基于我国配电网现状的供电可靠性评估模型与方法研究及应用

万凌云，王宏刚，王　艳，张　盈，杨群英，朱光友

(1.国网重庆市电力公司 电力科学研究院，重庆 401123；2.国家电网公司，北京 100031；3.重庆师范大学，重庆 401331；4.国网重庆市电力公司，重庆 400014；5. 国网重庆市电力公司 璧山供电分公司，重庆 400030)



基于我国配电网现状的供电可靠性评估模型与方法研究及应用

万凌云1，王宏刚2，王艳3，张盈1，杨群英4，朱光友5

(1.国网重庆市电力公司 电力科学研究院，重庆 401123；2.国家电网公司，北京 100031；3.重庆师范大学，重庆 401331；4.国网重庆市电力公司，重庆 400014；5. 国网重庆市电力公司 璧山供电分公司，重庆 400030)

立足于我国配电网及供电可靠性管理实际，针对目前可靠性评估普遍存在的问题，成体系地提出了一套可靠性评估模型和方法，显著提高了计算模型的准确性和灵活性。同时全面分析了影响指标计算结果的各种因素，且提出了科学合理的处理方法。通过理论算例与全国5个地区的工程试点应用情况，验证了评估模型和方法的科学性、适应性和可操作性，表明其具有很好的工程应用推广价值。

中压配电网；配电网模型；设施停运模型；可靠性评估方法

供电系统可靠性评估能够有效指导供电系统的规划、设计、建设、改造、运行及管理，从根本上改善系统的供电可靠性，提高电网投资效益。国内外越来越多的供电企业正在开展或计划开展此项工作。

由于目前国内外还没有一套通用的供电系统可靠性评估技术标准可循，各评估主体(供电企业、高等院校、研究机构、科技公司)在开展可靠性评估时采用的模型、方法和指标体系并不统一，假设条件和简化处理手段也不相同[1-7]，各种可靠性评估软件良莠不齐，必然给供电系统可靠性评估工作的推广应用带来障碍。

就目前国内的情况而言，中压配电网可靠性评估存在以下几个方面的主要问题：1)无法考虑预安排停电的影响，或考虑预安排停电影响的计算模型与实际出入较大；2)未对各种常用的开关设备进行功能细分，建立的开关设备模型无法准确模拟断路器、负荷开关、熔断器等设施对停电过程的不同影响；3)对停电及恢复过程过度简化，不能准确反映实际停电过程；4)对各种影响指标计算结果的因素未能全面考虑，或者假设简化得不合理；5)可靠性评估与供电可靠性统计评价存在一定程度的脱节，未充分利用供电可靠性统计评价有关成果。

为此，本文结合我国实际，提出了一套中压配电网供电可靠性评估模型和方法，能够准确、灵活地计算中压配电网的供电可靠性指标，计及和分析各种因素对供电可靠性的影响，为供电系统可靠性评估工作在我国推广应用起到积极的促进作用。

1　我国中压配电网及供电可靠性管理现状

我国中压配电网可分为电缆网、架空线网和电缆-架空线混合网，常用的主要配电设备有母线、架空线路、电缆线路、环网柜、电缆分支箱、断路器、隔离开关、小车开关、负荷开关、熔断器、配电变压器等。部分中压配电网，特别是城市配电网实现了配电自动化。在我国绝大部分地区，预安排停电是影响供电可靠性的主要因素。

从20世纪80年代初由原水利电力部制定并颁发《配电系统供电可靠性统计方法(试行)》开始[3]，我国开展了约30年的供电可靠性统计与评价工作。在此期间，我国供电可靠性管理工作得到长足发展，可靠性管理已经成为企业管理的主要组成部分和有效手段。广大供电企业通过对供电可靠性统计数据进行深度分析，挖掘出大量设备、管理、人员等方面的问题，促进了我国供电可靠性管理水平和供电可靠率的提升，但同时也暴露出事后统计评价难以从根本上提高供电可靠性的弊端。

