一种基于典型接线模式的城市复杂中压配电网的可靠性评估算法

张 顺，文承毅，何礼鹏，陈明帆，吕 懿，李琳玮

(1.中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，湖北 武汉 430071；2.海南电网有限责任公司，海南 海口 572023)

0 引 言

随着中国经济由高速增长阶段转向高质量发展阶段，全社会对电力的依赖程度越来越高，广大用户对供电可靠性提出了更高的要求[1-5]。因此，在进行配电网规划和建设时需把提高配电网供电可靠性摆在十分重要的位置。

配电网可靠性评估常用方法为故障模式后果分析法(failure mode and effect analysis,FMEA)。该方法通过对各元件状态失效事件进行分析，并确定对负荷点的影响，分析系统故障模式集合，最终形成负荷点及系统可靠性指标。FMEA法对简单配电网的可靠性评估较有效。但实际配电网中往往含有多种接线模式或复杂分支馈线的区域配电网系统，这种网络结构复杂、故障模式多，如直接用FMEA法搜索复杂系统所有元件的状态，随着元件数目的增多，系统故障模式将急剧增加，计算量呈指数增长[6-8]。

国内外已有较多文献针对复杂配电网供电可靠性计算做了深入研究。文献[9]结合复杂中压配电网结构特点，提出可靠性评估的快速分块算法；但其只适合开环运行的配电网，对闭环运行的配电网存在局限性。文献[10]根据复杂配电网特点将网络分块，将块等效为简单支路形成简化网络模型。文献[11]通过对配电网工作机理的分析，介绍了一种带有复杂分支馈线的配电网可靠性评估的网络等值法；但该模型未考虑含有较多主干馈线的大规模配电网可靠性评估简化问题。

复杂中压配电网架结构尽管含有较多复杂的分支馈线，但主干馈线基本是由典型接线构成，下面首先分析了城市复杂中压配电网的接线模式，将复杂配电网依据典型接线模式进行简化，将含有复杂分支馈线的网架结构转化为典型接线模式，同时将配电网系统供电可靠率的计算公式进行相应转化，形成了一种基于典型接线模式的复杂配电网可靠性评估算法。该方法有效解决了大型复杂配电网可靠性计算采用FMEA法所面临的故障模式多、计算量大的问题，对规划阶段的中压配电网可靠性评估具有较强的实用价值。

1 复杂中压配电网接线模式分析及简化

城市配电网一般由架空线和电缆线混合组成。通过分析国内外城市中压配电网结构可以发现，城市中压配电电网可以分为两层，上层为中压主干馈线，下层为分支馈线。主干线一般采用典型接线模式(分别为单环网、双环网、两供一备、三供一备、花瓣形接线)，分支馈线均呈辐射状。主干馈线常用接线方式见图 1。

中压配电网一般在馈线上每隔一定距离安装一个分段断路器，而含子馈线的复杂系统在子馈线入口处也会安装断路器。考虑到分支线入口处一般安装有熔断器(或负荷开关)，发生故障时熔断器动作，不影响网络其他部分，故将分支馈线连同分支馈线上的设备构成一个分支块。块内元件的故障后果相同且具有整体性，运行方式的变化不会打破块的结构。因此，为方便分析整个系统的可靠性，将每个分支馈线等效为一个负荷点。

图 1 中压配电网常用接线方式

图2为复杂配电网的化简流程。

图 2 复杂配电网等效网络

2 复杂中压配电网系统可靠性指标

文献[12]给出了中压配电网可靠性评估的相关指标，其定义及计算公式如下：

1)系统平均故障停电时间期望值，指供电系统用户在单位年度内的平均停电小时数，记作SAIDI，单位为h/(户·年)，计算公式为

(1)

式中：μi为负荷点i的年停电时间；Ni为负荷点i的用户数。

2)平均供电可靠率期望值，指在单位年度内，对用户有效供电总小时数期望值与单位年度总小时数的比值，记作ASAI，计算公式为

(2)

