配网可靠性定量评估分析系统需求说明书.docx

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备注

目录

1.引言3

1.1目的3

1.2编制依据3

1.3读者对象3

1.4文档范围3

1.5参考文档4

1.6术语与缩写解释4

2业务分析5

2.1总体概述5

2.1.1总体业务需求7

2.1.2业务词汇表8

2.2提高城市配网可靠性的研究业务综述8

2.3提高城市配网可靠性的研究目标9

2.4配电系统可靠性计算方法10

2.4.1解析法11

2.4.2模拟法13

2.5配网可靠性评估指标及模型14

2.5.1元件可靠性指标15

2.5.2负荷点可靠性指标15

2.5.3系统可靠性指标16

2.5.4用户供电可靠性指标17

2.5.5供电可靠性设备指标18

2.5.6系统的可靠性模型和基本计算公式19

2.6可靠性指标计算21

2.6.1计算流程21

2.6.2计算元件可靠性参数21

2.6.3负荷点及系统可靠性分析方法24

2.710kv配电网的接线模式34

2.7.110kv配电网的结构和运行特点34

2.7.210kv配电网的典型接线模式及其供电可靠性35

6.需求说明37

6.1综合描述37

6.1.210kv配电网可靠性评估的几点设定38

6.1.3基于解析法的评估算法主流程39

6.2功能摘要39

6.2.1功能清单及重要程度说明40

6.2.2功能与业务对照关系表41

6.3数据流程分析42

6.3.1数据分类42

6.3.2可靠性估计数据要求42

6.3.3数据处理42

6.4功能要求43

6.4.1可靠性基础数据管理44

6.4.2网架结构可视化47

6.4.3可靠性定量评估52

6.4.4提高配电网供电可靠性的成本/效益分析56

7.系统建模57

7.1可靠性基础数据管理模块57

7.1.1用例模型57

7.1.2模块静态模型58

7.1.3数据字典59

7.2网架结构可视化60

7.2.1用例模型60

7.2.2模块静态模型61

7.2.3数据字典61

7.3可靠性定量评估62

7.3.1用例模型62

7.3.2模块静态模型63

7.3.3数据字典63

8.后台算法的实现64

8.1基于区域网络图的可靠性评估模型65

8.1.1区域网络模型65

8.1.2区域功能67

8.1.3区域的可靠性参数67

8.1.4区域故障类型67

8.1.5负荷点可靠性参数68

8.2算法描述69

9.算例分析72

1.引言

1.1目的

本文档对荆州供电公司中压配网规划管理中的系统可靠性定量评估过程中涉及的可靠性基础数据采集、处理、分析、评估的技术评估过程，以及具体的运算流程和需求进行分析，定义配电网可靠性定量评估系统的功能需求、数据描述、运行环境，包括主要功能、系统结构、系统规模、配置方案和软硬件配置要求。

1.2编制依据

在对《提高配网供电可靠性研究项目任务书》深入研究的基础上，以国家电网公司供电可靠性管理相关制度为指导，荆州公司配电运检工区和项目组成员经过全面、深入、认真分析讨论后，对有关内容形成一致意见的前提下，最终编制本需求分析报告。

1.3读者对象

本文档可作为系统设计人员，售前技术支持人员，程序员，测试人员、使用人员的参考资料。

1.4文档范围

本文档依据“整体规划、逐步实施”的原则对荆州供电公司配网可靠性定量评估系统进行整体设计，整个系统建议分为二期进行开发，本文档将着重围绕项目一期所包含的业务范围和必须达到的功能进行需求分析及说明。

