基于安全區(qū)域樹的配電網(wǎng)可靠性研究

薛松， 鄭益慧， 王昕， 李立學(xué)， 郎永波

(1.上海交通大學(xué) 電工與電子技術(shù)中心，上?！?00240；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司延邊供電公司，吉林 延邊　133000)

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基于安全區(qū)域樹的配電網(wǎng)可靠性研究

薛松1， 鄭益慧1， 王昕1， 李立學(xué)1， 郎永波2

(1.上海交通大學(xué) 電工與電子技術(shù)中心，上海200240；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司延邊供電公司，吉林 延邊133000)

為了準確評估出配電網(wǎng)的健康狀態(tài)，并且定位出對負荷點供電影響最大的區(qū)域，提出了基于安全區(qū)域樹的配電網(wǎng)可靠性評估方法。該方法將開關(guān)設(shè)備作為區(qū)域的分割準則，將配電網(wǎng)絡(luò)分割成隔離樹與熔斷樹，從而將配電網(wǎng)中單一元件的影響轉(zhuǎn)換為區(qū)域的影響，便于進行故障區(qū)域定位。然后通過綜合考慮停運次數(shù)和修復(fù)時間兩個評估指標，找出配電網(wǎng)中對負荷點正常供電造成影響的區(qū)域，實現(xiàn)易發(fā)生故障區(qū)域的定位。最后，通過珠海供電公司的配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)進行仿真研究，證明了上述方法的有效性。

安全區(qū)域樹；配電網(wǎng)可靠性；隔離樹；熔斷樹；上行遍歷；故障定位

0　引　言

隨著電力系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，配電網(wǎng)的可靠性已越來越受到人們的重視。作為連接用戶和電力系統(tǒng)的核心樞紐，一旦配電網(wǎng)上的設(shè)備發(fā)生故障，就會造成系統(tǒng)對用戶供電的中斷，給工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活造成不同程度的損失。因此對配電網(wǎng)可靠性進行評估，了解配電網(wǎng)的健康狀態(tài)，同時加強配電網(wǎng)的建設(shè)與改造以提高其安全性、穩(wěn)定性，具有十分重要的實際意義。

目前，配電網(wǎng)評估主要可分為模擬法和解析法兩大類。文獻[1]采用蒙特卡羅模擬評估法，通過模擬電網(wǎng)運行，找出特定的概率分布來描述系統(tǒng)的運行狀態(tài)，從而根據(jù)準則評估配電網(wǎng)的可靠性。但上述模擬法是通過模擬公式選擇部分負荷點實現(xiàn)配電網(wǎng)評估，因此其精度相對較低。而解析法主要包括影響模式后果分析法(FMEA)[2]以及在此基礎(chǔ)上的多種改進優(yōu)化算法，如網(wǎng)絡(luò)等值法[3]、最小支路法[4]等。文獻[2]提出FMEA方法。該方法通過建立故障模式后果分析表，獲取每個元件的故障后果，從而實現(xiàn)對配電網(wǎng)的有效評估。該方法雖然精度相對模擬法有所提高，但生成故障模式后果分析表卻十分復(fù)雜。文獻[3]提出了網(wǎng)絡(luò)等值法。該方法將復(fù)雜的配電網(wǎng)絡(luò)利用可靠性等值法等效為簡單的主饋線網(wǎng)絡(luò)，然后再對已簡化的配電網(wǎng)進行評估。這種方法雖然避免了建立故障模式后果表，但需要進行向上和向下等效，降低了評估效率。文獻[4]提出了最小支路法。該方法首先找出電源點到各個負荷點之間的最小支路，然后將其他支路上的電氣元件折算到該支路上，再依次對負荷點進行可靠性評估。該方法由于只考慮最小支路上的元器件對負荷點的影響，簡化了計算量，但在折算過程會產(chǎn)生誤差，降低了評估精度。另一方面，以上評估方法都僅僅是單純的可靠性評估，沒有通過評估結(jié)果，找出配電網(wǎng)中易發(fā)生故障的區(qū)域。

為了評估配電網(wǎng)可靠性，并且實現(xiàn)易發(fā)生故障區(qū)域的定位，本文提出了一種基于安全區(qū)域樹的配電網(wǎng)評估方法。首先，將開關(guān)設(shè)備作為分割準則，實現(xiàn)配電網(wǎng)的樹形等效，同時采用區(qū)域影響替代單一元器件的影響，便于進行故障區(qū)域定位。然后，將停運次數(shù)與停運時間相結(jié)合，共同作為評估指標，獲取影響負荷點正常供電的區(qū)域。最后，利用珠海供電公司配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)和運行數(shù)據(jù)，進行仿真應(yīng)用分析，驗證該方法較其他方法的優(yōu)越性以及故障區(qū)域定位的準確性。

