配電系統(tǒng)基于預(yù)想事故與可靠性的規(guī)劃

簡(jiǎn)秀林

（國網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力有限公司根河市供電分公司，內(nèi)蒙古 根河 022350）

在過去的10 年間，電力行業(yè)越來越重視供電可靠性問題，部分是由于技術(shù)進(jìn)步所致。對(duì)供電可靠性進(jìn)行量測(cè)和管理能力的不斷提高，意味著電力行業(yè)在某種程度上可以對(duì)可靠性進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。

一、基于預(yù)想事故的規(guī)劃

確保系統(tǒng)承受各種失效的一種方法是，通過合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)能夠在失去任一元件條件下而保持正常運(yùn)行。利用基于預(yù)想事故的方法，規(guī)劃人員識(shí)別系統(tǒng)可能發(fā)生的各種失效，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，從而使其能夠應(yīng)對(duì)每種失效或停運(yùn)。例如，當(dāng)變電站發(fā)生了東側(cè)進(jìn)線事故，此時(shí)如果西側(cè)進(jìn)線的電流和電壓降滿足變電站供電的需求，則系統(tǒng)可以應(yīng)對(duì)東側(cè)進(jìn)線的事故，即對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了具備承受該事故。類似地，當(dāng)西側(cè)進(jìn)線出現(xiàn)事故時(shí)，如果需要，同樣可以利用東側(cè)進(jìn)線為變電站供電。進(jìn)一步講，如果出現(xiàn)其他重大事故，即任一變壓器、母線退出運(yùn)行等，在該元件停運(yùn)的情況下都可以通過合理充分的切換為負(fù)荷供電。

（一）基于預(yù)想事故的規(guī)劃方法

應(yīng)用基于預(yù)想事故的規(guī)劃方法，就是要求規(guī)劃人員根據(jù)系統(tǒng)規(guī)劃退出系統(tǒng)中某個(gè)元件，即停運(yùn)一個(gè)元件，然后據(jù)此制訂如何保證供電的方案，具體內(nèi)容為：設(shè)置斷路器，這樣他們就可將停運(yùn)設(shè)備與系統(tǒng)隔離；設(shè)置事故支持線路，以作為備用電源；設(shè)置工作人員到現(xiàn)場(chǎng)操作的方式；或考慮其他各種相關(guān)的工作。在這種改變后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，可使用分析工具來確認(rèn)該結(jié)構(gòu)究竟是否會(huì)造成過負(fù)荷、低電壓或其他不可接受的短路容量。事故案例中引起的所有過負(fù)荷或者低電壓?jiǎn)栴}都可以通過更新設(shè)備或更改設(shè)計(jì)或設(shè)備整定值來解決，直到各種問題得到緩解。解決一個(gè)事故后，以上流程將繼續(xù)進(jìn)行。規(guī)劃人員參照上述步驟分析下一個(gè)可能的設(shè)備失效，依此類推，直到解決所有可能的失效。

雖然這種方法的工作量非常大，但它是一種只需要適量分析的簡(jiǎn)單、重復(fù)的方法，并且只需使用輸配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需要的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)工具，即潮流及短路計(jì)算。其計(jì)算量對(duì)于先進(jìn)的個(gè)人電腦來說是相當(dāng)小的。該計(jì)算程序通過連續(xù)執(zhí)行潮流數(shù)據(jù)庫，即切除一個(gè)元件后，進(jìn)行線路切換并重新計(jì)算系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的潮流，并在進(jìn)行下一項(xiàng)切除研究之前，給出所有異常測(cè)試結(jié)果（過負(fù)荷、低電壓）。

（二）基于預(yù)想事故的規(guī)劃準(zhǔn)則

在任一主要設(shè)備單元退出運(yùn)行的情況下，系統(tǒng)依然具有正常供電的能力稱為“N—1”能力?！癗—1”對(duì)幾乎所有電力企業(yè)的輸變電設(shè)施來說，都是一種必須遵循的準(zhǔn)則。在某些情況下，電力企業(yè)要求其全部或部分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要滿足“N—2”事故準(zhǔn)則，也就是說，系統(tǒng)能夠應(yīng)對(duì)兩臺(tái)主要設(shè)備單元退出運(yùn)行的情況。有些電力企業(yè)對(duì)重要地區(qū)（市中心）的某些設(shè)施還執(zhí)行N—3 準(zhǔn)則。一般來說，運(yùn)行準(zhǔn)則總是隨著系統(tǒng)所能承受的事故水平的變化而變化的。很多企業(yè)在規(guī)劃時(shí)要求系統(tǒng)在任何N—1 狀態(tài)下依然保持正常運(yùn)行準(zhǔn)則（電壓、電流、功率因數(shù)），但N—2 或N—3 的狀態(tài)下，允許系統(tǒng)維持應(yīng)急水平的運(yùn)行準(zhǔn)則。

