【文章內容簡介】 計和處理、系統(tǒng)可靠性的定量評定、可靠性和經(jīng)濟性的協(xié)調等多方面 內容，是一門邊緣學科，具有實用性、科學性和時間性三大特點。 可靠性在電力系統(tǒng)中的應用 電力系統(tǒng)可靠性問題的研究，目的是對整個電力系統(tǒng)進行可靠性評估。但現(xiàn)代電力系統(tǒng)是由發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)等組成的龐大復雜的大系統(tǒng)，目前只能是把發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)人為地分割開來進行可靠性研究，所以有發(fā)電系統(tǒng)可靠性、輸電系統(tǒng)可靠性、配電系統(tǒng)可靠性這樣的稱呼。 電力系統(tǒng)可靠性問題的研究有兩個方面的目的：一是為電力系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃進行長期可靠性估計；二是為制定每天或每周運行計劃而進行可靠性預測。這兩類問題研 究所需的數(shù)學模型和計算方法是不同，對短期可靠性的預測還處于探索階段同的，目前關于長期可靠性問題的研究已達到實用階段，因為短期可靠性的研究需要考慮電力系統(tǒng)穩(wěn)定性等問題，而這些問題都還不是很成熟。 6 目前研究電力系統(tǒng)可靠性的方法有兩種：一種是解析法，另一種是模擬法。這是兩種完全不同的方法，解析法是將元件或壽命的過程模型化，然后通過數(shù)學方法進行可靠性分析，計算出可靠性指標；模擬法也稱為蒙特卡洛法或仿真法，它是采用計算機仿真的方法，模擬元件或系統(tǒng)的壽命過程，并經(jīng)過規(guī)定的時間后進行統(tǒng)計，得出可靠性指標。 配電系統(tǒng)的特點 （ 1） 由于電力系統(tǒng)具有發(fā)供用的同時性，且配電系統(tǒng)處于電力系統(tǒng)的末端直接與用戶設備相連接。配電系統(tǒng)可靠性指標實際上是整個電力系統(tǒng)可靠性的綜合反映。因此，研究配電系統(tǒng)可靠性不僅要考慮配電系統(tǒng)機器設備自身的結構特性狀況，而且必須要考慮發(fā)輸變電等上級系統(tǒng)及設備以及用戶設備的結構特性狀況可能帶來的影響。 （ 2） 配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)向用戶供應電能和分配電能的最終環(huán)節(jié)，因此必須以改善和提高配電系統(tǒng)對用戶供電的能力和質量為目的。 （ 3） 配電設備是構成配電系統(tǒng)的基礎，配電系統(tǒng)的可靠性取決于配電設備的特性及其組合 的方式。配電系統(tǒng)的結構形式和運行方式是多種多樣的，有放射式結構、雙回路結構和多回路結構、雙電源結構、環(huán)形及網(wǎng)狀結構等，因此不同結構方式下相同設備故障的影響有所不同，必須對配電設備的特性數(shù)據(jù)進行連續(xù)的統(tǒng)計。 （ 4） 配電系統(tǒng)多采用冗余配置，即通過手動切換和自動切換可以對用戶提供不同的供電方式，不至于長時間停電。配電系統(tǒng)的一個特點是以環(huán)形網(wǎng)絡設計，以輻射狀或以弱環(huán)網(wǎng)運行，這個特點在眾多的配電系統(tǒng)軟件中用到，在配電系統(tǒng)可靠性評估中也要用到這個特點。 （ 5） 配電系統(tǒng)的主干線上常裝設有隔離刀閘，分支線的入口處常有熔斷器 。系統(tǒng)故障后，這些元件雖然無法直接隔離故障，但是在上層斷路器跳開后，可以通過轉換隔離開關和熔斷器對故障分支線的熔斷而達到盡快地恢復故障以外地區(qū)供電的目的。 7 配電可靠性概述 配電系統(tǒng)包括配電變電站、高低壓配電線路、饋線等網(wǎng)絡和設備。作為直接與用戶相連的部分，配電系統(tǒng)可靠性直接影響著用戶正常供電，其在安全、可靠以及經(jīng)濟供電方面發(fā)揮著重要作用。隨著經(jīng)濟結構調整、高新產(chǎn)業(yè)比重越來越大，用戶對供電可靠性的要求越來越高。 