趙緒杰 吉興全 李可軍 孫 瑩

（1. 山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266510;2. 山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

基于Paladin DesignBase的配電網(wǎng)可靠性評(píng)估與分析

趙緒杰1吉興全1李可軍2孫 瑩2

（1. 山東科技大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島 266510;2. 山東大學(xué)電氣工程學(xué)院，濟(jì)南 250061）

以Paladin DesignBase為仿真平臺(tái)對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析。相比傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析軟件而言，Paladin DesignBase軟件操作界面更加直觀，功能更齊全，不僅能夠進(jìn)行電力系統(tǒng)各種靜態(tài)的計(jì)算和分析，還能提供動(dòng)態(tài)的仿真分析。首先簡述了該軟件的主要功能及特點(diǎn)，然后重點(diǎn)闡明了以它為仿真工具進(jìn)行可靠性分析的基本步驟及可靠性指標(biāo)。最后通過一個(gè)實(shí)際配電系統(tǒng)的例子說明了在設(shè)備可靠性參數(shù)的輸入、可靠性指標(biāo)的計(jì)算以及結(jié)果輸出等方面的特點(diǎn)。

配電網(wǎng)；Paladin DesignBase；可靠性

隨著社會(huì)發(fā)展和生活水平的不斷提高，用戶對(duì)電力的需求越來越大，同時(shí)對(duì)供電可靠性要求也越來越高。而配電系統(tǒng)置于電力系統(tǒng)的末端，是電力系統(tǒng)與用戶聯(lián)系、向用戶供應(yīng)電能、分配電能的重要環(huán)節(jié)。一旦配電系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生故障或進(jìn)行檢修、試驗(yàn)就會(huì)同時(shí)造成系統(tǒng)向用戶供電的中斷。因此近年來，配電網(wǎng)可靠性問題日益受到重視。

近年來國內(nèi)外陸續(xù)開發(fā)出多種用于可靠性分析的綜合仿真工具，如PTI公司開發(fā)的PSS/ADEPT[1]、OTI公司研發(fā)的 ETAP軟件，以及清華大學(xué)編制的DSRE-TH軟件[2]。這些工具各具特色，可靠性分析的方法、功能和應(yīng)用場合不盡相同，為便于比較，本文將美國Power Analytics（簡稱PA）公司開發(fā)的Paladin DesignBase軟件應(yīng)用于配電網(wǎng)的可靠性分析中，結(jié)合實(shí)際的配電系統(tǒng)，對(duì)其可靠性進(jìn)行評(píng)估和分析，并通過仿真過程和計(jì)算結(jié)果來呈現(xiàn)該軟件在配網(wǎng)可靠性評(píng)估中的應(yīng)用。

1 Paladin DesignBase軟件介紹

Paladin DesignBase是世界頂級(jí)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和仿真分析軟件平臺(tái)，并能與 PA公司的 Paladin Live實(shí)時(shí)在線系統(tǒng)進(jìn)行無縫連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制和維護(hù)。它提供了功能全面的圖形編輯器，用戶可以利用它很方便地建立電氣系統(tǒng)的單線圖，其圖型用戶界面如圖1所示。

圖1 Paladin DesignBase圖型用戶界面

Paladin DesignBase軟件包含幾十個(gè)功能模塊，配合后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，用戶可以方便地對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行各種分析和優(yōu)化，模塊按功能可以分為兩類：基本功能模塊和優(yōu)化功能模塊，基本功能包括：短路計(jì)算與分析、潮流計(jì)算與分析、保護(hù)設(shè)備整定計(jì)算、電動(dòng)機(jī)起動(dòng)分析等；優(yōu)化功能主要包括：電能質(zhì)量分析和控制、動(dòng)態(tài)特性仿真、電力系統(tǒng)優(yōu)化（PSO）及可靠性分析與負(fù)載能力等，下面對(duì)其主要模塊做簡要說明。

1）短路計(jì)算與分析

Paladin DesignBase遵循多種國際計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)（如IEC60909、IEC61363等），可計(jì)算電力系統(tǒng)出現(xiàn)的各種對(duì)稱和不對(duì)稱故障電流，包括三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路、傳輸線路故障、斷線故障和三相不平衡故障。

2）潮流計(jì)算與分析

Paladin DesignBase潮流計(jì)算程序根據(jù)系統(tǒng)給定的運(yùn)行條件，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行仿真。可以計(jì)算輸出系統(tǒng)中所有母線（節(jié)點(diǎn)）的電壓幅值和相位，所有線路的功率分布和功率損耗，自定義電壓超限報(bào)告和支路負(fù)載超限報(bào)告等。針對(duì)不同復(fù)雜程度和層級(jí)的電力網(wǎng)絡(luò)，例如輸電網(wǎng)、配電網(wǎng)、工業(yè)企業(yè)電力網(wǎng)或其組合系統(tǒng)，Paladin DesignBase提供不同的計(jì)算方法，如快速解耦法、牛頓拉夫遜法、混合法和高斯賽德爾法等，并且提供三種自動(dòng)電壓控制方式，即變壓器抽頭調(diào)節(jié)、發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)和靜態(tài)無功補(bǔ)償調(diào)節(jié)。

