許鵬程，陳 啟，劉宗歧，金秋龍，劉文霞，曹 斌，王 舒

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京 102206；2.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波市供電公司，浙江寧波 315012；3.四川電力設(shè)計咨詢有限公司，四川成都 610016)

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考慮主網(wǎng)與變電站主接線影響的配電網(wǎng)可靠性評估

許鵬程1，陳 啟2，劉宗歧1，金秋龍1，劉文霞1，曹 斌3，王 舒1

(1.新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學(xué))，北京 102206；2.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波市供電公司，浙江寧波 315012；3.四川電力設(shè)計咨詢有限公司，四川成都 610016)

0 引 言

電力系統(tǒng)可靠性是對電力系統(tǒng)按可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需要數(shù)量不間斷地向電力用戶供應(yīng)電力和電能的度量[1]，度量指標(biāo)最終反映在電力用戶側(cè)。目前，電力系統(tǒng)的可靠性評估分為若干個子系統(tǒng)，如電源系統(tǒng)、變電所電氣主接線系統(tǒng)[2]、發(fā)輸電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)。然而子系統(tǒng)的獨立評估卻存在以下弊端：一方面，各個子系統(tǒng)獨立的可靠性評估與規(guī)劃，雖能夠發(fā)現(xiàn)各系統(tǒng)的薄弱點，但不能體現(xiàn)子系統(tǒng)間的相互支撐與協(xié)調(diào)，現(xiàn)階段電網(wǎng)規(guī)劃主要考量各電壓等級的整體投資和用戶供電可靠性之間的平衡，獨立的規(guī)劃往往追求各自子系統(tǒng)的高可靠性，增大了系統(tǒng)整體投資[3-4]。另一方面，在子系統(tǒng)(特別是配電網(wǎng))可靠性評估的過程中，往往假定其他系統(tǒng)完全可靠。例如配電網(wǎng)的評估中假定主網(wǎng)以及110kV高壓配網(wǎng)完全可靠，不計及上述系統(tǒng)可靠性對其影響，不區(qū)分不同供電通道(輸電網(wǎng))的可靠性水平差異，這會使得評估結(jié)果過于冒進(jìn)。因此，對電網(wǎng)供電可靠性的研究和計算有必要將銜接部分的子系統(tǒng)，如發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性、變電站主接線系統(tǒng)等因素統(tǒng)一考慮。

對全電壓等級可靠性評估研究中，文獻(xiàn)[5]提出將主網(wǎng)可靠性計算結(jié)果等效至配電網(wǎng)電源可靠性參數(shù)上，由此進(jìn)行配網(wǎng)的可靠性評估；在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[6]考慮了隔離裝置共模停運影響，建立變電站主接線的等效模型，提出了包含變電站主接線設(shè)備的多電壓等級可靠性評估方法。本文提出面向全電壓等級的供電可靠性評估方法，該方法同時考慮主網(wǎng)、變電站主接線和配電網(wǎng)，依據(jù)電力系統(tǒng)物理拓?fù)溥B接關(guān)系和特點，建立自上而下全電壓等級可靠性評估流程。其主要思想為：在對發(fā)輸電網(wǎng)可靠性評估的基礎(chǔ)上，取得系統(tǒng)和相關(guān)節(jié)點的可靠性指標(biāo)(如：失負(fù)荷頻率、平均持續(xù)時間等)，并將其等效至配電網(wǎng)電源上；再考慮高壓配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)和變電站的電氣接線形式，對配電系統(tǒng)可靠性進(jìn)行全面評估。

1 上下級電網(wǎng)可靠性接口物理模型

在全電壓等級可靠性評估中，上下級電網(wǎng)之間的可靠性接口通過串聯(lián)關(guān)系銜接：發(fā)輸電系統(tǒng)與高壓配電網(wǎng)的可靠性接口是從高壓配電網(wǎng)上級變電站(220kV)的低壓側(cè)起始，與高壓配電網(wǎng)起始出線的銜接，形成一個復(fù)合元件；高壓配電網(wǎng)與中壓配電網(wǎng)的可靠性接口是從高壓配電網(wǎng)變電站的低壓側(cè)起始，與中壓配電網(wǎng)起始出線的銜接，形成一個復(fù)合元件。復(fù)合元件的可靠性模型與兩個元件串聯(lián)后的等效模型相似，求解公式[7]如下：

(1)

(2)

式中：λH_L、μH_L分別代表串聯(lián)后復(fù)合元件的故障率和修復(fù)率；λH_system、μH_system分別代表上級電網(wǎng)的故障率和修復(fù)率；λL_line、μL_line分別代表下級電網(wǎng)起始出線的故障率和修復(fù)率。

