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故障模式后果分析法是中压配电网可靠性评估的基本方法,适用于开环运行和闭环运行的配电网。故障模式后果分析法通过分析所有可能的故障事件及其对系统造成的后果,建立故障模式后果分析表,通过该表计算负荷点和系统可靠性指标。其具体步骤如下:
1)枚举单个元件故障,计入元件故障后断路器跳闸、故障隔离、恢复供电过程,确定故障对各负荷点的停电影响,进一步确定各负荷点的故障停电率和故障停电时间。
2)将所有元件单独故障后各负荷点的故障停电率和故障停电时间列表,形成故障模式后果分析表。记故障后会造成负荷点LP停电的元件集为N,元件集中第i个元件的故障停运率和故障修复时间分别为
$ {\lambda _i} $ 、$ {r_i} $ 。该负荷点的故障停电率和故障停电时间期望值分别为${\lambda _{{\rm{LP}} - {\rm{F}}}}$ 、${{u}_{{\rm{LP}}-{\rm{F}}}}$ 。则有:$$ {\lambda _{{\rm{LP}}-{\text{F}}}} = \displaystyle \sum\limits_{i \in N} {{\lambda _i}} $$ (1) $$ {{u}_{{\rm{LP}}-{\text{F}}}} = \displaystyle \sum\limits_{i \in N} {({\lambda _i} \times } {r_i}) $$ (2) 3)根据负荷点故障停电率期望值和故障停电时间期望值计算该负荷点的其他可靠性指标。
4)依次计算每个负荷点的可靠性指标,并在此基础上计算系统可靠性指标。
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故障后果分析法的核心分析思路在于按照故障概率加权故障后果,其中故障后果的计算是重点。在中压配电网中,影响不同用户故障后果的主要因素在于故障发生后,故障定位、故障隔离、转供电和故障修复时间的差异。为了梳理配电网不同故障位置产生的故障后果,考虑配电自动化及转供电能力对中压馈线进行分区。
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在配电网中,起到隔离和分段作用的元件为各类开关设备,包括断路器、负荷开关、联络开关等。为此,以断路器、负荷开关、联络开关等作为分界点对中压馈线进行初步分区。如图1所示的中压馈线经过初步分区,可以划分为8个一级分区。
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考虑配电自动化和转供电能力后,可以将图1中所述的一级分区分为多个类型。根据自动化开关位置信息,可以将一级分区分为自动隔离区、人工隔离区和无法隔离区;按照转供电能力可以划分为可转供电区和不可转供电区。合并两个维度最终可以划分出自动复电区、人工复电区、无法复电区三个类型的分区,如表1所示。
自动化类型 转供电类型 可转供电区 不可转供电区 自动隔离区 自动复电区 无法复电区 人工隔离区 人工复电区 无法复电区 无法隔离区 无法复电区 无法复电区 Table 1. Type division of first-level zone
在图1的基础上,加入中压馈线的自动化开关位置信息和转供电信息,如图2所示。按照故障后果分析法的思路,枚举分区1~分区8的故障。以分区2的故障为例,根据故障位置,结合自动化布点信息和转供电信息可以将分区1~8进一步合并为自动复电区、人工复电区和无法复电区三个类型,如图2所示。
如图2所示,其中与故障点在同一分区内的用户及下游无法转供电的用户归入无法复电区;在故障点所在分区自动化开关边界以外的可转供电用户,归入自动复电区;在故障点所在分区自动化开关边界以内的可转供电用户,归入人工复电区。
各类型二级分区用户的数量和感受到的停电时间如表2所示。
二级分区 感受停电时间 自动复电区 自动复电时间t1 人工复电区 人工复电时间t2 无法复电区 故障修复时间t3 Table 2. Power outage time of second-level zone
表2中自动复电时间t1为通过配电自动化开关自动隔离切换的时间;人工复电时间t2为通过人工进行隔离和切换的时间;故障修复时间t3为从故障发生到故障修复完成所需的时间。通常,自动复电时间t1远小于人工复电时间t2,人工复电时间t2显著小于故障修复时间t3。
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定义第j个分区的用户数为Nj,故障概率为λj,则第i个分区故障时,第j个分区感受到的停电时间为tij,则该中压馈线的户均停电时间为:
$$ {t_{{\rm{SAIDI}}}} = \displaystyle \sum\limits_i {{\lambda _j}{N_j}{t_{ij}}} $$ (3) -
以供电可靠性影响因素为基础,将指标体系中某单一变量增加一个单位增量,并基于供电可靠性评估方法,计算供电可靠性的提升效果,可以获得供电可靠性影响因素的灵敏度,如下式所示:
$$ {m_i} = \dfrac{{{F_{\rm{R}}}\left( {{\lambda _1},\cdots,{\lambda _i} + \Delta {\lambda _i},\cdots{\lambda _n}} \right) - {F_{\rm{R}}}\left( {{\lambda _1},\cdots,{\lambda _i},\cdots{\lambda _n}} \right)}}{{\Delta {\lambda _i}}} $$ (4) 式中:
$ {m_i} $ ——指标$ {\lambda _i} $ 的灵敏度;${F_{\rm{R}}}$ ——供电可靠性评估方法;$ \Delta {\lambda _i} $ ——指标$ {\lambda _i} $ 的单位增量。以计算设备停运率对可靠性指标影响的灵敏度为例,可先计算在某一设备停运率水平下的可靠性指标,再给设备停运率1个单位的增量,再计算可靠性指标,用新的可靠性指标值减去原来的指标值,即可得到可靠性指标对设备停运率的灵敏度。
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建立典型农村配电网和城市配电网中压馈线模型,分析供电可靠性影响因素的灵敏度。所建立的农村中压馈线和城市中压馈线的主要参数如表3所示。
馈线类型参数取值 农村中压馈线 城市中压馈线 线路总长/km 20 5 线路总用户数(中压)/户 50 50 用户数分布模式 均匀分布 均匀分布 可转供电用户比例/% 0 75 分段数/段 2 4 绝缘化率/% 50 100 电缆化率/% 0 80 自动化开关覆盖率/% 0 50 Table 3. Main parameters of circuit model
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根据建立的农村中压馈线模型,采用3.1所述的灵敏度计算过程,改变配电自动化节点数量、自动复电时间、自动化开关类型、可转供电用户比例、分段数、用户分布模式、绝缘化率和电缆化率等指标的取值,计算中压馈线的tSAIDI值,从而计算出各类指标与tSAIDI的相关关系及灵敏度如表4所示。
分类 影响因素取值 SAIDI 灵敏度 — 基础模型 5.21 — 配电自动化节点比例 0% 4.29 −1.87 50% 3.04 100% 2.42 自动复电时间 50% 2.35 0.13 75% 2.38 100% 2.42 125% 2.45 150% 2.48 自动化开关类型 负荷开关 2.42 — 断路器 2.38 可转供电用户比例 0% 2.42 −1.23 33% 2.42 66% 1.67 100% 1.30 分段数 1 6.15 −0.24 2 5.41 3 5.21 4 5.13 5 5.11 用户分布模式 前重后轻 4.49 — 均匀分布 5.21 前轻后重 5.93 绝缘化率 0% 6.46 −2.51 25% 5.84 50% 5.21 75% 4.58 100% 3.95 电缆化率 0% 5.21 −1.75 10% 4.64 20% 4.56 30% 4.49 40% 4.41 Table 4. Calculation results of sensitivity of rural MV feeder
由上表可知,配电自动化指标中,配电自动化节点比例与tSAIDI值呈负相关关系;自动复电时间与tSAIDI值呈正相关关系;配电自动化节点比例的灵敏度显著于自动化节点比例;自动化开关类型中,以断路器为开关类型时,tSAIDI值更小。提升配电自动化节点比例对可靠性的提升效果显著于减少复电时间,因此农村配电网应更多侧重于提高实用化的配电自动化节点建设,而不是追求更为先进的配电自动化技术路线。
网架结构指标中,可转供电用户比例和分段数均与tSAIDI值呈现负相关关系,其中可转供电用户比例的灵敏度较为显著;用户分布模式中,前重后轻的分布模式tSAIDI值最小。农村电网网架改造的重点在于提升可转供电用户比例,同时尽可能优化电源布点,降低末端用户占比较大的问题。
设备水平类指标中,绝缘化率和电缆化率与tSAIDI值呈负相关关系,绝缘化率的灵敏度较为显著,即通过改造裸导线对提升农村配电网的可靠性更为显著。