3）高級(jí)暫態(tài)穩(wěn)定性分析

Paladin DesignBase高級(jí)暫態(tài)穩(wěn)定性程序采用時(shí)域仿真法，應(yīng)用數(shù)值積分方法對(duì)描述暫態(tài)過程的微分方程和代數(shù)方程組進(jìn)行求解。可以模擬多種擾動(dòng)事件（包括短路故障、支路增加或切除、發(fā)電機(jī)投入或切除、起動(dòng)或停止電動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化、負(fù)載投入或切除等），仿真電力系統(tǒng)由于擾動(dòng)帶來的運(yùn)行狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程（包括功角、電壓、頻率、功率和阻抗等），并給出系統(tǒng)穩(wěn)定性安全指數(shù)（0～100），指數(shù)值越大表示系統(tǒng)經(jīng)受擾動(dòng)的安全穩(wěn)定性越高。

4）可靠性與負(fù)載能力分析

利用該模塊可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域可靠性分析、輸配電可靠性分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)等。電力系統(tǒng)的可靠性可以分為兩個(gè)基本的類別：系統(tǒng)的充裕性和系統(tǒng)的安全性。Paladin DesignBase只對(duì)系統(tǒng)的充裕性進(jìn)行評(píng)估。

2 配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法及可靠性指標(biāo)

2.1 配電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法

綜合目前可靠性研究領(lǐng)域的已有成果，電力系統(tǒng)可靠性的分析方法有解析法、模擬法、混合法和人工智能算法四大類。其中解析法和模擬法是目前常采用的兩種主要方法。

1）解析法

解析法基于馬爾可夫模型[3]，利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件的功能以及兩者之間的邏輯關(guān)系，建立可靠性概率模型，通過遞推和迭代等過程對(duì)該模型精確求解，從而計(jì)算可靠性指標(biāo)，其優(yōu)點(diǎn)在于采用了嚴(yán)格的算法和精確數(shù)學(xué)模型，物理概念清楚，因此計(jì)算可信度高，在實(shí)際工作中這種方法使用的最多。但隨著元件數(shù)的增多，計(jì)算量呈指數(shù)增長，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模大到一定程度時(shí)，這種方法使用起來較困難。根據(jù)具體處理方式的不同，解析法[4]又進(jìn)一步分為狀態(tài)枚舉法、故障模式與后果評(píng)估法、故障樹分析法、頻率和持續(xù)時(shí)間法、最小割集法等。

Paladin DesignBase可靠性分析程序正是采用狀態(tài)枚舉法[5]作為程序計(jì)算方法。狀態(tài)枚舉法建立在 Markov模型的基礎(chǔ)之上，它通過具體分析元件各狀態(tài)對(duì)配電系統(tǒng)狀態(tài)的影響，列出所有的系統(tǒng)狀態(tài)，確定狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移模式和轉(zhuǎn)移率，由故障判據(jù)判定系統(tǒng)工作狀態(tài)和故障狀態(tài)，求得系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

2）模擬法

蒙特卡羅模擬方法是一種以概率統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ)的數(shù)值計(jì)算方法，該方法結(jié)合了故障樹的分析技術(shù)，是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性預(yù)測(cè)分析的有效的途徑。由于它屬于統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)方法，它的實(shí)現(xiàn)方式較為直觀，易于被工程技術(shù)人員掌握和理解，通常它可以預(yù)測(cè)到一些人們預(yù)料之外的事故，而且該方法的采樣次數(shù)與系統(tǒng)的規(guī)模無關(guān)，對(duì)于較為復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估時(shí)具有更為優(yōu)越的特性。但其計(jì)算精度往往受到各種因素的限制。為獲得較高精度的可靠性指標(biāo)，采用蒙特卡洛模擬法時(shí)極易出現(xiàn)模擬很長時(shí)間也采集不到所需系統(tǒng)狀態(tài)的情況。

2.2 配電網(wǎng)可靠性評(píng)估分析指標(biāo)

Paladin DesignBase可靠性分析程序?qū)㈦娏ο到y(tǒng)的可靠性指標(biāo)劃分三組，即負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)、支路過負(fù)荷指標(biāo)、和整個(gè)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。

式中，Pj和fj分別為預(yù)想事故j發(fā)生的概率和頻率，Pkj為母線 k的負(fù)荷超出最大允許負(fù)荷的概率，Lkj為由于預(yù)想事故j而使母線k削減的負(fù)荷，Dj為由于預(yù)想事故 j導(dǎo)致切負(fù)荷而持續(xù)的時(shí)間， j∈LC表示所有導(dǎo)致切負(fù)荷的預(yù)想事故。

