中高壓配電網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估算法綜述

江歸安

（新余學(xué)院，江西新余338000）

0 引言

配電網(wǎng)絡(luò)可靠性是指對(duì)從電源點(diǎn)輸送電力到供電點(diǎn)按可接受標(biāo)準(zhǔn)及期望數(shù)量滿足供電負(fù)荷電力和電能需求之能力的度量。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，85%以上的用戶停電的原因是配電網(wǎng)故障，因此提高配電網(wǎng)可靠性水平可以很好地改善供電質(zhì)量。另外，配電網(wǎng)絡(luò)可靠性研究可運(yùn)用于配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)和改造等工程實(shí)踐，這對(duì)目前電網(wǎng)公司實(shí)現(xiàn)堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)具有重要意義。同時(shí)，通過(guò)研究可靠性評(píng)估，努力改善配電網(wǎng)可靠性水平，不但可使用戶享受高質(zhì)量的電能供應(yīng)，也對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)可靠性水平的提高有著至關(guān)重要的作用。因?yàn)榕潆娋W(wǎng)絡(luò)處于電力系統(tǒng)末端，直接與用戶相連，擁有大量設(shè)備器件，其發(fā)生故障的概率也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大。因此，電力系統(tǒng)對(duì)用戶的供電能力和質(zhì)量很大一部分是由配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性來(lái)體現(xiàn)的。

1 配電網(wǎng)絡(luò)可靠性研究特點(diǎn)

必須立足于整個(gè)電力系統(tǒng)，全面和全方位地去考慮配電網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)的評(píng)估計(jì)算、分析、評(píng)價(jià)，以及改善可靠性水平的對(duì)策和措施。因?yàn)殡娏纳a(chǎn)到使用都是同時(shí)進(jìn)行的，配電網(wǎng)絡(luò)直接連接著用戶，配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性水平綜合反映了整個(gè)電力系統(tǒng)的可靠性水平。

研究配電網(wǎng)絡(luò)可靠性必須著眼于整個(gè)電力系統(tǒng)，全面、全方位展開研究。配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備眾多，而且比較分散，容易受氣候條件和外界環(huán)境影響。可能因?yàn)榘惭b和使用的位置和地區(qū)不同，或者負(fù)荷的性質(zhì)和大小不同，造成同一種設(shè)備的特性和狀態(tài)發(fā)生變化。

需要較長(zhǎng)的時(shí)間和數(shù)據(jù)積累。因?yàn)樵O(shè)備的型號(hào)、規(guī)格、容量大小和數(shù)量多少隨用戶負(fù)荷的變化而不斷改變，統(tǒng)計(jì)設(shè)備的可靠性參數(shù)和變化規(guī)律需要做大量測(cè)試，這是一個(gè)長(zhǎng)期過(guò)程。

研究配電網(wǎng)絡(luò)可靠性必須考慮配電網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式。因?yàn)榕潆娋W(wǎng)絡(luò)有多種結(jié)構(gòu)和運(yùn)行方式，如輻射型、環(huán)形、網(wǎng)狀等，配電網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)與其有著密切的關(guān)系。

2 配電網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估算法概述

配電網(wǎng)絡(luò)可靠性研究工作開始于20世紀(jì)60年代，由于統(tǒng)計(jì)工作的不斷完善和可靠性資料的不斷積累，配電網(wǎng)絡(luò)可靠性研究迎來(lái)了快速發(fā)展階段，逐漸形成了相對(duì)比較完善的理論體系。據(jù)資料顯示，可靠性算法主要有解析法和模擬法這兩種根本方法，我國(guó)在配電網(wǎng)絡(luò)可靠性研究方面正處于深入運(yùn)用解析法和探索使用模擬法的階段。一般來(lái)說(shuō)，進(jìn)行可靠性評(píng)估通常分三個(gè)階段：狀態(tài)選擇、狀態(tài)估計(jì)和指標(biāo)計(jì)算。解析法和模擬法的區(qū)別在于狀態(tài)選擇和指標(biāo)計(jì)算這兩個(gè)階段中。

解析法將元件或系統(tǒng)的壽命過(guò)程加以合理的理想化，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和元件的功能及兩者之間的邏輯關(guān)系來(lái)建立數(shù)學(xué)模型，再利用遞推和迭代過(guò)程對(duì)該模型進(jìn)行精確求解，求解過(guò)程通常需要計(jì)算機(jī)運(yùn)算程序，才能得出所要求的可靠性指標(biāo)。解析法采用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型和算法，其物理概念清晰，模型精度高，得到的結(jié)果也很理想。缺點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)模達(dá)到一定程度，計(jì)算十分復(fù)雜，且不宜處理相關(guān)事件。

解析法還可進(jìn)一步分為馬爾可夫法和網(wǎng)絡(luò)法兩種方法，其中網(wǎng)絡(luò)法也叫做故障模式影響分析法（Failure Mode and Effect Analysis，F(xiàn)MEA），它是最常用的方法，也是其他方法的基礎(chǔ)。FMEA法通過(guò)搜索網(wǎng)絡(luò)中各元件的狀態(tài)，列出全部可能的系統(tǒng)狀態(tài)，然后根據(jù)所規(guī)定的可靠性判據(jù)對(duì)系統(tǒng)所有的狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)分析，找出系統(tǒng)的故障模式集合，再求解可靠性指標(biāo)。FMEA法適用于簡(jiǎn)單的配電網(wǎng)絡(luò)，不適合帶有復(fù)雜分支饋線的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)閺?fù)雜網(wǎng)絡(luò)故障模式眾多，計(jì)算量急劇上升。

