復雜配網可靠性分塊算法的關鍵技術

郭小磊

（廣東電網公司珠海供電局，廣東珠海519000）

1 引言

配電系統(tǒng)可靠性的研究起始于1960年。目前，配電系統(tǒng)可靠性的評估分析主要是面向系統(tǒng)元件和負荷節(jié)點的，根據(jù)方法的不同可以分為解析法、模擬法、人工智能算法以及將各種方法相互結合的混合法［1］。解析法概念簡單、思路清晰，在簡單系統(tǒng)的可靠性評估方面有較大優(yōu)勢。但是當系統(tǒng)規(guī)模增大時，其計算量呈指數(shù)上升，當系統(tǒng)非常復雜時，則容易造成維數(shù)災難。而且解析法模型的建立往往要對系統(tǒng)的很多條件做較多簡化，給其應用造成了很大的麻煩。解析法主要包括故障模式后果分析法、最小路算法網絡等值法和網絡等效法、故障擴散法。模擬法相比于解析法，優(yōu)點在于適合進行復雜電力系統(tǒng)的可靠性計算，但是該類方法很難達到較高的計算精度。最經典的模擬法當屬蒙特卡洛法［2］。

本文對復雜中壓配電網的可靠性評估分塊算法進行技術分析和完善，以期望促進分塊算法在配網可靠性計算中的應用。

2 節(jié)點故障類型的確定

配電系統(tǒng)的可靠性研究，常采用故障模式后果分析法（failure mode and effect analysis，縮寫為FMEA）。該方法利用元件可靠性數(shù)據(jù)，形成故障模式庫，分析每個元件失效事件及其對負荷的影響，最終得出負荷點及系統(tǒng)可靠性指標。其基本方法是，綜合分析系統(tǒng)中所有元件故障模式對單個負荷點的影響，在此基礎上得出負荷點的可靠性指標。

要分析故障對負荷點的影響，就要對故障后的網絡節(jié)點進行分類。節(jié)點的故障分類是配電網可靠性評估的基礎［3］。配電網故障發(fā)生后，不同的負荷受不同設備的保護，停電類型是不一樣的。網絡中某一點發(fā)生故障后，斷路器會以極短的時間動作，停止對故障點供電，斷路器上游的負荷不受任何影響，而下游的負荷會立即停電。斷路器動作以后，線路上的相應分段開關在人為操作下動作，將故障區(qū)段電壓隔離，為非故障區(qū)段的恢復供電做好準備。分段開關動作成功以后，斷路器重新合閘，恢復故障點逆潮流方向部分區(qū)域的供電。大多數(shù)情況下，配網饋線的末端可以設置切換開關，實現(xiàn)故障饋線完成相關隔離操作之后的互聯(lián)和轉供，恢復故障點順潮流方向部分區(qū)域的供電。

故障發(fā)生后，對網絡中不同的負荷有不同的影響，根據(jù)停電時間的不同，節(jié)點可分為四類。a 類：正常節(jié)點，即故障事件發(fā)生后開關（主要是斷路器和熔斷器）正確動作不受故障影響的節(jié)點；b 類：故障節(jié)點，但可以通過分段開關的操作恢復供電，故障時間為隔離操作時間；c 類：故障節(jié)點，但可以通過隔離操作與切換操作的配合恢復供電，故障時間為隔離操作時間加切換操作時間的節(jié)點；d 類：故障節(jié)點，故障排除前無法通過操作恢復供電，故障時間為元件修復時間的節(jié)點［4］。

因此，故障事件發(fā)生后，實現(xiàn)節(jié)點故障類型劃分的思路如下。

（1）從故障元件出發(fā)，逆潮流方向搜索到斷路器或熔斷器則停止，該斷路器或熔斷器之后的所有節(jié)點為b 類、c 類或d 類；網絡中的其他節(jié)點為a 類；

（2）從過程（1）中首次遍歷到的分段開關到該斷路器，之間的所有節(jié)點的故障類型均為b 類；若在過程（1）之中沒有搜索到分段開關，則說明本次故障事件發(fā)生后，沒有b 類節(jié)點；