2 全電壓等級可靠性評估過程

面向全電壓等級的供電可靠性評估范圍涵蓋主網(wǎng)、110kV變電站和中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)，其基本環(huán)節(jié)包括發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估、考慮主網(wǎng)影響和110kV變電站主接線的高壓配電網(wǎng)可靠性評估、計及上級電網(wǎng)可靠性的中壓配電網(wǎng)可靠性評估等三部分。

評估過程中首先對主網(wǎng)部分(220kV及其以上電壓等級電網(wǎng))進(jìn)行可靠性評估，在完成發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性計算后，將其可靠性計算結(jié)果簡化并等值于高壓配電網(wǎng)的電源母線上，然后根據(jù)不同的變電站主接線方式進(jìn)行高壓配電網(wǎng)的可靠性評估。

本文以雙輻射網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的110kV高壓配電網(wǎng)為例，其主接線為單母分段的接線模式，具體闡述計及主網(wǎng)影響和變電站主接線的可靠性評估過程，其它類型接線模式均可同理計算。

圖1 單側(cè)電源雙回供電高壓配電網(wǎng)

如圖1所示，將主網(wǎng)的可靠性參數(shù)通過發(fā)輸電系統(tǒng)與高壓配電網(wǎng)可靠性接口等效至電源A，可分別求得電源母線上可靠性參數(shù)λH_L、μH_L，在此基礎(chǔ)上對圖中所示的變電站主接線方式下高壓配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評估，具體計算步驟如下：

①建立可靠性框圖：將電氣主接線圖轉(zhuǎn)化為表征各元器件功能關(guān)系的可靠性框圖。考慮故障停電與檢修停電兩種情況，二者可靠性框圖如下：a.由母線、電源、輸電線路這些關(guān)鍵元器件的突發(fā)擴大性故障引起的共同失效模式。共同失效模式為某一元件發(fā)生故障時會引起相鄰元器件同時失效的一種情況，例如變壓器故障后，引起串聯(lián)的斷路器開斷進(jìn)入非正常工作狀態(tài)。共同失效為可靠性框圖化簡時候的重要依據(jù)。b.特殊接線方式，主要研究因為停運檢修整個接線的可靠性，因此可依據(jù)停運檢修運行方式對可靠性框圖做適當(dāng)化簡?，F(xiàn)以圖1中電源A至變電站甲為例，建立元件故障停電情景下可靠性框圖如圖2所示。

圖2 110kV電網(wǎng)銜接接線可靠性計算框圖

②求取電源點到負(fù)荷點之間的最小路：最小路是基本供電通路，應(yīng)保證路中任一元件故障時，該路斷開。與配電網(wǎng)不同，由于變電站運行方式的多樣，電源點到負(fù)荷點之間的最小路往往不唯一。最小路可通過網(wǎng)絡(luò)的聯(lián)絡(luò)矩陣求?。涸O(shè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點矩陣為C，網(wǎng)絡(luò)矩陣的行代表到達(dá)的節(jié)點編號，列代表出發(fā)的節(jié)點編號。聯(lián)絡(luò)矩陣元素定義如下：

(3)

根據(jù)所定義的聯(lián)絡(luò)矩陣，結(jié)合圖2中110kV電網(wǎng)銜接接線的可靠性框圖，采用深度優(yōu)先遍歷算法[8]搜索電源點至每個負(fù)荷點的最小路。現(xiàn)以負(fù)荷點11為例，求得其最小路如式(4)，式中L1～L4為第1～4條最小復(fù)合路。

(4)

③基于系統(tǒng)運行方式進(jìn)行最小路組合：在計及全電壓等級電網(wǎng)可靠性計算中，系統(tǒng)運行方式的改變對應(yīng)變電站運行方式的改變，故應(yīng)給定變電站當(dāng)前的運行方式。由于上述求得的最小路僅為兩點間單一通路的集合，并沒有計及電力系統(tǒng)的運行方式以及負(fù)荷轉(zhuǎn)供等因素，故應(yīng)給出系統(tǒng)的運行方式，進(jìn)行最小路的組合。