（1）配网可靠性定量评估系统分析

对系统需求分析、业务流程分析和数据流程分析进行详细阐述。

（2）配网可靠性定量评估算法研究

以解析法为主要研究对象，以故障模式及后果分析法为核心，提出一种运算更为高效，便于计算机技术实现的评估方法。

1.5参考文档

1、《基于非时序蒙特卡罗模拟法的配电网可靠性评估研究》

2、《基于可靠性的配电网规划思路和方法讲座》

3、《基于网络等值法的配电网可靠性研究》

4、《电力系统配电网可靠性与经济性问题研究》

5、《配电网可靠性评估与优化》

6、《供电可靠性规程（送审稿）》

7、《网络等值法模型研究》

8、《10KV配电网可靠性与成本效益分析的研究》

9、《蒙特卡罗分析可靠性影响因素》

10、《可靠性评估级别树算法在高可靠性示范区配电网规划中的应用》

11、《用户供电可靠性管理工作手册》

12、《可靠性原理及其在电力规划中的应用》

13、《10kV配电网规划的供电可靠性评估和应用》

14、《考虑可靠性指标的配电网规划算法的研究》

15、《配电网可靠性评估的网络等值法模型研究》

16、《基于元件组的复杂配电网可靠性评估》

17、《复杂中压配电网可靠性评估新方法》

18、《配电系统可靠性评估》

19、《配电网可靠性非同调分析》

20、《配电系统可靠性评估模拟方法研究》

1.6术语与缩写解释

略

2业务分析

2.1总体概述

配电系统可靠性研究的对象主要是配电系统及其设备在规划、设计中所考虑的各种条件和要求，制造和安装后所具有的结构和固有的特征，运行过程中所表现的特性及状态，以及与配电系统相关联的发电、输电以至用户各个环节、各种设备可能带来的影响。

可靠性定量评估是电力系统可靠性技术的核心。

这是因为一个电力系统的可靠性和经济性经常相互抵触，而两者之间只有量化后才能达到某种程度的平衡。

电力系统的用户负荷具有随机性，系统故障也具有随机性，因此，以负荷停电损失为基本内容的可靠性评估技术是建立在概率论基础上的。

可靠性理论是系统工程学的一个重要方面。

它从系统的观念出发，研究系统均衡性与整体一致性的数量特征。

可靠性理论应用概率统计的方法分析整个系统的生命周期，定量的预测系统性能，对系统不同的设计方案的相对可靠性水平提供统一的定量评估方法。

图2.1表示系统工程中可靠性的研究框图。

框1、2是可靠性定量评估的基础。

评估结果经分析后与实际系统相匹配，并真实反应系统的实际情况。

图2.1可靠性研究的框图

配电系统可靠性研究具有以下几个特点：

1、由于电力生产具有发、供、用的同时性，且配电系统处于电力系统的末端，直接与用户设备相连接，因此，配电系统的可靠性指标实际上是整个电力系统可靠性的综合反映。

配电系统可靠性指标的统计、分析、评价、预测评估，以及为了改善和提高配电系统可靠性的对策和措施，都必须立足于整个电力系统，全面和全方位地加以考虑。

2、配电系统是电力系统向用户供应电能和分配电能的最终环节，因此配电系统可靠性研究必须以改善和提高配电系统对用户供电的能力和质量为目的。

3、配电系统设备分散、点多面广，受外界环境和气候条件的影响极大。

同一类设备的特性和状态可能因安装和使用的位置和地区，负荷的性质和大小不同而有所不同，因此配电系统可靠性的研究必须从系统的观点出发，全面的、全过程的加以研究。

4、配电系统的结构、设备的型号、规格、容量和数量的大小是随用户及负荷的增长和变化而不断改变的，而且常因检修方式的不同而更换和改变。

其系统和设备的特性数据及指标必须通过较长的时间的统计才能反映其统计的规律。

5、配电设备是构成配电系统的基础，配电系统的可靠性取决于配电设备的特性及其组合方式。

配电系统的结构形式和运行方式是多种多样的，用方式式结构、环形及网状结构以及多分割多联络的结构等。

因此，设备故障有的可能直接对用户产生影响，有的则可能不会产生影响。

配电系统的可靠性研究对确保系统的安全，可靠运行有着重要的意义。

主要表现在以下几方面：

1、通过指标分析，能找出影响供电可靠率的主要因素，针对问题，从电网网架结构、设备配置、设备及人员管理方面提出相应的措施，保证向全部用户提供连续、高质量的电能，使可靠性管理更科学、合理。

