摘 要

变电站作为电网的关键组成部分，承担着输电网到用户之间供电任务，其可靠性的高低直接关系到电网的可靠运行与否。本文以变电站主接线可靠性评估的理论研究和工程实践为主要内容，分别使用最小割集法和一种新型序贯蒙特卡洛模拟法对两种220kV变电站主接线进行了可靠性评估。评估结果为变电站主接线的设计及短期可靠性评估提供了参考，主要研究内容和创新点如下：

首先分析了典型的220kV变电站电气主接线结构，并对内部继电保护配置与故障元件动作情况进行了研究。然后，本文对变电站电气主接线可靠性的定义及评估方法的基础理论进行了研究，并在此基础上针对主接线方式选择和短期可靠性评估两个研究目的，对比不同的可靠性评估方法，选取适合本课题研究的最小割集和序贯蒙特卡洛模拟两种方案。

随后，研究了最小割集法在变电站主接线可靠性评估中的应用方法。评估过程中考虑了断路器五状态模型以及计及倒闸操作的母线四状态模型。同时，综合了包括拒动率、修复率、检修率、故障率等可靠性数据，并将该可靠性评估结果应用于220kV变电站典型主接线方案的选择中。

最后，设计一种基于可达矩阵和等时间间隔采样算法的序贯蒙特卡洛可靠性评估方案。该方法综合了序贯蒙特卡洛的时序性、等时间间隔采样算法的快速性以及可达矩阵信息提取方便的优点，可以快速正确地进行变电站主接线可靠性指标的计算，并以此作为变电站短期可靠性的评估依据，并基于Matlab 2016a实现了该算法的程序设计。

关键词：变电站主接线；可靠性评估；最小割集；蒙特卡洛

Abstract

As a key part of power grid, substation undertakes the task of power supply from transmission network to users. Its reliability is connected with the reliable operation of power grid. In this paper, the theoretical research and engineering practice research of the reliability evaluation of the main wiring of the substation are taken as the main research contents. The minimum cut-set method and sequential Monte Carlo simulation method are applied to the reliability evaluation of the main wiring of the typical 220kV substation, providing reference for the design and short-term reliability evaluation of the main wiring of the substation. The main research contents and innovations are as follows:

Firstly, the typical main wiring structure of 220kV substation is analyzed, and the internal relay protection configuration and fault element action are studied. Then, this paper studies the definition and basic theory of the reliability evaluation method of the substation main wiring, and on this basis, the paper compares the two design purposes which includes the main wiring selection and the short-term reliability evaluation, and selects the appropriate reliability evaluation scheme of this subject by comparing different reliability evaluation methods.

Secondly, a reliability evaluation scheme of 220kV substation main wiring based on the minimum cut set method is designed. The five-state model of circuit breaker considering the rejection mode and the four-state model of bus considering the switching operation are considered. Meanwhile, the article considered the reliability data including rejection rate, repair rate, maintenance rate and failure rate.The result will be the reference of the selection of the substation main wiring.

Finally, a sequential Monte Carlo reliability evaluation scheme based on reachable matrix and time interval sampling algorithm is designed. The scheme integrates the advantages of sequential Monte Carlo timing, speediness of equal time interval sampling algorithm and convenient extraction of reachable matrix information. It can calculate the reliability index of substation main wiring quickly and correctly, and take the index as the evaluation basis of substation short-term reliability. In the end, the program design of the algorithm is realized based on MATLAB 2016a.

Key Words: main wiring of substation；reliability evaluation；minimum cut-set；Monte Carlo