2）支路過負(fù)荷指標(biāo)

支路過負(fù)荷指標(biāo)是基于校正措施實(shí)施前的過負(fù)荷量來計(jì)算的，對(duì)每條支路，其過負(fù)荷指標(biāo)計(jì)算如下。

式中，Plj為支路l的功率越限的概率；Olj為由于預(yù)想事故j導(dǎo)致的支路l的過負(fù)荷量；j∈OL為所有導(dǎo)致支路過負(fù)荷的預(yù)想事故。

3）系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

系統(tǒng)停電指標(biāo)（Bulk Power Interruption Index,BPII）表示整個(gè)供電系統(tǒng)的負(fù)荷在一年內(nèi)的停電次數(shù)，計(jì)算如下：

式中，LS為系統(tǒng)的總負(fù)荷（MW）。

平均每次停電的損失負(fù)荷（MW）表示如下：

系統(tǒng)削減電量指標(biāo)BPECI（Bulk Power Energy Curtailment Index）按下式計(jì)算：

程序還采用了一種修改的系統(tǒng)削減電量指標(biāo)MBPECI（Modified Bulk Power Energy Curtailment Index），表示如下：

電力不足概率LOLP（The Loss of Load Probability）表示由于故障停運(yùn)而引起供電能力不足造成用戶停電的概率，計(jì)算如下：

電力不足期望值 EPNS（Expected Power Not Supplied）表示由于供電不足而造成對(duì)用戶停電損失的期望值，計(jì)算如下：

電量不足期望值 EENS（Expected Energy Not Supplied）表示由于供電不足造成用戶減少用電量的期望值，計(jì)算如下：

3 Paladin DesignBase軟件建模與可靠性計(jì)算流程

3.1 構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型

Paladin DesignBase軟件在進(jìn)行可靠性計(jì)算分析之前，首先需要構(gòu)建一個(gè)圖形與數(shù)據(jù)結(jié)合的系統(tǒng)單線圖模型。利用單線圖繪制網(wǎng)絡(luò)，可以直接將工具欄上或者元件庫中的電力元件拖拽到繪圖區(qū)，元件連接處自動(dòng)捕捉，到出現(xiàn)提示“Connect to Socket”證實(shí)連接完成，如圖2所示。

圖2 元件連接示意圖

網(wǎng)絡(luò)搭建完成后需要設(shè)置可靠性參數(shù)， Paladin DesignBase中的元件包括線路、電纜、電源、發(fā)電機(jī)、隔離開關(guān)、斷路器、變壓器和負(fù)載等。由于采用圖形化的數(shù)據(jù)編輯界面，故各元件輸入?yún)?shù)的方法大致相同。通過雙擊元件圖標(biāo)會(huì)彈出元件數(shù)據(jù)輸入對(duì)話框，用戶需要提供故障率或者故障的平均時(shí)間，故障修復(fù)率或者平均修復(fù)時(shí)間，需要的可用率等基本參數(shù)。各參數(shù)輸入完成以后，點(diǎn)擊工具欄上的可靠性程序圖標(biāo)“Analyze”按鈕來啟動(dòng)可靠性評(píng)估仿真，仿真完成后程序會(huì)輸出計(jì)算報(bào)告。

3.2 可靠性計(jì)算流程

Paladin DesignBase可靠性分析程序采用狀態(tài)枚舉法評(píng)估配電系統(tǒng)的可靠性。對(duì)每種預(yù)想事故，程序通過潮流計(jì)算確定系統(tǒng)狀態(tài)，從而發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)缺陷并評(píng)估恢復(fù)措施的效果。其基本步驟如下。

1）輸入數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理。

2）對(duì)系統(tǒng)基本狀態(tài)進(jìn)行仿真計(jì)算。

3）判斷基本狀態(tài)是否滿足可靠性條件，若不滿足則退出程序。

4）順序取出一條預(yù)想事故，并進(jìn)行仿真計(jì)算。

5）若為發(fā)電機(jī)事故，則對(duì)其它機(jī)組進(jìn)行重新組合和調(diào)度。

6）對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)進(jìn)行潮流計(jì)算。

7）判斷系統(tǒng)狀態(tài)是否在允許范圍，若不在允許范圍，則采取恢復(fù)措施。

8）計(jì)算可靠性指標(biāo)。

9）判斷預(yù)想事故是否已枚舉完畢，若未完畢，轉(zhuǎn)到步驟4）。

10）輸出結(jié)果。

4 應(yīng)用算例分析

利用Paladin DesignBase可靠性計(jì)算程序，基于狀態(tài)枚舉法對(duì)一個(gè)雙電源供電的 10kV簡單輻射狀配電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性計(jì)算，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)。

