基于Paladin DesignBase的配电网可靠性评估与分析

赵绪杰 吉兴全 李可军 孙 莹

（1. 山东科技大学信息与电气工程学院，山东 青岛 266510;2. 山东大学电气工程学院，济南 250061）

基于Paladin DesignBase的配电网可靠性评估与分析

赵绪杰1吉兴全1李可军2孙 莹2

（1. 山东科技大学信息与电气工程学院，山东 青岛 266510;2. 山东大学电气工程学院，济南 250061）

以Paladin DesignBase为仿真平台对配电系统进行可靠性分析。相比传统的电力系统分析软件而言，Paladin DesignBase软件操作界面更加直观，功能更齐全，不仅能够进行电力系统各种静态的计算和分析，还能提供动态的仿真分析。首先简述了该软件的主要功能及特点，然后重点阐明了以它为仿真工具进行可靠性分析的基本步骤及可靠性指标。最后通过一个实际配电系统的例子说明了在设备可靠性参数的输入、可靠性指标的计算以及结果输出等方面的特点。

配电网；Paladin DesignBase；可靠性

随着社会发展和生活水平的不断提高，用户对电力的需求越来越大，同时对供电可靠性要求也越来越高。而配电系统置于电力系统的末端，是电力系统与用户联系、向用户供应电能、分配电能的重要环节。一旦配电系统设备发生故障或进行检修、试验就会同时造成系统向用户供电的中断。因此近年来，配电网可靠性问题日益受到重视。

近年来国内外陆续开发出多种用于可靠性分析的综合仿真工具，如PTI公司开发的PSS/ADEPT[1]、OTI公司研发的 ETAP软件，以及清华大学编制的DSRE-TH软件[2]。这些工具各具特色，可靠性分析的方法、功能和应用场合不尽相同，为便于比较，本文将美国Power Analytics（简称PA）公司开发的Paladin DesignBase软件应用于配电网的可靠性分析中，结合实际的配电系统，对其可靠性进行评估和分析，并通过仿真过程和计算结果来呈现该软件在配网可靠性评估中的应用。

1 Paladin DesignBase软件介绍

Paladin DesignBase是世界顶级的电力系统设计和仿真分析软件平台，并能与 PA公司的 Paladin Live实时在线系统进行无缝连接，实现对电力系统的实时监测、控制和维护。它提供了功能全面的图形编辑器，用户可以利用它很方便地建立电气系统的单线图，其图型用户界面如图1所示。

图1 Paladin DesignBase图型用户界面

Paladin DesignBase软件包含几十个功能模块，配合后台数据库，用户可以方便地对电力系统进行各种分析和优化，模块按功能可以分为两类：基本功能模块和优化功能模块，基本功能包括：短路计算与分析、潮流计算与分析、保护设备整定计算、电动机起动分析等；优化功能主要包括：电能质量分析和控制、动态特性仿真、电力系统优化（PSO）及可靠性分析与负载能力等，下面对其主要模块做简要说明。

1）短路计算与分析

Paladin DesignBase遵循多种国际计算标准（如IEC60909、IEC61363等），可计算电力系统出现的各种对称和不对称故障电流，包括三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路、传输线路故障、断线故障和三相不平衡故障。

2）潮流计算与分析

Paladin DesignBase潮流计算程序根据系统给定的运行条件，对系统的运行状态进行仿真。可以计算输出系统中所有母线（节点）的电压幅值和相位，所有线路的功率分布和功率损耗，自定义电压超限报告和支路负载超限报告等。针对不同复杂程度和层级的电力网络，例如输电网、配电网、工业企业电力网或其组合系统，Paladin DesignBase提供不同的计算方法，如快速解耦法、牛顿拉夫逊法、混合法和高斯赛德尔法等，并且提供三种自动电压控制方式，即变压器抽头调节、发电机电压调节和静态无功补偿调节。

3）高级暂态稳定性分析

Paladin DesignBase高级暂态稳定性程序采用时域仿真法，应用数值积分方法对描述暂态过程的微分方程和代数方程组进行求解。可以模拟多种扰动事件（包括短路故障、支路增加或切除、发电机投入或切除、起动或停止电动机、电动机负载变化、负载投入或切除等），仿真电力系统由于扰动带来的运行状态的动态变化过程（包括功角、电压、频率、功率和阻抗等），并给出系统稳定性安全指数（0～100），指数值越大表示系统经受扰动的安全稳定性越高。

4）可靠性与负载能力分析

利用该模块可以实现区域可靠性分析、输配电可靠性分析、负荷预测等。电力系统的可靠性可以分为两个基本的类别：系统的充裕性和系统的安全性。Paladin DesignBase只对系统的充裕性进行评估。