（3）從過程（1）之中首次遍歷到的分段開關開始，（如果不存在該開關，則從斷路器或熔斷器開始），順潮流方向遍歷，到所有方向都搜索到斷路器或分段開關則停止，中間遍歷到的所有節(jié)點均為d 類；

（4）從步驟（1）的終點開始順潮流方向進行搜索，可通過切換開關獲得電源的節(jié)點為c 類；否則為d類。

3 網絡分塊的形成

通過分析發(fā)現(xiàn)，配電網絡中有這樣一種現(xiàn)象，某區(qū)域內任一元件故障后，所引發(fā)的開關狀態(tài)變化完全一致，對整個網絡所造成的影響（負荷點故障類型及負荷點停電時間）也都完全一致［5］。這樣的區(qū)域是以網絡中的開關設備為界限的。當某一線路出現(xiàn)故障，與該線路相連的未安置分段開關的線路的停電時間都是故障修復時間r，故障處上游的電氣距離最近斷路器上游的的線路不受故障影響，故障處上游的線路（不受斷路器隔離保護）的停電時間都是分段開關的切換時間t1，故障處下游的所有線路的停電時間都是聯(lián)絡開關的倒閘時間t2。因此，可以以此為依據(jù)在配網可靠性評估中對網絡進行分塊。

網絡鄰接矩陣可以詳細的描述有直接聯(lián)系的節(jié)點間開關配置的狀態(tài)，因此可根據(jù)該矩陣進行分塊。

根據(jù)鄰接矩陣中所描述的父子關系，進行網絡分塊的原則為：

（1）若父節(jié)點與子節(jié)點之間有開關設備，則二者分屬不同的塊，且二者間的支路與遠離開關的節(jié)點同分塊。若父節(jié)點與子節(jié)點之間無開關設備，則二者同分塊。

（2）若父節(jié)點與子節(jié)點同分塊，該子節(jié)點又與自己的子節(jié)點同分塊，則三者同分塊，以此類推。

在該原則的指導下，實現(xiàn)網絡分塊的具體思路如下：

（1）從網絡根節(jié)點出發(fā)，順潮流方向搜索，到所有方向遍歷到開關或者到達線路末端停止，其中的所有元件屬于同一分塊；

（2）從上一步驟的停止位置（線路末端除外）開始，順潮流方向搜索，到所有方向都遍歷到開關或者到達線路末端停止，其中的元件屬于同一分塊；（注：若上一步驟中有多個停止位置，則每個位置都需要單獨進行本次操作）。

（3）重復進行（2）操作，直到所有方向都到達線路末端，則分塊完畢。

4 可靠性參數(shù)等效計算

網絡分塊后，同一分塊內的所有負荷點的故障類型和停電時間也完全一樣。各分塊具有整體性，塊的結構不會因運行方式的變化而變化［6］。于是，可以對塊內元件進行串聯(lián)等效，加快可靠性計算。

分塊內等效計算為：

式中：λs、rs為系統(tǒng)的等效故障率和等效修復時間，N 為分塊內的元件個數(shù)，λi、ri分別為第i 個元件的故障率和修復時間。

本文所描述的分塊計算方法與普通的可靠性計算方法比較，最核心的區(qū)別在于，普通算法的故障枚舉是以單個元件為單位，而本文所述方法則是以分塊（內含多個單元件）為單位。這樣的改進，大大減少了枚舉次數(shù)，節(jié)省了大量的搜索時間，而計算準確度卻完全相同。

5 簡化配網模型

經過以上的分塊與網絡等效之后，系統(tǒng)中的節(jié)點和元件數(shù)目都會大大減少。這就使得，等效完成之后，原有的節(jié)點和連接關系無法出現(xiàn)在新的模型之中，因此必須對網絡的拓撲結構加以調整。

