CN102682407B - 一种500kV终端变电站的综合可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

一种500kV终端变电站的综合可靠性评估方法，包括如下步骤：S1.收集一段时间内一定范围内的500kV终端变电站及其周边500kV电网、220kV电网的主要元件的可靠性基础数据，所述可靠性基础数据包括故障率、平均每次故障修复时间、计划检修率和平均每次计划检修时间，分别取平均值得到各个元件可靠性评估的输入数据；S2.计算500kV终端站自身的可靠性和计算500kV终端站的建设对周边的500kV电网可靠性的影响；所述的计算500kV终端站自身的可靠性包括：S2-1.分别计算500kV联络线、500kV终端站主接线以及220kV受端电网的可靠性；S2-2.将500kV联络线故障、500kV终端变电站主接线故障、220kV受端电网故障按串联故障模式进行分析，计算500kV终端变电站可靠性指标。建立了500kV终端变电站的可靠性模型、指标体系和可靠性计算方法，对500kV终端变电站的建设具有指导意义。

Description

一种500kV终端变电站的综合可靠性评估方法

技术领域

本发明属于电网可靠性评估技术领域。针对经济发达地区建设500kV终端变电站的需求，通过理论模型和统计分析综合实现对其可靠性的全面合理评估，为500kV终端变电站的规划设计提供辅助决策的信息。

背景技术

随着城市建设进一步发展、城市市区电网负荷的不断增加、用地日益紧张、生活环境的优化，对向城市市区中心供电提出了更高的要求。因此，电网通过500kV电缆和500kV变电站伸入市区中心，成为了一种新的供电方式，即终端变电站(terminal substation)供电模式。

500kV终端变电站供电模式的积极作用，一方面在于满足市中心区域用电的需要，简化中心区域220kV电网结构，提高供电可靠性；另一方面，500kV终端变电站的建设有助于简化局部电网结构，降低短路电流。

在电力***中，变电站是输电和配电的集结点，具有变换电压、接受和分配电能、控制电力的流向和调整电压等重要功能，是电力***的重要组成部分。变电站主接线是变电站的主要组成部分，变电站主接线表示了变电站内的变压器、各电压等级的线路、无功补偿设备、断路器、隔离开关等各种主要电气设备的连接关系。终端变电站是变电站中的一种具体形式，终端变电站是处于电网末端、包括分支线末端的变电站。终端变电站接近负荷点，经降压后直接向用户供电。

目前，500kV变电站按500kV终端变电站规划建设尚不多见，国外也没有可借鉴的先例。因此，需要对其可靠性进行定量的理论计算，从而为其规划设计提供辅助决策的信息。

500kV终端变电站可靠性定量计算的完整模型，需要把500kV终端变电站主接线、与500kV电网连接的接入联络线(与500kV电网连接的联络线对500kV终端变电站的可靠性影响较大，其余部分影响较小)和下接220kV电网的影响都考虑进来。

在线路可靠性计算模型方面，目前的故障模式主要考虑元件的独立故障。通过对线路、杆塔、绝缘子等诸多部件可靠性的分析，组合得到整个输电线路的可靠性水平。目前，这套统计分析方法已经形成了行业规范，在《输变电设施可靠性评价规程》(DL/T 837-2003)中具有***的阐述，并形成了全国统一的运行可靠性统计分析方法。此外，还有大量关于恶劣气候导致输电工程故障的可靠性统计分析。

与终端变电站连接的联络线多采用同塔双回线路以保障可靠性。现有的输电工程可靠性理论方法都是一种基于元件独立故障的分离模型，即将各个元件故障模式分离开来建立模型，再应用交集的概念进行故障的组合。但是，同塔双回线路输电和常规的单回线路输电相比，最突出的可靠性问题是共模失效的故障率会大大提高。双回路至多回路的故障模式应包括重叠故障、多重独立故障、共因故障等。因此，单纯的组合建模不足以得到精确的同塔双回线路可靠性模型。尽管有少量文献研究同塔双回线路的可靠性模型，但对同塔双回线路的可靠性理论模型及评估方法都尚未建立。