2　停电及恢复供电过程

2.1故障停电及恢复供电过程

如图1所示，故障点所在线段的恢复供电时间为故障修复时间，故障点所在线段上游的恢复供电时间为故障点上游恢复供电时间，其下游的恢复供电时间为故障停电转供时间。

图1　故障停电示意图

2.2预安排停电及恢复供电过程

如图2所示，预安排停电线段的恢复供电时间为预安排停电持续时间，预安排停电线段上游的恢复供电时间为预安排停电线段上游恢复供电时间，其下游的恢复供电时间为预安排停电转供时间。

图2　预安排停电示意图

3可靠性评估指标体系

常用的负荷点指标有负荷点停电率(λLP，次/年)、负荷点停电时间(uLP，h/年)、负荷点供电可靠率(ASAI-LP，%)、负荷点缺供电量(ENS-LP，kW·h/年)[6]。系统指标有系统平均停电频率(SAIFI，次/(户·年))、系统平均停电时间(SAIDI，h/(户·年))、平均供电可靠率(ASAI，%)、系统缺供电量(ENS，kW·h)、系统平均缺供电量(AENS， kW·h/(户·年))。

4　计算模型

4.1配电网模型

配电设备是配电网供电可靠性评估分析的基本单位。根据中国电力企业联合会可靠性中心颁布的《电力可靠性管理代码》，供电系统用户供电可靠性停电配电设备分为架空线路、电缆线路、柱上设备、户外配电变压器台、箱式配电站、土建配电站等9大类[8]。为了充分利用积累的大量供电可靠性评价统计历史数据，结合《供电系统用户供电可靠性工作指南》中的“配电设备对设备故障停电率指标的影响关系表”[9]建立主要配电设备的模型，进而构建配电网模型。各类设备模型建立方法如下所示。

1)架空线路导线本体及其附属设备故障均影响架空线路故障停电率计算。因此，将架空线路导线本体及其附属设备归并到架空线路模型中。电缆线路作类似处理。

2)柱上设备中的避雷器、防鸟装置、高压电容器、高压计量箱、电压互感器等不属于主要电气连接设备，且对网络主体拓扑结构无影响，可忽略。柱上断路器、柱上负荷开关、高压熔断器、柱上隔离开关4类设备串联于网络中，且直接影响网络拓扑结构和停电情况。因此，在网络模型中予以保留。

3)户外配电变压器台中的变压器台架、高压引线、低压配电设施、避雷器故障不影响变压器故障停电率计算。因此，对其进行忽略处理，只保留变压器模型。

4)箱式配电站保留其中的断路器、负荷开关、熔断器和变压器模型，忽略站内公用设备、箱(墙)体、基础和变压器低压配电设施。

5)土建配电站保留其中的断路器、负荷开关、熔断器、隔离开关和变压器模型。忽略站内公用设备、箱(墙)体、基础和变压器低压配电设施。

6)开关站保留其中的断路器、负荷开关、熔断器、隔离开关。忽略(柜)内公用设备、箱(墙)体、基础。环网柜作类似处理。

7)忽略用户设备及不明设备。

此外，为了反映上级电网对中压配电网供电可靠性的影响，还需增加变电站10(6、20) kV母线模型。

建立的配电网模型包含变电站10(6、20) kV母线、架空线路、电缆线路、配电变压器、断路器、负荷开关、隔离开关和熔断器等设施模型及其连接关系。

4.2设施停运模型

设施停运模型主要分为独立停运模型和相关停运模型。考虑到中压配电网可靠性评估的计算复杂性，以及可靠性参数的获取难度问题，通常不采用相关停运模型。同时，由于我国目前预安排停电所占比重非常大，所以必须考虑预安排停电的影响。因此，在可靠性评估中宜采用三状态模型[1]。

