周迎偉,于立強(qiáng),尹兆磊,張艷春,高明亮
(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司,河北 承德 067000)
隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步,社會(huì)對(duì)電能的需求與依賴性也大幅提升,對(duì)電能質(zhì)量的要求也日趨嚴(yán)格。電力系統(tǒng)逐漸成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一[1]。電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性直接關(guān)系著國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)穩(wěn)定[2]。
電源變電站是給用戶供電、配電的關(guān)鍵環(huán)節(jié),連接著整個(gè)輸變電系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)與萬(wàn)千用戶,直接關(guān)系著電力系統(tǒng)的供電能力。若是電源變電站供電出現(xiàn)問(wèn)題,不但會(huì)影響用電客戶的使用體驗(yàn),也會(huì)影響社會(huì)的整體穩(wěn)定性。由此可見(jiàn),電能供應(yīng)事故對(duì)國(guó)家發(fā)展具備較大的沖擊性,一旦發(fā)生,后果不堪設(shè)想。因此,電源變電站供電可靠性作為衡量變電站優(yōu)劣的基本標(biāo)準(zhǔn)之一,逐漸受到相關(guān)企業(yè)與國(guó)家的重點(diǎn)關(guān)注[3]。
為了保障電源變電站的穩(wěn)定運(yùn)行,提升電能供應(yīng)的可靠性,本文提出了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法的電源變電站供電可靠性分析方法,實(shí)時(shí)對(duì)電源變電站供電可靠性進(jìn)行判斷,為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的電能供應(yīng)服務(wù)。
常規(guī)情況下,電源變電站供電可靠性會(huì)受到眾多因素的影響,對(duì)供電可靠性分析帶來(lái)了較大的阻礙,為了提升供電可靠性分析精度,必須探究其影響因素[4]。為了方便研究的進(jìn)行,此研究將影響因素劃分為三部分,分別為元件可靠性、系統(tǒng)可靠性與設(shè)備重要性。
(1) 元件可靠性。此影響因素主要描述的是元件完成規(guī)定功能的程度。一般情況下,元件循環(huán)穩(wěn)態(tài)過(guò)程為“運(yùn)行一停運(yùn)一運(yùn)行”[5]。元件可靠性可以簡(jiǎn)單看作長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中,元件的平均可用率,計(jì)算公式為:
(1)
式中,A為元件可靠性指標(biāo)數(shù)值;μ為修復(fù)率;λ為失效率;MTTR為平均修復(fù)時(shí)間;MTTF為失效前平均時(shí)間[6]。
式(1)中,μ與λ以年為單位,而MTTF與MTTR以小時(shí)為單位,則μ與λ的計(jì)算公式為:
(2)
式中,d和r為以年為單位計(jì)量的MTTF與MTTR。
(2)系統(tǒng)可靠性。此影響因素指的是電源變電站各個(gè)子系統(tǒng)在一定的工況下或者一定的時(shí)間內(nèi),完成預(yù)定功效的性能。此研究通過(guò)功效評(píng)估法對(duì)系統(tǒng)可靠性進(jìn)行定量衡量[7]。系統(tǒng)可靠性指標(biāo)計(jì)算公式為:
(3)
式中,RS為系統(tǒng)可靠性指標(biāo)數(shù)值;P1、P2、P3與P4分別為開(kāi)關(guān)控制功能、閉鎖功能、同步功能與指示功能對(duì)應(yīng)的可靠性數(shù)值;AS1為系統(tǒng)等效可用率;PPSU為電源可用率;PPU為數(shù)據(jù)處理模塊的可用率;PDO為開(kāi)關(guān)量輸出模塊的可用率;POPT為光纖的可用率;PDI為開(kāi)關(guān)量輸入模塊的可用率;PSR為同步繼電器的可用率;PAI為數(shù)據(jù)采集模塊的可用率。
(3)設(shè)備重要性。電源變電站是由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜體,具有控制、計(jì)量、保護(hù)等多種基礎(chǔ)功能[8]。電源變電站包含的設(shè)備存在的危險(xiǎn)性也是不同的,故此研究利用重要度因子來(lái)顯示設(shè)備對(duì)供電可靠性的影響程度[9]。設(shè)備對(duì)供電可靠性的等效故障率計(jì)算公式為:
λei=Liλi
(4)
式中,Li為重要度因子;λi為設(shè)備故障率。
以式(4)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ),對(duì)設(shè)備等效可用度與等效不可用度進(jìn)行計(jì)算,表達(dá)式為:
(5)
式中,Aei為設(shè)備等效可用度;μi為設(shè)備修復(fù)率;Qei為等效不可用度。
通過(guò)上述過(guò)程完成了供電可靠性影響因素的研究及其分析,為后續(xù)電源變電站構(gòu)成單元定義及其供電可靠性定量分析奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[10]。
