萬凌云，王宏剛，王　艷，張　盈，楊群英，朱光友

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司 電力科學研究院，重慶 401123；2.國家電網(wǎng)公司，北京 100031；3.重慶師范大學，重慶 401331；4.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400014；5. 國網(wǎng)重慶市電力公司 璧山供電分公司，重慶 400030)

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基于我國配電網(wǎng)現(xiàn)狀的供電可靠性評估模型與方法研究及應用

萬凌云1，王宏剛2，王艷3，張盈1，楊群英4，朱光友5

(1.國網(wǎng)重慶市電力公司 電力科學研究院，重慶 401123；2.國家電網(wǎng)公司，北京 100031；3.重慶師范大學，重慶 401331；4.國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400014；5. 國網(wǎng)重慶市電力公司 璧山供電分公司，重慶 400030)

立足于我國配電網(wǎng)及供電可靠性管理實際，針對目前可靠性評估普遍存在的問題，成體系地提出了一套可靠性評估模型和方法，顯著提高了計算模型的準確性和靈活性。同時全面分析了影響指標計算結(jié)果的各種因素，且提出了科學合理的處理方法。通過理論算例與全國5個地區(qū)的工程試點應用情況，驗證了評估模型和方法的科學性、適應性和可操作性，表明其具有很好的工程應用推廣價值。

中壓配電網(wǎng)；配電網(wǎng)模型；設施停運模型；可靠性評估方法

供電系統(tǒng)可靠性評估能夠有效指導供電系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、建設、改造、運行及管理，從根本上改善系統(tǒng)的供電可靠性，提高電網(wǎng)投資效益。國內(nèi)外越來越多的供電企業(yè)正在開展或計劃開展此項工作。

由于目前國內(nèi)外還沒有一套通用的供電系統(tǒng)可靠性評估技術(shù)標準可循，各評估主體(供電企業(yè)、高等院校、研究機構(gòu)、科技公司)在開展可靠性評估時采用的模型、方法和指標體系并不統(tǒng)一，假設條件和簡化處理手段也不相同[1-7]，各種可靠性評估軟件良莠不齊，必然給供電系統(tǒng)可靠性評估工作的推廣應用帶來障礙。

就目前國內(nèi)的情況而言，中壓配電網(wǎng)可靠性評估存在以下幾個方面的主要問題：1)無法考慮預安排停電的影響，或考慮預安排停電影響的計算模型與實際出入較大；2)未對各種常用的開關(guān)設備進行功能細分，建立的開關(guān)設備模型無法準確模擬斷路器、負荷開關(guān)、熔斷器等設施對停電過程的不同影響；3)對停電及恢復過程過度簡化，不能準確反映實際停電過程；4)對各種影響指標計算結(jié)果的因素未能全面考慮，或者假設簡化得不合理；5)可靠性評估與供電可靠性統(tǒng)計評價存在一定程度的脫節(jié)，未充分利用供電可靠性統(tǒng)計評價有關(guān)成果。

為此，本文結(jié)合我國實際，提出了一套中壓配電網(wǎng)供電可靠性評估模型和方法，能夠準確、靈活地計算中壓配電網(wǎng)的供電可靠性指標，計及和分析各種因素對供電可靠性的影響，為供電系統(tǒng)可靠性評估工作在我國推廣應用起到積極的促進作用。

1　我國中壓配電網(wǎng)及供電可靠性管理現(xiàn)狀

我國中壓配電網(wǎng)可分為電纜網(wǎng)、架空線網(wǎng)和電纜-架空線混合網(wǎng)，常用的主要配電設備有母線、架空線路、電纜線路、環(huán)網(wǎng)柜、電纜分支箱、斷路器、隔離開關(guān)、小車開關(guān)、負荷開關(guān)、熔斷器、配電變壓器等。部分中壓配電網(wǎng)，特別是城市配電網(wǎng)實現(xiàn)了配電自動化。在我國絕大部分地區(qū)，預安排停電是影響供電可靠性的主要因素。

從20世紀80年代初由原水利電力部制定并頒發(fā)《配電系統(tǒng)供電可靠性統(tǒng)計方法(試行)》開始[3]，我國開展了約30年的供電可靠性統(tǒng)計與評價工作。在此期間，我國供電可靠性管理工作得到長足發(fā)展，可靠性管理已經(jīng)成為企業(yè)管理的主要組成部分和有效手段。廣大供電企業(yè)通過對供電可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行深度分析，挖掘出大量設備、管理、人員等方面的問題，促進了我國供電可靠性管理水平和供電可靠率的提升，但同時也暴露出事后統(tǒng)計評價難以從根本上提高供電可靠性的弊端。