現(xiàn)以110kV變電站常用的運行方式為例進(jìn)行最小路組合，其運行模式為：一備用進(jìn)線；高壓側(cè)母聯(lián)斷路器閉合，低壓側(cè)母聯(lián)斷路器開斷，避免電磁環(huán)網(wǎng)的形成；兩臺變壓器線路并列工作。特別需要注意的是，由于110kV線路故障導(dǎo)致的一路斷路器跳開，變電站需要進(jìn)行負(fù)荷轉(zhuǎn)移，但考慮變壓器本身的負(fù)載情況，可設(shè)置負(fù)荷轉(zhuǎn)移率為系統(tǒng)平均轉(zhuǎn)移率，本文假設(shè)負(fù)荷平均轉(zhuǎn)移率為40%。

對上述求得的最小路進(jìn)行組合，得到系統(tǒng)在該運行方式下系統(tǒng)的最小路。記該運行方式下的最小路為最小復(fù)合路，則最終求得其最小復(fù)合路為

(5)

④計及檢修時對中壓配網(wǎng)最小路法疊加修正：上述輸配電網(wǎng)可靠性模型拼接過程中采用的是最小路法中的故障停電模式，如果需要對中壓配電網(wǎng)計及預(yù)安排檢修的可靠性計算，需從第一步可靠性框圖的建立開始，對變電站的運行方式做相應(yīng)的修改，然后重復(fù)上述步驟求得配網(wǎng)檢修下系統(tǒng)的故障率、修復(fù)率等參數(shù)，最后整合故障和預(yù)安排停電的綜合電網(wǎng)可靠性參數(shù)，并將其等效于中壓配電網(wǎng)的電源側(cè)。

⑤計算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)：通過上述分析可以求得系統(tǒng)正常工作的概率Ps和系統(tǒng)不可用率Qs如下：

(6)

(7)

式中：Li為第i條最小復(fù)合路。

系統(tǒng)故障頻率fs：

(8)

式中：λi為最小復(fù)合路Li的故障率；μi為最小復(fù)合路Li的故障修復(fù)率。那么系統(tǒng)的故障率λs和修復(fù)率μs如下：

(9)

(10)

在完成高壓配電網(wǎng)可靠性評估后，將計算結(jié)果通過高壓配電網(wǎng)與中壓配電網(wǎng)的接口模型簡化等值于中壓配電網(wǎng)電源母線上，最后采用最小路法對計及主網(wǎng)影響和變電站主接線等值后的中壓配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評估。

3 算例分析

以2014年青海省實際電網(wǎng)為算例，其主網(wǎng)最高電壓等級為750kV，發(fā)輸電網(wǎng)電壓等級分別為750kV、330kV、220kV，配電網(wǎng)包括110kV電壓等級的高壓配電網(wǎng)以及35kV、10kV電壓等級的中壓配電網(wǎng)。

3.1 系統(tǒng)全電壓等級可靠性評估結(jié)果

采用序貫蒙特卡洛模擬法對青海省220kV及以上主網(wǎng)網(wǎng)架進(jìn)行可靠性評估，并統(tǒng)計模擬期間內(nèi)主網(wǎng)的切負(fù)荷頻率和每次切負(fù)荷持續(xù)時間，得到2014年青海省主網(wǎng)部分的可靠性指標(biāo)如表1所示。

表1 主網(wǎng)部分可靠性計算結(jié)果

將主網(wǎng)可靠性參數(shù)：λs=0.112，μs=12.717等效至高壓配電網(wǎng)電源母線上，并進(jìn)一步進(jìn)行高壓配電網(wǎng)網(wǎng)架以及變電站主接線的可靠性計算。青海地域廣、負(fù)荷分散，110kV高壓配網(wǎng)以雙輻射為主，變電站的主接線形式主要為單母線分段(77.36%)、雙母線(9.43%)和內(nèi)橋接線(8.49%)，分別針對上述3種接線形式下的高壓配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評估，計算結(jié)果如表2所示。

表2 不同變電站主接線模式下的高壓配網(wǎng)可靠性計算

在中壓配電網(wǎng)可靠性評估中，以青海省西寧市某地區(qū)10kV配電網(wǎng)為例，具體分析不同變電站接線模式下系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，該供區(qū)10kV架空線路有127條，接線模式主要以多聯(lián)絡(luò)和單聯(lián)絡(luò)為主，其中多聯(lián)絡(luò)線路條數(shù)60條，單聯(lián)絡(luò)線路條數(shù)61條，比例分別為47.2%和48.0%，具有故障轉(zhuǎn)供能力。將1、2所得的主網(wǎng)、高壓配網(wǎng)(以下簡稱上層網(wǎng)絡(luò))可靠性模型添加至10kV中壓配電網(wǎng)母線上，采用最小路法分別計算不同情境下系統(tǒng)可靠性：

