1、基于可靠性准则的断路器组备用策略研究摘 要：针对南方某电网 500kV 变电站和 220kV 变电站内，电压等级为 220kV 的断路器构成的断路器设备组进行共享公共备用的策略分析。首先考虑设备组内每台断路器的可修复失效和老化失效，算出各个断路器总的不可用率，然后采用状态枚举法对断路器组进行风险评估，确定各阶设备故障对应的累计失效概率，最后基于设备组可靠性要求给定一个系统失效判定准则，确定在未来规划年限 10 年内所需备用断路器的数量及就位时间。 关键词：可靠性准则；断路器组；备用策略 1 概述 复杂的备用分析长期以来都是电力公司设备规划中的一大难题，至今，大多数电力公司还是依据工程经验确定输
2、变电设备的备品数量。电力设备备用需求来自几个方面的原因1-2：（1）电力设备的可修复失效常常需要较长的修复时间。如果因为缺乏备用而致使系统充裕度不足的话，系统可能会长时间失去大量负荷而遭受严重的经济损失；（2）设备老化是电力公司多年来关心的主要问题，老化了的设备其失效概率更高，因此更需要备用；（3）在电力工业的竞争环境下，由设备组共享公共备用的策略越来越流行。 断路器在电力系统中起到保护、控制等作用，一旦发生事故，可能会引起较大范围内的停电事故，给电网公司和用电客户造成巨大的经济损失35。备用断路器在必要时能及时安装以替换失效设备，尽可能快地恢复供电，从而有效减少经济损失。采用共享断路器备用的
3、策略能够在保证足够的系统可靠性的水平下减少相当多的投资费用26。 文章基于设备组可靠性准则，应用共享设备组策略，结合南方某电网的实际情况，确定在未来规划 10 年的时间区间内，需要多少台备用断路器，并且确定每台备用断路器在何时就位或投入。 2 断路器的不可用率 电力设备有两种失效模式：可修复失效和老化失效1，断路器也不例外。在许多风险评估分析中，往往只考虑了断路器的可修复失效引起的不可用率，这是不全面的。老化失效也是备用需求的原因之一，特别是对于运行时间较长的断路器来说更是如此。文章同时考虑老化失效和可修复失效，计算断路器的综合不可用率用以进行备用分析。 2.1 可修复失效引起的不可用率 1
4、台断路器的可修复失效引起的不可用率可定义为2： （1） 式中：MTTR 是断路器的平均修复时间，单位是小时；MTTF 是断路器失效前平均时间，单位为小时；fy 是断路器平均失效频率，单位为失效次数/年。 2.2 老化失效引起的不可用率 老化失效指寿命终止失效，是一种不可恢复的失效模式。一个元件一旦发生老化失效就意味着不能再重新使用了，因此，老化失效没有修复时间这一参数，不能用（1）式来计算1。 断路器的老化失效可以用正态分布来模拟，发生老化失效的概率可定义1为： （k=1，2，N） （2） 式中： 和 分别是正态分布的均值和标准差。其中，均值表征的是该类设备的平均寿命，而标准差表征的是平均寿命
5、估计中的误差；（2）式中的函数 Q 可利用（3）式近似计算： 其中，Ua 表示断路器在将来 d 时间段内的老化失效不可用率，通常情况下，在进行系统可靠性评估时 d 取为一年；N 表示把时间段 d 等分的子时间段数；Pk 为时间段 d 内的第 k 子时间段的失效概率。 一台断路器包含可修复失效和老化失效的综合不可用率可用（5）式进行计算1： Ut=Ur+Ua-Ur?Ua （5） 3 断路器组可靠性评估及其备用分析 以断路器组为对象进行备用分析，当断路器组中的任意设备失效时，备用断路器投入以确保系统正常运行。而需要多少台备用设备以及备用设备什么时候就位取决于电网公司对整个断路器组的可靠性要求。 3
6、.1 断路器组的可靠性评估 上一节已经计算得到了单个设备的不可用率，利用这些数据，整个断路器组的可靠性可以采用状态枚举法来评估。状态枚举法评估设备组可靠性的过程介绍如下4： 断路器组中，任意一台断路器故障，则称为一阶故障，如果有两台断路器同时故障，则称为二阶故障，依此类推，还有三阶、四阶等多阶故障。 所有一阶故障状态的累计概率可用（6）式进行计算： 其中，P（1）为所有一阶故障状态的概率之和；Ui 或 Uj 分别为第 i或第 j 台断路器的不可用度；N 是断路器组中的断路器总台数。 所有二阶故障状态的累计概率可用（7）式进行计算： 其中，P（2）为所有二阶故障状态的概率之和；Ui、Uk 和 U
7、j 分别为第 i、第 k 和第 j 台断路器的不可用度。 类似地，可以推导出所有三阶、四阶或更高阶故障状态的累计概率计算公式。显然，P（N）等于断路器组中所有断路器不可用度的乘积。通过直接相加可得到在没有备用情况下断路器组的总失效概率为： 其中，P（i）为所有 i 阶失效状态的概率之和。 3.2 断路器组的备用分析 在计算得到了没有备用情况下断路器组的总失效概率之后，分别考虑增加一台、两台和更多台备用设备的情况计算断路器组的失效概率4：其中，Pis 表示有 i 台设备备用的情况下断路器组的失效概率。比如，P1s=P0s-P（1） ，表示从没有备用情况下断路器组失效概率中减去一阶失效状态集合概率