电气主接线是母线、断路器、隔离开关、变压器、电抗器等设备按一定拓扑结构组成的用于传送电能的电路结构。主接线的结构对供电可靠性、运行灵活性及经济合理性等起着决定性作用。变电站主接线可靠性评估方面，对电气主接线的***研究，国际上大约已有30年的历史。1970年，引入了开关操作过程对输电***可靠性的影响，1971年正式提出了断路器的三状态模型，从而使主接线可靠性的研究成为电力***可靠性研究的一个独立分支。目前这个领域国内外已经比较成熟，对各种类型主接线的可靠性评估都比较深入。

电网可靠性评估方面，基于解析法和蒙特卡洛法的可靠性评估是常采用的两种基本的方法。解析法和蒙特卡洛法主要用于评估电网中每个负荷点因停电导致失去负荷的概率、频率、时间、电能等的可靠性指标。通过输入元件可靠性参数和网架结构，最终得到作为评估对象的电网的可靠性水平。

大电力***由电源及输电***构成，包括发电机、母线、变压器、开关及输电线路等元件，元件自身的可靠性对整个***的可靠性具有重要影响，此外，***可靠性还取决于***的网络拓扑结构、元件电气参数及***运行参数等因素。总体来讲，目前的可靠性评估方法都是分解为若干个环节分别进行评估，不能适应对500kV终端变电站整体可靠性评估的需求。

发明内容

计算500kV终端变电站可靠性，要充分研究500kV终端变电站与整个500kV电网的网架结构、下接220kV电网的相互影响。从可靠性角度，从电源(发电厂)到负荷(到下接220kV电网的降压变压器)的能量流经的路径可描述为，如附图1所示：电源→500kV电网→500kV进线→终端变电站500kV电气主接线→500/220kV变压器→终端变电站220kV电气主接线→220kV出线→下接220kV电网→负荷，其中，终端变电站500kV电气主接线→500/220kV变压器→终端变电站220kV电气主接线组成500kV终端变电站。

由于500kV终端站(500kV终端变电站的简称)的500kV电压进线只有一路同塔双回线路，该线路将500kV终端站与500kV电网相连，故一般将其称为联络线。500kV终端站的可靠性评价主要目标有两个，一是评价500kV终端站的建设对附近的500kV电网可靠性的影响，二是评价500kV终端站自身的可靠性，也就是500kV终端站对所带负荷的供电可靠性。

对照上述能量流经路径，评价500kV终端站对附近500kV电网可靠性的影响只需考虑电源、500kV电网、500kV联络线和500kV终端站。由于这里是对局部电网可靠性进行评价，使用传统的电网可靠性评价方法即可，故将电源和联络线看作500kV电网的一部分，500kV终端站作为一个负荷点考虑，不考虑站内设备的影响。

评价500kV终端站自身可靠性需要考虑500kV联络线、站内设备(500kV和220kV电气主接线、变压器等站内设备)、220kV出线、220kV电网、负荷，因500kV电网故障导致终端站停电的概率极低，故在此不考虑500kV电网的影响。500kV联络线和站内设备的故障会导致终端站失去电源，作为终端站主要故障模式进行评价。220kV出线回数较多，同时故障的可能性极小，故将220kV出线看作220kV电网的一部分，负荷也作为220kV电网的一部分考虑。

本发明所要解决的技术问题是：提供一种500kV终端变电站可靠性评估计算方法，以便为500kV终端变电站的规划设计提供辅助信息。

解决上述技术问题，本发明采取如下技术方案：一种基于综合致因分析的500kV终端变电站可靠性评估计算方法，包括如下步骤：

S1.收集一段时间内一定范围内的500kV终端变电站及其周边500kV电网、220kV电网的主要元件的可靠性基础数据，所述可靠性基础数据包括故障率、平均每次故障修复时间、计划检修率和平均每次计划检修时间，分别取平均值得到各个元件可靠性评估的输入数据；