2　停電及恢復供電過程

2.1故障停電及恢復供電過程

如圖1所示，故障點所在線段的恢復供電時間為故障修復時間，故障點所在線段上游的恢復供電時間為故障點上游恢復供電時間，其下游的恢復供電時間為故障停電轉(zhuǎn)供時間。

圖1　故障停電示意圖

2.2預安排停電及恢復供電過程

如圖2所示，預安排停電線段的恢復供電時間為預安排停電持續(xù)時間，預安排停電線段上游的恢復供電時間為預安排停電線段上游恢復供電時間，其下游的恢復供電時間為預安排停電轉(zhuǎn)供時間。

圖2　預安排停電示意圖

3可靠性評估指標體系

常用的負荷點指標有負荷點停電率(λLP，次/年)、負荷點停電時間(uLP，h/年)、負荷點供電可靠率(ASAI-LP，%)、負荷點缺供電量(ENS-LP，kW·h/年)[6]。系統(tǒng)指標有系統(tǒng)平均停電頻率(SAIFI，次/(戶·年))、系統(tǒng)平均停電時間(SAIDI，h/(戶·年))、平均供電可靠率(ASAI，%)、系統(tǒng)缺供電量(ENS，kW·h)、系統(tǒng)平均缺供電量(AENS， kW·h/(戶·年))。

4　計算模型

4.1配電網(wǎng)模型

配電設備是配電網(wǎng)供電可靠性評估分析的基本單位。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會可靠性中心頒布的《電力可靠性管理代碼》，供電系統(tǒng)用戶供電可靠性停電配電設備分為架空線路、電纜線路、柱上設備、戶外配電變壓器臺、箱式配電站、土建配電站等9大類[8]。為了充分利用積累的大量供電可靠性評價統(tǒng)計歷史數(shù)據(jù)，結(jié)合《供電系統(tǒng)用戶供電可靠性工作指南》中的“配電設備對設備故障停電率指標的影響關(guān)系表”[9]建立主要配電設備的模型，進而構(gòu)建配電網(wǎng)模型。各類設備模型建立方法如下所示。

1)架空線路導線本體及其附屬設備故障均影響架空線路故障停電率計算。因此，將架空線路導線本體及其附屬設備歸并到架空線路模型中。電纜線路作類似處理。

2)柱上設備中的避雷器、防鳥裝置、高壓電容器、高壓計量箱、電壓互感器等不屬于主要電氣連接設備，且對網(wǎng)絡主體拓撲結(jié)構(gòu)無影響，可忽略。柱上斷路器、柱上負荷開關(guān)、高壓熔斷器、柱上隔離開關(guān)4類設備串聯(lián)于網(wǎng)絡中，且直接影響網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)和停電情況。因此，在網(wǎng)絡模型中予以保留。

3)戶外配電變壓器臺中的變壓器臺架、高壓引線、低壓配電設施、避雷器故障不影響變壓器故障停電率計算。因此，對其進行忽略處理，只保留變壓器模型。

4)箱式配電站保留其中的斷路器、負荷開關(guān)、熔斷器和變壓器模型，忽略站內(nèi)公用設備、箱(墻)體、基礎(chǔ)和變壓器低壓配電設施。

5)土建配電站保留其中的斷路器、負荷開關(guān)、熔斷器、隔離開關(guān)和變壓器模型。忽略站內(nèi)公用設備、箱(墻)體、基礎(chǔ)和變壓器低壓配電設施。

6)開關(guān)站保留其中的斷路器、負荷開關(guān)、熔斷器、隔離開關(guān)。忽略(柜)內(nèi)公用設備、箱(墻)體、基礎(chǔ)。環(huán)網(wǎng)柜作類似處理。

7)忽略用戶設備及不明設備。

此外，為了反映上級電網(wǎng)對中壓配電網(wǎng)供電可靠性的影響，還需增加變電站10(6、20) kV母線模型。

建立的配電網(wǎng)模型包含變電站10(6、20) kV母線、架空線路、電纜線路、配電變壓器、斷路器、負荷開關(guān)、隔離開關(guān)和熔斷器等設施模型及其連接關(guān)系。

4.2設施停運模型

設施停運模型主要分為獨立停運模型和相關(guān)停運模型。考慮到中壓配電網(wǎng)可靠性評估的計算復雜性，以及可靠性參數(shù)的獲取難度問題，通常不采用相關(guān)停運模型。同時，由于我國目前預安排停電所占比重非常大，所以必須考慮預安排停電的影響。因此，在可靠性評估中宜采用三狀態(tài)模型[1]。

4.3計算參數(shù)

4.3.1基礎(chǔ)參數(shù)

基礎(chǔ)參數(shù)包括網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)、配電線路基礎(chǔ)參數(shù)、配電變壓器基礎(chǔ)參數(shù)和負荷點參數(shù)。