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题背景和意义 1

1.2 课题研究现状 1

1.2.1 变电站主接线可靠性评估发展 1

1.2.2 变电站主接线可靠性评估方法 2

1.3 论文主要研究内容 3

第2章 220kV变电站主接线及继电保护方案研究 4

2.1 引言 4

2.2 变电站电气主接线基本接线形式 4

2.2.1 单母线接线 4

2.2.2 单母分段接线 4

2.2.3 双母线接线 4

2.2.4 双母线带旁路母线接线 5

2.3 变电站主接线设计 5

2.4 220kV变电站继电保护及故障元件动作概述 6

2.4.1 220kV变电站变电运行的主要故障 6

2.4.2 继电保护配置 6

2.4.3 变电站继电保护隐性故障 7

2.4.4 两种主接线形式下变电站故障运行方式 7

2.5 本章小结 8

第3章 变电站主接线可靠性评估理论及方法 9

3.1引言 9

3.2元件停运模型 9

3.2.1独立停运模型 9

3.2.2相关停运模型 11

3.3 故障识别方法 11

3.3.1连通性最小割集法 11

3.3.2连通性可达矩阵法 15

3.3.3两种算法比较 15

3.4 元件可靠性模型 18

3.4.1适用于最小割集法的元件可靠性模型 18

3.4.2适用于序贯蒙特卡洛模拟法的可靠性模型 21

3.5 可靠性评估指标 21

3.5.1 电气主接线可用率A 21

3.5.2 电气主接线故障概率Q_S 21

3.5.3 电气主接线的故障频率f_F 22

3.5.4 年平均故障停电时间U 22

3.5.5 期望缺供电量EENS 22

3.6本章小结 22

第4章 基于最小割集法的变电站主接线可靠性评估 23

4.1最小割集法概述 23

4.2故障响应矩阵 23

4.2.1非扩大型故障响应矩阵R 23

4.2.2扩大型故障响应矩阵S 23

4.3故障枚举 24

4.4算例分析 24

4.4.1可靠性评估假设 24

4.4.2可靠性评估数据 25

4.4.3单母线分段带旁路母线接线形式主接线评估 26

4.4.4双母线接线形式主接线可靠性评估 29

4.5本章小结 31

第5章 基于新型序贯蒙特卡洛模拟法的可靠性评估 32

5.1新型蒙特卡洛法原理及步骤 32

5.1.1元件模型 32

5.1.2基于TIS算法的序贯蒙特卡洛模拟法评估流程 32

5.1.3系统状态序列分析 38

5.1.4收敛判断 38

5.2序贯蒙特卡洛模拟程序设计与评估结果 38

5.2.1系统参数与运行假设 38

5.2.2系统网络图建立 39

5.2.3算例仿真 39

5.2.4仿真结果分析 40

5.3本章小结 41

总结与展望 42

致 谢 43

参考文献 44

绪论

课题背景和意义

变电站承担着输电网到用户之间供电任务，故其可靠性直接关系到电网的可靠运行^[1-3]。近年来的电网事故，大多是由于变电站内元件故障、继电保护不正确动作以及负荷突然转移所造成的^[4-5]。

变电站的可靠性与主接线方式有着密切联系^[6]。站内某些元件故障、继电保护装置不正确动作等因素可能会导致功率缺额甚至部分用户供电中断，进而改变电网的潮流分布、拓扑结构以及运行状态，从而对电网的安全稳定运行构成威胁^[7]。

变电站主接线可靠性评估建立在主接线拓扑结构^[8]上并以得到变电站负荷损失相关可靠性指标为目的。主要应用意义包含两个方面^[9]：一是为变电站系统长期规划做出可靠性评估；二是为短期的运行调度进行可靠性预测。

因此，课题分别针对长期规划和短期预测两个目标、结合不同的可靠性评估方法对220kV变电站进行主接线规划以及可靠性预测，具有重要的理论意义和工程应用意义。

课题研究现状

变电站主接线可靠性评估发展

1970年，变电站主接线研究正式开展^[10]，至今仍是一个热门的研究课题。

元件模型方面，从最初将开关操作相关概念引入可靠性评估理论开始，元件模型便开始不断复杂化并逐渐贴近电力系统各环节的实际运行情况，从1971年断路器三状态模型的提出^[11]到扩大型故障与非扩大型故障概念的引入，从常开元件概念的引入到包含继电保护的综合考量，又如近年来提出的不确定性问题^[12]和变电站新型设备可靠性参数缺失^[13]等问题，新的元件可靠性数学模型及其相关问题仍在不断出现。