基于故障模式后果分析法的配网网架结构可靠性研究

张启亮， 刘倩影

(国网济宁供电公司， 山东 济宁 272000)

基于故障模式后果分析法的配网网架结构可靠性研究

张启亮， 刘倩影

(国网济宁供电公司， 山东 济宁 272000)

针对济宁太白湖区配电网供电能力有限、电网结构简单及配网管理薄弱等问题，对当前负荷利用自然增长法进行了预测，并详细论述了网架结构设计重要因素与可靠性，提出了基于故障模式后果分析法的太白湖区目标网架结构，并给出了现状网架向目标网架的过渡方案。通过分析所提方案实施后的效果，验证了开闭所供电模式下的目标网架结构具有较高的供电可靠性。

自然增长法；网架结构；可靠性；故障模式后果分析法；目标网架

电力系统中的发、输、变、配、用电环节中，配电环节可使远方输送来的电能分配至千家万户，决定了整个电力系统能否可靠运行。随着当今用户对电能质量要求的不断提高，配电网可靠性[1]的关注度显得尤其重要。因此，在配电网规划及改造中，提高网架结构的可靠性是电力行业中具有研究意义的课题。

针对2016年太白湖区负荷分配情况，在现阶段配网可靠性[2]分析基础上，并考虑当前电网结构、配网管理及供电能力等方面，采用自然增长法对太白湖区的近期、远景负荷进行预测并验证其有效性。为设计高可靠[3]的配电系统，论述了整体规划流程、网架结构设计等内容。最终，确定了太白湖区的目标网架结构，并给出现状网架向目标网架的过渡方案。通过对所提方案实施效果分析，验证了目标网架结构对于提高供电可靠性[4]的合理性。

1 负荷预测

综合考虑太白湖区的电力需求，在太白湖区现有负荷基础上，本着电力发展适度超前于经济社会发展的原则，利用自然增长率法对太白湖区2017-2030年的用电负荷进行预测。因太白湖区属于济宁北湖生态新城规划区域，发展空间较大，但负荷基数却较小，参考济宁城区负荷发展情况，确定了慢速增长期、快速增长期以及缓慢饱和期三个阶段，计算出负荷增长率处于8.3%～13.7%之间。

在城区负荷增长规律的基础之上，将太白湖区的年平均自然增长率确定为高、中、低三个档次，分别选取为12.02%、11.57%和11.23%。表1为自然增长率负荷预测情况。

表1 自然增长法负荷预测结果

Tab.1 Predication results of load in natural

growth method

MW

通过对比可知，采用中档方案，即济宁北湖区2030年远景用电负荷为376.96 MW，2017-2030年负荷年均增长率为11.57%。

2 配电网目标网架

2.1 现状网架

通过对比分析国内外实际应用情况，基于可靠性[5]的中压配电网网架结构优化方法的网架结构共有6种。其中架空网有2种，分别为多分段适度联络及多分段单联络；电缆网有4种，分别为单环式、双环式、多分支多联络和三环网T接。目前，济宁太白湖区网架结构较为单一，网架结构以单辐射网架结构[6]为主。

根据济宁太白湖区经济发展水平和不同目标网架结构的特点与适用范围，给出济宁太白湖区各供电区域与电缆网、架空网目标网架结构的对应关系，如表2所示。

表2 供电区域与架空、电缆目标网架结构 的对应关系表Tab.2 Relationship between power supply region and objective overhead structure and that between power supply region and objective cable structure

注：D1为单环网(异站)；D2为双环网；D3为N供一备；D4为多分支多联络；D5为三环网T接；D6为环网闭式。

2.2 目标网架结构

通过比较太白湖区的技术经济条件，得出现状网架向目标网架过渡的方案如图1、图2所示。重要负荷和大城市中心区线路优先设计。

图1 架空网的设计过渡方式Fig.1 Transmission mode designed for overhead network

图2 电缆网的设计过渡方式Fig.2 Transmission mode designed for cable network

通过分析中压配电网网架结构优化的备用线路配电自动化水平、线路分段和容量(联络)，得出如下结论：若手动操作分段开关，联络数最大宜为3～4个；若通过自动控制或远程控制，分段数宜为3～5个。

3 目标网架的可靠性研究

3.1 可靠性研究

中低压配电网路以环形网络开环运行为主，通常可将其作为辐射形系统处理。采取故障模式后果分析法(FMEA)作为可靠性分析方法，通过分析所有可能的元件失效或故障事故，找出系统的故障模式集合，确定对负荷点的影响，得出负荷点的可靠性[7]分析。在电力行业中，常利用用户平均断电时间(AIHC)、用户平均供电可靠性(RS)和用户平均断电频率(AITC)等参数作为基本的评估指标。中低压配电系统可靠性的评估指标很多，需依据实际情况来选择，为反映配电网路停运时的重要性和严重程度，通常选择RS作为评估指标，公式为

RS=(Tv/Ts)×100%

式中：Tv是统计期实际供电时间之和；Ts是统计期全部供电时间。

AITC =用户停电总次数/用户总数=∑λiNi/∑Ni，AIHC =用户停电持续时间总和/用户总数=∑UiNi/∑Ni，则

式中：Ni为负荷点i的用户数；ti为负荷点i的年平均停运时间。

在配电网络的可靠性分析计算中，通常采用的主体思路为：利用线路、环网开关、断路器、母线四类设备的故障率和平均修复时间，计算出因不同设备故障引起的停电用户数，并根据停电用户数计算出停电频率和供电可靠性。