对供电半径、馈线的分段数、用户数的分配、变压器的容量配置等进行经济性分析，使可靠性管理在经济的前提下取得更大的效益。

还可以发现现状网络的薄弱环节，对停电事故进行全面重点分析，形成意见，反馈给相关部门；发现一般规律性的问题，从而更好地指导生产实践，为网络优化及电网建设改造提供依据。

2、能调整传统的工作方法和方式，在管理内容、手段、措施等方面进一步的创新和发展；可促进电力企业及相关行业的技术进步和科学管理水平的提高；是保证供电质量、实现电力工业现代化的重要手段，可为城市电网规划、建设的改造提供决策依据，从而产生巨大的社会效益和经济效益。

2.1.1总体业务需求

配电系统可靠性研究的主要任务包括：

1、研究配电系统中元件和系统的可靠性计算模型，获得元件的可靠性参数，在此基础上对系统可靠性水平进行定量评估。

广义的可靠性评估包括评价元件或系统在过去时间内的可靠性水平和预测元件或系统在未来时间内的可靠性水平两方面。

可靠性研究的目的是更好的指导未来时间内电网的规划、设计和运行，因此本项目主要研究的是对配电系统可靠性的评估。

配电系统由许多特有的元件所组成。

例如，架空线、电缆、断路器、开关、变压器等，其中多数元件为可修复元件。

为了能够准确地分析系统可靠性，需要了解这些元件的可靠性参数，一般采用统计方法获得这些参数。

2、找出配电系统中的薄弱环节，寻求提供系统可靠性的途径。

通过统计和量化计算的方法，可以对可靠性水平进行深入分析，查找系统中可靠性的薄弱环节。

针对这些薄弱环节，提出有效的改进措施。

提高配电系统的可靠性就是要降低停电频率、缩小停电范围、减少停电和停电成本。

主要方法包括：

尽可能采用可靠性高的电力系统元件；对系统进行计划检修和故障检修，定期的用新元件来替换旧元件，使系统处在预定功能的良好状态；推广带电作业和旁路作业，合理安排计划停电；适当加装断路器、熔断器和分段开关，加强馈线间的联络，形成运行灵活、互济能力强的网络；实施配电自动化等。

3、研究可靠性和经济性之间的最佳平衡。

在决定系统某一阶段的可靠性水平时，考虑的是可靠性增益与经济成本之间的平衡。

片面强调节省投资，将导致网络改造速度放缓，元件可靠性水平降低等一系列问题，给系统可靠性带来隐患；片面追求高可靠性，又会造成投资过高，资源浪费，降低了企业运营效率。

因此要将提高供电可靠性与提高效率有机结合起来，在系统可靠性最高或在可靠性水平一定的条件下，系统的投资最省。

2.1.2业务词汇表

略

2.2提高城市配网可靠性的研究业务综述

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。

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。

为了提高供电可靠性，必须在规划阶段就考虑实现确定性的可靠性目标

配电网是电力系统中联系电源与用户的一个重要环节，其供电可靠性水平的高低与电力用户有着直接的关系。

保证供电可靠性是配电网规划与运行管理中需要考虑的一个重要问题。

电网的供电可靠性与电网建设的经济性有时是相互矛盾的两个方面。

提高供电可靠性，则可能需增加对电网的投资，使电网的经济性下降，但若不采取措施提高可靠性，则包括停电损失在内的电网总成本可能反而会上升。

如何使电网供电可靠性与电网经济性之间协调达到最大满意程度，则要通过可靠性成本/效益分析来完成。

首先需要合理地定量评价电网的供电可靠性，找出其薄弱环节，然后通过成本/效益分析来采取合理的措施提高电网供电可靠性。

在基于可靠性的规划过程中，面临以下两个主要问题：

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。

此次项目研发的成果要应用于荆州地区中压配电网的评估与分析，发现荆州市中压配电网可靠性薄弱环节，提出改造意见，总结提高可靠性的措施，为荆州配电网的运行和改造提供参考依据。

业务范围包括定量评估中压配电系统供电可靠性，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，最后根据成本/效益分析对项目进行排序，确定最好的规划方案。