Monte Carlo模擬法在國(guó)外運(yùn)用得比較多，用Monte Carlo法可以模擬配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，它是以抽樣統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行狀態(tài)選擇，而不是故障枚舉法來(lái)得到元件的可靠性參數(shù)。配電網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)元件有可用和不可用兩種狀態(tài)，這兩種狀態(tài)有一定的概率分布。系統(tǒng)的狀態(tài)是從元件概率分布函數(shù)中抽樣確定，然后對(duì)產(chǎn)生狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，一個(gè)模擬序列表示一個(gè)實(shí)際樣本，系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)是在累積了足夠數(shù)目的樣本后，對(duì)每次狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到的。

模擬法適合計(jì)算規(guī)模非常龐大的配電網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗蟮哪M次數(shù)與網(wǎng)絡(luò)的大小無(wú)關(guān)，在處理故障相關(guān)性、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷相關(guān)性及按時(shí)序進(jìn)行的操作方面有很好的效果，而且還可反映負(fù)荷的隨機(jī)變化特性，不需對(duì)實(shí)際問(wèn)題做過(guò)多的簡(jiǎn)化和假設(shè)，處理實(shí)際問(wèn)題更加全面。但是模擬法有兩個(gè)缺點(diǎn)，一是估計(jì)量的方差系數(shù)隨樣本容量的增大按平方根的關(guān)系下降；二是系統(tǒng)的可靠性水平越高，在同樣的樣本容量下模擬估計(jì)量的精度越差。

混合法是將兩種或多種方法結(jié)合起來(lái)，或者利用原方法某些思想經(jīng)過(guò)改進(jìn)得到一種新的方法。可以是將解析法和模擬法結(jié)合起來(lái)，也可以是解析法與解析法相互結(jié)合。

混合法最大的特點(diǎn)就是它能做到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，彌補(bǔ)對(duì)方的缺陷，使新方法能解決單一方法不能解決的問(wèn)題。如將解析法和Monte Carlo模擬法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，新方法既可以考慮配電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行情況，且不受網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度限制，又可以提高模擬效率和評(píng)估精度。

3 配電網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估算法比較

到目前為止，配電網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估算法達(dá)到了十幾種之多，可大致將這些方法分成三類：

第一類是一些比較基本的評(píng)估算法，這些方法包括最小路法、網(wǎng)絡(luò)等值法、故障遍歷法等。

最小路法是根據(jù)最小路原理，對(duì)每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)求取它的最小路，然后根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，將非最小路上的元件故障對(duì)負(fù)荷點(diǎn)可靠性的影響，折算到相應(yīng)的最小路的節(jié)點(diǎn)上，從而只需對(duì)其最小路上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算，就可得到負(fù)荷點(diǎn)相應(yīng)的可靠性指標(biāo)。最小路法的優(yōu)點(diǎn)是考慮了配電網(wǎng)絡(luò)的各種實(shí)際情況，能準(zhǔn)確計(jì)算輻射型線路的可靠性指標(biāo)。但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜時(shí)，求取最小路需要大量時(shí)間，也比較復(fù)雜。

網(wǎng)絡(luò)等值法是利用一個(gè)等效元件來(lái)代替一部分配電網(wǎng)絡(luò)，從而將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)逐步簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單輻射狀的主饋線系統(tǒng)。這種等效方法能夠化繁為簡(jiǎn)，對(duì)輻射型配電網(wǎng)具有良好的適應(yīng)性，能夠避免FMEA法中故障模式太多的困難。但當(dāng)分支饋線及其元件較多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)等值法等效需要很大計(jì)算量，發(fā)揮不出它的核心優(yōu)勢(shì)。

故障遍歷法是一種基于故障枚舉的思想，利用遍歷技術(shù)的評(píng)估算法。先根據(jù)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)建立故障樹，找出每種可能出現(xiàn)的故障，然后分析每種故障下各用戶的停電情況，最后疊加各種故障下負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)。故障遍歷法能有效考慮系統(tǒng)的容量約束，對(duì)帶子饋線的復(fù)雜配電網(wǎng)具有很強(qiáng)的處理能力。

第二類是在基本評(píng)估方法基礎(chǔ)上通過(guò)改進(jìn)和優(yōu)化，或結(jié)合幾種基本評(píng)估算法而產(chǎn)生的評(píng)估算法，如最小割集法、單向等值法、區(qū)間評(píng)估法、向量法、分層評(píng)估算法、故障擴(kuò)散法等。

第三類是考慮工程實(shí)際，利用模擬法中的概率統(tǒng)計(jì)理論，使評(píng)估更貼近實(shí)際配電網(wǎng)運(yùn)行情況的評(píng)估算法，如基于敏感度分析的可靠性算法、基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的評(píng)估算法、考慮容量約束的評(píng)估法等。

這些算法各有特點(diǎn)，有利有弊，在解決某一方面問(wèn)題上可能具有優(yōu)勢(shì)，但在另一方面就可能存在不足。在選擇使用哪種配電網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估算法問(wèn)題上，理想的辦法就是根據(jù)實(shí)際配電網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)來(lái)選擇相應(yīng)的評(píng)估算法。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述了可靠性及電力系統(tǒng)可靠性的基本概念，較詳細(xì)地介紹了配電網(wǎng)絡(luò)可靠性分析的基本內(nèi)容和基礎(chǔ)知識(shí)；總結(jié)了國(guó)內(nèi)學(xué)者提出的各類可靠性計(jì)算方法并進(jìn)行分類，并指出了各類算法的特點(diǎn)和適合運(yùn)用的情況。