基于回路及輸電系統(tǒng)的可靠性評估方法研究

萬 源，諶艷紅，蘆晶晶

（1.國網(wǎng)江西電力調(diào)度控制中心，江西南昌 330029；2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192）

0 引言

國家電網(wǎng)公司提出公司“十二五”規(guī)劃及“三集五大”戰(zhàn)略，公司將進(jìn)一步加強(qiáng)電網(wǎng)運(yùn)行安全標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)，對電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量、設(shè)備電網(wǎng)運(yùn)行可靠性提出了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。

傳統(tǒng)的可靠性工作主要針對電網(wǎng)設(shè)備可靠性進(jìn)行監(jiān)督管理，以統(tǒng)計為主，可靠性應(yīng)用系統(tǒng)以事后統(tǒng)計為主要目標(biāo)，缺乏整體電網(wǎng)的可靠性評估及事前預(yù)測。而電力系統(tǒng)可靠性的定義為：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提供電力和電量的能力的度量。由于電力系統(tǒng)規(guī)模巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在系統(tǒng)可靠性管理方面也將系統(tǒng)分成若干子系統(tǒng)，如：發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)，可以根據(jù)這些子系統(tǒng)的功能特點(diǎn)分別評估各子系統(tǒng)的可靠性。

最小割集法是電力系統(tǒng)可靠性計算中經(jīng)常采用的評估方法，是分析復(fù)雜拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的有力工具。最小割集法主要特點(diǎn)是能夠?qū)⑷我鈴?fù)雜的拓?fù)湎到y(tǒng)簡化為等值的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而快速方便求出系統(tǒng)的可靠度。母線回路的接線方式一般比較復(fù)雜而且接線方式多樣化，因此采用基于拓?fù)涞淖钚「罴惴梢钥焖俚那笕∪我饨泳€形式回路的可靠性指標(biāo)。

本文提出基于回路的大電網(wǎng)可靠性分析的新思路，將原來結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備多樣的大電網(wǎng)分為回路、電網(wǎng)兩個層面依次計算分析，全面考慮了設(shè)備對電網(wǎng)的影響，降低了計算的復(fù)雜度。采用最小割集方法求取回路和電網(wǎng)的可靠度，將原來非線性、高維數(shù)的靈敏度求解問題轉(zhuǎn)化為基于割集事件的線性、簡單的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)高階靈敏度分析?；诒疚乃惴ㄩ_發(fā)了基于回路停運(yùn)模型的大電網(wǎng)可靠度及靈敏度計算分析程序，該程序在國家電網(wǎng)公司電力系統(tǒng)可靠性平臺中進(jìn)行應(yīng)用，該平臺具備回路拓?fù)浼半娋W(wǎng)地理圖繪制功能，回路可靠度及靈敏度計算功能及基于回路的大電網(wǎng)可靠度及靈敏度計算功能。通過對江西電網(wǎng)進(jìn)行可靠度計算，實(shí)際系統(tǒng)驗(yàn)證了算法和程序的有效性和實(shí)用性，并對計劃檢修、調(diào)度運(yùn)行提供了輔助決策信息。

1 回路概念

在2010年可靠性管理專業(yè)會議上，國家電網(wǎng)公司發(fā)布了《輸電系統(tǒng)可靠性評價實(shí)施細(xì)則（試行稿）》，本文簡稱《細(xì)則》?！都?xì)則》中給出了輸變電系統(tǒng)回路的基本定義及具體功能：回路是連接兩個或更多的傳輸終端、變電站、或者是系統(tǒng)輸電節(jié)點(diǎn)之間的設(shè)備組；它的功能是在某一特定的容量范圍內(nèi)將電能從一端傳輸?shù)搅硪欢?；為系統(tǒng)提供操作可變的連接；在某些特定情況下（例如系統(tǒng)發(fā)生故障時）能夠自動地將本身與整個輸變電系統(tǒng)隔離。根據(jù)回路實(shí)現(xiàn)的不同功能，將回路劃分為母線回路、輸電回路、變電回路三大類。并為了保證回路統(tǒng)計的全面性，將13 類設(shè)備全部歸類到三大回路中，其關(guān)系為設(shè)備必須而且只能從屬于某一個回路。

母線回路指同一變電站內(nèi)，同一電壓等級的所有母線及其之間的聯(lián)絡(luò)設(shè)備，包括直接與母線相連的隔離開關(guān)和獨(dú)立連接到母線上的不單獨(dú)構(gòu)成回路的設(shè)備（如避雷器、電壓互感器、電容式電壓互感器等）。圖1給出了母線回路的幾種典型的接線方式。

圖1 母線回路典型接線方式

輸電回路：輸電線路本體及其與各側(cè)所接變電站母線回路連接點(diǎn)以內(nèi)的設(shè)備（不含母線側(cè)隔離開關(guān)）。對含有T接的輸電回路包括各分支輸電線路本體及其與各側(cè)所接變電站母線回路連接點(diǎn)以內(nèi)的設(shè)備。輸電線路上安裝的串/并聯(lián)補(bǔ)償裝置（高抗、電容器等）、防雷設(shè)施等屬于輸電回路。圖2 給出了輸電回路的典型的接線方式。