我國配電系統(tǒng)的電壓等級，根據(jù)《城市電力網(wǎng)規(guī)劃設計導則》規(guī)定，380V、 220V 為低壓配 電系統(tǒng)， 10kV， 6kV， 3kV 為中壓配電系統(tǒng)， 35kV、63kV、 110kV 為高壓配電系統(tǒng)， 220kV 及以上電壓為輸電系統(tǒng)。隨著主網(wǎng)架電壓等級的升高，存在著部分 220kV 線路演化為高壓配電主干的趨勢。 配電系統(tǒng)可靠性是指供電點到變電站、高低壓線路以及接戶線在內的整個配電系統(tǒng)及級別按可接受標準及期望數(shù)量滿足用戶電力及電能需求能力的度量。其實質就是研究直接向用戶供給電能和分配電能的配電系統(tǒng)本身及其對用戶供電能力的可靠性。配電系統(tǒng)直接與用戶相連接，具有特殊的運行方式。一旦配電系統(tǒng)或設備發(fā)生故障或進行檢修，試驗等 ，往往會同時造成對用戶供電的中斷，直到故障排除或修復，系統(tǒng)和設備恢復到原來的完好狀態(tài)再繼續(xù)供電。因此，在研究配電系統(tǒng)可靠性時，不僅要考慮設備的可靠性，還必須考慮系統(tǒng)排除故障的方式和恢復供電的能力。 配電網(wǎng)可靠性研究包括：配電系統(tǒng)可靠性指標、配電系統(tǒng)可靠性指標的統(tǒng)計和配電系統(tǒng)可靠性預測三個方面。 配電網(wǎng)可靠性評估理論 配電系統(tǒng)的可靠性評估，就是利用配電系統(tǒng)拓撲信息和配電系統(tǒng)可靠性參數(shù)，如元件故障率、平均修復時間、計劃檢修等，采用解析法或模擬法評估配電系統(tǒng)各項可靠性指標。對配電系統(tǒng)所用線路設備的供電可靠 性做出評價，衡量電力系統(tǒng)的運行狀況，判定配電網(wǎng)供電可靠性的優(yōu)劣，可靠性評估不僅研究配網(wǎng)內的電力設備的可靠度，系統(tǒng)以何種運行方式供電可靠性最佳，并確定提高供電可靠性的技術措施和管理方法。配電系統(tǒng)可靠性評估包括對配電系統(tǒng)中的元件和系統(tǒng)的可靠性計算。配電系統(tǒng)由許多特有的元件組成，如架空線路、斷路器、重合閘、變壓器等，可靠性評估就是在了解這些 8 元件的可靠性參數(shù)的基礎上對系統(tǒng)可靠性水平進行定量評估。通過可靠性計算的分析，找到系統(tǒng)中可靠性薄弱環(huán)節(jié)，從而提出行之有效的改進措施 [9]。 供電可靠性評估指標 配電系 統(tǒng)可靠性評估指標是衡量系統(tǒng)可靠性的標準和依據(jù)。 配電系統(tǒng)的供電可靠性研究的是配電系統(tǒng)對用戶連續(xù)供電能力的程度。根據(jù)《供電系統(tǒng)用戶供電可靠性評價規(guī)程》（ DH/T 83620xx）規(guī)定，供電系統(tǒng)用戶供電可靠性統(tǒng)計評價指標，按不同電壓等級分別計算，并分為主要指標和參考指標兩大類。 其中， 可靠性主要指標主要包括供電可靠率、用戶平均停電時間、用戶平均停電次數(shù)、系統(tǒng)停電等效小時數(shù)等，可靠性參考指標主要包括平均停電用戶數(shù)、用戶平均停電缺供電量、停電用戶平均停電時間等。 （ 1） 系統(tǒng)平均停電頻率指標 SAIFI 是指系統(tǒng)供電的每個 用戶在單位時間內的平均停電次數(shù)（單位：次 /用戶 年）。 用戶總數(shù)用戶停電總戶次數(shù)?SA IF I （ 2） 系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間 SAIDI 是指由系統(tǒng)供電的每一個用戶在一年中的平均持續(xù)停電時間（單位：小時 /用戶 年） 用戶總數(shù)用戶停電的總時戶數(shù)?SA ID I (3)用戶平均停電頻率指標 CAIFI 是指每個被停電用戶在一年中的平均停電次數(shù)（單位：次 /停電用戶 年） 停電用戶總數(shù)用戶停電總戶次數(shù)?CA IF I (4)用戶平均停電持續(xù)時間 CAIDI，表示至少經(jīng)歷一次停電的用戶的停電平均持續(xù)時間。 