電力系統可以分為發電、輸電、配電三大系統。配電系統是屬于電力系統末端,是直接與用戶設施相連的環節。一旦配電系統發生故障或進行檢修、試驗,就會造成系統對用戶供電的中斷。所謂配網供電可靠性,是指在某一統計期內,電網持續向客戶供電能力的量度,是供電服務質量的一項重要指標。隨著經濟社會的發展,人民生活水平的提高和電器的廣泛普及,用戶對電力系統供電可靠性的要求也越來越高。配電系統可靠性作為電力系統可靠性的一個重要組成部分,越來越引起人們的重視。
1 配網接線方式在提高可靠性中的作用
影響配網可靠性的因素有很多,配網接線方式是其中一種。而用戶平均停電時間是由停電次數和每次停電的檢修時間等各種因素共同決定的。配網接線方式對可靠性的影響主要是從減少停電次數、停電范圍,降低停電檢修時間來作用的,一般來說,當其他條件不變的情況下環網率越高停電次數越小,供電可靠性也越高。環網率是加強了各線路之間的聯系,各線路之間的聯系越多時,當某條線路的供電電源發生故障時也可以由備自投裝置自動將負荷切換到另一側電源供電。但是聯系越多,各種開關設備也越多,這樣也增加了發生故障的可能,從而影響了供電可靠性的提高。
在城市電網中,為了提高可靠性,以電纜網為主。電纜網中的配電點一般經環網柜接入饋線。電纜網中,對于特別重要的用戶還可以采用多電源的供電方式。在城市電網中,比較典型的接線方式就是單輻射、單聯絡、分段兩聯絡,分別代表各種配網接線方式的環網率高低。下面主要針對這三種典型的接線方式的可靠性進行計算來分析其對可靠性的影響。
2 配網接線方式的等效方法
在進行計算分析之前先介紹一種可靠性評估的算法。電力系統可靠性的評估算法可分為兩大類:解析法和模擬法。解析法基于馬爾可夫過程假設和概率論建立了比較嚴格的數學模型來計算系統可靠性指標。典型方法有狀態空間法(枚舉法)、等值法、故障樹等。解析法的優點是概念清晰、模型精度高,缺點是計算量隨著規模的增大而急劇增加,且不易處理復雜互連網絡的可靠性分析問題。
我國10 kV配電網雖然采用環網結構,但基本為開環運行。因此10 kV配電網在運行中實際上解列為彼此獨立運行的一組樹狀放射網的集合,節點間有明確的串連關系,因此采用解析法進行可靠性分析具有很大的優勢。這不僅因為相應的計算精度高,用時少,而且有利于進一步展開靈敏度分析。在配電網中目前發展出的典型可靠性分析解析法有網絡等值法、故障枚舉法(又稱故障模式-后果法,FMEA(failure mode and result analysis))、容量裕度法等。
下面介紹網絡等值法。其思路是通過等值將復雜網絡歸并為簡單網絡,應用于樹狀配電網時,其主要思路是將長支線等值為干線上的設備從而用串行電路分析方法求取可靠性指標。其基本做法如下所述。
(1)進行向上等效,即從最低的一級子饋線開始對子系統進行連續等值,逐級向上等效為虛擬負荷,直到線路不帶子饋線為止。然后求出干線的故障率等可靠性數據。
(2)網絡逐步向上等效的過程如圖所示。
(3)進行向下等效,根據干線可靠性指標從等效負荷點向下展開求出各實際負荷點的可靠性指標。進而得出系統供電可靠率RS(reliability onservice)、用戶平均斷電時間指標SAIDI(systemaverage interruption duration index)戶平均停電缺供電量AENS(average energy not supplied ofcustomer per times of failure interruption)等可靠性指標。
根據關鍵的等效計算公式，式中:λi、λk、λs和ri、rk、rs分別代表主支線、支線和主支路上串連元件的故障率和故障時間;Pk是取決于保護方式的支線部分控制參數,當熔斷器可靠度為100%時取0,沒有熔斷器時取1,考慮熔斷器可靠性為x時,Pk=1-x。此外故障引起的停電持續時間可以根據沒有備用電源、100%備用電源和有可靠性為Pa的備用電源分別取不同的值,從而實現了對聯絡和轉供影響的計入。
