可靠性理論在城市軌道交通供電系統(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

謝 紅夏金鳳張華志(.武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,4004,武漢;.中車株洲電力機(jī)車有限公司,400,株洲; .中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,4006,武漢∥第一作者,講師)

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可靠性理論在城市軌道交通供電系統(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

謝 紅1夏金鳳2張華志3
(1.武漢輕工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,430024,武漢;2.中車株洲電力機(jī)車有限公司,412001,株洲; 3.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430063,武漢∥第一作者,講師)

摘 要定性分析已難以滿足城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案精細(xì)化設(shè)計(jì)要求,必須以定量分析作為評(píng)價(jià)或研究的基礎(chǔ)。根據(jù)可靠性理論,采用馬爾可夫狀態(tài)空間法、最小路集法建立了城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)模型,結(jié)合具體工程對(duì)中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案與車站變電所可靠性進(jìn)行了定量分析。建議在前期設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)采用可靠性理論對(duì)年平均停運(yùn)時(shí)間進(jìn)行評(píng)估,以確定兼顧經(jīng)濟(jì)性和可靠性的中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案。

關(guān)鍵詞城市軌道交通;供電系統(tǒng);可靠性理論;中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)

First-author′s address School of Electrical&Electronic Engcneering, Wuhan Polytechnic University,430024, Wuhan,China

長期以來,一般僅從供電系統(tǒng)的運(yùn)行方式、設(shè)備構(gòu)成等方面對(duì)供電系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行定性的評(píng)估,很少采用量化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。隨著城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)的重要性日益突出,簡單的定性分析已難以滿足精度要求,必須以定量分析作為評(píng)價(jià)或研究的基礎(chǔ)。

目前,我國對(duì)城軌供電系統(tǒng)的可靠性研究還比較少,對(duì)各設(shè)備的基礎(chǔ)可靠性數(shù)據(jù)還遠(yuǎn)不完善。然而,主變電所和中壓環(huán)網(wǎng)設(shè)備均為電力通用產(chǎn)品,為此本文基于城軌供電系統(tǒng)自身特點(diǎn)同時(shí)借鑒電力系統(tǒng)相關(guān)研究成果,采用可靠性理論對(duì)中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案與車站變電所可靠性進(jìn)行定量分析,以確定兼顧經(jīng)濟(jì)性和可靠性的中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案。

1　可靠性模型及評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1可靠性簡介

供電系統(tǒng)可靠性是指對(duì)系統(tǒng)按可接受的電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需電量不間斷地向電力用戶供應(yīng)電力和電能量能力的度量?？煽啃园ǔ湓６取踩院凸╇娺B續(xù)性三個(gè)方面。由于城軌供電系統(tǒng)一般采用高可靠性設(shè)計(jì),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較規(guī)整簡潔,建成后系統(tǒng)穩(wěn)定成型。城軌主變電所內(nèi)主變壓器及其他重要設(shè)備在設(shè)計(jì)中考慮了備用措施,向牽引變電所供電的中壓環(huán)網(wǎng)電纜均設(shè)置2個(gè)回路,以保證不間斷供電?；诔擒壒╇娤到y(tǒng)的這些特點(diǎn),城軌供電系統(tǒng)的充裕度足可滿足供電要求。所以,城軌供電系統(tǒng)可靠性應(yīng)主要從安全性和連續(xù)性方面進(jìn)行重點(diǎn)分析評(píng)估。

1.2可靠性研究方法

1.2.1單個(gè)設(shè)備的可靠性研究方法

對(duì)單個(gè)設(shè)備而言,其維修實(shí)際上是一個(gè)隨時(shí)間變化的隨機(jī)過程。一般是從正常工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移到故障狀態(tài)或者檢修狀態(tài),再經(jīng)過修復(fù)回到正常狀態(tài),如此往復(fù)循環(huán)下去。這種由一種狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一種狀態(tài)的“狀態(tài)轉(zhuǎn)移”是隨機(jī)的。在可維修設(shè)備的可靠性分析中,元件狀態(tài)的轉(zhuǎn)移概率只與現(xiàn)在時(shí)刻所處的狀態(tài)有關(guān),而與以前或有限次前所處的狀態(tài)無關(guān),這就是馬爾可夫過程。因此,單個(gè)設(shè)備的可靠性研究可采用馬爾可夫狀態(tài)空間法。

大量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,電力系統(tǒng)的主要元件,如變壓器、斷路器、線路等子系統(tǒng)的壽命τ和檢修時(shí)間T均服從指數(shù)分布或近似服從指數(shù)分布,因此電力系統(tǒng)中的狀態(tài)轉(zhuǎn)移率可近似地視為常數(shù)。系統(tǒng)的狀態(tài)變化過程則構(gòu)成了齊次馬爾可夫過程。

