基于改進(jìn)最小路的低壓配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估

毛澍，閆志彬，閆濤，王金宇，劉偉，談軍，王曉楠，康健，張麗

(1. 國(guó)家能源局電力可靠性管理和工程質(zhì)量監(jiān)督中心，北京 100031；2. 國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；3. 中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；4. 國(guó)家電網(wǎng)有限公司，北京 100031)

作為配電系統(tǒng)的最后一環(huán)，低壓配電系統(tǒng)連接著公用配電變壓器和用戶，擔(dān)負(fù)著向用戶直接供應(yīng)電能和分配電能的重要任務(wù)[1]。西方發(fā)達(dá)國(guó)家的供電可靠性主要采用面向終端用戶的評(píng)估評(píng)價(jià)方式，如國(guó)際范圍內(nèi)最具權(quán)威的IEEE 1366供電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)[2]，其統(tǒng)計(jì)到用戶電能表，不分電壓等級(jí)，每個(gè)計(jì)費(fèi)點(diǎn)為一個(gè)統(tǒng)計(jì)單位，故其評(píng)估評(píng)價(jià)結(jié)果能真實(shí)地反映系統(tǒng)實(shí)際可靠性水平,然而，國(guó)內(nèi)供電可靠性評(píng)估評(píng)價(jià)仍主要集中于中高壓配電系統(tǒng)，尚未延伸至低壓配電系統(tǒng)，且鮮有針對(duì)低壓系統(tǒng)可靠性評(píng)估的相關(guān)研究，急需提出一種適用于低壓系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法[3]。

低壓配電系統(tǒng)具有 “點(diǎn)多面廣分層多” 等特點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞氖崂黼y度較大，故難以搭建起可靠性評(píng)估的物理模型。針對(duì)該問題，部分學(xué)者提出基于統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的低壓配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法[4-9]。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于概率統(tǒng)計(jì)的低壓用戶供電可靠性評(píng)估方法，通過(guò)建立系統(tǒng)分區(qū)模型和抽取用戶停電信息，結(jié)合概率統(tǒng)計(jì)理論來(lái)實(shí)現(xiàn)低壓配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的快速計(jì)算。文獻(xiàn)[5]提出了一種基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，首先根據(jù)測(cè)量精度要求設(shè)定低電壓可靠性監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后基于監(jiān)測(cè)點(diǎn)收集到的運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算可靠性指標(biāo)。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析的城市低壓配電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評(píng)估算法，該方法以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)計(jì)綜合性評(píng)估指標(biāo)，結(jié)合轉(zhuǎn)供容量等參數(shù)值，實(shí)現(xiàn)了城市低壓電網(wǎng)的可靠性評(píng)估。文獻(xiàn)[7-8]首先分析了低壓配電系統(tǒng)用戶供電可靠性評(píng)估的重要性，然后分別構(gòu)建了低壓配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估方法和可靠性預(yù)測(cè)方法，為低壓配電系統(tǒng)的可靠性管理工作提供借鑒作用。文獻(xiàn)[9]提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性評(píng)估方法，根據(jù)歷史可靠性指標(biāo)和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，評(píng)估低壓配電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。上述方法雖然實(shí)現(xiàn)了低壓配電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，但其評(píng)估準(zhǔn)確性過(guò)于依賴歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，且短期歷史數(shù)據(jù)難以反映可靠性的真實(shí)水平，且難以用于分析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)對(duì)可靠性的影響。

國(guó)家能源局于2018年開展低壓用戶供電可靠性管理試點(diǎn)工作，探索開展低壓用戶供電可靠性管理研究和實(shí)踐，梳理了華東地區(qū)試點(diǎn)區(qū)域的低壓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系，為可靠性的解析評(píng)估創(chuàng)造了有力條件。試點(diǎn)工作發(fā)現(xiàn)，低壓配電系統(tǒng)主要為“總箱-分箱-表箱”的多級(jí)配電結(jié)構(gòu)，要求配置三段保護(hù)，包含較多的低壓斷路器,然而，低壓斷路器普遍存在未短路時(shí)因操作故障導(dǎo)致的誤動(dòng)作和短路時(shí)保護(hù)失效導(dǎo)致的拒動(dòng)作，最終引發(fā)不同類型的停電事故[10];因此，為準(zhǔn)確評(píng)估低壓配電系統(tǒng)可靠性水平，本文提出了一種基于改進(jìn)最小路的低壓配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法，能充分考慮低壓斷路器拒動(dòng)和誤動(dòng)兩種故障模式，實(shí)際算例分析證明了方法的合理性和準(zhǔn)確性。