1　安全區(qū)域樹的相關(guān)概念與性質(zhì)

1.1安全區(qū)域樹的相關(guān)概念

隔離區(qū)域：在網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，如果某些區(qū)域內(nèi)部沒有任何電氣開關(guān)，且其外部均由電氣開關(guān)與其他區(qū)域相連，那么該區(qū)域內(nèi)的所有電氣元件的集合稱之為隔離區(qū)域(這些電氣開關(guān)包括隔離開關(guān)、負荷開關(guān)、熔斷器等)。

隔離樹：用隔離區(qū)域替代對應(yīng)電氣元件，同時保持配電網(wǎng)的初始樹形結(jié)構(gòu)，則這種由若干隔離區(qū)域構(gòu)成的有向樹形結(jié)構(gòu)稱之為隔離樹。

熔斷區(qū)域：在隔離樹中，由于熔斷器、斷路器這類電氣開關(guān)能夠切斷某些隔離區(qū)域的短路電流，保證這些區(qū)域的短路故障不會影響其他區(qū)域。因此，將由這些電氣開關(guān)設(shè)備控制的隔離區(qū)域的集合稱之為熔斷區(qū)域。

熔斷樹：用熔斷區(qū)域替代控制的隔離區(qū)域，進而等效隔離樹。這種由熔斷區(qū)域構(gòu)成的有向樹形結(jié)構(gòu)稱之為熔斷樹。

安全區(qū)域樹：將上述隔離樹或者熔斷樹這種能夠反應(yīng)出配電網(wǎng)真實拓撲結(jié)構(gòu)的樹形結(jié)構(gòu)圖統(tǒng)稱為安全區(qū)域樹。

圖1為傳統(tǒng)單電源配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)，按照隔離區(qū)域的定義可將其分割成A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L等12個隔離區(qū)域，而對這12個隔離區(qū)域按照熔斷區(qū)域的定義又可分割成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ等7個熔斷區(qū)域。其中熔斷區(qū)域Ⅰ包含3個隔離區(qū)域，即A、C、D；熔斷區(qū)域Ⅱ包含1個隔離區(qū)域，即B；熔斷區(qū)域Ⅲ包含2個隔離區(qū)域，即E、F；熔斷區(qū)域Ⅳ包含3個隔離區(qū)域，即G、I、K；熔斷區(qū)域Ⅴ包含1個隔離區(qū)域，即H；熔斷區(qū)域Ⅵ包含1個隔離區(qū)域，即J；熔斷區(qū)域Ⅶ包含1個隔離區(qū)域，即L。

圖1　傳統(tǒng)單電源配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)

通過隔離樹的定義，用已經(jīng)分割好的隔離區(qū)域替代其所包含的電氣設(shè)備，同時保持原配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，即得到該配電網(wǎng)的隔離樹。再按照熔斷樹的定義，用已經(jīng)分割好的熔斷區(qū)域替代相關(guān)的隔離區(qū)域，同時保持原配電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，即得到了該配電網(wǎng)的熔斷樹。如圖2所示，即可得該配電網(wǎng)的隔離樹與熔斷樹。

圖2　配電網(wǎng)的隔離樹與熔斷樹

1.2安全區(qū)域樹的性質(zhì)

熔斷器、斷路器能夠切斷熔斷區(qū)域內(nèi)短路電流對其他熔斷區(qū)域的影響，因此在同一熔斷區(qū)域內(nèi)，功率流出的隔離區(qū)域?qū)τ脩艄╇姷挠绊懘笥诠β柿魅氲母綦x區(qū)域?；诖耍焊鲄^(qū)域在整個配電網(wǎng)的安全性方面有上下級別之分。上級故障會對若干下級產(chǎn)生影響，相應(yīng)的，也會產(chǎn)生更大范圍的電網(wǎng)故障。因此，本文規(guī)定，功率流出區(qū)域是功率流入?yún)^(qū)域的上級。

2　安全區(qū)域樹算法分析

2.1隔離樹形成算法

隔離樹是先建立根區(qū)域，然后根據(jù)電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)不斷融入新的元器件或者生成新的隔離區(qū)域，逐漸形成的。其具體方法如下。

首先初始化隔離樹根區(qū)域的停運次數(shù)與修復(fù)時間，如式(1)所示。然后依次找出未參與生成隔離樹且其功率流出元器件參與生成隔離樹的元器件。若這兩個元器件之間沒有開關(guān)設(shè)備，則將此元器件融入到功率流出元器件所在的隔離區(qū)域中，并用式(2)對該隔離區(qū)域的停運次數(shù)和修復(fù)時間進行修正；如果這兩個元器件間有開關(guān)設(shè)備，則建立新的隔離區(qū)域，將此元器件放入新的隔離區(qū)域里，并用式(3) 計算新隔離區(qū)域的停運次數(shù)和修復(fù)時間。

