水電站電氣主接線可靠性比較研究

袁伏麒，袁愛玲

(1. 武漢二中, 武漢 430010；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì), 武漢 430010)

水電站電氣主接線可靠性比較研究

袁伏麒1，袁愛玲2

(1. 武漢二中, 武漢 430010；2.長(zhǎng)江水利委員會(huì), 武漢 430010)

水電站電氣主接線回路是供電系統(tǒng)的重要組成部分，其可靠性直接關(guān)系電站安全運(yùn)行與供電質(zhì)量。以某水電站電氣主接線方式為研究對(duì)象，運(yùn)用專業(yè)軟件工具，對(duì)多種方案進(jìn)行了技術(shù)可靠性比較分析。

水電站；電氣主接線；可靠性分析

水電作為一種綠色能源在國(guó)民經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。為確保水電站運(yùn)行安全可靠，選擇經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可靠的電氣主接線系統(tǒng)是至關(guān)重要的一環(huán)。本研究采用三峽工程重大裝備科技攻關(guān)項(xiàng)目《三峽電站電氣主接線方案可靠性計(jì)算及綜合評(píng)價(jià)》開發(fā)的電氣主接線可靠性計(jì)算程序作為分析設(shè)計(jì)工具，對(duì)某水電站接入電力系統(tǒng)的主接線方案的可靠性進(jìn)行計(jì)算分析，其可靠性比較研究成果通過(guò)了業(yè)內(nèi)專家審定。

1 主接線可靠性分析的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和備選方案

本電站位于某流域梯級(jí)開發(fā)的上游河段，裝機(jī)容量為930MW，其下游電站裝機(jī)容量194MW，兩電站裝機(jī)容量共計(jì)1 124MW，建成后將聯(lián)合并網(wǎng)運(yùn)行。本電站將先建成投產(chǎn)，其外送電方案初步考慮為：通過(guò)500kV接入電網(wǎng)，出線回路數(shù)1回，初步估計(jì)線路長(zhǎng)度150～300km。其下游電站，距離本電站直線距離不超過(guò)20km，考慮采用1回220kV線路與本電站相連，在本電站設(shè)置500/220kV聯(lián)絡(luò)變壓器，接入500kV電網(wǎng)。此外，在鄰近本電站大壩處布置一座生態(tài)電站，裝機(jī)2臺(tái)，總裝機(jī)容量9MW，將通過(guò)500/220kV聯(lián)絡(luò)變壓器的第三繞組接入本電站。本電站裝機(jī)容量4臺(tái)，年利用小時(shí)數(shù)4 466h。結(jié)合高壓配電裝置的選型(500kV配電裝置采用GIS)，對(duì)發(fā)變組接線方式、發(fā)電機(jī)是否安裝斷路器以及高壓側(cè)接線等要素?cái)M定以下電氣主接線設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)比較。備選方案如表1所示。

表1 電氣主接線備選方案

2 主接線可靠性分析計(jì)算

2.1 主要設(shè)備元件可靠性計(jì)算參數(shù)

水電站電氣主接線的可靠性計(jì)算與設(shè)備元件的數(shù)據(jù)選擇密切相關(guān)，根據(jù)中國(guó)水利發(fā)電學(xué)會(huì)主接線可靠性專委會(huì)提供的技術(shù)資料，有關(guān)技術(shù)參數(shù)，主要元件的可靠性參數(shù)如表2所示。

表2 主接線系統(tǒng)主要設(shè)備元件可靠性參數(shù)表

2.2 主接線可靠性計(jì)算模型

電站電氣主接線可靠性指標(biāo)通過(guò)綜合考慮供電連續(xù)性、充裕性和安全性三個(gè)方面要求后確定：

(1)評(píng)價(jià)連續(xù)性指標(biāo)。電站出力受阻概率LOLP；電站出力受阻時(shí)間期望LOLE；電站出力受阻頻率FLOL；電站出力受阻平均持續(xù)時(shí)間D。

(2)評(píng)價(jià)充裕性指標(biāo)。電站少供(或受阻)電力期望EDNS；電站少供(或受阻)電量期望EENS。

(3)評(píng)價(jià)安全性指標(biāo)。一臺(tái)至多臺(tái)機(jī)組被解列的概率Prob和頻率Froq；一條至多條線路被解列概率Prob和Freq。

鑒于本電站電氣主接線中各元件的故障在許多情況下都不獨(dú)立，且電站在發(fā)生故障后，運(yùn)行人員需通過(guò)一系列的優(yōu)化操作，使電站恢復(fù)運(yùn)行或減少電站出力受阻；因此需要針對(duì)不同階數(shù)事件建立不同的馬爾可夫模型，反映這些事件發(fā)生后電站的狀態(tài)轉(zhuǎn)移情況。根據(jù)這些轉(zhuǎn)移情況獲得子狀態(tài)出現(xiàn)的概率、頻率及出力受阻值，繼而按概率累計(jì)形成所需要的可靠性指標(biāo)。

