可靠性理论在城市轨道交通供电系统中压环网分区设计中的应用

谢 红夏金凤张华志(.武汉轻工大学电气与电子工程学院,4004,武汉;.中车株洲电力机车有限公司,400,株洲; .中铁第四勘察设计院集团有限公司,4006,武汉∥第一作者,讲师)



可靠性理论在城市轨道交通供电系统中压环网分区设计中的应用

谢 红1夏金凤2张华志3
(1.武汉轻工大学电气与电子工程学院,430024,武汉;2.中车株洲电力机车有限公司,412001,株洲; 3.中铁第四勘察设计院集团有限公司,430063,武汉∥第一作者,讲师)

摘 要定性分析已难以满足城市轨道交通中压环网分区方案精细化设计要求,必须以定量分析作为评价或研究的基础。根据可靠性理论,采用马尔可夫状态空间法、最小路集法建立了城市轨道交通中压环网分区模型,结合具体工程对中压环网分区方案与车站变电所可靠性进行了定量分析。建议在前期设计时,应采用可靠性理论对年平均停运时间进行评估,以确定兼顾经济性和可靠性的中压环网分区方案。

关键词城市轨道交通;供电系统;可靠性理论;中压环网分区

First-author′s address School of Electrical&Electronic Engcneering, Wuhan Polytechnic University,430024, Wuhan,China

长期以来,一般仅从供电系统的运行方式、设备构成等方面对供电系统的可靠性进行定性的评估,很少采用量化数据进行分析。随着城市轨道交通(以下简称“城轨”)的重要性日益突出,简单的定性分析已难以满足精度要求,必须以定量分析作为评价或研究的基础。

目前,我国对城轨供电系统的可靠性研究还比较少,对各设备的基础可靠性数据还远不完善。然而,主变电所和中压环网设备均为电力通用产品,为此本文基于城轨供电系统自身特点同时借鉴电力系统相关研究成果,采用可靠性理论对中压环网分区方案与车站变电所可靠性进行定量分析,以确定兼顾经济性和可靠性的中压环网分区方案。

1　可靠性模型及评价指标

1.1可靠性简介

供电系统可靠性是指对系统按可接受的电能质量标准和所需电量不间断地向电力用户供应电力和电能量能力的度量。可靠性包括充裕度、安全性和供电连续性三个方面。由于城轨供电系统一般采用高可靠性设计,系统结构比较规整简洁,建成后系统稳定成型。城轨主变电所内主变压器及其他重要设备在设计中考虑了备用措施,向牵引变电所供电的中压环网电缆均设置2个回路,以保证不间断供电。基于城轨供电系统的这些特点,城轨供电系统的充裕度足可满足供电要求。所以,城轨供电系统可靠性应主要从安全性和连续性方面进行重点分析评估。

1.2可靠性研究方法

1.2.1单个设备的可靠性研究方法

对单个设备而言,其维修实际上是一个随时间变化的随机过程。一般是从正常工作状态转移到故障状态或者检修状态,再经过修复回到正常状态,如此往复循环下去。这种由一种状态转移到另一种状态的“状态转移”是随机的。在可维修设备的可靠性分析中,元件状态的转移概率只与现在时刻所处的状态有关,而与以前或有限次前所处的状态无关,这就是马尔可夫过程。因此,单个设备的可靠性研究可采用马尔可夫状态空间法。

大量的统计结果表明,电力系统的主要元件,如变压器、断路器、线路等子系统的寿命τ和检修时间T均服从指数分布或近似服从指数分布,因此电力系统中的状态转移率可近似地视为常数。系统的状态变化过程则构成了齐次马尔可夫过程。

在以往的可靠性分析中,变压器、母线这些功率元件一般采用三状态模型(正常、计划维修、故障后修复),断路器、隔离开关等操作元件一般采用计入设备拒动和误动的五状态模型。需要注意的是这些模型均基于继电保护装置完全可靠这一前提条件,实际上继电保护装置也可能会出现误动和拒动。本文在设备可靠性建模时,充分考虑了继电保护影响因素,通过将继电保护的故障反映到设备可靠性模型中的方法,从而在可靠性评估中计入继电保护的影响。考虑继电保护影响后,城轨主要电气设备,如母线、变压器、断路器等可靠性都可采用五状态模型进行评估,见图1。

图1　单个设备可靠性模型

1.2.2系统可靠性研究方法

由马尔可夫状态空间法可得各个元件的可靠性指标,而关于整个系统的可靠性,应综合计算各个元件可靠性指标。这些指标一般采用最小路集法来求解。

路集是从系统正常工作角度考虑问题的。网络图连接任意2个节点间弧的集合称为这两个节点间的一条路;由输入节点到输出节点的所有路的集合称为路集。如果一条路中移去任意一条弧后就不再构成路,则称这条路为最小路;由最小路构成的集合称为最小路集。

寻求最小路的方法有很多,比较常用的是邻接矩阵法。但是当网络节点数很大时,用邻接矩阵法求最小路集就需要较大的存储容量和计算工作量。稀疏矩阵技术对传统的搜索最小路方法进行了改进,通过定义特殊的矩阵乘法规则,用矩阵的乘法运算可完成对最小路的搜索过程,大大提高了计算效率。

