基于RAMSES的220 kV輸電系統(tǒng)可靠性研究

朱洪亮，周昱甬，尹建兵，龔劍波，黃民翔

（1.杭州市電力局，杭州 310009；2.浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，杭州310027）

0 引言

輸電系統(tǒng)可靠性主要是指從電源點(diǎn)輸送電力到供電點(diǎn)并按預(yù)定規(guī)則滿足供電負(fù)荷電力和電能量需求之能力的度量，主要包括靜態(tài)角度的充裕度和暫態(tài)角度的安全性兩個方面[1]。傳統(tǒng)的可靠性分析主要是指充裕度分析，充裕度指標(biāo)又分為表征故障局部影響的負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)和表征故障對整個系統(tǒng)影響的系統(tǒng)指標(biāo)兩大類。

隨著國家電網(wǎng)公司建設(shè)“一強(qiáng)三優(yōu)”電網(wǎng)要求的提出，也為了適應(yīng)“安全、高質(zhì)、環(huán)?！钡闹悄茈娋W(wǎng)建設(shè)的需要，我國現(xiàn)行專注于設(shè)備側(cè)管理的輸電系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計與評價體系已顯現(xiàn)不足，建立適合我國輸電系統(tǒng)的可靠性評價新體系已顯得日益重要。

本文介紹了輸電系統(tǒng)可靠性評價的國內(nèi)外研究進(jìn)展，基于RAMSES評價軟件建立適合國內(nèi)輸電系統(tǒng)可靠性評價的模型，并對某220 kV電壓等級輸電系統(tǒng)的現(xiàn)狀網(wǎng)架和規(guī)劃網(wǎng)架開展了可靠性量化評價研究與結(jié)果分析。

1 國內(nèi)外輸電系統(tǒng)可靠性評價體系研究

輸電系統(tǒng)可靠性評價及研究，國內(nèi)外學(xué)者已取得一些成果[2-3]。其中，英、美等國近年來在可靠性統(tǒng)計與評價方面開展了大量研究，評價的側(cè)重點(diǎn)從原先側(cè)重于設(shè)備元件轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)重于從系統(tǒng)的角度對輸電系統(tǒng)進(jìn)行總體評價[4]。

美國電科院（EPRI）將輸電系統(tǒng)的性能劃分為輸送能力系列和輸電服務(wù)能力系列，并把系統(tǒng)可用性和DP點(diǎn)可用性作為該可靠性評價體系的關(guān)鍵性指標(biāo)，其中DP點(diǎn)定義為輸電系統(tǒng)變電站變壓器的高壓側(cè)，包括發(fā)電DP點(diǎn)、負(fù)荷DP點(diǎn)及聯(lián)絡(luò)線DP點(diǎn)。

美國中東部可靠性協(xié)作組織（ECAR）將系統(tǒng)可用性（System Availability）作為其重要的可靠性評價指標(biāo)，定義為：

系統(tǒng)可用性=（總回路小時數(shù)-各回路總停用小時數(shù)）/總回路小時數(shù)×100%

式中：總回路小時數(shù)=每年小時數(shù)×總回路數(shù)。

英國能源監(jiān)管機(jī)構(gòu)（OFGEM）于2005年開始實(shí)施“輸電網(wǎng)可靠性激勵方案”，將電網(wǎng)全年從輸電系統(tǒng)失去的總供電量（MWh）作為可靠性評價標(biāo)準(zhǔn)。

而我國目前的輸電系統(tǒng)可靠性統(tǒng)計與評價體系仍專注于設(shè)備管理方面，與北美、英國地區(qū)的評價體系有較大差異[4]。從設(shè)備元件角度評價輸電系統(tǒng)的可靠性，能明晰管理電網(wǎng)資產(chǎn)，為設(shè)備維護(hù)、狀態(tài)檢修及招標(biāo)工作提供有力支持，但是不利于對整個電網(wǎng)的整體評價、管理和工作效益考核，不能直接衡量系統(tǒng)可靠性的優(yōu)劣。

從系統(tǒng)角度對輸電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評價是我國電力工業(yè)發(fā)展的一個必然趨勢，國外的研究進(jìn)展與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也為我國輸電系統(tǒng)評價體系的進(jìn)一步發(fā)展與完善提供了參考方向。

