基于区域支路法的变电站可靠性分析

林泽锐

摘   要：传统的可靠性分析法，如解析法与蒙特卡洛模拟法随着系统扩大与互联的增多，在评估不可靠的保护装置和保护整定机制对给定厂房结构中各负荷点可靠性指标影响时的计算能力会受到制约和限制。区域支路法相对比具有容易地辨识出故障的保护机制并计算负荷点，可供专业人员方便地评估大规模电力系统中保护整定方案对各负荷点可靠性指标的影响。本文主要阐述区域支路法的基本思想及算法流程，证明区域支路法对评估电力系统可靠性分析是有效且可行的，并且具有一定的便捷性。

关键词：电力系统  变电站  可靠性分析  区域支路法

中图分类号：TM732                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0034-02

1  区域支路法介绍

1.1 区域支路概念

在一个工业电力系统的图形或数字表示中最基本的元素为链接，即系统中任意两个节点或母线之间的单一连接。链接可能是连接在电 路中两点之间的1台电气设备，如变压器或调压器，也可能是一段架空线路、电缆或母线槽。继电保护装置通常安装在链接、支路或者馈线段的起始段来保护后继设备不受到本链接、支路或馈线段内故障的影响。在工业系统中用到的一些基本的繼电保护装置为：断路器和继电器、熔断器、重合器、分段器及自动或手动隔离开关。需要重点说明的是继电保护装置的动作或不动作都将直接影响工业电力系统的可靠性，即它们是因变量。为了评估一个给定工业电力系统的保护整定以及可靠性的特征，有必要将这个工业电力系统划分为若干保护区域[1]。

1.2 保护区域支路定义

在定义保护区域支路概念及构成时将基于以下几个假设：

（1）所有故障都是永久性的;

（2）继电保护装置可以瞬时完美地隔离所有永久性故障;

（3）继电保护装置整定完美，即最靠近故障的设备最先动作。

在确定区域1时，第一步为辨认在这个系统中与一个正常供电电源相连接且故障时该电源内的保护装置将会把工业厂房与公用电网其他部分隔离的所有支路，以及变压器等其他相关设备，在其中发生永久性故障会导致只有正常供电电源的保护装置来分辨和隔离这一永久性故障。这些支路与变压器将会被标识为区域1设备。它们通常为没有保护的分支线路、直接与工业电力系统的电源或主干网呈辐射状连接的馈线段与变压器。

当两个保护装置串联连接时，假设与永久性故障距离最近的保护装置优先动作来隔离故障。判断保护区域第二步为确定发生在链接上的会导致除了正常供电电源装置以外的其他一些保护装置动作以将故障链接与区域1的链接隔离开的永久性故障。这些链接被标示为区域2，支路i，其中i为支路编号。这个将链接划分到各自相应保护区域中的过程将一直继续，直到所有的链接都被标示完毕为止。每一个区域支路都与一个标示为S（i，j）的隔离设备相联系，其中i为区域编号，j为支路编号。这些隔离设备可能为自动或手动开关、熔断器、重合器、分段器或继电器与断路器的组合等。每一个隔离设备都由一个该设备未能识别并隔离本区域内永久性故障的概率q（i，j）与之相联系。值得注意的是，如果隔离设备是一个手动开关，那么q（i，j）=1.0;如果设备是一个理想的断路器—继电器机制，那么q（i，j）=0;若机制不理想，则0.0

2  区域支路算法流程

区域支路法基本思想为将区域内设备的各项参数进行计算，形成每一个区域的年平均停电频率、年停电时间及平均停电持续时间，然后将发生故障的故障点支路（由电源端开始）所经过的区域通过串并联关系进行各项指标的数学计算，进而算出故障点的年停电频率等指标。

如图1为一个工业电力系统以及相应的区域支路的分布图，图2为依照图1进行区域划分及化简的工业电力系统区域支路图，并根据区域支路法的划分区域原则对其进行区域划分。可以看出，任意区域i、支路j的故障率"λ"（"i，j"）是在故障时只引起区域i支路j的隔离装置动作的所有设备的故障率之和，并对于每一个区域i、支路j，总故障率λT（i，j）、年停运时间λr（i，j）及平均停电持续时间为

（1）

（2）

（3）

式中     λS——公用电力供应或者发电厂供电的故障率;

rS——公用电力供应的供电恢复时间;

z——区域支路编号;

k——系统中区域支路的总数;

R（z，k）——区域支路的修复或开关时间;

FZB（k）——包含每一个区域支路k故障率的故障区域支路数组;

RIA（z，k）——识别和隔离数组系数;

为了方便，一般将电力系统中的每一个区域支路都被赋予一个独一无二的编号，本例中将区域支路按1～8编号如表1所示。

要注意的是，转换后的故障区域支路数组FZB（k）中包含区域支路k的故障率。转换后的故障区域支路数组FZB（k），以及辨识与隔离数组RIA（z，k）的定义如表2所示，并由表可以得知，每一个区域支路的总故障率取决于工业电力系统中所有区域支路的故障率以及隔离装置检测到相应区域支路内永久性故障的概率。

该例子中省略了由隔离装置计算得出区域故障率的步骤，依据图2及表格数据，区域3、支路2的总故障率为：

式中方括号内的元素对应着RIA（z，k）的元素。连接到区域3、支路2的设备年停运时间[λr（3，2）]为：

式中  r（i，j）——区域i、支路j的修复或转移时间

Rsw（i，j）——区域i、支路j的开关或隔离时间

对于某些区域支路来说，在其直接供电路径上的任何区域支路都需要修复操作，而那些不处于其直接供电路径结构（“鲱鱼结构”）上的区域支路，则只需开关与隔离操作。因此在直接供电路径上的开关修复时间为r（i，j），与直接供电路径相接的区域支路的开关或隔离时间为Rsw（i，j）。

3  结语

影响变电站可靠性的因素众多，从变电站自身结构问题，到设备的选型及相关参数，再到负荷点的配电网络结构、设备问题上，都对其可靠性具有重大影响[2]。对给定的工业电力系统结构中的负荷点进行停电频率与持续时间分析的方法众多，但随着系统逐渐扩大和互联的增多，已有的这些方法在评估不可靠的保护装置和保护整定机制对给定厂房结构中各负荷点可靠性指标影响时的计算能力会受到制约和限制[3]。相比之下区域之路法的优势在于，可以在一个包含所有元件的工业电力系统中很容易地辨识出故障的保护机制并计算负荷点的可靠性指标。

参考文献

[1] Ali A.Chowdhury，Don O.Koval.配电系统可靠性实践方法及应用[M].王守相，李志新，译.北京：中国电力出版社，2012.

[2] 鲍晓慧，侯慧.电力系统可靠性评估述评[J].武汉大学学报：工学版，2008（4）：96-101.

[3] 曾彩凤，张金亮.基于提高变电站供电可靠性措施研究[J].硅谷，2013（20）：134，133.