基于邏輯表格法的水電站電氣主接線可靠性分析

李鴻儒，楊文韜，朱志剛, 郭 寧

(1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司,昆明 650000；2.北京博超時代軟件有限公司，北京 100000)

0 前 言

隨著新能源的迅速發展，抽水蓄能電站的建設顯得尤為重要，而抽水蓄能電站裝機容量大，基本都需要對電氣主接線可靠性進行評估?？煽啃允侵冈拖到y在規定條件下和預定時間內，完成預定功能的概率[1]。水電站電氣主接線可靠性是指在設計水平年(或規定時間)和規定條件下完成向電力系統發送或吸收預定電量的概率?？煽啃苑治龅姆椒ㄓ泻芏啵Ｓ玫闹饕羞壿嫳砀穹?、最小割集法、故障模式與后果分析法、蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬法等[2]。

邏輯表格法由蘇聯學者于19世紀70年代提出，與其他方法相較，該方法比較簡單直觀、易于理解，也是較早應用于中國電力系統可靠性分析的方法之一，但由于該方法計算機程序不易編制，目前基本上處于手工計算階段[3]。鑒于此，中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司與北京博超時代軟件有限公司進行合作，基于AutoCAD進行二次開發，實現了適用于水電站、抽水蓄能電站高壓側電氣主接線可靠性分析的邏輯表格法的程序化，并對分析所需的電氣設備可靠性基礎統計數據進行收集和整理，可提高工程設計中的工作效率。

1 邏輯表格法程序化

1.1 水電站電氣主接線可靠性分析特點

DL/T 5186-2004《水力發電廠機電設計規范》中規定裝機容量750 MW及以上的水電廠應對電氣主接線可靠性進行評估。水電站電氣主接線按電壓等級可分為發電機電壓接線和升高電壓側接線，發電機電壓接線方式簡單明了，易于判別可靠性。

水電站升高電壓側接線主要涉及的電氣設備有斷路器、隔離開關、互感器及避雷器等，隔離開關和互感器的數量較多，如果所有設備都被考慮，分析將變得相當復雜，通常采用把其他元件故障率合并到斷路器的簡化處理方法?？紤]到隔離開關、互感器及避雷器故障率與斷路器相差一個數量級[4]，本文中只考慮斷路器、母線和送出線路的故障與檢修情況。

1.2 邏輯表格法

電氣主接線可靠性分析用的邏輯表格法，在文獻[5]中有較詳細的介紹，以連通性作為判據，根據電氣主接線的接線方式，考慮單重及一個元件處于檢修，另外一個發生故障的所有可能情況，將其發生概率及造成的停運時間一一列出，再根據所需的可靠性指標進行匯總，得到決策事件表。邏輯表格法依賴于接線方式，不易編程，不適合用于大規模的電力網分析，但能很好的用于元件數量不多，接線簡單的網絡，在水電站、抽水蓄能電站電氣主接線可靠性分析中具有很好的適用性。

1.3 基礎參數定義

(1) 平均故障率及檢修率

故障率是指可修復設備在單位時間內的平均故障次數，用λ表示，單位為次/(臺·a)。

平均檢修率是指可修復設備在單位時間內的計劃檢修次數，用μ表示，單位為次/(臺·a)。

(2) 故障平均停運時間及檢修平均停運時間

故障停運時間是指為了發現和消除一次故障所必須的修復時間，用Tg表示，單位為h。

檢修平均停運時間是指設備檢修一次所需要停運的平均時間，用Tj表示，單位為h。

(3) 計劃檢修系數

計劃檢修系數是指設備處于計劃檢修狀態的時間概率，按下式計算[5]：

(4) 計劃檢修時間

計劃檢修時間指1a內設備檢修需要停運的時間，h/(臺·a)。

1.4 斷路器故障率修正

斷路器的操作次數及故障率和與其連接的元件相關，由于統計所得的故障率是斷路器的平均故障率，因此有必要采用合適的故障模型，對主接線中處于不同位置及不同運行條件的斷路器故障率進行修正。

(1) 有出線的中間斷路器

有出線的中間斷路器指位于兩個斷路器之間且兩側分別連接有送出線路和發變組的斷路器，其修正如下：

(2) 無出線的中間斷路器

無出線的中間斷路器指位于兩個斷路器之間且兩側都接有發變組的斷路器，其修正如下：

式中：λx為修正后的斷路器平均故障率；λp為統計的斷路器平均故障率；Kj為斷路器靜態系數，一般取0.3；Kq為斷路器切短路系數，一般取0.3；Li為送出線路長度，百公里；Lp為平均線路長度，百公里；Kc為斷路器操作系數，一般取0.4；Np為斷路器年平均操作次數，次/(臺·a)，我國取24；Nc為高壓斷路器因機組的啟停，每年增加的操作次數，次/(臺·a)，當Nc難以確定時，可取Nc=Np；λG、λT及λGB分別為水輪發電機組、主變壓器及發電機斷路器平均故障率，次/(臺·a)；λL為送出線路平均故障率，次/(百公里·a)。

