復(fù)雜配網(wǎng)可靠性分塊算法的關(guān)鍵技術(shù)

郭小磊

（廣東電網(wǎng)公司珠海供電局，廣東珠海519000）

1 引言

配電系統(tǒng)可靠性的研究起始于1960年。目前，配電系統(tǒng)可靠性的評(píng)估分析主要是面向系統(tǒng)元件和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的，根據(jù)方法的不同可以分為解析法、模擬法、人工智能算法以及將各種方法相互結(jié)合的混合法［1］。解析法概念簡單、思路清晰，在簡單系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方面有較大優(yōu)勢。但是當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模增大時(shí)，其計(jì)算量呈指數(shù)上升，當(dāng)系統(tǒng)非常復(fù)雜時(shí)，則容易造成維數(shù)災(zāi)難。而且解析法模型的建立往往要對(duì)系統(tǒng)的很多條件做較多簡化，給其應(yīng)用造成了很大的麻煩。解析法主要包括故障模式后果分析法、最小路算法網(wǎng)絡(luò)等值法和網(wǎng)絡(luò)等效法、故障擴(kuò)散法。模擬法相比于解析法，優(yōu)點(diǎn)在于適合進(jìn)行復(fù)雜電力系統(tǒng)的可靠性計(jì)算，但是該類方法很難達(dá)到較高的計(jì)算精度。最經(jīng)典的模擬法當(dāng)屬蒙特卡洛法［2］。

本文對(duì)復(fù)雜中壓配電網(wǎng)的可靠性評(píng)估分塊算法進(jìn)行技術(shù)分析和完善，以期望促進(jìn)分塊算法在配網(wǎng)可靠性計(jì)算中的應(yīng)用。

2 節(jié)點(diǎn)故障類型的確定

配電系統(tǒng)的可靠性研究，常采用故障模式后果分析法（failure mode and effect analysis，縮寫為FMEA）。該方法利用元件可靠性數(shù)據(jù)，形成故障模式庫，分析每個(gè)元件失效事件及其對(duì)負(fù)荷的影響，最終得出負(fù)荷點(diǎn)及系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。其基本方法是，綜合分析系統(tǒng)中所有元件故障模式對(duì)單個(gè)負(fù)荷點(diǎn)的影響，在此基礎(chǔ)上得出負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)。

要分析故障對(duì)負(fù)荷點(diǎn)的影響，就要對(duì)故障后的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類。節(jié)點(diǎn)的故障分類是配電網(wǎng)可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)［3］。配電網(wǎng)故障發(fā)生后，不同的負(fù)荷受不同設(shè)備的保護(hù)，停電類型是不一樣的。網(wǎng)絡(luò)中某一點(diǎn)發(fā)生故障后，斷路器會(huì)以極短的時(shí)間動(dòng)作，停止對(duì)故障點(diǎn)供電，斷路器上游的負(fù)荷不受任何影響，而下游的負(fù)荷會(huì)立即停電。斷路器動(dòng)作以后，線路上的相應(yīng)分段開關(guān)在人為操作下動(dòng)作，將故障區(qū)段電壓隔離，為非故障區(qū)段的恢復(fù)供電做好準(zhǔn)備。分段開關(guān)動(dòng)作成功以后，斷路器重新合閘，恢復(fù)故障點(diǎn)逆潮流方向部分區(qū)域的供電。大多數(shù)情況下，配網(wǎng)饋線的末端可以設(shè)置切換開關(guān)，實(shí)現(xiàn)故障饋線完成相關(guān)隔離操作之后的互聯(lián)和轉(zhuǎn)供，恢復(fù)故障點(diǎn)順潮流方向部分區(qū)域的供電。

故障發(fā)生后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中不同的負(fù)荷有不同的影響，根據(jù)停電時(shí)間的不同，節(jié)點(diǎn)可分為四類。a 類：正常節(jié)點(diǎn)，即故障事件發(fā)生后開關(guān)（主要是斷路器和熔斷器）正確動(dòng)作不受故障影響的節(jié)點(diǎn)；b 類：故障節(jié)點(diǎn)，但可以通過分段開關(guān)的操作恢復(fù)供電，故障時(shí)間為隔離操作時(shí)間；c 類：故障節(jié)點(diǎn)，但可以通過隔離操作與切換操作的配合恢復(fù)供電，故障時(shí)間為隔離操作時(shí)間加切換操作時(shí)間的節(jié)點(diǎn)；d 類：故障節(jié)點(diǎn)，故障排除前無法通過操作恢復(fù)供電，故障時(shí)間為元件修復(fù)時(shí)間的節(jié)點(diǎn)［4］。