對網絡拓撲結構的重新調整，不能改變系統(tǒng)原本的可靠性特征。在新的網絡中，母線、等效饋線支路、開關必須保持原有的連接關系。而對于分支饋線，主要有兩種情況。一種是分支線連接在兩個開關之間的節(jié)點上，這種分支饋線等效后可以保持原有的連接關系。第二種是分支線連接在某個饋線塊內部的某一個節(jié)點上，這種分支線等效后，連接到該饋線塊等效支路的末端。當然，等效分支線支路的末端就是負荷點。

簡化配電網絡模型的具體方法為：

（1）網絡分塊完成之后，計算各等效饋線支路的等效可靠性參數(shù)；

（2）將饋線塊和與其內部某節(jié)點相連的分支線塊（如果有這樣的分支線）形成一個組合，將分支線塊的始端節(jié)點距饋線塊首末兩端的電氣距離作為自身的一個屬性記錄；

（3）分別對等效饋線塊和等效分支線塊的兩端節(jié)點進行重新編號；

（4）等效分支線塊的始端節(jié)點與相應組合中的等效饋線塊的末端節(jié)點編號相同［7］。

6 配網可靠性分塊算法的操作流程

（1）讀入系統(tǒng)可靠性參數(shù)，并計算正常情況下的潮流；

（2）根據(jù)鄰接矩陣和分塊原則，將系統(tǒng)劃分為若干分塊；

（3）運用公式計算各個分塊的等效故障率和等效平均停電時間；

（4）以塊為單位枚舉故障事件，確定開關隔離范圍和各節(jié)點的故障類型；

（5）根據(jù)節(jié)點分類和消減負荷量計算節(jié)點的可靠性指標；

（6）檢查故障事件是否枚舉完畢，若未完，則轉（4），否則繼續(xù)；

（7）形成系統(tǒng)的可靠性指標；

（8）計算完畢，輸出計算結果

7 算例分析

對RBTS－BUS5 的一條線路進行可靠性分析，具體線路參數(shù)見文獻［8］。通過分塊算法計算后得到的簡化配網模型如圖1所示。經等效計算，各分塊的等效故障率和等效平均修復時間如表1所示。

圖1 RBTS－BUS5 的簡化網絡模型

表1 各分塊的等效可靠參數(shù)

運用故障后果模式法對簡化模型進行分析，可以得到如下的可靠性指標。

各個節(jié)點的負荷點指標如表2所示。

表2 各節(jié)點的可靠性指標

根據(jù)可靠性計算公式得出的系統(tǒng)可靠性如下表3所示。

表3 系統(tǒng)的可靠性指標

8 結束語

本文為了提升利用分塊算法進行可靠性計算的準確性和快速性，總結了故障后實現(xiàn)節(jié)點故障類型劃分的思路，闡述了利用鄰接矩陣進行節(jié)點故障類型劃分的原則，給出了建立簡化配網模型的具體方法，利用算例證明了該方法的實用性。

［1］彭 鵠，謝開貴，邵 黎.基于開關影響范圍的復雜配電網可靠性順流評估算法［J］.電網技術，2007，31（9）：13－16.

［2］R.Billinton，Li W.Reliability Assessment of Electric Power Systems Using Monte Carlo Methods［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1997，10（23）：1019－1025.

［3］李聰利等.關于配電系統(tǒng)可靠性的研究［J］.天津電力技術，2005，4（12）：15－17.

［4］李衛(wèi)星，李志民，劉迎春.復雜輻射狀配電系統(tǒng)的可靠性評估［J］.中國電機工程學報，23（3），2003：69－73.

［5］劉柏私，謝開貴，馬春雷.復雜中壓配電網的可靠性評估分塊算法［J］.中國電機工程學報，2005，25（4）：40－45.

［6］A ntonino Augugliaro，Luigi Dusonchet.Minimum Losses reconfiguration of MV Distribution Networks Through Local Control of Tie－Switches［J］.IEEE Trans.On Power Delivery，2003，18（3）：762－771.

［7］周念成，謝開貴，周家啟等.基于最短路的復雜配電網可靠性評估分塊算法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2005，29（22）：39－44.

［8］Roy Billinton，Satish Jonnavithula.A Test System for Teaching Overall Power System Reliability Assessment［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1996，11（4）：1670－1676.