同塔四回输电系统可靠性分析

孙玉娇，秦晓辉，周勤勇

(中国电力科学研究院，北京市100192)

0 引言

随着经济的快速发展和电力需求的不断增加，电力系统规模不断扩大。为提高电力传输的经济性，采用高电压、大容量输电技术已成为一种必然趋势，尤其在我国电力供应紧张、资源分布不均匀的情况下，采用超高压、大容量输电技术已是大势所趋势。

超/特高压、大容量输电一般需要更高的设备投资和更先进的技术水平，目前我国已建成750 kV超高压交流线路、1 000 kV特高压交流试验工程及±800 kV特高压直流输电工程，并将在以后的几十年内继续实施超高压、特高压输电技术，逐渐形成以特高压线路为主网架的全国坚强的网架结构。

超高压、特高压线路与一般的高压线路相比，其占用的用电走廊面积大，需要的杆塔高度高，对线路的绝缘水平也有较高的要求，总体投资较大。国外的研究及运行经验表明，采用同塔多回输电技术［1］及紧凑型输电技术，可有效节省用电走廊面积，减少土地资源的使用，提高电网建设的经济性。

我国土地资源有限，尤其在山区等地理条件特殊地区，其可以提供的用电走廊面积有限，因此，为节省用电走廊，减少投资费用，同时满足大容量输电要求，提出了采用同塔多回输电技术和紧凑型输电技术［2-8］。此外，在电网建设过程中，除了进行新线路建设，也需要对某些现有线路进行升级改造，这就可能导致相同电压等级和不同电压等级同塔多回线路同时存在。

同塔多回输电技术的研究包括杆塔结构、耐雷水平、线路保护故障判别、绝缘子型式选择与环境影响、运行与检修特点［9］以及绝缘、防雷、电磁兼容［10］等很多方面。目前，我国在同塔多回输电技术方面已开展了相关研究，包括对潜供电流和恢复电压［11］、感应电流与感应电压［12］、相序排列［13］、提高输电能力的措施［14］、故障计算［15-16］、参数修正方法［17］、相模变换［18］、保护［19］、故障定位［20］及电磁环境仿真［21］等方面的相关研究内容。但在同塔多回可靠性方面，相关研究文献较少，文献［22］采用结构可靠度理论探讨了可变荷载效应与永久荷载效应的比值对我国超/特高压多回路杆塔结构可靠性的影响，文献［23］运用马尔可夫随机过程理论导出了一种双回平行输电线路可靠性评估统一模型，文献［24］提出了基于分离模型的考虑独立停运、共因停运和相关停运的双回平行输电线路可靠性评估模型。但以上研究尚未给出同塔多回输电系统可靠性分析的方法。

国外的同塔多回输电线路多用在500 kV及以下电压等级，而我国已建设了750 kV的超高压和1 000 kV的特高压，在超高压和特高压情况下采用同塔多回输电技术，若同塔多回线路发生故障可能对系统的安全稳定运行产生严重影响，因此，研究超/特高压情况下同塔多回输电技术的可靠性对目前我国电网的规划建设及安全稳定运行具有重要意义。

本文重点研究同塔四回输电系统的可靠性，基于分离模型的可靠性评估方法［25］，给出同塔四回输电系统及双塔四回输电系统中不同类型故障的概率计算公式，并结合实际工程统计数据，对比分析同塔四回输电系统及双塔四回输电系统中各不同类型故障的概率，得出相关结论，以供电网规划建设借鉴之用。

1 同塔四回输电系统停运模型

同塔四回路输电系统中各元件独立停运的模型如图1所示。图中:λi表示同塔四回输电系统中第i个元件独立停运的停运率;ui表示第i个元件独立停运的修复率;i=1，2，3，4。

图1 同塔四回输电系统中各元件独立停运模型Fig.1 Independent outage model of different elements in four-circuit-on-same-tower power transmission systems