因此，故障事件發(fā)生后，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障類型劃分的思路如下。

（1）從故障元件出發(fā)，逆潮流方向搜索到斷路器或熔斷器則停止，該斷路器或熔斷器之后的所有節(jié)點(diǎn)為b 類、c 類或d 類；網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)為a 類；

（2）從過程（1）中首次遍歷到的分段開關(guān)到該斷路器，之間的所有節(jié)點(diǎn)的故障類型均為b 類；若在過程（1）之中沒有搜索到分段開關(guān)，則說明本次故障事件發(fā)生后，沒有b 類節(jié)點(diǎn)；

（3）從過程（1）之中首次遍歷到的分段開關(guān)開始，（如果不存在該開關(guān)，則從斷路器或熔斷器開始），順潮流方向遍歷，到所有方向都搜索到斷路器或分段開關(guān)則停止，中間遍歷到的所有節(jié)點(diǎn)均為d 類；

（4）從步驟（1）的終點(diǎn)開始順潮流方向進(jìn)行搜索，可通過切換開關(guān)獲得電源的節(jié)點(diǎn)為c 類；否則為d類。

3 網(wǎng)絡(luò)分塊的形成

通過分析發(fā)現(xiàn)，配電網(wǎng)絡(luò)中有這樣一種現(xiàn)象，某區(qū)域內(nèi)任一元件故障后，所引發(fā)的開關(guān)狀態(tài)變化完全一致，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)所造成的影響（負(fù)荷點(diǎn)故障類型及負(fù)荷點(diǎn)停電時(shí)間）也都完全一致［5］。這樣的區(qū)域是以網(wǎng)絡(luò)中的開關(guān)設(shè)備為界限的。當(dāng)某一線路出現(xiàn)故障，與該線路相連的未安置分段開關(guān)的線路的停電時(shí)間都是故障修復(fù)時(shí)間r，故障處上游的電氣距離最近斷路器上游的的線路不受故障影響，故障處上游的線路（不受斷路器隔離保護(hù)）的停電時(shí)間都是分段開關(guān)的切換時(shí)間t1，故障處下游的所有線路的停電時(shí)間都是聯(lián)絡(luò)開關(guān)的倒閘時(shí)間t2。因此，可以以此為依據(jù)在配網(wǎng)可靠性評(píng)估中對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分塊。

網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣可以詳細(xì)的描述有直接聯(lián)系的節(jié)點(diǎn)間開關(guān)配置的狀態(tài)，因此可根據(jù)該矩陣進(jìn)行分塊。

根據(jù)鄰接矩陣中所描述的父子關(guān)系，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分塊的原則為：

（1）若父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間有開關(guān)設(shè)備，則二者分屬不同的塊，且二者間的支路與遠(yuǎn)離開關(guān)的節(jié)點(diǎn)同分塊。若父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)之間無開關(guān)設(shè)備，則二者同分塊。

（2）若父節(jié)點(diǎn)與子節(jié)點(diǎn)同分塊，該子節(jié)點(diǎn)又與自己的子節(jié)點(diǎn)同分塊，則三者同分塊，以此類推。

在該原則的指導(dǎo)下，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分塊的具體思路如下：

（1）從網(wǎng)絡(luò)根節(jié)點(diǎn)出發(fā)，順潮流方向搜索，到所有方向遍歷到開關(guān)或者到達(dá)線路末端停止，其中的所有元件屬于同一分塊；

（2）從上一步驟的停止位置（線路末端除外）開始，順潮流方向搜索，到所有方向都遍歷到開關(guān)或者到達(dá)線路末端停止，其中的元件屬于同一分塊；（注：若上一步驟中有多個(gè)停止位置，則每個(gè)位置都需要單獨(dú)進(jìn)行本次操作）。

（3）重復(fù)進(jìn)行（2）操作，直到所有方向都到達(dá)線路末端，則分塊完畢。

4 可靠性參數(shù)等效計(jì)算

網(wǎng)絡(luò)分塊后，同一分塊內(nèi)的所有負(fù)荷點(diǎn)的故障類型和停電時(shí)間也完全一樣。各分塊具有整體性，塊的結(jié)構(gòu)不會(huì)因運(yùn)行方式的變化而變化［6］。于是，可以對(duì)塊內(nèi)元件進(jìn)行串聯(lián)等效，加快可靠性計(jì)算。

分塊內(nèi)等效計(jì)算為：

式中：λs、rs為系統(tǒng)的等效故障率和等效修復(fù)時(shí)間，N 為分塊內(nèi)的元件個(gè)數(shù)，λi、ri分別為第i 個(gè)元件的故障率和修復(fù)時(shí)間。