以上述獲得的供電可靠性影響因素為前提,定義電源變電站構(gòu)成單元,為下述故障樹(shù)模型的構(gòu)建打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
此研究以220 kV電源變電站為對(duì)象,其供電方式為AT供電,接線方式為V/V,運(yùn)行方式為兩主兩備,能夠通過(guò)四條饋線為用戶提供高質(zhì)量的電能[11]。電源變電站主接線情況如圖1所示。
圖1 電源變電站主接線示意圖
在電源變電站中,一次電氣設(shè)備相關(guān)參數(shù)直接關(guān)系著供電可靠性,并且其具備停工相關(guān)性,也就是說(shuō)若某一個(gè)電氣設(shè)備出現(xiàn)故障,與其相關(guān)聯(lián)的電氣設(shè)備也會(huì)停工[12]。因此,需要對(duì)電源變電站中一次電氣設(shè)備可靠性參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置,具體如表1所示。
表1 一次電氣設(shè)備可靠性參數(shù)表
在電源變電站的實(shí)際運(yùn)行中,隔離開(kāi)關(guān)(G11與G12)處于閉合狀態(tài),故在供電可靠性分析過(guò)程中,可以將其進(jìn)行忽略處理,不影響最終的可靠性分析結(jié)果[13]。以圖1所示為依據(jù),對(duì)電源變電站主接線的串聯(lián)單元進(jìn)行等效處理,為后續(xù)研究提供便利,等效處理結(jié)果為:
(6)
式中,{Gi,LHi,Di}與{Gj,LHj}為串聯(lián)單元;Xi與Xj為等效單元。
通過(guò)上述過(guò)程完成了電源變電站構(gòu)成單元的定義,并對(duì)其串聯(lián)單元進(jìn)行了等效處理,為后續(xù)變電站貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
以上述定義的電源變電站構(gòu)成單元為依據(jù),構(gòu)建電源變電站故障樹(shù)模型,并對(duì)CCF(共因失效)組進(jìn)行分解,結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建電源變電站貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,為供電可靠性的定量分析提供支撐[14]。電源變電站主要由兩個(gè)變電分區(qū)構(gòu)成,若其中一個(gè)變電分區(qū)出現(xiàn)故障,電源變電站就無(wú)法正常運(yùn)行,因此構(gòu)建電源變電站故障樹(shù)模型,如圖2所示。圖2中,T代表著故障樹(shù)的頂事件;A9與A10代表著兩個(gè)變電分區(qū)的頂事件;A1、A2、A3與A4代表著或門;A5與A7代表著與門;Xi代表著底事件。
在電源變電站運(yùn)行過(guò)程中,電氣設(shè)備長(zhǎng)期處于室外,由于多種外部環(huán)境的影響,致使電氣設(shè)備故障率較高,如果發(fā)生共因失效就會(huì)對(duì)供電可靠性產(chǎn)生較大的威脅[15]。因此,分解CCF組可以有效地提升供電可靠性分析的精準(zhǔn)度,具體如表2所示。
圖2 電源變電站故障樹(shù)模型示意圖
表2 電源變電站CCF組分解表
將構(gòu)建故障樹(shù)的底事件與頂事件分別作為貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的根節(jié)點(diǎn)與葉節(jié)點(diǎn),并將底事件先驗(yàn)概率賦值給根節(jié)點(diǎn)。另外,邏輯門也采用節(jié)點(diǎn)形式表示,其狀態(tài)取值與故障樹(shù)狀態(tài)值保持一致[16]。貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。這樣完成了電源變電站貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建,簡(jiǎn)化了變電站的構(gòu)成結(jié)構(gòu),為最終供電可靠性分析做準(zhǔn)備。
圖3 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型示意圖(1)
基于上述構(gòu)建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,結(jié)合貝葉斯網(wǎng)絡(luò)工具箱,計(jì)算電源變電站供電可靠性指標(biāo)的數(shù)值,實(shí)現(xiàn)供電可靠性的定量分析,為電源變電站供電性能的保障提供更加有效的支撐。
電源變電站內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要分為并聯(lián)與串聯(lián)情況,其對(duì)應(yīng)的供電可靠性指標(biāo)計(jì)算方法也存在著差異[17]。其中,并聯(lián)情況下,供電可靠性指標(biāo)——故障率與維修率計(jì)算公式為:
(7)
式中,λS與μS代表并聯(lián)情況對(duì)應(yīng)的故障率與維修率;λ1與λ2代表并聯(lián)等效單元的故障率;μ1與μ2代表并聯(lián)等效單元的維修率。
