基于邏輯表格法的水電站電氣主接線可靠性分析

李鴻儒，楊文韜，朱志剛, 郭 寧

(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司,昆明 650000；2.北京博超時(shí)代軟件有限公司，北京 100000)

0 前 言

隨著新能源的迅速發(fā)展，抽水蓄能電站的建設(shè)顯得尤為重要，而抽水蓄能電站裝機(jī)容量大，基本都需要對(duì)電氣主接線可靠性進(jìn)行評(píng)估。可靠性是指元件和系統(tǒng)在規(guī)定條件下和預(yù)定時(shí)間內(nèi)，完成預(yù)定功能的概率[1]。水電站電氣主接線可靠性是指在設(shè)計(jì)水平年(或規(guī)定時(shí)間)和規(guī)定條件下完成向電力系統(tǒng)發(fā)送或吸收預(yù)定電量的概率?？煽啃苑治龅姆椒ㄓ泻芏?，常用的主要有邏輯表格法、最小割集法、故障模式與后果分析法、蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬法等[2]。

邏輯表格法由蘇聯(lián)學(xué)者于19世紀(jì)70年代提出，與其他方法相較，該方法比較簡單直觀、易于理解，也是較早應(yīng)用于中國電力系統(tǒng)可靠性分析的方法之一，但由于該方法計(jì)算機(jī)程序不易編制，目前基本上處于手工計(jì)算階段[3]。鑒于此，中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司與北京博超時(shí)代軟件有限公司進(jìn)行合作，基于AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了適用于水電站、抽水蓄能電站高壓側(cè)電氣主接線可靠性分析的邏輯表格法的程序化，并對(duì)分析所需的電氣設(shè)備可靠性基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，可提高工程設(shè)計(jì)中的工作效率。

1 邏輯表格法程序化

1.1 水電站電氣主接線可靠性分析特點(diǎn)

DL/T 5186-2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定裝機(jī)容量750 MW及以上的水電廠應(yīng)對(duì)電氣主接線可靠性進(jìn)行評(píng)估。水電站電氣主接線按電壓等級(jí)可分為發(fā)電機(jī)電壓接線和升高電壓側(cè)接線，發(fā)電機(jī)電壓接線方式簡單明了，易于判別可靠性。

水電站升高電壓側(cè)接線主要涉及的電氣設(shè)備有斷路器、隔離開關(guān)、互感器及避雷器等，隔離開關(guān)和互感器的數(shù)量較多，如果所有設(shè)備都被考慮，分析將變得相當(dāng)復(fù)雜，通常采用把其他元件故障率合并到斷路器的簡化處理方法。考慮到隔離開關(guān)、互感器及避雷器故障率與斷路器相差一個(gè)數(shù)量級(jí)[4]，本文中只考慮斷路器、母線和送出線路的故障與檢修情況。

1.2 邏輯表格法

電氣主接線可靠性分析用的邏輯表格法，在文獻(xiàn)[5]中有較詳細(xì)的介紹，以連通性作為判據(jù)，根據(jù)電氣主接線的接線方式，考慮單重及一個(gè)元件處于檢修，另外一個(gè)發(fā)生故障的所有可能情況，將其發(fā)生概率及造成的停運(yùn)時(shí)間一一列出，再根據(jù)所需的可靠性指標(biāo)進(jìn)行匯總，得到?jīng)Q策事件表。邏輯表格法依賴于接線方式，不易編程，不適合用于大規(guī)模的電力網(wǎng)分析，但能很好的用于元件數(shù)量不多，接線簡單的網(wǎng)絡(luò)，在水電站、抽水蓄能電站電氣主接線可靠性分析中具有很好的適用性。

1.3 基礎(chǔ)參數(shù)定義

(1) 平均故障率及檢修率

故障率是指可修復(fù)設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)的平均故障次數(shù)，用λ表示，單位為次/(臺(tái)·a)。