1 拒動(dòng)誤動(dòng)對(duì)低壓配電系統(tǒng)的故障影響分析

低壓配電系統(tǒng)故障，臨近故障點(diǎn)的上級(jí)斷路器跳閘，隔離故障支路，防止故障蔓延至相鄰支路，這種保護(hù)機(jī)制能最大限度地減小停電范圍，降低故障影響[11],因此，斷路器是否能正確動(dòng)作直接決定著故障影響范圍，故不應(yīng)忽略其拒動(dòng)誤動(dòng)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響[12-13]。以圖1所示系統(tǒng)為例，分析拒動(dòng)誤動(dòng)對(duì)低壓配電系統(tǒng)的故障影響。

圖1 低壓配電系統(tǒng)示例

首先，分析因保護(hù)失效導(dǎo)致拒動(dòng)的故障影響。圖1中系統(tǒng)的低壓線路5發(fā)生故障，斷路器QF3跳閘，用戶1和2停電。若QF3保護(hù)失效，發(fā)生拒動(dòng)，則QF1跳閘，用戶1至3停電。若QF1也拒動(dòng)，則配變的跌落保險(xiǎn)QF0跳開，用戶1至5全部停電，直至故障修復(fù)；因此，由于拒動(dòng)會(huì)擴(kuò)大故障停電范圍，故需將拒動(dòng)甚至多重拒動(dòng)納入可靠性分析;然后，分析因操作失誤導(dǎo)致誤動(dòng)的故障影響，仍以圖1為例，斷路器QF3發(fā)生誤動(dòng)，則分箱1所帶的用戶1和用戶2停電，直至故障恢復(fù),因此，由于誤動(dòng)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)停電，故需將誤動(dòng)納入可靠性分析。綜上，為保證低壓配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的準(zhǔn)確性，需充分考慮斷路器拒動(dòng)誤動(dòng)兩種故障模式，本文基于改進(jìn)最小路法提出一種能考慮拒動(dòng)誤動(dòng)的可靠性解析評(píng)估方法。

2 基于改進(jìn)最小路的配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法

最小路法是輻射狀中壓配電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的常用方法[14-16]，算法思路如下：首先根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，尋找電源點(diǎn)到負(fù)荷點(diǎn)間的最短供電路徑，即最小路，然后分析系統(tǒng)元件與最小路之間的關(guān)系，最終實(shí)現(xiàn)可靠性指標(biāo)的解析分析;然而，傳統(tǒng)最小路法并未考慮斷路器拒動(dòng)誤動(dòng)，需改進(jìn)傳統(tǒng)最小路法，故提出了一種基于改進(jìn)最小路的可靠性解析評(píng)估方法，計(jì)算流程如圖2所示。

圖2 計(jì)算流程

詳細(xì)步驟如下：

步驟1,初始化。設(shè)置用戶計(jì)數(shù)器i和元件計(jì)數(shù)器j，且i=j=1，分別設(shè)置系統(tǒng)所有用戶年平均停電次數(shù)(AIFI)和年平均停電時(shí)間(AIDI)，且AIFI=AIDI=0。

步驟2，根據(jù)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，采用深度?yōu)先搜索算法[17]，搜索配電變壓器到用戶i的最小路，記錄最小路所包含的斷路器集合QFLi。

步驟3，更新用戶i的可靠性指標(biāo)AIFIi和AIDIi，更新方程為

(1)

