配电系统可靠性分析——故障关联矩阵法

第1章 绪论 1.1 电力系统可靠性基本概念 可靠性是一个早已存在于人们生产生活中的基本概念，是指一个元件、设备或系统在规定的时间和条件下完成规定功能的能力，是衡量设备或系统功能的重要指标。对于电力系统，其可靠性的定义为电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户提供电力和电量的能力。 电力系统是关系到社会经济发展、国家能源安全的重要基础设施，其基本功能是尽可能地为用户提供经济和可靠的电能。一旦电力系统发生故障，就可能导致从局部直至大面积的停电事故发生。停电的后果不仅仅是电力公司收入的损失或用户用电舒适度的降低，甚至有可能对国家和人身安全造成严重的威胁，因此分析电力系统的供电可靠性，并指导建设高可靠性的电力系统已成为今天电力工业的一项基本任务。由于电力系统的规模庞大、设备繁杂，跨越多个电压等级，不同电压等级电力系统的网络架构、运行方式以及运营模式都不相同，难以将其作为一个整体进行可靠性分析。即使拥有计算整个电力系统可靠性指标的能力，将各电压等级电网作为整体计算，所得到的可靠性指标也并不具有指导意义。实际的可靠性分析工作是按照系统电压等级或功能，分层分区地进行。当前，对电力系统的可靠性分析工作分为三个层次[1]，如图1-1所示。 图1-1电力系统可靠性分析的层次划分 **层次：发电系统可靠性分析。在对发电系统进行可靠性分析时，一般假设输配电网中的设备及其功能完全可靠。如果发电容量充足，输配电网可将发电系统的电能传送到所有负荷需求节点，且不会出现网络过负荷和电压偏移超过允许值的情况。系统是否正常的判据为发电系统的发电量是否能完全满足所有负荷的需求，因此发电系统的可靠性分析也称为发电容量充裕度分析。这一层次的可靠性分析重点关注的是发电机组发生强迫停运或者计划检修所导致的失负荷事件，应用的可靠性指标为电力不足概率(loss of load probability，LOLP)和电量不足期望(loss of energy expectation，LOEE)。分析的方法是基于历史统计数据，为系统中各个发电机组不同出力水平赋予概率值，并与年负荷需求曲线进行卷积运算，或通过模拟发电机组的出力与负荷水平的变化，得到发电系统无法满足所有负荷需求的概率值以及失负荷量的期望，从而体现发电系统满足负荷需求的能力。依靠这一层级的可靠性指标，系统规划运行人员可以决策发电系统的*优旋转备用容量、制定发电机组的*优检修计划、安排发电机组的容量扩建或淘汰退出时机等，以保证发电系统能*大限度地满足负荷需求。 第二层次：输电系统可靠性分析。输电系统由高压输电线路和包含不同设备与控制装置的变电站组成。这一层次的可靠性分析重点关注输电线路、变压器、断路器等故障对系统供电可靠性的影响，配电系统等效为负荷节点。常用的方法为故障影响分析(failure effect analysis，FEA)法，枚举所有故障事件，分析故障影响。实际中，输电系统呈环网运行，负荷的供电路径冗余，单一设备的故障往往并不会造成负荷停电。因此需要枚举多阶故障事件，判断故障后的输电网络是否违反了线路传输容量和电压偏移约束。若违反运行约束，记为一次失负荷事件，并对故障切除后的输电系统进行*优潮流分析，优化切机切负荷措施，统计失负荷量。输电系统的可靠性指标与发电系统相同，也应用电力不足概率和电量不足期望衡量系统对负荷的可靠供电能力。依据这一层次的可靠性分析结果，相关工程人员可以制定输电网架的规划建设方案、输电设备的检修时序，根据不同月份、季节负荷需求情况制定系统的*优运行方式。 第三层次：配电系统可靠性分析。配电系统可靠性分析的范围包括从输电系统终端变电站出口母线至电力用户的所有配电设备。这一层次的可靠性分析关注到了每个具体用户的用电可靠性，衡量配电系统可靠性的指标包括系统/用户停电频率、系统/用户停电时间以及系统/用户停电量。