具体应用为以下两点：

一是评估当前正在运行的配电网供电可靠性水平，找出薄弱环节，为制定与实施提供供电可靠性水平措施提高科学决策依据；

二是预测未来配电网的规划或建设方案的可靠性，为配电网的规划和决策提供科学决策依据。

系统开发所需求具体研究内容包括：

1、研究单个设备的可靠性分析模型，定量分析参数，研究如何通过统计及其其他不确定性处理方法来获得设备的当前可靠性参数，并预测未来可能的可靠性参数值；

2、通过对配电网分析以及对配电网可靠性指标的统计，研究合理的系统评估分析模型及算法；

3、通过分析找出系统薄弱环节，寻找提供配电网可靠性的途径和方法；

4、利用评估结果，研究配电网可靠性和经济性之间的关系，以寻求较高的可靠性增益与为此付出的成本之间的最佳平衡。

2.3提高城市配网可靠性的研究目标

可靠性贯穿于设备和系统的整个生命周期，在电力系统的规划、运行等领域具体应用大致有：

1、定义配电网可靠性评估的各项指标；

2、配电网可靠性评估指标的统计与分析并运用其统计分析的结果，对现行系统从设计到制造、安装、调试、运行、维护和检修等各个生产过程起到的实际指导作用；

3、为实现配电网可靠性分析、预测的指导作用而采取的各种有效措施及其对策；

4、配电网可靠性评估成本与经济性的协调关系以及电力系统可靠性经济学在配电网可靠性中的实际应用等。

电力系统可靠性评估：

目的：

对系统可能出现的故障进行故障分析，采取措施减少故障造成的影响，对可靠性投资与响应带来的经济效益进行综合分析，以确定合理的可靠性水平，并使电力系统综合效益达到最佳。

手段：

确定可靠性目标，应用评估手段，确定故障准则，并对电力系统故障严重性做出估计。

规划系统的可靠性评估主要工作任务：

1、制定可靠性准则和设计标准，依据标准评估系统性能，识别系统的薄弱环节；

2、选择优化方案。

项目具体研究内容包括：

1、典型的10kv配电网接线模式的几种评价指标的确定及量化；

2、多种评价指标的综合处理；

3、在有投资约束的情况下，如何获得可靠性或其他指标最优的网架配置；

4、在给定可靠性标准的情况下，如何获得投资或其他指标最优的网架配置；

5、确定10kv配电网方案经济性评价的目标函数，形成包含确定性和不确定性因素的约束集，进而建立完善的配网可靠性成本效益模型；

6、采用解析法的可靠性评估算法来实现10kv配电网的可靠性计算；

7、采用基于收益增量/成本增量评估方法来优化配电网可靠性与成本投资的矛盾；

8、将上述模型应用于实际系统中，验证方案适应性和实用性。

9、根据项目的要求把上述研究内容用计算机语言编程，形成功能模块，开发成可实际应用的软件平台。

2.4配电系统可靠性计算方法

目前，在评估配电系统可靠性时，主要是应用经典的概念算出平均故障率、平均停运持续时间和年停运时间三个指标，其他的系统可靠性指标，如系统平均停电频率指标（SAIFI），用户平均停电频率指标（CAIFI），系统平均停电持续时间指标（SAIDI），平均供电可靠率指标（ASAI）和平均供电不可用率（ASUI）等均可利用用户的一些统计信息从这三个指标中计算出来。

计算这些可靠性指标的方法大致可分为解析法和模拟法两类。

其中模拟法比较灵活但受计算时间以及精度的限制，解析法基于系统历史数据统计的假定；又可分成网络模型及Markov模型两种。

由于Markov模型应用于规模较大的系统时计算时间较长，因此目前应用较多的还是网络模型。

算法

解析法

模拟法

代表

网络法和状态空间法

蒙特卡洛模拟法

基本思想

将设备或系统的寿命过程在假定的条件下进行合理的理想化，然后通过建立可靠性数学模型，经过数值计算获得系统各项可靠性指标。

将系统中每台设备的概率参数在计算机上用随机数表示，建立一个概率模型或随机过程，使模型或随机过程的参数为所要求的问题的解，然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征，最后给出所求的可靠性指标近似值。

