陳鑫，耿曉超

（國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京100073）

變電站主接線可靠性分析與評(píng)估

陳鑫，耿曉超

（國網(wǎng)冀北電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京100073）

變電站是電力系統(tǒng)的樞紐，其主接線是電力能源傳輸?shù)耐ǖ?，直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行。因此，提出一種適合于衡量變電站主接線可靠性的評(píng)估方法是十分必要的。變電站主接線的可靠性不應(yīng)只考慮變電站的容量，而應(yīng)當(dāng)從其對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的影響整體考慮。論文從整個(gè)電網(wǎng)的可靠性出發(fā)，在考慮變電站容量的同時(shí)，綜合考慮主接線故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，對(duì)變電站主接線的可靠性評(píng)估工作有一定的參考意義。

變電站;主接線;可靠性;評(píng)估

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.016

1 引言

變電站主接線是電力系統(tǒng)能源輸送的主要通道，擔(dān)負(fù)著能源輸送的重要任務(wù)。變電站的主接線一方面要能滿足當(dāng)?shù)仉娔芟牡男枨?，另一方面必須保障電網(wǎng)的暢通和穩(wěn)定。在電能作為主要能源的今天，變電站主接線的地位變得更加重要，其可靠性評(píng)估的意義也越來越重大。在變電站主接線的可靠性評(píng)估工作中，容量和電壓等級(jí)相同，但所處電網(wǎng)位置不同,使其可靠性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不同；另外，同一變電站的主接線接入電網(wǎng)的位置不同時(shí)，對(duì)電網(wǎng)的影響程度也是不同的。因此,本文結(jié)合主接線所處電網(wǎng)位置的影響，并綜合考慮變電站的傳輸容量，線路數(shù)量，主接線方式等相關(guān)因素，把主接線和整個(gè)電網(wǎng)的結(jié)合起來，把可靠性進(jìn)行成本計(jì)算進(jìn)行整體評(píng)估。

2 變電站主接線可靠性評(píng)估相關(guān)模型和標(biāo)準(zhǔn)

2.1 變電站主接線可靠性評(píng)估的相關(guān)模型

根據(jù)功能以及故障狀態(tài)劃分，變電站主接線設(shè)備可劃分為三狀態(tài)模型、四狀態(tài)模型和五狀態(tài)模型3種[1]。

2.1.1 三狀態(tài)模型

變電站主接線中的設(shè)備主要有發(fā)電機(jī)組、主變壓器、輸電線路、不存在道閘的母線、無功補(bǔ)償設(shè)備等。其狀態(tài)模型如圖1所示，N為運(yùn)行正常狀態(tài)；R為故障停止及排除狀態(tài)；M為設(shè)備檢修狀態(tài)。λR是故障頻率；λM是正常檢修頻率；μR是故障恢復(fù)的時(shí)間的倒數(shù)，為故障停車狀態(tài)轉(zhuǎn)移到正常運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率；μM為正常檢修的恢復(fù)率。

圖1 三狀態(tài)模型

2.1.2 四狀態(tài)模型

斷路器的故障模型為四狀態(tài)模型（見圖2）。N是運(yùn)行正常狀態(tài)，M是設(shè)備檢修狀態(tài)；R是修復(fù)狀態(tài)；S是重故障狀態(tài)。

圖2 四狀態(tài)模型

2.1.3 五狀態(tài)模型

斷路器的響應(yīng)反映了繼電保護(hù)的動(dòng)作，繼電保護(hù)命令由斷路器執(zhí)行。繼電保護(hù)失效的表現(xiàn)為誤動(dòng)作和不動(dòng)作2種。繼電保護(hù)產(chǎn)生誤動(dòng)作，根據(jù)可能造成的后果可以將其劃分到重故障S中。當(dāng)繼電保護(hù)不動(dòng)作時(shí)，會(huì)引發(fā)后備動(dòng)作，造成上級(jí)保護(hù)動(dòng)作，從而將故障范圍繼續(xù)擴(kuò)大，造成的影響超過S級(jí)，因此單獨(dú)劃分為F級(jí)(見圖3)。

圖3 五狀態(tài)模型

2.2 可靠性和經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 變電站電能不足期望EENS

變電站電能不足期望表示在一定時(shí)間，由于設(shè)備故障導(dǎo)致的電站未能提供的電能期望值，表現(xiàn)出變電站的電能供應(yīng)情況。該數(shù)值越高，表示變電站的能量供應(yīng)情況越差。其表達(dá)式為:

式中，ci是第i次情況時(shí)的電能量值,MW；pi第i次情況發(fā)生的概率；c0是變電站輸送的總電能,MW。EENS以102GW·h為單位。

2.2.2 變電站設(shè)備故障導(dǎo)致電網(wǎng)電能損失期望值EESS

該值表現(xiàn)了變電站對(duì)電網(wǎng)的影響程度。EERS越大,表示變電站故障的容納能力越差，對(duì)電網(wǎng)的影響越大。其表達(dá)式為：