（三）在輸電層和配電層典型應(yīng)用的差異

電力企業(yè)將N—X 事故需求理念幾乎廣泛應(yīng)用在輸電層、高壓配電層和變電站層，其準(zhǔn)則是不能因?yàn)楦綦x系統(tǒng)的停運(yùn)設(shè)備而造成停電。為了恢復(fù)供電，這需要斷路器快速動(dòng)作，以便打開所有出現(xiàn)故障的線路并合上事故支持線路。如這些準(zhǔn)則規(guī)定在任何N—1 狀態(tài)下，系統(tǒng)不能偏離正常的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。在配電系統(tǒng)中，常常需要對(duì)基于預(yù)想事故規(guī)劃方案進(jìn)行細(xì)微調(diào)整，以適應(yīng)配電中廣泛使用的人工切換操作和輻射狀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的需要。N—1 標(biāo)準(zhǔn)或其他與此類似的關(guān)于切換能力需求的說明都可以解釋為：在事故狀態(tài)下，系統(tǒng)必須具有可切換手段，從而可為除系統(tǒng)故障段以外的所有部分繼續(xù)供電。但是，還是可以接受由于隔離故障導(dǎo)致部分客戶短時(shí)間停電。人工將故障線路切換到事故支持線路，可能需0.5～1h的時(shí)間。進(jìn)一步講，大部分電力企業(yè)都承諾能夠在配電系統(tǒng)發(fā)生事故過程中維持應(yīng)急運(yùn)行工況。

（四）基于預(yù)想事故規(guī)劃方法的優(yōu)點(diǎn)

這種基于預(yù)想事故的規(guī)劃方法有兩個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：第一，它是一種可以直接使用的非常模塊化、流程化的方法，它將"提供可靠性"的問題劃分成了許多小的研究部分，每一部分都集中針對(duì)系統(tǒng)的某一個(gè)元件。因此，在相對(duì)有限(與現(xiàn)代化的計(jì)算極限比較）的分析方法的基礎(chǔ)上，這種方法很適宜計(jì)算機(jī)程序化，并且電力工程師僅需要使用常規(guī)的工程規(guī)劃工具(潮流、短路、計(jì)算）。如果使用恰當(dāng)，這種方法總能獲得一個(gè)非?？煽康南到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

第二，鑒于這種規(guī)劃法對(duì)每個(gè)可能的事故都進(jìn)行了考察，并給出了應(yīng)對(duì)方案，因此該法可以明確地界定每個(gè)事故對(duì)系統(tǒng)的作用：它至少要執(zhí)行一個(gè)基本的“事故規(guī)劃”評(píng)估過程，即判斷電力企業(yè)如何應(yīng)對(duì)某個(gè)特定問題?；陬A(yù)想事故的規(guī)劃法能夠清晰地給出應(yīng)對(duì)事故的具體安排，而大多數(shù)基于可靠性的規(guī)劃方法與此不同，它們雖然能夠間接地評(píng)估并確定是否有能力應(yīng)對(duì)事故，但是不能明確地給出每個(gè)事故的解決方法。因此，基于預(yù)想事故的規(guī)劃法非常適用于制訂運(yùn)行規(guī)劃。

在這種情況下，一種基于可靠性的規(guī)劃方法是最有效的，它能分析事故的可能性，而且能將多重事故引起的停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)降至最低。但是這種方法需要更復(fù)雜的計(jì)算和數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)規(guī)劃人員的工程技術(shù)水平要求也更高。這種方法就是基于可靠性的規(guī)劃方法。

二、基于可靠性的規(guī)劃

所有的事故并不都是相近的。一條100mile 長(zhǎng)的輸電線路可能比一條采用相似設(shè)計(jì)方法的僅4mile 長(zhǎng)的線路更容易出現(xiàn)停運(yùn)。所有的事故并不都會(huì)產(chǎn)生相同的后果。例如，某個(gè)系統(tǒng)中一臺(tái)電力變壓器的退出運(yùn)行可能只會(huì)引起適度的過負(fù)荷，即使端電壓有較大的下降也是可接受的，也不會(huì)損壞設(shè)備。但是在另一種情況下，一臺(tái)變壓器的退出運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生嚴(yán)重的過負(fù)荷和低電壓，這將很快地?fù)p壞電力企業(yè)設(shè)備以及客戶的設(shè)備。

這兩點(diǎn)并不意味著基于預(yù)想事故的規(guī)劃方法不能有效地發(fā)揮作用。但這的確表明將資金用于解決可能性相對(duì)較大且影響較為嚴(yán)重的事故上，比用于解決可能性不大且影響不是很大的事故上要更有效。因此，如果某個(gè)電力企業(yè)的預(yù)算非常有限，或某個(gè)電力企業(yè)唯一關(guān)心的問題是成本效益，那么為了確保資金被合理地利用，規(guī)劃人員就要對(duì)解決各種事故的成本效益進(jìn)行評(píng)估。

