水电站电气主接线可靠性比较研究

袁伏麒，袁爱玲

(1. 武汉二中, 武汉 430010；2.长江水利委员会, 武汉 430010)

水电站电气主接线可靠性比较研究

袁伏麒1，袁爱玲2

(1. 武汉二中, 武汉 430010；2.长江水利委员会, 武汉 430010)

水电站电气主接线回路是供电系统的重要组成部分，其可靠性直接关系电站安全运行与供电质量。以某水电站电气主接线方式为研究对象，运用专业软件工具，对多种方案进行了技术可靠性比较分析。

水电站；电气主接线；可靠性分析

水电作为一种绿色能源在国民经济社会建设中发挥着重要作用。为确保水电站运行安全可靠，选择经济合理、技术可靠的电气主接线系统是至关重要的一环。本研究采用三峡工程重大装备科技攻关项目《三峡电站电气主接线方案可靠性计算及综合评价》开发的电气主接线可靠性计算程序作为分析设计工具，对某水电站接入电力系统的主接线方案的可靠性进行计算分析，其可靠性比较研究成果通过了业内专家审定。

1 主接线可靠性分析的基础数据和备选方案

本电站位于某流域梯级开发的上游河段，装机容量为930MW，其下游电站装机容量194MW，两电站装机容量共计1 124MW，建成后将联合并网运行。本电站将先建成投产，其外送电方案初步考虑为：通过500kV接入电网，出线回路数1回，初步估计线路长度150～300km。其下游电站，距离本电站直线距离不超过20km，考虑采用1回220kV线路与本电站相连，在本电站设置500/220kV联络变压器，接入500kV电网。此外，在邻近本电站大坝处布置一座生态电站，装机2台，总装机容量9MW，将通过500/220kV联络变压器的第三绕组接入本电站。本电站装机容量4台，年利用小时数4 466h。结合高压配电装置的选型(500kV配电装置采用GIS)，对发变组接线方式、发电机是否安装断路器以及高压侧接线等要素拟定以下电气主接线设计方案进行技术与经济比较。备选方案如表1所示。

表1 电气主接线备选方案

2 主接线可靠性分析计算

2.1 主要设备元件可靠性计算参数

水电站电气主接线的可靠性计算与设备元件的数据选择密切相关，根据中国水利发电学会主接线可靠性专委会提供的技术资料，有关技术参数，主要元件的可靠性参数如表2所示。

表2 主接线系统主要设备元件可靠性参数表

2.2 主接线可靠性计算模型

电站电气主接线可靠性指标通过综合考虑供电连续性、充裕性和安全性三个方面要求后确定：

(1)评价连续性指标。电站出力受阻概率LOLP；电站出力受阻时间期望LOLE；电站出力受阻频率FLOL；电站出力受阻平均持续时间D。

(2)评价充裕性指标。电站少供(或受阻)电力期望EDNS；电站少供(或受阻)电量期望EENS。

(3)评价安全性指标。一台至多台机组被解列的概率Prob和频率Froq；一条至多条线路被解列概率Prob和Freq。

鉴于本电站电气主接线中各元件的故障在许多情况下都不独立，且电站在发生故障后，运行人员需通过一系列的优化操作，使电站恢复运行或减少电站出力受阻；因此需要针对不同阶数事件建立不同的马尔可夫模型，反映这些事件发生后电站的状态转移情况。根据这些转移情况获得子状态出现的概率、频率及出力受阻值，继而按概率累计形成所需要的可靠性指标。

另外，电站的基本事件有短路故障、断路故障、拒动和计划检修等，而当这些事件或这些事件组合发生时，只考虑导致电站出力受阻事件，因为无需建立无出力受阻的事件的马尔可夫模型。因此，对于上述各种事件及组合发生时，可建立统一的n+2马尔可夫模型来描述，如图1所示。

图1 n+2马尔可夫模型

其中λEa(Fi)、λEp(Fi)、μE(Fi)分别为与失效事件Fi相关的等效短路故障率、等效断路故障率和等效修复率。对于不同的失效事件，其计算公式亦不同。根据图1的状态空间可得出如下方程组：

(1)

式中：Xk为第k个元件被切换的切换率；pj为子状态j发生的概率。

由上述方程组(1)可解出：

(2)

对于失效事件Fi发生时电站出力受阻的概率和少供电量的期望值可按下式进行计算：

(3)

(4)

式中：DNSj——失效事件Fi发生时第j个子状态电站出力受阻的大小；

m=1，DNSn+2≠0；m=0，DNSn+2=0；

P(Fi)——除Fi包含的元件以外的其他所有元件处于正常状态的概率之积。

设所测试范围的电站主接线失效事件为F，则可得到电站主接线可靠性指标的计算公式：

LOLE=8760×LOLP

其它可靠性指标的计算可类似地进行。

3 技术可靠性计算结果分析

高压配电装置采用GIS的5种电气主接线计算结果如表所示。从表中可知，方案4是在方案1的基础上取消发电机断路器，由于元件数量减少，供电连续性和充裕性有所提高。但从供电可靠性指标看，送电线路失去电源的频率以及3台、4台机组解列的频率有所抬高。考虑到设置发电机断路器后，可以方便地进行机组开停操作，可以从500kV及220kV系统倒送厂用电源，还能及时快速地切除主变压器的内部故障，避免事故扩大。此外，500kV侧采用3/2断路器接线，如果没有发电机断路器，在机组开、停操作中，均需要操作2台500kV断路器，并造成高压侧的开环，为避免开环运行，还需要进行500kV隔离开关的倒闸操作，恢复断路器的闭环运行，整个操作过程环节多，操作复杂。因此不予推荐该方案。

表3 五种电气主接线方案计算数据

方案5为单元接线，未设置发电机断路器。由于断路器的数量减少，供电连续性和充裕性指标基本有所提高，但送电线路失去电源的频率以及3台、4台机组解列的频率也大幅度抬高。考虑到发电机断路器应用的长处，不予推荐该方案。

对方案1、方案2及方案3计算结果进行比较，方案1指标最优，方案3其次，方案2最差。而方案3(四角形接线GIS)在投资方面较方案1(3/2接线GIS)省，可靠性虽稍有降低，但较为经济。

4 结 论

通过以上技术可靠性比选研究，方案1指标最优；但从投资的经济性角度而言，方案3较方案1投资较省，性价比较高。综合技术可靠性与投资经济性两方面进行比选研究，推荐本电站主接线采用方案3：发电机—变压器采用联合单元，500kV系统采用四角线接线方式。

Comparative Study on Reliability of Main Electrical Connection of Hydropower Station

YUAN Fu-qi1, YUAN Ai-ling2

(1. Wuhan No. 2 Middle School, Wuhan 430010, China；Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010，China)

The main electrical connection loop of hydropower station is an important component of power supply system, and its reliability is directly related to the safe operation and power supply quality of the station. Taking the main electrical connection scheme of a hydropower station as study subject, a comparative analysis of technical reliability in various schemes is made by using professional software tools for an optimal design with economy and.

hydropower station; main electrical connection; reliability analysis

2017-03-25

袁伏麒(1999-)，男，江苏南京人，武汉二中学生。

袁爱玲(1965-)，女，湖北浠水人，高级工程师，大学，主要从事水电站电气一次工程的设计与研究工作。

TM712

B

1673-0496(2017)02-0021-03

10.14079/j.cnki.cn42-1745/tv.2017.02.007