平均檢修率是指可修復(fù)設(shè)備在單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)劃檢修次數(shù)，用μ表示，單位為次/(臺(tái)·a)。

(2) 故障平均停運(yùn)時(shí)間及檢修平均停運(yùn)時(shí)間

故障停運(yùn)時(shí)間是指為了發(fā)現(xiàn)和消除一次故障所必須的修復(fù)時(shí)間，用Tg表示，單位為h。

檢修平均停運(yùn)時(shí)間是指設(shè)備檢修一次所需要停運(yùn)的平均時(shí)間，用Tj表示，單位為h。

(3) 計(jì)劃檢修系數(shù)

計(jì)劃檢修系數(shù)是指設(shè)備處于計(jì)劃檢修狀態(tài)的時(shí)間概率，按下式計(jì)算[5]：

(4) 計(jì)劃檢修時(shí)間

計(jì)劃檢修時(shí)間指1a內(nèi)設(shè)備檢修需要停運(yùn)的時(shí)間，h/(臺(tái)·a)。

1.4 斷路器故障率修正

斷路器的操作次數(shù)及故障率和與其連接的元件相關(guān)，由于統(tǒng)計(jì)所得的故障率是斷路器的平均故障率，因此有必要采用合適的故障模型，對(duì)主接線中處于不同位置及不同運(yùn)行條件的斷路器故障率進(jìn)行修正。

(1) 有出線的中間斷路器

有出線的中間斷路器指位于兩個(gè)斷路器之間且兩側(cè)分別連接有送出線路和發(fā)變組的斷路器，其修正如下：

(2) 無出線的中間斷路器

無出線的中間斷路器指位于兩個(gè)斷路器之間且兩側(cè)都接有發(fā)變組的斷路器，其修正如下：

式中：λx為修正后的斷路器平均故障率；λp為統(tǒng)計(jì)的斷路器平均故障率；Kj為斷路器靜態(tài)系數(shù)，一般取0.3；Kq為斷路器切短路系數(shù)，一般取0.3；Li為送出線路長度，百公里；Lp為平均線路長度，百公里；Kc為斷路器操作系數(shù)，一般取0.4；Np為斷路器年平均操作次數(shù)，次/(臺(tái)·a)，我國取24；Nc為高壓斷路器因機(jī)組的啟停，每年增加的操作次數(shù)，次/(臺(tái)·a)，當(dāng)Nc難以確定時(shí)，可取Nc=Np；λG、λT及λGB分別為水輪發(fā)電機(jī)組、主變壓器及發(fā)電機(jī)斷路器平均故障率，次/(臺(tái)·a)；λL為送出線路平均故障率，次/(百公里·a)。

線路側(cè)斷路器、主變壓器-機(jī)組側(cè)斷路器修正詳見文獻(xiàn)[6]。母聯(lián)斷路器、分段斷路器及聯(lián)絡(luò)變壓器斷路器故障率不做修正，取λp。

1.5 機(jī)組和線路停運(yùn)時(shí)間計(jì)算

水電站、抽水蓄能電站作為電能輸出元件，其電氣主接線的始端為水力發(fā)電機(jī)組，末端為送出線路，其可靠性主要考核機(jī)組和線路的停運(yùn)情況。造成機(jī)組或線路的停運(yùn)的情況可按如下分類：

機(jī)組或線路的停運(yùn)分為可通過配電裝置倒閘操作即可恢復(fù)運(yùn)行和不可通過倒閘操作恢復(fù)運(yùn)行2種情況。倒閘有效時(shí)，設(shè)備停運(yùn)時(shí)間為：

Tt=Tf+mTc

(4)

式中:Tf為運(yùn)行維護(hù)人員發(fā)現(xiàn)故障時(shí)間，取0.3h；Tc為隔離開關(guān)操作時(shí)間，取0.1h；m為需要操作的隔離開關(guān)個(gè)數(shù)。

