发电厂电气主接线可靠性研究与实践

　   摘要：发电厂电气主接线系统的安全性、可靠性是电力系统运行及维护的重要内容，其可靠性将直接关系到系统供电任务的完成情况。随着国内发电厂机组容量的不断升级，主接线的连接形式也在不断变化，系统运行的可靠性问题已经成为发电厂远行与维护中至关重要的环节。

　　关键词：电厂；电气主接线；可靠性

　　安全性、可靠性以及经济型是电力系统运行及维护的基本要求，作为发电厂以及配电设备中系统中最为重要的电能枢纽单元，发电厂电气主接线的可靠性评估是电力系统研究的重要课题。作为系统电源，发电厂的主要任务是持续稳定地向系统中输送电能。在这一任务中，发电厂的电气主接线单元主要负责集中将发电机组发出的电能传输或分配到输电系统中，其可靠性将直接关系到系统供电任务的完成情况。

　　现阶段，随着国内经济的新一轮增长，居民以及工业用电急剧膨胀，对电力系统的规模以及可靠性要求也越来越高。发电厂机组容量的不断升级，使得其主接线的连接形式也在不断变化，其结构日趋复杂，所联接电气设备不断增多，其可靠性问题也日益成为制约现阶段系统发展的重要因素。

　　一、发电厂电气主接线可靠性研究概要

　　(一)发电厂电气主接线故障的常见问题
　　发电厂主接线的可靠性研究主要以系统故障为中心，因此，在本研究伊始，需要对发电厂主接线系统的常见故障内容及其对系统的影响进行介绍。作为发电厂中联系系统与电源间的中间环节，主接线系统的运行并不独立。发电厂主接线的故障及其对系统影响主要有以下几种形式，如图1所示。不难看出，一旦电厂主接线出现故障，即会影响到供电系统的连续性、充裕度以及系统安全。因而，对发电厂主接线可靠性的评估可以围绕以上三个指标展开。 

　　
　　(二)发电厂主接线可靠性的关键因素

　　1、断路器
　　在整个主接线系统中，断路器属于操作元件中最为重要的部分，断路器的操作结果可以改变电厂主接线的拓扑结构。由于断路器自身结构的复杂性，由其操作不当或突发性故障所造成的主接线系统的故障形式多样。尤其以断路器引起系统恶性连锁反应事故最为严重，作为主接线系统的关键性操作元件，断路器的安装与操作值得引起工作人员的注意。

　　2、输电线路和变压器
　　输电线路以及变压器属于系统静态元件，作为系统的重要连接节点，由其引起的系统故障大多为扩大性故障。由于他们二者的故障所导致的系统状态的改变，将引起相邻断路器的动作，对系统的修复必须在其关联断路器动作并切除故障后进行。因而，输电线路及变压器的状态是决定主接线可靠性的关键性因素之一。

　　(三)电厂主接线可靠性计算的一般方法和步骤

　　1、基于故障扩散的评估方法及步骤
　　基于故障扩散的评估计算方法利用前向搜索算法确定主接线系统中断路器动作的影响范围，在运用故障扩散的方式获得故障范围后，确定系统节点的故障类型。该算法以故障扩散算法为基础，在确定系统故障类型及影响范围后，获取系统可靠性指标，其评价的步骤得到简化，但计算量却偏大。

　　2、故障模式与后果分析法(FMEA)
　　故障模式与后果分析的方法是一种传统的可靠评估计算方法，该方法首先会针对系统结构确定各关键元件的各种可能状态，在此基础上对各种状态组合进行系统分析，确定系统的故障模式集合，并计算出该状态集合的可靠性指标数据。与其他分析计算方法相比，故障模式与后果分析方法的原理相对简单，结构比较明晰，但由于该方法大量采用了归纳法，因而计算冗余度将与计量元件数目的指数成正比。

　　3、频率和平均持续时间法(FD)
　　频率和平均持续时间法是一种基于Markov过程的方法，其评价的步骤包括通过运用Markov过程理论将系统自电源到负荷端口的状态空间图进行求解计算。在计算中，要将元件故障扩大的因素纳入考虑范围，并最终形成系统累积的状态空间图，并以此计算各部分以及系统的可靠性指标。由于在计算中引入了累计状态的概念，非常有利于建立子系统以及组合系统的计算模型。

