變電站電氣設(shè)備主接線故障在線診斷方法研究

李 凱,宋景博,張金鳳,閆向陽(yáng),趙 沖

(國(guó)網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,河南 鄭州 450000)

0 引言

電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行取決于電力設(shè)備主接線的可靠度。變電站內(nèi)的電力設(shè)備包括變壓器、斷路器、母線和隔離開(kāi)關(guān)等[1]。隨著電力容量的增大，電氣裝置結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，元件的數(shù)量也相應(yīng)增多。國(guó)際上，電氣主接線可靠性研究始于20世紀(jì)70年代，主要研究斷路器的3狀態(tài)模式[2]。在20世紀(jì)90年代，比林頓推出了廣域n+2狀態(tài)馬爾科夫模式[3]，并將其應(yīng)用于發(fā)電站的可靠算法評(píng)價(jià)。后來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者利用解析法診斷變電站主接線故障。解析法采用的具體方式較多，在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要有狀態(tài)空間法、故障后果評(píng)價(jià)法、故障樹(shù)分析法和最小割集法[4]。目前，電氣設(shè)備主接線故障的診斷在電力設(shè)備的可靠性監(jiān)測(cè)中是十分重要的，許多研究方法尚處于起步階段。因此，建立一套完善的電氣設(shè)備主接線故障在線診斷方法已經(jīng)成為當(dāng)下迫切需要解決的問(wèn)題。

1 電氣主接線元件傳統(tǒng)模型

1.1 斷路器模型

電氣設(shè)備的斷路器是主要操作部分，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其功能一般包括切除短路電流、倒閘操作等[5]。基于多種因素，斷路器的可靠性模型通常包含7種狀態(tài)。最常見(jiàn)的是正常運(yùn)行狀態(tài)N、計(jì)劃修復(fù)狀態(tài)M、強(qiáng)迫修復(fù)狀態(tài)m、誤動(dòng)狀態(tài)f。在上述狀態(tài)之外，一般還包括接地或絕緣故障狀態(tài)i、拒動(dòng)狀態(tài)St和故障后修復(fù)狀態(tài)r。這些狀態(tài)共同組成了斷路器的7狀態(tài)空間，如圖1所示。

圖1 斷路器的7狀態(tài)空間圖

由于斷路器所具有的故障模式比較多，根據(jù)不同位置和運(yùn)行規(guī)則，線路側(cè)斷路器的修改計(jì)算如式(1)所示[6]。

(1)

式中：λ為線路側(cè)斷路器的故障率，次/年；K1為靜態(tài)系數(shù)，取0.3；K2為短路切除系數(shù)，取0.4；K3為操作系數(shù)，一般取0.3；Li為線路的長(zhǎng)度；Lp為平均線路長(zhǎng)度；ni為實(shí)際運(yùn)行次數(shù)；np為年操作次數(shù)的平均值；λp為斷路器的故障率。

1.2 發(fā)電機(jī)、輸電線路和變壓器模型

發(fā)電機(jī)、輸電線路和變壓器模型結(jié)構(gòu)圖被定義為3狀態(tài)圖[7]。發(fā)電機(jī)、輸電線路和變壓器的轉(zhuǎn)移模型如圖2所示。由于故障導(dǎo)致其他元件的狀態(tài)改變，使鄰接斷路器無(wú)法工作，所以需要相關(guān)斷路器的動(dòng)作，才能將故障切除。圖2中：λR為故障的出現(xiàn)概率；λM為計(jì)劃的檢修速度；μR為修復(fù)的概率；μM為計(jì)劃修復(fù)的概率。

圖2 發(fā)電機(jī)、輸電線路和變壓器的轉(zhuǎn)移模型圖

1.3 母線模型

對(duì)于常見(jiàn)的電力連接，母線分為倒閘母線、無(wú)倒閘母線等[8]。有倒閘操作的母線可靠度模型如圖3所示。參數(shù)N為正常操作狀態(tài)；R為修復(fù)故障狀態(tài)；M是計(jì)劃的修復(fù)狀態(tài)；S是開(kāi)關(guān)的切換狀態(tài)；λR為故障發(fā)生的概率；λM為計(jì)劃?rùn)z修的速度；λS為切換速度；μR為修復(fù)的概率；μM為計(jì)劃修復(fù)的概率。