本文所描述的分塊計(jì)算方法與普通的可靠性計(jì)算方法比較，最核心的區(qū)別在于，普通算法的故障枚舉是以單個(gè)元件為單位，而本文所述方法則是以分塊（內(nèi)含多個(gè)單元件）為單位。這樣的改進(jìn)，大大減少了枚舉次數(shù)，節(jié)省了大量的搜索時(shí)間，而計(jì)算準(zhǔn)確度卻完全相同。

5 簡化配網(wǎng)模型

經(jīng)過以上的分塊與網(wǎng)絡(luò)等效之后，系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)和元件數(shù)目都會(huì)大大減少。這就使得，等效完成之后，原有的節(jié)點(diǎn)和連接關(guān)系無法出現(xiàn)在新的模型之中，因此必須對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)加以調(diào)整。

對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的重新調(diào)整，不能改變系統(tǒng)原本的可靠性特征。在新的網(wǎng)絡(luò)中，母線、等效饋線支路、開關(guān)必須保持原有的連接關(guān)系。而對(duì)于分支饋線，主要有兩種情況。一種是分支線連接在兩個(gè)開關(guān)之間的節(jié)點(diǎn)上，這種分支饋線等效后可以保持原有的連接關(guān)系。第二種是分支線連接在某個(gè)饋線塊內(nèi)部的某一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，這種分支線等效后，連接到該饋線塊等效支路的末端。當(dāng)然，等效分支線支路的末端就是負(fù)荷點(diǎn)。

簡化配電網(wǎng)絡(luò)模型的具體方法為：

（1）網(wǎng)絡(luò)分塊完成之后，計(jì)算各等效饋線支路的等效可靠性參數(shù)；

（2）將饋線塊和與其內(nèi)部某節(jié)點(diǎn)相連的分支線塊（如果有這樣的分支線）形成一個(gè)組合，將分支線塊的始端節(jié)點(diǎn)距饋線塊首末兩端的電氣距離作為自身的一個(gè)屬性記錄；

（3）分別對(duì)等效饋線塊和等效分支線塊的兩端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重新編號(hào)；

（4）等效分支線塊的始端節(jié)點(diǎn)與相應(yīng)組合中的等效饋線塊的末端節(jié)點(diǎn)編號(hào)相同［7］。

6 配網(wǎng)可靠性分塊算法的操作流程

（1）讀入系統(tǒng)可靠性參數(shù)，并計(jì)算正常情況下的潮流；

（2）根據(jù)鄰接矩陣和分塊原則，將系統(tǒng)劃分為若干分塊；

（3）運(yùn)用公式計(jì)算各個(gè)分塊的等效故障率和等效平均停電時(shí)間；

（4）以塊為單位枚舉故障事件，確定開關(guān)隔離范圍和各節(jié)點(diǎn)的故障類型；

（5）根據(jù)節(jié)點(diǎn)分類和消減負(fù)荷量計(jì)算節(jié)點(diǎn)的可靠性指標(biāo)；

（6）檢查故障事件是否枚舉完畢，若未完，則轉(zhuǎn)（4），否則繼續(xù)；

（7）形成系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；

（8）計(jì)算完畢，輸出計(jì)算結(jié)果

7 算例分析

對(duì)RBTS－BUS5 的一條線路進(jìn)行可靠性分析，具體線路參數(shù)見文獻(xiàn)［8］。通過分塊算法計(jì)算后得到的簡化配網(wǎng)模型如圖1所示。經(jīng)等效計(jì)算，各分塊的等效故障率和等效平均修復(fù)時(shí)間如表1所示。

圖1 RBTS－BUS5 的簡化網(wǎng)絡(luò)模型

表1 各分塊的等效可靠參數(shù)

運(yùn)用故障后果模式法對(duì)簡化模型進(jìn)行分析，可以得到如下的可靠性指標(biāo)。

各個(gè)節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)如表2所示。

表2 各節(jié)點(diǎn)的可靠性指標(biāo)

根據(jù)可靠性計(jì)算公式得出的系統(tǒng)可靠性如下表3所示。

表3 系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

8 結(jié)束語

本文為了提升利用分塊算法進(jìn)行可靠性計(jì)算的準(zhǔn)確性和快速性，總結(jié)了故障后實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障類型劃分的思路，闡述了利用鄰接矩陣進(jìn)行節(jié)點(diǎn)故障類型劃分的原則，給出了建立簡化配網(wǎng)模型的具體方法，利用算例證明了該方法的實(shí)用性。

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