λx=0,rx=0

(1)

(2)

(3)

2.2熔斷樹形成算法

熔斷樹的形成方法與隔離樹的形成方法基本一致。通過判斷隔離區(qū)域與上級隔離區(qū)域之間的熔斷開關(guān)配置情況來進行相應(yīng)處理。當(dāng)兩個隔離區(qū)域間沒有熔斷開關(guān)時，將隔離區(qū)域納入上級隔離區(qū)域所在的熔斷區(qū)域里；而當(dāng)兩隔離區(qū)域間有熔斷開關(guān)時，則在原熔斷區(qū)域的下級生成新的熔斷區(qū)域，并將此隔離區(qū)域放入該熔斷區(qū)域中。這樣，將所有隔離區(qū)域按照上述方法處理完成后，就生成了配電網(wǎng)的熔斷樹。

2.3配電網(wǎng)可靠性指標的計算

在配電網(wǎng)可靠性的評估過程中，對于負荷點而言，通常關(guān)心的是該負荷點在一年里平均停電次數(shù)、以及每次停電后需要多長時間才能恢復(fù)供電。本文采用負荷點的停運次數(shù)和停運時間這兩個指標來分析配電網(wǎng)的可靠性[5]。

2.3.1負荷點的停運次數(shù)

負荷點在一年內(nèi)的停運次數(shù)稱為該負荷點的停運次數(shù)。在本文中，將從負荷點i所在的熔斷區(qū)域遍歷到熔斷樹根區(qū)域過程中，得到的熔斷區(qū)域的集合記為Di，則負荷點i的停運次數(shù)可表示為:

(4)

式中λk為隔離區(qū)域k的等效停運次數(shù)。

2.3.2負荷點的停運時間

負荷點從停運到再次正常運行所消耗的時間稱為負荷點的停運時間。從上面的分析可知，只有Di中元件故障才會引起負荷點i的停運。因此，按照Di中元件停運后處理方式的不同將停運時間分為故障隔離時間、故障修復(fù)時間、備用電源切換時間三類。下面依次對這三類停運時間進行分析。

故障隔離時間。設(shè)從負荷點i上行搜索到隔離樹根區(qū)域，得到的所有隔離區(qū)域的集合為Si。令S1,i=Di-Si表示與負荷點i在同一熔斷區(qū)域的不同隔離區(qū)域。這些區(qū)域和負荷點i屬于同級隔離區(qū)域，與負荷點i的供電路徑?jīng)]有直接關(guān)聯(lián)。因此當(dāng)這些區(qū)域發(fā)生局部故障時，只需要隔離掉就可以恢復(fù)對負荷點i的供電。令tg為S1,i中元器件的故障隔離時間，則S1,i中所有元器件造成負荷點i的年平均停運時間T1,i可以表示為:

(5)

故障修復(fù)時間。從備用電源點到最大供電范圍邊界進行上行搜索，得到的所有隔離區(qū)域的集合記為Q。這里，定義“min”為取集合中最低級的隔離區(qū)域。令S2,i={x|x≤min(Si∩Q),x∈Si}表示同時連接負荷點i與原系統(tǒng)電源以及備用電源的隔離區(qū)域。因此，當(dāng)這些區(qū)域發(fā)生局部故障時，將既切斷原電源點對負荷點i的供電，也切斷備用電源點對負荷點i的供電。令tr為S2,i中元器件的故障修復(fù)時間，則S2,i中所有元器件引起負荷點i的年平均停運時間T2,i可以表示為:

(6)

備用電源切換時間。令集合S3,i=Si-S2,i表示僅連接負荷點i與原系統(tǒng)電源的隔離區(qū)域。因而，這些區(qū)域的元件發(fā)生局部故障時，通過隔離掉原供電路徑，并且切換掉負荷點i的供電路徑就可以實現(xiàn)備用電源對負荷點i的供電。令tq為S3,i中元器件備用電源切換時間，tg為元器件的故障隔離時間，則S3,i中所有元器件引起負荷點i的年平均停運時間T3,i可以表示為:

(7)

通過綜合考慮這三種不同情況下負荷點i的停運時間，就可以得到Di中所有元器件引起負荷點i的平均停運時間Ti，可用式(8)表示。

Ti=T1,i+T2,i+T3,i=

(8)

