配電網(wǎng)可靠性評(píng)估系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

金義雄，姚紅偉，雍劍書，王晴霞，張海強(qiáng)

(1.上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090;2.浙江省嘉興電力公司，浙江嘉興 314000)

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，高科技產(chǎn)品和高度信息化設(shè)備的廣泛普及，用戶每度電的產(chǎn)值日益上升，單位停供電量給用戶和社會(huì)造成的經(jīng)濟(jì)損失越來越大.因此，用戶對(duì)電力系統(tǒng)供電可靠性的要求也越來越高.配電系統(tǒng)可靠性是電力系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要組成部分，對(duì)配電系統(tǒng)可靠性的研究和應(yīng)用，是保證供電質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)電力工業(yè)現(xiàn)代化的重要手段.

當(dāng)前，配電網(wǎng)可靠性計(jì)算步驟通常如下:一是元件建模;二是確立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接關(guān)系;三是采用可靠性計(jì)算方法(模擬法或解析法)對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可靠性計(jì)算.對(duì)可靠性計(jì)算方法的研究成果較多［1-4］，而對(duì)元件和網(wǎng)絡(luò)建模方法的研究較少，尤其是適合于采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算的元件和網(wǎng)絡(luò)建模方法很少有人討論.在以往的計(jì)算過程中，通常采用數(shù)據(jù)表錄入的方式，以節(jié)點(diǎn)表和支路表的方式進(jìn)行純數(shù)據(jù)式錄入，錄入過程繁復(fù)且容易出錯(cuò)，后期修改維護(hù)也比較麻煩.現(xiàn)場所能提供的資料數(shù)據(jù)通常都是配網(wǎng)矢量圖和元件型號(hào)等參數(shù)，這些資料往往需要大量加工才能形成所需的節(jié)點(diǎn)表和支路表.這將導(dǎo)致可靠性評(píng)估的工作周期加長，無法實(shí)現(xiàn)在線可靠性評(píng)估，評(píng)估結(jié)果也不夠直觀，無法立即給出對(duì)某負(fù)荷點(diǎn)可靠性具有重要影響的元件.本文采用自動(dòng)拓?fù)浼夹g(shù)和改進(jìn)的配電網(wǎng)可靠性算法，建立了實(shí)用的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于實(shí)際配網(wǎng)評(píng)估中，算例分析證明該系統(tǒng)的有效性和實(shí)用性.

1 元件建模

為直接利用現(xiàn)場所提供的資料進(jìn)行自動(dòng)建模，省略人工數(shù)據(jù)加工過程，本系統(tǒng)直接對(duì)現(xiàn)場提供的電子網(wǎng)絡(luò)圖形文件進(jìn)行解讀.現(xiàn)場的電子文件通常有AutoCAD格式和ArcInfor格式，這兩種格式都有詳細(xì)的說明文檔，而且兩種格式還可進(jìn)行轉(zhuǎn)換.因此，本系統(tǒng)采用AutoCAD的DXF文件格式.AutoCAD里的圖形包括點(diǎn)、線、圓、弧、多邊形，以及填充、圖塊等基本圖元.在DXF格式文件中，各種類型的圖元都按照圖元開始、圖元類型、圖元坐標(biāo)參數(shù)、顏色參數(shù)等字段方式進(jìn)行存儲(chǔ)，可方便讀取.具體字段的含意可參考AutoCAD DXF手冊.將這些信息讀出后還需要根據(jù)圖的實(shí)際含義將其實(shí)體化為具體的電氣元件.由于CAD圖形中沒有電氣元件，需要按圖形所表示的含義進(jìn)行具體化，如CAD圖中的折線和直線表示配網(wǎng)的線路，矩形代表變電站，小正方形加斜線表示柱上開關(guān)，這些可根據(jù)圖形特征編制相應(yīng)的程序識(shí)別代碼將其具體化為相應(yīng)的電氣元件.這樣可減少人工對(duì)圖形的處理量，而在實(shí)體化過程中，對(duì)可能會(huì)出錯(cuò)的、有歧義的圖元需要進(jìn)行手工修正.元件建模完成后，再補(bǔ)充其電氣信息，如線路需要輸入其線路型號(hào)、電壓等級(jí)等，由于這些信息在CAD圖形中是不存在的，因此需要人工錄入.通過以上過程，便可完成元件建模.