圖2 輸電回路典型接線方式

變電回路：變壓器本體及其與各側(cè)母線回路連接點(diǎn)以內(nèi)的設(shè)備（不含母線側(cè)隔離開關(guān)）。三繞組低壓側(cè)不劃入變電回路，見圖3。

圖3 變電回路典型接線方式

2 回路可靠性計算方法

2.1 回路停運(yùn)判斷

當(dāng)回路內(nèi)設(shè)備由于強(qiáng)迫停運(yùn)故障或者計劃檢修導(dǎo)致回路功能全部或者部分喪失時，稱為回路停運(yùn)?；芈穯适Р糠止δ軙r應(yīng)該計及回路停運(yùn)的折算系數(shù)。

母線回路停運(yùn)判斷：由于母線回路原因造成所連接任一回路停運(yùn)。母線回路指標(biāo)計算的折算系數(shù)=因母線回路原因造成的所連接失效回路數(shù)/母線回路的連接回路數(shù)。

輸電（變電）回路停運(yùn)判斷：輸電（變電）回路任一端斷開或故障。折算系數(shù)=實(shí)際停運(yùn)側(cè)數(shù)/（總側(cè)數(shù)-1）。

2.2 回路可靠性指標(biāo)

回路可靠性評估的指標(biāo)主要分為負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)和葫蘆指標(biāo)兩類。負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)描述的是系統(tǒng)中每個負(fù)荷點(diǎn)的可靠程度，表明故障的局部性影響，并可作為下一級系統(tǒng)可靠性評估的依據(jù)，包括負(fù)荷點(diǎn)失負(fù)荷概率、頻率、平均持續(xù)時間等。系統(tǒng)指標(biāo)則從全局觀點(diǎn)描述故障對整個系統(tǒng)的影響情況，常用指標(biāo)包括：電力不足時間概率LOLP、電力不足期望值EDNS、電量不足期望值EENS。常規(guī)可靠性評估主要是面向規(guī)劃的長期可靠性評估，研究的時間框架是數(shù)年甚至數(shù)十年，指標(biāo)也是整個規(guī)劃時間段內(nèi)的平均可靠性指標(biāo)。

2.3 回路可靠性計算方法

利用電力系統(tǒng)可靠性分析中經(jīng)典的最小割集法計算回路停運(yùn)的概率，采用該方法能夠?qū)⑷我鈴?fù)雜的單輸入單輸出網(wǎng)絡(luò)簡化成等值的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而方便地求取系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。該算法主要包括以下幾個部分：

1）確定待評估對象；

2）根據(jù)元件模型并基于馬爾科夫過程求解各元件的狀態(tài)概率；

3）搜索最小路集；

4）在最小路的基礎(chǔ)上形成最小割集；

5）根據(jù)最小割集計算狀態(tài)概率及相應(yīng)的折算系數(shù)；

6）計算回路可靠性指標(biāo)。

假設(shè)回路中的割集階數(shù)只考慮到二階（也可考慮三階及三階以上，分析方法類似，相關(guān)推導(dǎo)公式可參照文獻(xiàn)[12]中的6.5.2），則導(dǎo)致回路失效的割集狀態(tài)可能是一階割集（某一個元件隨機(jī)故障或計劃檢修），也可能是二階割集（兩個元件隨機(jī)故障重疊停運(yùn)、一個元件計劃檢修期間另一元件隨機(jī)故障重疊停運(yùn)）。令一階故障的元件序號集合為k∈F1，二階故障的元件序號集合為（i，j）∈F2，則回路停運(yùn)模型的失效概率及各等效參數(shù)指標(biāo)可以用割集設(shè)備的原始參數(shù)進(jìn)行表示，如式（1）-（5）：

3 基于回路的輸電系統(tǒng)可靠性評估

第二節(jié)中將13類設(shè)備通過回路的概念進(jìn)行了合并，將含有復(fù)雜接線方式的大電網(wǎng)變成了由母線回路、輸電回路、變電回路作為最小計算單元的較為簡單的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，計算規(guī)模得到了大量的簡化。在輸電系統(tǒng)中依然采用最小割集法對電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)的供電可靠性進(jìn)行計算，需要注意負(fù)荷點(diǎn)掛在等效后的母線回路上。假設(shè)由于電網(wǎng)中部分回路的隨機(jī)故障或者計劃停運(yùn)期間重疊隨機(jī)故障，導(dǎo)致負(fù)荷點(diǎn)L失效的最小割集事件共有n個，即C1、C2、…、Cn，負(fù)荷點(diǎn)L的不可靠度公式為（6）、（7）。

顯然，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時，上述計算公式會變得非常復(fù)雜。為簡化計算，本文采用負(fù)荷點(diǎn)不可靠度的上限公式（14）來近似的表達(dá)該負(fù)荷點(diǎn)的不可靠度。

