變電所電氣主接線可靠性分析方法的研究

劉璐

【摘要】變電站電氣系統(tǒng)的可靠性對(duì)是電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的重要組成部。

【關(guān)鍵詞】變電所；主接線；可靠性

前言

電力系統(tǒng)的可靠性是指電力系統(tǒng)按可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需數(shù)量，不間斷地向電力用戶供應(yīng)電力和電能量之能力的度量，而變電所電氣主接線作為電力系統(tǒng)重要組成部分，能否安全可靠運(yùn)行對(duì)保證用戶的可靠用電以及整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定具有重要影響。

一、變電站實(shí)施可靠性分析的意義

變電站電氣主接線是電力系統(tǒng)接線的重要組成部分，它作為系統(tǒng)電能傳輸和分配的重要環(huán)節(jié)，直接擔(dān)負(fù)著從輸電網(wǎng)到各個(gè)負(fù)荷區(qū)的供電任務(wù)。變電站的設(shè)備一旦發(fā)生故障，可能會(huì)引起變電所的一條或多條輸電線路失去電源，或者電源進(jìn)線與變電所隔離，引起停電事故，因此，變電站電氣主接線的可靠性與其各負(fù)荷的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著密切的聯(lián)系。變電站作為電網(wǎng)的負(fù)荷站，肩負(fù)著一些用戶供電的重要任務(wù)，如水廠、衛(wèi)星站、鑄鋼廠‘等重要負(fù)荷。即使其整個(gè)布局設(shè)計(jì)己趨于合理，設(shè)備運(yùn)行己趨于穩(wěn)定，但其各條供電線路及整個(gè)變電站的可靠性水平究竟維持在何種程度，生產(chǎn)管理部門只是定期做一些定性地衡量，而沒(méi)有真正進(jìn)行過(guò)量化的可靠性評(píng)估。為了能夠準(zhǔn)確掌握目前的可靠性水平，從而提出進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性的有效措施及建議，對(duì)變電站的定量可靠性與經(jīng)濟(jì)性評(píng)估是必要的。

二、可靠性模型及指標(biāo)

一般來(lái)說(shuō)，電力系統(tǒng)中元件的停電行為可能由多種原因造成，諸如：短路、開(kāi)路、檢修等等。在發(fā)現(xiàn)短路故障的情況下，故障元件的保護(hù)裝置將會(huì)動(dòng)作來(lái)保護(hù)該元件。某些情況由于元件自身原因而停電的情況下，相應(yīng)的保護(hù)裝置就不會(huì)動(dòng)作。在可靠性評(píng)估中，不僅造成故障元件本身退出運(yùn)行，還會(huì)造成保護(hù)區(qū)內(nèi)所有斷路器動(dòng)作，從而使非故障元件被迫停運(yùn)的這種故障被稱為主動(dòng)性故障 ；而故障只造成故障元件本身退出運(yùn)行，不影響其他元件的運(yùn)行時(shí)，稱之為被動(dòng)性故障。在進(jìn)行主接線可靠性評(píng)估時(shí)，會(huì)涉及到很多種類的元件，除了進(jìn)出線路外，還包括變壓器、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、母線等等。本文考慮了上述提到的這兩種故障類型，對(duì)于以上元件使用如圖1所示的四態(tài)模型。

圖1 元件的四狀態(tài)模型

三、變電站電氣主接線可靠性評(píng)估方法

1.邏輯表格法

在電氣主接線的可靠性分析中，常使用邏輯表格法。根據(jù)電氣主接線的實(shí)際情況，考慮單重及雙重故障的所有可能情況，將其發(fā)生頻次及造成的停運(yùn)時(shí)問(wèn)歸納列成一張表格，然后根據(jù)可靠性指標(biāo)的定義，求出各項(xiàng)指標(biāo)，如停運(yùn)時(shí)間、停運(yùn)頻率等。這種方法依賴實(shí)際接線的類型與具體的接線方式，對(duì)于規(guī)模不大的電力系統(tǒng)而言，它是簡(jiǎn)易可行的，但隨著電氣主接線規(guī)模的不斷擴(kuò)大，其結(jié)構(gòu)同益復(fù)雜，運(yùn)行方式靈活多變。這種固定不變的邏輯表格法已經(jīng)不能滿足電氣主接線可靠性分析計(jì)算的要求。

2.故障模式與后果分析法

這是一種傳統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法。這種方法通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中各元件狀態(tài)的搜索，列出全部可能的系統(tǒng)狀態(tài)，然后根據(jù)所規(guī)定的可靠性判據(jù)對(duì)系統(tǒng)的所有狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)分析，找出系統(tǒng)的故障模式集合，最后在此狀態(tài)集合的基礎(chǔ)上，求得系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。此方法原理簡(jiǎn)單、清晰，模型準(zhǔn)確，但是，它是一種歸納方法，要識(shí)別和分析每個(gè)元件所有可能的單故障模式或誤操作模式對(duì)系統(tǒng)和周圍元件的影響，因此，它的計(jì)算量隨元件數(shù)目的增長(zhǎng)成指數(shù)增長(zhǎng)。在大型電氣主接線中，元件數(shù)目及操作方式增多時(shí)，系統(tǒng)故障模式急劇增加，計(jì)算將變得冗長(zhǎng)繁瑣。

