基于最小割集法的配電網(wǎng)可靠性影響分析

引言

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大和系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行，有關(guān)配電網(wǎng)可靠性的分析變得更加復(fù)雜[1]。國內(nèi)外對于配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性的研究大多以統(tǒng)計分析為主，并建立了有效的可靠性數(shù)據(jù)信息庫和相應(yīng)的管理體系。比如在傳統(tǒng)配電網(wǎng)可靠性影響研究中，朱曉榮等人[2]采用蒙特卡洛模擬法，加快了評估速度，但新能源的并網(wǎng)給評估增加了一定的難度。就此，唐巍等人[3]提出了一種基于停電序列的可靠性解析評估方法，使得算法的精度和速度得到提升，但未能考慮負(fù)荷轉(zhuǎn)移的影響。Jooshaki等人[4]提出了一種基于拓?fù)渥兞康妮椛錉詈洼椛錉钸\(yùn)行網(wǎng)狀配電網(wǎng)可靠性評估數(shù)學(xué)模型，該方法計算精度高，但也未考慮分布式電源以及負(fù)荷轉(zhuǎn)移的影響。傳統(tǒng)的解析法、模擬法已逐漸無法解決新時代智能電網(wǎng)可靠性計算效率低的問題，基于上述文獻(xiàn)研究，本文提出了一種基于最小割集法的配電網(wǎng)可靠性評估方法，結(jié)合負(fù)荷點轉(zhuǎn)移、備用電源和計及元件的檢修，更好地驗證了最小割集法的合理性。

1最小割集

負(fù)荷點的最小割集就是元件的集合，用割集元件組合表示系統(tǒng)故障，只有當(dāng)元件全部正常運(yùn)行時，系統(tǒng)方可正常運(yùn)行，任一割集元件故障均可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法正常運(yùn)行[5]。

1.1配電網(wǎng)等效最小割集模型

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)一般采用圖論的方法來進(jìn)行分析，為節(jié)省計算量，本文將計算的狀態(tài)限制在最小割集內(nèi)，使每個割集中的元件以并聯(lián)的方式存在[6-7]。

如圖1所示，其中最小割集為(A，B)(D，E)(A，C，E)(B，C，D)。

1.2最小連集及其矩陣

對于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，基于遍歷搜索的思想，可形成如圖2所示的搜索樹。

由圖2搜索樹原理，可得到最小連集及其矩陣。最小連集為(B，E)(A，D)(A，C，E)(B，C，D)，連集矩陣為:

1.3配電網(wǎng)連集向割集的轉(zhuǎn)換

在矩陣T中，一行對應(yīng)一個最小連集，“1”表示該序列所代表的支路在此連集中，“0”則表示不在此連集中;若一列元素都為“1”，該列為單位向量，該序列代表的元件則為一階最小割集;若任意兩個列向量相加，能夠得到類似于一階最小割集一樣的單位列向量，這兩個列序代表的元件則為一個二階割集。

在最小割集矩陣T中，并未有一列均為“1”，由此可得出負(fù)荷點無一階最小割集;這時需將列向量邏輯相加運(yùn)算得到單位向量，因此負(fù)荷點最小二階割集為(A，B)(D，E);根據(jù)邏輯相加運(yùn)算，同理可得到高階最小割集。

2可靠性評估方法

2.1可靠性評估指標(biāo)

本文提及的配電網(wǎng)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，指系統(tǒng)平均停電頻率、平均停電時間和平均供電可靠率[8]。

平均停電頻率:

式中:Σλa為用戶總停電次數(shù);N為用戶數(shù)(下同)。

平均停電時間:

式中:Σya為用戶停電時間總和(下同)。

平均供電可靠率:

式中:T為時間。

2.2可靠性評估算法

如圖1所示，通過以電源為起點、負(fù)荷點為終點的最小割集求取，可把網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)樵拇?lián)結(jié)構(gòu)。由于高階割集的非正常運(yùn)行所引起的故障率相對較小，在現(xiàn)實配電網(wǎng)系統(tǒng)中，最小割集的求取到二階時就可滿足系統(tǒng)可靠性指標(biāo)要求;二階割集的元件為并聯(lián)，所有割集之間近似于串聯(lián)。

