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基于可靠性的配电网规划思路和方法


第 28 卷第 1 期 2011 年 2 月

供 专题讲座





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本刊特约撰稿

基于可靠性的配电网规划思路和方法
范明天 ( 中国电力科学研究院 , 北京 随着电力技术的进步, 电力行业及全社会越 来越关注和重视供电可靠性。我国目前

广泛采用 的传统配电网规划方法 , 主要靠既定的技术标准 / 准则和经验来定性地满足供电可靠性的要求。这 一规划方法是造成我国平均供电可靠性较差的基 本原因之一, 在未来应该被基于可靠性的现代规 划方法所取代。为了提高我国的供电可靠性, 必 须充分了解当前世界上先进的现代配电网规划理 念。在规划阶段就考虑实现确定性的可靠性目标 是规划方面的最新技术挑战 , 本系列讲座主要探 讨在规划阶段提高供电可靠性水平的方法。 美国 H . L ee. Wills 所著的 配电系统规划参 考手册 ( 2004 年版 , 下称 参考手册 ) , 系统地展 示了现代配电网规划的理念和技术, 论述了基于 可靠性的配电网规划的思路和方法, 并给出了大 量实例和技术指标。该书的中文译本 ( 约百万字 ) 历时 5 a 的翻译, 将于近期出版 , 该书对提高我国 现有配电网规划水平具有重要的参考价值, 对学 100192)

习研究国际先进的配电网规划思路和相应的计算 模型、 提高供电可靠性的精细化管理水平等, 都有 很好的借鉴作用。本系列讲座将以 参考手册 为 范本, 以该书的研究成果为基础 , 具体介绍当前国 外关于基于可靠性的配电网规划的核心内容。本 系列讲座共分为以下 6 讲 : 讲座一 基于可靠性 的配电网规划的概况和基本理念 ( 分析传统规划 方法的不足和介绍基于可靠规划的基本理念) ; 讲 座二 基于可靠性的配电网规划的项目评估方法 ( 介绍基于边际成本效益分析的项目优选方法 ) ; 讲座三 基于可靠性的配电网规划的相关导则和 准则( 介绍可靠性导则和准则的确定方法和使用 方式) ; 讲座四 基于可靠性的馈线系统规划方法 ( 介绍馈线层的可靠性规划流程和方法 ) ; 讲座五 基于计算程序的可靠性评价方法 ( 介绍预测配 电网期望可靠性评价指标的分析方法 ) ; 讲座六 可靠性与支出的关系( 介绍实现可靠性目标应如 何平衡可靠性工程项目与费用) 。

讲座一


基于可靠性的配电网规划的 概况和基本理念

要 : 基于预想事故的传统配电网规划方法已极大地制约了我国供电可靠性水平的进一步提高。讨

论基于可靠性配电网规划的必要性, 分析了我国传统规划方法中存在的不足 , 给出基于可靠性的配电网 规划的基本理念。 关键词 : 配电系统 ; 可靠性; 配电网规划
中图分类号 : T M 711 文献标识码 : A 文章编号 : 1006- 6357( 2011) 01- 4

Ideas and Methods of Power Distribution Network Planning Based on Reliability
Fan M ingtian ( China Electr ic Po wer Resear ch I nstit ute, Beijing 100192, Beijing China)

Lecture 1

Outline and Basic Conception of Power Distribution Network Planning Based on Reliabi lity

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范明天 : 讲座一

基于可靠性的配电网规划的概况和基本理念

Abstract: T raditio nal dist ribution netwo rk planning methods based o n co nting ency are g reatly constra ining our co untr y pow er supply r eliability . T he necessit y o f distr ibution netwo rk planning based on r eliability is discussed, the shor tco mings ex isting in the tr aditional planning are analyzed, and the basic co nceptio n of distr ibution netw ork planning based on r elia bility is pro vided. Key words: pow er distributio n sy stem; reliability; distributio n netw ork planning

目前我国广泛采用的传统配电网规划方法 , 是按照既定的标准和准则进行的 , 即基于预想事 故和 N- 1 安全准则的规划方法。这是造成我 国平均供电可靠性较低 ( 年户均停电时间 9 个多 小时 ) 的基本原因之一。为了有效地满足电力企 业和社会对供电可靠性精细化管理的要求, 在配 电网规划阶段就有必要设定明确的供电可靠性目 标 ( 如要求年户均停电时间上限为 2h 等 ) , 因此 , 基于可靠性的配电网规划方法与传统的配电网规 划方法有很大的不同。 相对于传统的基于预想事故的规划方法, 参 考手册 中所论述的基于可靠性的规划方法 , 是当 前国际上先进的配电网规划方法。本系列讲座重 点讲述两个问题 : 一是如何在投资尽可能低或在 给定投资额度的条件下, 在规划阶段获得尽可能 高可靠性; 二是如何在给定的可靠性目标下 , 尽可 能减少投资。 本讲座为系列讲座的开篇, 主要介绍三部分 的内容 : 传统规划的基本思路和不足、 基于可靠性 的配电网规划的必要性、 基于可靠性的配电网规 划的基本理念 , 力求为本系列讲座提供方向性、 引 导性的作用。

