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计及变电站内部故障的地区电网全电压等级可靠性评估方法

来源:null  发布日期:2018-11-02     点击数:35

计及变电站内部故障的地区电网全电压等级可靠性评估方法

 

黄阮明1,黄一超1,郭明星1,鲁宗相2,徐特威2

1.国网上海市电力公司经济技术研究院,上海市 2001202.电力系统国家重点实验室,清华大学电机系,北京市 100084;)

 

摘要:可靠性评估是电网规划和运行的重要分析工作,传统电力系统可靠性评估对象往往拆分为发电、输电、配电及主接线系统,很少有研究涉及全电压等级可靠性的评估方法,即使有部分研究提出了多电压等级电网可靠性评估,也无法考虑变电站内部主接线系统故障对上下级电网的影响。为了解决这一问题,需要研究考虑变电站内部故障的电力系统全电压等级可靠性评估方法,但是如何将上下级电网及复杂主接线系统进行统一评估,是可靠性建模和计算的难点。本文基于可靠性工程中的串联等值原理,考虑变电站主接线内部设备(共模)故障对上下级电网的影响,提出了电力系统全电压等级的可靠性串序评估方法。本文最后基于上海电网10kV-220kV典型接线结构,进行了全电压等级可靠性评估,通过与传统方法的对比分析,证明了本文所提方法的正确性和优势。

关键词:可靠性评估,全电压等级,串联等值

 

Reliability assessment of overall voltage level in regional power grid considering substation failures

 

Abstract: Reliability assessment is an important step in power grid planning and operation. Traditionally, power system reliability evaluation targets generation, transmission, distribution and main electric system individually. The reliability of overall voltage level, however, has been rarely researched, let alone considering the influence of failures within substations on neighboring power grids. To solve this issue, one has to develop the methodology of reliability evaluation of overall voltage level in a power system. The main challenge in modelling and calculation is how to evaluate the complicated electric system and its neighboring network simultaneously. Based on the equivalent principles of series connection, this paper proposed a series reliability assessment method of overall voltage level in power system, taking the impact of electric faults in substations into account. The method is applied on the 10kV-220kV system in Shanghai and compared against the traditional method. Simulation results prove the effectiveness and advantage of this method.

Key words: Reliability evaluation, Overall voltage level, Equivalent principles of series connection

 


1          引言

电力系统可靠性评估对于电网规划和安全运行有着重要的指导意义,是电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户供应电力和电能能力的度量[1]。可靠性评估的对象包括发电、输电、配电、变电站电气主接线等4个主要子系统,子系统间和子系统内部存在不同的电压等级。由于电力系统规模巨大、结构复杂,所以可靠性评估的基本方法是不同系统不同电压等级分别评估:针对发输电系统可靠性评估,主要包括解析法和蒙特卡洛法[2-5]等;针对配电系统可靠性评估,主要包括故障模式影响分析法[6]、最小割集法[7]等;针对变电站电气主接线可靠性评估,主要包括多状态模型评估法[8-9]等。

传统电力系统可靠性评估对象往往拆分为发电、输电、配电及主接线系统,很少有研究涉及全电压等级可靠性的评估方法,即使有部分研究提出了多电压等级电网可靠性评估,也无法考虑变电站内部主接线系统故障对上下级电网的影响。电力系统终端用户是否停电,取决于发电、输电、配电等所有环节的可靠性水平,从500kV主网架到10kV配网出线,任一电压等级发生故障都有可能导致终端用户停电。所以上一电压等级系统的可靠性水平逐级作用于后续电压等级,最终体现在用户侧的可靠性指标上。不同电压等级分别评估系统可靠性的方法虽然降低了系统复杂度,但难以精确建模,可靠性评估的准确性受到影响:例如在配电系统可靠性评估中,分电压等级评估的方法假设电源完全可靠,得到的可靠性指标显然比实际更高。目前在一些大型地区电网中,供电可靠性水平已经达到较高水平,为了进一步对提升供电可靠性提出规划建议,需要进行精细化可靠性评估,研究全电压等级可靠性评估方法。