情景1：主網(wǎng)及高壓配網(wǎng)完全可靠；

情景2：主網(wǎng)及高壓配網(wǎng)采用實際可靠性模型。

系統(tǒng)可靠性指標(biāo)采用系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間SAIDI(h/戶·a)；系統(tǒng)供電可用率ASAI；系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI(次/戶·a)；系統(tǒng)平均缺供電量AENS(kWh/戶·a)，計算結(jié)果如表3所示。

表3 不同變電站主接線下西寧某供區(qū)可靠性計算結(jié)果

由表3可知，若不計及上級電網(wǎng)影響，中壓配電網(wǎng)可靠性評估結(jié)果相對較高，不同接線模式下的高壓配網(wǎng)對系統(tǒng)影響各異。以不考慮上級電網(wǎng)影響所計算的指標(biāo)I0為基準(zhǔn)值，定義指標(biāo)偏移量ΔI=(I1-I0)/I0， 則根據(jù)上表的計算結(jié)果分析計算可得各指標(biāo)偏移量ΔI如表4所示。

表4 可靠性指標(biāo)偏移量

由表3、4可知，傳統(tǒng)評估方法中，不考慮上級電網(wǎng)影響的可靠性評估所計算的可靠性指標(biāo)最高，而全電壓等級可靠性評估計算的指標(biāo)均偏低，且不同主接線模式對中壓配電網(wǎng)可靠性影響不同。其中雙母線接線方式下的可靠性指標(biāo)與假設(shè)10kV電源母線完全可靠所計算的各項指標(biāo)均相差不大，因此當(dāng)110kV變電站主接線為雙母線接線形式下，中壓配電網(wǎng)的可靠性評估可近似認(rèn)為上級電網(wǎng)完全可靠；此外，不同主接線方式下所計算出的指標(biāo)ASAI結(jié)果較為接近，主要由于該指標(biāo)計算基數(shù)較大，且地區(qū)可靠性水平與當(dāng)?shù)刎?fù)荷需求相當(dāng)，因此ASAI變化不大；而當(dāng)變電站主接線為單母分段接線和內(nèi)橋接線時，由于其可靠性較低，其系統(tǒng)可靠性指標(biāo)SAIDI、SAIFI和AENS的計算值與傳統(tǒng)不考慮上級電網(wǎng)可靠性的評估結(jié)果存在較大的差異。

根據(jù)青海省電網(wǎng)2014年公布的可靠性指標(biāo)：西寧該類供區(qū)系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間SAIDI為5.16h/a，系統(tǒng)平均停電頻率SAIFI為0.463次/a，系統(tǒng)供電可用率ASAI為99.941 1%。由此可知，傳統(tǒng)評估方法中，將上層網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作100%可靠的可靠性評估結(jié)果偏高，而本文提出的考慮主網(wǎng)影響和變電站主接線的全電壓等級可靠性評估結(jié)果更切合實際，所計算出的指標(biāo)更合理。

3.2 典型用戶可靠性分析及相應(yīng)的接線方式優(yōu)化

本文選取西寧市上述供區(qū)內(nèi)某條線路上的典型用戶，從負(fù)荷點可靠性的角度分析其可靠性和相應(yīng)接線方式的優(yōu)化。由此可分別計算不考慮上級電網(wǎng)影響和不同主接線方式下典型用戶的供電可靠性指標(biāo)，主要計算的指標(biāo)有負(fù)荷點年停電頻率SAIFI-LP，次/a；負(fù)荷點平均停電持續(xù)時間SAIDI-LP，h/a；負(fù)荷點等效系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間ESAIDI-LP，h/a；負(fù)荷點平均供電可用率ASAI-LP和負(fù)荷點缺供電量ENS-LP，kWh/a，計算結(jié)果如表5～表7。

表5 不考慮上級電網(wǎng)影響的典型用戶可靠性

表6 高壓配網(wǎng)為雙母線接線形式典型用戶可靠性

表7 高壓配網(wǎng)為單母分段接線形式典型用戶可靠性

對表5、6、7數(shù)據(jù)分析可知：

①對于指標(biāo)負(fù)荷點年停電頻率SAIFI-LP，通過將110kV主接線從單母線分段改接為雙母線，可靠性指標(biāo)將提高3.52%，年平均停電次數(shù)下降0.04次。

②對于負(fù)荷點平均停電持續(xù)時間SAIDI-LP，通過將110kV主接線從單母線分段改接為雙母線,可靠性指標(biāo)將提高6.21%，年平均停電持續(xù)時間下降0.577h/a。

