配電系統基于預想事故與可靠性的規劃

簡秀林

（國網內蒙古東部電力有限公司根河市供電分公司，內蒙古 根河 022350）

在過去的10 年間，電力行業越來越重視供電可靠性問題，部分是由于技術進步所致。對供電可靠性進行量測和管理能力的不斷提高，意味著電力行業在某種程度上可以對可靠性進行監測和控制。

一、基于預想事故的規劃

確保系統承受各種失效的一種方法是，通過合理的規劃設計，使系統能夠在失去任一元件條件下而保持正常運行。利用基于預想事故的方法，規劃人員識別系統可能發生的各種失效，并對系統進行規劃和設計，從而使其能夠應對每種失效或停運。例如，當變電站發生了東側進線事故，此時如果西側進線的電流和電壓降滿足變電站供電的需求，則系統可以應對東側進線的事故，即對系統設計了具備承受該事故。類似地，當西側進線出現事故時，如果需要，同樣可以利用東側進線為變電站供電。進一步講，如果出現其他重大事故，即任一變壓器、母線退出運行等，在該元件停運的情況下都可以通過合理充分的切換為負荷供電。

（一）基于預想事故的規劃方法

應用基于預想事故的規劃方法，就是要求規劃人員根據系統規劃退出系統中某個元件，即停運一個元件，然后據此制訂如何保證供電的方案，具體內容為：設置斷路器，這樣他們就可將停運設備與系統隔離；設置事故支持線路，以作為備用電源；設置工作人員到現場操作的方式；或考慮其他各種相關的工作。在這種改變后的系統結構下，可使用分析工具來確認該結構究竟是否會造成過負荷、低電壓或其他不可接受的短路容量。事故案例中引起的所有過負荷或者低電壓問題都可以通過更新設備或更改設計或設備整定值來解決，直到各種問題得到緩解。解決一個事故后，以上流程將繼續進行。規劃人員參照上述步驟分析下一個可能的設備失效，依此類推，直到解決所有可能的失效。

雖然這種方法的工作量非常大，但它是一種只需要適量分析的簡單、重復的方法，并且只需使用輸配電系統設計所需要的標準設計工具，即潮流及短路計算。其計算量對于先進的個人電腦來說是相當小的。該計算程序通過連續執行潮流數據庫，即切除一個元件后，進行線路切換并重新計算系統結構下的潮流，并在進行下一項切除研究之前，給出所有異常測試結果（過負荷、低電壓）。

（二）基于預想事故的規劃準則

在任一主要設備單元退出運行的情況下，系統依然具有正常供電的能力稱為“N—1”能力。“N—1”對幾乎所有電力企業的輸變電設施來說，都是一種必須遵循的準則。在某些情況下，電力企業要求其全部或部分系統的設計要滿足“N—2”事故準則，也就是說，系統能夠應對兩臺主要設備單元退出運行的情況。有些電力企業對重要地區（市中心）的某些設施還執行N—3 準則。一般來說，運行準則總是隨著系統所能承受的事故水平的變化而變化的。很多企業在規劃時要求系統在任何N—1 狀態下依然保持正常運行準則（電壓、電流、功率因數），但N—2 或N—3 的狀態下，允許系統維持應急水平的運行準則。

（三）在輸電層和配電層典型應用的差異

電力企業將N—X 事故需求理念幾乎廣泛應用在輸電層、高壓配電層和變電站層，其準則是不能因為隔離系統的停運設備而造成停電。為了恢復供電，這需要斷路器快速動作，以便打開所有出現故障的線路并合上事故支持線路。如這些準則規定在任何N—1 狀態下，系統不能偏離正常的運行標準。在配電系統中，常常需要對基于預想事故規劃方案進行細微調整，以適應配電中廣泛使用的人工切換操作和輻射狀系統設計的需要。N—1 標準或其他與此類似的關于切換能力需求的說明都可以解釋為：在事故狀態下，系統必須具有可切換手段，從而可為除系統故障段以外的所有部分繼續供電。但是，還是可以接受由于隔離故障導致部分客戶短時間停電。人工將故障線路切換到事故支持線路，可能需0.5～1h的時間。進一步講，大部分電力企業都承諾能夠在配電系統發生事故過程中維持應急運行工況。

