基于故障模式后果分析法的配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性研究

張啟亮， 劉倩影

(國網(wǎng)濟(jì)寧供電公司， 山東 濟(jì)寧 272000)

基于故障模式后果分析法的配網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)可靠性研究

張啟亮， 劉倩影

(國網(wǎng)濟(jì)寧供電公司， 山東 濟(jì)寧 272000)

針對濟(jì)寧太白湖區(qū)配電網(wǎng)供電能力有限、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡單及配網(wǎng)管理薄弱等問題，對當(dāng)前負(fù)荷利用自然增長法進(jìn)行了預(yù)測，并詳細(xì)論述了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重要因素與可靠性，提出了基于故障模式后果分析法的太白湖區(qū)目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并給出了現(xiàn)狀網(wǎng)架向目標(biāo)網(wǎng)架的過渡方案。通過分析所提方案實(shí)施后的效果，驗(yàn)證了開閉所供電模式下的目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)具有較高的供電可靠性。

自然增長法；網(wǎng)架結(jié)構(gòu)；可靠性；故障模式后果分析法；目標(biāo)網(wǎng)架

電力系統(tǒng)中的發(fā)、輸、變、配、用電環(huán)節(jié)中，配電環(huán)節(jié)可使遠(yuǎn)方輸送來的電能分配至千家萬戶，決定了整個(gè)電力系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行。隨著當(dāng)今用戶對電能質(zhì)量要求的不斷提高，配電網(wǎng)可靠性[1]的關(guān)注度顯得尤其重要。因此，在配電網(wǎng)規(guī)劃及改造中，提高網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的可靠性是電力行業(yè)中具有研究意義的課題。

針對2016年太白湖區(qū)負(fù)荷分配情況，在現(xiàn)階段配網(wǎng)可靠性[2]分析基礎(chǔ)上，并考慮當(dāng)前電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、配網(wǎng)管理及供電能力等方面，采用自然增長法對太白湖區(qū)的近期、遠(yuǎn)景負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測并驗(yàn)證其有效性。為設(shè)計(jì)高可靠[3]的配電系統(tǒng)，論述了整體規(guī)劃流程、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等內(nèi)容。最終，確定了太白湖區(qū)的目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并給出現(xiàn)狀網(wǎng)架向目標(biāo)網(wǎng)架的過渡方案。通過對所提方案實(shí)施效果分析，驗(yàn)證了目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)對于提高供電可靠性[4]的合理性。

1 負(fù)荷預(yù)測

綜合考慮太白湖區(qū)的電力需求，在太白湖區(qū)現(xiàn)有負(fù)荷基礎(chǔ)上，本著電力發(fā)展適度超前于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的原則，利用自然增長率法對太白湖區(qū)2017-2030年的用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測。因太白湖區(qū)屬于濟(jì)寧北湖生態(tài)新城規(guī)劃區(qū)域，發(fā)展空間較大，但負(fù)荷基數(shù)卻較小，參考濟(jì)寧城區(qū)負(fù)荷發(fā)展情況，確定了慢速增長期、快速增長期以及緩慢飽和期三個(gè)階段，計(jì)算出負(fù)荷增長率處于8.3%～13.7%之間。

在城區(qū)負(fù)荷增長規(guī)律的基礎(chǔ)之上，將太白湖區(qū)的年平均自然增長率確定為高、中、低三個(gè)檔次，分別選取為12.02%、11.57%和11.23%。表1為自然增長率負(fù)荷預(yù)測情況。

表1 自然增長法負(fù)荷預(yù)測結(jié)果

Tab.1 Predication results of load in natural

growth method

MW

通過對比可知，采用中檔方案，即濟(jì)寧北湖區(qū)2030年遠(yuǎn)景用電負(fù)荷為376.96 MW，2017-2030年負(fù)荷年均增長率為11.57%。

2 配電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架

2.1 現(xiàn)狀網(wǎng)架

通過對比分析國內(nèi)外實(shí)際應(yīng)用情況，基于可靠性[5]的中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)共有6種。其中架空網(wǎng)有2種，分別為多分段適度聯(lián)絡(luò)及多分段單聯(lián)絡(luò)；電纜網(wǎng)有4種，分別為單環(huán)式、雙環(huán)式、多分支多聯(lián)絡(luò)和三環(huán)網(wǎng)T接。目前，濟(jì)寧太白湖區(qū)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為單一，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以單輻射網(wǎng)架結(jié)構(gòu)[6]為主。

根據(jù)濟(jì)寧太白湖區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和不同目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與適用范圍，給出濟(jì)寧太白湖區(qū)各供電區(qū)域與電纜網(wǎng)、架空網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的對應(yīng)關(guān)系，如表2所示。

表2 供電區(qū)域與架空、電纜目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu) 的對應(yīng)關(guān)系表Tab.2 Relationship between power supply region and objective overhead structure and that between power supply region and objective cable structure

