規(guī)劃態(tài)中壓配網(wǎng)供電可靠性評估模型①

李歷波，王玉瑾，王主丁，葉 云，李旭前

（1.重慶市電力公司綦南供電局，重慶401420；2.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400044；3.玉溪供電局，玉溪653100）

配電網(wǎng)供電可靠性是度量配電網(wǎng)在某一定時期內(nèi)，能夠保持對用戶連續(xù)充足供電的能力的程度。配電網(wǎng)供電可靠性的評估主要是包括可靠性指標(biāo)的統(tǒng)計分析評價和可靠性的預(yù)測評估兩方面。可靠性指標(biāo)的統(tǒng)計分析是對現(xiàn)狀網(wǎng)的可靠性分析，是配電網(wǎng)規(guī)劃的依據(jù)。但是，要從根本上改善配電網(wǎng)的供電可靠性，就必須在配電網(wǎng)的設(shè)計規(guī)劃階段對可靠性進行預(yù)測評估。

根據(jù)供電可靠性的定義，提高配電網(wǎng)的供電可靠性，必須盡可能減少用戶每年的停電次數(shù)和每次停電的時間。目前，相比中壓配電網(wǎng)，城市高壓和低壓配電網(wǎng)的供電可靠性很高，對供電可靠率指標(biāo)的影響相對不大。因此，對城市中壓配網(wǎng)供電可靠率計算分析是配網(wǎng)規(guī)劃中可靠性評估的重要部分。

目前，工程上普遍應(yīng)用的配電網(wǎng)可靠性計算方法主要有故障模式影響分析法，最小路集法和最小割集法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法，可靠性框圖法和故障樹分析法等，但由于大多數(shù)算法要求已知網(wǎng)絡(luò)詳細數(shù)據(jù)，故難以在實際電網(wǎng)規(guī)劃中使用。

基于故障模式后果分析法，從配電網(wǎng)規(guī)劃中可靠性預(yù)測評估的實際應(yīng)用角度出發(fā)，提出了一種在中壓配電網(wǎng)規(guī)劃中的可靠性評估的簡化模型，以及一種基于對現(xiàn)有可靠性數(shù)據(jù)的修正模型。

1 基于故障模式后果分析法的可靠性評估

故障模式后果分析法的基本思想是，通過故障枚舉法首先選擇一個故障狀態(tài)，對該故障引起的系統(tǒng)狀態(tài)改變進行分析，進而找出受影響的線路及停電的負荷點，最后計算該狀態(tài)對可靠性指標(biāo)的影響。一般情況下，系統(tǒng)故障停運狀態(tài)選擇是按某種邏輯逐個地選擇，例如可以首先檢驗所有單重偶發(fā)事故，繼而是雙重偶發(fā)事故，直至所有狀態(tài)檢驗完畢。但是在中壓配網(wǎng)規(guī)劃中，規(guī)劃年負荷和線路的詳細數(shù)據(jù)是難以預(yù)知的，因此，規(guī)劃中可靠性計算只能建立在簡化并實用的評估模型上。在評估模型上，可靠性計算一般只考慮單重事故的影響。

城市中壓線路主要采用環(huán)網(wǎng)接線、開環(huán)運行的結(jié)構(gòu)，線路互倒互帶能力較強，但部分郊區(qū)與農(nóng)村線路仍然為單輻射線路。在線路上裝設(shè)的分段開關(guān)，可將每條線路分為若干區(qū)段，則停電時不再是停整條線路的負荷，而是只停相關(guān)區(qū)段負荷，這樣減少每次停電的用戶數(shù)，從而用戶每年的平均停電時間也減少了。