另外，電站的基本事件有短路故障、斷路故障、拒動(dòng)和計(jì)劃?rùn)z修等，而當(dāng)這些事件或這些事件組合發(fā)生時(shí)，只考慮導(dǎo)致電站出力受阻事件，因?yàn)闊o(wú)需建立無(wú)出力受阻的事件的馬爾可夫模型。因此，對(duì)于上述各種事件及組合發(fā)生時(shí)，可建立統(tǒng)一的n+2馬爾可夫模型來(lái)描述，如圖1所示。

圖1 n+2馬爾可夫模型

其中λEa(Fi)、λEp(Fi)、μE(Fi)分別為與失效事件Fi相關(guān)的等效短路故障率、等效斷路故障率和等效修復(fù)率。對(duì)于不同的失效事件，其計(jì)算公式亦不同。根據(jù)圖1的狀態(tài)空間可得出如下方程組：

(1)

式中：Xk為第k個(gè)元件被切換的切換率；pj為子狀態(tài)j發(fā)生的概率。

由上述方程組(1)可解出：

(2)

對(duì)于失效事件Fi發(fā)生時(shí)電站出力受阻的概率和少供電量的期望值可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(3)

(4)

式中：DNSj——失效事件Fi發(fā)生時(shí)第j個(gè)子狀態(tài)電站出力受阻的大?。?/p>

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處于正常狀態(tài)的概率之積。

設(shè)所測(cè)試范圍的電站主接線失效事件為F，則可得到電站主接線可靠性指標(biāo)的計(jì)算公式：

LOLE=8760×LOLP

其它可靠性指標(biāo)的計(jì)算可類似地進(jìn)行。

3 技術(shù)可靠性計(jì)算結(jié)果分析

高壓配電裝置采用GIS的5種電氣主接線計(jì)算結(jié)果如表所示。從表中可知，方案4是在方案1的基礎(chǔ)上取消發(fā)電機(jī)斷路器，由于元件數(shù)量減少，供電連續(xù)性和充裕性有所提高。但從供電可靠性指標(biāo)看，送電線路失去電源的頻率以及3臺(tái)、4臺(tái)機(jī)組解列的頻率有所抬高?？紤]到設(shè)置發(fā)電機(jī)斷路器后，可以方便地進(jìn)行機(jī)組開停操作，可以從500kV及220kV系統(tǒng)倒送廠用電源，還能及時(shí)快速地切除主變壓器的內(nèi)部故障，避免事故擴(kuò)大。此外，500kV側(cè)采用3/2斷路器接線，如果沒有發(fā)電機(jī)斷路器，在機(jī)組開、停操作中，均需要操作2臺(tái)500kV斷路器，并造成高壓側(cè)的開環(huán)，為避免開環(huán)運(yùn)行，還需要進(jìn)行500kV隔離開關(guān)的倒閘操作，恢復(fù)斷路器的閉環(huán)運(yùn)行，整個(gè)操作過(guò)程環(huán)節(jié)多，操作復(fù)雜。因此不予推薦該方案。

表3 五種電氣主接線方案計(jì)算數(shù)據(jù)

方案5為單元接線，未設(shè)置發(fā)電機(jī)斷路器。由于斷路器的數(shù)量減少，供電連續(xù)性和充裕性指標(biāo)基本有所提高，但送電線路失去電源的頻率以及3臺(tái)、4臺(tái)機(jī)組解列的頻率也大幅度抬高?？紤]到發(fā)電機(jī)斷路器應(yīng)用的長(zhǎng)處，不予推薦該方案。

對(duì)方案1、方案2及方案3計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，方案1指標(biāo)最優(yōu)，方案3其次，方案2最差。而方案3(四角形接線GIS)在投資方面較方案1(3/2接線GIS)省，可靠性雖稍有降低，但較為經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié) 論

通過(guò)以上技術(shù)可靠性比選研究，方案1指標(biāo)最優(yōu)；但從投資的經(jīng)濟(jì)性角度而言，方案3較方案1投資較省，性價(jià)比較高。綜合技術(shù)可靠性與投資經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行比選研究，推薦本電站主接線采用方案3：發(fā)電機(jī)—變壓器采用聯(lián)合單元，500kV系統(tǒng)采用四角線接線方式。

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，江蘇南京人，武漢二中學(xué)生。

袁愛玲(1965-)，女，湖北浠水人，高級(jí)工程師，大學(xué)，主要從事水電站電氣一次工程的設(shè)計(jì)與研究工作。

TM712

B

1673-0496(2017)02-0021-03

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