串聯(lián)情況下,供電可靠性指標(biāo)——故障率與維修率計(jì)算公式為:
(8)
式中,λR與μR代表串聯(lián)情況對(duì)應(yīng)的故障率與維修率;λGi代表第i個(gè)構(gòu)成單元的故障率;μGi代表第i個(gè)構(gòu)成單元的維修率。
以式(7)與式(8)計(jì)算結(jié)果判定供電可靠性,實(shí)現(xiàn)了電源變電站供電可靠性的分析研究,為變電站穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐,為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)的電能服務(wù)。
選取某種類型的電源變電站作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,一次電氣設(shè)備數(shù)量為:變壓器23臺(tái),隔離開(kāi)關(guān)1個(gè),斷路器4臺(tái)。另外,電源變電站服務(wù)客戶數(shù)量為1183戶,平均負(fù)荷達(dá)到了209.37kW。電源變電站接線情況如圖4所示。
圖4中,變電站共具有23個(gè)負(fù)荷點(diǎn),其相關(guān)屬性如表3所示。另外,隔離開(kāi)關(guān)也是影響供電可靠性的關(guān)鍵設(shè)備,為了保障實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行,設(shè)置其故障率、替換時(shí)間、修復(fù)時(shí)間均為0h,操作時(shí)間為1h。電源變電站無(wú)備用電源,饋線無(wú)聯(lián)絡(luò)開(kāi)關(guān),斷路器可靠動(dòng)作率設(shè)置為80%,熔斷器可靠動(dòng)作率設(shè)置為100%。
圖4 電源變電站接線示意圖
表3 負(fù)荷點(diǎn)屬性參數(shù)表
以上述選取的對(duì)象為基礎(chǔ),使其每一個(gè)元件對(duì)應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)結(jié)點(diǎn),并對(duì)單元變電站中的元件進(jìn)行分類,確定每個(gè)結(jié)點(diǎn)的類型,結(jié)合電源變電站的整體結(jié)構(gòu),判定結(jié)點(diǎn)之間的邏輯關(guān)系,構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,如圖5所示。從圖5可知,其是對(duì)應(yīng)圖4的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,由于篇幅的限制,在示意圖中沒(méi)有顯示變壓器結(jié)點(diǎn)。根據(jù)圖4可知,變壓器結(jié)點(diǎn)與負(fù)荷結(jié)點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。最下層為系統(tǒng)結(jié)點(diǎn),僅有一個(gè)。從邏輯關(guān)系角度出發(fā),負(fù)荷結(jié)點(diǎn)與系統(tǒng)結(jié)點(diǎn)間呈現(xiàn)為因果關(guān)系。
圖5 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型示意圖(2)
依據(jù)上述選取的實(shí)驗(yàn)對(duì)象,構(gòu)建的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型,采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)工具箱——BNT對(duì)供電可靠性指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,為了直觀地顯示電源變電站供電可靠性情況,構(gòu)造供電可靠性評(píng)估系數(shù),計(jì)算公式為:
(9)
式中,ξ為電源變電站供電可靠性評(píng)估系數(shù),取值范圍為[1,10],一般情況下,該數(shù)值越大,表明供電可靠性越好;α*與β*為評(píng)估系數(shù)的計(jì)算因子,呈現(xiàn)為隨機(jī)常數(shù)形式,取值范圍為[0,1]。
在不同接線方式下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)工況主要?jiǎng)澐譃?種。依據(jù)公式(9)計(jì)算供電可靠性評(píng)估系數(shù),將其與實(shí)際供電可靠性評(píng)估系數(shù)進(jìn)行比較,獲取本文方法具體的應(yīng)用性能。供電可靠性評(píng)估系數(shù)如圖6所示。從圖6可知,應(yīng)用本文方法后,獲得的供電可靠性評(píng)估系數(shù)與實(shí)際結(jié)果存在著一定的誤差,最大誤差水平為0.8,不影響電源變電站的正常供電,充分表明本文方法具備可行性與有效性。
圖6 供電可靠性評(píng)估系數(shù)示意圖
研究采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法,深入分析了電源變電站的供電可靠性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的可行性,為電源變電站穩(wěn)定供電提供了有效的幫助,也為供電可靠性分析研究提供了一定的參考價(jià)值。