圖1所示的是一個簡單常開環(huán)網(wǎng)的典型接線，正常運行時，分段開關(guān)1，2，3，4，5中至少有一個處于斷開狀態(tài)（如圖中開關(guān)3），一般稱為聯(lián)絡(luò)開關(guān)。常開環(huán)網(wǎng)正常運行時聯(lián)絡(luò)開關(guān)的兩側(cè)都相當(dāng)于一條饋線的末端，當(dāng)某側(cè)電源停電時，可自動或通過人工操作閉合聯(lián)絡(luò)開關(guān)，由另一側(cè)反向送電，受影響但可隔離的非故障段只是感受到故障的巡查時間（巡查時間包括故障隔離和非故障段供電恢復(fù)時間）。假設(shè)分段開關(guān)兩側(cè)都裝有隔離刀閘，當(dāng)故障發(fā)生在分段開關(guān)時，開關(guān)修復(fù)時間不影響用戶用電，只有故障的巡查時間會造成用戶的電能損失。對于單輻射線路，由于不存在負荷轉(zhuǎn)帶的可能，所有受故障或計劃檢修影響的元件都要感受到故障修復(fù)或計劃檢修時間。

圖1 簡單常開環(huán)網(wǎng)Fig.1 Simple open－loop network

2 中壓配電網(wǎng)規(guī)劃可靠性評估

2.1 中壓配網(wǎng)規(guī)劃可靠性指標(biāo)

中壓配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)，分為主要指標(biāo)和參考指標(biāo)兩大類：主要指標(biāo)有用戶平均停電時間，供電可靠率，用戶平均停電次數(shù)，用戶平均故障停電次數(shù)，用戶平均預(yù)安排停電次數(shù)，系統(tǒng)停電等效小時數(shù)，參考指標(biāo)有用戶平均預(yù)安排停電時間，用戶平均故障停電時間，平均停電用戶數(shù)等。

考慮到可靠性評價指標(biāo)眾多和規(guī)劃態(tài)可靠性評估的簡化，本文可靠性評估僅對主要指標(biāo)中的用戶平均停電時間和供電可靠率進行估算。供電可靠率RS－1和用戶平均停電時間Tavg的關(guān)系可表示為

2.2 中壓配電網(wǎng)規(guī)劃可靠性評估的總體思路

本文總體思路是將規(guī)模龐大的配電網(wǎng)可靠性計算等效為若干典型接線模式的可靠性指標(biāo)計算的加權(quán)平均，從而使得規(guī)劃中可靠性評估這一復(fù)雜問題得以簡化，并且具有實用性。具體算法主要描述為以下幾個步驟：

1）由于規(guī)劃階段中壓配網(wǎng)支線難于確定，因此，僅考慮規(guī)劃網(wǎng)主干線的可靠率計算；并根據(jù)配電網(wǎng)開關(guān)有無選擇性，分段和聯(lián)絡(luò)情況的不同，將配網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抽象為幾種典型接線方式。

2）綜合考慮各項主要影響因素，計算各種典型接線模式用戶平均停電時間。

3）根據(jù)各典型接線間比例，將規(guī)劃網(wǎng)用戶平均停電時間加權(quán)平均后求得全網(wǎng)的用戶平均停電時間，最終求得全網(wǎng)的供電可靠率。

3 規(guī)劃態(tài)中壓配網(wǎng)用戶平均停電時間估算

由式（1）可知，若已知用戶平均停電時間Tavg，供電可靠率RS－1即可得到。下面僅對用戶平均停電時間估算方法進行討論。

3.1 簡化估算模型

在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)中，設(shè)第i條主干線的長度為Li，分段數(shù)為Ni，各區(qū)段長度和用戶相同，單條饋線上兩段同時故障的概率為零，只考慮單條饋線發(fā)生故障或檢修的情況，并且有聯(lián)絡(luò)線路故障或檢修后負荷轉(zhuǎn)帶能力為100%。

用戶的平均停電時間在不同接線方式的網(wǎng)絡(luò)中有不同的計算方法，先分別就有聯(lián)絡(luò)開關(guān)有無選擇性，以及單輻射線路開關(guān)有無選擇性四種情況估算單條饋線用戶的平均停電時間；再以各線路長度為權(quán)重進行加權(quán)平均，得到整個配網(wǎng)的用戶平均停電時間。