MTTRk—斷路器k的平均修復(fù)時(shí)間，h/a。

步驟4,采用深度優(yōu)先搜索算法，搜索配電變壓器到元件j的最小路，記錄最小路所包含的斷路器集合QFDj，需要注意的是斷路器的最小路不包含自身。

步驟5，更新用戶i的可靠性指標(biāo)AIFIi和AIDIi，更新方程為

(2)

yk(x)—控制變量，其中，當(dāng)斷路器k∈QFLi，則yk(x)=1，否則yk(x)=x；

pk—斷路器k的保護(hù)失效率。

步驟6，判斷j是否大于系統(tǒng)總元件數(shù)ND，是則跳轉(zhuǎn)到步驟7，否則j=j+1，并跳轉(zhuǎn)到步驟4。

步驟7，判斷i是否大于系統(tǒng)總用戶數(shù)NL，是則跳轉(zhuǎn)到步驟8，否則i=i+1且j=1，并跳轉(zhuǎn)到步驟2。

步驟8，計(jì)算系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，系統(tǒng)平均停電頻率(SAIFI)和系統(tǒng)平均停電時(shí)間(SAIDI)的計(jì)算公式參考中壓配電系統(tǒng)的指標(biāo)計(jì)算公式[18]：

(3)

3 算例分析

算例系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)采集于華東地區(qū)供電服務(wù)指揮系統(tǒng)，系統(tǒng)包含22個(gè)低壓用戶，36個(gè)斷路器，29條低壓電纜線路，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。配變及以上的等效故障率為0.015次/a，等效平均修復(fù)時(shí)間為8 h，斷路器參數(shù)見表1，電纜線路參數(shù)見表2。

表1 斷路器參數(shù)

圖3 算例系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

表2 電纜線路參數(shù)

3.1 計(jì)及低壓配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的供電可靠性分析

目前，大部分供電公司僅實(shí)現(xiàn)了中壓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃苑治觯@得了中壓節(jié)點(diǎn)的可靠性指標(biāo)，但對(duì)于低壓系統(tǒng)則采用中壓節(jié)點(diǎn)等效方法進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，其指標(biāo)值等同于所屬中壓節(jié)點(diǎn)。為準(zhǔn)確評(píng)估系統(tǒng)可靠性，本文方法考慮了低壓配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本節(jié)將對(duì)比分析中壓等效法和本文方法的可靠性評(píng)估結(jié)果，如表3所示，用戶可靠性指標(biāo)如圖4所示。

表3 兩種評(píng)估方法的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

圖4 兩種評(píng)估方法的用戶可靠性指標(biāo)

根據(jù)表3可知，相比于中壓等效法，本文方法的SAIFI從0.015次/a增加至0.603次/a，增長(zhǎng)了39.2倍，SAIDI從0.120 h/a增加至0.392 h/a，增長(zhǎng)了2.3倍。兩種評(píng)估方法的可靠性指標(biāo)差異巨大，本文方法考慮了低壓配網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，雖然增加了評(píng)估的復(fù)雜性，但較能真實(shí)地反映低壓配電系統(tǒng)的可靠性水平。

根據(jù)圖4可知，中壓等效法的用戶AIFI和AIDI完全一致，而本文方法的用戶AIFI和AIDI則存在一定的差異，說(shuō)明中壓等效法無(wú)法反映出低壓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備故障特性對(duì)用戶可靠性水平的影響，故其評(píng)估結(jié)果也無(wú)法準(zhǔn)確反映用戶的真實(shí)可靠性水平，不利于可靠性薄弱環(huán)節(jié)的分析改善。本文方法考慮了低壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和設(shè)備故障特性，所得的指標(biāo)也反映出用戶可靠性水平的差異性，具有一定的優(yōu)勢(shì)。

3.2 拒動(dòng)誤動(dòng)對(duì)低壓配電系統(tǒng)供電可靠性的影響

目前，電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估大部分假設(shè)低壓斷路器能100%正確動(dòng)作，忽略了斷路器操作故障和保護(hù)失效的兩種故障模式，故兩種故障模式對(duì)低壓配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響設(shè)置以下四種情形：

