基于自動區(qū)域故障模式與后果分析法的配電網(wǎng)可靠性評估

李閆遠 劉會家 肖隆恩 曹 靜 謝 峰

（1.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.宜昌市供電公司 輸電運檢室，湖北 宜昌 443002；3.宜昌市電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北 宜昌 443002）

現(xiàn)如今配電網(wǎng)的可靠性評估方法主要分為解析法和模擬法.工程應(yīng)用中大多采用解析法，解析法中故障模式與后果分析法概念清晰，但直接用于大型配電網(wǎng)可靠性分析中會造成維數(shù)災(zāi)，為此一些學(xué)者對該算法進行了改進.文獻［1］提出了可靠性指標(biāo)逆流傳遞和順流歸并來求解結(jié)點的可靠性指標(biāo).文獻［2－3］以圖論為基礎(chǔ)提出通過對負荷點到電源點求取最小路來簡化分析計算.文獻［4－6］采用網(wǎng)絡(luò)等值法求解可靠性指標(biāo)，計算量有所減少.文獻［7－9］提出根據(jù)開關(guān)在可靠性評估中的不同作用對網(wǎng)絡(luò)元件進行分塊，在元件塊的基礎(chǔ)上采用傳統(tǒng)FMEA方法進行可靠性指標(biāo)計算.文獻［10］提出以網(wǎng)絡(luò)元件為中心，通過各個元件故障對每個負荷點影響的貢獻系數(shù)求得可靠性指標(biāo).

本文提出了一種基于自動區(qū)域為模型的配電網(wǎng)可靠性新算法，該算法通過配電塊對負荷點所產(chǎn)生的影響值來進行可靠性評估，將重復(fù)枚舉的工作量大大減少，縮短了計算時間.通過測試網(wǎng)絡(luò)驗證了算法的正確性及有效性.

1 基于自動區(qū)域模型的配電網(wǎng)可靠性評估算法

1.1 自動區(qū)域相關(guān)概念的定義

以自動開關(guān)裝置為邊界，將系統(tǒng)劃分為以自動開關(guān)裝置為邊界的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，每個自動區(qū)域僅含一個自動開關(guān)裝置.如圖1所示：K1～K7為接戶線裝置；LP1～LP7為負荷點.

圖1 簡單配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 自動區(qū)域內(nèi)定義

定義1 上游饋線：以某負荷點與自動區(qū)域內(nèi)主饋線上直接相連的主饋線段為基準(zhǔn)，該饋線以上的各段線路（即靠近電源端方向）稱為上游饋線.

定義2 下游饋線：以某負荷點與自動區(qū)域內(nèi)主饋線上直接相連的主饋線段為基準(zhǔn)該主饋線以下的各段線路（即遠離電源端方向）為下游饋線.

如圖1所示負荷點LP6，以直接相連的饋線段2為基準(zhǔn)，其上游饋線為線路段1，下游饋線為線路段3.

1.1.2 自動區(qū)域間定義

定義3 與主電源直接相連的自動區(qū)域稱為主區(qū)域；例如圖1所示的區(qū)域Z1.

定義4 通過開關(guān)裝置與主區(qū)域相連的自動區(qū)域稱為支路區(qū)域；例如圖1所示的區(qū)域Z2和區(qū)域Z3.

1.2 自動區(qū)域的劃分

對各饋線段進行編號形成配電網(wǎng)的鄰接矩陣，基于該矩陣進行遍歷得到以自動開關(guān)裝置為邊界的配電塊，劃分策略如圖2所示（其中A為描述配電網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣，劃分形成的自動區(qū)域元件編號存放于矩陣B中，且B矩陣的每一列代表一個自動區(qū)域，j和i分別為矩陣B的行與列）.