4.3计算参数

4.3.1基础参数

基础参数包括网络拓扑结构参数、配电线路基础参数、配电变压器基础参数和负荷点参数。

1)拓扑结构参数：包括变电站10(6、20) kV母线、架空线路、电缆线路、配电变压器、断路器、负荷开关、隔离开关和熔断器等设施模型之间的拓扑关系。

2)配电线路基础参数：线路类型、长度、型号。

3)配电变压器基础参数：变压器型号、额定容量。

4)负荷点参数：负荷容量、用户数、重要级别。当无法提供实际负荷容量时，可提供装见容量；对于规划电网，可根据负荷点预测容量和配电变压器平均容量估算用户数。

4.3.2可靠性参数

1)故障停电相关参数涉及以下几个方面。

①变电站10(6、20) kV母线：(等效)故障停运率、(等效)平均故障修复时间。

②架空线路、电缆线路：故障停运率、平均故障修复时间。

③隔离开关(刀闸)：故障停运率、平均故障修复时间、平均故障定位隔离时间。

④断路器、熔断器：故障停运率、平均故障修复时间、平均故障点上游恢复供电操作时间。

⑤负荷开关、配电变压器：故障停运率、平均故障修复时间。

⑥联络开关：平均故障停电联络开关切换时间。

2)预安排停电相关参数涉及以下几个方面。

①变电站10(6、20) kV母线：(等效)预安排停运率、(等效)平均预安排停运持续时间。

②架空线路、电缆线路：预安排停运率、平均预安排停运持续时间(预安排停电平均持续时间)。

③隔离开关(刀闸)：平均预安排停电隔离时间。

④断路器、负荷开关、熔断器：平均预安排停电线段上游恢复供电操作时间。

⑤联络开关：平均预安排停电联络开关切换时间。

4.3.3参数有关说明

1)变电站10(6、20) kV母线(等效)故障停运率除应计及变电站10(6、20) kV母线本身故障外，还应计及由于上级电网(含变电站)故障造成的变电站10(6、20) kV母线失电。变电站10(6、20) kV母线的其他等效可靠性参数类似处理。

2)当配电变压器故障时，其高压侧熔断器即刻熔断从而隔离故障，隔离时间可忽略不计，因此，不考虑将“平均故障定位隔离时间”作为熔断器的可靠性参数。同理，当带负荷拉开分支线首端的熔断器，进而对分支线进行检修时，隔离时间可忽略不计，因此，不考虑将“平均预安排停电隔离时间”作为熔断器的可靠性参数。在规定容量下，熔断器可带负荷合闸，因此，熔断器的可靠性参数应包含平均故障点上游恢复供电操作时间。

3)联络开关一般处于常开状态，在转供负荷时才进行操作。由于不考虑二阶事件，故假设联络开关完全可靠，因此，无故障停运率等参数。

4)由于大量的工程停电与设备状态无关，而检修停电通常会对多个设备进行处理，故不宜给出每类设备的预安排停运率。同时，预安排停电通常以一个线段为界，因此，简单地考虑线段预安排停运。

5　可靠性评估方法

5.1复杂配电网可靠性评估方法

中压配电网可靠性评估方法有特卡罗模拟法、故障模式后果分析法、最小路法、马尔可夫法等[2]。复杂配电网可靠性评估计算宜采用故障模式后果分析法或最小路法。在实际应用中，为提高计算效率，对两种方法进行适当改进。

5.2有关因素影响的计及方法

1)负荷取值方法。根据目的及应用场合的不同，可基于最大负荷、最小负荷、平均负荷、某一特定负荷或负荷曲线进行可靠性评估。

2)设施容量约束。通过潮流计算或负荷分配进行容量校核，主要考虑转供时线路容量约束。

3)负荷转供方式。在转供负荷时，应根据负荷点的重要程度、负荷容量以及用户数综合考虑转供的优先次序，一般首先转供重要用户。

4)配电自动化影响。配电自动化可减小故障定位隔离时间、故障停电联络开关切换时间、故障段上游恢复供电操作时间等。

5)上级电网影响。可将上级电网的影响等效到变电站10(6、20) kV母线进行考虑。

6　理论算例分析

对图3所示的配电网进行可靠性评估。在算例网络中，备用电源容量为1 500 kW，架空线路型号为LGJ-240，电缆线路型号为YJV-300，配电变压器型号为S9，负荷点按重要程度从重要到次要排序为e、d、c、d、a，其余参数见表1和表2。在可靠性评估计算时，不考虑上级电网的影响以及与断路器(负荷开关)紧邻的两侧隔离开关故障的影响。如图3所示，各负荷点连接的配电变压器分别以Ta、Tb、Tc、Td、Te表示，熔断器分别以Fa、Fb、Fc、Fd、Fe以及F5表示。