倒閘無效的情況，其停運(yùn)可能由單個(gè)元件造成，也可能因2個(gè)元件引起。由單個(gè)元件造成的，如線路自身停運(yùn)或與機(jī)組串聯(lián)的設(shè)備停運(yùn)，其停運(yùn)時(shí)間取決于停運(yùn)設(shè)備的修復(fù)時(shí)間Tg或Tj。因2個(gè)元件引起的停運(yùn)指某個(gè)元件處于檢修時(shí)另一個(gè)元件又發(fā)生故障的情況，該情況又分為2個(gè)元件的共同作用和雙重作用2種，共同作用指2個(gè)元件同時(shí)停運(yùn)才會(huì)造成不連通，2個(gè)停運(yùn)元件中只要有一個(gè)被修復(fù)就可以恢復(fù)運(yùn)行，其造成的停運(yùn)時(shí)間為[5]：

雙重作用是指2個(gè)元件中只要有一個(gè)停運(yùn)就會(huì)造成不連通，只有2個(gè)停運(yùn)元件都被修復(fù)才能恢復(fù)運(yùn)行，其造成的停運(yùn)時(shí)間為：

1.6 邏輯表格編制

用于可靠性分析的邏輯表格如表1所示。

表1 邏輯表(i=1,2,3,…,n;j=1,2,3,…,n)

表中，第一列為故障元件名稱，Bi、Li及Mi分別表示第i個(gè)斷路器、第i回送出線路及第i條母線，需把所有考慮的斷路器、出線及母線都列出；第二列為元件故障率，λxi、λLi及λMi分別表示第i個(gè)斷路器、第i回送出線路及第i條母線的故障率；第一行為檢修元件名稱，Bj、Lj及Mj分別表示第j個(gè)斷路器、第j回送出線路及第j條母線，需把所有考慮的斷路器、出線及母線都列出；第二行為元件計(jì)劃檢修系數(shù)，KBj、KLj及KMj分別表示第j個(gè)斷路器、第j回送出線路及第j條母線的計(jì)劃檢修系數(shù)；“0”表示沒有元件在檢修的情況，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)系數(shù)(概率)為：

第j個(gè)元件在計(jì)劃檢修，又碰上第i個(gè)元件故障時(shí)，其造成的停運(yùn)數(shù)據(jù)填寫在第i行與第j列交叉的表格內(nèi)，表1中只列出了Bj元件在檢修碰上Bi元件故障時(shí)造成的停運(yùn)數(shù)據(jù)，其余用“*”簡化表示。

停運(yùn)數(shù)據(jù)，第一行為停運(yùn)設(shè)備名稱，Ti、Li及nT分別表示第i個(gè)主變壓器-機(jī)組單元、第i回出線及n個(gè)主變壓器-機(jī)組單元同時(shí)停運(yùn)的情況，需把所有需要考慮的停運(yùn)情況列出；第二行為設(shè)備停運(yùn)的頻率，如wij表示Ti設(shè)備停運(yùn)的頻率，其值為[5]：

wij=λxiKBj

(8)

其余用“-”簡化表示，如果有造成對(duì)應(yīng)設(shè)備停運(yùn)則填寫，沒有則不填；第三行為設(shè)備停運(yùn)的時(shí)間，如Tt表示Ti設(shè)備停運(yùn)的時(shí)間，其余用“～”簡化表示，如果有造成對(duì)應(yīng)設(shè)備停運(yùn)則填寫，沒有則不填；第四行為一年內(nèi)元件停運(yùn)總時(shí)間，如Ta表示Ti設(shè)備一年內(nèi)停運(yùn)的總時(shí)間，其值為：

Ta=wijTt

(9)