（四）基于預想事故規劃方法的優點

這種基于預想事故的規劃方法有兩個顯著的優點：第一，它是一種可以直接使用的非常模塊化、流程化的方法，它將"提供可靠性"的問題劃分成了許多小的研究部分，每一部分都集中針對系統的某一個元件。因此，在相對有限(與現代化的計算極限比較）的分析方法的基礎上，這種方法很適宜計算機程序化，并且電力工程師僅需要使用常規的工程規劃工具(潮流、短路、計算）。如果使用恰當，這種方法總能獲得一個非常可靠的系統設計方案。

第二，鑒于這種規劃法對每個可能的事故都進行了考察，并給出了應對方案，因此該法可以明確地界定每個事故對系統的作用：它至少要執行一個基本的“事故規劃”評估過程，即判斷電力企業如何應對某個特定問題。基于預想事故的規劃法能夠清晰地給出應對事故的具體安排，而大多數基于可靠性的規劃方法與此不同，它們雖然能夠間接地評估并確定是否有能力應對事故，但是不能明確地給出每個事故的解決方法。因此，基于預想事故的規劃法非常適用于制訂運行規劃。

在這種情況下，一種基于可靠性的規劃方法是最有效的，它能分析事故的可能性，而且能將多重事故引起的停運風險降至最低。但是這種方法需要更復雜的計算和數據，同時對規劃人員的工程技術水平要求也更高。這種方法就是基于可靠性的規劃方法。

二、基于可靠性的規劃

所有的事故并不都是相近的。一條100mile 長的輸電線路可能比一條采用相似設計方法的僅4mile 長的線路更容易出現停運。所有的事故并不都會產生相同的后果。例如，某個系統中一臺電力變壓器的退出運行可能只會引起適度的過負荷，即使端電壓有較大的下降也是可接受的，也不會損壞設備。但是在另一種情況下，一臺變壓器的退出運行可能會導致產生嚴重的過負荷和低電壓，這將很快地損壞電力企業設備以及客戶的設備。

這兩點并不意味著基于預想事故的規劃方法不能有效地發揮作用。但這的確表明將資金用于解決可能性相對較大且影響較為嚴重的事故上，比用于解決可能性不大且影響不是很大的事故上要更有效。因此，如果某個電力企業的預算非常有限，或某個電力企業唯一關心的問題是成本效益，那么為了確保資金被合理地利用，規劃人員就要對解決各種事故的成本效益進行評估。

為了涵蓋上述內容，電力企業的規劃人員可能會修改滿足N—1 準則的基于預想事故的規劃方法，以便根據事故造成的過負荷、電壓降或者負荷削減的程度來評估每種事故的后果，這樣他們可以利用事故發生的概率來權衡或另行調整事故的影響程度，從而為每個事故確定其影響程度。然后規劃人員可以評估事故的成本，并且用成本去除每個事故的影響程度，從而得到每個事故的成本效益值，即建議事故恢復程度與所改進可靠性程度的比值，

但是當預算和成本效益變成電力企業規劃人員重點關注的問題時，則這種方法會是一個好的起點。很多企業在規劃中都應用了這種形式的事故優先排序法。該方法使用經過精心設計的電子數據表格程序，根據事故的危險程度和成本效益的大小對事故進行排序，從而減少了支出。這種方法的嚴重缺陷就是，雖然電子數據表格易于使用和編程，但卻包含大量的額外工作。一般而言，最關注預算有限和成本效益因素的電力企業，也正是那些要裁減規劃人員而且規劃資源非常有限的企業。

（一）基于可靠性的規劃方法

規劃人員可能希望使用一種解析的系統分析技術，即希望以一種嚴格的方式將事故發生的概率及其危險程度在饋線系統中量化應用。如同那些基于預想事故的分析方法，這些基于可靠性的方法通過對給定的配電系統模型進行循環調用，模擬并評估系統每個元件的停運事故。為便于正確地分析兩次、三次，甚至是更高次同時發生的停運的可能性及其后果，更好的方法是采用不連續排序方式，或采用單臺設備容量的概率“記憶”方式。為評估各種事故情況的影響程度，大部分方法主要用某些形式的系統安全措施或通過計算處于供電危險狀態(配電層級的）的客戶數量或負荷大小來進行評估。然后規劃人員就可以識別系統中那些供電區域，不論對什么事故，這些區域的可靠性都較差、比較脆弱。

