張 順，文承毅，何禮鵬，陳明帆，呂 懿，李琳瑋

(1.中國電力工程顧問集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.海南電網(wǎng)有限責(zé)任公司，海南 ?？?572023)

0 引 言

隨著中國經(jīng)濟(jì)由高速增長階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，全社會對電力的依賴程度越來越高，廣大用戶對供電可靠性提出了更高的要求[1-5]。因此，在進(jìn)行配電網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)時(shí)需把提高配電網(wǎng)供電可靠性擺在十分重要的位置。

配電網(wǎng)可靠性評估常用方法為故障模式后果分析法(failure mode and effect analysis,FMEA)。該方法通過對各元件狀態(tài)失效事件進(jìn)行分析，并確定對負(fù)荷點(diǎn)的影響，分析系統(tǒng)故障模式集合，最終形成負(fù)荷點(diǎn)及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。FMEA法對簡單配電網(wǎng)的可靠性評估較有效。但實(shí)際配電網(wǎng)中往往含有多種接線模式或復(fù)雜分支饋線的區(qū)域配電網(wǎng)系統(tǒng)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障模式多，如直接用FMEA法搜索復(fù)雜系統(tǒng)所有元件的狀態(tài)，隨著元件數(shù)目的增多，系統(tǒng)故障模式將急劇增加，計(jì)算量呈指數(shù)增長[6-8]。

國內(nèi)外已有較多文獻(xiàn)針對復(fù)雜配電網(wǎng)供電可靠性計(jì)算做了深入研究。文獻(xiàn)[9]結(jié)合復(fù)雜中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出可靠性評估的快速分塊算法；但其只適合開環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)，對閉環(huán)運(yùn)行的配電網(wǎng)存在局限性。文獻(xiàn)[10]根據(jù)復(fù)雜配電網(wǎng)特點(diǎn)將網(wǎng)絡(luò)分塊，將塊等效為簡單支路形成簡化網(wǎng)絡(luò)模型。文獻(xiàn)[11]通過對配電網(wǎng)工作機(jī)理的分析，介紹了一種帶有復(fù)雜分支饋線的配電網(wǎng)可靠性評估的網(wǎng)絡(luò)等值法；但該模型未考慮含有較多主干饋線的大規(guī)模配電網(wǎng)可靠性評估簡化問題。

復(fù)雜中壓配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)盡管含有較多復(fù)雜的分支饋線，但主干饋線基本是由典型接線構(gòu)成，下面首先分析了城市復(fù)雜中壓配電網(wǎng)的接線模式，將復(fù)雜配電網(wǎng)依據(jù)典型接線模式進(jìn)行簡化，將含有復(fù)雜分支饋線的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為典型接線模式，同時(shí)將配電網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠率的計(jì)算公式進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)化，形成了一種基于典型接線模式的復(fù)雜配電網(wǎng)可靠性評估算法。該方法有效解決了大型復(fù)雜配電網(wǎng)可靠性計(jì)算采用FMEA法所面臨的故障模式多、計(jì)算量大的問題，對規(guī)劃階段的中壓配電網(wǎng)可靠性評估具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 復(fù)雜中壓配電網(wǎng)接線模式分析及簡化

城市配電網(wǎng)一般由架空線和電纜線混合組成。通過分析國內(nèi)外城市中壓配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，城市中壓配電電網(wǎng)可以分為兩層，上層為中壓主干饋線，下層為分支饋線。主干線一般采用典型接線模式(分別為單環(huán)網(wǎng)、雙環(huán)網(wǎng)、兩供一備、三供一備、花瓣形接線)，分支饋線均呈輻射狀。主干饋線常用接線方式見圖 1。

中壓配電網(wǎng)一般在饋線上每隔一定距離安裝一個(gè)分段斷路器，而含子饋線的復(fù)雜系統(tǒng)在子饋線入口處也會安裝斷路器。考慮到分支線入口處一般安裝有熔斷器(或負(fù)荷開關(guān))，發(fā)生故障時(shí)熔斷器動作，不影響網(wǎng)絡(luò)其他部分，故將分支饋線連同分支饋線上的設(shè)備構(gòu)成一個(gè)分支塊。塊內(nèi)元件的故障后果相同且具有整體性，運(yùn)行方式的變化不會打破塊的結(jié)構(gòu)。因此，為方便分析整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，將每個(gè)分支饋線等效為一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)。

圖 1 中壓配電網(wǎng)常用接線方式

圖2為復(fù)雜配電網(wǎng)的化簡流程。

圖 2 復(fù)雜配電網(wǎng)等效網(wǎng)絡(luò)

2 復(fù)雜中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

文獻(xiàn)[12]給出了中壓配電網(wǎng)可靠性評估的相關(guān)指標(biāo)，其定義及計(jì)算公式如下：

1)系統(tǒng)平均故障停電時(shí)間期望值，指供電系統(tǒng)用戶在單位年度內(nèi)的平均停電小時(shí)數(shù)，記作SAIDI，單位為h/(戶·年)，計(jì)算公式為

(1)

式中：μi為負(fù)荷點(diǎn)i的年停電時(shí)間；Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)。

2)平均供電可靠率期望值，指在單位年度內(nèi)，對用戶有效供電總小時(shí)數(shù)期望值與單位年度總小時(shí)數(shù)的比值，記作ASAI，計(jì)算公式為