線路側斷路器、主變壓器-機組側斷路器修正詳見文獻[6]。母聯斷路器、分段斷路器及聯絡變壓器斷路器故障率不做修正，取λp。

1.5 機組和線路停運時間計算

水電站、抽水蓄能電站作為電能輸出元件，其電氣主接線的始端為水力發電機組，末端為送出線路，其可靠性主要考核機組和線路的停運情況。造成機組或線路的停運的情況可按如下分類：

機組或線路的停運分為可通過配電裝置倒閘操作即可恢復運行和不可通過倒閘操作恢復運行2種情況。倒閘有效時，設備停運時間為：

Tt=Tf+mTc

(4)

式中:Tf為運行維護人員發現故障時間，取0.3h；Tc為隔離開關操作時間，取0.1h；m為需要操作的隔離開關個數。

倒閘無效的情況，其停運可能由單個元件造成，也可能因2個元件引起。由單個元件造成的，如線路自身停運或與機組串聯的設備停運，其停運時間取決于停運設備的修復時間Tg或Tj。因2個元件引起的停運指某個元件處于檢修時另一個元件又發生故障的情況，該情況又分為2個元件的共同作用和雙重作用2種，共同作用指2個元件同時停運才會造成不連通，2個停運元件中只要有一個被修復就可以恢復運行，其造成的停運時間為[5]：

雙重作用是指2個元件中只要有一個停運就會造成不連通，只有2個停運元件都被修復才能恢復運行，其造成的停運時間為：

1.6 邏輯表格編制

用于可靠性分析的邏輯表格如表1所示。

表1 邏輯表(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,n)

表中，第一列為故障元件名稱，Bi、Li及Mi分別表示第i個斷路器、第i回送出線路及第i條母線，需把所有考慮的斷路器、出線及母線都列出；第二列為元件故障率，λxi、λLi及λMi分別表示第i個斷路器、第i回送出線路及第i條母線的故障率；第一行為檢修元件名稱，Bj、Lj及Mj分別表示第j個斷路器、第j回送出線路及第j條母線，需把所有考慮的斷路器、出線及母線都列出；第二行為元件計劃檢修系數，KBj、KLj及KMj分別表示第j個斷路器、第j回送出線路及第j條母線的計劃檢修系數；“0”表示沒有元件在檢修的情況，對應的狀態系數(概率)為：

第j個元件在計劃檢修，又碰上第i個元件故障時，其造成的停運數據填寫在第i行與第j列交叉的表格內，表1中只列出了Bj元件在檢修碰上Bi元件故障時造成的停運數據，其余用“*”簡化表示。

停運數據，第一行為停運設備名稱，Ti、Li及nT分別表示第i個主變壓器-機組單元、第i回出線及n個主變壓器-機組單元同時停運的情況，需把所有需要考慮的停運情況列出；第二行為設備停運的頻率，如wij表示Ti設備停運的頻率，其值為[5]：

wij=λxiKBj

(8)

其余用“-”簡化表示，如果有造成對應設備停運則填寫，沒有則不填；第三行為設備停運的時間，如Tt表示Ti設備停運的時間，其余用“～”簡化表示，如果有造成對應設備停運則填寫，沒有則不填；第四行為一年內元件停運總時間，如Ta表示Ti設備一年內停運的總時間，其值為：

Ta=wijTt

(9)

其余用“/”簡化表示，如果有造成對應設備停運則填寫，沒有則不填。

水電站、抽水蓄能電站內部雙重故障出現機率較小，表1中未考慮雙重故障，即2個設備同時發生故障的情況，如果進一步考慮雙重故障，可對表格進行擴展，在表格第一、二行中增加故障元件名稱及故障率，并在對應交叉表格中填寫停運數據加入統計分析。

1.7 邏輯表格程序化

邏輯表格的計算機程序是基于VisualStudio開發環境，運用ObjectARX開發軟件包對AutoCAD平臺進行二次開發完成的，最終生成arx文件，加載到AutoCAD中進行使用。程序流程如圖1所示。通過模型及參數輸入流程可在AutoCAD中繪制用于可靠性分析的電氣主接線簡圖及輸入設備的基礎參數。程序將根據電氣主接線簡圖對斷路器(CB)類型進行判定，并基于輸入的基礎參數對斷路器故障率進行修正，接著對故障情況進行分析，并計算出機組和出線的停運時間，最后在Excel中生成邏輯表，并基于邏輯表匯總出決策事件表。有了決策事件表之后，其余可靠性分析用表是比較容易編制的，也可以根據不同的關注點，制作不同的比較用表。

