一种评估电网供电可靠性的模型分析
摘要：电网应具有一定的运行可靠性和灵活性，便于操作和运行维护。
本文以传统方法为基础依托，对电网供电可靠性评估准则进行扩展，重点研究了母线故障、重要变电所故障和同塔双回线路共模故障对电网供电可靠性的影响。
建立了定量分析计算的模型以支撑扩展供电可靠性评估准则，同时介绍了该模型的分析求解。
毕业论文网 关键词：电网规划；供电可靠性；模型分析 电网规划建设是城市现代化建设的重要基础之一，主要目标是扩大电网的供电能力，满足电力需求增长的要求，维持现有电网的稳定运行并尽可能按经济运行规律优化组合，提高电网可靠性水平，建立最佳电网结构。
在制定电网规划方案时，需要对规划方案进行供电可靠性评估，从而定量得到电网供电可靠性指标。
可靠性评估有利于找出电网存在的薄弱点，为科学修订规划方案提供决策依据。
本文根据评估电网供电可靠性的“N—1”安全准则，着重研究了母线故障、重要变电所故障和同塔双回线路共模故障的可靠性模型。
1电网供电可靠性“N—1”安全准则的扩展 各电气设备的不同状态组成了不同的电网状态。
一般来说，电气设备的状态存在两种及以上，而组成电力系统的设备非常之多，因此整个电网状态的各种组合可谓非常之巨大。
在评估电网规划方案的可靠性时，如果对电网状态的各种组合都加以考虑是不现实的，而且也没有必要。
在电网规划方案的制定过程中，对方案的供电可靠性评估一般所采取的准则是传统的“N—1”安全准则，即当电网中一台设备停运时，不能影响对用户的连续供电，不应出现设备负荷过载现象，但此准则存在的缺点是没有考虑电网投运后在实际运行中随机性发生的各类故障，缺少一种概率评估手段。
因此，基于传统“N—1”准则的可靠性评估，其结果是不充分的。
随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，广大电力客户对电网供电可靠性的要求越来越高。
通过对历史上几次著名的大停电事故的分析，有理由认为传统的“N—1”安全准则在对电网规划方案可靠性评估校验上已不能满足要求。
实际上，分析一条线路或者一台变压器停运后的充裕性已不能满足现代电网的供电可靠性评估需求，应该将充裕性分析扩展到检修方式下的“N—1”甚至“N—k”时的充裕性分析，扩展到包括失去一台主变压器、一台发电机、一段母线，甚至一个重要变电所。
本文以传统的“N—1”安全准则为基础，采取下列六大可靠性评估准则扩展电网停运状态评估。
（3）当两条线路(包括单独停运、共模停运、其他停运)或者两台主变压器因故障而停运时，电力系统未发生停电状况。
（4）当一条线路或一台主变压器处于计划检修状态时，同时发生另外一条线路或一台变压器故障停运，电力系统未发生停电状况。
（5）当一座重要变电所发生故障而停运时，电力系统未发生停电状况。
（6）当一台发电机发生故障而停运时，电力系统未发生停电状况。
2电网设备的故障后果分析 通过分析故障后果，得出的结论是，断路器与隔离开关的故障停运与其所作用的设备故障停运之间的逻辑关系应该是“或”。
因此，在变压器或线路支路进行可靠性建模时，对于支路上的隔离开关、断路器故障后果无需单独处理，而是将它们的故障率和修复率等效于对应的变压器、母线或线路上，等效方法遵循如下。
举个例子，在一个由变压器或线路、断路器（2组）、隔离开关（4组）所组成的典型支路中 (见图1)： 图1变压器或线路支路示意图 分析故障后果，变压器或线路支路的等效故障率λLT为 （1） 母线的等效故障率λB为 （2） 式（1）、式（2）中：n表示与母线相连的开关数；λLT表示变压器或线路的故障率；λQS1表示隔离开关的误动率；λQS2表示隔离开关的短路率；λQF1表示断路器的误动率；λQF2表示断路器的短路率；λB1表示母线的故障率。
3电网供电可靠性建模分析 3.1电网可靠性评价指标介绍 为了全面评价电网供电可靠性，目前主要是衡量诸如停电次数、停电时间、供电可靠率等多个方面。
通常所采用可靠性评价指标有：平均供电可靠率(ASAI)、供电不足概率(LOLP)、供电不足期望值(LOLE)、供电不足频率(LOLF)、供电不足持续时间(LOLD)、网供电量不足期望值(EENS)。
3.2供电线路的可靠性模型 因为供电线路的故障停运事件既有可能是相关的，也有可能是独立的，所以在应用马尔柯夫过程建模时需要考虑加以区分。