二階割集的等效年故障率為:

二階割集的等效年修復(fù)時間為:

式中:λi和ri為元件永久性故障率和修復(fù)時間。

將年停運(yùn)率和停運(yùn)時間累加到負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)上，可得到該點失效的所有故障模式[9-10]。

2.3元件計劃檢修

在配電網(wǎng)系統(tǒng)中，一般會將2個或3個串聯(lián)的元件同時停運(yùn)，此時的檢修時間為每個元件檢修時間之和。當(dāng)?shù)?個元件進(jìn)行計劃檢修，第2個元件發(fā)生故障時，或者第2個元件進(jìn)行計劃檢修，第1個元件發(fā)生故障時，負(fù)荷點是無效的，因此導(dǎo)致的年停運(yùn)率和停運(yùn)時間應(yīng)累加至負(fù)荷點的可靠性指標(biāo)上。

2.4備用電源及負(fù)荷轉(zhuǎn)移

在電力系統(tǒng)中，有關(guān)部門會提供許多不同的供電區(qū)域，相鄰區(qū)域之間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力很強(qiáng)，某一區(qū)域無法正常運(yùn)行，相鄰區(qū)域可將負(fù)荷轉(zhuǎn)移，因此，系統(tǒng)中便含有正常電源和備用電源，從備用電源出發(fā)可求取備用割集。再將元件的可靠性參數(shù)看成矩陣，觀察矩陣的行數(shù)來判斷元件個數(shù)，最后計算割集的故障率和停運(yùn)時間。當(dāng)元件故障時，負(fù)荷轉(zhuǎn)移，故障率不變，停運(yùn)時間可表示為:

式中:upl0s為停運(yùn)時間;λt為停運(yùn)故障率的時間;T為負(fù)荷轉(zhuǎn)移的時間。

3算例分析

針對本文闡述的配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)和評估方法，結(jié)合文獻(xiàn)[11-12]所設(shè)計的測試系統(tǒng)RBTS-4來驗證。該系統(tǒng)共設(shè)計35/11 kv變電站3座、11 kv供電母線3條以及連接在SP2的33 kv母線處的備用電源，如圖3所示。利用該算例驗證，計及檢修和備用電源時，結(jié)合湖北省咸豐縣國家電網(wǎng)公司公共數(shù)據(jù)庫相關(guān)數(shù)據(jù)，所得結(jié)果如表1所示。

在表2、圖4至圖6中：

方式3與方式4相比較：主績線有隔離開關(guān)，電源點與隔離開關(guān)的負(fù)荷恢復(fù)供電時間只有開關(guān)操作時間;因此，系統(tǒng)的SAIDI指標(biāo)從24.711 31 h.戶—1.a—1減少到11.866 45 h.戶—1.a—1,減小了12.844 86 h.戶—1.a—1。

方式5和方式6相比較：主績線裝有分支保護(hù),減少了元件故障對負(fù)荷點的影響,使系統(tǒng)的ASAI指標(biāo)從99.956 1%提高到99.963 9%,提高了0.007 8個百分點。

方式1和方式2相比較：主績線有分支保護(hù),且增加備用變壓器,系統(tǒng)SAIDI指標(biāo)從4.446 39 h.戶—1.a—1減小到2.625 95 h.戶—1.a—1,減小了1.820 44 h.戶—1.a—1,ASAI指標(biāo)從99.946 2%提高到99.992 8%,提高了0.046 6個百分點。

4結(jié)束語

本文提出了一種基于最小割集的配電網(wǎng)可靠性評估方法,采用搜索樹尋找負(fù)荷點的最小連集，然后通過邏輯運(yùn)算求得負(fù)荷點的最小割集，同時考慮了備用電源、計劃檢修的影響，通過對RBTS-4測試系統(tǒng)的計算、分析和比較，隔離開關(guān)前負(fù)荷點的可靠性會隨著隔離開關(guān)的增加而提高到99.963 9%;增加備用電源后，雖不能降低故障率，但能減小負(fù)荷點的恢復(fù)供電時間，線路后端的可靠性能夠增加0.046 6個百分點。這驗證了最小割集法的正確合理性，有利于提高電網(wǎng)的供電可靠性。