西安城东地区电力系统可靠性理论计算应用分析
张红云1 翟晓凡2 吴晓蓉3 谢开贵3
（1. 陕西省电力公司，西安 710004；2. 西安供电局，西安 710032 3. 重庆大学电气工程学院，重庆 400044）
来自中国电力可靠性网站：http://www.chinaer.org/zhuanweihui/index.asp
摘要：本文介绍了基于故障扩散的复杂中压配电系统可靠性评估算法。该算法对复杂的中压配电系统(带子馈线)有较强的处理能力，利用前向搜索算法确定断路器动作影响范围，用故障扩散方法确定故障隔离的范围，从而确定节点的故障类型。根据故障的类型，便可形成相应的节点、馈线以及系统的可靠性指标。利用重庆大学开发的中压配电网可靠性计算程序，用交流潮流法对西安城东地区12座变电站10kV配电网的57回出线进行了可靠性理论计算，对各变电站的可靠性指标进行了对比，并以豁口站为例进行了系统结构与可靠性的关系，以及元件对电网可靠性的影响分析，这些量化信息可为电网运行方式、元件检修、以及进一步扩建改造提供有价值的决策依据。
关键词：复杂中压配电系统；故障扩散；可靠性评估
1. 引言
电力系统可靠性研究始于20世纪60年代，当时主要侧重于发电系统或以发电和输电组成的组合电力系统的可靠性评估，而配电系统，特别是中压配电系统可靠性研究远未得到应有的重视。然而，配电系统不可靠造成的损失是非常大的，据电力公司统计：大约80%的用户故障缘于配电系统故障[1,2]。目前，在工业发达国家，可靠性已经成为配电系统规划决策中一种常规性工作[3]。我国配电系统可靠性研究始于20世纪80年代。进入90年代以来，国家对配电系统可靠性的研究更加重视，1995年颁布的《电业生产事故调查规程》将10kV用户供电可靠性列入供电安全考核项目中，配电系统可靠性的研究工作进一步得到发展。
故障模式后果分析法(FMEA——failure mode and effect analysis)[2~4]是最常用中压配电系统可靠性评估方法，该方法利用元件可靠性数据，建立故障模式后果表，分析每个故障事件及其后果，然后综合形成可靠性指标。然而，对于当今复杂的配电网结构，故障模式后果表的建立将十分复杂。文献[5]采用求解最小路，并将非最小路上元件故障的影响折算到对应最小路上的方法对系统进行可靠性评估。但是，对于带有分支子馈线的复杂系统，非最小路上元件故障的等效也较为复杂，其评估效果并不十分理想。
目前，带子馈线的复杂配电系统可靠性评估的方法不多，主要有：文献[1]提出的网络等值法；文献[6]提出的基于树的优先遍历搜索技术的可靠性评估算法；文献[7]提出的将网络元件和子馈线分类，利用分层结构描述它们之间拓扑关系的可靠性评估算法；以及文献[8]提出的基于“供电馈线行向量”的复杂配电网可靠性评估向量法等等。
文献[9]提出的基于故障扩散的复杂中压配电系统可靠性评估算法，有较强的工程实用性。本文针对西安城东地区中压配电网的网络结构和运行方式，运用基于故障扩散的可靠性评估算法对其进行可靠性计算，对比分析了各变电站的可靠性，以某一变电站出线为例分析了系统结构与可靠性的关系，以及元件可靠性的影响。
2. 基于故障扩散的可靠性评估模型
2.1 节点故障类型的分类
任何故障事件（主要考虑线路、变压器和断路器单元件故障以及其组合元件故障）发生后，根据故障时间的不同，将节点分成4类。a类：正常节点，即故障事件发生后开关正确动作不受故障影响的节点；b类：故障时间为隔离操作时间的节点；c类：故障时间为隔离操作加切换操作时间的节点；d类：故障时间为元件修复时间的节点。
2.2 节点故障类型的确定
2.2.1 确定断路器的影响范围
当网络中某元件故障（组合元件故障事件发生时，可分别按单元件故障进行）时，逆着正常潮流方向搜索第1个出现的断路器，则该馈线上断路器后的节点为b类、c类或d类（其类型的具体确定还需进一步分析），而其他节点（包括该馈线上动作断路器前端的节点和其他馈线的所有节点）为a类。
2.2.2 确定隔离开关的影响范围
当某一元件故障，断路器动作后，需要找到相应的隔离开关，将故障隔离起来，以便进行修复。本文用故障扩散法确定隔离开关的影响范围。
故障扩散法的基本思想是：元件发生故障后,向其前后节点搜索，当遇到隔离开关（线路分段器）或达到线路末端时便终止该方向的扩散。进行可靠性计算时，先求出故障元件的1度节点，并判断是否遇到隔离开关，如果遇到则停止该方向的扩散；否则求出故障元件的2度节点，并判断是否遇到隔离开关，如果遇到则停止该方向的扩散；否则求出故障元件的3度节点，……直到该故障元件向任一方向扩散时到达线路末端或有隔离开关为止。显然故障扩散过程中遍历到的节点(记为Sf)均为d类节点。
由上可知，a类节点由第2.2.1节的方法确定，b类、c类和d类节点由本节的方法确定。
2.2.3 形成各分块子系统
当系统中某一元件故障，并经隔离开关隔离故障后，系统可能形成许多分块子系统。计算中，根据节点集Sf 求出其所有外边界节点，并去掉与Sf相连的线路，从外边界节点出发用深度优先算法或广度优先算法，即可求出各分块子系统的节点集，进而形成各子系统的网络参数。
2.2.4 节点故障类型的确定
由第2.2.1节可知，动作断路器的前向节点及其他馈线的节点，其故障类型为a类；而断路器的后向节点为b类、c类或d类。其中故障扩散过程中遍历到的节点（即Sf中所有节点）为d类，去掉Sf 中所有节点和相关线路等，原系统形成多个分块子系统。各分块子系统中，若其节点与电源相连，则该子系统节点均为b类；若子系统中所有节点均未与电源相连，但有节点与切换开关相连，则进行切换操作，此时该子系统节点为c类；若子系统中所有节点均未与电源相连，且任何节点均未与切换开关相连，则该子系统节点为d类。
综上所述，可以得到确定节点故障类型的程序框图如图1所示。
3. 中压配电系统可靠性评估算法及指标
3.1 中压配电系统可靠性评估算法
综合以上的讨论可得到中压配电系统可靠性评估算法：
a. 读入原始数据，计算正常运行时的潮流；
b. 枚举一故障事件；
c. 用故障扩散法确定故障范围，并形成各子系统的网络参数，如果故障元件所在的馈线存在切换，则在线路中添加相应的切换开关；
d. 确定节点故障类型；
e. 计算故障条件下的潮流，并进行线路容量和电压越限检查，如果存在越限，则采取相应的补偿措施，若补偿后仍越限，则进行负荷削减；
f. 根据网络各节点的故障类型和削负荷量进行可靠性指标计算；
g. 检查故障事件是否枚举完毕，如果未完，转步骤c；
h. 形成节点、各馈线和系统的可靠性指标，并输出计算结果。
在计算步骤e之前，可根据系统的无功装置的分布采取相应的补偿措施，然后再计算故障状态潮流 .
