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        基于可靠性準(zhǔn)則的斷路器組備用策略研究

        2016-12-31 00:00:00鄧世聰陳法池
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2016年10期

        摘 要:針對南方某電網(wǎng)500kV變電站和220kV變電站內(nèi),電壓等級為220kV的斷路器構(gòu)成的斷路器設(shè)備組進(jìn)行共享公共備用的策略分析。首先考慮設(shè)備組內(nèi)每臺斷路器的可修復(fù)失效和老化失效,算出各個(gè)斷路器總的不可用率,然后采用狀態(tài)枚舉法對斷路器組進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,確定各階設(shè)備故障對應(yīng)的累計(jì)失效概率,最后基于設(shè)備組可靠性要求給定一個(gè)系統(tǒng)失效判定準(zhǔn)則,確定在未來規(guī)劃年限10年內(nèi)所需備用斷路器的數(shù)量及就位時(shí)間。

        關(guān)鍵詞:可靠性準(zhǔn)則;斷路器組;備用策略

        1 概述

        復(fù)雜的備用分析長期以來都是電力公司設(shè)備規(guī)劃中的一大難題,至今,大多數(shù)電力公司還是依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定輸變電設(shè)備的備品數(shù)量。電力設(shè)備備用需求來自幾個(gè)方面的原因[1-2]:(1)電力設(shè)備的可修復(fù)失效常常需要較長的修復(fù)時(shí)間。如果因?yàn)槿狈溆枚率瓜到y(tǒng)充裕度不足的話,系統(tǒng)可能會長時(shí)間失去大量負(fù)荷而遭受嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失;(2)設(shè)備老化是電力公司多年來關(guān)心的主要問題,老化了的設(shè)備其失效概率更高,因此更需要備用;(3)在電力工業(yè)的競爭環(huán)境下,由設(shè)備組共享公共備用的策略越來越流行。

        斷路器在電力系統(tǒng)中起到保護(hù)、控制等作用,一旦發(fā)生事故,可能會引起較大范圍內(nèi)的停電事故,給電網(wǎng)公司和用電客戶造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[3][5]。備用斷路器在必要時(shí)能及時(shí)安裝以替換失效設(shè)備,盡可能快地恢復(fù)供電,從而有效減少經(jīng)濟(jì)損失。采用共享斷路器備用的策略能夠在保證足夠的系統(tǒng)可靠性的水平下減少相當(dāng)多的投資費(fèi)用[2][6]。

        文章基于設(shè)備組可靠性準(zhǔn)則,應(yīng)用共享設(shè)備組策略,結(jié)合南方某電網(wǎng)的實(shí)際情況,確定在未來規(guī)劃10年的時(shí)間區(qū)間內(nèi),需要多少臺備用斷路器,并且確定每臺備用斷路器在何時(shí)就位或投入。

        2 斷路器的不可用率

        電力設(shè)備有兩種失效模式:可修復(fù)失效和老化失效[1],斷路器也不例外。在許多風(fēng)險(xiǎn)評估分析中,往往只考慮了斷路器的可修復(fù)失效引起的不可用率,這是不全面的。老化失效也是備用需求的原因之一,特別是對于運(yùn)行時(shí)間較長的斷路器來說更是如此。文章同時(shí)考慮老化失效和可修復(fù)失效,計(jì)算斷路器的綜合不可用率用以進(jìn)行備用分析。

        2.1 可修復(fù)失效引起的不可用率

        1臺斷路器的可修復(fù)失效引起的不可用率可定義為[2]:

        (1)

        式中:MTTR是斷路器的平均修復(fù)時(shí)間,單位是小時(shí);MTTF是斷路器失效前平均時(shí)間,單位為小時(shí);fy是斷路器平均失效頻率,單位為失效次數(shù)/年。

        2.2 老化失效引起的不可用率

        老化失效指壽命終止失效,是一種不可恢復(fù)的失效模式。一個(gè)元件一旦發(fā)生老化失效就意味著不能再重新使用了,因此,老化失效沒有修復(fù)時(shí)間這一參數(shù),不能用(1)式來計(jì)算[1]。

        斷路器的老化失效可以用正態(tài)分布來模擬,發(fā)生老化失效的概率可定義[1]為:

        (k=1,2,…,N)(2)

        式中:μ和σ分別是正態(tài)分布的均值和標(biāo)準(zhǔn)差。其中,均值表征的是該類設(shè)備的平均壽命,而標(biāo)準(zhǔn)差表征的是平均壽命估計(jì)中的誤差;(2)式中的函數(shù)Q可利用(3)式近似計(jì)算:

        其中,Ua表示斷路器在將來d時(shí)間段內(nèi)的老化失效不可用率,通常情況下,在進(jìn)行系統(tǒng)可靠性評估時(shí)d取為一年;N表示把時(shí)間段d等分的子時(shí)間段數(shù);Pk為時(shí)間段d內(nèi)的第k子時(shí)間段的失效概率。

        一臺斷路器包含可修復(fù)失效和老化失效的綜合不可用率可用(5)式進(jìn)行計(jì)算[1]:

        Ut=Ur+Ua-Ur·Ua (5)

        3 斷路器組可靠性評估及其備用分析

        以斷路器組為對象進(jìn)行備用分析,當(dāng)斷路器組中的任意設(shè)備失效時(shí),備用斷路器投入以確保系統(tǒng)正常運(yùn)行。而需要多少臺備用設(shè)備以及備用設(shè)備什么時(shí)候就位取決于電網(wǎng)公司對整個(gè)斷路器組的可靠性要求。

        3.1 斷路器組的可靠性評估

        上一節(jié)已經(jīng)計(jì)算得到了單個(gè)設(shè)備的不可用率,利用這些數(shù)據(jù),整個(gè)斷路器組的可靠性可以采用狀態(tài)枚舉法來評估。狀態(tài)枚舉法評估設(shè)備組可靠性的過程介紹如下[4]:

        斷路器組中,任意一臺斷路器故障,則稱為一階故障,如果有兩臺斷路器同時(shí)故障,則稱為二階故障,依此類推,還有三階、四階等多階故障。

        所有一階故障狀態(tài)的累計(jì)概率可用(6)式進(jìn)行計(jì)算:

        其中,P(1)為所有一階故障狀態(tài)的概率之和;Ui或Uj分別為第i或第j臺斷路器的不可用度;N是斷路器組中的斷路器總臺數(shù)。

        所有二階故障狀態(tài)的累計(jì)概率可用(7)式進(jìn)行計(jì)算:

        其中,P(2)為所有二階故障狀態(tài)的概率之和;Ui、Uk和Uj分別為第i、第k和第j臺斷路器的不可用度。

        類似地,可以推導(dǎo)出所有三階、四階或更高階故障狀態(tài)的累計(jì)概率計(jì)算公式。顯然,P(N)等于斷路器組中所有斷路器不可用度的乘積。通過直接相加可得到在沒有備用情況下斷路器組的總失效概率為:

        其中,P(i)為所有i階失效狀態(tài)的概率之和。

        3.2 斷路器組的備用分析

        在計(jì)算得到了沒有備用情況下斷路器組的總失效概率之后,分別考慮增加一臺、兩臺和更多臺備用設(shè)備的情況計(jì)算斷路器組的失效概率[4]:

        其中,Pis表示有i臺設(shè)備備用的情況下斷路器組的失效概率。比如,P1s=P0s-P(1),表示從沒有備用情況下斷路器組失效概率中減去一階失效狀態(tài)集合概率。因?yàn)橐慌_備用斷路器能及時(shí)替換一臺故障斷路器,解決所有的一階故障,因而一階故障事件不會再導(dǎo)致斷路器組的失效。類似地,還可以計(jì)算2臺備用的情況下斷路器組的失效概率P2s=P0s-P(1)-P(2)。一旦計(jì)算得到零臺、一臺、兩臺和更多臺備用情況下的斷路器組失效概率,通過1減去對應(yīng)的失效概率,就能獲得零臺、一臺、兩臺和更多臺備用情況下的斷路器組成功概率。