在以往的可靠性分析中,變壓器、母線這些功率元件一般采用三狀態(tài)模型(正常、計(jì)劃維修、故障后修復(fù)),斷路器、隔離開關(guān)等操作元件一般采用計(jì)入設(shè)備拒動(dòng)和誤動(dòng)的五狀態(tài)模型。需要注意的是這些模型均基于繼電保護(hù)裝置完全可靠這一前提條件,實(shí)際上繼電保護(hù)裝置也可能會(huì)出現(xiàn)誤動(dòng)和拒動(dòng)。本文在設(shè)備可靠性建模時(shí),充分考慮了繼電保護(hù)影響因素,通過將繼電保護(hù)的故障反映到設(shè)備可靠性模型中的方法,從而在可靠性評(píng)估中計(jì)入繼電保護(hù)的影響。考慮繼電保護(hù)影響后,城軌主要電氣設(shè)備,如母線、變壓器、斷路器等可靠性都可采用五狀態(tài)模型進(jìn)行評(píng)估,見圖1。

圖1　單個(gè)設(shè)備可靠性模型

1.2.2系統(tǒng)可靠性研究方法

由馬爾可夫狀態(tài)空間法可得各個(gè)元件的可靠性指標(biāo),而關(guān)于整個(gè)系統(tǒng)的可靠性,應(yīng)綜合計(jì)算各個(gè)元件可靠性指標(biāo)。這些指標(biāo)一般采用最小路集法來求解。

路集是從系統(tǒng)正常工作角度考慮問題的。網(wǎng)絡(luò)圖連接任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)間弧的集合稱為這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的一條路;由輸入節(jié)點(diǎn)到輸出節(jié)點(diǎn)的所有路的集合稱為路集。如果一條路中移去任意一條弧后就不再構(gòu)成路,則稱這條路為最小路;由最小路構(gòu)成的集合稱為最小路集。

尋求最小路的方法有很多,比較常用的是鄰接矩陣法。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)很大時(shí),用鄰接矩陣法求最小路集就需要較大的存儲(chǔ)容量和計(jì)算工作量。稀疏矩陣技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的搜索最小路方法進(jìn)行了改進(jìn),通過定義特殊的矩陣乘法規(guī)則,用矩陣的乘法運(yùn)算可完成對(duì)最小路的搜索過程,大大提高了計(jì)算效率。

1.2.3可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

城軌供電系統(tǒng)在廣義上屬于配電系統(tǒng)。其適用的可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)主要有:年平均故障停運(yùn)率λ;平均停運(yùn)持續(xù)時(shí)間r;年平均停運(yùn)時(shí)間U。

λ是指負(fù)荷點(diǎn)在一年中因元件故障而造成停電的次數(shù),單位一般采用次/a。r是指從停電開始到恢復(fù)供電這段時(shí)間的平均值,單位采用h/次,可在一定程度上說明了停電事故發(fā)生后恢復(fù)供電的類型。U指負(fù)荷點(diǎn)一年內(nèi)每次停電的時(shí)間總和,單位采用h/a,其值越大則該所的供電可靠性越低。

結(jié)合城軌供電系統(tǒng)的特點(diǎn),推薦U作為可靠性的核心評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2　中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案可靠性實(shí)例分析

2.1中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案

根據(jù)國內(nèi)中壓供電系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),現(xiàn)以某工程兩個(gè)典型的中壓環(huán)網(wǎng)供電方案進(jìn)行分析。

2.1.1中壓環(huán)網(wǎng)方案一(小分區(qū))

網(wǎng)絡(luò)接線詳見圖2。該方案兩座主站從城市電網(wǎng)分別引入兩回110 k V電源。正常運(yùn)行時(shí)主變電所兩臺(tái)110/35 k V主變壓器分列運(yùn)行。低壓35 k V側(cè)采用單母線分段接線方式,并饋出35 k V電源給沿線牽引和降壓變電所供電。車站牽引降壓混合變電所或降壓變電所采用單母線分段接線,各分區(qū)臨近主變電所的牽引降壓混合變電所或降壓變電所的兩段母線分別從主變電所的35 k V兩段母線上引入一回電源,其他牽引降壓混合變電所或降壓變電所通過串接的方式從兩段35 k V母線上引入二回電源。牽引變電所的兩臺(tái)整流機(jī)組接在同一段母線上構(gòu)成24脈波整流,降壓變電所的兩臺(tái)35/0.4 k V變壓器分別接在兩段35 k V母線上。

