配電網(wǎng)供電可靠性分析

林建明

摘要：配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，也是直接入戶的電能分配終端，在電網(wǎng)中起到了不可替代的樞紐作用。配電網(wǎng)的供電可靠性直接反映了一個(gè)國家的電力工業(yè)發(fā)展水平。因此，配電系統(tǒng)供電可靠性評(píng)估對(duì)電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行都有著非常重要的意義。本文以我國當(dāng)前配電網(wǎng)供電現(xiàn)狀為切入點(diǎn)，介紹了一些主要的供電可靠性評(píng)估理論和關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用蒙特卡洛法對(duì)配電網(wǎng)供電可靠性進(jìn)行了計(jì)算，最后提出了一些關(guān)于提高配電網(wǎng)供電可靠性的建議，為供電可靠性的計(jì)算提供了參考。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；供電可靠性；蒙特卡洛法；評(píng)價(jià)體系

0前言

改革開放才來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展走上了快車道，社會(huì)對(duì)電能的需求不斷增長，使現(xiàn)有電網(wǎng)的供電能力受到了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，這對(duì)配電網(wǎng)的供電可靠性提出了更高的要求。配電網(wǎng)在整個(gè)電網(wǎng)中具有極為重要的地位，可以說配電網(wǎng)的供電可靠性直接決定了整個(gè)電力系統(tǒng)的供電可靠性。

1配電網(wǎng)供電可靠性研究現(xiàn)狀

1.1國外研究現(xiàn)狀

早在上世紀(jì)60年代，可靠性理論進(jìn)入了電力系統(tǒng)的研究范圍。國外的研究人員最早是在統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度來研究配電網(wǎng)可靠性的，隨著電網(wǎng)的擴(kuò)張，基于傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析的定性分析已不能滿足新的評(píng)估需要，于是又出現(xiàn)了采用定量指標(biāo)來描述電力系統(tǒng)供電水平的新方法[1]。到目前為止，美國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)形成了較為完整的評(píng)估體系和成熟的理論，并在生產(chǎn)實(shí)踐中廣泛應(yīng)用。

1.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國在配電網(wǎng)可靠性方面的研究始于1980年以后，對(duì)配電網(wǎng)可靠性的研究主要集中在評(píng)估算法上。目前我國已形成一系列國家標(biāo)準(zhǔn)，在電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制技術(shù)、供電可靠性評(píng)價(jià)等方面都有較為詳細(xì)的規(guī)定，基本能夠保障配電網(wǎng)的可靠運(yùn)行[2]。但從總體看來，我國配電技術(shù)水平偏低、設(shè)備陳舊落后、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)脆弱、電力供應(yīng)能力不足，配電網(wǎng)供電可靠性較差。隨著配電網(wǎng)供電可靠性受到越來越多的關(guān)注，我國重要城市配電網(wǎng)的供電可靠率已從最初的99.85%提高到99.9%，但與發(fā)達(dá)國家相比還有一段很明顯的差距。

1.3存在的問題

由于資金不足、設(shè)備老化、技術(shù)落后等因素的限制，我國配電網(wǎng)目前還存在著以下幾方面的問題：

1）電網(wǎng)發(fā)展落后于用電負(fù)荷的增長

近年來，我國城市化進(jìn)程迅速推進(jìn)，工業(yè)水平不斷提高，電網(wǎng)負(fù)荷日益加重，而配電網(wǎng)的建設(shè)則相對(duì)緩慢，變電站數(shù)量不夠，供電線路過少，配電網(wǎng)供電能力不足，城市電網(wǎng)規(guī)劃不合理，給城市用電帶來了巨大的壓力。

2）配電網(wǎng)平均供電可靠性偏低

我國城市電網(wǎng)的平均可靠性目前約為99.9%。相比之下，美國達(dá)到了99.99%，而日本則達(dá)到了99.999%。可見我國配電網(wǎng)的供電可靠性還不是很高，這與我國城市配電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)以及配電網(wǎng)自動(dòng)化水平低有直接關(guān)系。

3）設(shè)備利用率低、網(wǎng)損高

配電網(wǎng)的資源利用率是世界電力行業(yè)的普遍問題，但在我國表現(xiàn)得極為嚴(yán)重。美國配電網(wǎng)設(shè)備平均負(fù)載率可達(dá)50%，日本達(dá)到了80%以上，而我國的負(fù)載率還不及35%。另一方面，我國配電網(wǎng)的網(wǎng)損率也偏大。

2配電網(wǎng)可靠性評(píng)估理論

2.1 解析法

解析法指的是構(gòu)建一個(gè)可靠性數(shù)學(xué)模型，該模型的參數(shù)是由電力系統(tǒng)中元件的隨機(jī)參數(shù)統(tǒng)計(jì)而來的。模型中定義了一系列可能出現(xiàn)的事故類型，并對(duì)這些事故的狀態(tài)進(jìn)行分析，最后通過數(shù)值計(jì)算精確求解模型中的指標(biāo)。解析法主要分為以下幾類：故障模式后果分析法、等值法、圖論分析法、最小路法等。