8、。因为一台备用断路器能及时替换一台故障断路器，解决所有的一阶故障，因而一阶故障事件不会再导致断路器组的失效。类似地，还可以计算 2 台备用的情况下断路器组的失效概率 P2s=P0s-P（1）-P（2） 。一旦计算得到零台、一台、两台和更多台备用情况下的断路器组失效概率，通过 1 减去对应的失效概率，就能获得零台、一台、两台和更多台备用情况下的断路器组成功概率。 给定一个断路器组成功概率目标值，当断路器组成功概率超过该目标值时，则表明断路器组的可靠性满足了可靠性的要求。该成功概率对应的时间和设备备用数量就是我们规划确定的断路器的备用数量和就位时间。 4 设备备用分析步骤 基于可靠性准则的备用分析
9、步骤可归纳如下4： （1）选定断路器组：共享的备用断路器可替换该组任一断路器，并且能根据所在地理位置及时替换； （2）确定合适的断路器组成功概率目标值； （3）计算断路器组中每台断路器的不可用度；（4）在有备用和无备用的情况下，分别评估各故障事件的概率以及整个断路器组的失效概率和成功概率； （5）对规划期间内所有年份重复步骤（3）和（4） 。当考虑老化失效时，每台断路器的不可用度将随年份的增加而增大，因此，要对所有年份进行计算； （6）根据选定的可靠性准则，在有备用的情况下，将断路器组在不同年份的成功概率与门槛值进行对比，进而确定断路器备用的数量和就位年份。 5 算例 选取南方某电网 2 个
10、500kV 变电站、9 个 220kV 变电站内电压等级为220kV 的 125 台断路器为研究对象，进行基于可靠性准则的断路器组的备用分析。根据变电站的地理分布，将位置靠近的变电站的断路器分为一组，一旦有断路器发生故障，备用断路器能及时进行替换安装，11 个变电站分为 5 组，分别进行设备组的备用分析。具体分组情况如表 1 所示。结合南方某电网断路器的历史统计数据，表 2 给出了根据备用分析步骤计算得到的未来 10 年内在不同备用情况下断路器组的失效概率。 如果电网公司备用规划准则设定可接受的断路器组失效概率为0.01，则对于第 1 组断路器组来说，在 2016 年首次需要 1 台备用断路器
11、，在 2025 年开始需要第 2 台断路器；对于第 2 组断路器组来说，在 2016年首次就需要 2 台备用变压器，在 2022 年开始需要第 2 台断路器；对于第 3 组断路器组来说，在 2016 年首次需要 1 台备用断路器；对于第 4 组断路器组来说，在 2018 年首次需要 1 台备用断路器，在 2023 年开始需要第 2 台断路器；对于第 5 组断路器组来 说，在 2018 年首次需要 1 台备用断路器，在 2021 年开始需要第 2 台断路器。 6 结束语 文章应用基于可靠性准则的电力系统设备备用规划方法，对南方某电网各变电站内电压等级为 220kV 的断路器构成的设备组，进行了共
12、享设备备用策略分析。考虑了断路器的可修复失效和不可修复失效，计算出每台断路器的综合不可用率。基于设备组的可靠性准则所获得的断路器备用方案，包括在未来规划 10 年时间内应购置的备用断路器数量和每台断路器就位的时间。与每个变电站都采用 N-1 安全性准则相比，共享设备备用策略能够减少相当多的投资费用和维护费用，给定可靠性准则保证整个电网处在足够高的可靠性水平运行。文章所制定的备用策略为提升电公司网的资产管理水平、保证电网安全可靠经济运行提供了有益的参考。 参考文献 1李文沅，周家启，颜伟，等.基于可靠性的电力系统设备备用规划方法J.中国电机工程学报，2006（15）：7-11+45. 2Li W
13、enyuan.Risk assessment of power systems：models，methods，and applicationsM.USA and Canada：IEEE Press and Wiley，2005. 3张大波.基于状态监测与系统风险评估的电力设备维修及更新策略研究D.重庆大学，2012. 4Li Wenyuan.Probabilistic Transmission System PlanningM.USA and Canada：IEEE Press and Wiley，2011. 5张大波，何怡刚.基于状态监测与变电站风险的断路器预防性维修决策J.电力科学与技术学报，2014，3：13-19. 6袁峻，熊小伏，侯艾君，等.基于故障统计特征的高压断路器维修决策方法A.云南电网公司、云南省电机工程学会.2012 年云南电力技术论坛论文集（文摘部分）C.云南电网公司、云南省电机工程学会，2012：1.