目前全电压等级可靠性评估的理论开始已经有所发展,并取得了一定研究成果。R.Billinton提出将发输电系统可靠性评估结果作为配电系统可靠性评估的电源参数,能够在实现多电压等级评估的同时降低系统复杂度[10-11],奠定了全系统全电压等级可靠性评估的理论基础。但该研究测试系统相对简单,没有考虑变电站内部结构对整体可靠性的影响,且以10kV配电系统为主要研究对象,与我国电网的构成有所区别。程林等人提出基于变电站主接线等效模型的全电压等级可靠性评估方法[12],考虑了隔离装置共模停运因素,该研究结果侧重于网架结构,对高电压等级变电站的复杂主接线型式的适用性仍有待验证。

本文首先梳理了全环节可靠性评估算法,采用基于站网协调的主接线可靠性评估、基于蒙特卡洛法的输电系统可靠性评估、基于最小割集法的配电网可靠性评估。进而提出全电压等级的故障树概念,在此基础上提出基于串联等值原理的可靠性评估算法,以串序方式对全环节进行可靠性评估。最后,结合不同电压等级的典型结构给出具体算例,分析影响整体可靠性水平的关键薄弱环节。

2          基于站网协调的全电压等级可靠性评估基本原理

2.1     可靠性评估对象描述

从能量流的角度,电能从电源发出,进入500kV主网架,然后历经220kV110kV10kV等不同电压等级的电网,最后进入终端用户,不同电压等级之间依靠变电站进行能量流动,如图1所示。

从可靠性评估对象的角度,可以将上述能量路径划分为输电、配电、主接线三个部分,即:

1)输电部分:500kV220kV电网,主要涉及输电线路的网架结构和电源分布。

2)配电部分:110kV10kV供电网,主要涉及配电网络的网架结构和负荷分布。

3)主接线部分:500kV220kV110kV变电站的主接线部分。

1  可靠性评估对象的全环节示意图

2.2     元件可靠性模型

进行主接线可靠性评估时,涉及元件包括变压器、断路器、隔离开关、母线、电压互感器、电流互感器、母线电抗器及线路电抗器等。

1)断路器、输电线路、变压器、隔离开关

元件采用三状态可靠性模型,状态转移模型用图1表示。其中N为正常运行状态,R为故障修复状态,M为计划检修状态, 为故障率, 为故障修复率, 为计划检修率, 为计划检修修复率。其中,断路器元件结构复杂,故障率的组成包括以下三个部分:1)断路器的各个部件由于制造、安装等原因造成的本体故障;2)切断故障时的故障大电流对断路器的损坏;3)倒闸操作中的额定电流对断路器的磨损。因此,实际系统中的断路器故障率需要根据所处位置不同、操作运行规律的区别,在统计平均故障率的基础上进行修正。

 

          (a)                       (b)

2  (a) 断路器、输电线路、变压器、隔离开关的可靠性模型 (b) 有倒闸操作的母线可靠性模型

2)母线模型

无倒闸操作的母线,其可靠性模型与输电线路、变压器的模型相同,如图1(a)所示。有倒闸操作的母线(双母线接线),模型如图1(b)S为开关切换状态; 分别是母线进行倒闸操作和发生故障的故障率; 为切换率,是切换时间 的倒数;其它参数与图1(a)相同。

2.3     全电压等级评估基本原理

导致用户侧失去电源的故障树见图5。以下八类事件的任一种发生,都可能使终端用户失去电源:

500kV输电网故障,导致联络线不可用(N1);

500kV变电站500kV侧主接线故障(T11);

500kV变电站220kV侧主接线故障(T12);

220kV输电网故障,导致联络线不可用(N2);

220kV变电站主接线故障(T2);

110kV配电网故障,导致联络线不可用(N3);

110kV变电站主接线故障(T3);

10kV供电网故障,导致出线不可用(N4)。

3  用户侧失去电源的故障树

基于可靠性工程串联等值原理,对全电压等级可靠性进行评估,将上一电压等级的输出节点可靠性指标作为下一电压等级的输入节点电源可靠性,即可以串序对全环节进行可靠性评估。

主要可靠性指标的计算公式如下:

                                                                   

                                                                  

                                       

                                             

            

其中, 15S'> 表示全系统故障率 15'> 表示八类子系统故障率,单位次/年; 15ri'> 表示八类子系统的平均停电时间,单位小时/次;U表示全系统年平均停电时间,单位小时/年;ASAI表示全系统平均供电可用率;ADLC表示全系统平均停电持续时间,单位小时/次;EENS表示全系统电量不足期望值,单位兆瓦时/年。