3.最小割集法

最小割集法是將所計(jì)算的狀態(tài)限制在所謂的最小割集狀態(tài)內(nèi)，避免了計(jì)算全部的系統(tǒng)狀態(tài)，從而節(jié)省了計(jì)算量。特別是在電力系統(tǒng)中的元件為高可靠性元件時(shí)，其計(jì)算結(jié)果滿意。隨著大型水電站的出現(xiàn)，其電氣主接線結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，直觀地判斷出系統(tǒng)故障事件越來(lái)越困難，而最小割集法能較容易地判斷，并找出其薄弱環(huán)節(jié)，提出增強(qiáng)性措施。

4.基于故障擴(kuò)散的評(píng)估方法

這種方法利用前向搜索算法確定斷路器動(dòng)作影響范圍，用故障擴(kuò)散方法確定故障隔離的范圍，從而確定節(jié)點(diǎn)的故障類型。根據(jù)故障的類型，便可形成相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)、饋線以及系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。這種算法雖然以故障擴(kuò)算法為基礎(chǔ)，不需進(jìn)行等值處理，能一次性形成負(fù)荷點(diǎn)和系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，但該算法在前向搜索斷路器時(shí)采用潮流計(jì)算，大大增加了計(jì)算量，所以還有待于提高。

5.網(wǎng)絡(luò)法

網(wǎng)絡(luò)法是國(guó)內(nèi)外對(duì)主接線可靠性研究中最為常用的方法，這對(duì)于包括大量元件的主接線來(lái)說(shuō)，分析計(jì)算比較簡(jiǎn)單。主要因?yàn)槠浜?jiǎn)單并且網(wǎng)絡(luò)模型與主接線系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有著自然的相似，這種方法主要采用故障模式后果分析（FailureMode and Effect Analysis，即FMEA），但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模變大時(shí)，各種故障后果分析將變得十分冗長(zhǎng)。

6.頻率和平均持續(xù)時(shí)間法

簡(jiǎn)稱FD法（Frequency&Duration）FD（Frequency&duration）法是一種基于

Markov過(guò)程的方法，它運(yùn)用累積狀態(tài)的頻率和累積狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移頻率的概念，對(duì)于建立子系統(tǒng)、組合系統(tǒng)及整個(gè)系統(tǒng)的等效模型帶來(lái)很大的方便。具體的做法是系統(tǒng)從電源端到負(fù)荷端逐次運(yùn)用Markov過(guò)程的基本理論列寫(xiě)狀態(tài)空間圖求解，每一步均充分考慮元件的擴(kuò)大型故障等可能因素，最后得到整個(gè)系統(tǒng)的累積狀態(tài)空間圖，在此基礎(chǔ)上計(jì)算出各種可靠性指標(biāo)。

7.蒙特卡羅法（Monte.Carlo）

模擬法是指用蒙特卡羅法（Monte.Carlo）對(duì)可靠性進(jìn)行評(píng)估，它用抽樣的方法進(jìn)行狀態(tài)選擇，用統(tǒng)計(jì)的方法得到可靠性指標(biāo)。在蒙特卡羅法中，系統(tǒng)的狀態(tài)是從設(shè)備概率分布函數(shù)中抽樣確定的，然后對(duì)產(chǎn)生的狀態(tài)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì).一個(gè)模擬序列表示一個(gè)實(shí)際的樣本，系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)是在累積了足夠數(shù)目的樣本后，對(duì)每次狀態(tài)估計(jì)的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)而得到的。

四、電氣主接線分析軟件及應(yīng)用

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的高校、研究機(jī)構(gòu)和電力部門已相繼研制了各種主接線可靠性分析軟件。上海交通大學(xué)開(kāi)發(fā)了基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)的變電站供電可靠性分析計(jì)算軟件包，通過(guò)定量計(jì)算，可以分析不同類型、不同接線形式的變電站在任意運(yùn)行方式下的供電可靠性以及各種設(shè)備故障對(duì)變電站可靠性的影響程度，還可分析繼電保護(hù)裝置配置及動(dòng)作的影響。清華大學(xué)電機(jī)系開(kāi)發(fā)的發(fā)電廠及變電所電氣主接線可靠性評(píng)估軟件SSRE.TH用于對(duì)水電站/變電所各種電氣主接線方案進(jìn)行可靠性及經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，可計(jì)算電氣主接線在各種運(yùn)行、檢修和元件故障組合狀態(tài)下的停電容量、頻次、時(shí)間及停電損失等指標(biāo)，還可以進(jìn)行電氣主接線方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合評(píng)價(jià)，為主接線方案決策提供輔助信息。抽水蓄能電站主接線可靠性評(píng)估的模型和算法，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了抽水蓄能電站主接線可靠性評(píng)估的REBUS Ⅲ軟件。該軟件已經(jīng)成功地應(yīng)用于多個(gè)抽水蓄能電站主接線的優(yōu)化設(shè)計(jì)中。電站主接線可靠性綜合分析系統(tǒng)SSRE已在瀑布溝、向家壩等大型水電工程以及安順500 kV變電站電氣主接線設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

五、結(jié)論

變電所電氣主接線的可靠性對(duì)變電所的穩(wěn)定運(yùn)行有著直接的影響，因此，選用恰當(dāng)?shù)姆椒▽?duì)變電所電氣主接線可靠性進(jìn)行計(jì)算與評(píng)估，并選擇合適的變電所電氣主接線，對(duì)提高變電所的供電質(zhì)量，確保電力系統(tǒng)的運(yùn)行的穩(wěn)定起到了重要的作用。

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