式中，cs為第i次故障導(dǎo)致電網(wǎng)損失的電能量，MW；pi為第i種故障的概率。EESS以102GW·h為單位。

2.2.3 變電站設(shè)備故障造成電網(wǎng)能量的轉(zhuǎn)移的期望EERS

該值表現(xiàn)了電網(wǎng)對(duì)該變電站故障的容錯(cuò)程度。EERS越大，表示電網(wǎng)對(duì)該變電站的容錯(cuò)能力越高。其表達(dá)式為：

式中，cRi為第i次故障導(dǎo)致電網(wǎng)轉(zhuǎn)移的電能量，MW；pi為第i種故障的概率。EERS以102GW·h為單位。

2.2.4 變電站能量受阻率LOGP

該值表示變電站發(fā)生故障導(dǎo)致電能輸送受阻的概率的和。其數(shù)值越高，代表電能受阻的概率越大，系統(tǒng)可靠性越差。其表達(dá)式為：

2.2.5 變電站主接線對(duì)電網(wǎng)電量損失的影響程度YI。

該值表現(xiàn)了變電站主接線影響電網(wǎng)的能力。其表達(dá)式為:

式中,x為主接線設(shè)備的故障狀態(tài)；X為主接線故障狀態(tài)的集合；Yx和Sx分別為x狀態(tài)下變電站和電網(wǎng)損失的有功能量。

2.2.6 變電站主接線對(duì)電網(wǎng)電量轉(zhuǎn)移的影響程度YR

該值表現(xiàn)了電網(wǎng)對(duì)變電站的容錯(cuò)能力。其表達(dá)式為：式中，x為主接線設(shè)備的故障狀態(tài)，X為主接線故障狀態(tài)的集合；Yx和Rx分別為x狀態(tài)下變電站和電網(wǎng)轉(zhuǎn)移的有功能量。

2.2.7 變電站投資和可靠性的經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)U

該值為變電站總投資和故障損失的總和。其數(shù)值越大，表示該變電站的經(jīng)濟(jì)綜合標(biāo)準(zhǔn)越差。

3 變電站主接線可靠性評(píng)估

對(duì)變電站可靠性進(jìn)行評(píng)估，首先應(yīng)當(dāng)將電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)根據(jù)電氣位置分類，分辨出被評(píng)估電站所處的節(jié)點(diǎn)類型，然后再根據(jù)實(shí)際情況，采用變電站重載狀態(tài)分析法判斷該變電站電能輸送的最大工作狀態(tài)，然后進(jìn)行計(jì)算。一方面在對(duì)相關(guān)線路故障進(jìn)行枚舉的計(jì)算時(shí)，要對(duì)電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行分析，計(jì)算出枚舉對(duì)應(yīng)的變電站損失的負(fù)荷、電網(wǎng)損失的負(fù)荷、電網(wǎng)過載情況、電網(wǎng)解列和電壓過低的情況；另外，在系統(tǒng)中輸入主接線的編號(hào)、線路數(shù)、運(yùn)行形式等數(shù)據(jù)，從而計(jì)算出枚舉時(shí)相應(yīng)的概率和頻率；然后應(yīng)用相關(guān)算法計(jì)算出電網(wǎng)線路的最優(yōu)分配方法，對(duì)相應(yīng)線路進(jìn)行分配，得出可靠性指標(biāo)；最終根據(jù)可靠性指標(biāo)，計(jì)算出變電站的綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。評(píng)估的整體流程如圖4所示。

圖4 變電站主接線可靠性評(píng)估流程圖

3.1 變電站運(yùn)行的重載狀態(tài)判斷方法

對(duì)變電站重載狀態(tài)進(jìn)行分析，首先要對(duì)變電站所處電網(wǎng)位置的節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行分析，判斷其是關(guān)節(jié)點(diǎn)、邊界節(jié)點(diǎn)還是一般節(jié)點(diǎn)，對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對(duì)應(yīng)編號(hào)后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行相應(yīng)處理。當(dāng)變電站為關(guān)節(jié)點(diǎn)和邊界節(jié)點(diǎn)時(shí)，可直接進(jìn)入下一步運(yùn)算中，而當(dāng)變電站為一般節(jié)點(diǎn)時(shí)，則應(yīng)搜索和該節(jié)點(diǎn)在相同工作面的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，對(duì)線路元器件儲(chǔ)存并執(zhí)行故障枚舉，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析、記錄。然后進(jìn)入下一運(yùn)算步驟。

3.2 分析電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的方法

電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的分析過程中，有可能出現(xiàn)給定條件不能滿足的情況，此時(shí)則要進(jìn)行校正，使電網(wǎng)的運(yùn)行重新恢復(fù)正常，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷不平衡或有過載情況發(fā)生，則應(yīng)對(duì)電能的輸入或輸出進(jìn)行調(diào)整。綜合分析電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)的方法如圖5所示。

