同塔四回輸電系統可靠性分析

孫玉嬌，秦曉輝，周勤勇

(中國電力科學研究院，北京市100192)

0 引言

隨著經濟的快速發展和電力需求的不斷增加，電力系統規模不斷擴大。為提高電力傳輸的經濟性，采用高電壓、大容量輸電技術已成為一種必然趨勢，尤其在我國電力供應緊張、資源分布不均勻的情況下，采用超高壓、大容量輸電技術已是大勢所趨勢。

超/特高壓、大容量輸電一般需要更高的設備投資和更先進的技術水平，目前我國已建成750 kV超高壓交流線路、1 000 kV特高壓交流試驗工程及±800 kV特高壓直流輸電工程，并將在以后的幾十年內繼續實施超高壓、特高壓輸電技術，逐漸形成以特高壓線路為主網架的全國堅強的網架結構。

超高壓、特高壓線路與一般的高壓線路相比，其占用的用電走廊面積大，需要的桿塔高度高，對線路的絕緣水平也有較高的要求，總體投資較大。國外的研究及運行經驗表明，采用同塔多回輸電技術［1］及緊湊型輸電技術，可有效節省用電走廊面積，減少土地資源的使用，提高電網建設的經濟性。

我國土地資源有限，尤其在山區等地理條件特殊地區，其可以提供的用電走廊面積有限，因此，為節省用電走廊，減少投資費用，同時滿足大容量輸電要求，提出了采用同塔多回輸電技術和緊湊型輸電技術［2-8］。此外，在電網建設過程中，除了進行新線路建設，也需要對某些現有線路進行升級改造，這就可能導致相同電壓等級和不同電壓等級同塔多回線路同時存在。

同塔多回輸電技術的研究包括桿塔結構、耐雷水平、線路保護故障判別、絕緣子型式選擇與環境影響、運行與檢修特點［9］以及絕緣、防雷、電磁兼容［10］等很多方面。目前，我國在同塔多回輸電技術方面已開展了相關研究，包括對潛供電流和恢復電壓［11］、感應電流與感應電壓［12］、相序排列［13］、提高輸電能力的措施［14］、故障計算［15-16］、參數修正方法［17］、相模變換［18］、保護［19］、故障定位［20］及電磁環境仿真［21］等方面的相關研究內容。但在同塔多回可靠性方面，相關研究文獻較少，文獻［22］采用結構可靠度理論探討了可變荷載效應與永久荷載效應的比值對我國超/特高壓多回路桿塔結構可靠性的影響，文獻［23］運用馬爾可夫隨機過程理論導出了一種雙回平行輸電線路可靠性評估統一模型，文獻［24］提出了基于分離模型的考慮獨立停運、共因停運和相關停運的雙回平行輸電線路可靠性評估模型。但以上研究尚未給出同塔多回輸電系統可靠性分析的方法。

國外的同塔多回輸電線路多用在500 kV及以下電壓等級，而我國已建設了750 kV的超高壓和1 000 kV的特高壓，在超高壓和特高壓情況下采用同塔多回輸電技術，若同塔多回線路發生故障可能對系統的安全穩定運行產生嚴重影響，因此，研究超/特高壓情況下同塔多回輸電技術的可靠性對目前我國電網的規劃建設及安全穩定運行具有重要意義。

本文重點研究同塔四回輸電系統的可靠性，基于分離模型的可靠性評估方法［25］，給出同塔四回輸電系統及雙塔四回輸電系統中不同類型故障的概率計算公式，并結合實際工程統計數據，對比分析同塔四回輸電系統及雙塔四回輸電系統中各不同類型故障的概率，得出相關結論，以供電網規劃建設借鑒之用。

1 同塔四回輸電系統停運模型

同塔四回路輸電系統中各元件獨立停運的模型如圖1所示。圖中:λi表示同塔四回輸電系統中第i個元件獨立停運的停運率;ui表示第i個元件獨立停運的修復率;i=1，2，3，4。

圖1 同塔四回輸電系統中各元件獨立停運模型Fig.1 Independent outage model of different elements in four-circuit-on-same-tower power transmission systems