3          全电压等级可靠性评估算法及流程

本节基于可靠性工程中的串联原理、输配电系统及主接线系统可靠性评估原理,提出全电压等级可靠性评估算法及流程。学者Roy Billinton曾提出将上级电网等效为电源点进而评估下一级配电系统可靠性的方法[10],但是由于没有考虑主接线系统及站内设备故障对输配电系统可靠性的影响,因此评估结果与实际有一定的偏差,本文在上述方法的基础上,考虑变电站主接线系统故障的影响,提出考虑上下级电网及中间联络主接线等全环节的可靠性评估方法。

4所示为输配电系统及主接线系统的简要示意图,其中上一级电网可指输电网或者高压配电网,对应下一级电网为高压配电网或低压配电网,靠主接线系统进行联络和功率传输。

4  全电压等级电网示意图

首先,以变电站高压进线侧作为边界,拆分得到上级电网并对其进行可靠性评估,如果上级电网是输电网,则可采用蒙特卡罗法或解析法[2-5];如果上级电网是高压配电网,则采用最小路/割集算法对其进行可靠性评估[7]。计算得到变电站高压进线侧的可靠性指标,进线Hi的故障率及平均修复时间指标,记作

其次,考虑高压进线侧共模故障因素及变电站内设备交互影响,对变电站主接线系统进行可靠性评估,获取主接线系统可靠性指标及低压出线侧可靠性指标。根据进出线长度等因素,对断路器故障率修复如下:

                       

其中K1~K3分别为静态系数、切除短路系数和操作系数,LiLP分别为实际线路长度和平均线路长度,nP为断路器年均操作次数,ni为机组年均操作次数, 为断路器平均故障率。

根据上述评估结果,得到低压出线Li的故障率及平均修复时间指标,记作

最后,以变电站低压侧出线为电源点,基于最小路/割集算法,对下级电网(高压配电网或低压配电网)进行可靠性评估,得到终端用户侧可靠性指标,其指标体系如上节所示。

综合上述算法,提出基于站网协调的全电压等级可靠性评估流程,如5所示。

5  全电压等级可靠性评估算法流程图

4          算例分析

结合实际运行与设计经验,本文以上海电网50022011010kV电网和变电站的典型结构为基础,设计了全电压等级可靠性评估算例,各电压等级电网及主接线结构示意图如6所示。220kV中心站3240MVA主变,110kV母线9回出线,35kV母线24回出线;110kV变电站采用环入环出接线,一串上2650MVA主变;35kV变电站采用线变组接线,3台主变,进线来自不同220kV站;10kV中心K型站,进线来自不同110kV站;终端K型站电源来自同一中心K型站。

6  全电压等级接线示意图

4.1     全电压等级可靠性评估结果

根据本文提出的算法,对上述典型接线结构进行了可靠性评估,得到评估结果如表1所示。

1 全系统可靠性评估结果

指标类型

计算结果

系统年停电次数/(/a)

1.173773

系统年停电小时数/(h/a)

4.639723

平均理论供电可用率/%

99.93780

年平均故障停电电量/(MWh/a)

725.2136

 

4.2     高压配电网可靠性评估结果

110kV变电站及35kV变电站为界限,将220kV变电站作为高电压配电网电源点,计算得到上述算例系统高压配电网总体可靠性评估结果,如表2所示。

2 高压配电网可靠性评估结果

指标类型

计算结果

系统年停电次数/(/a)

0.555634

系统年停电小时数/(h/a)

1.905323

平均理论供电可用率/%

0.999782

年平均故障停电电量/(MWh/a)

191.4554

 

4.3     中压配电网可靠性评估结果

110/10kV35/10kV变电站为电源点,计算得到上述算例系统中压配电网网架的总体可靠性评估结果,如表3所示,为了进行对比,同时不考虑上级电源的故障,仅计算中压配电系统的可靠性指标,如最右侧一列数据所示。

 

3 中压配电网可靠性评估结果

指标类型

计算结果

(等效电源方法)

计算结果

(电源完全可靠)

系统年停电次数/(/a)

1.286773

1.213912

系统年停电小时数/(h/a)

3.615629

3.422815

平均理论供电可用率/%

99.9469

99.9526

年平均故障停电电量/(MWh/a)

533.7581

521.0829

 

根据表23计算结果可知,算例系统结构中压配电网可靠性水平低于高压配电网。此外,通过对比可以看出,如果采用本文提出的上级电源等效方法,算例系统的中压配电网的供电可用率为99.9469%,采用全电压等级计算法所得供电可用率为99.9378%,两者相差不大。