其余用“/”簡化表示，如果有造成對(duì)應(yīng)設(shè)備停運(yùn)則填寫，沒有則不填。

水電站、抽水蓄能電站內(nèi)部雙重故障出現(xiàn)機(jī)率較小，表1中未考慮雙重故障，即2個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)生故障的情況，如果進(jìn)一步考慮雙重故障，可對(duì)表格進(jìn)行擴(kuò)展，在表格第一、二行中增加故障元件名稱及故障率，并在對(duì)應(yīng)交叉表格中填寫停運(yùn)數(shù)據(jù)加入統(tǒng)計(jì)分析。

1.7 邏輯表格程序化

邏輯表格的計(jì)算機(jī)程序是基于VisualStudio開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用ObjectARX開發(fā)軟件包對(duì)AutoCAD平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)完成的，最終生成arx文件，加載到AutoCAD中進(jìn)行使用。程序流程如圖1所示。通過模型及參數(shù)輸入流程可在AutoCAD中繪制用于可靠性分析的電氣主接線簡圖及輸入設(shè)備的基礎(chǔ)參數(shù)。程序?qū)⒏鶕?jù)電氣主接線簡圖對(duì)斷路器(CB)類型進(jìn)行判定，并基于輸入的基礎(chǔ)參數(shù)對(duì)斷路器故障率進(jìn)行修正，接著對(duì)故障情況進(jìn)行分析，并計(jì)算出機(jī)組和出線的停運(yùn)時(shí)間，最后在Excel中生成邏輯表，并基于邏輯表匯總出決策事件表。有了決策事件表之后，其余可靠性分析用表是比較容易編制的，也可以根據(jù)不同的關(guān)注點(diǎn)，制作不同的比較用表。

圖1 程序流程

程序流程中，機(jī)組和出線停運(yùn)時(shí)間計(jì)算的關(guān)鍵是對(duì)故障影響進(jìn)行分析，涉及到的一些基本運(yùn)行規(guī)則如下：

(1) 元件處于檢修狀態(tài)時(shí)，元件本身不連通，但與檢修元件隔離開的其他設(shè)備可以正常運(yùn)行;

(2) 元件發(fā)生故障時(shí)，會(huì)跳開兩側(cè)所有的斷路器，通過操作隔離開關(guān)把故障元件隔離后，跳開的斷路器可恢復(fù)運(yùn)行;

(3) 同一設(shè)備計(jì)劃檢修與故障不會(huì)重疊，對(duì)應(yīng)的交叉表格停運(yùn)數(shù)據(jù)不填寫;

(4) 并聯(lián)的元件，當(dāng)其中的一個(gè)停運(yùn)時(shí)，可以通過另外一個(gè)元件進(jìn)行連通，所有的并聯(lián)元件同時(shí)停運(yùn)將造成不連通。

2 實(shí)例分析

2.1 設(shè)備可靠性基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)整理

設(shè)備可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)是進(jìn)行可靠性分析的基礎(chǔ)，目前采用邏輯表格法進(jìn)行可靠性分析所基于的數(shù)據(jù)大多還是20世紀(jì)90年代的。文章對(duì)我國近些年發(fā)布的設(shè)備可靠性指標(biāo)進(jìn)行了收集，整理如表2所示。

表2 設(shè)備可靠性基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

表中，1992年的數(shù)據(jù)來自《水電廠電氣主接線可靠性計(jì)算導(dǎo)則》，其中括號(hào)內(nèi)為GIS設(shè)備數(shù)據(jù)，相應(yīng)的括號(hào)外為敞開式設(shè)備數(shù)據(jù)；1995—1999年的數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[7]，文獻(xiàn)未提供330kV的數(shù)據(jù)及母線故障平均停運(yùn)時(shí)間；2001—2005年的數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[8]；2011—2016年的數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[4]和[9]；2017年的數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[4]。表2中的數(shù)據(jù)都是基于文獻(xiàn)近似處理所得，近似認(rèn)為故障率等于強(qiáng)迫停運(yùn)率或非計(jì)劃停運(yùn)率(1992年數(shù)據(jù)除外)。關(guān)于強(qiáng)迫停運(yùn)率和非計(jì)劃停運(yùn)率的定義詳見DL/T837-2003《輸變電設(shè)施可靠性評(píng)價(jià)規(guī)程》。