可切换的手段, 从而为系统故障段以外的所有部 分继续供电。为迅速恢复供电 , 这需要开关设备 快速动作, 而靠人工将故障线路切换到备用线路 , 可能需要 0. 5~ 1h 的时间。由于配电系统中广泛 使用人工切换操作和辐射状系统设计, 因此常需 要对基于预想事故规划方案进行调整。但是无论 在什么情况下, 系统运行准则要求系统在任何 N - 1 状态下都不能偏离正常的运行标准。 传统的基于预想事故的规划方法中 , 在某个 元件退出系统的条件下, 可使用分析工具 ( 潮流、 稳定) 来判断是其过负荷或者低电压或其他不可 接受的故障原 因。虽然该方 法工作量可能 非常 大 , 但只需要简单地反复计算即可完成, 并且只需 使用输配电系统设计所需要的标准设计工具。 传统的基于预想事故的规划方法的优点 , 在 于可以直接使用标准化、 序列化的计算模块, 并将 提供可靠性 的问题分成许多小的研究部分 , 每 一部分都针对系统的某一个元件。因此, 基于预 想事故的规划方法非常适用于制定运行规划 ( 为 解决预想事故而做具体的决定并做好准备 ) 。 然而, 传统的基于预想事故的规划方法有两 个非常明显的缺点: 法不是特别有效; 如果规划人员主要关注降 尽管这种规划方法列举并解 低费用或预算有限方面的问题 , 那么这种规划方 决了每种可能的单个设备的停运情况 ( 或者 N 2 规划中的双设备停运情况 ) , 但是在设备负载率 ( 峰荷/ 容量 , 用于高压配电线路与变电站变压器 ) 高于常规水平的情况下, 就不能确保规划系统本 层级的可靠性水平 ( 因为该方法未能考虑层级之 间的负荷转移情况 ) 。 实现可靠性的传统方法 , 主要通过在设计中 采用严格的准则来构建系统应对事故的能力。很 多企业在规划中都应用了事故优先排序法。该方 法根据事故的危险程度和成本效益的大小对事故 进行排序, 从而减少支出。当今先进的电力企业 , 主要是通过 设置性能目标和重点, 并实施以可靠

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传统规划方法的基本思路和不足
传统的基于预想事故的规划方法, 是一种基

于导则的规划方法 , 即基于预想事故或基于 N 1 安全准则的规划方法。在该方法中规划人员以 个案为基础来研究整个系统 , 根据备选规划方案 逐个退出系统中的某个元件 , 评估该元件退出后 是否满足特定的准则, 并以此完成系统的可靠性 设计工作, 其前提条件为隐含或间接地假定系统 满足导则中的准则要求。 基于 N- X 的预想事故规划理念广泛地应 用在输电层、 高压配电层和变电站层的规划 , 其基 本准则是不能因为系统中的停运设备被隔离而造 成停电。这就要求在事故状态下 , 系统必须具有

范明天 : 讲座一

基于可靠性的配电网规划的概况和基本理念

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性为中心的规划和运行 的方法来实现其可靠性。 虽然这两种方式均能获得良好的可靠性, 但只有 后者才能以尽可能低的费用获得较高的可靠性。

标是一致的。 对电网规划人员而言 , 规划阶段如何考虑实 现确定性的可靠性目标是新的技术挑战 在投 资尽可能低或在给定投资额度的条件下获得尽可 能高可靠性 ; 或者在给定的可靠性目标下尽可能 减少投资, 这意味着规划人员在降低成本方面将 面临着前所未有的挑战。

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基于可靠性配电网规划的必要性
随着电力企业对供电可靠性量测和管理能力