圖2 自動區(qū)域的劃分流程圖

1.3 節(jié)點分類

根據(jù)故障對負荷點造成的停電時間不同，可將節(jié)點分為4類［11］：A類故障時間tA，即故障造成負荷點停運時間為設(shè)備故障修復(fù)時間；B類故障時間tB，即故障造成負荷點停運時間為故障隔離與切換時間；C類故障tC，即故障造成負荷點停運時間為故障隔離時間；D類故障，即故障對負荷點沒有影響.

1.4 基于自動區(qū)域模型的故障率參數(shù)的確定

主區(qū)域中元件故障導(dǎo)致所有負荷點停電，因此主區(qū)域元件故障對所有負荷點的故障率貢獻值均相同記為λ1；支路區(qū)域中的元件故障導(dǎo)致與其相連負荷點停電，因此支路區(qū)域i中的元件故障對該區(qū)域內(nèi)所有負荷點的故障率貢獻值均相同記為λ2i（i＝1，2，3），因此對于支路區(qū)域內(nèi)的負荷點，其故障率為λ1、λ2i以及接戶線的故障率之和；對于與主區(qū)域直接相連的負荷點，其故障率為λ1和接戶線的故障率之和.

例如圖1所示與主區(qū)域相連的負荷點LP1，由于支路區(qū)域Z2和Z3內(nèi)的元件故障通過自動開關(guān)動作，則負荷點LP1的故障率等于λ1與接戶線K1故障率之和；而支路區(qū)域內(nèi)的負荷點LP6的故障率為λ22、λ1以及接戶線K6的故障率之和.

1.5 基于自動區(qū)域模型的平均停運持續(xù)時間參數(shù)的確定

1.5.1 負荷點與主區(qū)域相連

當(dāng)負荷點與主區(qū)域直接相連，則與主區(qū)域相連的其它支路區(qū)域內(nèi)元件故障會通過邊界的自動裝置動作，不會對該負荷點造成影響.下一步通過鄰接矩陣標(biāo)記出負荷點對應(yīng)主區(qū)域內(nèi)上游饋線段所含手動開關(guān)裝置個數(shù)NA和下游饋線段所含手動開關(guān)裝置個數(shù)NB.因此可按式（1）確定負荷點的平均停運持續(xù)時間：

其中，λi為線路的故障率、λj為接戶線的故障率、rLi為負荷點i的平均停運持續(xù)時間、λZi為區(qū)域i的等效故障率.

例如圖1所示與主區(qū)域相連的負荷點LP2，通過鄰接矩陣可標(biāo)記出負荷點LP2對應(yīng)的主區(qū)域所連饋線段的編號2，以饋線段2為基準(zhǔn)通過鄰接矩陣遍歷出上游饋線段和下游饋線段所含的手動裝置個數(shù)，即NA＝1和NB＝1，將已知參數(shù)代入式（1）可確定rL2.

1.5.2 負荷點與支路區(qū)域相連

當(dāng)負荷點在支路區(qū)域內(nèi)，不僅主區(qū)域內(nèi)元件故障會導(dǎo)致負荷點停運而且負荷點所在的支路區(qū)域元件故障也會對負荷點停運造成影響.通過對鄰接矩陣遍歷，易得到該負荷點所連支路區(qū)域內(nèi)上游和下游饋線段所包含的手動裝置個數(shù)NA1、NB1，下一步確定待求負荷點所在的支路區(qū)域與主區(qū)域的連接點，按此類方法遍歷出主區(qū)域內(nèi)上游和下游饋線段的手動裝置個數(shù)NA、NB，按式（2）確定平均停運持續(xù)時間：

例如圖1所示，與支路區(qū)域Z2相連的負荷點LP6易知支路區(qū)域Z2和主區(qū)域Z1都會對導(dǎo)致LP6停電，通過鄰接矩陣遍歷得到LP6與支路區(qū)域Z2直接相連的饋線段編號5，易得饋線段5為基準(zhǔn)的上游和下游饋線段所包含的手動裝置個數(shù)，即NA1＝0、NB1＝1，通過鄰接矩陣確定該負荷點所在的支路區(qū)域Z2與主區(qū)域Z1直接相連的饋線段2，易知上游和下游饋線段所包含的手動裝置個數(shù)，即NA＝1、NB＝1，將參數(shù)代入式（2）可確定rL6.