圖3 有倒閘操作的母線可靠度模型圖

2 電氣設(shè)備主接線故障

2.1 變電站電氣主接線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征矩陣

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征矩陣是評(píng)估主接線設(shè)備的基本矩陣[9]，對(duì)主接線之間的關(guān)系進(jìn)行分析。主接線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的變化以及設(shè)備中元件的變化都需要由這些特征矩陣進(jìn)行輔助分析，以便對(duì)主接線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整體研究。故障變化的情況主要可分為元件鄰接矩陣A、受累停運(yùn)矩陣D。變電站中的鄰近元件的相互關(guān)系需要用相對(duì)應(yīng)的矩陣進(jìn)行描述，主要用于描述相互的影響。對(duì)此，可采用元件鄰接矩陣滿足上述需求。其功能用于對(duì)元件組合情況和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行描述，實(shí)現(xiàn)主接線系統(tǒng)狀態(tài)的定量化[10]。

元件鄰接矩陣元素用代碼(0、1)表示，通過(guò)元件間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來(lái)表征元件的運(yùn)行或停運(yùn)狀況，從而表征變電所電氣主接線的系統(tǒng)狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其矩陣表達(dá)式如式(2)所示。

A=

x1

x2

?

(2)

式中：xi為元件編號(hào)，i=1、2、…、n；i、j為元件在矩陣中的排列序號(hào)；aij為元件i與元件j的連接關(guān)系代碼。

(3)

為保證在電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中不發(fā)生故障，需要界定一個(gè)影響范圍。通過(guò)界定范圍，可以確定受累停運(yùn)矩陣表示的被破壞電力元件的故障描述[11]。元件故障的影響范圍可用該元件故障所造成的其他元件受累停運(yùn)狀況來(lái)表示。因此，受累停運(yùn)矩陣是以故障元件i為行、受累停運(yùn)元件j為列得出的，如式(4)所示。

D=

x1

x2

?

(4)

式中：dij為停運(yùn)因子。

受累停運(yùn)矩陣的停運(yùn)因子用對(duì)元件擴(kuò)大型故障引起的受累停運(yùn)元件代碼(0、1)來(lái)表示。

(5)

受累停運(yùn)矩陣建立方法流程如圖4所示。

圖4 受累停運(yùn)矩陣建立方法流程圖

xi、xj是一個(gè)元件號(hào)碼，i,j=1,2,…,n。i、j是矩陣中元件的排序。

①鄰接矩陣中調(diào)出xi行矩陣，搜索故障影響范圍是該步驟的主要目的，進(jìn)而通過(guò)區(qū)域的確定進(jìn)一步診斷故障。搜索的目的是找出代碼相對(duì)應(yīng)的元素xj。

②跟蹤并調(diào)取步驟①搜尋到的各xj行矩陣，繼續(xù)搜索這些行矩陣中代碼1所對(duì)應(yīng)的元件。搜索方式是將代碼與元件進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)。

③判斷xj中是否存在斷路器。若存在，記錄該元件編號(hào)并停止搜索。若不存在，繼續(xù)步驟①、步驟②，直到搜索到斷路器。此時(shí)即完成整個(gè)搜索的流程，原則上可以判定為搜索中止，完成該項(xiàng)[12]。

對(duì)于搜索所得到的所有記錄的行元件，形成一個(gè)行矩陣，構(gòu)建累積停運(yùn)矩陣，用于表征上述行為。再設(shè)計(jì)一個(gè)xi的行矩陣，以構(gòu)成累積后的停運(yùn)矩陣。該矩陣的作用十分重要。

2.2 變電站電氣主接線故障應(yīng)答矩陣

故障類型主要有R型和S型兩種。不同故障相對(duì)應(yīng)的后果是不同的。變電站一般都存在R型故障。為了確定R型故障的各類組合對(duì)電氣主接線的影響，需要合理劃分故障類型，對(duì)同一類故障采用R型故障進(jìn)行描述。由于只限于一個(gè)元件自身情況，因此，變電站電氣主接線的最小路線矩陣在這時(shí)是具有相同意義的，也可以用G來(lái)表征R型故障矩陣。

而S型矩陣則有所不同。S型故障的結(jié)果不僅是故障部件停止運(yùn)行，而且會(huì)使相應(yīng)斷路器分段中的所有非故障部件受到累積停運(yùn)，從而導(dǎo)致該最小線路斷電。