圖5 電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分析流程圖

3.3 變電站主接線可靠性分析計(jì)算

對(duì)變電站主接線進(jìn)行可靠性分析計(jì)算時(shí)，首先要根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和可靠性數(shù)據(jù)，進(jìn)行設(shè)備可靠性相關(guān)模型參數(shù)計(jì)算，同時(shí)計(jì)算出主接線所有設(shè)備的進(jìn)出線點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最小路集，然后執(zhí)行對(duì)設(shè)備故障的枚舉，針對(duì)枚舉的事件狀態(tài)，建立故障向量，并進(jìn)行運(yùn)算分析，判斷進(jìn)站點(diǎn)和出站點(diǎn)是否存在中斷，當(dāng)有中斷產(chǎn)生時(shí)，則用備用設(shè)備自動(dòng)替換故障設(shè)備，并記錄故障的概率和頻率。最終將枚舉得出的可靠性數(shù)據(jù)合并，計(jì)算分析所有情況下中斷事件的概率和頻率[2]。變電站主接線可靠性分析計(jì)算的流程如圖6所示。

圖6 變電站主接線可靠性分析

3.4 變電站進(jìn)出站點(diǎn)和連接線路的最優(yōu)化分配

進(jìn)行最優(yōu)化分配，一方面要統(tǒng)計(jì)執(zhí)行故障枚舉過程中主接線連接線路的中斷容量信息，另外統(tǒng)計(jì)相應(yīng)事件的累積概率，然后使二者乘積的和最小，從而計(jì)算出最優(yōu)的分配模式。

3.5 變電站主接線經(jīng)濟(jì)性評(píng)估

變電站主接線和電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)成本緊密相連，本文把變電站主接線的可靠性分析最終轉(zhuǎn)換為經(jīng)濟(jì)性分析，提出年度總成本，其最終結(jié)果應(yīng)當(dāng)包括變電站設(shè)備的投資和運(yùn)行維護(hù)的總費(fèi)用，還應(yīng)包括電能量損失的年度總和對(duì)應(yīng)的成本數(shù)[3]。其運(yùn)算模型為：

式中，U為年度總成本；C為設(shè)備投資和運(yùn)營成本；E為電能量損失的年度總值。

3.6 案例分析

應(yīng)用文中的評(píng)估方法對(duì)某變電站進(jìn)行評(píng)估分析，并根據(jù)評(píng)估結(jié)果對(duì)變電站進(jìn)行了優(yōu)化分配。優(yōu)化前的年度EENS和年度總成本U分別為4.4 652×102GW·h和0.28 536×104萬元，而優(yōu)化后的 EENS和 U分別為3.28 106×102GW·h和0.21 468×104萬元。優(yōu)化后的成本比優(yōu)化前減少了超過20%?？梢?，優(yōu)化后的效果非常明顯，文中的評(píng)估方法的實(shí)際應(yīng)用效果是比較明顯的。

4 結(jié)論

本文將變電站成本計(jì)算運(yùn)用到主接線的可靠性評(píng)估中，將可靠性問題最終歸結(jié)為成本體現(xiàn)。提高變電站主接線運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，必然會(huì)降低變電站運(yùn)行的成本，同時(shí)線路方案的優(yōu)化對(duì)提高主接線可靠性和降低電網(wǎng)運(yùn)行成本有著很大的實(shí)際意義。但是，本文的方案也存在著一些不足，有些問題考慮的可能還不夠全面，還需要在今后的工作中不斷完善。

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

【2】萬國成,任震,吳日昇，等.混合法在復(fù)雜配電網(wǎng)可靠性評(píng)估中的應(yīng)用[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004,24(9):92-89.

【3】謝瑩華,王成山,葛少云，等.城市配電網(wǎng)接線模式經(jīng)濟(jì)性和可靠性分析[J].電力設(shè)備自動(dòng)化設(shè)備,2005,25(7):12-17.

Analysis and Evaluation of the Reliability of Substation Main Wiring

CHEN Xin,GENG Xiao-chao
（StateGridJibeiElectricEconomic ResearchInstitute，Beijing 100073，China）

The substation is the hub of the electricpower system, itsmainwiring is electric energytransmission channel, directly affects thenormal operation of electric power system. Therefore, a suitable measure of substation reliability evaluation method is very necessary. Thereliability of substation main wiring should not only consider the substation capacity, but should from its impact on the entire power gridconsidering thewhole.Based on the reliability of thewhole power grid, considering the substation capacity at the same time, considering theimpact of themain wiring fault of the system, have certain reference significance for the reliability assessment of the transformer substationmainwiring.

substation;mainconnection;reliability;evaluation

TU271.9

A

1007-9467（2016）09-0068-04

2016-04-1

陳鑫（(1984～），男，北京人，工程師，從事交流變電站建設(shè)管理研究，（電子信箱）cxsgcc@163.com。