电气工程学报, 2017, 12(2): 48-50 doi: 10.11985/2017.02.008

工程技术

多元件并列运行电力系统供电可靠性评估方法

袁炜灯1, 吴杰康2, 郑风雷1, 吴志山2, 黄强1

1. 广东电网有限责任公司东莞供电局东莞 523008

2. 广东工业大学自动化学院广州 510006

A Probability Assessment Method for Power Systems With Multiple Devices in Parallel

Yuan Weideng1, Wu Jiekang2, Zheng Fenglei1, Xu Zhiqiang2, Huang Qiang1

1. Dongguan Power Supply Bureau Guangdong Power Grid Corporation Dongguan 523008 China

2. Guangdong University of Technology Guangzhou 510006 China

收稿日期: 2016-03-26   网络出版日期: 2017-02-15

基金资助: 国家自然科学基金项目.  50767001
广东自然科学基金项目.  S2013010012431,2014A030313509
广东省公益研究与能力建设专项资金项目.  2014A010106026
中国南方电网有限责任公司科技项目.  K-GD2014 -194

Received: 2016-03-26   Online: 2017-02-15

作者简介 About authors

袁炜灯,男 1982年生,高级工程师,主要从事电力系统及其自动化方面的工作。

吴杰康,男 1965年生,教授,博士生导师,研究方向为电力系统运行与控制。

摘要

针对多条线路、多台变压器并列而成的供电系统结构特征和运行特性,提出了多线路、多变压器并联系统供电可靠性评估方法。在根据统计数据确认线路和变压器故障均服从指数函数分布的基础上,采用概率分析方法,分别对多条线路并列系统、多台变压器并列系统进行建模,确定多线路、多变压器并列系统可靠度、故障率和失效率。以东莞电网500kV横沥变电站和东莞变电站为例,计算结果表明多线路、多变压器并列的供电系统供电可靠度非常高,但随着运行年限的增加将逐渐减小。

关键词： 500kV变电站 ; 多线路 ; 多变压器并联系统 ; 供电可靠性评估 ; 故障率失效率

Abstract

Based on characteristics in construction and operation, a probability assessment method for supply systems with multi-lines and multi-transformers in parallel is proposed in this paper. Using the probability analysis method, a probability model for multi-lines parallel systems and multi-transformers parallel systems is studied on the basis of such hypothesis as that the power transformer and transmission line fault is subjective to exponential function distribution, and the reliability, fault rate, loss efficacy rate of supply systems with multi-lines and multi-transformers in parallel is determined. The 500kV substation in Hengli and Dongguan is taken for an study example, and the result shows that it is high in the probability supply systems with multi-lines and multi-transformers in parallel, however it will be decreasing with the operation period being increasing.

Keywords： 500kV substation ; supply systems with multi-lines and multi-transformers in parallel ; supply probability assessment ; fault rate ; loss efficacy rate

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本文引用格式

袁炜灯, 吴杰康, 郑风雷, 吴志山, 黄强. 多元件并列运行电力系统供电可靠性评估方法. 电气工程学报[J], 2017, 12(2): 48-50 doi:10.11985/2017.02.008

Yuan Weideng. A Probability Assessment Method for Power Systems With Multiple Devices in Parallel. Journal of Electrical Engineering[J], 2017, 12(2): 48-50 doi:10.11985/2017.02.008

1 引言

电网中设备串联和并联对供电可靠性有极大的影响[1,2]。变电站中,高压母线接入多条进线,形成多条线路并列运行的进线结构;在高低压母线之间接入多台变压器形成多台变压器并列运行的变电结构。这种由多条线路、多台变压器并列而成的供电系统,其可靠性将得到大幅提升。

变压器和线路等设备的自身特性影响系统可靠性,这些设备的连接关系对系统可靠性也有很大的影响。变电站作为供电系统中最重要的环节,其可靠性一直是业界关注的重要内容[3],许多方法获得了好的效果并得到实际应用,如模拟法[4]、解析法[5,6,7,8,9,10]、多状态模型评估算法[11,12,13]等,其中模拟法和解析法这两种方法已应用于检修决策[14,15]。电力系统可靠性的其他评估方法,如重要抽样算法[16]、卷积计算方法[17]、运行可靠性评估方法[16,17,18,19,20,21]、故障模式后果分析法[20]、最小路最小割集法[21]、网络等值法、故障扩散法[22,23,24,25]等,对于多条线路、多台变压器并列而成的供电系统供电可靠性评估也有所借鉴。但是,多条线路、多台变压器并列而成的供电系统有其自身的结构特征和运行特性,因此其供电可靠性评估也需要探寻针对性的方法。

本文针对多条线路、多台变压器并列而成的供电系统结构特征和运行特性,采用概率分析方法,分别对多条线路并列系统、多台变压器并列系统进行建模,确定多线路、多变压器并列系统故障率和失效率。