*常用的可靠性分析方法为故障模式影响分析(failure mode and effect analysis，FMEA)法，枚举设备故障事件，分析设备故障后的保护策略以及故障处理程序，进而分析故障对系统中每个用户的影响，并统计出系统/用户的可靠性指标。相关工程人员可根据用户个性化的可靠性需求指导配电系统的网架设计、设备改造等工作。 本书重点关注配电系统的可靠性分析，阐述配电系统可靠性分析的相关理论及其应用。 1.2 配电系统可靠性分析的主要内容 配电系统的可靠性分析工作可以分为配电系统可靠性历史分析和配电系统可靠性预测分析两大方面[2-4]，如图1-2所示。 图1-2 配电系统可靠性分析主要内容 1.配电系统可靠性历史分析 配电系统可靠性历史分析重点关注的是配电系统在过去某一段时间的表现，通过记录配电系统的历史运行情况，统计并分析配电系统的历史可靠性指标，即“度量过去”。历史分析的主要工作包括故障事件记录、系统/用户可靠性指标统计以及系统的可靠性薄弱环节诊断分析三方面。 故障事件记录通常包括故障设备的类型，故障发生原因、时间、天气状况，故障影响范围，故障处理时长，供电恢复时长等内容。故障事件记录是可靠性历史分析的数据基础，只有尽可能详细地记录故障发生的全过程才能尽可能精确地掌握配电系统可靠性。 系统/用户可靠性指标统计基于故障事件记录情况进行，是对一段时间内，通常是一年来停电事件所做记录的统计总结。所得到的配电系统历史可靠性指标主要有四类：停电频率类、停电时间类、停电量类和停电概率类，对于整个配电系统和单一电力用户均有相对应的统计指标。 系统的可靠性薄弱环节诊断分析基于可靠性指标统计结果进行，通过对可靠性指标的分析可以得到影响系统可靠性的主要原因、系统的薄弱环节以及重复出现故障的设备等，从而进行具有针对性的可靠性提升工程，如检修或替换故障频发的设备、提升网络坚强性、提高故障处理效率等措施。 2.配电系统可靠性预测分析 配电系统可靠性预测分析重点关注的是配电系统将来一段时间内的表现，即“预测未来”。预测分析的主要工作包括故障事件枚举、系统/用户可靠性指标计算以及系统方案比选分析三方面。 要枚举故障事件首先需要对不同类型的故障事件进行可靠性建模，基于历史上大量同类故障发生的频率、故障持续时长等统计数据，计算出此类故障事件的发生概率、故障修复时长等可靠性参数。然后，在所研究的配电系统中模拟该故障事件发生，并分析故障发生后的系统保护动作情况和用户停电情况。在枚举所有可能发生的故障事件之后，基于每一类故障事件的可靠性参数及其对用户的停电影响，即可计算系统或用户的可靠性指标。 可靠性预测分析是为了给未来配电系统的规划、改造、设备检修、运行调度等活动的*优策略制定提供策略参考和数据支撑，通常需要在不同的系统方案之间进行比选。在配电系统的规划设计改造中，提升系统可靠性是重要的目标之一，因此，需要可靠性的预测分析为系统规划改造提供目标参考；在配电系统的调度运行中，可以应用可靠性预测分析选取风险*小的运行方式；在配电系统设备状态检修决策中，同样需要应用可靠性预测分析来评价预防性维修措施的效果以及检修策略变化对系统可靠性的影响，从而安排*佳的检修计划。 可以说配电系统可靠性的历史分析与预测分析两者密不可分、相辅相成，是配电系统可靠性工程的两个重要组成部分。只有掌握了现有配电系统设备的可靠性参数数据，才能进行可靠性预测分析。反之预测分析是历史分析的深化和发展，只有通过预测分析指导配电系统的规划改造和设备检修，才能进一步提升配电系统可靠性，对可靠性的历史统计才有价值。 1.3 配电系统可靠性分析的特点 配电系统供电覆盖面积广，设备种类、型式、接线方式复杂多样，且负荷大小、分布和性质各异，相比发输电系统有其自身的运行方式和管理特点。配电系统的可靠性分析也与发输电系统有很大不同，其特点主要有以下三个方面。 (1)配电系统的可靠性指标直接面向电力用户。配电系统是电力系统连接用户的*后一环，与用户联系紧密，因此，配电系统的可靠性分析更倾向于以具体的电力用户为导向。由于发输电系统将变电站作为等效的负荷点，其可靠性指标通常为电力不足概率和电量不足期望，用以表征系统整体的可靠供电能力。而配电系统可靠性指标是以用户为统计单位，这里的用户包括公用配电变压器下所连接的电力用户和专变所连接的电力用户。配电系统可靠性指标包括了停电时间、停电频率、停电量以及停电概率四类指标，可以从不同侧面反映每个具体用户的用电可靠性。 (2)一阶故障事件占主导地位。由于发输电系统在规划建设时往往考虑N–1或N–2的冗余设计，大部分一阶故障事件并不会对发输电系统的正常供电产生影响，需要枚举二阶甚至高阶故障。但配电系统是辐射状运行，即使具有弱环结构，在运行时通常也是开环状态。配电系统中的大部分一阶故障就会造成用户停电，加之高阶故障发生的可能性较小，因此，一阶故障对配电系统可靠性指标的影响占主导地位。在配电系统可靠性分析中往往忽略高阶故障，仅仅枚举所有一阶故障事件并分析其影响。 (3)配电系统的两个故障准则。故障准则是判断系统在规定的条件下丧失规定功能的判据。发输电系统的故障准则是故障切除后的网络中出现线路过负荷和电压越限等情况，通常需要建立基于直流潮流的*优切负荷模型，优化切负荷量，从而计算可靠性指标。而配电系统的故障准则有两个，分别为全部失去连续性(total loss of continuity，TLOC)准则和部分失去连续性( partial loss of continuity，PLOC)准则。TLOC准则是指若元件故障造成负荷点和所有电源点之间的所有通路都断开，则判定为一次停电事件。PLOC准则是指若元件故障并未断开负荷点和所有电源之间的所有通路，但由于线路容量和电压约束，须削减负荷以消除过流或过电压现象，则判断为一次停电事件。PLOC准则与发输电系统的故障准则类似，但由于配电线路的电阻值较大不可忽略，需要计算故障后的配电系统交流潮流，从而确定失负荷情况。当前，配电系统可靠性分析中多采用TLOC准则作为判断负荷停电的标准，主要原因是配电系统的辐射状运行特点导致TLOC事件在所有一阶故障事件中占据主要比例[5]。配电系统的负荷分布广、类型多、实时变动大，尤其在预测分析中无法掌握未来精确的系统潮流情况，应用精确的切负荷优化模型处理PLOC事件并不会提升配电系统可靠性的预测分析精度，且计算量大，因此配电系统可靠性分析中多以TLOC准则为主导。 1.4 配电系统可靠性分析的意义 在过去相当长的一段时间内，配电系统可靠性问题受关注程度远低于发电系统和输电系统。这主要是因为发电系统和输电系统的投资集中，故障后可能会引起严重的后果，造成巨大损失。而配电系统的投资相对分散，停电影响是局部的。因此，许多专家都着重研究发电系统和输电系统的可靠性，对配电系统可靠性问题重视不够。 事实上，配电系统与用户相连，配电系统可靠性与用户可靠性之间有着直接的关系。由于配电系统多采用辐射状运行，对一阶故障比较敏感，根据电力公司对用户停电事件统计数据的分析，配电系统对于用户的停电事件具有更大的影响。据统计[6]，用户的停电事件中有80%～95%是由配电系统的故障引起的。由此可见，配电系统对电力用户的可靠性水平有着显著影响，对配电系统的可靠性进行分析也有着重要意义。 1.配电系统可靠性分析是掌握电力用户可靠性水平的有效手段 在图1-1中的三层次电力系统可靠性分析架构中，**、二层次的可靠性分析忽略了配电系统，将大量用户等效为一个负荷节点，所得到的可靠性指标更注重系统整体的可靠性水平，并不具体代表每个电力用户的可靠性。第三层次的配电系统可靠性分析中，真正考虑了配电系统中每个节点的用户数量和负荷需求，并可以详细分析故障隔离、处理和供电恢复过程，从而计算得到每个