情形1，不考慮操作故障和保護(hù)失效；

情形2，考慮操作故障，但不考慮保護(hù)失效；

情形3，考慮保護(hù)失效，但不考慮操作故障；

情形4，同時(shí)考慮保護(hù)失效和操作故障。

采用本文方法分別計(jì)算其系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，如表4所示。

表4 四種情形下的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

根據(jù)表4可知，情形2的SAIFI和SAIDI比情形1分別增長(zhǎng)了1.336%和0.923%，情形3則比情形1分別增長(zhǎng)了32.962%和19.692%，情形4則為34.298%和20.615%。情形2-4的可靠性指標(biāo)均高于情形1，說(shuō)明考慮了斷路器的操作故障或保護(hù)失效后，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)有所降低，即忽略兩種故障模式的可靠性指標(biāo)偏高。此外，根據(jù)公式(1)和公式(2)，所有斷路器的操作故障率和保護(hù)失效率與用戶的AIFI和AIDI均呈線性正相關(guān)，考慮拒動(dòng)誤動(dòng)前兩參數(shù)相當(dāng)于0，而考慮后兩參數(shù)相當(dāng)于從0增至算例給定數(shù)值，故必然導(dǎo)致SAIFI和SAIDI的上升。情形3指標(biāo)的增幅遠(yuǎn)大于情形2，說(shuō)明相比于操作故障，保護(hù)失效給算例系統(tǒng)的SAIFI和SAIDI帶來(lái)了更大的增幅，故更換保護(hù)失效率較低的斷路器給系統(tǒng)可靠性水平帶來(lái)的提升效果將更明顯，故為有效改善算例系統(tǒng)的可靠性，可優(yōu)先更換保護(hù)失效率低的斷路器。

3.3 計(jì)及低壓供電可靠性的斷路器設(shè)備優(yōu)選

電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)通常以供電可靠性為首要目標(biāo)，并將建設(shè)改造費(fèi)用作為約束條件。假設(shè)算例系統(tǒng)計(jì)劃投資1萬(wàn)元對(duì)電纜分接箱內(nèi)的斷路器(QF8-14)進(jìn)行升級(jí)更換以最大程度地提升系統(tǒng)可靠性水平。現(xiàn)某廠家可提供一批全新的電纜分接箱斷路器，其故障率為0.043，保護(hù)失效率為3.82%，操作故障率為0.031，單價(jià)為1580元/臺(tái)，考慮到1萬(wàn)元僅可購(gòu)買6臺(tái)斷路器，故此次升級(jí)改造無(wú)法全部更換，需剩余1臺(tái)斷路器。分別計(jì)算剩余QF8-14中的任意一臺(tái)斷路器的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 剩余不同斷路器的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

從表5可以看出，方案2的SAIDI最低，為0.379 h/a，方案1和方案4的SAIDI最高，為0.381 h/a，其余方案為0.380 h/a，說(shuō)明此次升級(jí)改造應(yīng)采用方案2，能最大程度地提升可靠性。此外，根據(jù)表1可知，算例系統(tǒng)中QF8-14的參數(shù)完全一致，故7種方案的提升效果亦可通過(guò)觀察來(lái)驗(yàn)證，即通過(guò)比較斷路器拒動(dòng)誤動(dòng)影響的用戶數(shù)量來(lái)判斷需要改造的對(duì)象，QF9影響用戶5-6，QF8和QF11分別影響用戶15-18和用戶24-27，顯然此算例系統(tǒng)中QF9對(duì)于系統(tǒng)可靠性的影響最小，側(cè)面論證了本文方法的合理性。因此，本文方法可用于低壓配電系統(tǒng)的升級(jí)改造，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于改進(jìn)最小路的低壓配電系統(tǒng)可靠性解析評(píng)估方法，首先基于深度優(yōu)先搜索算法搜索出給定低壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的元件最小路和用戶最小路，然后通過(guò)分析元件和用戶最小路之間的邏輯關(guān)系以及系統(tǒng)元件故障特性，解析計(jì)算出系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，結(jié)論如下：

(1)相比于中壓等效法，本文方法進(jìn)一步考慮了低壓網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和拒動(dòng)誤動(dòng)的情況，能更好地反映低壓網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜驮O(shè)備故障特性對(duì)可靠性水平的影響，提升了系統(tǒng)可靠性評(píng)估的真實(shí)性和終端用戶可靠性指標(biāo)的差異性。

(2)建立了設(shè)備故障特性與可靠性指標(biāo)間的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系，考慮了系統(tǒng)故障后斷路器能正常斷開故障點(diǎn)、斷路器拒動(dòng)無(wú)法斷開故障點(diǎn)和操作故障引發(fā)斷路器誤動(dòng)的三種故障情景，實(shí)現(xiàn)了具有“多級(jí)保護(hù)”結(jié)構(gòu)的低壓配電系統(tǒng)可靠性的量化分析。

(3)通過(guò)分析計(jì)及低壓供電可靠性的斷路器設(shè)備優(yōu)選，證明了本文方法的工程應(yīng)用價(jià)值。