中壓供電網(wǎng)絡(luò)共分四個(gè)供電分區(qū),每個(gè)供電分區(qū)內(nèi)有3～4座變電所。這也是俗稱“小分區(qū)”的分區(qū)方案。

圖2　中壓供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接線方案一

2.1.2中壓環(huán)網(wǎng)方案二(大分區(qū))

網(wǎng)絡(luò)接線詳見圖3。該方案與方案一的區(qū)別在于供電分區(qū)的變電所個(gè)數(shù),每個(gè)供電分區(qū)內(nèi)有2～7座變電所。這也是俗稱“大分區(qū)”的分區(qū)方案。

圖3　中壓供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接線方案二

2.2計(jì)算模型

中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案可靠性計(jì)算可歸納為以下幾步:①把整個(gè)電氣主接線看作是一個(gè)由若干元件構(gòu)成的系統(tǒng),列出它所包括的元件。元件包括主變壓器、斷路器、母線、隔離開關(guān)、電纜等。②給出每個(gè)元件的可靠性參數(shù)如故障率、修復(fù)率和停運(yùn)時(shí)間等。③建立網(wǎng)絡(luò)圖。④建立數(shù)學(xué)模型,求出到車站變電所之間的所有最小路。⑤計(jì)算可靠性指標(biāo),進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)。

2.3典型運(yùn)行方式

本次研究對(duì)以下典型運(yùn)行方式可靠性進(jìn)行了分析:①主變電所正常運(yùn)行時(shí),各車站變電所可靠性;②主變電所正常運(yùn)行且一回35 k V電纜故障時(shí),各車站變電所可靠性;③主變電所解列,由相鄰主變電所支援供電時(shí),各車站變電所可靠性。

2.4計(jì)算結(jié)果

各車站變電所年平均停運(yùn)時(shí)間計(jì)算結(jié)果見表1和表2。由兩表可知:在正常運(yùn)行方式下,方案一可靠性最低的車站變電所年平均停運(yùn)時(shí)間為0.497 3 h/a,方案二為0.704 1 h/a,可靠性約低40%。當(dāng)主變電站與車站變電所間一回中壓電纜故障時(shí),與該中壓電纜相關(guān)的分區(qū)內(nèi)的車站變電所可靠性相應(yīng)降低。在此種情況下,方案一可靠性最低的車站變電所年平均停運(yùn)時(shí)間為0.994 8 h/a,方案二年平均停運(yùn)時(shí)間為1.408 4 h/a。

當(dāng)主變電所解列,由相鄰主變電所支援供電時(shí),方案一可靠性最低的車站變電所年平均停運(yùn)時(shí)間為1.142 5 h/a,方案二年平均停運(yùn)時(shí)間為1.349 3 h/ a,方案一可靠性依然高于方案二。

表1　中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案一各車站變電所年平均停運(yùn)時(shí)間　h/a

表2　中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案二各車站變電所年平均停運(yùn)時(shí)間　h/a

由此可見,與以往設(shè)計(jì)的定性分析相比,采用可靠性理論后,可對(duì)城軌供電系統(tǒng)中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案進(jìn)行定量分析。

3　結(jié)語

鑒于城市軌道交通在城市運(yùn)輸組織的地位日益突出,供電系統(tǒng)又是城市軌道交通的動(dòng)力源泉,一旦發(fā)生停電事件,不僅造成地鐵公司經(jīng)濟(jì)損失,且會(huì)造成一定的社會(huì)影響和損失。故在系統(tǒng)投資合理的前提下,中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案應(yīng)充分考慮車站變電所供電的可靠性。在前期設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)采用可靠性理論對(duì)年平均停運(yùn)時(shí)間進(jìn)行定量分析,以確定兼顧經(jīng)濟(jì)性和可靠性的中壓環(huán)網(wǎng)分區(qū)方案。

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Reliability Theory Applied in the Design of Medium Voltage Network Ring Partition in Urban Rail Power Supply System

Xie Hong,Xia Jinfeng,Zhang Huazhi

AbstractQualitative analysis could not meet the requirements in the design of medium voltage ring network partition(MVRNP),so quantitative analysis should be used as the basis of evaluation and research.According to the reliability theory,Markov State Space method and the minimum path set method are used to establish a MVRNP model,a specific engineering for MVRNP scheme is combined with the substation reliability quantitative analysis at metro station.In the early stage of the design,reliability theory should be adopted for MVRNP scheme analysis and evaluation to determine both the economy and reliability of MVRNP scheme.

Key wordsurban mass transit;power supply sysfem;reliability theory;medium voltage network ring partition

(收稿日期:2014-04-03)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.017

中圖分類號(hào)U 223.6