S2.计算500kV终端站的建设对附近的500kV电网可靠性的影响和计算500kV终端站自身的可靠性；

所述的计算500kV终端站自身的可靠性包括：

S2-1.计算500kV联络线的可靠性、计算500kV终端站主接线可靠性和计算220kV受端电网的可靠性；

S2-2.将500kV联络线故障、500kV终端变电站主接线故障、220kV受端电网故障按串联故障模式进行分析，计算500kV终端变电站如下可靠性指标：

(1)切负荷概率(PLC)

切负荷概率是指在统计时间段内故障导致***处于切负荷状态所占的时间比例，表达式如下：

(2)切负荷频率(EFLC)

切负荷频率是指***中单位时间内故障导致切负荷事件的次数，单位为次/年：

(3)切负荷持续时间(EDLC)

EDLC＝PLC×8760；

(4)平均每次切负荷持续时间(ADLC)

平均切负荷持续时间是指每次切负荷状态持续时间的平均值，单位是小时：

(5)电量不足期望(EENS)

电量不足期望是指一年内总的供给电量不足，单位为兆瓦时/年：

(6)严重程度指标(SI)

严重程度指标是指年度切除负荷电量可以维持***处于负荷最大状态的运行时间，单位是***分：

S1中所述一定范围包括全国和地区两个范围。为提高计算的有效性，搜集两套数据进行计算。

S1中所述的一段时间为5年。

S2-1中所述的计算500kV联络线的可靠性具体步骤如下：

针对500kV联络线的同塔双回线路的三种故障模式：一回线检修与另一回线故障重叠、两回线同时发生独立故障、两回线发生共因故障，根据马尔科夫理论模型，分别建立如下同塔双回线路故障模型：检修停运与故障停运重叠模型、多重独立故障停运模型、共因故障停运模型，并采用解析法分别计算三种故障模式的故障率和故障持续时间，并通过累加得到总故障率和总停运时间。

S2-1中所述的受端电网的可靠性计算具体步骤如下：

确定220kV电网的计算范围，将穿越范围边界的220kV线路按输送功率等效为电源，将500kV终端站等效为电源，电源功率为终端站实际输送功率，将所有220kV同塔双回线路按所述同塔双回线路故障模型等效为一回普通线路，用解析法对220kV电网进行可靠性评估，得到各个220kV变电站的可靠性指标，将各个220kV变电站的可靠性指标进行综合，得到220kV电网的如下可靠性指标：

切负荷概率(PLC)

切负荷频率(EFLC)

切负荷持续时间(EDLC)

平均每次切负荷持续时间(ADLC)

电量不足期望(EENS)

严重程度指标(SI)。

S2-1中所述的500kV终端变电站主接线可靠性计算具体步骤如下：

应用基于邻接终点矩阵的最小路集/割集算法进行主接线可靠性计算，得到其切负荷概率、切负荷频率、切负荷持续时间、平均每次切负荷时间。

S2中的所述的计算500kV终端站的建设对附近的500kV电网可靠性的影响包括如下步骤：

确定500kV电网的计算范围，将穿越范围边界的500kV线路按输送功率等效为电源，将所有500kV同塔双回线路按所述同塔双回线路故障模型(见500kV联络线可靠性计算步骤)等效为一回普通线路，用解析法对500kV电网进行可靠性评估，得到各个500kV变电站的可靠性指标，将各个500kV变电站的可靠性指标进行综合，得到500kV电网的如下可靠性指标：

切负荷概率(PLC)

切负荷频率(EFLC)

切负荷持续时间(EDLC)

平均每次切负荷持续时间(ADLC)

电量不足期望(EENS)