1)拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)：包括變電站10(6、20) kV母線、架空線路、電纜線路、配電變壓器、斷路器、負荷開關(guān)、隔離開關(guān)和熔斷器等設施模型之間的拓撲關(guān)系。

2)配電線路基礎(chǔ)參數(shù)：線路類型、長度、型號。

3)配電變壓器基礎(chǔ)參數(shù)：變壓器型號、額定容量。

4)負荷點參數(shù)：負荷容量、用戶數(shù)、重要級別。當無法提供實際負荷容量時，可提供裝見容量；對于規(guī)劃電網(wǎng)，可根據(jù)負荷點預測容量和配電變壓器平均容量估算用戶數(shù)。

4.3.2可靠性參數(shù)

1)故障停電相關(guān)參數(shù)涉及以下幾個方面。

①變電站10(6、20) kV母線：(等效)故障停運率、(等效)平均故障修復時間。

②架空線路、電纜線路：故障停運率、平均故障修復時間。

③隔離開關(guān)(刀閘)：故障停運率、平均故障修復時間、平均故障定位隔離時間。

④斷路器、熔斷器：故障停運率、平均故障修復時間、平均故障點上游恢復供電操作時間。

⑤負荷開關(guān)、配電變壓器：故障停運率、平均故障修復時間。

⑥聯(lián)絡開關(guān)：平均故障停電聯(lián)絡開關(guān)切換時間。

2)預安排停電相關(guān)參數(shù)涉及以下幾個方面。

①變電站10(6、20) kV母線：(等效)預安排停運率、(等效)平均預安排停運持續(xù)時間。

②架空線路、電纜線路：預安排停運率、平均預安排停運持續(xù)時間(預安排停電平均持續(xù)時間)。

③隔離開關(guān)(刀閘)：平均預安排停電隔離時間。

④斷路器、負荷開關(guān)、熔斷器：平均預安排停電線段上游恢復供電操作時間。

⑤聯(lián)絡開關(guān)：平均預安排停電聯(lián)絡開關(guān)切換時間。

4.3.3參數(shù)有關(guān)說明

1)變電站10(6、20) kV母線(等效)故障停運率除應計及變電站10(6、20) kV母線本身故障外，還應計及由于上級電網(wǎng)(含變電站)故障造成的變電站10(6、20) kV母線失電。變電站10(6、20) kV母線的其他等效可靠性參數(shù)類似處理。

2)當配電變壓器故障時，其高壓側(cè)熔斷器即刻熔斷從而隔離故障，隔離時間可忽略不計，因此，不考慮將“平均故障定位隔離時間”作為熔斷器的可靠性參數(shù)。同理，當帶負荷拉開分支線首端的熔斷器，進而對分支線進行檢修時，隔離時間可忽略不計，因此，不考慮將“平均預安排停電隔離時間”作為熔斷器的可靠性參數(shù)。在規(guī)定容量下，熔斷器可帶負荷合閘，因此，熔斷器的可靠性參數(shù)應包含平均故障點上游恢復供電操作時間。

3)聯(lián)絡開關(guān)一般處于常開狀態(tài)，在轉(zhuǎn)供負荷時才進行操作。由于不考慮二階事件，故假設聯(lián)絡開關(guān)完全可靠，因此，無故障停運率等參數(shù)。

4)由于大量的工程停電與設備狀態(tài)無關(guān)，而檢修停電通常會對多個設備進行處理，故不宜給出每類設備的預安排停運率。同時，預安排停電通常以一個線段為界，因此，簡單地考慮線段預安排停運。

5　可靠性評估方法

5.1復雜配電網(wǎng)可靠性評估方法

中壓配電網(wǎng)可靠性評估方法有特卡羅模擬法、故障模式后果分析法、最小路法、馬爾可夫法等[2]。復雜配電網(wǎng)可靠性評估計算宜采用故障模式后果分析法或最小路法。在實際應用中，為提高計算效率，對兩種方法進行適當改進。

5.2有關(guān)因素影響的計及方法

1)負荷取值方法。根據(jù)目的及應用場合的不同，可基于最大負荷、最小負荷、平均負荷、某一特定負荷或負荷曲線進行可靠性評估。

2)設施容量約束。通過潮流計算或負荷分配進行容量校核，主要考慮轉(zhuǎn)供時線路容量約束。

3)負荷轉(zhuǎn)供方式。在轉(zhuǎn)供負荷時，應根據(jù)負荷點的重要程度、負荷容量以及用戶數(shù)綜合考慮轉(zhuǎn)供的優(yōu)先次序，一般首先轉(zhuǎn)供重要用戶。