計算負(fù)荷點(diǎn)不可靠度的關(guān)鍵在于計算P（Cx）。假設(shè)電網(wǎng)負(fù)荷點(diǎn)可靠性計算的割集階數(shù)也只考慮到兩階，包括一階割集（某回路m停運(yùn)）和二階割集（回路m、n 同時停運(yùn)）。令一階故障的元件序號集合為m∈K1，二階故障的元件序號集合為（m，n）∈K2，則負(fù)荷點(diǎn)L的不可靠度指標(biāo)計算公式見式（8）。

此外，考慮到最小割級算法的計算量隨系統(tǒng)規(guī)模的增大而急劇增大，因此本文采用分層分區(qū)的方法，將大規(guī)模輸電網(wǎng)分成結(jié)構(gòu)較為簡單的供電區(qū)，根據(jù)電壓等級進(jìn)行電網(wǎng)分層，500（750）kV層面、220（330）kV層面以及110 kV層面。分區(qū)則根據(jù)變電站供電區(qū)域進(jìn)行劃分，分為單變電站獨(dú)立供區(qū)、兩兩互供分區(qū)以及多變電站供區(qū)等。其計算流程圖如圖4所示。

圖4 輸電網(wǎng)可靠性評估流程

4 算例分析

作者在本文研究算法基礎(chǔ)上，開發(fā)了基于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的回路及大電網(wǎng)可靠度計算程序，選取江西某500 kV變電站母線回路及搭建CEPRI-36節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行可靠度計算分析，從而驗(yàn)證了該算法和程序的有效性。計算中的可靠性數(shù)據(jù)采用中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布的2011指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，綜合統(tǒng)計指標(biāo)如表1所示。

表1 2013年度國家電網(wǎng)公司可靠性綜合統(tǒng)計指標(biāo)

4.1 江西某500 kV變電站母線回路

該500 kV 變電站是江西電網(wǎng)主網(wǎng)架的樞紐站，采用3/2接線方式，500 kV側(cè)母線回路的電氣主接線圖如圖5所示。

圖5 江西某500 kV變電站母線回路主接線圖

通過計算得到該500 kV側(cè)母線回路的可靠度為0.99858。

4.2 CEPRI-36測試算例

搭建CEPRI-36測試算例，接線示意圖如圖6所示。

圖6 CEPRI-36測試系統(tǒng)接線圖

對CEPRI-36系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析，將復(fù)雜系統(tǒng)化簡為回路連接關(guān)系，對CEPRI-36 系統(tǒng)進(jìn)行分層：500 kV系統(tǒng)、500/200 kV系統(tǒng)。

500 kV系統(tǒng)包含7個500 kV母線回路，其中母線回路BUS13 通過變壓器回路在回路BUS17 上接有1個發(fā)電廠，是該層面的電源點(diǎn)，每個500kV 母線回路均作為負(fù)荷點(diǎn)，計算得到各負(fù)荷點(diǎn)的可靠度。

500/220 kV 系統(tǒng)除了包含500 kV 回路外，還包括16 個220 kV 母線回路，3 個變壓器回路，并接有8個發(fā)電廠。

為了比較不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對可靠度結(jié)果的影響，對各回路采用同樣的回路可靠度作為輸入。PR和PM均為0.96，計算得到各負(fù)荷點(diǎn)的可靠度。表2給出部分負(fù)荷點(diǎn)的可靠性指標(biāo)。

表2 BUS13及BUS27的可靠性指標(biāo)

5 結(jié)論

本文提出了基于回路停運(yùn)模型的大電網(wǎng)可靠性分析方法，并且編寫了相關(guān)的程序。將該算法應(yīng)用到大電網(wǎng)規(guī)劃、運(yùn)行等領(lǐng)域中，可有效的發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，為全網(wǎng)可靠性的提升提供了借鑒指導(dǎo)。主要結(jié)論性內(nèi)容如下：

1）提出了基于回路停運(yùn)模型的大電網(wǎng)可靠性分析方法，可以根據(jù)回路之間的連接關(guān)系，快速求出回路可靠度、進(jìn)而求取電網(wǎng)可靠度，全面考慮了設(shè)備對電網(wǎng)的影響，降低了計算的復(fù)雜度。

2）采用最小割集算法求取回路和電網(wǎng)的可靠度，并進(jìn)行電網(wǎng)的分層分區(qū)，形成基于割集事件的線性的、簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系，大大降低了原有一次性計算的復(fù)雜度。

3）通過程序?qū)崿F(xiàn)和算例校核，證明了該算法的實(shí)用性，其結(jié)果可以很直觀的表明各個負(fù)荷點(diǎn)的可靠性程度的高低，在實(shí)際工作中可以對網(wǎng)架的規(guī)劃，運(yùn)行提供一定的參考。

[1]王錫凡.現(xiàn)代電力系統(tǒng)分析[M].北京：科學(xué)出版社，2003.

[2]李文沅.電力系統(tǒng)風(fēng)險評估-模型、方法和應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2006.

[3]孫元章.電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性理論[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.