注：D1為單環(huán)網(wǎng)(異站)；D2為雙環(huán)網(wǎng)；D3為N供一備；D4為多分支多聯(lián)絡(luò)；D5為三環(huán)網(wǎng)T接；D6為環(huán)網(wǎng)閉式。

2.2 目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

通過比較太白湖區(qū)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件，得出現(xiàn)狀網(wǎng)架向目標(biāo)網(wǎng)架過渡的方案如圖1、圖2所示。重要負(fù)荷和大城市中心區(qū)線路優(yōu)先設(shè)計(jì)。

圖1 架空網(wǎng)的設(shè)計(jì)過渡方式Fig.1 Transmission mode designed for overhead network

圖2 電纜網(wǎng)的設(shè)計(jì)過渡方式Fig.2 Transmission mode designed for cable network

通過分析中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的備用線路配電自動化水平、線路分段和容量(聯(lián)絡(luò))，得出如下結(jié)論：若手動操作分段開關(guān)，聯(lián)絡(luò)數(shù)最大宜為3～4個(gè)；若通過自動控制或遠(yuǎn)程控制，分段數(shù)宜為3～5個(gè)。

3 目標(biāo)網(wǎng)架的可靠性研究

3.1 可靠性研究

中低壓配電網(wǎng)路以環(huán)形網(wǎng)絡(luò)開環(huán)運(yùn)行為主，通?？蓪⑵渥鳛檩椛湫蜗到y(tǒng)處理。采取故障模式后果分析法(FMEA)作為可靠性分析方法，通過分析所有可能的元件失效或故障事故，找出系統(tǒng)的故障模式集合，確定對負(fù)荷點(diǎn)的影響，得出負(fù)荷點(diǎn)的可靠性[7]分析。在電力行業(yè)中，常利用用戶平均斷電時(shí)間(AIHC)、用戶平均供電可靠性(RS)和用戶平均斷電頻率(AITC)等參數(shù)作為基本的評估指標(biāo)。中低壓配電系統(tǒng)可靠性的評估指標(biāo)很多，需依據(jù)實(shí)際情況來選擇，為反映配電網(wǎng)路停運(yùn)時(shí)的重要性和嚴(yán)重程度，通常選擇RS作為評估指標(biāo)，公式為

RS=(Tv/Ts)×100%

式中：Tv是統(tǒng)計(jì)期實(shí)際供電時(shí)間之和；Ts是統(tǒng)計(jì)期全部供電時(shí)間。

AITC =用戶停電總次數(shù)/用戶總數(shù)=∑λiNi/∑Ni，AIHC =用戶停電持續(xù)時(shí)間總和/用戶總數(shù)=∑UiNi/∑Ni，則

式中：Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù)；ti為負(fù)荷點(diǎn)i的年平均停運(yùn)時(shí)間。

在配電網(wǎng)絡(luò)的可靠性分析計(jì)算中，通常采用的主體思路為：利用線路、環(huán)網(wǎng)開關(guān)、斷路器、母線四類設(shè)備的故障率和平均修復(fù)時(shí)間，計(jì)算出因不同設(shè)備故障引起的停電用戶數(shù)，并根據(jù)停電用戶數(shù)計(jì)算出停電頻率和供電可靠性。

1)母線故障時(shí)用戶停電持續(xù)時(shí)間。線路母線在不同的模式下僅有一段，線路分段數(shù)量的影響可以忽略不計(jì)，其計(jì)算公式如下：

∑UiNi=λ1×N×r1

式中：λ1為母線的平均故障率(次/臺×年)；N為線路總用戶數(shù)；r1為母線的平均修復(fù)時(shí)間(小時(shí)/次)。

2)線路故障時(shí)用戶停電持續(xù)時(shí)間。若線路發(fā)生故障，需要分析不同的分段故障。線路發(fā)生故障時(shí)，線路所帶負(fù)荷不滿足及時(shí)轉(zhuǎn)移條件，因此，該條配電線路為單輻射且分三段情況時(shí)，若第一段發(fā)生故障，那么受影響的用戶數(shù)為N，線路的平均修復(fù)時(shí)間為平均停運(yùn)時(shí)間；同理，若第二段或第三段發(fā)生故障，受影響的用戶數(shù)將分別為2/3N和1/3N，平均停運(yùn)時(shí)間均為線路的平均修復(fù)時(shí)間，其計(jì)算公式總結(jié)如下。

單輻射時(shí)為

式中：R為線路的供電半徑，km；num為線路的分段數(shù)；λ2為線路的平均故障率，次/km×年；r2為線路的平均修復(fù)時(shí)間，小時(shí)/次；t為線路的倒閘時(shí)間，小時(shí)/次。