2 自動(dòng)拓?fù)?/h2>

建立拓?fù)涫侵竿ㄟ^圖形連接關(guān)系獲得配電網(wǎng)絡(luò)用于計(jì)算的數(shù)據(jù)形式，通常表現(xiàn)為節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)表和支路數(shù)據(jù)表.大多數(shù)軟件在這一過程的處理上采用人工輸入方式，即根據(jù)配網(wǎng)連接圖形，對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行人工編號(hào)，并輸入節(jié)點(diǎn)信息，主要包括節(jié)點(diǎn)類型，節(jié)點(diǎn)注入有功、無功及節(jié)點(diǎn)電壓信息，并根據(jù)節(jié)點(diǎn)編號(hào)，以及支路兩端的節(jié)點(diǎn)編號(hào)形成起點(diǎn)、終點(diǎn)，并錄入支路電阻、電抗、電納、設(shè)備的類型數(shù)據(jù).而自動(dòng)拓?fù)浼夹g(shù)，就是讓程序根據(jù)元件的圖形數(shù)據(jù)，直接形成計(jì)算用的節(jié)點(diǎn)和支路數(shù)據(jù)表，其過程如圖1所示.

圖1 自動(dòng)拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)示意

自動(dòng)拓?fù)涞膶?shí)現(xiàn)過程如下:

(1)編號(hào) 3個(gè)節(jié)點(diǎn)編號(hào)依次為1，2，3，3條支路首末節(jié)點(diǎn)編號(hào)依次為 4，5，6，7，8，9;

(2)坐標(biāo)捕捉 若線路4-5，4節(jié)點(diǎn)和1節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)距離小于給定值(例如2個(gè)像素)，則讓線路的節(jié)點(diǎn)編號(hào)4變成1，若5節(jié)點(diǎn)和2節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)距離小于給定值，則讓其節(jié)點(diǎn)編號(hào)5變成2，以此類推，則線路首末節(jié)點(diǎn)編號(hào)變成1-2，2-3，1-3;

(3)實(shí)現(xiàn)拓?fù)?根據(jù)元件的電氣信息和前(1)(2)形成的連接關(guān)系表，最終形成計(jì)算用的節(jié)點(diǎn)表和支路表.

3 可靠性計(jì)算

本系統(tǒng)采用一種改進(jìn)的可靠性算法，可大大減少編程工作量，提高程序執(zhí)行效率，具體表現(xiàn)為:該算法無需網(wǎng)絡(luò)等值過程，原理簡單清晰，易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn);在需要計(jì)算某負(fù)荷點(diǎn)可靠性時(shí)，無需分析所有元件故障，且能對(duì)該負(fù)荷點(diǎn)可靠性影響的各元件進(jìn)行排序，方便供電部門了解網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵元件;在搜索過程中無需形成網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣或特殊的鏈表關(guān)系，運(yùn)用遞歸算法直接采用最基本的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)表和支路數(shù)據(jù)表對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行搜索.其計(jì)算流程可分為主回路搜索和子回路搜索兩部分.

3.1 主回路搜索

在主回路搜索中，對(duì)負(fù)荷點(diǎn)到供電點(diǎn)之間的設(shè)備進(jìn)行遞歸搜索.負(fù)荷的停電率ξ為主回路元件故障率λ之和.年停電時(shí)間分3種情況計(jì)算:

(1)如果主回路上的元件到負(fù)荷點(diǎn)之間無分段，則將主回路元件故障率乘以其修復(fù)時(shí)間，即λ×r累加到負(fù)荷點(diǎn)的年故障時(shí)間U中(r為元件故障修復(fù)時(shí)間);

(2)如果主回路上的元件到負(fù)荷點(diǎn)之間有分段，且從負(fù)荷至分段開關(guān)之前的子回路中有聯(lián)絡(luò)開關(guān)，則將主回路元件故障率乘以分段開關(guān)操作時(shí)間與聯(lián)絡(luò)開關(guān)倒閘時(shí)間中的較大值，即λ×max(t1，t2)累加到U中(t1為分段操作時(shí)間，t2為聯(lián)絡(luò)開關(guān)操作時(shí)間);

(3)如果主回路上的元件到負(fù)荷點(diǎn)之間有分段，但從負(fù)荷至分段開關(guān)之前的子回路中無聯(lián)絡(luò)開關(guān)，則仍將主回路元件故障率乘以其修復(fù)時(shí)間，即λ×r累加到U中.

在上述過程中，主回路元件到負(fù)荷點(diǎn)的分段可以是負(fù)荷開關(guān)(隔離開關(guān))，也可以是斷路器，因?yàn)樗鼈兙蛇M(jìn)行開斷操作.