1.2.3可靠性评价指标

城轨供电系统在广义上属于配电系统。其适用的可靠性评价指标主要有:年平均故障停运率λ;平均停运持续时间r;年平均停运时间U。

λ是指负荷点在一年中因元件故障而造成停电的次数,单位一般采用次/a。r是指从停电开始到恢复供电这段时间的平均值,单位采用h/次,可在一定程度上说明了停电事故发生后恢复供电的类型。U指负荷点一年内每次停电的时间总和,单位采用h/a,其值越大则该所的供电可靠性越低。

结合城轨供电系统的特点,推荐U作为可靠性的核心评价指标。

2　中压环网分区方案可靠性实例分析

2.1中压环网分区方案

根据国内中压供电系统建设和运行经验,现以某工程两个典型的中压环网供电方案进行分析。

2.1.1中压环网方案一(小分区)

网络接线详见图2。该方案两座主站从城市电网分别引入两回110 k V电源。正常运行时主变电所两台110/35 k V主变压器分列运行。低压35 k V侧采用单母线分段接线方式,并馈出35 k V电源给沿线牵引和降压变电所供电。车站牵引降压混合变电所或降压变电所采用单母线分段接线,各分区临近主变电所的牵引降压混合变电所或降压变电所的两段母线分别从主变电所的35 k V两段母线上引入一回电源,其他牵引降压混合变电所或降压变电所通过串接的方式从两段35 k V母线上引入二回电源。牵引变电所的两台整流机组接在同一段母线上构成24脉波整流,降压变电所的两台35/0.4 k V变压器分别接在两段35 k V母线上。

中压供电网络共分四个供电分区,每个供电分区内有3～4座变电所。这也是俗称“小分区”的分区方案。

图2　中压供电系统网络接线方案一

2.1.2中压环网方案二(大分区)

网络接线详见图3。该方案与方案一的区别在于供电分区的变电所个数,每个供电分区内有2～7座变电所。这也是俗称“大分区”的分区方案。

图3　中压供电系统网络接线方案二

2.2计算模型

中压环网分区方案可靠性计算可归纳为以下几步:①把整个电气主接线看作是一个由若干元件构成的系统,列出它所包括的元件。元件包括主变压器、断路器、母线、隔离开关、电缆等。②给出每个元件的可靠性参数如故障率、修复率和停运时间等。③建立网络图。④建立数学模型,求出到车站变电所之间的所有最小路。⑤计算可靠性指标,进行可靠性评价。

2.3典型运行方式

本次研究对以下典型运行方式可靠性进行了分析:①主变电所正常运行时,各车站变电所可靠性;②主变电所正常运行且一回35 k V电缆故障时,各车站变电所可靠性;③主变电所解列,由相邻主变电所支援供电时,各车站变电所可靠性。

2.4计算结果

各车站变电所年平均停运时间计算结果见表1和表2。由两表可知:在正常运行方式下,方案一可靠性最低的车站变电所年平均停运时间为0.497 3 h/a,方案二为0.704 1 h/a,可靠性约低40%。当主变电站与车站变电所间一回中压电缆故障时,与该中压电缆相关的分区内的车站变电所可靠性相应降低。在此种情况下,方案一可靠性最低的车站变电所年平均停运时间为0.994 8 h/a,方案二年平均停运时间为1.408 4 h/a。

当主变电所解列,由相邻主变电所支援供电时,方案一可靠性最低的车站变电所年平均停运时间为1.142 5 h/a,方案二年平均停运时间为1.349 3 h/ a,方案一可靠性依然高于方案二。

表1　中压环网分区方案一各车站变电所年平均停运时间　h/a

表2　中压环网分区方案二各车站变电所年平均停运时间　h/a

由此可见,与以往设计的定性分析相比,采用可靠性理论后,可对城轨供电系统中压环网分区方案进行定量分析。

3　结语

鉴于城市轨道交通在城市运输组织的地位日益突出,供电系统又是城市轨道交通的动力源泉,一旦发生停电事件,不仅造成地铁公司经济损失,且会造成一定的社会影响和损失。故在系统投资合理的前提下,中压环网分区方案应充分考虑车站变电所供电的可靠性。在前期设计时,应采用可靠性理论对年平均停运时间进行定量分析,以确定兼顾经济性和可靠性的中压环网分区方案。

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Reliability Theory Applied in the Design of Medium Voltage Network Ring Partition in Urban Rail Power Supply System

Xie Hong,Xia Jinfeng,Zhang Huazhi

AbstractQualitative analysis could not meet the requirements in the design of medium voltage ring network partition(MVRNP),so quantitative analysis should be used as the basis of evaluation and research.According to the reliability theory,Markov State Space method and the minimum path set method are used to establish a MVRNP model,a specific engineering for MVRNP scheme is combined with the substation reliability quantitative analysis at metro station.In the early stage of the design,reliability theory should be adopted for MVRNP scheme analysis and evaluation to determine both the economy and reliability of MVRNP scheme.

Key wordsurban mass transit;power supply sysfem;reliability theory;medium voltage network ring partition

(收稿日期:2014-04-03)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.017

中图分类号U 223.6