严重程度指标(SI)。

本发明的有益效果是，本发明全面、完整地建立了500kV终端变电站的可靠性模型、指标体系和可靠性计算方法，模型理论严谨，指标参数设置合理，评估结果可信，对我国500kV终端变电站技术提供了科学的评价依据，对我国500kV终端变电站的规划建设和健康发展具有积极的指导意义。

附图说明

图1为本发明的500kV及220kV混合电网的示意图；

图2为本发明较佳实施例的500kV终端站及220kV电网的拓扑图；

图3为本发明较佳实施例的终端站主接线的示意图。

具体实施方式

本发明的基于综合致因分析的500kV终端变电站可靠性评估计算方法的较佳实施例的具体步骤如下：

第一步：收集近5年内的500kV终端变电站及其周边500kV电网、220kV电网的主要元件如输电线路、变压器、断路器、母线、隔离开关、发电机等元件的可靠性基础数据，主要包含故障率、平均每次故障修复时间、计划检修率、平均每次计划检修时间，对5年数据作平均计算，得到的数据作为可靠性评估的元件输入数据，为提高计算有效性应收集全国和地区两套数据做两套计算。

评价终端变电站的可靠性首先应对500kV、220kV电网的主要设备的可靠性统计数据进行整理和加工，电网可靠性评估需要包括500kV线路、500kV变压器、220kV线路和发电机的可靠性基础数据；主接线可靠性评估还需要补充断路器、隔离开关、母线等设备的可靠性基础数据。

所需要的设备的可靠性基础数据应包含故障率、故障修复时间、计划检修率、计划检修时间四个基本参数。如果不计入计划检修的影响，可以不采集计划检修率和计划检修时间。

第二步可分为两个方面，计算500kV终端站的建设对附近的500kV电网可靠性的影响和计算500kV终端站自身的可靠性。

第一个方面，计算500kV终端站自身的可靠性包括如下四个步骤：

一、500kV联络线的可靠性计算

500kV联络线一般为两回线，而且一般采用同杆并架模式建设。导致两回输电线路均不可用的故障模式有：一回线检修与一回线故障重叠、两回线同时发生独立故障(两回线因不同原因故障)、共因故障(两回线因相同原因故障，如雷击等)。采用解析法，分别计算各个故障模式的故障率和故障持续时间，最后累加即可得到总可靠性指标。其计算步骤如下：

(1)针对500kV联络线的同塔双回线路的三种故障模式：一回线检修与另一回线故障重叠、两回线同时发生独立故障、两回线发生共因故障，根据马尔科夫理论模型，分别建立如下同塔双回线路故障模型：

①检修停运与故障停运重叠模型用于描述以下两种故障模式之一：元件1维修停运期间元件2发生故障停运；元件2维修停运期间元件1发生故障停运。

②多重独立故障停运模型

用于描述多个元件同时发生相互独立的故障，根据元件之间的关系可分为串联故障模型、并联故障模型、混合故障模型，对于500kV联络线应为并联故障模型。

③共因故障停运模型

用于描述一种外部原因同时引起多个故障，对于500kV联络线应考虑雷击等导致双回线同时故障，这种故障又称为共模故障。

采用解析法分别计算三种故障模式的故障率和故障持续时间。

(2)累加故障率即得到总故障率，累加停运时间即得到总停运时间，总停运时间除以总故障率即得到总平均停运时间。

二、500kV终端站主接线可靠性计算

应用基于邻接终点矩阵的最小路集/割集算法进行主接线可靠性计算，得到其切负荷概率、切负荷频率、切负荷持续时间、平均每次切负荷时间。可以利用相应的主接线可靠性计算软件进行分析。

三、220kV受端电网可靠性计算

根据调度部门提供的220kV电网潮流图，确定220kV电网可靠性计算范围；根据潮流计算结果对穿越范围边界的线路进行电源等效，根据同塔双回线路故障模型以及线路长度对同塔双回线进行等效，等效为一回普通线路。用解析法对220kV电网进行可靠性计算，得到各个220kV变电站的可靠性指标，将各个220kV变电站的可靠性指标进行综合，得到220kV电网的可靠性指标。该算法以故障枚举法为基础，对电网可能发生故障的元件进行组合，从而列出所有可能发生的故障，并在每次故障计算中考虑线路过载切负荷的情况。

