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基于图论的复杂配电网可靠性评估方法

来源:乌哈旅游
第30卷第21期2006年11月  文章编号:1000-3673 (2006) 21-0046-04    电网技术Power System TechnologyVol, 30 No. 21Nov.    2006中图分类号:TM732文献标识码:A学科代码:4704051基于图论的复杂配电网可靠性评估方法束洪春‘,刘宗兵‘,朱文涛2(1.昆明理工大学电力工程学院,云南省昆明市650051; 2.昆明供电局,云南省昆明市650051)            A New Method of Reilability Evaluation for Complex DistributionNet                          work Based on Graph TheoryS                    HU Hong-chunl,LIU Zong-bingt,ZHU wen-tao2(1. School of Electric Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650051, Yunnan Province, China;2.                   Kunming Power Supply Bureau, Kunming 650051,Yunnan Province, China)ABSTRACT: A graph theory based reliability evaluationmethod for a complex distribution network, which combinesnetwork lamination with network-equivalent, is proposed.Firstly complex distribution network is laminated, then statringform the last layer the equivalence of the complex distributionnetwork is upwards performed one layer after another layer;thus a simple radial network is equivalent to original complexdistribution network and by use of the consequence analysis offault pattern the reliabiilty index of the complex distributionnetwork can be calculated. To implement the proposed method,the distribution network is ergarded as a directed graph and thetopology of the network is realized by adjacent matrix of thegraph; the adjacent matrix can be modiifed by inserting ordeleting operation of graph, so the topology of the network canbe immediately modified while the reliabiilty index can becalculated. It is proved that the proposed method is effectiveand corrective by example results and its applied reliabilityevaluation results in Kunming power networkKEY WORDS: distribution network; reliability evaluation;graph theory; network lamination; network equivalence即时修改网络拓扑和计算可靠性指标的目的。算例结果昆明电网可靠性评估中的应用情况证明了该方法的有效性。关键词:配电网;可靠性评估;图论;网络分层;网络等值法0引言配电系统一般具有元件多、结构复杂的特点。    据国外电力公司统计Ill,大约80%的用户停电事故由配电系统故障引起,因此快速准确地进行配电系统可靠性评估十分重要。对配电系统进行可靠性评估的方法主要有基于    蒙特卡罗抽样的概率模拟法[21和解析法。在第2类方法中,有故障模式后果分析法((failure mode effectanalysis, FMEA)[31、最小路法[[a1、最小割集法[51故障遍历算法[61等。其中,FMEA是最传统的方法,它适于对简单辐射状主馈线系统进行可靠性评估。由于带有复杂分支馈线系统的故障模式太多,直接使用FMEA有一定困难。文献闭提出采用基于区域模型的故障模式影响分析法进行可靠性评估,但由于同一区域中节点的故障率相同使得计算结果存在一定的误差。