同塔四回路输电系统中各元件同时停运的共因停运模型如图2所示。图中:λ4C表示同塔四回输电系统中各元件共因停运的停运率;u4C表示同塔四回输电系统中各元件共因停运的修复率。

图2 同塔四回输电系统中各元件同时停运的共因停运模型Fig.2 Common mode outage model of different elements in four-circuit-on-same-tower power transmission systems

同塔四回路输电系统中2回路发生共因停运时的停运模型如图3所示。图中:λ2C12表示同塔四回路输电系统中第1、2回线路共因停运的停运率;u2C12表示同塔四回路输电系统中第1、2回线路共因停运的修复率;λ2C34表示同塔四回路输电系统中第3、4回线路共因停运的停运率;u2C34表示同塔四回路输电系统中第3、4回线路共因停运的修复率。

图3 同塔四回输电系统中2回线路同时停运的共因停运模型Fig.3 Common mode outage model of two lines four-circuit-on-same-tower power transmission systems

此外，同塔四回线路中还存在1、3回线路共因停运及2、4回线路共因停运的情况，其停运模型与1、2回线路共因停运及3、4回线路共因停运模型相似。

计算中，令:

2 同塔四回输电系统线路停运概率

基于分离模型，对同塔四回输电系统不同类型的线路停运概率进行了公式推导，具体结果见表1。

表1 同塔四回输电系统中不同类型的线路停运概率计算公式Tab.1 Probability formula of different types of lines’outage in four-circuit-on-same-tower power transmission systems

3 双塔四回输电系统线路停运概率

基于分离模型，对双塔四回输电系统不同类型的线路停运概率进行了公式推导，具体结果见表2。

4 同塔四回与双塔四回可靠性比较

假设单回线路的失效频率为λi==1.5次 /a(i=1，2，3，4)，修复时间为20 h/次，则平均修复时间tMTTR1=30 h，因此可得单回线路的修复率为

进一步，可得到:

假设双回线路同时失效的频率为λij==1.5次 /a(i，j=1，2，3，4)，修复时间为 200 h/ 次，则tMTTR2C=300 h，因此可得到双回线路的修复率为

进一步，可得到:

表2 双塔四回输电系统不同类型故障停运概率计算公式Tab.2 Probability formula of different types of lines’outage in four-circuit-on-two-tower power transmission systems

根据式(1)、(2)可得

假设四回线路同时失效的频率为0.15次 /a，修复时间为300 h/次，则tMTTR4C=45 h，因此可得到四回线路的修复率为

进一步，可得到:

假设双塔四回线路中四回线路同时失效的频率为0.015 次 /a，修复时间为300 h/次，则=4.5 h，因此可得到四回线路的修复率为

进一步，可得到:

根据以上假设条件，将各种类型故障的失效率及修复率代入，得到同塔四回与双塔四回线路的可靠性比较结果见表3。

由计算结果可以看出，同塔四回输电线路与双塔四回输电线路相比，其可靠性要低于双塔四回输电线路。由于目前实际运行的同塔四回线路较少，故障频率数据难以准确获取，因此，具体的假设条件可能存在偏差，对可靠性结果会产生一定的影响。

表3 同塔四回输电系统与双塔四回输电系统不同类型故障概率比较Tab.3 Comparison of outage probability of different types of faults between four-circuit-on-same-tower power transmission systems and four-circuit-on-two-tower power transmission systems

5 结论

(1)采用基于分离模型的可靠性评估方法，对同塔四回输电系统可靠性进行了分析，给出同塔四回输电系统中不同类型故障的停运模型，推导了同塔四回输电系统及双塔四回输电系统中不同类型故障的概率公式，结合工程实际中常见的线路失效频率和修复时间，对同塔四回输电系统及双塔四回输电系统可靠性进行了分析和比较，可知同塔四回输电系统可靠性低于双塔四回输电系统。

(2)本文所提供的方法可用于一般的同塔四回及双塔四回输电系统中不同类型故障概率的计算，也可用于指导电网的规划建设及实际运行。

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