2 基于RAMSES軟件的輸電系統(tǒng)可靠性評價建模

2.1 基于RAMSES的可靠性評價原理

大型商業(yè)可靠性評價軟件RAMSES（Reliability Analysis Methods for Electrical Power Systems）由德國亞琛工業(yè)大學(xué)電力系統(tǒng)與電力經(jīng)濟(jì)研究所開發(fā)，已在世界電力工業(yè)界眾多企業(yè)中得到應(yīng)用[5-6]。軟件采用基于解析的概率分析法，可實(shí)現(xiàn)的功能主要有：電網(wǎng)潮流和短路電流計算；電網(wǎng)故障模擬，并進(jìn)行故障后果和預(yù)防策略分析；電網(wǎng)可靠性定量計算與分析，找出網(wǎng)絡(luò)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。

基于RAMSES原理進(jìn)行可靠性評價的流程如下：

（1）建立網(wǎng)絡(luò)模型并按一定格式輸入RAMSES軟件，檢查輸入數(shù)據(jù)無誤后，確定相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)故障組合。

（2）建立故障模型，主要包括單重故障和重疊故障。

（3）對故障后果進(jìn)行分析。此過程中所有故障均被模擬，對所有預(yù)想的故障進(jìn)行后果分析，判斷各種故障組合模型是否導(dǎo)致停電。

（4）計算并輸出各負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，包括平均停電頻率、平均停電時間、供電可靠率等。

（5）通過負(fù)荷點(diǎn)的可靠性結(jié)果進(jìn)一步計算整個系統(tǒng)的可靠性量化指標(biāo)。

基于RAMSES的可靠性評價流程見圖1。

圖1 基于RAMSES的輸電系統(tǒng)可靠性評價流程

2.2 基于RAMSES的可靠性評價指標(biāo)

RAMSES軟件輸出的可靠性評價指標(biāo)偏向于負(fù)荷點(diǎn)側(cè)，在對輸電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建模時將各220 kV變電站主變壓器低壓側(cè)母線等效為負(fù)荷點(diǎn)，從而使軟件可直接計算得到各等效負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)：負(fù)荷點(diǎn)電力不足時間期望，h/a；負(fù)荷點(diǎn)年停電次數(shù)，次/年；負(fù)荷點(diǎn)電量不足期望值，MWh/a。

基于RAMSES輸出的上述指標(biāo)，可進(jìn)一步采用以下輸電系統(tǒng)可靠性評價指標(biāo)：

（1）系統(tǒng)電力不足時間概率LOLP。

式中：Ci為每個負(fù)荷點(diǎn)負(fù)荷大小；C為評估系統(tǒng)的總負(fù)荷大小；LOLPi為每個負(fù)荷點(diǎn)的電力不足時間概率。

（2）電量不足期望值 EENS， MWh/a。

（3）系統(tǒng)停電等效小時數(shù)SIEH，h/a。

（4）系統(tǒng)切電指標(biāo) BPECI， MWh/（MWa）， 即系統(tǒng)故障在供電點(diǎn)引起的消減電量總和與系統(tǒng)年最大負(fù)荷之比。

（5）停電影響的嚴(yán)重性指標(biāo)SI。

SI用系統(tǒng)分來度量，一個系統(tǒng)分相當(dāng)于在峰荷時全系統(tǒng)停電1 min。SI的大小代表停電影響的嚴(yán)重級別，SI越大，說明系統(tǒng)承受故障的能力越差，即可靠性水平越低。還可用SI對不同規(guī)模的系統(tǒng)進(jìn)行比較。隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及對可靠性問題的日益重視，SI指標(biāo)將得到更為廣泛的應(yīng)用。

3 計算實(shí)例

以浙江某220 kV輸電系統(tǒng)作為計算實(shí)例：該系統(tǒng)現(xiàn)狀網(wǎng)架以5座500 kV變電站和各發(fā)電廠為電源點(diǎn)，有220 kV變電站37座，總?cè)萘繛?401萬kVA，全網(wǎng)最高負(fù)荷為792萬kW；該輸電系統(tǒng)的2015年規(guī)劃方案中，有220 kV公用變電站68座，變電容量為3003萬kVA，預(yù)測最高負(fù)荷達(dá)1500萬kW。