1)母线故障时用户停电持续时间。线路母线在不同的模式下仅有一段，线路分段数量的影响可以忽略不计，其计算公式如下：

∑UiNi=λ1×N×r1

式中：λ1为母线的平均故障率(次/台×年)；N为线路总用户数；r1为母线的平均修复时间(小时/次)。

2)线路故障时用户停电持续时间。若线路发生故障，需要分析不同的分段故障。线路发生故障时，线路所带负荷不满足及时转移条件，因此，该条配电线路为单辐射且分三段情况时，若第一段发生故障，那么受影响的用户数为N，线路的平均修复时间为平均停运时间；同理，若第二段或第三段发生故障，受影响的用户数将分别为2/3N和1/3N，平均停运时间均为线路的平均修复时间，其计算公式总结如下。

单辐射时为

式中：R为线路的供电半径，km；num为线路的分段数；λ2为线路的平均故障率，次/km×年；r2为线路的平均修复时间，小时/次；t为线路的倒闸时间，小时/次。

单联络时为

其他各种接线模式情况下，可将故障后的不同设备转化为单辐射和单联络后，再分别进行计算。

3)断路器故障时用户停电持续时间。 本文所采取的理论计算模型中，设定每条10 kV线路仅对应一个出口断路器。正常运行状况下的断路器故障率通常选用拒动率来表示，本文设计中，断路器的拒动率取2.11%，同时断路器故障引起的用户停电是建立在线路停电的基础上的，因此其理论计算公式为

∑UiNi=λ2×R×N×r3×λ3

式中：λ2为线路的平均故障率，次/km×年；λ3为断路器的平均故障率，次/台×年；r3为断路器的平均修复时间，小时/次；R为线路的供电半径，km。

4)环网开关故障时用户停电持续时间。本文设计中，电缆线路上安装的环网柜设定为分段设备，架空线路上安装的负荷开关设定为分段设备。理论计算中，假设理论计算公式同样适用于电缆线路，并将负荷开关设为研究的对象。在不同的网络接线模式情况下，可将负荷开关故障时用户停电持续时间分为单辐射和单联络两种。

单辐射时为

单联络时为

[4×r4+(num-2)×t]

其他各种接线模式情况下，可将故障后的不同设备转化为单辐射和单联络后，再分别进行计算。

若负荷开关断路器、电缆线路或架空线路以及母线等设备同时发生故障，可采用AIH、AITC、CRS对应公式计算出平均停电时间和受影响用户数相应的可靠性指标的数值。

3.2 用电有效度

通过研究不同接线模式的计算结果，得到在不同负荷密度和变电站容量下各指标的变化趋势，目标网架结构下的用电有效度如图3、图4所示。

图3 变电站容量为2×50 MVA时可靠性Fig.3 Reliability as substation capacity is 2×50 MVA

从图3和图4中可以看出，在相同变电站容量情况下，电缆网络的各种接线模式可靠性指标由高到低的顺序为：“2-1”开闭所>“3-1”开闭所>双环网>两供一备>三供一备>四供一备>单环>单辐射。双环网接线和“N-1”接线之间的可靠性数值相差不多。

图4 变电站容量为3×50 MVA时可靠性Fig.4 Reliability as substation capacity is 3×50 MVA

4 结 论

本文利用自然增长法对当前负荷进行了预测，详细论述了网架结构重要因素与可靠性，提出了基于故障模式后果分析法的太白湖区目标网架结构，并得出目标网架结构只有在发生多重故障时，可靠性差别较大。通过综合分析比较，开闭所供电模式可靠性最高，单联络接线、分段两联络接线和分段三联络接线的可靠性数值相差不大。

[1] 周家启，任震．电力系统可靠性评估[M]．重庆：科学技术文献出版社重庆分社，1986. ZHOU Jiaqi，REN Zhen. Power system reliability assessment[M]．Chongqing: Chongqing Bureau of Science and Technology Literature Press，1986.

[2] 郭永基．电力系统可靠性分析[M]．北京：清华大学出版社，2003. GUO Yongji．Power system reliability analysis[M]．Beijing: Tsinghua University Press，2003.

[3] BILLINTON R，BILLINTON J E．Distribution system reliability induces[J]．IEEE Transaction on Delivery，1989，4(1):561-568.

[4] 刘柏私，谢开贵，马春雷，等．复杂中压配电网的可靠性评估分块算法[J]．中国电机工程学报，2005，25(4):40-45. LIU Baisi，XIE Kaigui， MA Chunlei, et al．The reliability of complex medium voltage distribution network evaluation partitioning algorithm[J]．Proceedings of the CSEE，2005，25(4):40-45.

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[6] LIANG X， GOEL L． Distribution system reliability evaluation using the Monte Carlo simulation method[J]．Electric Power systems research，1997, 40(2):75-83.

[7] 龚鹤强．中国配电系统用户供电可靠性管理及配网发展战略[D]．广州：华南理工大学，2001. GONG Heqiang．China's distribution system user power supply reliability management and distribution network development strategy [D]．Guangzhou: South China University of Technology, 2001.

(编辑 侯世春)

Study on distribution network structure reliability based on failure mode and effect analysis method

ZHANG Qiliang, LIU Qianying

(State Grid Jining Power Supply Company, Jining 272000, China)

As to problems such as limited power supply ability of distribution network, simple power grid structure and weak distribution network management in Taibai lake region, Jining, the current load is forecasted by using natural growth method and important factors and reliability in designing network structure are elaborated in detail. On the basis of all above, the objective network structure is proposed based on failure mode and effect analysis method and the scheme of make the transition from current to objective network structure is given. The effect after the implementation of the proposed scheme through analysis verifies that the objective network structure has more reliability in power supply under the mode of power opening or closing .

natural growth method; network structure; reliability; failure mode and effect analysis; objective network

2017-02-06。

张启亮(1987—)，男，硕士研究生，工程师，主要从事配网调度控制工作。

TM727.1

A

2095-6843(2017)03-0220-04