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配电网供电可靠性分析

林建明

摘要：配电网是电力系统的重要组成部分，也是直接入户的电能分配终端，在电网中起到了不可替代的枢纽作用。配电网的供电可靠性直接反映了一个国家的电力工业发展水平。因此，配电系统供电可靠性评估对电力系统规划和运行都有着非常重要的意义。本文以我国当前配电网供电现状为切入点，介绍了一些主要的供电可靠性评估理论和关键评价指标，并采用蒙特卡洛法对配电网供电可靠性进行了计算，最后提出了一些关于提高配电网供电可靠性的建议，为供电可靠性的计算提供了参考。
关键词：配电网；供电可靠性；蒙特卡洛法；评价体系
0前言
改革开放才来，我国经济发展走上了快车道，社会对电能的需求不断增长，使现有电网的供电能力受到了严重的挑战，这对配电网的供电可靠性提出了更高的要求。配电网在整个电网中具有极为重要的地位，可以说配电网的供电可靠性直接决定了整个电力系统的供电可靠性。
1配电网供电可靠性研究现状
1.1国外研究现状
早在上世纪60年代，可靠性理论进入了电力系统的研究范围。国外的研究人员最早是在统计学的角度来研究配电网可靠性的，随着电网的扩张，基于传统统计分析的定性分析已不能满足新的评估需要，于是又出现了采用定量指标来描述电力系统供电水平的新方法[1]。到目前为止，美国、日本等发达国家已经形成了较为完整的评估体系和成熟的理论，并在生产实践中广泛应用。
1.2国内研究现状
我国在配电网可靠性方面的研究始于1980年以后，对配电网可靠性的研究主要集中在评估算法上。目前我国已形成一系列国家标准，在电力系统安全稳定控制技术、供电可靠性评价等方面都有较为详细的规定，基本能够保障配电网的可靠运行[2]。但从总体看来，我国配电技术水平偏低、设备陈旧落后、网架结构脆弱、电力供应能力不足，配电网供电可靠性较差。随着配电网供电可靠性受到越来越多的关注，我国重要城市配电网的供电可靠率已从最初的99.85%提高到99.9%，但与发达国家相比还有一段很明显的差距。
1.3存在的问题
由于资金不足、设备老化、技术落后等因素的限制，我国配电网目前还存在着以下几方面的问题：
1）电网发展落后于用电负荷的增长
近年来，我国城市化进程迅速推进，工业水平不断提高，电网负荷日益加重，而配电网的建设则相对缓慢，变电站数量不够，供电线路过少，配电网供电能力不足，城市电网规划不合理，给城市用电带来了巨大的压力。
2）配电网平均供电可靠性偏低
我国城市电网的平均可靠性目前约为99.9%。相比之下，美国达到了99.99%，而日本则达到了99.999%。可见我国配电网的供电可靠性还不是很高，这与我国城市配电网的网架结构以及配电网自动化水平低有直接关系。
3）设备利用率低、网损高
配电网的资源利用率是世界电力行业的普遍问题，但在我国表现得极为严重。美国配电网设备平均负载率可达50%，日本达到了80%以上，而我国的负载率还不及35%。另一方面，我国配电网的网损率也偏大。
2配电网可靠性评估理论
2.1 解析法
解析法指的是构建一个可靠性数学模型，该模型的参数是由电力系统中元件的随机参数统计而来的。模型中定义了一系列可能出现的事故类型，并对这些事故的状态进行分析，最后通过数值计算精确求解模型中的指标。解析法主要分为以下几类：故障模式后果分析法、等值法、图论分析法、最小路法等。
2.2模拟法
模拟法就是对实际电力系统可能发生的典型状态进行计算机模拟，根据模拟结果进行分析，从而得出所需要的评价指标。蒙特卡洛法是最常用的模拟法，它是以元件寿命周期的概率分布为基础的，通过抽样来计算系统可靠性指标。蒙特卡洛法的抽样次数不受系统规模限制，非常适用于大型复杂电力系统的可靠性评估。
2.3人工智能法
人工智能算法是一种基于仿生学的研究方法，具有智能处理信息的能力，可以化繁为简。目前较成熟的人工智能法有：神经网络算法、模糊算法和遗传算法。人工智能法在可靠性分析领域的应用是电力系统分析技术的一大进步。
3配电网供电可靠性评价指标
评估指标是配电系统可靠程度的说明和体现，也是参考决策的理论支持和依据。目前广泛使用的配电网可靠性评估指标主要有两大类：第一类的基本思想是把整个系统拆分分各种元器件，然后单独对各类元器件的可靠性进行分析；第二类是从整个供电系统入手，对其整体的运行可靠性进行评价。
3.1负荷点可靠性指标
负荷点可靠性指标有三个：平均故障率、年平均停电时间和平均停运持续时间。这些指标主要是针对单个电力电子器件或某个小部件的可靠性分析，属于微观分析方法。
3.2系统可靠性指标
1）系统平均停电频率（SAIFI）
SAIFI代表在规定的试验时间内参与配电的各用户的平均停电次数，计算公式为：
2）系统平均停电持续时间（SAIDI）
SAIDI代表在规定的试验时间内发生在参与配电的各用户的平均停电持续时间，可以表示为：
3）用户平均停电持续时间（CAIDI）
CAIDI代表在规定的试验时间内配电系统中各个受到停电影响的用户每次停电的平均持续时间，可以表示为：
4蒙特卡洛法
4.1元件模型
配电系统的电力电子元器件具有两态性，即它只能处于可用状态或者不可用状态。如果不排除有计划的人为因素，则电力电子元器件处在可用状态或不可用状态是随机的。为方便描述与分析，一般将处于工作状态持续的时间记为TU，不可用状态记为 TD。在元件的整个生命周期中，通常会处于TU和TD两个状态间不断交替，因此这种元件模型又被业内称为双态模型。
4.2潮流约束
配电网在发生故障时会引起配电网潮流变化。为了精确计算，本文的计算模型考虑了多个约束条件。元件故障率可表示为：
元件的修复率可表示为：
其中， 是天气因素权重因子； 是修复时间的天气因素权重因子； 是可用修复资源权重因子；
具体过程为：首先将历史统计的线路数据作为初始参数，包括元件的平均故障率、平均修复时间和电网结构参数；然后根据蒙特卡洛法的基本思想，对配电网中的所有元件进行随机抽样，统计出其TU和连TD，当TU 小到某一阈值时认为该元件已失效，状态为TD，反之则为TU。接着，根据数值计算的结果可以进一步分析受影响的负荷点的TU和TD，从而得出本次停电的户数和线路可靠率。
5结论与展望
配電网直接面对电力客户，受到供电企业和用户的高度关注。但配电网可靠性研究是一项艰难的工程任务，虽然我国目前的研究相对落后，但随着科学技术的发展，更多新技术和新设备将引入到配电网中。在今后的研究中，重要的趋势之一是深入挖掘可靠性统计数据，并同时开展对配电网可靠性与经济性的协调性研究。不难预计，电力投资在配电网方面将会有上涨的趋势，这对于提高配电网供电可靠性具有重要的现实意义。
参考文献
[1]颜少伟.复杂配电网供电可靠性评估方法[D].广东工业大学，2015.
[2]王文博，冯光，胡博，杨贺钧，钟隽.面向用户的配电网可靠性目标规划[J].电测与仪表，2014，51（18）：13-19.endprint

-全文完-