4.1 配電網(wǎng)可靠性計(jì)算應(yīng)用舉例

圖3所示為一雙電源供電的10kV簡單輻射狀配電系統(tǒng)[6]。假定保護(hù)裝置完全可靠，電源出口安裝斷路器，用戶負(fù)荷由供電干線經(jīng)變壓器和裝有熔斷器的分支線供電，該系統(tǒng)由1條主饋線，16條架空線路，30個(gè)節(jié)點(diǎn)，8個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，8個(gè)熔斷器，以及8個(gè)用戶變壓器構(gòu)成。

圖3 簡單輻射狀配電系統(tǒng)單線圖

元件可靠性參數(shù)可依據(jù)中國電力可靠性管理年報(bào)來確定。計(jì)算需用到的參數(shù)包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、架空線等四類設(shè)備的4個(gè)基本參數(shù)：故障率、平均修復(fù)時(shí)間、計(jì)檢率、計(jì)檢平均時(shí)間。表1列出了系統(tǒng)中主要元件的可靠性原始參數(shù)[7]。設(shè)熔斷器 100%可靠熔斷，當(dāng)任意線路元件發(fā)生故障停電或者發(fā)電機(jī)停運(yùn)時(shí)，對(duì)配電系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析計(jì)算。

表1 可靠性原始參數(shù)

4.2 運(yùn)行結(jié)果分析

依據(jù)設(shè)備可靠性參數(shù)，通過可靠性分析程序的仿真計(jì)算，可得到該配電系統(tǒng)的詳盡的可靠性指標(biāo)，結(jié)果如表2至表5所示，分別為干擾事件統(tǒng)計(jì)指標(biāo)、系統(tǒng)可靠性指標(biāo)、負(fù)荷點(diǎn)可靠性指標(biāo)、和支路過負(fù)荷指標(biāo)。

表2 干擾事件統(tǒng)計(jì)指標(biāo)

表3 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)

表4 負(fù)荷點(diǎn)母線指標(biāo)期望值

根據(jù)算例結(jié)果可知應(yīng)用 Paladin DesignBase的配網(wǎng)可靠性分析程序可以很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的可靠性分析研究，不僅輸入?yún)?shù)和輸出結(jié)果直觀形象，而且輸出內(nèi)容豐富，包括了系統(tǒng)、負(fù)荷、支路三類可靠性指標(biāo)，因此完全滿足對(duì)配電網(wǎng)可靠性分析的需要。表6列出了Paladin DesignBase與另一可靠性分析程序PSS/ADEPT對(duì)同一算例系統(tǒng)的對(duì)比結(jié)果，可知由該軟件得到的計(jì)算結(jié)果與其他軟件結(jié)果很接近[8]，且PA仿真計(jì)算的速度具有一定優(yōu)勢(shì)。

表5 支路過負(fù)荷指標(biāo)

表6 不同可靠性分析軟件的結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文將 Paladin DesignBase可靠性分析程序應(yīng)用于中低壓配電網(wǎng)的可靠性分析中，簡要介紹了該軟件的系統(tǒng)模型構(gòu)建、參數(shù)輸入及程序的計(jì)算流程，由于該程序考慮的因素和計(jì)算指標(biāo)較為全面，數(shù)據(jù)庫功能完善，人機(jī)交互界面友好，并且計(jì)算速度快，結(jié)果精確。因此它完全滿足復(fù)雜的高壓配電網(wǎng)可靠性分析的需要，逐漸受到電氣設(shè)計(jì)人員的青睞。該軟件目前存在的不足之處主要是可靠性評(píng)估的計(jì)算時(shí)間將隨著偶發(fā)事件的增多而急劇增大，但用戶可以通過選擇和設(shè)定重疊停運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)來減少偶發(fā)事件的數(shù)量。

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Reliability Evaluation and Analysis of Distribution System Based on Paladin DesignBase

Zhao Xujie1 Ji Xingquan1 Li Kejun2 Sun Ying2
(1. College of Electrical and Information Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510;2. College of Electrical Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061)

Distribution system reliability is analyzed based on Paladin DesignBase simulation platform in this paper. As a powerful and easy-to-use tool in comparison with the traditional power system analysis software, Paladin DesignBase not only can be used in power system static analysis, but also in dynamic simulation analysis. Firstly the main functions and features of Paladin DesignBase are presented. Then the basic steps of reliability analysis are illustrated, and the reliability indices given by Paladin DesignBase are listed. Finally, the reliability of an actual distribution system is calculated for illustrating the characteristics of Paladin DesignBase in such aspects as inputting of reliability parameters, computation of reliability indices and results outputting etc.

distribution network; Paladin DesignBase; reliability

趙緒杰（1987-），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)配電網(wǎng)仿真。