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配電系統可靠性研究的目的是評估系統究竟在多大程度上能夠保證各個用戶的供電連續(xù)性。據調查,負荷點用戶停電事件中,約80%是由配電系統引起的。因此,研究如何提高配電系統的供電可靠性具有十分重要的意義[1]。隨著經濟發(fā)展,城市電網的規(guī)模不斷擴大,設備元件增加勢必導致系統發(fā)生設備元件故障的概率增大。本文通過找出設備元件發(fā)生故障的三種模式:饋線級故障模式、變電站故障模式和上一級電網故障模式,分析故障的三種模式對配電網可靠性的影響,采用分層算法,提出了一種基于故障擴散的電網可靠性評估算法。
1 分層算法
考慮設備元件發(fā)生故障的三種模式,逐一分析每種模式對配電網可靠性的影響,即其產生的停電時戶數,并結合配電網的網絡拓撲結構,綜合得到配電網可靠性數據[2]。
1.1 三種故障模式及其對配網可靠性的影響
饋線級故障模式是指在電網各饋線中的設備元件發(fā)生的永久性故障,采用的指標為設備故障率和設備每次故障平均停電持續(xù)時間。故障對配電網可靠性的影響即為故障引起的停電時戶數:假設設備故障發(fā)生在某饋線第段,對于該故障段,其停電用戶數為Ci,停電時間表為故障元件修復時間;對于該段以后的所有停電用戶∑Cj(j>i),若無聯絡線,停電時間為故障元件修復時間;若有聯絡線,停電時間為聯絡開關操作時間。
變電站故障模式是指電網中母線發(fā)生故障,用母線平均修復時間和母線可用系數表示。一般母線分二段,且不考慮二段母線同時故障。母線故障產生的停電時戶數為:故障母線所帶負荷是否可以全部轉移,可轉移負荷停電用戶數為故障母線段有聯絡出線用戶數,停電時間為聯絡開關倒閘平均操作時間;不可轉移負荷為故障段母線無聯絡出線用戶數,其停電時間為母線修復時間。 若母線與出線上設備同時發(fā)生故障時,取兩者中修復時間最大者。
上一級電網的故障模式是指在電網中上一級電網由各種設備元件或母線等原因產生不能對配網進行正常供電的故障,通常指220KV級,相應指標為上一級故障排除時間和上一級輸變電設施的可用系數。該故障產生的停電時戶數為:考慮上一級電網輸變電系統故障是否引起母線不帶電。若引起母線不帶電,母線分段時的停電用戶數為上一級故障變電站所對應母線段的用戶數,停電時間為聯絡開關倒閘操作時間;母線不分段時,可轉移負荷的停電時間亦為聯絡開關倒閘平均操作時間,不可轉移負荷停電時間為上一級電網故障修復時間。
1.2 算法的數學模型
算法基于如下假設:a) 不考慮由于容量不足的限電;b) 有聯絡的出線故障后,完好區(qū)段的負荷能夠全部轉移;c) 不考慮外力破壞作用的影響,不考慮作業(yè)、檢修、預安排產生的停電,而只考慮設備故障產生的停電;d) 不考慮瞬時故障,而考慮只有等故障設備(元件)修復后才恢復送電的永久性故障;e) 基于考慮由用戶原因引起的事故、故障的停電,所以假設線路上用戶越多,線路故障的可能性越大;f) 單向回路停電一次處理完成,全線同時恢復送電,多回路停電其各回路的停電操作和恢復送電操作同時完成;g) 不考慮斷路器等開關設備誤動、拒動,所有的保護裝置動作正確;h) 由于現在各供電局在可靠性數據統計時沒有統計到出線每段長度及支線長度,同時按照國家可靠性管理中心的要求,所以假設平均分段。