③對于負(fù)荷點平均供電可用率ASAI-LP，通過將110kV主接線從單母線分段改接為雙母線對用電可用率指標(biāo)影響并不明顯，幾乎沒有變化。

④對于負(fù)荷點缺供電量ENS-LP，通過將110kV主接線從單母線分段改接為雙母線,可靠性指標(biāo)將提高6.22%，平均缺供電量下降0.03。

由上述分析可知，高壓配電網(wǎng)不同接線方式對用戶可靠性指標(biāo)主要體現(xiàn)在負(fù)荷點平均停電持續(xù)時間和負(fù)荷點缺供電量上。所選典型用戶中，用戶C為某重要政府單位，負(fù)荷等級較高，對停電持續(xù)時間指標(biāo)要求嚴(yán)格，因此可以考慮優(yōu)化相應(yīng)的110kV變電站主接線來改善該可靠性指標(biāo)。

4 結(jié) 論

本文提出一種自上而下計及主網(wǎng)影響和變電站主接線的全電壓等級可靠性評估方法，并以青海省2014年實際電網(wǎng)作為算例計算了系統(tǒng)和用戶可靠性指標(biāo)，得到以下結(jié)論：①傳統(tǒng)不考慮上級電網(wǎng)影響的評估方法所計算出的指標(biāo)偏高，而由本文提出的全電壓等級可靠性評估方法所計算出來的指標(biāo)更為合理，與實際情況更為接近；②是否考慮主網(wǎng)影響和變電站主接線對系統(tǒng)供電可用率ASAI影響不大；③當(dāng)高壓配電網(wǎng)變電站主接線為雙母線方式時，中壓配電網(wǎng)系統(tǒng)級可靠性評估時可近似認(rèn)為上級電網(wǎng)完全可靠；④不同變電站主接線方式對用戶可靠性指標(biāo)的影響差異性主要體現(xiàn)在SAIDI-LP和ENS-LP上，即優(yōu)化主接線方式可顯著提高該指標(biāo)，但本文未考慮改進(jìn)主接線的經(jīng)濟代價，為此，后續(xù)研究工作將重點放在經(jīng)濟性與可靠性之間的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

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(責(zé)任編輯：楊秋霞)

Reliability Assessment of Distribution Network Considering the Influence of Transmission System and Substations

XU Pengcheng1, CHEN Qi2, LIU Zongqi1, JIN Qiulong1，LIU Wenxia1, CAO Bin3, WANG Shu1

(1.State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Source (North China Electric Power University), Beijing 102206, China；2.Ningbo Electric Power Bureau, Ningbo 315012,China；3.Sichuan Electric Power Design & Consulting Co., LTD., Chengdu 610016,China)

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)可靠性評估均基于各自電壓等級單獨計算，雖能夠發(fā)現(xiàn)各級電網(wǎng)的薄弱點，但不能體現(xiàn)上下級電網(wǎng)間的相互影響。本文考慮了主網(wǎng)影響和不同變電站主接線模式，建立了一種自上而下的全電壓等級的可靠性評估方法，從而實現(xiàn)考慮上級電網(wǎng)影響的配電網(wǎng)可靠性評估，并以實際電網(wǎng)為算例，分別計算傳統(tǒng)可靠性評估和全電壓等級可靠性評估的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)。計算結(jié)果表明，本文提出的全電壓等級的可靠性評估方法所計算的指標(biāo)更能真實反映用戶實際供電可靠性水平。最后，通過對比不同變電站接線模式下用戶可靠性指標(biāo)，分析了接線優(yōu)化對用戶可靠性的影響。

全電壓等級；配電網(wǎng)；主網(wǎng)；主接線；可靠性評估

Traditional reliability assessment methods of power system are based on their respective voltage grade, the weak spot of their own system can be discovered in this way, but it can’t reflect the interaction between transmission system and distribution system. Considering the effect of transmission system and substation main electrical wiring, a top-down approach about overall voltage level reliability assessment is proposed in this paper. Taking an actual grid as example, the result shows that reliability index which is calculated by proposed method can truly reflect the power supply reliability level. Through the comparison of users’ reliability index, the influence of different substation main electrical wiring is analyzed.

overall voltage level; distribution network; transmission system; substation main electrical wiring; reliability assessment

2015-11-23

許鵬程(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)風(fēng)險與可靠性評估，E-mail:ncepuxpc@163.com；

陳 啟(1990—)，男，碩士，研究方向為電力系統(tǒng)可靠性評估方法,E-mail:qichantd@163.com；

劉宗歧(1963—)，男，教授，研究方向為新能源發(fā)電與智能電網(wǎng)技術(shù)，E-mail:934172412@qq.com。