配電系統可靠性分析概述

石慶松　吳常勝　袁祖慧　孫斌

摘 要：本文詳細闡述了配電系統可靠性的基本概念、特點及常用指標，介紹了配電系統可靠性的常用算法，給出了它們的適用情況和不足之處。本文對各種改進算法進行了比較和分析，指出了各自的優缺點。并對配電系統可靠性的研究工作提出了建議和展望，為今后的研究工作提供了一定的借鑒。

關鍵詞：配電系統；故障模式；可靠性

0 引言

配電系統包括架空線路、隔離開關、斷路器等元件。元件眾多，且進行可靠性分析時除了知道這些元件的可靠性參數外，還要知道這些參數的分布情況，使得可靠性計算變得比較復雜。可靠性分析的基本方法分為解析法和蒙特卡洛模擬法，通過分析它們的優缺點，得出解析法更適合對配電系統進行分析，不便于進行計算復雜配電網絡可靠性的問題，學者們進行了各方面的改進，最后對未來的研究方向進行了總結與展望。

1 配電系統可靠性指標

配電系統是聯系用戶與電源側的一級系統，它直接影響著用戶側的供電質量，因此配電系統的可靠性分析是一個十分重要的課題。配電系統可靠性評價標準主要從用戶側（供電質量）及系統側（平均服務質量）兩個方面考慮。

1.1 負荷點側可靠性指標

負荷點側可靠性指標是指負荷側的可靠性評估的衡量尺度，表明配電故障的局部性影響，并可作為下一級系統側可靠性評估的依據。其主要指標有：負荷點故障率、負荷點故障平均停電時間、負荷點的年平均停電時間等。

1.2 系統側可靠性指標

系統側可靠性指標是來評價系統側直接向用戶側供給電能和分配電能的配電系統的本身及其對用戶供電性能的尺度。它是全局的，表明故障對整個系統的影響。常用指標有：系統平均停電頻率指標SAIFI、平均供電可用率指標ASAI、系統平均停電持續時間SAIDI用戶平均停電頻率指標CAIFI、平均供電不可用率指標ASUI、用戶平均停電持續時間CAIDI等。

2 可靠性分析基本方法

（1）故障模式后果分析法（FMEA）

它是一種常用的解析方法，基本過程為：首先通過對電網某個元件的分析，對系統進行預想事故后的選擇，即確定負荷點的失效事件，并對各個預想事件進行系統補救和潮流分析，建立故障模式及后果分析表，查清每個基本故障事件及后果，然后綜合分析后得出負荷點可靠性指標，最后來計算配電系統可靠性指標。

（2）蒙特卡羅模擬法

與解析法所不同的是，蒙特卡洛模擬法采用抽樣的方法進行狀態的選擇，即根據不同設備概率分布函數抽樣來確定系統的狀態，然后對產生的狀態進行狀態估計。解決了由于大規模配電網中的元件眾多而帶來巨大計算量的問題，但它的計算精度與計算時間的平方成反比，要提高精度，用模擬法的計算的時間將會顯著增加。

（3）解析法與模擬法的混合

由于蒙特卡洛模擬法與解析法比較各有所長，且各自的優缺點互為補充，所以混合法就應運而生。該方法很容易將與其它減少蒙特卡洛模擬方差的方法相結合，從減小方差的技巧和加快狀態評估的速度兩方面進行入手，既提高了模擬收斂的速度，又減小了每次狀態評估的時間，較好的解決了蒙特卡洛模擬法計算速度與計算精度之間的矛盾。

3 改進方法

模擬法和解析法各有所長，但是在進行配電系統可靠性評估中，解析法可以更好的發揮其優勢，所以實際中大部分的改進方法都是建立在解析法基礎上的。

3.1 基于模型的改進方法

（1）模型全面化

中低壓配電系統中的負荷點和系統可靠性除了與線路的故障點有關外，還與電力系統中各種開關、母線等元件的故障有關，計算了負荷點的可靠性指標和系統之間的可靠性指標。此模型在進行敏感分析和找出系統最薄弱點等方面更為有利，會考慮得更加全面，反映的情況也更為真實有效。

（2）模型簡約化

僅僅將線路上的柱上開關看作是一個節點，而將配電線路和變壓器綜合看作是一種耗散元件。可以避免由于量測點較少而導致的配電網潮流分析困難，因此可以大大地方便了配電自動化的高級應用功能的實現。但是此模型根據配電網潛在的連接關系和饋線開關的位置等推算出配電網當前連接關系，根據節點的負荷推算出供出負荷的或者根據饋線供出負荷推算出負荷，存在誤差。

3.2 基于算法的改進

基于所有算法的改進計算，都是為了減小FMEA的計算量，都是在列舉故障狀態這一步進行的改進。主要有以下幾個方法：

（1）網絡等值法

其基本思想是利用一個等效網絡元件來代替一部分配電網絡，從而將復雜結構結構的配電網逐步簡化成簡單的輻射狀主饋線系統。在向下等效的過程當中，將上級饋線對下級饋線的影響力用一個串在下級饋線首尾端的等效節點元件來進行代替。

（2）最小路—最小割集法

對于簡單輻射網配電系統，可以先求各負荷點到電源點的最小路，再分別進行考慮最小路上的元件和非最小路上的各個元件對負荷點可靠性的貢獻，即把系統中的各個元件分成最小路元件和非最小路元件后，然后對于每個負荷點，僅對其最小路上的各個元件與節點進行計算即可得到相應的可靠性指標。此算法考慮了分支線保護、分段斷路器、隔離開關、及計劃檢修的影響，并且能夠處理有無備用電源及有無備用變壓器的情況。

3.新發展

在現代經濟社會和電力負荷發展較快的大環境下，傳統的供電可靠性指標已經不能完全滿足時代的要求，越來越多的研究者認識到電能質量對配電可靠性的影響，由于暫態電能質量問題，特別是母線電壓暫降和短時間中斷對供電可靠性的影響較大，應建立起科學合理的、能反映供用電雙方利益的、操作性好的配電系統可靠性分析體系。有些文獻提出一些新的可靠性評估分析方法，不僅對系統進行充裕性的分析，還通過位能邊界曲面方法對電網進行暫態穩定性分析，對所選的偶發故障下臨界清除時間和能量裕度的計算均具有較高的準確性和較快的速度。

4.結語

本文主要對目前較常用的配電系統可靠性評估算法進行了深入分析比較，指出了各種算法的特點及適用的情況。現有的配電系統可靠性評估算法大部分都是在故障模式與后果分析法基礎上，從模型提出、評估方法等方面進行了改進，考慮了斷路器、隔離開關、分段開關、聯絡開關以及運行模式的影響，在很大程度上解決了FMEA的計算量隨電網元件數目的增長而呈指數規律增長的問題，能夠實現大規模配電網系統的可靠性評估。但由于我國配電系統可靠性研究工作開始的較晚，各方面還有很多不足之處，還有待完善，尤其是隨著我國配電網自動化的進一步發展，實現在配電網重構基礎上的配電系統可靠性動態評估需要進一步的深入研究。

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