3.1.1 有聯(lián)絡(luò)線路用戶平均停電時間估算

有聯(lián)絡(luò)線路i再分兩種情況估算線路用戶的平均停電時間Ti，sd1為Ti，sd2。

1）饋線開關(guān)有選擇性

饋線開關(guān)有選擇性即是發(fā)生故障時離故障點最近的上游開關(guān)先跳閘，此時用戶的平均停電時間可表示為

其中λ1為架空線路／電纜故障率，單位為次／（年·km）；λ2為架空線路／電纜檢修率，單位為次／（年·km）；λk為開關(guān)故障率，次／（臺·年）；t1為架空線路／電纜故障平均修復(fù)時間，單位為h；tc為架空線路／電纜檢修平均修復(fù)時間，h；tc為架空線路／電纜故障巡查時間，h；td為故障后倒閘操作時間。

2）饋線開關(guān)無選擇性

3.1.2 單輻射線路用戶平均停電時間估算

單輻射線路i再分兩種情況估算線路用戶的平均停電時間Ti，df1為Ti，df2。

1）饋線開關(guān)有選擇性

饋線開關(guān)無選擇性即是發(fā)生故障時總在饋線首端跳閘，此時用戶的平均停電時間可表示為

其中tk為開關(guān)故障平均修復(fù)時間，單位為h。

2）饋線開關(guān)無選擇性

3.1.3 中壓配網(wǎng)用戶平均停電時間估算

在各規(guī)劃年，通過對各高壓變電站供區(qū)內(nèi)中壓線路新增及改造規(guī)劃，可知各變電站中壓出線回路數(shù)、主干線長度及其分段和聯(lián)絡(luò)信息。設(shè)對應(yīng)于Ti，sd1、Ti，sd2、Ti，df1和Ti，df2的饋線集合分別為Msd1、Msd2、Mdf1和Mdf1，則整個配網(wǎng)或某分區(qū)用戶的平均停電時間Tavg可表示為

例如，按照上述方法，可分別計算出規(guī)劃后兩種接線方式下（單幅射和有聯(lián)絡(luò)）用戶平均停電時間，并以各自線路主干線總長度作為權(quán)重，可得規(guī)劃網(wǎng)用戶平均停電時間為

其中T′avg（D）和LD分別為規(guī)劃后單幅射線路用戶平均停電時間及主干線總長度；T′avg（R）和LR分別為規(guī)劃后有聯(lián)絡(luò)線路用戶平均停電時間以及主干線總長度。

3.2 修正估算模型

通過對上述模型的分析和用戶平均停電時間計算的推算，可以發(fā)現(xiàn)，用戶平均停電時間主要受三部分影響，分別為故障巡查、故障檢修和計劃檢修。若忽略故障率相對很低的開關(guān)故障影響，則影響中壓配網(wǎng)用戶平均停電時間的三部分可分別與相關(guān)參數(shù)成正比，詳見表1。在該表中，聯(lián)絡(luò)分段因子用以考慮饋線分段和聯(lián)絡(luò)情況的不同。根據(jù)配電網(wǎng)供電的特點，將基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)抽象為若干典型接線方式。采用故障模式后果分析法，可得到中壓電網(wǎng)典型接線方式的停電時戶數(shù)相對比例數(shù)，即聯(lián)絡(luò)分段因子，如表2所示。

表1 影響用戶平均停電時間的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters related to customer average interruption time

表2 各接線方式的聯(lián)絡(luò)分段因子Tab.2 Linkage factors of various network configurations

若已知現(xiàn)有用戶平均停電時間，經(jīng)規(guī)劃網(wǎng)主干線長度、線路計劃檢修率和檢修時間、聯(lián)絡(luò)分段因子成比例修正后，可得規(guī)劃網(wǎng)用戶平均停電時間為