我們提出以下預測評估思想:通過對各變電站各出線進行故障停電事故枚舉,得到出線的故障停電時間和故障次數,從而得到整個配電網的故障停電時間和故障次數,再根據可靠性指標的定義,得到整個配電網的可靠性指標[3]。對整個配電網分三種情況考慮: (1) 上一級輸變電設施完好且母線無故障的停電時戶數Ti1; (2) 上一級輸變電設施完好而母線故障的停電時戶數Ti2. (2-1)母線分段 (2-2)母線不分段 (3) 上一級輸變電設施故障引起母線不帶電的停電時戶數Ti3.(3-1)母線分段 (3-2)母線不分段兩種情況。
1.2.1第一種情形
Tij變電站i出線j設備故障后的停電時戶數。
1.2.2第二種情形
母線一般分為2段,不考慮二段母線同時故障
(2-1-1) 故障母線所帶負荷能全部轉移時
Ci1:變電站i故障母線段客戶數t1:聯絡開關倒閘平均操作時間
(2-1-2) 故障母線所帶負荷不能全部轉移時
t3:母線修復平均時間
當母線與出線上設備發(fā)生同時故障時,則取修復時間為兩者中最大者。其余同上。
1.2.3第三種情形
(3-1-1) 考慮雙電源雙母線,上一級故障變電站所對應母線段的客戶數可由完好變電站所對應母線通過聯絡開關完全轉移。此時
Ci3:上一級故障變電站所對應母線段的客戶數
Ci4:變電站i無聯絡線的出線所帶客戶數 t4: 上一級故障排除時間,負荷可通過聯絡開關完全轉移,
式中:T為上一級輸變電設施可用系數;B為母線可用系數;T為配電網總的停電時戶數;T′為配電網總的停電時間;F為配電網總的故障次數;C為配電網總的用戶有數;L為配電網總的線路長;n配電網變電站總數;RS1,RS2、RS3為平均供電可用率;AIHC-F為系統平均停電持續(xù)時間(n/次);RSFI為系統平均故障次數(次/百公里)。
2 算法實現
分層技術按配電網―變電站―饋線―段―設備的層次建立數據結構。系統采用VC++6.0實現,整個配電網結構通過作圖表示,而配電網的參數用數據結構存儲。為了在軟件中實現分層技術,采用靜態(tài)切分窗口得到左右視圖,左視圖基于CTreeView類[4],用樹型結構表示配電網―變電站―饋線層。軟件初始化時只生成根節(jié)點表示配電網層,根節(jié)點下添加若干新節(jié)點,表示變電站層,變電站層節(jié)點下添加新節(jié)點表示饋線層。變電站層節(jié)點建立數據結構存儲故障率、故障時間、載容比系數等參數 。饋線層節(jié)點建立數據結構存儲元件類型、起始點、終點、導線長度等參數。
右視圖用來表示饋線―段―設備層.因為算法將配電網參數與其拓撲結構結合,而實際配網結構比較復雜,為方便數據分析處理,開發(fā)了專門的作圖工具,用來繪制網絡拓撲結構圖.作圖工具欄分為四種元器件電源,開關,變壓器,備用電源以及三種線型絕緣線,裸導線,電纜。軟件中設置元器件和線型兩種數據結構,存儲設備元件類型,起點,終點和長度等參數。在右視圖中繪制的元器件及導線分別對應存儲在元器件鏈表和線型鏈表中,其相關參數存儲在對應數據結構中。若畫元器件,則在元器件鏈表中添加一個節(jié)點。若畫線型,則在線型鏈表中添加一個節(jié)點。由此可以將輸入圖形存儲。并通過對鏈表的元器件及線型的搜索,找出它們的連接關系,從而得出的整個配電網的連接網,然后進行拓撲分析,根據拓撲結構與圖形數據,快速建立計算樹進行計算。
實際計算時,以母線后一段作為樹根,每一段建立一個樹節(jié)點。節(jié)點的一個指針指向父節(jié)點,一個指針指向后面的分支節(jié)點,針建立整個計算樹。先查找母線,找到母線后,尋找與母線相連的電線,根據電線末端點坐標找出連在電線末端的開關。以開關為入點建立節(jié)點。以相類似的方法根據元器件或導線的起點和終點尋找相連設備,建立整棵節(jié)點樹,再根據網絡拓撲結構,統計算法的各項相關參數,計算饋線各項可靠性指標。綜合變電站下各饋線的可靠性指標,得到變電站的可靠性指標,綜合各個變電站的可靠性指標,得到整個配電網的可靠性指標。