文献[[8]介绍了一种能灵活响应配电网络拓扑结构变化的、可对复杂辐射状配电系统进行可靠性评估的故障遍历算法。文献[[1]提出利用网络摘要:基于图论提出了将网络分层和网络等值法相结合的复杂配电网可靠性评估方法。该方法对复杂配电网进行分层处理,从最末层向上逐层等值,将复杂的配电网络等值成简单的辐射型网络,利用故障模式后果分析法计算系统可靠性指标。具体实现时,把配电网络看作有向图,用图的邻接矩阵实现网络拓扑,用图的插入和删除操作修改邻接矩阵,达到婆金项目:国家自然科学荃金资助项目(    (50467002);云南省科技攻等值法对复杂网络进行等效简化,文献[9]修正了网络等值法的数学模型[i1,使之更适于分析馈线中设有断路器的系统。对于辐射状配电网,该等效方法具有很好的实用性。上述方法比较适用于分支馈线少、网络结构不复杂的配电网。对于复杂的配电网络,上述方法的计算量较大、不易编程。本文基于图论提出一种将网络分层和网络等值    关项目(2003GG 10);云南省自然科学基金项目((2005F0005Z)ePr    oject Supported by National Natural  Science Foundation ofChina(50467002).第30卷第21期电网法相结合的复杂配电系统可靠性评估方法,该方法减少了传统FMEA对网络元件逐一分析的工作量、计算时间少、易于实现。1图的相关概念1.1图的定义图(    (graph)由顶点(vertex)集和边((edge)集组成。图中的每条边由1对顶点指定。如果图的每条边和1个数字关联,则为加权图(weighted graph)。加权图中与该边相关联的数字称为该边的权((weight)"0' o1.2图的邻接矩阵含有n个顶点的有向图可以用nxn的矩阵表    示,矩阵中的元素记录相应顶点之间的权值。这种记录顶点之间关系的矩阵称为邻接矩阵。若图G是有n个顶点的图,则G的邻接矩阵A    为nxn的矩阵,其矩阵元素为r a.之wi,if (i, j) E E  !  一-  、8else(1)式中:W id为相应顶点间的权值;E表示顶点之间 关系的集合;(Zj)表示连接顶点i, j的边。    把配电网络看作图,将网络中的断路器、分段开关、变压器、熔断器、负荷点等分别看作图的1个顶点,把每段分支馈线看作图的一条边,馈线的某个可靠性参数做边的权。利用图的插入操作和删除操作把配电网各元件及馈线分别当作图的顶点和边插入到图的邻接矩阵中。增加1个具有n+k个元素的顺序表来记录n个顶点和k条边的可靠性基本参数,即可用图的邻接矩阵描述整个配电网络。2网络分层与可靠性等值法2.,网络分层根据复杂配电网具有分支馈线的特点进行网络    分层,即将馈线分成主馈线和副馈线,副馈线可能又有分支馈线,将每一条馈线及其连接的元件,包括隔离开关、断路器、熔断器、变压器、分支线负荷点((loadpoint, LP)等分在同一层。如果某一层中所连接的分支馈线较多,则把所有分支馈线分在下一级的同一层。最底层固定为负荷支路层。由于我国配电系统多为环形网络开环运行,因    此可将环形或网格结构的配电网看成分支馈线较多的配电网,将其开环点断开后再分层处理。配电系统典型网络分层示意图见图1。图中:    O表示联络开关;主馈线F,及其连接的负荷支路、分段开关、断路器和分支馈线F:构成系统的第技术图1配电系统典型网络分层图            Fi          g. l  Typical network laminationof                     distribution networks1层;分支馈线F:及其连接的各元件和馈线F3构成第2层;分支线F3及所连接元件构成第3层;F3所连接的负荷支路构成第4层。进行可靠性等值计算时,从最底层即负荷支路层向上逐层等值,直到总层数为1时再计算可靠性指标。2.2复杂网络的等值法复杂结构的配电网是指具有分支馈线的配电    网,图1即为典型的复杂网络。对复杂结构的配电网进行可靠性评估包括向上等效及向下等效2个过程。在向上等效的过程中,将分支馈线对上级馈线的影响用串联在上级馈线中的等效节点表示;在向下等效的过程中,将上级馈线对下级馈线的影响用串联在下级馈线首端的等效节点表示。复杂结构配电网络(图1)的等效图如图2所示。堕F,门 N /o//----LPi-占-                        图2复杂结构配电网络等效图Fi      g. 2 Charto f reliability network equivalent    对图1的配电网络进行等值时,先将图1的虚线框E3等效成元件E3,再将虚线框E:等效成元件E2。等效元件对上级馈线的影响可由等效元件的故障率、年故障时间和故障修复时间来反映(10]a3可靠性指标计算      本文首先对复杂配电网进行分层处理,然后从最底层向上逐层等值,将复杂的含多条分支馈线的配电网络等效成简单的辐射型网络,最后利用N/束洪春等:基于图论的复杂配电网可靠性评估方法Vol. 30 No. 21FMEA计算系统可靠性指标。整个实现过程用图的邻接矩阵描述网络拓扑,且每作一次等效计算就利用图的删除和插入操作修改邻接矩阵。其方法流程如图3所示,图中n为网络总层数。南电网公司要求的99.89%,证明了该方法的有效性。