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根据建立的城市中压馈线模型,采用3.1所述的灵敏度计算过程,改变配电自动化节点数量、自动复电时间、自动化开关类型、可转供电用户比例、分段数、用户分布模式、绝缘化率和电缆化率等指标的取值,计算中压馈线的tSAIDI值,从而计算出各类指标与tSAIDI的相关关系及灵敏度如表5所示。
分类 影响因素取值 SAIDI 灵敏度 — 基础模型 0.29 — 配电自动化节点比例 25% 0.26 −0.07 50% 0.21 75% 0.18 自动复电时间 50% 0.18 0.01 75% 0.18 100% 0.18 125% 0.18 150% 0.19 自动化开关类型 负荷开关 0.19 — 断路器 0.18 可转供电用户比例 25% 0.26 −0.09 50% 0.21 75% 0.18 100% 0.17 分段数 1段 0.30 0.02 2段 0.29 3段 0.31 4段 0.34 5段 0.37 用户分布模式 前重后轻 0.22 — 均匀分布 0.29 前轻后重 0.38 绝缘化率 0% 0.98 −0.62 25% 0.92 50% 0.82 75% 0.75 100% 0.29 电缆化率 0% 0.67 −0.28 10% 0.61 20% 0.60 30% 0.57 40% 0.55 Table 5. Calculation results of sensitivity of urban MV feeder
由表5可知,城市配电网各类指标的灵敏度显著小于农村配电各类指标的灵敏度,可见关键指标的提升对农村配电网可靠性提升效果更为显著。对于提升城市整体的供电可靠性,应首先着力于停电时间基数较大,可靠性较为薄弱的农村地区。
配电自动化指标中,配电自动化节点比例与tSAIDI值呈负相关关系;自动复电时间与tSAIDI值呈正相关关系;配电自动化节点比例的灵敏度显著于自动化节点比例;自动化开关类型中,以断路器为开关类型时,tSAIDI值更小。城市配电网的可靠性应更多着力提高实用化的配电自动化节点建设,对于配电自动化节点覆盖较为完善的线路,应尝试采用智能分布式等更为先进的配电自动化技术路线,突破可靠性提升瓶颈。
网架结构指标中,可转供电用户比例和分段数均与tSAIDI值呈现负相关关系,其中可转供电用户比例的灵敏度较为显著;用户分布模式中,前重后轻的分布模式tSAIDI值最小。城市配电网网架改造的重点在于进一步提升可转供电用户比例。
设备水平类指标中,绝缘化率和电缆化率与tSAIDI值呈负相关关系,绝缘化率的灵敏度较为显著。城市配电网绝缘化率本身较高,因从电缆化率入手,通过架空线下地的方式提高用户数较多,故障频发线路的可靠性。
Calculation Method of Power Supply Reliability and Sensitivity of Distribution Network Considering Distribution Automation and Power Transfer
doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.S1.002
- Received Date: 2022-11-22
- Rev Recd Date: 2023-04-07
- Publish Date: 2023-06-30
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Key words:
- distribution network /
- distribution network planning /
- reliability assessment /
- sensitivity calculation /
- analytical method
Abstract:
Citation: | YE Linhao, SHEN Zhan, HUANG Zejie, CHEN Lüpeng. Calculation Method of Power Supply Reliability and Sensitivity of Distribution Network Considering Distribution Automation and Power Transfer[J]. SOUTHERN ENERGY CONSTRUCTION, 2023, 10(S1): 10-16. doi: 10.16516/j.gedi.issn2095-8676.2023.S1.002 |