為了涵蓋上述內(nèi)容，電力企業(yè)的規(guī)劃人員可能會(huì)修改滿足N—1 準(zhǔn)則的基于預(yù)想事故的規(guī)劃方法，以便根據(jù)事故造成的過負(fù)荷、電壓降或者負(fù)荷削減的程度來評(píng)估每種事故的后果，這樣他們可以利用事故發(fā)生的概率來權(quán)衡或另行調(diào)整事故的影響程度，從而為每個(gè)事故確定其影響程度。然后規(guī)劃人員可以評(píng)估事故的成本，并且用成本去除每個(gè)事故的影響程度，從而得到每個(gè)事故的成本效益值，即建議事故恢復(fù)程度與所改進(jìn)可靠性程度的比值，

但是當(dāng)預(yù)算和成本效益變成電力企業(yè)規(guī)劃人員重點(diǎn)關(guān)注的問題時(shí)，則這種方法會(huì)是一個(gè)好的起點(diǎn)。很多企業(yè)在規(guī)劃中都應(yīng)用了這種形式的事故優(yōu)先排序法。該方法使用經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的電子數(shù)據(jù)表格程序，根據(jù)事故的危險(xiǎn)程度和成本效益的大小對(duì)事故進(jìn)行排序，從而減少了支出。這種方法的嚴(yán)重缺陷就是，雖然電子數(shù)據(jù)表格易于使用和編程，但卻包含大量的額外工作。一般而言，最關(guān)注預(yù)算有限和成本效益因素的電力企業(yè)，也正是那些要裁減規(guī)劃人員而且規(guī)劃資源非常有限的企業(yè)。

（一）基于可靠性的規(guī)劃方法

規(guī)劃人員可能希望使用一種解析的系統(tǒng)分析技術(shù)，即希望以一種嚴(yán)格的方式將事故發(fā)生的概率及其危險(xiǎn)程度在饋線系統(tǒng)中量化應(yīng)用。如同那些基于預(yù)想事故的分析方法，這些基于可靠性的方法通過對(duì)給定的配電系統(tǒng)模型進(jìn)行循環(huán)調(diào)用，模擬并評(píng)估系統(tǒng)每個(gè)元件的停運(yùn)事故。為便于正確地分析兩次、三次，甚至是更高次同時(shí)發(fā)生的停運(yùn)的可能性及其后果，更好的方法是采用不連續(xù)排序方式，或采用單臺(tái)設(shè)備容量的概率“記憶”方式。為評(píng)估各種事故情況的影響程度，大部分方法主要用某些形式的系統(tǒng)安全措施或通過計(jì)算處于供電危險(xiǎn)狀態(tài)(配電層級(jí)的）的客戶數(shù)量或負(fù)荷大小來進(jìn)行評(píng)估。然后規(guī)劃人員就可以識(shí)別系統(tǒng)中那些供電區(qū)域，不論對(duì)什么事故，這些區(qū)域的可靠性都較差、比較脆弱。

相對(duì)傳統(tǒng)使用的潮流和短路程序，基于可靠性的規(guī)劃方法需要更復(fù)雜的計(jì)算算法，它們需要更多的輸入數(shù)據(jù)。雖然優(yōu)秀的電力系統(tǒng)工程師可以輕松掌握這些方法，但是他們需要時(shí)間去學(xué)習(xí)并需在實(shí)踐中使用這些方法，以進(jìn)一步地利用各種資源。因此，當(dāng)成本效益問題僅采用傳統(tǒng)的基于預(yù)想事故方法可以找到與可靠性相關(guān)的缺陷時(shí)，一般不使用基于可靠性的方法。在這些情況下，規(guī)劃人員會(huì)堅(jiān)持采用上文介紹的事故優(yōu)先排序法。

（二）兩種方法的取舍

基于預(yù)想事故規(guī)劃法的缺點(diǎn)7 基于可靠性規(guī)劃法的優(yōu)點(diǎn)決定了兩種方法的取舍。無論是否使用以及如何使用前面討論的各種改進(jìn)方法，“N—1”“N—2”甚至是“N—3”準(zhǔn)則都不足以確保設(shè)備利用率高的電力系統(tǒng)具有令人滿意的運(yùn)行可靠性?？梢詮亩鄠€(gè)方面尋找原因，但是最簡(jiǎn)單的出發(fā)點(diǎn)就是，要認(rèn)識(shí)到事故同時(shí)發(fā)生的可能性。