2 多元件并列系统可靠性

多条线路、多台变压器并列而成的供电系统有其自身的结构特征和运行特性,其结构特征是指供电系统的进线数量为两条及以上,而且分别与不同电源点或无穷大系统相连接;连接供电系统高低压侧的变压器数量为两台及以上,而且多台变压器可以通过开关连接于不同高压或低压母线,实现并列或单独运行;其运行特性是指多台变压器可以根据其与母线连接形式、负荷需求水平及供电可靠性要求对多台变压器运行调整为并列或单独方式,多条线路也可以根据其与不同电源或系统的连接关系以及与高压母线的连接形式对其运行方式进行调整。在大型电网110kV、220kV、500kV变电站中,通常会有8条进线、4台主变压器,构成具有不同结构特征和运行特性并由多条线路、多台变压器并列运行的供电系统。不同结构状态和不同运行方式会影响供电系统的供电可靠性水平。因此,采用现有可靠性分析和评估方法,对具有不同结构特征和运行特性并由多条线路、多台变压器并列运行的供电系统供电可靠性进行针对性分析,有明显的必要性。

2.1 并列线路系统的可靠性

本文考虑由NL条线路L1、L2、L3、…、LNL和NT台变压器T1、T2、T3、…、TNT并列运行构成的供电系统,如图1所示。

图1

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图1   多条线路、多台变压器并列运行的供电系统

Fig.1   A supply system with multi-lines and multi-transformers in parallel


图2

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图2   500kV横沥变电站多线路、多变压器并联系统

Fig.2   The supply system with multi-lines and multi-transformers in parallel in 500kV Hengli station


假设给出第i条输电线路的故障概率密度函数fLi(t),则每条输电线路对应的分布函数FLi(t)为

每条输电线路的可靠度函数为

NL条并联运行输电线路所组成的进线系统的可靠度函数RSL(t)为

假设输电线路故障概率密度函数服从指数分布,即

可得并联输电线路的可靠度与失效率为

若每条输电线路故障率相同,则并联输电线路的可靠度与失效率为

2.2 并列变压器系统的可靠性

如果给出第n台变压器的故障概率密度函数fTn(t),则每台变压器对应的分布函数FTn(t)为

每台变压器的可靠度函数为

对于NT台并联运行的变压器,可靠度函数RST(t)为

假设变压器故障概率密度函数服从指数分布,即

可得并联变压器的可靠度与失效率为

若每台变压器故障率相同,则并联变压器的可靠度与失效率为

2.3 多线路、多变压器并列系统的可靠性

系统是由线路与线路之间并联、变压器与变压器之间并联、线路与变压器串联构成,并且线路之间、变压器之间及线路与变压器之间相互独立,则系统的故障概率密度函数f(t)为

系统的故障概率分布函数F(t)为

系统的可靠度函数RS(t)为

系统的失效率λS(t)为

3 实例计算与分析

3.1 500kV横沥变电站可靠性评估

对于多线路和变压器的并联系统的可靠性分析,以东莞电网500kV横沥变电站为例。500kV横沥变电站有6条500kV输电线路,分别为横东甲乙线、穗横甲乙线、博横甲乙线。变电站有4台容量为1 000MV·A的变压器,如图2所示。

假设500kV输电线路的故障率为0.153次/（年·100km）,变压器的故障率为0.031 8次/年。对横沥变电站运行10年期间系统的可靠性指标,如可靠度、失效率及平均失效率,进行评估,其数据见表1、图3~图5。

表1   500kV横沥变电站在不同运行年限上的供电可靠性

Tab.1  The supply reliability of 500kV Hengli station in different operation year

运行
年限
/年		并联线路并联变压器系统
可靠度失效率
/(次/年)		平均失效率
/(次/年)		可靠度失效率
/(次/年)		平均失效率
/(次/年)		可靠度失效率
/(次/年)		平均失效率
/(次/年)
10.999 9920.000 0450.000 5520.999 9990.000 0040.000 0470.999 9910.000 0490.000 599
20.999 6640.000 8610.000 5110.999 9860.000 0280.000 0380.999 6500.000 8890.000 549
30.997 5130.003 9290.000 4900.999 9310.000 0870.000 0380.997 4450.004 0160.000 528
40.990 8020.010 0960.000 4820.999 7960.000 1910.000 0340.990 6010.010 2870.000 516
50.976 6390.019 1110.000 4800.999 5330.000 3450.000 0310.976 1830.019 4560.000 510
60.953 0240.030 0800.000 4720.999 0900.000 5510.000 0280.952 1570.030 6320.000 500
70.919 3290.041 9930.000 4700.998 4140.000 8110.000 0270.917 8710.042 8030.000 496
80.876 2240.054 0150.000 4680.997 4540.001 1210.000 0260.873 9930.055 1360.000 493
90.825 3200.065 5740.000 4670.996 1630.001 4790.000 0240.822 1530.067 0530.000 492
100.768 7320.076 3300.000 4660.994 4940.001 8810.000 0240.764 5000.078 2110.000 491