圖1 程序流程

程序流程中，機組和出線停運時間計算的關鍵是對故障影響進行分析，涉及到的一些基本運行規則如下：

(1) 元件處于檢修狀態時，元件本身不連通，但與檢修元件隔離開的其他設備可以正常運行;

(2) 元件發生故障時，會跳開兩側所有的斷路器，通過操作隔離開關把故障元件隔離后，跳開的斷路器可恢復運行;

(3) 同一設備計劃檢修與故障不會重疊，對應的交叉表格停運數據不填寫;

(4) 并聯的元件，當其中的一個停運時，可以通過另外一個元件進行連通，所有的并聯元件同時停運將造成不連通。

2 實例分析

2.1 設備可靠性基礎統計數據整理

設備可靠性統計數據是進行可靠性分析的基礎，目前采用邏輯表格法進行可靠性分析所基于的數據大多還是20世紀90年代的。文章對我國近些年發布的設備可靠性指標進行了收集，整理如表2所示。

表2 設備可靠性基礎統計數據

表中，1992年的數據來自《水電廠電氣主接線可靠性計算導則》，其中括號內為GIS設備數據，相應的括號外為敞開式設備數據；1995—1999年的數據來自文獻[7]，文獻未提供330kV的數據及母線故障平均停運時間；2001—2005年的數據來自文獻[8]；2011—2016年的數據來自文獻[4]和[9]；2017年的數據來自文獻[4]。表2中的數據都是基于文獻近似處理所得，近似認為故障率等于強迫停運率或非計劃停運率(1992年數據除外)。關于強迫停運率和非計劃停運率的定義詳見DL/T837-2003《輸變電設施可靠性評價規程》。

從表2中可以看出，相比過去，設備故障率已有明顯降低。文章以時間較近的2017年可靠性統計數據進行的實例分析，發電機斷路器λGB平均故障率取0.003次/(臺·a)[10]，平均線路長度Lp取0.798百公里[11]。

2.2 電氣主接線繪制

金沙江觀音巖水電站裝機定為5臺600MW的混流水輪發電機組，發電機與主變壓器連接采用單元接線，發電機出口裝設專用斷路器，主變壓器高壓側電壓等級為500kV，初期出線2回至仁和變電站，單回送出線路長度約84km，另備用1回出線，文中按相同的送電距離考慮。電站高壓側擬采用4串3/2接線、2串4/3和1串3/2接線及雙母線接線3個方案中的一種，需進行可靠性分析比選。在開發的程序中繪制的電氣主接線如圖2～4所示。

圖2 4串3/2接線(方案1)

2.3 結果分析

程序計算結果如表3所示，從決策事件表中可以看出不同方案下電站某臺機組、某回送出線路或多臺機組同時停運的概率和平均停運時間。表中 “停任一發變組”項包含了多臺機組同時停運的情況，此時，電站送出容量將受阻，代表著電站的可靠性水平，是主要分析指標。從表3中可以看出電站高壓側接線采用方案2時，機組發生停運的概率和對應的停運時間最小，分別為0.0954次/a和0.0539h/a，方案1次之，方案3最差。

圖3 2串4/3和1串3/2接線(方案2)

圖4 雙母線接線(方案3)

方案2相比方案1可靠性差別不大，但投入的斷路器個數少一個，方案3可靠性最差，但投入的斷路器數量最少，具體哪個方案最合適，需要把可靠性和經濟性結合進行綜合比較。

基于決策事件表并結合電站裝機和送出線路情況可以得出包含受阻電量的指標匯總表，再結合設備投資和上網電價可以得出經濟比較表，最后匯總出綜合比較表。該部分內容在有了決策事件表后是比較容易編制的，且比較靈活，文中不再論述。

值得一提的是，可靠性分析結果除了跟接線形式有關，還與基礎統計數據、送出線路長度及機組臺數等諸多因數有關。相同的比選方案可能因送出線路長度不同，或是基于的元件故障率隨時間發生了變化，分析結果都有可能不一樣。

表3 決策事件

3 結 語

文章根據邏輯表格法在水電站、抽水蓄能電站可靠性分析中應用較廣，但基本采用手工計算的現狀，對AutoCAD進行二次開發，實現邏輯表格的程序計算，并對我國近些年發布的設備可靠性指標進行了收集與整理，可作為可靠性分析的設備基礎數據。

文中收集的可靠性基礎統計數據只到2017年，發電機斷路器平均故障率和平均線路長度相關數據較少，在之后的工作中將對相關的數據做進一步的收集與整理。