        給定一個(gè)斷路器組成功概率目標(biāo)值,當(dāng)斷路器組成功概率超過該目標(biāo)值時(shí),則表明斷路器組的可靠性滿足了可靠性的要求。該成功概率對應(yīng)的時(shí)間和設(shè)備備用數(shù)量就是我們規(guī)劃確定的斷路器的備用數(shù)量和就位時(shí)間。

        4 設(shè)備備用分析步驟

        基于可靠性準(zhǔn)則的備用分析步驟可歸納如下[4]:

        (1)選定斷路器組:共享的備用斷路器可替換該組任一斷路器,并且能根據(jù)所在地理位置及時(shí)替換;

        (2)確定合適的斷路器組成功概率目標(biāo)值;

        (3)計(jì)算斷路器組中每臺斷路器的不可用度;(4)在有備用和無備用的情況下,分別評估各故障事件的概率以及整個(gè)斷路器組的失效概率和成功概率;

        (5)對規(guī)劃期間內(nèi)所有年份重復(fù)步驟(3)和(4)。當(dāng)考慮老化失效時(shí),每臺斷路器的不可用度將隨年份的增加而增大,因此,要對所有年份進(jìn)行計(jì)算;

        (6)根據(jù)選定的可靠性準(zhǔn)則,在有備用的情況下,將斷路器組在不同年份的成功概率與門檻值進(jìn)行對比,進(jìn)而確定斷路器備用的數(shù)量和就位年份。

        5 算例

        選取南方某電網(wǎng)2個(gè)500kV變電站、9個(gè)220kV變電站內(nèi)電壓等級為220kV的125臺斷路器為研究對象,進(jìn)行基于可靠性準(zhǔn)則的斷路器組的備用分析。根據(jù)變電站的地理分布,將位置靠近的變電站的斷路器分為一組,一旦有斷路器發(fā)生故障,備用斷路器能及時(shí)進(jìn)行替換安裝,11個(gè)變電站分為5組,分別進(jìn)行設(shè)備組的備用分析。具體分組情況如表1所示。

        結(jié)合南方某電網(wǎng)斷路器的歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),表2給出了根據(jù)備用分析步驟計(jì)算得到的未來10年內(nèi)在不同備用情況下斷路器組的失效概率。

        如果電網(wǎng)公司備用規(guī)劃準(zhǔn)則設(shè)定可接受的斷路器組失效概率為0.01,則對于第1組斷路器組來說,在2016年首次需要1臺備用斷路器,在2025年開始需要第2臺斷路器;對于第2組斷路器組來說,在2016年首次就需要2臺備用變壓器,在2022年開始需要第2臺斷路器;對于第3組斷路器組來說,在2016年首次需要1臺備用斷路器;對于第4組斷路器組來說,在2018年首次需要1臺備用斷路器,在2023年開始需要第2臺斷路器;對于第5組斷路器組來

        說,在2018年首次需要1臺備用斷路器,在2021年開始需要第2

        臺斷路器。

        6 結(jié)束語

        文章應(yīng)用基于可靠性準(zhǔn)則的電力系統(tǒng)設(shè)備備用規(guī)劃方法,對南方某電網(wǎng)各變電站內(nèi)電壓等級為220kV的斷路器構(gòu)成的設(shè)備組,進(jìn)行了共享設(shè)備備用策略分析??紤]了斷路器的可修復(fù)失效和不可修復(fù)失效,計(jì)算出每臺斷路器的綜合不可用率?;谠O(shè)備組的可靠性準(zhǔn)則所獲得的斷路器備用方案,包括在未來規(guī)劃10年時(shí)間內(nèi)應(yīng)購置的備用斷路器數(shù)量和每臺斷路器就位的時(shí)間。與每個(gè)變電站都采用N-1安全性準(zhǔn)則相比,共享設(shè)備備用策略能夠減少相當(dāng)多的投資費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用,給定可靠性準(zhǔn)則保證整個(gè)電網(wǎng)處在足夠高的可靠性水平運(yùn)行。文章所制定的備用策略為提升電公司網(wǎng)的資產(chǎn)管理水平、保證電網(wǎng)安全可靠經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供了有益的參考。

        參考文獻(xiàn)

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        [3]張大波.基于狀態(tài)監(jiān)測與系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估的電力設(shè)備維修及更新策略研究[D].重慶大學(xué),2012.

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