3 可靠性指標計算參數
確定組成配電網的各類一次設備的故障率、故障修復時間、操作時間等基礎可靠性統計數據是進行配電系統可靠性分析預測的前提和基礎。到目前為止,國內幾乎所有討論配電網可靠性的文獻均采用了國際電力系統可靠性研究權威Billinton在1990-1995年提出的一組配電網可靠性評估測試系統中的給出的基礎數據。
但是Billinton的基礎參數源自北美配電系統20世紀90年代初對其多年設備故障記錄數據的統計分析。配電網設備的故障率和平均修復時間等數據是與一個電網的設備質量、使用年限、日常維護狀況以及故障后維修效率等大量管理性因素密切相關的,因而在不同的國家、地區有較大的差別。這里采用的可靠性基礎數據是以國際電力系統可靠性研究權威Billinton給出的基礎數據為基礎,并結合當地實際情況的一種改進。
說明: λP 為以年為單位統計的單臺設備或每公里線路故障率( 含所有原因導致的故障) , λ″為以年為單位統計的單臺設備或每公里線路預安排停電率, r 為以h 為單位的設備或線路的平均停電時間, rc 為以h 為單位的重合閘時間, s 為以h 為單位的平均故障隔離和倒閘切換時間。
其中設備年故障率???和年預安排停電率λ″的計算公式為
λ(λ″) =∑同類設備故障(或預安排停電)次
數/∑(當年該類設備總臺數或線路
總公里數×當年統計月數/12) (5)
式中∑指對各年數據求和。
平均停電時間的計算公式為
r =∑同類設備總停電時間/∑該類設備停電次數(6)
其中rc和s則來源于當地調研中獲得的經驗數據。
4 不同接線方式的可靠性計算結果及分析
現在以廣東某地區電網電纜網典型接線為例來定量分析配網接線方式對可靠性指標的影響。該地區10 kV電纜配電網采用的主要接線方式為單輻射、單聯絡和三分段兩聯絡三種。還有少量饋線采用兩供一備的方式,及部分饋線采用多聯絡的非典型方式,但因為這種方式應用很少,不計入研究的范圍。各線段L1 ~ L6的長度均為300 m,由于電纜網的負荷分布較集中,忽略配電點的出線長度。假設線路的負載率為60%(8 690 kVA),每一回聯絡通道的轉供容量均為40%(約5 790 kVA),負荷功率因素為0.9。為方便說明,以每一臺配變為一個用戶單位。
利用上面所說的網絡等值法等效后應用以下公式計算可靠性指標。
SAIFI=ΣλiNi/ΣNi(7)
式中:λi指負荷點i故障率;Ni為負荷點i用戶數。
RS=1-∑λiriNi/(∑Ni×8760) =1-SAIDI/8 760(9)
AENS=EENS/∑Ni(10)
其中EENS=∑PiUi=∑LPifiλiri
式中:Pi為負荷點i的平均負荷;LPi為負荷點i的峰荷;fi為負荷系數。
與輻射狀接線方式、“2-1”和“3-1”接線方式中的系統故障頻率指標均只和設備的頻率參數有關,而與設備的時間參數沒有關系,所以他們三種接線方式的這種指標是一樣的。而不同的是,由于“2-1”和“3-1”具有轉供能力,所以在涉及到時間長度的指標時與單輻射的指標有明顯差異,它們兩種的可靠性要高很多。其次饋線和開關修復時間的長短實際上對供電可靠性指標影響不大,相反,對可靠性指標影響最大的是轉供操作時間,所以“2-1”單聯絡環網中,SAIDI、AENS和RS的計算結果與分段聯絡型“3-1”環網中的計算結果非常相似。
5 結語
影響配網可靠性的因素有很多,配網接線方式是其中的一種。不同配網接線方式對可靠性的影響是不一樣的,在同樣條件下,環網率越高聯系越多的配網接線方式可靠性就會越高,但也并不是越高越好,因為聯系越多開關設備就要越多,系統發生故障的幾率也要更大。
參考文獻:
[1] 郭永基.電力系統可靠性分析[M].北京:清華大學出版社,2003.
[2] 陳文高.配電系統可靠性實用基礎[M].北京:中國電力出版社,1998.