2 配电网可靠性评估方法及可靠性指标

2.1 配电网可靠性评估方法

综合目前可靠性研究领域的已有成果，电力系统可靠性的分析方法有解析法、模拟法、混合法和人工智能算法四大类。其中解析法和模拟法是目前常采用的两种主要方法。

1）解析法

解析法基于马尔可夫模型[3]，利用系统的结构和元件的功能以及两者之间的逻辑关系，建立可靠性概率模型，通过递推和迭代等过程对该模型精确求解，从而计算可靠性指标，其优点在于采用了严格的算法和精确数学模型，物理概念清楚，因此计算可信度高，在实际工作中这种方法使用的最多。但随着元件数的增多，计算量呈指数增长，当系统规模大到一定程度时，这种方法使用起来较困难。根据具体处理方式的不同，解析法[4]又进一步分为状态枚举法、故障模式与后果评估法、故障树分析法、频率和持续时间法、最小割集法等。

Paladin DesignBase可靠性分析程序正是采用状态枚举法[5]作为程序计算方法。状态枚举法建立在 Markov模型的基础之上，它通过具体分析元件各状态对配电系统状态的影响，列出所有的系统状态，确定状态间的转移模式和转移率，由故障判据判定系统工作状态和故障状态，求得系统的可靠性指标。

2）模拟法

蒙特卡罗模拟方法是一种以概率统计理论为基础的数值计算方法，该方法结合了故障树的分析技术，是对系统进行可靠性预测分析的有效的途径。由于它属于统计的试验方法，它的实现方式较为直观，易于被工程技术人员掌握和理解，通常它可以预测到一些人们预料之外的事故，而且该方法的采样次数与系统的规模无关，对于较为复杂的系统进行可靠性评估时具有更为优越的特性。但其计算精度往往受到各种因素的限制。为获得较高精度的可靠性指标，采用蒙特卡洛模拟法时极易出现模拟很长时间也采集不到所需系统状态的情况。

2.2 配电网可靠性评估分析指标

Paladin DesignBase可靠性分析程序将电力系统的可靠性指标划分三组，即负荷点指标、支路过负荷指标、和整个系统可靠性指标。

式中，Pj和fj分别为预想事故j发生的概率和频率，Pkj为母线 k的负荷超出最大允许负荷的概率，Lkj为由于预想事故j而使母线k削减的负荷，Dj为由于预想事故 j导致切负荷而持续的时间， j∈LC表示所有导致切负荷的预想事故。

2）支路过负荷指标

支路过负荷指标是基于校正措施实施前的过负荷量来计算的，对每条支路，其过负荷指标计算如下。

式中，Plj为支路l的功率越限的概率；Olj为由于预想事故j导致的支路l的过负荷量；j∈OL为所有导致支路过负荷的预想事故。

3）系统可靠性指标

系统停电指标（Bulk Power Interruption Index,BPII）表示整个供电系统的负荷在一年内的停电次数，计算如下：

式中，LS为系统的总负荷（MW）。

平均每次停电的损失负荷（MW）表示如下：

系统削减电量指标BPECI（Bulk Power Energy Curtailment Index）按下式计算：

程序还采用了一种修改的系统削减电量指标MBPECI（Modified Bulk Power Energy Curtailment Index），表示如下：

电力不足概率LOLP（The Loss of Load Probability）表示由于故障停运而引起供电能力不足造成用户停电的概率，计算如下：

电力不足期望值 EPNS（Expected Power Not Supplied）表示由于供电不足而造成对用户停电损失的期望值，计算如下：

电量不足期望值 EENS（Expected Energy Not Supplied）表示由于供电不足造成用户减少用电量的期望值，计算如下：

3 Paladin DesignBase软件建模与可靠性计算流程

3.1 构建系统网络模型

Paladin DesignBase软件在进行可靠性计算分析之前，首先需要构建一个图形与数据结合的系统单线图模型。利用单线图绘制网络，可以直接将工具栏上或者元件库中的电力元件拖拽到绘图区，元件连接处自动捕捉，到出现提示“Connect to Socket”证实连接完成，如图2所示。

图2 元件连接示意图

网络搭建完成后需要设置可靠性参数， Paladin DesignBase中的元件包括线路、电缆、电源、发电机、隔离开关、断路器、变压器和负载等。由于采用图形化的数据编辑界面，故各元件输入参数的方法大致相同。通过双击元件图标会弹出元件数据输入对话框，用户需要提供故障率或者故障的平均时间，故障修复率或者平均修复时间，需要的可用率等基本参数。各参数输入完成以后，点击工具栏上的可靠性程序图标“Analyze”按钮来启动可靠性评估仿真，仿真完成后程序会输出计算报告。

3.2 可靠性计算流程

Paladin DesignBase可靠性分析程序采用状态枚举法评估配电系统的可靠性。对每种预想事故，程序通过潮流计算确定系统状态，从而发现系统缺陷并评估恢复措施的效果。其基本步骤如下。