用戶停電總戶次數(shù)用戶停電的總時戶數(shù)?CA ID I (5)平均供電可用率指標 ASAI，為供電可用的總用戶小時數(shù)除以在指標的計算期限內的總用戶小時數(shù)。 9 100/87601 ???? ）年（要求供電總時戶數(shù)實際供電總時戶數(shù) hSA ID IA SA I (6)平均供電不可用率指標 ASUI A SA IA SU I ??? 1用戶要求供電總時戶數(shù) 用戶停電總時戶數(shù) 上述系統(tǒng)可靠性 指標是國際生所采用的可靠性指標，在我國《供電系統(tǒng)用戶供電可靠性評價規(guī)程》中已被包含在內。 為了反映系統(tǒng)停運的重要性以及嚴重程度，重點分析供電可靠率（ RS）、用戶平均停電缺供電量（ AENS）兩個關鍵指標對配網(wǎng)可靠性的影響。 供電可靠率：在統(tǒng)計期間內，對用戶有效供電時間總小時數(shù)與統(tǒng)計期間小時數(shù)的比值，記作 RS。 %100)1( ??? 統(tǒng)計期間時間用戶平均停電時間RS 用戶平均停電缺供電量：在給定時間內，平均每一戶用戶因停電缺供的電量，記作 AENS。 總用戶數(shù) 缺供電量一年內系統(tǒng)停電引起的?A E NS 在收集配電網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)之前首先要統(tǒng)計配電網(wǎng)供電設施，即配電網(wǎng)變電站設備、線路設備和用戶設備。變電站設備主要包括從變電站母線側出現(xiàn)道閘算起，到各連接點位置的所有中間設備，如斷路器，隔離開關等。線路設備則是指由變電站出線桿塔或出現(xiàn)電纜頭搭頭至用戶用電配電變壓器二次側出現(xiàn)套管或用戶高壓設備引連線搭頭為止所連接的中間設備。配電網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)的手機可以是線路數(shù)據(jù)、用戶供電情況、負荷數(shù)據(jù)、設備數(shù)據(jù)、停電數(shù)據(jù)以及計算數(shù)據(jù)。也可以是按高、中、低壓對配電網(wǎng)基本情況進行分類，統(tǒng)計供 電系統(tǒng)的停電狀況，則按停電原因和停電設備分類。通過收集這些數(shù)據(jù)，可以得到配電網(wǎng)的具體運行狀況。 配電網(wǎng)供電可靠性評估方法 目前，有關配電系統(tǒng)可靠性預測評估的方法很多，有故障模式后果分析 10 法、可靠度預測分析法、狀態(tài)空間圖評估法、近似法及網(wǎng)絡簡化法等。其中使用較為廣泛，并且已經(jīng)時間證明比較切合實際，能夠反映配電系統(tǒng)結構和運行特性的，是以元件組合關系為基礎的故障模式后果分析法。此外，日本以裕度概念為基礎的系統(tǒng)可靠度預測分析法也是一種行之有效的方法。對于這些方法的選用，主要取決于所研究的系統(tǒng)的形式以及所要 求的分析深度。 故障模式后果分析法 （ FMEA） 首先列出系統(tǒng)全部可能的狀態(tài)，以段作為負荷轉移的最小單位，以每一個線路元件為對象，分析每一個基本故障事件及其后果 ,然后利用元件可靠性數(shù)據(jù) ,如故障率、故障排除時間等 ,選擇某些合適的故障判據(jù)對系統(tǒng)的所有狀態(tài)進行分析 ,建立故障模式后果表 ,查清每個基本故障事件及其后果 ,然后加以綜合 ,求出系統(tǒng)的可靠性指標 [10]。 供電可靠性評估軟件 ETAP 簡介 本 文 中對隨機停電事件的可靠性預測評估采用美國 OTI 公司（ Operation Technology Inc.）開發(fā)的 商用軟件 ——電力及電氣系統(tǒng)綜合分析計算仿真軟件 ETAP。 ETAP 的可靠性分析程序采用解析法模型進行可靠性評估，算法中采用目前通用的故障模式與后果分析法（ FMEA），可計算負荷點和整個交流系統(tǒng)的可靠性指標。 