110kV变电站母线结构可靠性研究

廖 凡

（四川明星电力股份有限公司）

0 引言

当电力需求持续增长时， 电网公司需要建造大量变电站， 或者扩建现有变电站， 随着一个地区的负荷增长， 变压器和其他相关设备的负荷最终将达到极限， 需要扩建变电站才能安全地进行增长[1-2］。此外，扩建现有变电站非常重要， 因为它可以降低电网的运行成本。此外， 在需要建造新变电站的情况下， 需要根据所选变电站母线配置的类型适当地预先确定面积限制、 变电站的使用寿命和进线容量。

近年来， 已有几篇研究论文讨论了考虑负荷增长的变电站扩建， 然而， 这些研究没有考虑组件的功率容量 （容量限制） 对变电站可靠性的影响[3-4］。因此，本文将对此进行研究。

1 可靠性分析

母线是电力变电站中用于连接各种电气设备的高压电路， 具有承受较大电流量、 高压等特点。因此， 母线保持稳定的结构和可靠性是至关重要的。以下是针对110kⅤ变电站母线结构的可靠性分析： 安全性评估： 保障设备的安全性是使用母线结构的关键。母线的安全性评价需要考虑的因素包括： 电压等级、 电流负荷量、 交流或直流功率传输及应急漏电处理等等。可靠性评估： 母线的可靠性评价需要考虑的因素包括： 安装质量、 线路的连接、 接头的制作及检查、 电缆支架等维修性问题。耐久性评估： 母线的耐久性评价需要考虑的因素包括： 母线的使用年限、 维护周期、 防腐保护等问题。技术开发： 母线技术不断发展， 新技术应用相当成熟。考虑到母线的可靠性， 开发新技术可以在保证使用效果的前提下达到降低成本、 提高可靠性的目的。

总之， 考虑到母线结构的重要性， 及对高压变电站工作的影响， 应持续进行其结构方案的改进和研究。

2 变电站配置和组件运行模型

2.1 变电站定义和配置

变电站是指发电站和用户之间的一个站， 通过将电压从高电压与低电压之间相互转换， 作为发电和电网需求之间的媒介运行。变电站可以包括用于安全和可靠性目的的切换操作[5］。

在本文中， 变电站扩建根据标准配置进行， 每个配置包含两个输入和两个输出， 如图1所示。

图1 母线配置类型

2.2 故障事件和组件运行模型

当系统中的组件出现故障时， 意味着电能无法传输到系统负载。通过故障事件模拟， 可以将故障事件划分为多个子事件。从理论上讲， 模拟可以分为3 种状态， 实际上涵盖了所有组件的操作行为。组件操作由3 个状态组成； 向上状态 （U） 、 修复状态 （R） 和切换状态 （S） 。因此， 故障事件可以分为两种主要事件类型； 被动故障或主动故障， 如图2所示。

图2 设备运行模型

2.3 蒙特卡罗模拟方法

本文提出了可靠性评估的基本原则， 可分为两个部分。众所周知， 有两种方法可以评估电力系统的可靠性， 这些方法分别是分析方法和仿真方法。由于仿真方法比分析方法具有简单、 能够模拟时变系统条件等优点， 本文将重点研究仿真方法。

仿真技术指的是蒙特卡罗模拟 （MCS） 。MCS 分为非序列蒙特卡罗模拟和序列蒙特卡罗模拟两种方法。其中， 组件的状态取决于随机数， 随机数在所有模拟技术中都是必不可少的。在 （0 到1） 的区间上的均匀随机数通常有意义。在实践中， 这种随机数可以由数字随机数生成器的确定性算法生成。

2.4 可靠性指标计算

可靠性指标是用于对未来可能发生故障的系统进行风险评估的指标。可能导致系统故障的事件是MCS 的随机数小于组件的不可用性 （0 到1） 的事件。以下可靠性指数仅基于MCS 的一阶： 负载频率损失（LOLF） 、 负载概率损失 （LOLP） 和 未 供 电 能 量（ENS）， 用 （1）-（3） 表示。

式中，LOLF负载损耗频率；LOLP负荷损失概率；ENS能源供应不足；λi故障率；ri修理时间；Ui平均故障时间；n总随机数；Pav平均负荷。

2.4 开关设备操作

当110kⅤ变电站中的电力不能流向系统负载时，意味着变电站中至少有一个组件发生了故障。在电力不能流向系统负载的时间内， 变电站通常被设计为通过切换电气设备接触器来接收其他发电机的电压。此持续时间称为切换时间。另一方面， 如果不能将电力传输到系统负载， 那么只要故障部件已经修复并带回变电站， 系统负载就会中断。此持续时间称为修复时间 （r） 。变电站开关设备示意图示例如图3所示。

图3 主传输母线切换装置的操作

3 程序分析

3.1 所有母线配置类型的可靠性评估程序

110kⅤ变电站可靠性评估程序的流程图如图4 所示。变电站的可靠性评估程序可在以下步骤中描述。

图4 可靠性评估程序

步骤1： 输入数据， 即母线配置类型、 组件的统计可靠性指标 （如故障率、 修复时间等） 、 负载增长模型， 部件 （如变压器、 线路、 断路器） 的额定值和部件的容量限制， 例如变压器具有100MⅤA 的额定容量，而电网公司不允许该变压器的功耗超过额定容量的75%， 这称为变压器的容量限制。