1.6 可靠性評估算法

根據(jù)自動區(qū)域模型的建立，形成了基于自動區(qū)域的配電網(wǎng)可靠性評估算法，步驟如下：

1）計算配電網(wǎng)正常狀態(tài)時的潮流；

2）建立網(wǎng)絡(luò)的矩陣描述形式并進行遍歷，形成自動區(qū)域模型；

3）確定各自動區(qū)域模型的等效故障參數(shù)；

4）對負荷點進行可靠性分析計算；

5）形成配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo).

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)可靠性評估方法以單個元件為枚舉對象逐個進行分析，顯然對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)增大了計算的工作量和分析時間.本文所提出的基于自動區(qū)域為模型的配電網(wǎng)可靠性算法，通過對每個自動區(qū)域進行枚舉可快速確定負荷點的故障率參數(shù)，大大減少了故障枚舉的數(shù)量，縮短了可靠性評估時間.

2 算例分析

本文以圖3所示的RBTS－BUS6的F4饋線為例進行自動區(qū)域劃分，在自動區(qū)域模型的基礎(chǔ)上進行可靠性指標(biāo)計算，通過和IEEE測試網(wǎng)絡(luò)的指標(biāo)進行對比說明本文所提出算法的正確性.該饋線包含22條線路，15個負荷點，15個熔斷器，15臺變壓器，3臺斷路器和1組隔離開關(guān).線路和饋線負荷的詳細數(shù)據(jù)在文獻［12－13］中給出，變壓器的故障率取0.015次／年，修復(fù)時間為48h；刀閘的操作時間為0.5h，線路的故障率取0.046次／（年·km），修復(fù)時間取為8h并假定所有的斷路器，隔離開關(guān)，熔斷器均能準(zhǔn)確動作.

圖3 RBTS－BUS6的部分配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

采用4種分析方法進行負荷點的可靠性參數(shù)比較可知，本文所提出的方法與傳統(tǒng)的FMEA法評估結(jié)果一致（見表1），而其它簡化模型算法均存在不同程度的誤差.從表2可以清晰地看出采用4種方法所需的枚舉數(shù)量，相對于傳統(tǒng)的評估方法和其它簡化算法，本文所提出的基于自動區(qū)域模型的可靠性算法大大減少了元件的重復(fù)枚舉數(shù)量，縮短了可靠性分析時間.表3采用和IEEE測試網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對比得出：本文所提出的算法可以保持系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的原始精度，而其它兩種模型的分析表明在系統(tǒng)故障頻率、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間以及用戶平均停電持續(xù)時間指標(biāo)上均存在不同程度的偏大.這些結(jié)果說明本文所提出的基于自動區(qū)域模型的配電網(wǎng)可靠性評估對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)是準(zhǔn)確而有效的.

表1 采用4種方法對部分負荷點可靠性參數(shù)的比較

表3 4種方法的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)比較

3 結(jié) 語

傳統(tǒng)配電網(wǎng)的故障模式與后果分析法采用對元件進行逐個枚舉，后有學(xué)者提出面向開關(guān)對、網(wǎng)絡(luò)等值等一系列方法不斷進行簡化可靠性評估過程，但始終無法避免大量的重復(fù)枚舉所導(dǎo)致的計算量大、時間消耗以及計算精度誤差等問題.本文基于自動開關(guān)裝置為邊界進行分區(qū)，通過減少枚舉的角度提出了基于自動區(qū)域模型的可靠性評估算法，該算法使得分析過程大大簡化并能保持原有的計算精度.通過IEEE測試算例表明該方法在評估復(fù)雜配電網(wǎng)可靠性方面是可行有效的.

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