四：终端变电站总体可靠性指标计算。

将500kV联络线故障、主接线故障、220kV电网故障按串联故障模式进行分析，计算500kV终端变电站如下可靠性指标：

切负荷概率(PLC)

切负荷频率(EFLC)

切负荷持续时间(EDLC)

平均每次切负荷持续时间(ADLC)

电量不足期望(EENS)

严重程度指标(SI)。

上述步骤二、三、四没有先后顺序。

第二个方面，计算500kV终端站的建设对附近的500kV电网可靠性的影响具体包括如下步骤：

根据调度部门提供的500kV电网潮流图，确定500kV电网可靠性计算范围，对500kV电网拓扑结构进行分析，结合地区相关资料确定需要关注的变电站，将其划入评估范围；根据潮流计算结果对穿越范围的线路按输送功率等效为电源，根据同塔双回线路故障模型以及线路长度对同塔双回线路进行等效，等效为一回普通线路，用解析法对500kV电网进行可靠性计算，该算法以故障枚举法为基础，对电网可能发生故障的元件进行组合，从而列出所有可能发生的故障，并在每次故障计算中考虑线路过载切负荷的情况，得到各个500kV变电站的可靠性指标，将各个500kV变电站的可靠性指标进行综合，得到500kV电网的如下可靠性指标：

切负荷概率(PLC)

切负荷频率(EFLC)

切负荷持续时间(EDLC)

平均每次切负荷持续时间(ADLC)

电量不足期望(EENS)

严重程度指标(SI)。

上述两个方面之间也没有先后顺序。

下面结合具体实施例，进一步说明本发明：

附图2是某500kV终端变电站及下接220kV电网，其可靠性评估的具体步骤如下：

(1)元件可靠性基础数据整理

用于终端变电站可靠性评估的可靠性数据如下表所示。

(2)500kV终端变电站联络线可靠性计算

示范500kV终端变电站联络线长度为63千米，采用同塔双回方式，其可靠性指标计算如下表所示。

故障模式	故障率	故障修复时间
			1回检修1回故障	1.245E-04	6.524
2回故障	2.687E-06	3.760
			共模故障	3.956E-03	1.128
合计	4.084E-03	1.294

(3)500kV终端变电站主接线可靠性计算

对于附图3所示的主接线结构，应用基于邻接终点矩阵的最小路集/割集算法得到可靠性指标如下表所示。

当一台变压器或一回线路停运时不会造成500kV终端站停电，终端站可继续保持对负荷供电，故上表中前4种故障模式不需要计算EENS和SI指标。

(4)220kV受端电网可靠性计算

首先应用同塔双回线路故障模型和线路长度对220kV线路进行等效，附图2所示220kV电网各线路的可靠性等值参数如下表所示。

然后对附图2所示220kV电网进行可靠性计算，结果如下表所示。

PLC	EFLC	EDLC	ADLC	EENS	SI
						5.848E-06	0.038	0.051	1.360	5.603E-03	0.336

(5)500kV终端变电站可靠性最终计算结果

将(2)、(3)、(4)的结果按串联模型综合，计算结果如下表所示。

PLC	EFLC	EDLC	ADLC	EENS	SI
						1.217E-05	0.069	0.107	1.550	0.303	0.705

从上述计算过程可知运用本方法评估500kV终端变电站可靠性能够合理考虑500kV终端站联络线、500kV终端变电站主接线以及220kV受端电网的可靠性，能够全面而准确地评估500kV终端变电站的可靠性，整个计算过程分为三个模块，计算思路清晰，通用性较好，适合推广使用。

Claims (2)