其中：Tavg和T′avg分別為規(guī)劃前和規(guī)劃后的用戶平均停電時間；L、L′分別為規(guī)劃前、后主干線平均饋線長度；λ1、λ′1分別為規(guī)劃前、后線路故障率；λ2、λ′2分別為規(guī)劃前、后線路計劃檢修率；tc、t′c分別為規(guī)劃前、后線路故障巡查時間；td、t′d分別為規(guī)劃前、后線路故障后倒閘操作時間；t1、t′1分別為規(guī)劃前、后線路故障檢修時間；t2、t′2分別為規(guī)劃前、后線路計劃檢修時間；k、k′分別為規(guī)劃前、后故障巡查聯(lián)絡(luò)分段因子；k1、k′1分別為規(guī)劃前、后故障檢修／計劃檢修聯(lián)絡(luò)分段因子；βc、β1和β2分別為線路故障巡查，線路故障檢修和線路計劃檢修影響用戶停電時間比例因子（βc＋β1＋β2＝1）。

由于式（7）中包含了現(xiàn)狀年實際的用戶平均停電時間，在一定程度上可自動考慮某些變化不大的復(fù)雜因素（如氣候）。

4 實例分析

本文提出的模型和方法已在云南貴州等省的縣級電網(wǎng)規(guī)劃的可靠性評估中得以運用。現(xiàn)以某城區(qū)為例，根據(jù)其配電網(wǎng)特點，分別運用上文的規(guī)劃態(tài)簡化估算模型和修正估算模型進行分年度供電可靠性理論計算。

4.1 計算條件

參照實際統(tǒng)計資料并結(jié)合規(guī)劃態(tài)網(wǎng)架及線路的各項指標(biāo)，采用表3的計算條件。

4.2 計算結(jié)果分析

運用規(guī)劃態(tài)可靠性簡化估算模型和修正估算模型對表3的計算條件進行可靠性理論計算，結(jié)果如表4所示。從表4可以看出，運用兩種估算模型得到的估算結(jié)果相近，規(guī)劃網(wǎng)供電半徑、線路分段、環(huán)網(wǎng)率各年度的優(yōu)化程度及其它因素對可靠性的影響均被定量反映出來，可以清楚看到用戶平均停電小時數(shù)的減少量和供電可靠率的提升量，從而可以檢測規(guī)劃態(tài)中壓配網(wǎng)是否滿足設(shè)計要求。運用兩種模型的計算結(jié)果又有一定的差別，這是由于，第一種方法考慮了更全面的影響因素，通過規(guī)劃態(tài)各種影響因素的具體數(shù)值計算得到，而第二種方法較第一種方法忽略了次要的影響因素，是基于現(xiàn)狀網(wǎng)可靠性數(shù)據(jù)的一種修正方法。該方法以現(xiàn)狀網(wǎng)可靠性數(shù)據(jù)為依據(jù)，提高了規(guī)劃態(tài)評估結(jié)果的可信度。該方法可以不需要知道各因素的具體數(shù)值，只需知道反映各主要參數(shù)變化的比例因子，并且該方法可實現(xiàn)某幾個因素的單獨評估。

表3 某城區(qū)供電可靠性估算條件Tab.3 Reliability evaluation parameters of some city urban areas

表4 某城區(qū)可靠性指標(biāo)理論計算結(jié)果Tab.4 Reliaility evaluation results of some city urban areas

5 結(jié)語

本文提出了適用于中壓配網(wǎng)規(guī)劃網(wǎng)架可靠性評估的簡化估算模型和修正估算模型。兩種模型都不需要詳細的網(wǎng)架數(shù)據(jù)，特別是修正估算模型，為判斷規(guī)劃方案是否達到可靠性指標(biāo)提供了定量的參考依據(jù)。目前，所提模型和方法已在云南和貴州多個縣級電網(wǎng)規(guī)劃中得到應(yīng)用，實現(xiàn)了電網(wǎng)規(guī)劃中可靠性的定量估計。

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