3.2 子回路搜索

在子回路搜索中，除了對(duì)主回路元件之外的回路進(jìn)行搜索外，還以主回路上的節(jié)點(diǎn)為根節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遞歸搜索.子回路元件故障率對(duì)負(fù)荷點(diǎn)故障率的影響分3種情況:

(1)若子回路元件至根節(jié)點(diǎn)間有熔斷器，認(rèn)為熔斷器可靠開斷，則該元件故障不引起負(fù)荷點(diǎn)停電，即該元件等效故障率λ′=0;

(2)若子回路元件至根節(jié)點(diǎn)間有k個(gè)斷路器，斷路器可靠開斷率為P，則該元件故障率應(yīng)乘以(1－P)k得到等效故障率 λ′，即將 λ′=λ(1－P)k累加到負(fù)荷點(diǎn)故障率ξ中;

(3)若子回路元件至根節(jié)點(diǎn)間有隔離開關(guān)或無任何可開閉的設(shè)備，則將該元件故障率λ直接累加到負(fù)荷點(diǎn)故障率ξ中.

以上3種情況優(yōu)先級(jí)由(1)至(3)，即條件(1)滿足則不判斷條件(2)和條件(3)，不滿足條件(1)而滿足條件(2)時(shí)，不判斷條件(3)，最后才判斷條件(3).

子回路元件故障時(shí)間對(duì)負(fù)荷點(diǎn)年故障時(shí)間的影響分兩種情況:

(1)如果子回路元件到根節(jié)點(diǎn)間無分段，則與根節(jié)點(diǎn)故障時(shí)間計(jì)算相同，即采用主回路元件故障時(shí)間計(jì)算的3個(gè)原則;

(2)如果子回路元件到根節(jié)點(diǎn)間有分段，無論是否有可用聯(lián)絡(luò)開關(guān)，將子回路元件故障率(考慮子回路故障率計(jì)算3原則后的等效故障率λ′)乘以子回路分段操作時(shí)間與供電開關(guān)倒閘時(shí)間中的較大值，即將λ×max(t1，t2)累加至U中(t1為子回路分段操作時(shí)間，t2為供電開關(guān) 聯(lián)絡(luò)開關(guān)——操作時(shí)間).

通過上述過程，可分別計(jì)算出各負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，然后計(jì)算出系統(tǒng)可靠性指標(biāo).

系統(tǒng)平均停電頻率指標(biāo) SAIFI:∑λiNi/(∑Ni).

系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)SAIDI:∑UiNi/(∑Ni).

用戶平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)CAIDI:∑UiNi/(∑ λiNi).

平均供電可用率指標(biāo)ASAI:(Ni×8 760－∑UiNi)/(∑Ni×8 760).

用戶平均停電電量AENS:∑LaiUi/∑Ni.

總電量不足ENSI:∑LaiUi.

其中:Ni為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的用戶數(shù);LaiUi為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均負(fù)荷功率.

4 系統(tǒng)仿真算例及結(jié)果分析

負(fù)荷點(diǎn)可靠性計(jì)算結(jié)果見表1和表2.

表1 負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)

表2 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

由表1可見:桃林楊高、浦東招商甲和三壓備用年停電次數(shù)最少;西漕物業(yè)和德隆投資乙每次停電時(shí)間最短，但由于這兩個(gè)站點(diǎn)的停電次數(shù)多，所以年均停電時(shí)間仍然較多.由表2可見，該示例系統(tǒng)平均供電可靠率指標(biāo)為99.980%，略低于國家電網(wǎng)公司要求的“四個(gè)9標(biāo)準(zhǔn)”，即99.99%，原因是該系統(tǒng)單輻射線路較多.

圖2為評(píng)估示例系統(tǒng)，取自于PMS系統(tǒng)矢量圖，為華東某市部分配電網(wǎng)接線圖.可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)如圖3所示.

圖2 可靠性計(jì)算示例系統(tǒng)

圖3 可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文論述的元件建模和自動(dòng)拓?fù)浞椒軠p少網(wǎng)絡(luò)建模工作量，克服了人工數(shù)據(jù)錄入易出錯(cuò)的缺點(diǎn).改進(jìn)的可靠性算法無需網(wǎng)絡(luò)等值過程，原理簡單清晰，易于在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn).這些方法應(yīng)用于配電網(wǎng)可靠性評(píng)估軟件系統(tǒng)，具有方便、實(shí)用的特點(diǎn).該系統(tǒng)已成功地應(yīng)用在上海市東，安徽六安、淮北，湖南株洲等地區(qū)的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估中，應(yīng)用情況良好.

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