4算例分析以RBTS(    roy bilinton test system)母线6系统[[II-I2]              圈3可命性评估方法流程图Fi      g. 3 Flow chart for reliability evaluation目前,我国配电系统多为环形网络开环运行,    元件i的平均停运率凡、平均停运时间is和年平均停运时间TS的计算公式如下:凡=IA了.、2)、is二艺AYi了、3)、TS二群5/ As(      4)式((2)}(3)中:凡为元件i的故障率,次/a;Y;为元件i的故障停运时间,h/ao    系统平均停电频率f SAM、系统平均停电持续时间tSAI)I・用户平均停电持续时间tCAMI和平均供电可用率17ASAI等可以反映电网停运的严重程度和重要性,因此可以作为评估电网可靠性的主要指标。这些指标的计算公式如下:fsLAN; /EN;了朋几 ̄、、、).尹tsZ.1;U,/E N}护才、!AIDI.6、产tc万AiUj /} Nk了、AIDIt7.月、矛g  ASAI“(8760 i一Ni万U; Ni) /8760万N;(  8)式((5)}8)中:几为负荷点i的年停运次数和;N‘为Nk为负荷点k所带的用户数;fSAIFI "  tSAIDI和tCAIDI的单位分别为次1.a, h/户..a和h/户.-a.采用上述评估方法,根据昆明供电公司提供的    893%,高于云的主馈线4为例,其系统接线如图4所示。该馈线包括30条线路、23个负荷点、23个熔断器、23个配电变压器、4个断路器和1个分段开关,负荷点、线路和其它元件的原始数据参见文献【川。    图4 RBTS母线6的主馈线4配电系统主接线图Fig. 4  Connection diagram of the distribution system forf                eeder 4 of RBTS bus‘按照本文讨论的方法首先对网络分层。主馈线    F4及所连接的负荷支路、线路、开关和分支馈线F5,民、B为第1层,F5,瓦、孔及它们所连接的器件、分支线都为第2层,F:所连接分支线及所连接负荷支路为第3层,第4层为虚线框内的各负荷支路及所连器件为第4层,等值过程从第4层开始。网络分层数及元器件如表1所示。表1网络分层数及元器件              Thb.1      Numbers and devices of network lamination分    层元件第I层主馈线F4及所连接的负荷支路、线路、开关和分支馈线F5, F6,B第2层分支馈线F5, F6, F及它们所连接的器件、分支线第3层分支馈线F所连接分支线及所连接负荷支路第4层分支馈线F所连接的负荷支路,即IJPl9"LP23不同情况下,采用本文方法得到的该系统可靠性    指标如表2所示。表2中:方案1为不考虑开关故障和元件计划检修的情况;方案2为分支线上自动装置可靠动作率为80%的情况;方案3为开关平均故障率为0.02 Ma,平均修复时间为5h的情况,方案4为每段线路的计划检修率为0.5次//a,平均计划检修时户.基础数据,运用C++语言编程获得了昆明电网的可靠性评估结果,其中供电可靠率为99.所带用户数;k为故障负荷点数;第30卷第21期电网表2  RBTS母线6的主馈线4配电系统可靠性指标飞bb。2y indexes of the distribution system forfeeder 4 of RBTS bus 6-  i    -L  31qlz.          fSAIM              tSAIDI             tCAIDI”_/                ,          kCi1Aa}A/厂’a) 、       /,kjl_,户,n/厂.x,、炸干,JL,户1_、L厂.tl)I/AJAI1.855210.87755.36240.9987内‘2.285416.72367.14520.9980,J2.128711.21555.21050.998647.523631.96054.23490.9961多7.523625.32182.13520.9990间为4h的情况;基于方案4,方案5假设联络开关位于主馈线F5与F6之间,即忽略联络线故障对该系统的影响的情况。比较表2方案1    -3的可靠性指标可以看出,开关的可靠动作率和开关的暂时或永久性故障会对系统可靠性指标产生一定影响。比较表2中方案1和4的可靠性指标可以看出,计及线路计划检修后,系统平均停电频率约增加了70%,其他可靠性指标也有较大差异,这说明辐射型系统中元件的计划检修情况对负荷点和系统的可靠性影响较大。比较表2中方案4和5的可靠性指标可以看出,当负荷转移满足容量约束条件时,增加联络线可大大提高系统的可靠性指标[[13-14]5结论    根据实际配电网络类似于图、图的邻接矩阵具有易于修改和编程等特点,本文提出了一种将网络分层和网络等值法相结合的配电网可靠性评估方法。该方法易于在计算机上实现、能有效地考虑配电网络各种复杂的拓扑结构,适于对带有复杂分支馈线的配电网进行可靠性评估。参考文献[1]        Billinton R, Wang P. 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