周迎偉,于立強,尹兆磊,張艷春,高明亮
(國網(wǎng)冀北電力有限公司承德供電公司,河北 承德 067000)
隨著社會的不斷進步,社會對電能的需求與依賴性也大幅提升,對電能質(zhì)量的要求也日趨嚴格。電力系統(tǒng)逐漸成為國民經(jīng)濟的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一[1]。電力系統(tǒng)運行的可靠性、穩(wěn)定性直接關(guān)系著國家經(jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定[2]。
電源變電站是給用戶供電、配電的關(guān)鍵環(huán)節(jié),連接著整個輸變電系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)與萬千用戶,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)問題,不但會影響用電客戶的使用體驗,也會影響社會的整體穩(wěn)定性。由此可見,電能供應(yīng)事故對國家發(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)劣的基本標準之一,逐漸受到相關(guān)企業(yè)與國家的重點關(guān)注[3]。
為了保障電源變電站的穩(wěn)定運行,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,實時對電源變電站供電可靠性進行判斷,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受到眾多因素的影響,對供電可靠性分析帶來了較大的阻礙,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)過程為“運行一停運一運行”[5]。元件可靠性可以簡單看作長期循環(huán)過程中,元件的平均可用率,計算公式為:
(1)
式中,A為元件可靠性指標數(shù)值;μ為修復(fù)率;λ為失效率;MTTR為平均修復(fù)時間;MTTF為失效前平均時間[6]。
式(1)中,μ與λ以年為單位,而MTTF與MTTR以小時為單位,則μ與λ的計算公式為:
(2)
式中,d和r為以年為單位計量的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子系統(tǒng)在一定的工況下或者一定的時間內(nèi),完成預(yù)定功效的性能。此研究通過功效評估法對系統(tǒng)可靠性進行定量衡量[7]。系統(tǒng)可靠性指標計算公式為:
(3)
式中,RS為系統(tǒng)可靠性指標數(shù)值;P1、P2、P3與P4分別為開關(guān)控制功能、閉鎖功能、同步功能與指示功能對應(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為開關(guān)量輸出模塊的可用率;POPT為光纖的可用率;PDI為開關(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子系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜體,具有控制、計量、保護等多種基礎(chǔ)功能[8]。電源變電站包含的設(shè)備存在的危險性也是不同的,故此研究利用重要度因子來顯示設(shè)備對供電可靠性的影響程度[9]。設(shè)備對供電可靠性的等效故障率計算公式為:
λei=Liλi
(4)
式中,Li為重要度因子;λi為設(shè)備故障率。
以式(4)計算結(jié)果為基礎(chǔ),對設(shè)備等效可用度與等效不可用度進行計算,表達式為:
(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。
通過上述過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實的基礎(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,為下述故障樹模型的構(gòu)建打下堅實的基礎(chǔ)。
此研究以220 kV電源變電站為對象,其供電方式為AT供電,接線方式為V/V,運行方式為兩主兩備,能夠通過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,也就是說若某一個電氣設(shè)備出現(xiàn)故障,與其相關(guān)聯(lián)的電氣設(shè)備也會停工[12]。因此,需要對電源變電站中一次電氣設(shè)備可靠性參數(shù)進行合理的設(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
在電源變電站的實際運行中,隔離開關(guān)(G11與G12)處于閉合狀態(tài),故在供電可靠性分析過程中,可以將其進行忽略處理,不影響最終的可靠性分析結(jié)果[13]。以圖1所示為依據(jù),對電源變電站主接線的串聯(lián)單元進行等效處理,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。
通過上述過程完成了電源變電站構(gòu)成單元的定義,并對其串聯(lián)單元進行了等效處理,為后續(xù)變電站貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型的構(gòu)建打下了堅實的基礎(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模型,并對CCF(共因失效)組進行分解,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變電分區(qū)構(gòu)成,若其中一個變電分區(qū)出現(xiàn)故障,電源變電站就無法正常運行,因此構(gòu)建電源變電站故障樹模型,如圖2所示。圖2中,T代表著故障樹的頂事件;A9與A10代表著兩個變電分區(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。
在電源變電站運行過程中,電氣設(shè)備長期處于室外,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)生共因失效就會對供電可靠性產(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度,具體如表2所示。
圖2 電源變電站故障樹模型示意圖
表2 電源變電站CCF組分解表
將構(gòu)建故障樹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)點與葉節(jié)點,并將底事件先驗概率賦值給根節(jié)點。另外,邏輯門也采用節(jié)點形式表示,其狀態(tài)取值與故障樹狀態(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,計算電源變電站供電可靠性指標的數(shù)值,實現(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,其對應(yīng)的供電可靠性指標計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——故障率與維修率計算公式為:
(7)
式中,λS與μS代表并聯(lián)情況對應(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——故障率與維修率計算公式為:
(8)
式中,λR與μR代表串聯(lián)情況對應(yīng)的故障率與維修率;λGi代表第i個構(gòu)成單元的故障率;μGi代表第i個構(gòu)成單元的維修率。
以式(7)與式(8)計算結(jié)果判定供電可靠性,實現(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驗對象,一次電氣設(shè)備數(shù)量為:變壓器23臺,隔離開關(guān)1個,斷路器4臺。另外,電源變電站服務(wù)客戶數(shù)量為1183戶,平均負荷達到了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個負荷點,其相關(guān)屬性如表3所示。另外,隔離開關(guān)也是影響供電可靠性的關(guān)鍵設(shè)備,為了保障實驗的順利進行,設(shè)置其故障率、替換時間、修復(fù)時間均為0h,操作時間為1h。電源變電站無備用電源,饋線無聯(lián)絡(luò)開關(guān),斷路器可靠動作率設(shè)置為80%,熔斷器可靠動作率設(shè)置為100%。
圖4 電源變電站接線示意圖
表3 負荷點屬性參數(shù)表
以上述選取的對象為基礎(chǔ),使其每一個元件對應(yīng)貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的一個結(jié)點,并對單元變電站中的元件進行分類,確定每個結(jié)點的類型,結(jié)合電源變電站的整體結(jié)構(gòu),判定結(jié)點之間的邏輯關(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,在示意圖中沒有顯示變壓器結(jié)點。根據(jù)圖4可知,變壓器結(jié)點與負荷結(jié)點一一對應(yīng)。最下層為系統(tǒng)結(jié)點,僅有一個。從邏輯關(guān)系角度出發(fā),負荷結(jié)點與系統(tǒng)結(jié)點間呈現(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)上述選取的實驗對象,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對供電可靠性指標進行計算,為了直觀地顯示電源變電站供電可靠性情況,構(gòu)造供電可靠性評估系數(shù),計算公式為:
(9)
式中,ξ為電源變電站供電可靠性評估系數(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*為評估系數(shù)的計算因子,呈現(xiàn)為隨機常數(shù)形式,取值范圍為[0,1]。
在不同接線方式下進行實驗,實驗工況主要劃分為4種。依據(jù)公式(9)計算供電可靠性評估系數(shù),將其與實際供電可靠性評估系數(shù)進行比較,獲取本文方法具體的應(yīng)用性能。供電可靠性評估系數(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估系數(shù)與實際結(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,通過實驗驗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值。