1.一种500kV终端变电站的综合可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.收集一段时间内一定范围内的500kV终端变电站及其周边500kV电网、220kV电网的主要元件的可靠性基础数据，所述可靠性基础数据包括故障率、平均每次故障修复时间、计划检修率和平均每次计划检修时间，分别取平均值得到各个元件可靠性评估的输入数据；

S2.计算500kV终端站自身的可靠性和计算500kV终端站的建设对周边的500kV电网可靠性的影响；

所述的计算500kV终端站自身的可靠性包括：

S2-1.分别计算500kV联络线、500kV终端站主接线以及220kV受端电网的可靠性；

S2-1中所述的计算500kV联络线的可靠性步骤如下：

针对500kV联络线的同塔双回线路的三种故障模式：一回检修与另一回故障重叠、两回线同时发生独立故障、两回线发生共因故障，根据马尔科夫理论模型，分别建立如下同塔双回线路故障模型：检修停运与故障停运重叠模型、多重独立故障停运模型、共因故障停运模型，并采用解析法分别计算三种故障模式的故障率和故障持续时间，并通过累加得到总故障率和总停运时间；

S2-1中所述的受端电网的可靠性计算步骤如下：

确定220kV电网的计算范围，将穿越范围边界的220kV线路按输送功率等效为电源，将500kV终端站等效为电源，电源功率为500kV终端站实际输送功率，将所有220kV同塔双回线路按所述同塔双回线路故障模型等效为一回普通线路，用解析法对220kV电网进行可靠性评估，得到各个220kV变电站的可靠性指标，将各个220kV变电站的可靠性指标进行综合，得到220kV电网的如下可靠性指标：

切负荷概率，简称PLC

切负荷频率，简称EFLC

切负荷持续时间，简称EDLC

平均每次切负荷持续时间，简称ADLC

电量不足期望，简称EENS

严重程度指标，简称SI；

S2-1中所述的500kV终端变电站主接线可靠性计算步骤如下：

应用基于邻接终点矩阵的最小路集/割集算法进行主接线可靠性计算，得到其切负荷概率、切负荷频率、切负荷持续时间、平均每次切负荷时间；

S2-2.将500kV联络线故障、500kV终端变电站主接线故障、220kV受端电网故障按串联故障模式进行分析，计算500kV终端变电站如下可靠性指标：

（1）切负荷概率PLC

切负荷概率是指在统计时间段内故障导致***处于切负荷状态所占的时间比例，表达式如下:

（2）切负荷频率EFLC

切负荷频率是指***中单位时间内电网导致切负荷事件的次数，单位为次/年:

（3）切负荷持续时间EDLC

EDLC＝PLC×8760；

（4）平均每次切负荷持续时间ADLC

平均切负荷持续时间是指每次切负荷状态持续时间的平均值，单位是小时:

（5）电量不足期望EENS

电量不足期望是指一年内总的供给电量不足，单位为兆瓦时/年:

（6）严重程度指标SI

严重程度指标是指年度切除负荷电量可以维持***处于负荷最大状态的运行时间，单位是***分:

S2中的所述的计算500kV终端站的建设对附近的500kV电网可靠性的影响包括如下步骤：

确定500kV电网的计算范围，将穿越范围边界的500kV线路按输送功率等效为电源，将所有500kV同塔双回线路按同塔双回线路故障模型等效为一回普通线路，用解析法对500kV电网进行可靠性评估，得到各个500kV变电站的可靠性指标，将各个500kV变电站的可靠性指标进行综合，得到500kV电网的如下可靠性指标：

切负荷概率PLC

切负荷频率EFLC

切负荷持续时间EDLC

平均每次切负荷持续时间ADLC

电量不足期望EENS

严重程度指标SI。

2.根据权利要求1所述的500kV终端变电站的综合可靠性评估方法，其特征在于，S1中所述的一定范围包括全国和地区两个范围、S1中所述的一段时间为5年。

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