2.2模擬法

模擬法就是對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)可能發(fā)生的典型狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)行分析，從而得出所需要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。蒙特卡洛法是最常用的模擬法，它是以元件壽命周期的概率分布為基礎(chǔ)的，通過抽樣來計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。蒙特卡洛法的抽樣次數(shù)不受系統(tǒng)規(guī)模限制，非常適用于大型復(fù)雜電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估。

2.3人工智能法

人工智能算法是一種基于仿生學(xué)的研究方法，具有智能處理信息的能力，可以化繁為簡。目前較成熟的人工智能法有：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法和遺傳算法。人工智能法在可靠性分析領(lǐng)域的應(yīng)用是電力系統(tǒng)分析技術(shù)的一大進(jìn)步。

3配電網(wǎng)供電可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)

評(píng)估指標(biāo)是配電系統(tǒng)可靠程度的說明和體現(xiàn)，也是參考決策的理論支持和依據(jù)。目前廣泛使用的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估指標(biāo)主要有兩大類：第一類的基本思想是把整個(gè)系統(tǒng)拆分分各種元器件，然后單獨(dú)對(duì)各類元器件的可靠性進(jìn)行分析；第二類是從整個(gè)供電系統(tǒng)入手，對(duì)其整體的運(yùn)行可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3.1負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)

負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)有三個(gè)：平均故障率、年平均停電時(shí)間和平均停運(yùn)持續(xù)時(shí)間。這些指標(biāo)主要是針對(duì)單個(gè)電力電子器件或某個(gè)小部件的可靠性分析，屬于微觀分析方法。

3.2系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

1）系統(tǒng)平均停電頻率（SAIFI）

SAIFI代表在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)參與配電的各用戶的平均停電次數(shù)，計(jì)算公式為：

2）系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間（SAIDI）

SAIDI代表在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)發(fā)生在參與配電的各用戶的平均停電持續(xù)時(shí)間，可以表示為：

3）用戶平均停電持續(xù)時(shí)間（CAIDI）

CAIDI代表在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)配電系統(tǒng)中各個(gè)受到停電影響的用戶每次停電的平均持續(xù)時(shí)間，可以表示為：

4蒙特卡洛法

4.1元件模型

配電系統(tǒng)的電力電子元器件具有兩態(tài)性，即它只能處于可用狀態(tài)或者不可用狀態(tài)。如果不排除有計(jì)劃的人為因素，則電力電子元器件處在可用狀態(tài)或不可用狀態(tài)是隨機(jī)的。為方便描述與分析，一般將處于工作狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間記為TU，不可用狀態(tài)記為 TD。在元件的整個(gè)生命周期中，通常會(huì)處于TU和TD兩個(gè)狀態(tài)間不斷交替，因此這種元件模型又被業(yè)內(nèi)稱為雙態(tài)模型。

4.2潮流約束

配電網(wǎng)在發(fā)生故障時(shí)會(huì)引起配電網(wǎng)潮流變化。為了精確計(jì)算，本文的計(jì)算模型考慮了多個(gè)約束條件。元件故障率可表示為：

元件的修復(fù)率可表示為：

其中， 是天氣因素權(quán)重因子； 是修復(fù)時(shí)間的天氣因素權(quán)重因子； 是可用修復(fù)資源權(quán)重因子；

具體過程為：首先將歷史統(tǒng)計(jì)的線路數(shù)據(jù)作為初始參數(shù)，包括元件的平均故障率、平均修復(fù)時(shí)間和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)；然后根據(jù)蒙特卡洛法的基本思想，對(duì)配電網(wǎng)中的所有元件進(jìn)行隨機(jī)抽樣，統(tǒng)計(jì)出其TU和連TD，當(dāng)TU 小到某一閾值時(shí)認(rèn)為該元件已失效，狀態(tài)為TD，反之則為TU。接著，根據(jù)數(shù)值計(jì)算的結(jié)果可以進(jìn)一步分析受影響的負(fù)荷點(diǎn)的TU和TD，從而得出本次停電的戶數(shù)和線路可靠率。

5結(jié)論與展望

配電網(wǎng)直接面對(duì)電力客戶，受到供電企業(yè)和用戶的高度關(guān)注。但配電網(wǎng)可靠性研究是一項(xiàng)艱難的工程任務(wù)，雖然我國目前的研究相對(duì)落后，但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，更多新技術(shù)和新設(shè)備將引入到配電網(wǎng)中。在今后的研究中，重要的趨勢(shì)之一是深入挖掘可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并同時(shí)開展對(duì)配電網(wǎng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)性研究。不難預(yù)計(jì)，電力投資在配電網(wǎng)方面將會(huì)有上漲的趨勢(shì)，這對(duì)于提高配電網(wǎng)供電可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]顏少偉.復(fù)雜配電網(wǎng)供電可靠性評(píng)估方法[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]王文博，馮光，胡博，楊賀鈞，鐘雋.面向用戶的配電網(wǎng)可靠性目標(biāo)規(guī)劃[J].電測與儀表，2014，51（18）：13-19.endprint