的不断提高, 以及社会对供电可靠性需求和价值 认识的日益提高 , 电力行业越来越关注和重视供 电可靠性。为了设计高效经济的配电系统, 需要 对供电负荷、 供电可靠性、 总投资费用这 3 个主要 因素进行平衡。对供电可靠性 , 规划人员必须考 虑系统平均停电频率 ( SAIF I) 、 系统平均 停电持 续时间 ( SAIDI) 和短时停电频率 ( MAIF I) 3 个方 面 , 另外要考虑的重要因素是 停运影响程度 , 它 反映了 1 个元件停运会造成多少客户停电, 面对 电力行业所发生的这些深刻变化 , 我国当前仍采 用的基于预想事故 ( 即基于 N - 1 准则 ) 的传统 规划方法应该被基于可靠性的规划方法所取代。 我国配电 网未来 20 a 的规 模将是现在的 2 倍以上 , 我国配电网究竟是继续以现有的高损耗、 低可靠性模式 , 还是采用新的模式发展, 是必须认 真研究的问题。 发达国家目前负荷年增长率较低 ( < 1% ) 、 供 电可靠性较高 ( 其年户均停电时间低于 1h) , 电网 发展进入了成熟阶段, 因此要求电网的投资尽可 能延缓、 户均单位停电时间的投资尽可能低。这 也是发达国家开展智能电网研究的社会和经济基 础。 我国现在的年户 均停电时间高于 9 h, 只有 北京、 上海的中心城区才达到 2 h 以内。停电 9 h 的电网是不可能比停电 1 h 的电网 更坚强可 靠 的。为了达到输电网安全、 配电网可靠的坚强智 能电网建设目标, 我国从现在开始, 如果不从电网 规划技术上进行变革性的考虑 , 仅靠一些电网自 动化、 智能化技术的发展是很难超越发达国家的 电网可靠性水平的, 且不论我国电网建设的投入 产出是否有较好的边际成本效益。因此, 我国配 电网规划有必要采用基于可靠性的规划思路与方 法 , 应该从电力设备寿命长达 50 a 的特点出发 , 对未来增长趋势进行预测, 进行近、 中、 远期规划 , 以满足电网损耗越来越低、 可靠性越来越高的要 求。这些理念与我国可持续发展、 节能减排的目

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基于可靠性的配电网规划的基本理念
基于可靠性的规 划是一种更现 代的规划 手

段 , 实践证明 , 它对可靠性的投资客实现投资成本 最大化。在系统负载率高、 事故裕度小的条件下 , 通过精心、 合理的规划设计 , 采用网络结构和网络 互联的灵活性, 同样可以实现高可靠性水平。这 一基本理念可从本系列讲座其余 5 讲的主要观点 中予以体现。 讲座二的主要观点。基于可靠性的规划是一 种以定量的性能指标为目标的规划方法。规划人 员参照某个目标 ( 配电层的可靠性或输电层的安 全性) 对系统进行评估 , 然后判断系统能否实现既 定目标 , 识别缺陷及分析原因, 并按照主次、 轻重 对缺陷排序 , 安排对应的项目, 最后根据边际成本 效益分析对项目进行排序, 确定最好的规划方案 , 使系统达到性能目标。这体现了可靠性与支出之 间相互平衡的问题是基于可靠性的配电规划的基 础。 讲座三的主要观点。供电企业降低费用 ( 有 时远低于传统的支出水平 ) 是时代的要求。实现 电力系统的可靠性有 3 种方式 : 第一种是传统方 式 ; 第二种是基于可靠性的规划 , 它可按具体的可 靠性目标来设计电力系统, 在概念上非常类似于 设计一个电力系统以实现足够的电压性能, 该方 式需要新的工具和规划方法 ; 第三种方式是一个 过渡或 折中 方式 , 其优点在于 , 可以适用于大部 分传统的规划过程 , 可以使用传统的规划工具、 数 据和技术, 只需通过少量简单加法就能对其进行 增加和修改。 讲座四的主要观点。对于馈线系统规划 , 规 划人员必须考虑 4 个重要方面的问题 : 网络结构、 备用容量、 线路分段和切换时间 , 并需对它们之间 的相互影响进行预测, 做到合理配置 , 从而为馈线 系统制订出合理的分段与切换的组合方案, 规划