1）输入数据及数据处理。

2）对系统基本状态进行仿真计算。

3）判断基本状态是否满足可靠性条件，若不满足则退出程序。

4）顺序取出一条预想事故，并进行仿真计算。

5）若为发电机事故，则对其它机组进行重新组合和调度。

6）对当前系统进行潮流计算。

7）判断系统状态是否在允许范围，若不在允许范围，则采取恢复措施。

8）计算可靠性指标。

9）判断预想事故是否已枚举完毕，若未完毕，转到步骤4）。

10）输出结果。

4 应用算例分析

利用Paladin DesignBase可靠性计算程序，基于状态枚举法对一个双电源供电的 10kV简单辐射状配电系统进行可靠性计算，并对结果进行分析总结。

4.1 配电网可靠性计算应用举例

图3所示为一双电源供电的10kV简单辐射状配电系统[6]。假定保护装置完全可靠，电源出口安装断路器，用户负荷由供电干线经变压器和装有熔断器的分支线供电，该系统由1条主馈线，16条架空线路，30个节点，8个负荷点，8个熔断器，以及8个用户变压器构成。

图3 简单辐射状配电系统单线图

元件可靠性参数可依据中国电力可靠性管理年报来确定。计算需用到的参数包括变压器、断路器、隔离开关、架空线等四类设备的4个基本参数：故障率、平均修复时间、计检率、计检平均时间。表1列出了系统中主要元件的可靠性原始参数[7]。设熔断器 100%可靠熔断，当任意线路元件发生故障停电或者发电机停运时，对配电系统进行可靠性分析计算。

表1 可靠性原始参数

4.2 运行结果分析

依据设备可靠性参数，通过可靠性分析程序的仿真计算，可得到该配电系统的详尽的可靠性指标，结果如表2至表5所示，分别为干扰事件统计指标、系统可靠性指标、负荷点可靠性指标、和支路过负荷指标。

表2 干扰事件统计指标

表3 系统可靠性指标

表4 负荷点母线指标期望值

根据算例结果可知应用 Paladin DesignBase的配网可靠性分析程序可以很好的实现对电网的可靠性分析研究，不仅输入参数和输出结果直观形象，而且输出内容丰富，包括了系统、负荷、支路三类可靠性指标，因此完全满足对配电网可靠性分析的需要。表6列出了Paladin DesignBase与另一可靠性分析程序PSS/ADEPT对同一算例系统的对比结果，可知由该软件得到的计算结果与其他软件结果很接近[8]，且PA仿真计算的速度具有一定优势。

表5 支路过负荷指标

表6 不同可靠性分析软件的结果对比

5 结论

本文将 Paladin DesignBase可靠性分析程序应用于中低压配电网的可靠性分析中，简要介绍了该软件的系统模型构建、参数输入及程序的计算流程，由于该程序考虑的因素和计算指标较为全面，数据库功能完善，人机交互界面友好，并且计算速度快，结果精确。因此它完全满足复杂的高压配电网可靠性分析的需要，逐渐受到电气设计人员的青睐。该软件目前存在的不足之处主要是可靠性评估的计算时间将随着偶发事件的增多而急剧增大，但用户可以通过选择和设定重叠停运的标准来减少偶发事件的数量。

[1] 朱金花，徐政. 基于PSS/ADEPT的配电网可靠性分析[J]. 电气应用, 2006, 25(7): 49-52.

[2] 杨晓东，栗然. 配电网可靠性评估算法[J]. 电力环境保护, 2002, 18(4): 33-36.

[3] 李朝顺. 电力系统可靠性评估方法的分析[J]. 电力勘测设计, 2009, 10(5): 53-57.

[4] BILLINTON R, BILLINTON J E. Distribution System Reliability Indices [J]. IEEE Trans on Power System,1989, 4(2): 470-490.

[5] 郭如春. 分布式发电对配电网的影响[D]. 天津：天津大学, 2010.

[6] 林家玲. 城市10kV配电网接线方式探讨[J]. 广东电力, 2009, 22(3): 80-83.

[7] 郭永基. 电力系统可靠性分析[M]. 北京：清华大学出版社, 2003.

[8] BILLINTON R, ALLAN R N. Reliability assessment of large electric power systems[M]. Kluwer Academic Publishers, 1988.

Reliability Evaluation and Analysis of Distribution System Based on Paladin DesignBase

Zhao Xujie1 Ji Xingquan1 Li Kejun2 Sun Ying2
(1. College of Electrical and Information Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266510;2. College of Electrical Engineering, Shandong University, Ji’nan 250061)

Distribution system reliability is analyzed based on Paladin DesignBase simulation platform in this paper. As a powerful and easy-to-use tool in comparison with the traditional power system analysis software, Paladin DesignBase not only can be used in power system static analysis, but also in dynamic simulation analysis. Firstly the main functions and features of Paladin DesignBase are presented. Then the basic steps of reliability analysis are illustrated, and the reliability indices given by Paladin DesignBase are listed. Finally, the reliability of an actual distribution system is calculated for illustrating the characteristics of Paladin DesignBase in such aspects as inputting of reliability parameters, computation of reliability indices and results outputting etc.

distribution network; Paladin DesignBase; reliability

赵绪杰（1987-），男，硕士研究生，研究方向为电力系统配电网仿真。