相對傳統使用的潮流和短路程序，基于可靠性的規劃方法需要更復雜的計算算法，它們需要更多的輸入數據。雖然優秀的電力系統工程師可以輕松掌握這些方法，但是他們需要時間去學習并需在實踐中使用這些方法，以進一步地利用各種資源。因此，當成本效益問題僅采用傳統的基于預想事故方法可以找到與可靠性相關的缺陷時，一般不使用基于可靠性的方法。在這些情況下，規劃人員會堅持采用上文介紹的事故優先排序法。

（二）兩種方法的取舍

基于預想事故規劃法的缺點7 基于可靠性規劃法的優點決定了兩種方法的取舍。無論是否使用以及如何使用前面討論的各種改進方法，“N—1”“N—2”甚至是“N—3”準則都不足以確保設備利用率高的電力系統具有令人滿意的運行可靠性。可以從多個方面尋找原因，但是最簡單的出發點就是，要認識到事故同時發生的可能性。

三、基于預想事故法和基于可靠性法對規劃人員的影響

對于那些系統利用率高的規劃人員，無論從什么角度看可靠性和高設備利用率之間的相互影響，都將發現他們處于如下三種情況之一：1.他們的規劃步驟忽視了同時發生事故的情況，導致在設備利用率高的區域內系統的運行性能很差。2.他們對基于預想事故法的程序進行了修改，以便采用概率和危險程度優先的方法更有效地處理費用問題。這種方法注重費用因素，但是卻不能有效地解決可靠性問題。3.他們采用某種基于可靠性規劃和工程設計的形式，即可以處理可能性、通用模式和同時發生的失效，而且在事故過程中削減負荷及改變由線路切換決定的載荷順序。

如果采用第3 種處理方法，為確認各種失效的組合對系統的影響，則需要采用更多的綜合可靠性評估法，這些評估法使用合理并且嚴格遵循概率理論的計算法。算法和數據的恰當組合能夠回溯影響客戶預期停電問題的每一件可能發生的事件。

（一）重要的是改變思路而不僅是改變方法

基于預想事故的規劃是一種基于導則的規劃方法：它首先制訂一個標準（導則）并在規劃中應用，即對全部設備均評估各自的退出情況并確認是否滿足特定的準則。規劃人員以個案為基礎來研究系統，并完成系統的可靠性設計工作，其前提條件是，隱含或間接地假定系統滿足導則中的各種準則要求。

與此不同的是，基于可靠性的規劃是一種以可靠性或目標為基礎的規劃方法。為使系統達到可靠性目標，規劃人員參照某個目標（配電層的可靠性或輸電層的系統安全性）對系統進行評估，然后識別系統對既定目標的實現，分析哪些地方有缺陷以及為什么會出現這種缺陷，并按照主次、輕重對發現的缺陷進行排序，最后確定解決這些問題的最好辦法。因此，規劃人員需要決定從一個模式轉變到另外一個模式。優秀的規劃人員往往能夠同時考慮這兩種規劃方法。

（二）對饋線系統的影響

所有這些對配電饋線規劃人員來說究竟意味著什么？在進入饋線規劃研究之前需要注意以下3 點：

1.最關注費用因素的電力企業，是那些最有可能也是不斷提升所屬設備的利用率的企業，因此也可能會幾乎同時提出降低費用與提高利用率的要求。2.饋線轉供能力，是事故過程中至少部分負荷可通過饋線系統實現在變電站之間轉移的能力。由于高壓配電層和變電站層對設備利用率的需求越來越高，因此系統對饋線系統轉供能力的要求也日益增加。隨著電力企業利用率的提高，系統負擔越來越大，對配電規劃人員解決規劃問題的期望值也隨之提高。3.對規劃人員來說，以盡可能低的費用實現充足的饋線轉供能力（變電站間的負荷轉移能力），壓力還是很大的。

結語：

電力行業一直都對供電可靠性有著清楚的認識與明確的承諾。實現可靠性的方法有兩種：傳統的供電可靠性，主要通過在設計中采用嚴格的準則以及在系統中構建應對事故的能力來實現，而當今一些先進的電力企業的做法是，通過“設置可靠性目標和重點以及實施以可靠性為中心的規劃和運行方法”來實現。