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范明天 : 讲座一

基于可靠性的配电网规划的概况和基本理念

出具有不同层 级相互支持能力的 坚强 馈 线系 统。坚强馈线系统的真正价值大多体现在变电站 层和高压配电层 , 通过馈线系统将负荷转移到相 邻的变电站, 使得变电站内变压器有较高的负载 率 , 因此可为电力系统带来较大的节约。 讲座五的主要观点。基于计算程序的可靠性 评价是一种较新的配电规划方法 , 但随着电力行 业的竞争日益激烈, 客户服务质量的重要性日趋 显著, 这种评价方法极有可能会像潮流分析一样 成为普遍采用的方法。配电可靠性评估常用的方 法有 4 种 , 分别是网络建模法、 马尔可夫建模法、 分析模拟法和蒙特卡罗模拟法。这 4 种方法进行 可靠性分析的理论依据是不同的 , 它们分别采用 不同的方法评估系统的可靠性。 讲座六的主要观点。在系统的两个或多个地 区、 区域之间或客户层之间 可靠性价格 存在差 异的情况下, 在区域、 地区或客户组之间的支出、 预期可靠性和成本效益这 3 个因素中至少有一个 是不可能公平的, 这一点无法避免, 应根据企业的 具体情况来决定。电力企业可以做出计划决策 , 使预期支出或预期可靠性公平 , 但不能使它们同 时公平。有的电力企业采取综合平衡 3 个因素的 折中办法; 有的电力企业则尽可能降低费用 , 这可 能造成支出和可靠性水平不公平。 随着配电系统中储能系统、 分布式发电和自 动化这 3 类技术的广泛应用 , 配电系统具有了为 市场提供差异化可靠性选择的可能。所有这些技 术资源 , 特别是分布式发电 , 可以从两个角度来考 虑 : 这个市场为分布式发电的发展创造机会; 分布式发电提供了可以很容易地调整不同的可靠 性与费用的组合方式, 这迫使电力企业以可靠性 ( 上接第 7 页 )
电 , 2010, 27( 5) : 1 4, 14. [ 2] 张文亮 , 丘 明 , 来 小康 . 储能 技术在 电力系统 中的 应用 [ J] . 电网技术 , 2008, 32( 7) : 1 9. [ 3] 杜 成刚 , 李 张 瑾, 胡 超 , 等 . 智 能电 网建 设助 推电 动汽车业快 速发展[ J] . 供用电 , 2010, 27( 5) : 5 9. [ 4] 宇 , 俞国 勤 , 施明 融 , 等 . 电 力储 能技 术应 用前

为基础开展竞争。

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结语

1) 发达国家在负荷增长相当平缓且电网发 展成熟的阶段追求电网投资尽可能延缓, 供电可 靠性尽可能高, 这是国际上进行电网智能化的社 会基础。我国有必要采用基于可靠性的规划思路 和方法进行配电网的规划。 2) 基于预想事故的规划是一种基于导则的 规划方法。它以个案为基础来研究整个系统, 根 据备选规划方案逐个退出系统中的某个元件 , 评 估该元件退出后是否满足特定的准则, 并以此完 成系统的可靠性设计工作, 其前提条件为隐含或 间接地假定系统满足导则中的准则要求。 3) 基于可靠性的规划是一种以定量的性能 指标为目标的规划方法。规划人员参照某个目标 ( 配电层的可靠性或输电层的安全性 ) 对系统进行 评估, 然后判断系统能否实现既定目标, 识别缺陷 及分析原因, 并按照主次、 轻重对缺陷排序, 安排 对应的项目 , 最后根据边际成本效益分析对项目 进行排序, 确定最好的规划方案 , 使系统达到性能 目标。 4) 为了提高电网的可靠性水平 , 规划人员需 要从传统的基于预想事故的规划方法转变到基于 可靠性的规划方法, 后者对规划人员的技能和素 质要求更高。优秀的规划人员往往能够同时掌握 和使用这两种规划方法。
收修改稿日期 : 2011 年 1 月 范明天 ( 1954- ) , 工学 博士 , 教授 , CIGR E C6 中方 委员 , 中国电机工程学会高级会员 , 研究方向 为城市电网 规划与应急管理

收稿日期 : 2010 年 12 月 董晓文 何维国 ( 1980- ) , 博士 , 从事 电力电池 储能系 统集成 及接 入、 电动汽车、 电力能源转换相关技术研究 ( 1964- ) , 教授级高工 , 从事电力系统 及其自动化、 电能质量、 电力系统无功配置、 电动汽 车、 能源转换 相关技术研究 蒋心泽 王佳斌 钱晨巍 ( 1962- ) , 高级工程师 , 从事电力系统 及其自动化、 电动汽车、 能源转换相关技术研究 ( 1985- ) , 助理工程 师 , 从事电 力能源 转换相 关技 术研究 ( 1985- ) , 助理工程 师 , 从事电 力能源 转换相 关技 术研究

景分析 [ J] . 华东电力 , 2008, 36( 4) : 91 93. [ 5] 袁智强 , 张 征 , 祝 达康 . 钠硫 电池储 能系统在 上海 电网的应用 研究[ J] . 供用电 , 2010, 27( 3) : 1 4, 11.


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