對本計算實(shí)例進(jìn)行可靠性評價，網(wǎng)架建模采用該輸電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)；電力元件電氣參數(shù)由《電力工程電氣設(shè)計手冊》查得；元件可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用該地區(qū)2007-2009年可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，主要包括各元件非計劃停運(yùn)率、平均每次非計劃停運(yùn)時間、計劃停運(yùn)率、平均每次計劃停運(yùn)時間等；負(fù)荷建模時將各220 kV變電站110 kV母線側(cè)等效為負(fù)荷點(diǎn)，現(xiàn)狀年負(fù)荷數(shù)據(jù)由夏季用電高峰期間各主變壓器最大有功功率數(shù)據(jù)結(jié)合同時率統(tǒng)計得到，規(guī)劃網(wǎng)架負(fù)荷數(shù)據(jù)由該網(wǎng)2015年預(yù)測峰荷潮流數(shù)據(jù)得到。

本次評價不考慮因系統(tǒng)電源不足而限電導(dǎo)致的停電以及110 kV母線以下故障引起的停電。

根據(jù)RAMSES評價初步結(jié)果，并進(jìn)一步計算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，得到評價結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)評價結(jié)果

根據(jù)上述評價指標(biāo)結(jié)果，對該輸電系統(tǒng)現(xiàn)狀年和規(guī)劃年兩個網(wǎng)架的各項(xiàng)可靠性量化指標(biāo)分析、對比如下：

（1）2015年規(guī)劃網(wǎng)架的可靠性指標(biāo)除EENS指標(biāo)外，其余指標(biāo)均好于現(xiàn)狀網(wǎng)架。若綜合考慮規(guī)劃網(wǎng)架的變電容量和負(fù)荷在“十二五”期間有大幅度增長的情況，則規(guī)劃網(wǎng)架的系統(tǒng)可靠性要明顯好于現(xiàn)狀網(wǎng)架。如SI指標(biāo)，現(xiàn)狀網(wǎng)架電量不足等效為2009年用電高峰時全系統(tǒng)停電6.121 min，而規(guī)劃網(wǎng)架年電量不足等效為2015年用電高峰時全系統(tǒng)停電4.920 min，系統(tǒng)故障嚴(yán)重程度減輕19.6%，系統(tǒng)可靠性明顯提高。

（2）2015年規(guī)劃網(wǎng)架可靠性提高的主要因素為500 kV和220 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的改善。如現(xiàn)狀網(wǎng)架中存在單主變運(yùn)行的變電所，不能通過“單主變N-1校驗(yàn)”；而2105年規(guī)劃網(wǎng)架中不存在單主變運(yùn)行變電站，220 kV電網(wǎng)以各500 kV變電所為中心，大部分形成閉式雙環(huán)網(wǎng)，部分形成鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，供電可靠性有效提高。

（3）系統(tǒng)可靠性評價的精確度取決于評價所需數(shù)據(jù)是否完整。該實(shí)際輸電系統(tǒng)可靠性評價實(shí)例中，可靠性基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計和網(wǎng)架信息詳盡完整，使得本次可靠性評價為該地區(qū)“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃提供了有力支持。

4 結(jié)語

在建設(shè)“安全、高質(zhì)、環(huán)?！敝悄茈娋W(wǎng)的背景下，建立適應(yīng)國內(nèi)電網(wǎng)實(shí)際的輸電系統(tǒng)可靠性評價體系非常重要。基于商業(yè)可靠性評價軟件RAMSES及相應(yīng)的評價指標(biāo)，可從系統(tǒng)角度對輸電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評價，為實(shí)際電網(wǎng)的規(guī)劃工作提供了有效的參考依據(jù)。

[1] 郭永基.電力系統(tǒng)可靠性分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2] BILLLINTON R，ALLAN R.Reliability Evaluation of Power systems[M].New York and London∶Plenum Press，1996.

[3] 王超.電力系統(tǒng)可靠性評估中的幾個重要問題研究[D].浙江大學(xué)，2007.

[4] 謝偉.北美與英國輸電系統(tǒng)可靠性評價方法和提示[J].供用電.2009，26（1）∶1-13.

[5] 韓輝，黃民翔，林建寧.莆田市10 kV配電網(wǎng)可靠性評估與研究[J].能源工程.2008（6）∶15-19.

[6] 尹建兵，黃民翔，許諾.基于供電可靠性量化分析的110 kV電網(wǎng)典型接線方式選擇[J].浙江電力.2010（2）∶1-4.