三、基于預(yù)想事故法和基于可靠性法對(duì)規(guī)劃人員的影響

對(duì)于那些系統(tǒng)利用率高的規(guī)劃人員，無論從什么角度看可靠性和高設(shè)備利用率之間的相互影響，都將發(fā)現(xiàn)他們處于如下三種情況之一：1.他們的規(guī)劃步驟忽視了同時(shí)發(fā)生事故的情況，導(dǎo)致在設(shè)備利用率高的區(qū)域內(nèi)系統(tǒng)的運(yùn)行性能很差。2.他們對(duì)基于預(yù)想事故法的程序進(jìn)行了修改，以便采用概率和危險(xiǎn)程度優(yōu)先的方法更有效地處理費(fèi)用問題。這種方法注重費(fèi)用因素，但是卻不能有效地解決可靠性問題。3.他們采用某種基于可靠性規(guī)劃和工程設(shè)計(jì)的形式，即可以處理可能性、通用模式和同時(shí)發(fā)生的失效，而且在事故過程中削減負(fù)荷及改變由線路切換決定的載荷順序。

如果采用第3 種處理方法，為確認(rèn)各種失效的組合對(duì)系統(tǒng)的影響，則需要采用更多的綜合可靠性評(píng)估法，這些評(píng)估法使用合理并且嚴(yán)格遵循概率理論的計(jì)算法。算法和數(shù)據(jù)的恰當(dāng)組合能夠回溯影響客戶預(yù)期停電問題的每一件可能發(fā)生的事件。

（一）重要的是改變思路而不僅是改變方法

基于預(yù)想事故的規(guī)劃是一種基于導(dǎo)則的規(guī)劃方法：它首先制訂一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)（導(dǎo)則）并在規(guī)劃中應(yīng)用，即對(duì)全部設(shè)備均評(píng)估各自的退出情況并確認(rèn)是否滿足特定的準(zhǔn)則。規(guī)劃人員以個(gè)案為基礎(chǔ)來研究系統(tǒng)，并完成系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)工作，其前提條件是，隱含或間接地假定系統(tǒng)滿足導(dǎo)則中的各種準(zhǔn)則要求。

與此不同的是，基于可靠性的規(guī)劃是一種以可靠性或目標(biāo)為基礎(chǔ)的規(guī)劃方法。為使系統(tǒng)達(dá)到可靠性目標(biāo)，規(guī)劃人員參照某個(gè)目標(biāo)（配電層的可靠性或輸電層的系統(tǒng)安全性）對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估，然后識(shí)別系統(tǒng)對(duì)既定目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，分析哪些地方有缺陷以及為什么會(huì)出現(xiàn)這種缺陷，并按照主次、輕重對(duì)發(fā)現(xiàn)的缺陷進(jìn)行排序，最后確定解決這些問題的最好辦法。因此，規(guī)劃人員需要決定從一個(gè)模式轉(zhuǎn)變到另外一個(gè)模式。優(yōu)秀的規(guī)劃人員往往能夠同時(shí)考慮這兩種規(guī)劃方法。

（二）對(duì)饋線系統(tǒng)的影響

所有這些對(duì)配電饋線規(guī)劃人員來說究竟意味著什么？在進(jìn)入饋線規(guī)劃研究之前需要注意以下3 點(diǎn)：

1.最關(guān)注費(fèi)用因素的電力企業(yè)，是那些最有可能也是不斷提升所屬設(shè)備的利用率的企業(yè)，因此也可能會(huì)幾乎同時(shí)提出降低費(fèi)用與提高利用率的要求。2.饋線轉(zhuǎn)供能力，是事故過程中至少部分負(fù)荷可通過饋線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在變電站之間轉(zhuǎn)移的能力。由于高壓配電層和變電站層對(duì)設(shè)備利用率的需求越來越高，因此系統(tǒng)對(duì)饋線系統(tǒng)轉(zhuǎn)供能力的要求也日益增加。隨著電力企業(yè)利用率的提高，系統(tǒng)負(fù)擔(dān)越來越大，對(duì)配電規(guī)劃人員解決規(guī)劃問題的期望值也隨之提高。3.對(duì)規(guī)劃人員來說，以盡可能低的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)充足的饋線轉(zhuǎn)供能力（變電站間的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力），壓力還是很大的。

結(jié)語：

電力行業(yè)一直都對(duì)供電可靠性有著清楚的認(rèn)識(shí)與明確的承諾。實(shí)現(xiàn)可靠性的方法有兩種：傳統(tǒng)的供電可靠性，主要通過在設(shè)計(jì)中采用嚴(yán)格的準(zhǔn)則以及在系統(tǒng)中構(gòu)建應(yīng)對(duì)事故的能力來實(shí)現(xiàn)，而當(dāng)今一些先進(jìn)的電力企業(yè)的做法是，通過“設(shè)置可靠性目標(biāo)和重點(diǎn)以及實(shí)施以可靠性為中心的規(guī)劃和運(yùn)行方法”來實(shí)現(xiàn)。