從表2中可以看出，相比過去，設(shè)備故障率已有明顯降低。文章以時(shí)間較近的2017年可靠性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行的實(shí)例分析，發(fā)電機(jī)斷路器λGB平均故障率取0.003次/(臺(tái)·a)[10]，平均線路長度Lp取0.798百公里[11]。

2.2 電氣主接線繪制

金沙江觀音巖水電站裝機(jī)定為5臺(tái)600MW的混流水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)與主變壓器連接采用單元接線，發(fā)電機(jī)出口裝設(shè)專用斷路器，主變壓器高壓側(cè)電壓等級(jí)為500kV，初期出線2回至仁和變電站，單回送出線路長度約84km，另備用1回出線，文中按相同的送電距離考慮。電站高壓側(cè)擬采用4串3/2接線、2串4/3和1串3/2接線及雙母線接線3個(gè)方案中的一種，需進(jìn)行可靠性分析比選。在開發(fā)的程序中繪制的電氣主接線如圖2～4所示。

圖2 4串3/2接線(方案1)

2.3 結(jié)果分析

程序計(jì)算結(jié)果如表3所示，從決策事件表中可以看出不同方案下電站某臺(tái)機(jī)組、某回送出線路或多臺(tái)機(jī)組同時(shí)停運(yùn)的概率和平均停運(yùn)時(shí)間。表中 “停任一發(fā)變組”項(xiàng)包含了多臺(tái)機(jī)組同時(shí)停運(yùn)的情況，此時(shí)，電站送出容量將受阻，代表著電站的可靠性水平，是主要分析指標(biāo)。從表3中可以看出電站高壓側(cè)接線采用方案2時(shí)，機(jī)組發(fā)生停運(yùn)的概率和對(duì)應(yīng)的停運(yùn)時(shí)間最小，分別為0.0954次/a和0.0539h/a，方案1次之，方案3最差。

圖3 2串4/3和1串3/2接線(方案2)

圖4 雙母線接線(方案3)

方案2相比方案1可靠性差別不大，但投入的斷路器個(gè)數(shù)少一個(gè)，方案3可靠性最差，但投入的斷路器數(shù)量最少，具體哪個(gè)方案最合適，需要把可靠性和經(jīng)濟(jì)性結(jié)合進(jìn)行綜合比較。

基于決策事件表并結(jié)合電站裝機(jī)和送出線路情況可以得出包含受阻電量的指標(biāo)匯總表，再結(jié)合設(shè)備投資和上網(wǎng)電價(jià)可以得出經(jīng)濟(jì)比較表，最后匯總出綜合比較表。該部分內(nèi)容在有了決策事件表后是比較容易編制的，且比較靈活，文中不再論述。

值得一提的是，可靠性分析結(jié)果除了跟接線形式有關(guān)，還與基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、送出線路長度及機(jī)組臺(tái)數(shù)等諸多因數(shù)有關(guān)。相同的比選方案可能因送出線路長度不同，或是基于的元件故障率隨時(shí)間發(fā)生了變化，分析結(jié)果都有可能不一樣。

表3 決策事件

3 結(jié) 語

文章根據(jù)邏輯表格法在水電站、抽水蓄能電站可靠性分析中應(yīng)用較廣，但基本采用手工計(jì)算的現(xiàn)狀，對(duì)AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)邏輯表格的程序計(jì)算，并對(duì)我國近些年發(fā)布的設(shè)備可靠性指標(biāo)進(jìn)行了收集與整理，可作為可靠性分析的設(shè)備基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

文中收集的可靠性基礎(chǔ)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)只到2017年，發(fā)電機(jī)斷路器平均故障率和平均線路長度相關(guān)數(shù)據(jù)較少，在之后的工作中將對(duì)相關(guān)的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的收集與整理。