貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法的電源變電站供電可靠性分析

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)。

1 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

1.1 供電可靠性影響因素探究

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]。

1.2 電源變電站構(gòu)成單元定義

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)。

1.3 電源變電站貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

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)

1.4 供電可靠性定量分析實(shí)現(xiàn)

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)。

2 具體應(yīng)用實(shí)例分析

2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

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

2.2 貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建

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)

2.3 結(jié)果分析

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

3 結(jié) 論

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。