單聯(lián)絡(luò)時(shí)為

其他各種接線模式情況下，可將故障后的不同設(shè)備轉(zhuǎn)化為單輻射和單聯(lián)絡(luò)后，再分別進(jìn)行計(jì)算。

3)斷路器故障時(shí)用戶停電持續(xù)時(shí)間。 本文所采取的理論計(jì)算模型中，設(shè)定每條10 kV線路僅對應(yīng)一個(gè)出口斷路器。正常運(yùn)行狀況下的斷路器故障率通常選用拒動率來表示，本文設(shè)計(jì)中，斷路器的拒動率取2.11%，同時(shí)斷路器故障引起的用戶停電是建立在線路停電的基礎(chǔ)上的，因此其理論計(jì)算公式為

∑UiNi=λ2×R×N×r3×λ3

式中：λ2為線路的平均故障率，次/km×年；λ3為斷路器的平均故障率，次/臺×年；r3為斷路器的平均修復(fù)時(shí)間，小時(shí)/次；R為線路的供電半徑，km。

4)環(huán)網(wǎng)開關(guān)故障時(shí)用戶停電持續(xù)時(shí)間。本文設(shè)計(jì)中，電纜線路上安裝的環(huán)網(wǎng)柜設(shè)定為分段設(shè)備，架空線路上安裝的負(fù)荷開關(guān)設(shè)定為分段設(shè)備。理論計(jì)算中，假設(shè)理論計(jì)算公式同樣適用于電纜線路，并將負(fù)荷開關(guān)設(shè)為研究的對象。在不同的網(wǎng)絡(luò)接線模式情況下，可將負(fù)荷開關(guān)故障時(shí)用戶停電持續(xù)時(shí)間分為單輻射和單聯(lián)絡(luò)兩種。

單輻射時(shí)為

單聯(lián)絡(luò)時(shí)為

[4×r4+(num-2)×t]

其他各種接線模式情況下，可將故障后的不同設(shè)備轉(zhuǎn)化為單輻射和單聯(lián)絡(luò)后，再分別進(jìn)行計(jì)算。

若負(fù)荷開關(guān)斷路器、電纜線路或架空線路以及母線等設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障，可采用AIH、AITC、CRS對應(yīng)公式計(jì)算出平均停電時(shí)間和受影響用戶數(shù)相應(yīng)的可靠性指標(biāo)的數(shù)值。

3.2 用電有效度

通過研究不同接線模式的計(jì)算結(jié)果，得到在不同負(fù)荷密度和變電站容量下各指標(biāo)的變化趨勢，目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下的用電有效度如圖3、圖4所示。

圖3 變電站容量為2×50 MVA時(shí)可靠性Fig.3 Reliability as substation capacity is 2×50 MVA

從圖3和圖4中可以看出，在相同變電站容量情況下，電纜網(wǎng)絡(luò)的各種接線模式可靠性指標(biāo)由高到低的順序?yàn)椋骸?-1”開閉所>“3-1”開閉所>雙環(huán)網(wǎng)>兩供一備>三供一備>四供一備>單環(huán)>單輻射。雙環(huán)網(wǎng)接線和“N-1”接線之間的可靠性數(shù)值相差不多。

圖4 變電站容量為3×50 MVA時(shí)可靠性Fig.4 Reliability as substation capacity is 3×50 MVA

4 結(jié) 論

本文利用自然增長法對當(dāng)前負(fù)荷進(jìn)行了預(yù)測，詳細(xì)論述了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)重要因素與可靠性，提出了基于故障模式后果分析法的太白湖區(qū)目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，并得出目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)只有在發(fā)生多重故障時(shí)，可靠性差別較大。通過綜合分析比較，開閉所供電模式可靠性最高，單聯(lián)絡(luò)接線、分段兩聯(lián)絡(luò)接線和分段三聯(lián)絡(luò)接線的可靠性數(shù)值相差不大。

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(編輯 侯世春)

Study on distribution network structure reliability based on failure mode and effect analysis method

ZHANG Qiliang, LIU Qianying

(State Grid Jining Power Supply Company, Jining 272000, China)

As to problems such as limited power supply ability of distribution network, simple power grid structure and weak distribution network management in Taibai lake region, Jining, the current load is forecasted by using natural growth method and important factors and reliability in designing network structure are elaborated in detail. On the basis of all above, the objective network structure is proposed based on failure mode and effect analysis method and the scheme of make the transition from current to objective network structure is given. The effect after the implementation of the proposed scheme through analysis verifies that the objective network structure has more reliability in power supply under the mode of power opening or closing .

natural growth method; network structure; reliability; failure mode and effect analysis; objective network

2017-02-06。

張啟亮(1987—)，男，碩士研究生，工程師，主要從事配網(wǎng)調(diào)度控制工作。

TM727.1

A

2095-6843(2017)03-0220-04