3 算例
我們對長沙配電網榮灣鎮(zhèn)變電站進行可靠性評估,該變電站有4條母線(10KV),負荷點17個,總用戶數226戶,總變容量60890KVA,線路總長61.803KM,變電站接線圖如圖1。
由于網絡拓撲算法精度高,要求考慮每一個元件,因此計算量非常龐大,用手工計算是不現實的。而利用該系統,我們方便快捷的輸入了2000年的長沙配電網榮灣鎮(zhèn)變電站的網絡圖及湖南省電力局提供的可靠性數據,迅速計算出了該變電站的可靠性指標.如表2。
由計算結果可以看出:用該算法計算得到的可靠性指標與湖南省電力局的歷史統計數據比較,證實了算法的可靠性。
4 結論
根據故障產生的三種模式,并分析故障的三種模式對配電網可靠性的影響,利用系統元件的可靠性數據與系統網絡拓撲結構建立系統的可靠性數學模型,提出了基于故障擴散的分層算法來進行系統可靠性評估。采用Visual C + + 6.0 開發(fā)了配電網系統可靠性評估軟件,可方便快捷計算電網各饋線、變電站、電網的可靠性指標。通過實際運行后的計算值與預估值的比較,結合各停電原因的分析,可找出影響供電可靠率的主要原因,并可在計算機上模擬設計,算法和軟件的研制開發(fā)為配電系統規(guī)劃和管理提供了有力的分析工具。
知識庫標簽:
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電能與其他能源不同,其主要特點是:不能大規(guī)模儲存,發(fā)電、輸電、配電和用電在同一瞬間完成;發(fā)電和用電之間必須實時保持供需平衡,如果不能保持實時平衡,將危及用電的安全性和連續(xù)性。
輸電的功能是將發(fā)電廠發(fā)出的電力輸送到消費電能的地區(qū),或進行相鄰電網間的電力互送,使其形成互聯電網或統一電網,保持發(fā)電和用電或兩電網間 供需平衡;配電的功能是在消費電能的地區(qū)接受輸電網受端的電力,進行分配,輸送到城市、郊區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和農村,進一步分配和供給工業(yè)、農業(yè)、商業(yè)、居 民用工業(yè)及特殊需要的用電部門。
輸電功能由升壓變電站、降壓變電站及其相連的輸電線完成。所有輸變電設備連接起來構成輸電網,所有配變電設備連接起來構成配電網。輸電網和配電網統稱為電網。發(fā)電廠、輸電網、配電網和用電設備連接起來組成為一個集成的整體,這個整體被稱為電力系統。
輸電網由輸電和變電設備構成。輸電設備主要有輸電線、桿塔、絕緣子串、架空線路等;變電設備有變壓器、電抗器(用于330kV 以上)、電容器、斷 路器、接地開關,隔離開關、避雷器、電壓互感器、電流互感器、母線等一次設備和確保安全、可靠輸電的繼電保護、監(jiān)視、控制和電力通信系統等二次設 備。變電設備主要集中在變電站內。對于直流輸電,它的輸電功能由直流輸電線路的換流站的各種換流設備,包括一次設備和二次設備實現。輸電網一次設 備和相關的二次設備協調配合是實現電力系統安全、穩(wěn)定運行,避免連鎖事故發(fā)生,防止大面積停電的重要保證。
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