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变电站主接线可靠性分析与评估
1 引言
变电站主接线是电力系统能源输送的主要通道，担负着能源输送的重要任务。变电站的主接线一方面要能满足当地电能消耗的需求，另一方面必须保障电网的畅通和稳定。在电能作为主要能源的今天，变电站主接线的地位变得更加重要，其可靠性评估的意义也越来越重大。对变电站主接线的可靠性评估工作中，容量和电压等级相同，但所处电网位置不同是其可靠性的评价标准是不同的；另外，同一变电站的主接线接入电网的位置不同时，对电网的影响程度也是不同的。因此本文结合主接线所处电网位置的影响，并综合考虑变电站的传输容量，线路数量，主接线方式等相关因素，把主接线和整个电网的结合起来，把可靠性进行成本计算进行整体评估。
2 变电站主接线可靠性评估相关模型和标准
2.1 变电站主接线可靠性评估的相关模型
根据功能以及故障状态划分，变电站主接线设备可划分为三状态模型、四状态模型和五状态模型三种。[1]
1)三状态模型。
变电站主接线中的设备主要有发电机组、主变压器、输电线路、不存在道闸的母线、无功补偿设备等。其状态模型如1所示，N为运行正常状态，R为故障停止及排除状态，M为设备检修状态。λR是故障频率，λM是正常检修频率，μR是故障恢复的时间的倒数，为故障停车状态转移到正常运行状态的转移率，μM为正常检修的恢复率。
图1 三状态模型
Fig.1 Three state model
2)四状态模型。
断路器的故障模型为四状态模型。N是运行正常状态，M是设备检修状态；R是修复状态，S是重故障状态。
图2 四状态模型
Fig.2 Four state model
3）五状态模型。
断路器的响应反映了继电保护的动作，继电保护命令由断路器执行。继电保护失效的表现为误动作和不动作两种。继电保护产生误动作，根据可能造成的后果可以将其划分到重故障S中。当继电保护不动作时，会引发后备动作，造成上级保护动作，从而将故障范围继续扩大，造成的影响超过S级，因此单独划分为F级。
图3 五状态模型
Fig.3 Five state model
2.2 可靠性和经济性的相关标准
1）变电站电能不足期望EENS。
变电站电能不足期望表示在一定时间，由于设备故障导致的电站未能提供的电能期望值，表现出变电站的电能供应情况，该数值越高表示变电站的能量供应情况越差。其表达式为
(1)
其中，ci是第i次情况时的电能量值(MW)；pi是第i次情况发生的概率；c0是变电站输送的总电能（MW），EENS以102GWh为单位。
2）变电站设备故障导致电网电能损失期望值EESS。
该值表现了变电站对电网的影响程度，EERS越大表示变电站故障的容纳能力越差对电网的影响越大。其表达式为
(2)
其中csi是第i次故障导致电网损失的电能量(MW)；pi是第i种故障的概率，EESS也以102GWh为单位。
3）变电站设备故障造成电网能量的转移的期望EERS。
该值表现了电网对该变电站的故障的容错程度，EERS越大表示电网催该变电站的容错能力越高。其表达式为
(3)
其中cRi是第i次故障导致电网转移的电能量(MW)；pi是第i种故障的概率，EERS也以102GWh为单位。
4）变电站能量受阻率LOGP。
该值表示变电站发生故障导致电能输送受阻的概率的和，其数值越高代表电能受阻的概率越大，系统可靠性越差。其表达式为
(4)
5）变电站主接线对电网电量损失的影响程度YI。
该值表现了变电站主接线影响电网的能力。其表达式为
(5)
其中x是主接线设备的故障状态，X是主接线故障状态的集合，Yx和Sx分别为x状态下变电站和电网损失的有功能量。
6）变电站主接线对电网电量转移的影响程度YR。
该值表现了电网对变电站的容错能力。其表达式为
(6)
其中x是主接线设备的故障状态，X是主接线故障状态的集合，Yx和Rx分别为x状态下变电站和电网转移的有功能量。
7)变电站投资和可靠性的经济综合评价标准为U。
该值为变电站总投资和故障损失的总和，其数值越大表示该变电站的经济综合标准越差。
3 变电站主接线可靠性评估