一般用于衡量配電系統(tǒng)可靠性的基本穩(wěn)定指標有三個：負荷點故障率 λ、負荷點年平均停電持續(xù)時間 U、負荷點每次故障平均停電持續(xù)時間 r。 ETAP用這三個基本指標和系統(tǒng)中每個負荷點所接用戶的數(shù)量、平均負荷以及用戶中斷成本可計算擴展出以下兩套指標。 一套是系統(tǒng)可靠性指標：系統(tǒng)平均中斷頻率（ SAIFI）、系統(tǒng)平均中斷時間（ SAIDI）、用戶平均中斷時間（ CAIDI） 、系統(tǒng)平均供電可用率（ ASAI） 、系統(tǒng)平均供電不可用率（ ASUI）；這些指標可用于估計配電系統(tǒng)的整體性能。 另一套是可靠性成本指標有：電量不足期望值（ EENS）、停電損失期望值（ ECOST）、停電損失評價率（ IEAR）； EENS、 ECOST 和 IEAR 指標可以是每個負荷點的指標也可以是整個系統(tǒng)的指標。 將 ETAP 應用于規(guī)劃網(wǎng)架可靠性評估的主要步驟為： （ 1） 根據(jù)配電網(wǎng)輻射狀供電的特點，按分段和聯(lián)絡情況的不同，將基 11 本網(wǎng)絡結構抽象為幾種典型接線方式，并計算它們之間的 比例關系； （ 2） 分別確定各類設備的停電率、單次停電的平均時間； （ 3） 計算各種典型接線模式的供電可靠性指標； （ 4） 根據(jù)典型接線間的比例將上述供電可靠性指標加權平均形成總體指標。 軟件 ETAP 可靠性分析中采用的基本假設和計算條件： （ 1） 只考慮交流系統(tǒng)； （ 2） 所有開關設備在必要時都正常運行； （ 3） 在隔離故障時，開關設備能夠打開，使用相應的開關操作以轉供負荷，電源容量滿足負荷的供電要求； （ 4） 所有故障在統(tǒng)計上是獨立的，不考慮共同模式故障。 提高供電可靠性的方法分析 元件的可靠性模型 根據(jù)配電系統(tǒng)中各元件的功能，將其劃分為靜態(tài)元件。靜態(tài)元件是指配電系統(tǒng)中將電能從一個節(jié)點傳輸?shù)搅硪粋€節(jié)點的元件，或起調節(jié)和控制電壓作用的元件。如變壓器、輸電線路、母線、系統(tǒng)補償器等都屬于這類元件。對于配網(wǎng)中的配電變壓器、架空線路、電纜、隔離開關、熔斷器等靜態(tài)元件，采用三狀態(tài)模型進行分析，如圖 21 所示。其中， M? 為計劃檢修率； F? 為故障率； M? 為計劃檢修修復率； F? 為故障修復率。 圖 21 可靠性元件三狀態(tài)空間圖 正常運行狀態(tài) 故障停運狀態(tài) 計劃檢修停運狀態(tài) M? F? M? F? 12 圖 21 中，故障率是由正常工作狀態(tài)向故障狀態(tài)的轉移率；計劃檢修率是由正常工作狀態(tài)向計劃檢修狀態(tài)的轉移率；故障修復率是元件由故障狀態(tài)向正常運行狀態(tài)轉移的概率，它與故障修復時間互為倒數(shù)關系；計劃檢修修復率是元件由計劃檢修狀態(tài)向正常運行狀態(tài)轉移的概率，它與計劃檢修的時間互為倒數(shù)關系。 在三狀態(tài)模型中，如果將計劃檢修停運狀態(tài)和故障停運狀態(tài)合并成故障狀態(tài)，即可簡化得到元件的 二狀態(tài)等效模型，見圖 22。 圖 22 二狀態(tài)等效模型 圖 22 中， ? 為故障率， ? 為修復率，簡化的故障率與修復率的關系式為： ?????????MFFMFMFM?????????? 二狀態(tài)模型是元件可靠性模型中最簡單的模型，元件僅有故障和正常兩種狀態(tài)，適用于僅對系統(tǒng)作簡單可靠性分析和著重研究可靠性評估算 法的情況。 提高配電網(wǎng)可靠性的措施 配電系統(tǒng)可靠性指的是供電點到用戶在內的整個配電系統(tǒng)及設備按可接受標準及期望數(shù)量滿足用戶電力及電能量需求能力的量度。因此，影響配網(wǎng)系統(tǒng)供電可靠性的因素可包括： （ 1） 氣候因素的影響。配電網(wǎng)都是處在不同的氣候條件下運行的，其元件的故障率受外界氣候條件的影響比較大。隨著所處氣候條件的變化，配電網(wǎng)元件的故障率在大多數(shù)情況下也會發(fā)生變化。