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图3

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图3   500kV横沥变电站供电可靠度

Fig.3   The supply reliability of 500kV Hengli station


图4

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图4   500kV横沥变电站运行失效率

Fig.4   The operation disability of 500kV Hengli station


图5

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图5   500kV横沥变电站运行的平均失效率

Fig.5   The operation average disability of 500kV Hengli station


由表1及图3~图5可知,由于变压器的故障率小于线路,故500kV横沥变电站变压器并联后的可靠度、失效率以及平均失效率比并联线路的低。变电站是由多条并联线路和多台并联电压器串联而成,故其各项可靠性指标都略低于并联线路与并联变压器。

随着运行年限的增加,多线路、多变压器并联线路的可靠度会随之降低,失效率会随之增加,运行年限越长,其各可靠性指标下降得越明显。如500kV横沥变电站运行年限为1年时,其供电可靠度为0.999 991,失效率为0.000 049次/年,当运行年限达到5年时,其供电可靠度降为0.976 183,失效率提高为0.019 456次/年。可知,为了保障变电站具有高的可靠性,应定期对线路与变压器进行检查与维修,降低其失效率。

3.2 500kV东莞变电站可靠性评估

500kV东莞变电站有8条输电线路,分别为福东甲乙线、鲲东甲乙线、东惠甲乙线、横东甲乙线,有4台容量为750MW的并联变压器,如图6所示。对其相关可靠性指标评估见表2、图7~9。

图6

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图6   500kV东莞变电站多线路多变压器并联系统

Fig.6   The supply system with multi-lines and multi-transformers in parallel in 500kV Dongguan station


表2   500kV东莞变电站在不同运行年限上的供电可靠性

Tab.2  The supply reliability of 500kV Dongguan station in different operation year

运行
年限
/年		并联线路并联变压器系统
可靠度失效率
/(次/年)		平均失效率
/(次/年)		可靠度失效率
/(次/年)		平均失效率
/(次/年)		可靠度失效率
/(次/年)		平均失效率
/(次/年)
11.000 0000.000 0010.000 1210.999 9990.000 0040.000 0470.999 9990.000 0050.000 168
20.999 9770.000 0800.000 0830.999 9860.000 0280.000 0380.999 9620.000 1080.000 121
30.999 6630.000 7080.000 0720.999 9310.000 0870.000 0380.999 5950.000 7950.000 110
40.998 0730.002 8000.000 0640.999 7960.000 1910.000 0340.997 8700.002 9910.000 098
50.993 3220.007 1620.000 0600.999 5330.000 3450.000 0310.992 8580.007 5070.000 090
60.983 0500.014 0290.000 0560.999 0900.000 5510.000 0280.982 1550.014 5810.000 085
70.965 1430.023 0440.000 0530.998 4140.000 8110.000 0270.963 6120.023 8550.000 080
80.938 3140.033 5170.000 0520.997 4540.001 1210.000 0260.935 9260.034 6380.000 078
90.902 3530.044 7030.000 0510.996 1630.001 4790.000 0240.898 8900.046 1810.000 075
100.858 0440.055 9680.000 0510.994 4940.001 8810.000 0240.853 3200.057 8480.000 075

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图7

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图7   500kV东莞变电站供电可靠度

Fig.7   The supply reliability of 500kV Dongguan station


图8

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图8   500kV横沥变电站运行失效率

Fig.8   The operation disability of 500kV Dongguan station


图9

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图9   500kV横沥变电站运行的平均失效率

Fig.9   The operation average disability of 500kV Dongguan station


对500kV东莞变电站各可靠性指标分析可知,其具有较高可靠性。如运行年限为1年时,多线路、多变压器并联线路的可靠度达到0.999 999,近似为1,失效率为0.000 005次/年,近似为0。可知在上级电源供电得到保证时,500kV东莞变电站供电可靠性较高,有利于保证供电的连续性。

对比500kV东莞变电站和横沥变电站相关可靠性指标可知,东莞变电站供电可靠性较横沥变电站的高。如运行年限为2年时,东莞变电站供电可靠度为0.999 962,失效率为0.000 108次/年,平均失效率为0.000 121次/年,而横沥变电站供电可靠度为0.999 650,失效率为0.000 889次/年,平均失效率为0.000 549次/年。可见,为了提高可靠性,可适当增加输电线路的条数或变压器的台数。

4 结束语

本文在考虑线路和变压器年故障率并假设变压器故障概率密度函数服从指数分布的基础上,对多线路、多变压器并列的供电系统进行概率分析,确定了多线路、多变压器并列的供电系统运行可靠度、失效率和平均失效率的评估方法。通过理论分析、仿真计算以及与历史数据的对比,得出如下结论：

（1）多线路、多变压器并列的供电系统供电可靠度非常高,可达到0.999 999,而只有单线路、单变压器的供电系统供电可靠度很难达到0.9。

（2）随着运行年限的增加,多线路、多变压器并列的供电系统供电可靠度将逐渐减小。这说明要保持多线路、多变压器并列供电系统较高的供电可靠度,就必须对线路和变压器进行必要的维修维护,甚至是更新。

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