步骤2： 考虑从第一年开始的年度负荷。

步骤3： 将负载分配到变电站的每个隔间。负载分布有两种情况； 负载不超过每条现有出线的可用电力容量之和。在这种情况下， 负荷在现有出线之间均匀分布， 另一种情况是总负荷大于每条现有出线的可用电力容量之和， 在这种情况下， 每条现有出线中的负载等于每条线路所能提供的最大功率， 也等于标准利用系数 （UF） 与该线路变压器额定值的乘积。

步骤4： 增加出线。系统中的进线数量是固定的， 而出线数量是增加的， 以便在同一区域内随着负荷增长向系统负荷供电。

步骤5： 从蒙特卡洛模拟中获取随机数， 以了解变电站中组件的状态， 然后计算功率流， 因为本文考虑了两种类型的故障事件， 即被动故障和主动故障。本文中使用的功率流计算是基于牛顿-拉夫逊方法。

步骤6： 从蒙特卡洛模拟中评估可靠性指标。

步骤7： 评估每一个感兴趣年份的母线配置的可靠性。

步骤8： 确定最可靠的母线配置。

步骤9： 增加出线和进线， 以在同一区域内随着负荷增长提供系统负荷， 然后重复步骤5-8。

3.2 测试系统

本文根据标准母线配置演示了110kⅤ变电站运行情况， 如图1所示。案例研究和所有相关数据如下。

1） 2022 年电力发展计划 （PDP2022） （考虑负荷增长）

2） 变电站中组件的额定值-输电线路： 858MⅤA，220kⅤ， ： 200MⅤA， 3个绕组， 功率因数： 0.875。

3） 断路器： 1600MⅤA， 额定正常电流4kA

4） 利用率为75%， 第一年启动负荷， 不应超过变电站变压器额定值的50%。

5） 系统组件的统计数据 （故障率、 维修/切换次数） 。

4 测试分析

通过使用前面提到的所有母线配置的测试系统和可靠性评估程序中的数据， 在只增加出线和同时增加出线和进线的情况下的可靠性评估结果可以分别显示在表1-2和表3-4中。

表1 同一地区负荷增长情况下的可靠性指标线（增加输出线）

表4 同一地区负荷增长情况下的可靠性指标（增加输出线和输入线）

根据表1-4， 该系统的结果已考虑到其4种部件类型， 即输电线路、 电力变压器、 断路器和母线。然而，在实践中， 变电站中的元件还包括隔离开关、 电压互感器和电流互感器。开关装置的操作， 即断路器和隔离开关， 根据保护方案进行设计。

如表1-2 所示的可靠性指标， 增加出线数量有助于减少电力容量问题。可靠性指标的分析可以分为三组， 如下所示。

第1组： 1-6年的负荷小于变电站一级故障容量和最大负荷。因此， 该组中的可靠性指标非常低。因此， 没有必要扩建变电站。

第2 组： 7-15 年的负荷大于一级故障的容量， 但小于变电站的最大负荷。虽然该组可以将功率转移到负载点， 但该组的可靠性指标最高。换言之， 有源和无源故障部件都可能导致功率无法转移到负载点。

第3 组： 16-20 年的负荷小于一级故障的容量， 但大于变电站的最大负荷。因此， 有必要扩建变电站。此外， 由于出线数量的增加， 该组的可靠性指标非常低。

根据母线配置的类型， 断路器和半母线以及双母线单断路器提供了更灵活的方式将电力传输到负载点。因此， 单个故障部件导致系统故障的可能性较低。

根据表3-4， 增加出线和进线的数量也有助于减少电力容量问题。可靠性指标的分析往往与只增加出线的情况相同。然而， 如第3 组可靠性指标分析所示， 仅增加出线数量与扩建变电站后增加进出线数量之间的可靠性并不相同。这一结论可以分为两种情况， 如下所示。

情景1： 仅增加出线数量的情况： 根据母线配置的类型， 单母线、 主母线和转换母线以及双母线双断路器提供了更灵活的方式将电力传输到负载点。

情景2： 增加进线和出线的情况： 根据母线配置的类型， 分段单母线、 A 型环形母线和B 型环形母线提供了更灵活的方式将电力传输到负载点。

5 结束语

本文提出了一种考虑变电站可靠性和设备容量的变电站扩建方案。采用牛顿-拉夫森潮流计算、 蒙特卡罗模拟和考虑开关设备运行的方法， 对变电站的可靠性进行了评估。通过可靠性比较， 根据本文使用的统计数据， 可以得出结论， 即使负荷不超过变电站的最大负荷， 但如果变电站的可靠性指标很高， 意味着当发生主动和被动故障时， 功率不能转移到负荷点。此外， 断路器的母线配置和一个半母线和双母线单个断路器的母线配置， 如果在一个元件失效后， 变电站的总负荷小于变压器的总额定值， 则可靠性高。此外， 变电站的扩建可分为两种情况， 即只增加输出线路的数量和增加输入和输出线路的数量。从表格的结果， 发现两种情况下的可靠性指标是不同的， 取决于变电站母线配置的类型。