2.3 連續(xù)性故障診斷

變電站故障診斷無(wú)需通過(guò)窮舉和篩選就能確定其故障狀態(tài)，而且往往要根據(jù)判斷條件進(jìn)行直接查找。通常以供電中斷作為連續(xù)性診斷的故障判據(jù)。變電站主接線從進(jìn)線到出線所要經(jīng)過(guò)的元件的集合稱為變電站的一條線路。如果在變電站的一條線路中任意除去一個(gè)元件就不再是通路，則這條線路稱為最小線路。由最小線路構(gòu)成的集合稱為最小線路集。根據(jù)最小線路矩陣中元件與最小線路的關(guān)聯(lián)情況，每個(gè)元件與最小線路的關(guān)聯(lián)總是非0即1的，所以任意元件都可以將其與最小線路Ln(n為最小線路總數(shù))劃分為L(zhǎng)(1)和L(0)兩部分。假設(shè)代碼為1的關(guān)聯(lián)通路為x條、代碼為0的不關(guān)聯(lián)通道為y條，分別記為L(zhǎng)x(1)和Ly(0)，則任意元件的最小線路關(guān)聯(lián)式如式(6)所示。

Ln=Lx(1)∪Ly(0)

(6)

式中:x+y=0，Lx(1)∈Ln，Ly(0)∈Ln。

(7)

3 算例分析

3.1 電氣主接線最小割集

本文以最小割集法為主，對(duì)單母線的接線進(jìn)行了研究。根據(jù)電力可靠性趨勢(shì)評(píng)價(jià)報(bào)告公布的可靠參數(shù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)后得到主接線元件原始可靠性參數(shù)，如表1所示。

表1 主接線元件原始可靠性參數(shù)

如表1所示，本算例選取的是SF6斷路器。以典型的變電所電氣主接線為例，采用單母線接線方式。單母線接線圖如圖5所示。

圖5 單母線接線圖

將故障時(shí)間與故障率的關(guān)系相互聯(lián)系起來(lái)，分別假設(shè)故障切換率為μS，對(duì)應(yīng)故障切換時(shí)間。元件故障檢修修復(fù)的概率為μR、計(jì)劃修復(fù)的概率為μM，分別對(duì)應(yīng)故障檢修時(shí)間和計(jì)劃?rùn)z修時(shí)間，可以從可靠性參數(shù)表中求得修復(fù)率。

(8)

同時(shí)，參考其他參數(shù)，合理地設(shè)定拒動(dòng)修復(fù)率的參數(shù)。拒動(dòng)修復(fù)率一般設(shè)置為μf=396。主接線元件的故障修復(fù)率如表2所示。

表2 主接線元件的故障修復(fù)率

接下來(lái)，求取主接線的最小割集。假設(shè)最小線路矩陣中的元件個(gè)數(shù)為m，求一階最小割集流程如圖6所示。

圖6 求一階最小割集流程圖

由該流程可以獲取使得各條出線停運(yùn)的原因。停運(yùn)時(shí)對(duì)應(yīng)的一階故障狀態(tài)如表3所示。

表3 停運(yùn)時(shí)對(duì)應(yīng)的一階故障狀態(tài)

3.2 計(jì)算結(jié)果

由表1的出線停運(yùn)故障狀態(tài)參數(shù)，采用上述方法可以計(jì)算出變電站電氣主接線各出線停運(yùn)的概率和頻率，主接線各出線停運(yùn)的概率和頻率如表4所示。

表4 主接線各出線停運(yùn)的概率和頻率

由于單母線連接中各出線之間的連接方式相同，具有對(duì)稱性，導(dǎo)致各出線在單母線連接中停運(yùn)頻率、概率相同。單母線接線簡(jiǎn)單，操作便利，但由于運(yùn)行比較單一，一旦斷路器關(guān)閉，整個(gè)回路都會(huì)被切斷。而發(fā)生母線或隔離開(kāi)關(guān)的故障時(shí)，母線的回路也要切斷。

4 結(jié)論

電力設(shè)施對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著至關(guān)重要的作用，因此變電站電力設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行十分關(guān)鍵。其中，電力主接線系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。電氣主接線模型包含斷路器、變壓器、母線和隔離開(kāi)關(guān)等部件。本文主要研究了變電站主接線的可靠性，總結(jié)分析了變電站電氣設(shè)備主接線可靠性評(píng)估的模型及相應(yīng)指標(biāo)。本文采用最小割集法，計(jì)算了單母線的主接線一階的最小割集。故障診斷的主要目標(biāo)是電氣設(shè)備的供電連續(xù)性，反映其可靠性。下一步研究將在分析主接線故障診斷性能的同時(shí)，更加合理地解耦廠站接線與電力系統(tǒng)的聯(lián)系，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行辨識(shí)，提升自動(dòng)化水平。此外，變電站分層拓?fù)湟彩侵攸c(diǎn)研究方向之一。