(2)

(3)

(4)

式中：SAIDIj為第j條主干接線的平均故障停電時(shí)間期望值；kj為接線模式負(fù)荷點(diǎn)占比，即第j條接線模式的用戶數(shù)與全區(qū)域配網(wǎng)的用戶總數(shù)的比值。

(5)

同樣，系統(tǒng)平均供電可靠率期望值可做如下轉(zhuǎn)化：

(6)

(7)

式中，ASAIj為第j條主干接線的平均供電可靠率期望值。

3 可靠性評估算法描述

利用前面介紹的模型簡化方法將待評估系統(tǒng)簡化為多種典型接線模式后，就可以典型接線為單位對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評估?；诘湫徒泳€模式的復(fù)雜中壓配電網(wǎng)可靠性評估算法可描述為：

1)讀入原始數(shù)據(jù)；

2)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)各典型接線模式所帶用戶數(shù)量，計(jì)算各典型接線模式負(fù)荷點(diǎn)占比；

3)網(wǎng)絡(luò)簡化，將帶分支饋線的復(fù)雜中壓配電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為典型接線的配電網(wǎng)；

4)利用FMEA法計(jì)算不同接線模式饋線的可靠性指標(biāo)；

5)利用所提的復(fù)雜中壓配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)計(jì)算公式計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

因此經(jīng)過上述分析，針對復(fù)雜中壓配電網(wǎng)的可靠性評估可以簡化為對幾種典型接線的可靠性評估。需要說明的是，以上供電可靠性公式的轉(zhuǎn)化過程是基于以下2個(gè)假設(shè)：

1)該區(qū)域的各主干饋線的相同設(shè)備的故障率和修復(fù)時(shí)間一致。這是因?yàn)閷τ谀骋惶囟ǖ貐^(qū)的配電網(wǎng)來說，其設(shè)備水平、管理水平等對于不同的接線并無差異化。

2)該區(qū)域的分支饋線入口處需安裝有熔斷器或負(fù)荷開關(guān)，分支饋線的故障只對該饋線的可靠性有影響，對主干饋線的供電可靠性無影響。

4 算例分析

以某城區(qū)中壓配電網(wǎng)為例進(jìn)行仿真驗(yàn)證，圖3給出了2018年該城區(qū)中壓電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖。該城區(qū)共有10 kV線路42回，其中架空線路2回，電纜線路40回。從拓?fù)鋱D可以發(fā)現(xiàn)，河西站、河口站、卓達(dá)站的部分10 kV線路為非典型接線，需將其簡化為典型接線。可以發(fā)現(xiàn)，鳳凰島Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ線為分支線，可將其等效為負(fù)荷點(diǎn)，同樣，鳳西線和海岸線可以等效為負(fù)荷點(diǎn)；吉祥線、解放Ⅰ線、T12線、解放Ⅱ線、兒童線、通港II線構(gòu)成較為復(fù)雜的非典型接線，依據(jù)等效原則，可將此6回線等效為3組單環(huán)網(wǎng)。簡化后的拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖 3 某城區(qū)中壓配電網(wǎng)等效網(wǎng)絡(luò)

圖 4 某城區(qū)中壓配電網(wǎng)簡化等效網(wǎng)絡(luò)

對城區(qū)典型接線情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表 1所示。

根據(jù)電網(wǎng)公司調(diào)度運(yùn)行日志，整理出城區(qū)的供電可靠性參數(shù)如表2所示。表中：λ1為單臺設(shè)備或每公里線路故障率，次/(年·km)或次/(年·臺)；λ2為單臺設(shè)備或每公里線路預(yù)安排停電率，次/(年·km)或次/(年·臺)；r1為設(shè)備或線路的平均故障修復(fù)時(shí)間，h/次；r2為設(shè)備或線路的平均預(yù)安排停電時(shí)間，h/次；s為平均故障隔離和倒閘切換時(shí)間，h。

表1 城區(qū)典型接線基本情況

表2 城區(qū)供電可靠性參數(shù)表

采用文獻(xiàn)[12]所提供的FMEA法，分別計(jì)算出城區(qū)中壓電網(wǎng)各典型接線模式的可靠性指標(biāo)，結(jié)果如表 3所示。

表3 城區(qū)典型接線模式可靠性指標(biāo)

根據(jù)表 3計(jì)算結(jié)果和式(7)，可計(jì)算得到該城區(qū)供電可靠率理論計(jì)算值為

ASAI =∑ASAIj×kj=99.960 8%

依據(jù)電網(wǎng)公司提供相關(guān)資料，2018年該市城區(qū)停電時(shí)間為3.36 h，轉(zhuǎn)化為供電可靠率為99.961 6%，說明所提出的算法有效可靠。

5 結(jié) 論

在分析復(fù)雜配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接線的基礎(chǔ)上，出了一種基于典型接線模式的復(fù)雜配電網(wǎng)的可靠性評估算法。該算法首先將復(fù)雜配電網(wǎng)依據(jù)典型接線模式進(jìn)行簡化，然后計(jì)算各典型接線模型的供電可靠率，最后計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的供電可靠率。

該算法將含有分支饋線的復(fù)雜配電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為典型接線模式的配電網(wǎng)，簡化了配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少了計(jì)算量，對規(guī)劃階段的中壓配電網(wǎng)可靠性評估具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。