(3)

(4)

式中：SAIDIj为第j条主干接线的平均故障停电时间期望值；kj为接线模式负荷点占比，即第j条接线模式的用户数与全区域配网的用户总数的比值。

(5)

同样，系统平均供电可靠率期望值可做如下转化：

(6)

(7)

式中，ASAIj为第j条主干接线的平均供电可靠率期望值。

3 可靠性评估算法描述

利用前面介绍的模型简化方法将待评估系统简化为多种典型接线模式后，就可以典型接线为单位对系统进行可靠性评估。基于典型接线模式的复杂中压配电网可靠性评估算法可描述为：

1)读入原始数据；

2)统计数据，统计各典型接线模式所带用户数量，计算各典型接线模式负荷点占比；

3)网络简化，将带分支馈线的复杂中压配电网转化为典型接线的配电网；

4)利用FMEA法计算不同接线模式馈线的可靠性指标；

5)利用所提的复杂中压配电网可靠性指标计算公式计算系统可靠性指标。

因此经过上述分析，针对复杂中压配电网的可靠性评估可以简化为对几种典型接线的可靠性评估。需要说明的是，以上供电可靠性公式的转化过程是基于以下2个假设：

1)该区域的各主干馈线的相同设备的故障率和修复时间一致。这是因为对于某一特定地区的配电网来说，其设备水平、管理水平等对于不同的接线并无差异化。

2)该区域的分支馈线入口处需安装有熔断器或负荷开关，分支馈线的故障只对该馈线的可靠性有影响，对主干馈线的供电可靠性无影响。

4 算例分析

以某城区中压配电网为例进行仿真验证，图3给出了2018年该城区中压电网网架结构图。该城区共有10 kV线路42回，其中架空线路2回，电缆线路40回。从拓扑图可以发现，河西站、河口站、卓达站的部分10 kV线路为非典型接线，需将其简化为典型接线。可以发现，凤凰岛Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ线为分支线，可将其等效为负荷点，同样，凤西线和海岸线可以等效为负荷点；吉祥线、解放Ⅰ线、T12线、解放Ⅱ线、儿童线、通港II线构成较为复杂的非典型接线，依据等效原则，可将此6回线等效为3组单环网。简化后的拓扑图如图4所示。

图 3 某城区中压配电网等效网络

图 4 某城区中压配电网简化等效网络

对城区典型接线情况进行统计，结果见表 1所示。

根据电网公司调度运行日志，整理出城区的供电可靠性参数如表2所示。表中：λ1为单台设备或每公里线路故障率，次/(年·km)或次/(年·台)；λ2为单台设备或每公里线路预安排停电率，次/(年·km)或次/(年·台)；r1为设备或线路的平均故障修复时间，h/次；r2为设备或线路的平均预安排停电时间，h/次；s为平均故障隔离和倒闸切换时间，h。

表1 城区典型接线基本情况

表2 城区供电可靠性参数表

采用文献[12]所提供的FMEA法，分别计算出城区中压电网各典型接线模式的可靠性指标，结果如表 3所示。

表3 城区典型接线模式可靠性指标

根据表 3计算结果和式(7)，可计算得到该城区供电可靠率理论计算值为

ASAI =∑ASAIj×kj=99.960 8%

依据电网公司提供相关资料，2018年该市城区停电时间为3.36 h，转化为供电可靠率为99.961 6%，说明所提出的算法有效可靠。

5 结 论

在分析复杂配电网网络接线的基础上，出了一种基于典型接线模式的复杂配电网的可靠性评估算法。该算法首先将复杂配电网依据典型接线模式进行简化，然后计算各典型接线模型的供电可靠率，最后计算整个系统的供电可靠率。

该算法将含有分支馈线的复杂配电网转化为典型接线模式的配电网，简化了配电网拓扑结构，减少了计算量，对规划阶段的中压配电网可靠性评估具有较强的实用价值。