对变电站可靠性进行评估，首先应当将电网节点根据电气位置分类，分辨出被评估电站所处的节点类型，然后在根据实际情况，采用变电站重载状态分析法判断该变电站的电能输送的最大工作状态，然后进行计算。一方面在对相关线路故障进行枚举的计算时，要对电网状态进行分析，计算出枚举对应的变电站损失的负荷、电网损失的负荷、电网过载情况、电网解列和电压过低的情况；另外在系统中输入主接线的编号、线路数、运行形式等数据，从而计算出枚举时相应的概率和频率；然后应用相关算法计算出电网线路的最优分配方法，对相应线路进行分配，得出可靠性指标；最终根据可靠性指标，计算出变电站的综合经济指标。如图4评估的整体流程为
图4 变电站主接线可靠性评估流程图
Fig.4 Flow chart of main wiring reliability evaluation of Substation
3.1 变电站运行的重载状态判断方法
对变电站进行重载状态进行分析，首先要对变电站所处电网位置的节点类型进行分析，判断其是关节点、边界节点还是一般节点，对节点进行对应编号后，然后根据节点类型进行相应处理。当变电站为关节点和边界节点时，可直接进入下一步运算中，而当变电站为一般节点时，则应搜索和该节点在相同工作面的相关节点，并对线路元器件储存并执行故障枚举，并对结果进行分析、记录。然后进入下一运算步骤。
3.2 分析电网运行状态的方法
电网运行状态的分析过程中，有可能出现给定条件不能满足的情况，此时则要进行校正，使电网的运行重新恢复正常，当电网负荷不平衡或有过载情况发生，则应对电能的输入或输出进行调整。综合分析电网的运行状态的方法如下图所示
图5 电网运行状态分析流程图
Fig.5 Flow chart of power grid operation state analysis
3.3 变电站主接线可靠性分析计算
对变电站主接线进行可靠性分析计算时，首先要根据设备的结构和可靠性数据，进行设备可靠性相关模型参数计算，同时计算出主接线所有设备的进出线点对应的最小路集，然后执行对设备故障的枚举，针对枚举的事件状态，建立故障向量，并进行运算分析，判断进站点和出站点是否存在中断，当有中断产生时，则用备用设备自动替换故障设备，并记录故障的概率和频率。最终将枚举得出的可靠性数据合并，计算分析所有情况下中断事件的概率和频率。[2]变电站主接线可靠性分析计算的流程如下图所示
图6 变电站主接线可靠性分析
Fig. 6 Rubstation main wiring reliability analysis
3.4 变电站进出站点和连接线路的最优化分配
进行最优化分配一方面要统计执行故障枚举过程中主接线连接线路的中断容量信息Sli，另外统计相应事件的累积概率Pij，然后使二者乘积的和最小，从而计算出最优的分配模式。
3.5 变电站主接线经济性评估
变电站主接线和电网运行的经济成本机密相连，本文把变电站主接线的可靠性分析最终转换为经济性分析，提出年度总成本，其最终结果应当包括变电站设备的投资和运行维护的总费用，还应包括电能量损失的年度总和对应的成本数。[3]其运算模型为
(7)
其中U为年度总成本，C为设备投资和运营成本，E为电能量损失的年度总值。
3.6 案例分析
应用文中的评估方法对某变电站进行评估分析，并根据评估结果对变电站进行了优化分配。优化前的年度EENS和年度总成本U分别为4.4652×102GWh和0.28536×104万元，而优化后的EENS和U分别为3.28106×102GWh和0.21468×104万元.可见优化后的成本比优化前减少了超过20%。可见优化后的效果非常明显，文中的评估方法的实际应用效果还是比较明显的。
4 结论
本文将变电站把成本计算运用到主接线的可靠性评估中，将可靠性问题最终归结为成本体现，变电站主接线运行的稳定性和可靠性提高了必然会降低变电站运行的成本，同时线路方案的优化对提高主接线可靠性和降低电网运行成本有着很高的实际意义。但是本文的方案也存在着一些不足，有些问题考虑的可能还不够全面，还需要在今后的工作中不断的完善。
参考文献
[1] 郭永基.电力系统可靠性分析[M].北京:清华大学出版社,2003:1-5.
[2] 万国成,任震,吴日昇等.混合法在复杂配电网可靠性评估中的应用[J].中国电机工程学报,2004,24(9):92-89.
[3] 谢莹华,王成山,葛少云等.城市配电网接线模式经济性和可靠性分析[J].电力设备自动化设备,2005,25(7):12-17.
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