4)配電自動化影響。配電自動化可減小故障定位隔離時間、故障停電聯(lián)絡開關(guān)切換時間、故障段上游恢復供電操作時間等。

5)上級電網(wǎng)影響?？蓪⑸霞夒娋W(wǎng)的影響等效到變電站10(6、20) kV母線進行考慮。

6　理論算例分析

對圖3所示的配電網(wǎng)進行可靠性評估。在算例網(wǎng)絡中，備用電源容量為1 500 kW，架空線路型號為LGJ-240，電纜線路型號為YJV-300，配電變壓器型號為S9，負荷點按重要程度從重要到次要排序為e、d、c、d、a，其余參數(shù)見表1和表2。在可靠性評估計算時，不考慮上級電網(wǎng)的影響以及與斷路器(負荷開關(guān))緊鄰的兩側(cè)隔離開關(guān)故障的影響。如圖3所示，各負荷點連接的配電變壓器分別以Ta、Tb、Tc、Td、Te表示，熔斷器分別以Fa、Fb、Fc、Fd、Fe以及F5表示。

應用本文提出的評估模型及方法進行可靠性評估計算，計算結(jié)果見表3、表4。

圖3　算例網(wǎng)絡圖

設施LλTNW設施LλTNW供電干線0-10.50.32斷路器0.2531-220.15負荷開關(guān)0.22.52-330.15隔離開關(guān)0.252.53-430.32熔斷器0.224-510.32變壓器0.3545-620.32負荷點a18006-720.32負荷點b12005-810.32負荷點c150分支線2-a10.15負荷點d11004-b1.50.32負荷點e13158-c1.50.328-d0.50.326-e10.32

注：L為線路長度，km；λ為設施故障停電率，次/(百公里·年)或次/(百臺·年)；T為平均故障修復時間，h；N為用戶數(shù)，戶；W為負荷容量，kW。

表2　算例網(wǎng)絡數(shù)據(jù)2

表3　負荷點可靠性指標

表4　系統(tǒng)可靠性指標

7　工程應用

為驗證模型及方法的科學性、適應性和可操作性，選取了市中心(A+類：負荷密度σ≥30 MW/km2，實現(xiàn)配電自動化)、市區(qū)(A類：15≤σ<30(MW/km2)，實現(xiàn)配電自動化；B類：6≤σ<15 (MW/km2))、城鎮(zhèn)(C類：1≤σ<6(MW/km2))4類供電區(qū)域，共5個地區(qū)進行試點應用。應用結(jié)果如表5所示。

表5　試點區(qū)域可靠性評估情況一覽

8　結(jié)論

本文立足我國實際，針對目前中壓配電網(wǎng)可靠性評估普遍存在的問題，提出了一套可靠性評估模型和方法，其創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

1)在供電可靠性統(tǒng)計評價有關(guān)成果基礎(chǔ)上，提出了“配電網(wǎng)模型”的概念及其構(gòu)建方法。

2)結(jié)合我國中壓配電網(wǎng)運行管理實際，提出了按照“線段預安排停運”模式計算預安排停電的影響，進一步縮小了理論模型與實際的差距。

3)結(jié)合停電及恢復過程分析結(jié)果，完善了評估計算模型，提出了預安排停電線段上游恢復供電操作時間參數(shù)和故障點上游恢復供電操作時間參數(shù)兩個新的計算參數(shù)，增加了可靠性評估的靈活性，評估結(jié)果更為準確。

同時，還全面分析了影響指標計算結(jié)果的各種因素，并明確提出了科學合理的處理方法。

通過理論計算和工程試點應用，驗證了本文所提出模型及方法的科學性、適應性和可操作性。

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A Study on the Reliability Evaluation Model of Power Supply，Relevant Appraisal Methods and Their Application Based on the Current Situation of Distribution Networks in China

WAN Lingyun1，WANG Honggang2，WANG Yan3，ZHANG Ying1，YANG Qunying4，ZHU Guangyou5

(1．Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 401123，P.R.China；2. State Grid Corporation of China，Beijing 100031，P.R.China；3．Chongqing Normal University，Chongqing 401331，P.R.China；4．State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 400014，P.R.China；5. Bishan Power Supply Branch of Chongqing Electric Power Company of SGCC，Chongqing 400030，P.R.China)

Based on the reliability management of the distribution networks and power supply in China，in order to solve the problems in the reliability evaluation，this paper introduces a systematic set of reliability evaluation model and relevant appraisal methods which can remarkably improve the accuracy and flexibility of the computation model．In addition，it analyzes the factors influencing the results of the index calculation as well as presenting scientific and reasonable solutions．The theoretical calculation examples and trial application in projects in five regions in China have verified that the model and the appraisal methods are scientific，adaptable and operable，with great applied and promotional values in engineering．

medium-voltage distribution network；model of distribution network；model of facility outage；method of reliability evaluation

2016-04-29

萬凌云(1983-)，高級工程師，研究方向為電力可靠性及配電網(wǎng)技術(shù)。

TM732

A

1008- 8032(2016)04- 0039- 06