图2单回线路的故障停运模型 计算单回线路的正常运行概率PN1的式子是： （3） 计算单回线路的故障概率PF1的式子是： （4） 计算单回线路的计划检修概率PM1的式子是： （5） 式（3）（4）（5）中：λF1表示线路的故障率；μF1表示线路的故障修复率；λM1表示线路的计划检修率；μM1表示线路的计划修复率。
（2）对于多条单停线路，若各条线路发生的是相互独立的故障停运事件，则各条线路故障状态概率的乘积等于多条线路故障状态的概率。
在计算供电可靠性指标时，为简化起见，一般仅考虑输电线路的独立故障停运事件对供电可靠性的影响，但不能否认，有时候实际结果会与计算的结果有较大差异。
这是因为，在电力系统运行过程中，其所发生的设备故障停运事件多数并不是独立的，如设备的共模故障停运和相关故障停运事件。
同塔双回线路的马尔柯夫模型如图3所示，建立设备单独停运、共模故障停运和相关故障停运的双回输电线路状态模型如下： 图3同塔双回线路的马尔柯夫模型 计算双回线路各状态的稳态状态概率的式子是： （6） 其中： 式中：λ1、λ2表示各线路独停故障率；λc表示共模停运故障率；λd表示相关停运故障率；μ1、μ2用来表示各线路独立停运单独修复率；μc表示共同模式故障停运修复率；μd表示相关故障停运修复率。
从各状态概率的算式可以看出，每个状态的概率不仅与双回线路独停故障率和修复率有关，而且与共模故障停运以及相关故障停运的故障率和修复率有关。
所以，在这种情况下，应该把双回供电线路看成是一个具有多状态的设备，在供电可靠性指标计算中，可以将对应于上述状态的概率代入相关的算式。
3.3变压器的可靠性模型 变压器的故障停运模型与单回线路故障停运模型类似，参照单回线路可靠性模型即可。
3.4母线和变电所的可靠性模型 一般来说，母线故障会引起连接于母线上的所有设备同时停运，这类故障停运事件应归属于相关故障停运事件。
对于该类故障停运事件，本文分析母线的可靠性模型采用的是一种称为故障树分析(FTRE)的方法，该方法重点考虑的是母线侧断路器和隔离开关的短路故障与母线之间的停运关系，模型如图4所示。
图4母线元件示意图 将该母线上各种元件的冗余度设定为1，可以得到母线的故障树如图5所示。
图5母线的故障树 本文重点考虑的是母线上连接的设备，即包括母线侧断路器和母线侧隔离开关。
假定母线的最小割集C为 ，那么母线的失效概率PSF可以表示为 （7） 算式中：Ci表示母线的第i个最小割集。
对于变电所全停的情况，可以在模型中处理为将变电所等效成包含多条母线的集合。
对于故障的考虑方式与一条母线方法类似，区别只是在元件组合的考虑上，要更为复杂一些。
3.5发电机的可靠性模型 本文对发电机只分故障和正常两种状态： 发电机故障概率PF2为 （8） 发电机正常运行概率PN2为 （9） 式（8）、（9）中：λF2、μ3分别表示发电机的故障率和修复率。
4电网供电可靠性模型求解 在以上表述的内容基础上，还需要对电网规划方案供电可靠性评估软件中相应模块进行改进，评估供电可靠性，相应模块的计算流程改进如下。
4.1电力线路故障停运的供电可靠性求解 在现在的电力工程建设中，同塔双回架设线路在电力系统中已得到普遍使用，但其对电力系统可靠性的影响较大。
为了使可靠性评估的精度有所提高，在进行供电线路的“N—2”故障可靠性评估时，应该考虑同塔双回线路共模故障对电网可靠性的影响。
图6供电线路停运的供电可靠性求解流程图 4.2母线和变电所故障停运的供电可靠性求解 当重要变电所发生故障时，由于失去的母线节点较多，故会导致电力系统发生解列。
当重要变电所故障后，不但变电所会失去自身的负荷，而且会影响到其他与该变电所相连的站点的电力负荷的输送。
图7变电所可靠性计算流程图 4.3发电机故障停运的供电可靠性求解 发电机故障停运发生的概率较小，但是，若一旦有发电机发生故障，特别是在用电高峰期间发生故障，则可能会对电网供电可靠性造成巨大的影响。
因此在发电机发生故障时，无需进行重复的电网拓扑结构分析，只需调用切负荷优化模型，算出系统的切负荷量，并求解概率指标。
图8发电机停运可靠性计算流程图 5结语 在评估电网供电可靠性时，本文对传统的“N—1”安全准则进行了拓展，考虑了设备“N—2”故障停运影响、计划检修方式下的“N—1”故障停运影响、双回线路共模故障停运和相关故障停运的影响以及一段母线或一座重要变电所故障停运的影响。
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