4.4     全电压等级可靠性评估与传统评估方法的对比分析

为了证明全电压等级可靠性评估的必要性和传统评估方法的局限性,本节基于上述评估结果,对全电压等级评估结果和等效电源方法评估结果进行对比分析,其各项指标对比如7所示,其中指标1~4分别指系统年停电次数/(/百户a)、系统年停电小时数/(h/百户a)、平均理论供电可用率/%、年平均故障停电电量/(MWh/a)

7  全电压等级评估方法与传统方法的对比

通过7对比可知,2种方法计算的年平均故障停电电量有较大差别,采用等效电源法计算所得年平均故障停电电量为533.7581MWh/a,而采用全电压等级计算法所得年平均故障停电电量却高达725.2136MWh/a。这是由于等效电源法仅仅将上级电网简单视作电源点,忽略了不同电压等级之间变电站主接线内部的故障及其对上下级出线侧可靠性的影响,并忽略了配电网终端用户(这里指中压配电网)对系统整体可靠性的影响。而传统的配电网可靠性评估中,假设电源完全可靠,得到的可靠性评估结果更高,与实际情况有较大的偏差。

5          结论

本文基于可靠性串联原理、输配电及主接线系统可靠性评估原理,提出了全电压等级可靠性评估方法,并在实际电力系统中进行了应用,通过对比本文方法与传统评估方法的结果,主要得出了以下结论:

1)全电压等级可靠性评估结果中,供电可靠率指标与采用等效电源法结果差别不大,但是损失电量指标差别较大,因此应该考虑全电压等级各环节对终端用户可靠性的影响;

2等效电源法忽略了不同电压等级之间变电站主接线内部的故障及其对上下级出线侧可靠性的影响,并忽略了配电网终端用户对系统整体可靠性的影响;

3)传统配电网可靠性评估中,假设电源完全可靠,得到的可靠性评估结果更高,与实际情况有较大的偏差。本文提出的可靠性评估方法中,能够考虑上级电网可靠性对下级电网的影响,从而更加符合实际情况,便于规划人员决策

参考文献

[1] 郭永基. 电力系统可靠性分析[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003: 1-2

[2] 石文辉, 别朝红, 王锡凡. 大型电力系统可靠性评估中的马尔可夫链蒙特卡洛方法[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(4): 9-15.

[3] 黄江宁, 郭瑞鹏, 赵舫, . 电力系统可靠性评估中的分层均匀抽样法[J]. 电力系统自动化, 2012, 36(20): 19-24.

[4] 宋晓通, 谭震宇. 基于最优抽样与选择性解析的电力系统可靠性评估[J]. 电力系统自动化, 2009, 33(5): 29-33.

[5] 何国锋, 谭震宇. 采用等分散抽样法的电力系统概率仿真[J]. 电力自动化设备, 2004, 24(7): 57-59.

[6] Billinton R, Wang P. Reliability network equivalent approach to distribution system reliability evaluation[J]. IEE Proceedings of Generation, Transmission and Distribution, 1998, 145(2): 149-153

[7] Allan R N, Billinton R, De Oliveira M F. An efficient algorithm for deducing the minimal cuts and reliability indices of a general network configuration [J]. IEEE Transactions on Reliability, 1976, 25(4): 226-233

[8] Billinton R, Chen H, Zhou J. Individual generation station reliability assessment[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1999, 14(4): 1238-1244

[9] 周志超等. 变电站供电可靠性的定量评估[J]. 电力系统自动化, 2004, 28(9): 66-80.

[10] Billinton R, Goel L. Overall adequacy assessment of an electric power system[J]. IEE Proceedings of Generation, Transmission and Distribution, 1992, 139(1): 57-63.

[11] Goel L, Billinton R. Pertinent factors in the adequacy evaluation of an overall electric power system[J]. IEE Proceedings of Generation, Transmission and Distribution, 1995, 142(4): 337-342

[12] 程林等. 基于变电站主接线等效模型的全电压等级可靠性评估方法[J]. 电网技术, 2015, 39(1): 29-34.

 


收稿日期:

作者简介:

黄阮明(1980-),男,安徽桐城人,硕士,高级工程师,研究方向为电网规划设计及运行分析。

国网上海市电力公司经济技术研究院,上海市浦东新区银城路300301室,200120021-20503718E-mail: 13761517479@163.com

 

 


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