBase in such aspects as inputting of reliability parameters, computation of reliability indices and results outputting etc.

distribution network; Paladin DesignBase; reliability

趙緒杰（1987-），男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)配電網(wǎng)仿真。