2.4故障隔離區(qū)域定位

由2.3的分析可知，負荷點i的停運時間Ti由三部分組成：故障隔離時間T1,i，故障修復(fù)時間T2,i，備用電源切換時間T3,i。通過比較負荷點的三類故障停運時間，就能得到影響最大的一類故障停運，從而逆向求取出造成負荷點此類停運的隔離區(qū)域。該隔離區(qū)域即是引發(fā)配電網(wǎng)供電故障的主要區(qū)域。定位出這些區(qū)域，并對這些區(qū)域進行修復(fù)，就可以進一步提高配電網(wǎng)的可靠性。

3　仿真應(yīng)用研究

3.1配電網(wǎng)可靠性評估

本文針對珠海供電公司某配電網(wǎng)進行研究[6]，該配電網(wǎng)由36個負荷點構(gòu)成，包含14個變壓器、3個斷路器、4個熔斷器等多個電氣設(shè)備，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

表1和表2是本文方法與其他方法在停運次數(shù)和停運時間兩個指標下評估得到的結(jié)果。表3列出了上述評估方法的評估時間與評估精度。

表1　停運次數(shù)指標下的評估結(jié)果　次/年

通過表3可以看出，該配電網(wǎng)的評估時間為19.142 s，精度為98.32%，無論精度還是時間復(fù)雜度均優(yōu)于傳統(tǒng)的評估方法。

3.2故障隔離區(qū)域定位

通過對圖1的配電網(wǎng)進行安全區(qū)域法評估，得出負荷點29到負荷點36的三類故障時間。如表4所示。

表2　停運時間指標下的評估結(jié)果

表3　各種評估方法的時間與精度

表4　LP29-LP36的三類停運時間

從表4中可以看出，LP29-LP36的停運時間主要是故障修復(fù)時間T2,i。這些負荷點對應(yīng)的S2,i(E、F隔離區(qū)域)即是易發(fā)生故障的隔離區(qū)域。定位到故障隔離區(qū)域后，對這些隔離區(qū)域進行修復(fù)，就可以提高配電網(wǎng)的可靠性。

4　結(jié)束語

本文采用開關(guān)設(shè)備作為區(qū)域的分割準則，將整個配電網(wǎng)絡(luò)等效分割成由開關(guān)設(shè)備控制的安全區(qū)域樹，從而用區(qū)域?qū)ω摵晒╇姷挠绊懱娲鷨蝹€元器件對電網(wǎng)的影響。通過理論分析，推導(dǎo)出在該方法下負荷點停運次數(shù)和停運時間這兩個評估指標的公式。該方法在評估過程中，用時短且精度高，同時可以根據(jù)評估結(jié)果定位出配電網(wǎng)中易發(fā)生故障的區(qū)域。因此，具有十分重要的應(yīng)用價值。最后通過珠海供電公司的配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，驗證了本文方法的準確性和高效性。

[1] 夏巖, 劉明波, 邱朝陽. 帶有復(fù)雜分支饋線的配電網(wǎng)可靠性評估[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2010, 26(4): 40-44.

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Research on the Reliability of Distribution Network Based on Security Region Tree

XUE Song1, ZHENG Yi-hui1, WANG Xin1, LI Li-xue1, LANG Yong-bo2

(1.Center of Electrical & Electronic Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China;2. Yanbian Power Supply Co., State Grid Jilin Power Co., Ltd., Yanbian Jilin 133000, China)

In order to accurately assess the health status of the distribution network and locate the region where power supply at load points is most severely affected, this paper presents a method for assessing the reliability of the distribution network based on the safety region tree. Taking switch equipment as the criterion for regional segmentation, this approach divides the distribution network into insulation tree and fusing tree, thus transferring the affection from a singular element in the network to a regional affection for easier location of the fault region. Then, under consideration of both evaluation indexes of outage rate and repair time, it finds the region that affects normal power supply at load points in the distribution network to realize location of regions liable to fault. Finally, simulation study of the operating data of the distribution network of Zhuhai Power Supply Co. verifies the effectiveness of the above mentioned method.

safety region tree; reliability of distribution network; insulation tree; fusing tree; uplink traversal; fault location

國家自然科學(xué)基金重點項目(61533012)，上海市自然科學(xué)基金(14ZR1421800)，流程工業(yè)綜合自動化國家重點實驗室開放課題基金

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.02.021

TM712

A

1000-3886(2016)02-0065-04

薛松(1991-)，男，安徽人，碩士生，專業(yè)電工理論新技術(shù)。鄭益慧(1971-)，男，哈爾濱人,教授，主要從事電能質(zhì)量、智能控制技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用等方面的研究。王昕(1972-)，男，遼寧人，副教授，主要從事復(fù)雜工業(yè)過程建模、電能質(zhì)量的分析、補償與優(yōu)化等方面的研究。

定稿日期: 2015-11-30