　　4、最小割集法
　　最小割集方法是根据系统故障可能出现的范围，将计算所涉及到的系统空间限制在尽可能小的范围内，从而是评估计算量得到减少。随着发电厂规模及单机容量的增长，系统主接线的复杂性也在不断上升，最小割集的分析计算方法尤其值得引起重视。

　　5、逻辑表格法
　　逻辑表格法是电气主接线的定量评估分析最常用的方法。在详细分析主接线系统的结构以及可能出现的双重故障后，将故障发生的概率参数整理归纳成表格。在确定系统的可靠性指标后，利用上述表格的结构，计算得出主接线系统的可靠性指标参数。目前，由于电厂主接线复杂性日益提升，考虑到逻辑表格方法的计算效率，该方法已经开始逐步为上述各种方法所取代。  

　　
　　二、发电厂电气主接线故障状态的矩阵描述

　　发电厂电气主接线系统的故障矩阵描述借助于网络结构的特征矩阵方法，通过状态矩阵的建立，描述了主接线系统中各部分关联关系，确定故障状态的构成及其影响，以及系统元件或结构性故障发生时，准确描述主接线系统故障状态的演变。

　　(一)元件邻接矩阵
　　元件邻接矩阵A依据主接线系统中各元件的相互链接关系而构建，能够描述主接线系统中部件之间的组合状况以及网络的系统结构。其矩阵的表达式如式1所述，各元件的邻接矩阵元素用(0.1)代码分别表示关联元件的运行或停运状态。在该矩阵中，Xi未示元件的编号，aij的值分别取1或0，代表元件i与j的相互连接处于联通状态或断开状态。

　　(二)替代元件矩阵(N)
　　发电厂的主接线系统中，当元件发生故障时或检修时，需要通过开关相应的设备来隔离故障并替代部分障碍元件的功能，替代元件矩阵就是用来确定其替代元件的方法。式2即为替代原矩阵的一般形式，其中m与n分别表示系统中常开元件数与常开元件外的元件数，Xi与NOi分别作为系统的运行元件与常开元件。

　　(三)结构矩阵(G)
　　当系统为确定发电厂主接线的所有电力传输通道及其受电厂主接线元件状态的影响情况时，需要建立结构矩阵来进行判断。如式3所示，Xi与Li分别代表由元件构成的行向量以及电力通道列向量，n与1分别代表系统元件数量以及网络系统中电力通道的数量，gij为描述元件与该通道关系的矩阵元素。

　　(四)受累停运矩阵(D)
　　受累停运矩阵主要用于描述系统中的元件故障的影响，确定系统中受故障影响的范围。一般情况下，当系统元件出现故障时，与其相关联的断路器动作，并将故障部分隔离。但是，当离故障点最近的断路器拒动或发生故障时，系统故障将进一步在系统中蔓延，即故障的扩散。受累停矩阵的作用即在于此，他能够过对元件受累停运状态的描述，迅速确立元件扩大型故障对主接线系统的影响及其范围。如式4所示，i、j分别为主接线系统中的故障元件与受累元件，dij为停运因子。

　　三、发电厂电气主接线可靠性分析的算法和实现

　　发电厂主接线可靠性的分析算法实现建立于电厂电气主接线可靠性分析以及系统元件状态空间的最小割集分析方法之上。在对发电厂主接线系统进行可靠性分析计算时，首先需要了解系统元件的运行状态，并对电厂主接线的网络结构进行分析。依据上文中所列举的受累停运矩阵，结合主接线网络最小路集，确认当系统发生故障时。其对电厂的主接线网络造成影响的最小路集的故障影响矩阵。在此基础上，在获得确定的主接线系统可靠性指标后，可得到元件个状态的概率值。一般系统可靠性的指标依照上文所述的供电连续性、运行安全性以及供电充裕性三个方面要求来选取。

　　四、结束语

　　作为电力系统中的重要组成部分，发电厂电气主接线的可靠性分析是维持电力系统稳定运行的重要方面。发电厂电气主接线可靠性评估计算是建立在对主接线系统的功能元件以及系统网络结构的可靠性参数指标已知的情况下，按照系统评估规程借助矩阵计算方法，对整个系统满足供电连续性、运行安全性以及供电充裕性能力的量度。需要注意的是，在建立系统各部分的可靠性数学模型后，需要根据主接线系统的逻辑关系确定最小割集，并对其进行等效处理。