同塔四回路輸電系統中各元件同時停運的共因停運模型如圖2所示。圖中:λ4C表示同塔四回輸電系統中各元件共因停運的停運率;u4C表示同塔四回輸電系統中各元件共因停運的修復率。

圖2 同塔四回輸電系統中各元件同時停運的共因停運模型Fig.2 Common mode outage model of different elements in four-circuit-on-same-tower power transmission systems

同塔四回路輸電系統中2回路發生共因停運時的停運模型如圖3所示。圖中:λ2C12表示同塔四回路輸電系統中第1、2回線路共因停運的停運率;u2C12表示同塔四回路輸電系統中第1、2回線路共因停運的修復率;λ2C34表示同塔四回路輸電系統中第3、4回線路共因停運的停運率;u2C34表示同塔四回路輸電系統中第3、4回線路共因停運的修復率。

圖3 同塔四回輸電系統中2回線路同時停運的共因停運模型Fig.3 Common mode outage model of two lines four-circuit-on-same-tower power transmission systems

此外，同塔四回線路中還存在1、3回線路共因停運及2、4回線路共因停運的情況，其停運模型與1、2回線路共因停運及3、4回線路共因停運模型相似。

計算中，令:

2 同塔四回輸電系統線路停運概率

基于分離模型，對同塔四回輸電系統不同類型的線路停運概率進行了公式推導，具體結果見表1。

表1 同塔四回輸電系統中不同類型的線路停運概率計算公式Tab.1 Probability formula of different types of lines’outage in four-circuit-on-same-tower power transmission systems

3 雙塔四回輸電系統線路停運概率

基于分離模型，對雙塔四回輸電系統不同類型的線路停運概率進行了公式推導，具體結果見表2。

4 同塔四回與雙塔四回可靠性比較

假設單回線路的失效頻率為λi==1.5次 /a(i=1，2，3，4)，修復時間為20 h/次，則平均修復時間tMTTR1=30 h，因此可得單回線路的修復率為

進一步，可得到:

假設雙回線路同時失效的頻率為λij==1.5次 /a(i，j=1，2，3，4)，修復時間為 200 h/ 次，則tMTTR2C=300 h，因此可得到雙回線路的修復率為

進一步，可得到:

表2 雙塔四回輸電系統不同類型故障停運概率計算公式Tab.2 Probability formula of different types of lines’outage in four-circuit-on-two-tower power transmission systems

根據式(1)、(2)可得

假設四回線路同時失效的頻率為0.15次 /a，修復時間為300 h/次，則tMTTR4C=45 h，因此可得到四回線路的修復率為

進一步，可得到:

假設雙塔四回線路中四回線路同時失效的頻率為0.015 次 /a，修復時間為300 h/次，則=4.5 h，因此可得到四回線路的修復率為

進一步，可得到:

根據以上假設條件，將各種類型故障的失效率及修復率代入，得到同塔四回與雙塔四回線路的可靠性比較結果見表3。

由計算結果可以看出，同塔四回輸電線路與雙塔四回輸電線路相比，其可靠性要低于雙塔四回輸電線路。由于目前實際運行的同塔四回線路較少，故障頻率數據難以準確獲取，因此，具體的假設條件可能存在偏差，對可靠性結果會產生一定的影響。

表3 同塔四回輸電系統與雙塔四回輸電系統不同類型故障概率比較Tab.3 Comparison of outage probability of different types of faults between four-circuit-on-same-tower power transmission systems and four-circuit-on-two-tower power transmission systems

5 結論

(1)采用基于分離模型的可靠性評估方法，對同塔四回輸電系統可靠性進行了分析，給出同塔四回輸電系統中不同類型故障的停運模型，推導了同塔四回輸電系統及雙塔四回輸電系統中不同類型故障的概率公式，結合工程實際中常見的線路失效頻率和修復時間，對同塔四回輸電系統及雙塔四回輸電系統可靠性進行了分析和比較，可知同塔四回輸電系統可靠性低于雙塔四回輸電系統。

(2)本文所提供的方法可用于一般的同塔四回及雙塔四回輸電系統中不同類型故障概率的計算，也可用于指導電網的規劃建設及實際運行。

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