应用本文提出的评估模型及方法进行可靠性评估计算，计算结果见表3、表4。

图3　算例网络图

设施LλTNW设施LλTNW供电干线0-10.50.32断路器0.2531-220.15负荷开关0.22.52-330.15隔离开关0.252.53-430.32熔断器0.224-510.32变压器0.3545-620.32负荷点a18006-720.32负荷点b12005-810.32负荷点c150分支线2-a10.15负荷点d11004-b1.50.32负荷点e13158-c1.50.328-d0.50.326-e10.32

注：L为线路长度，km；λ为设施故障停电率，次/(百公里·年)或次/(百台·年)；T为平均故障修复时间，h；N为用户数，户；W为负荷容量，kW。

表2　算例网络数据2

表3　负荷点可靠性指标

表4　系统可靠性指标

7　工程应用

为验证模型及方法的科学性、适应性和可操作性，选取了市中心(A+类：负荷密度σ≥30 MW/km2，实现配电自动化)、市区(A类：15≤σ<30(MW/km2)，实现配电自动化；B类：6≤σ<15 (MW/km2))、城镇(C类：1≤σ<6(MW/km2))4类供电区域，共5个地区进行试点应用。应用结果如表5所示。

表5　试点区域可靠性评估情况一览

8　结论

本文立足我国实际，针对目前中压配电网可靠性评估普遍存在的问题，提出了一套可靠性评估模型和方法，其创新性主要体现在以下几个方面。

1)在供电可靠性统计评价有关成果基础上，提出了“配电网模型”的概念及其构建方法。

2)结合我国中压配电网运行管理实际，提出了按照“线段预安排停运”模式计算预安排停电的影响，进一步缩小了理论模型与实际的差距。

3)结合停电及恢复过程分析结果，完善了评估计算模型，提出了预安排停电线段上游恢复供电操作时间参数和故障点上游恢复供电操作时间参数两个新的计算参数，增加了可靠性评估的灵活性，评估结果更为准确。

同时，还全面分析了影响指标计算结果的各种因素，并明确提出了科学合理的处理方法。

通过理论计算和工程试点应用，验证了本文所提出模型及方法的科学性、适应性和可操作性。

[1]Li Wenyuan.Risk assessment of power systems: models，methods and applications [M]. Wiley-IEEE Press，2006．

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[9]国家电网公司组.供电系统用户供电可靠性工作指南[M]．北京：中国电力出版社，2012.

A Study on the Reliability Evaluation Model of Power Supply，Relevant Appraisal Methods and Their Application Based on the Current Situation of Distribution Networks in China

WAN Lingyun1，WANG Honggang2，WANG Yan3，ZHANG Ying1，YANG Qunying4，ZHU Guangyou5

(1．Electric Power Research Institute of State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 401123，P.R.China；2. State Grid Corporation of China，Beijing 100031，P.R.China；3．Chongqing Normal University，Chongqing 401331，P.R.China；4．State Grid Chongqing Electric Power Company，Chongqing 400014，P.R.China；5. Bishan Power Supply Branch of Chongqing Electric Power Company of SGCC，Chongqing 400030，P.R.China)

Based on the reliability management of the distribution networks and power supply in China，in order to solve the problems in the reliability evaluation，this paper introduces a systematic set of reliability evaluation model and relevant appraisal methods which can remarkably improve the accuracy and flexibility of the computation model．In addition，it analyzes the factors influencing the results of the index calculation as well as presenting scientific and reasonable solutions．The theoretical calculation examples and trial application in projects in five regions in China have verified that the model and the appraisal methods are scientific，adaptable and operable，with great applied and promotional values in engineering．

medium-voltage distribution network；model of distribution network；model of facility outage；method of reliability evaluation

2016-04-29

万凌云(1983-)，高级工程师，研究方向为电力可靠性及配电网技术。

TM732

A

1008- 8032(2016)04- 0039- 06