优缺点

当系统规模大，结构复杂，并且在一些假定条件不成立的时候,采用解析法会比较困难。

优点:

更加灵活和简单；不受系统规模和复杂程度的限制。

缺点:

计算时间和计算精度的精密相关,为了获取精度较高的可靠性指标，往往需要很长的计算时间。

2.4.1解析法

解析法的基本思想是根据系统的结构、系统和元件的功能以及两者之间的逻辑关系建立系统的可靠性概率模型。

通过对模型的精确求解而得到系统的可靠性指标。

其优点是概念清晰，模型精度高。

但解析法的计算工作量随系统规模呈指数关系增长，而且当系统变得越来越复杂时，其状态空间的状态数据剧增，这必然会造成维数灾难。

通常，为了获得解析模型，需要对系统的实际条件作较多简化，所以其应用受到较大的限制。

解析法适用于结构简单的中、小型电力系统的可靠性评估。

故障模式后果分析法和最小路法是解析法中比较有代表性的方法。

2.4.1.1故障模式后果分析法（FMEA）

故障后果分析是利用元件的可靠性数据，建立故障模式后果表，然后逐个分析各个事故及后果，最后综合形成可靠性指标，只适用于较简单配电系统的可靠性评估。

故障模式后果分析是可靠性评估中广泛使用的方法，但对于负责配电系统，直接采用简单的故障模式后果分析法来分析系统的可靠性比较困难。

通过简化影响负荷点停电的故障模式，实现对负荷点的可靠性计算，进而可对整个系统进行可靠性评估。

故障模式后果分析法是配电系统可靠性评估中最有效的方法之一，同时也是其他故障分析方法的基础，例如最小割集法、可靠性框图法等方法中都包含影响分析的过程。

2.4.1.2最小路集法和最小割集法

这两种方法对网络中的每一负荷点求取最小路集/最小割集，在此基础上计算负荷点指标。

最小路法的计算过程是：

首先求取负荷点的最小路，将系统中的元件分为最小路上元件和非最小路上元件两类，再将非最小路中元件的影响折算到相应最小路中，最后分析最小路中元件对可靠性指标的影响（包括等效的影响）并求取可靠性指标。

最小割集法适于求解复杂网状系统的可靠性，一般难以直观识别最小割集，因此可根据最小路集来求取最小割集。

如果考虑备用电源、开关拒动等因素的影响，还需要对故障后果进行更多分析。

2.4.1.3网络等值法

其主要思路是将带子馈线的问题通过等值转化为不带子馈线的问题，也即将其等效为简单辐射状网络，然后用FMEA法求解等值后可的可靠性指标。

它适于解决复杂配电系统的可靠性评估。

2.4.1.4故障扩散法

故障扩散法是在故障后果分析法的基础上，通过判断故障的影响范围来进行可靠性评估的。

它的总体思想是：

当元件发生故障时，程序立即前向搜索断路器和前后向搜索隔离开关，以此来确定断路器和隔离开关的影响范围，并形成各分块子系统，然后通过判断是否与电源或切断开关相连，区分出4类节点，再分别计算各类节点中的负荷点的可靠性指标。

2.4.1.5可靠性框图法和故障树分析法

这两种方法都是在故障影响后果分析的基础上，采用直观图示的方法表示元件与系统之间的关系。

将系统结构图转变为可靠性框图或故障树后，可以使复杂关系变得容易理解。

可靠性框图法和故障树分析是两种相关的分析方法，且故障树事件和可靠性框图可以相互转化。

当利用可靠性框图法执行系统分析时，我们是在“成功空间”中工作，而使用故障树时，我们是在“失效空间”中工作。

换句话说，可靠性框图着眼于成功组合，而故障树着眼于失效组合。

2.4.2模拟法

基于计算机试验的仿真法（蒙特卡洛法）将系统分成许多元件，这些元件的特性可通过概率分布加以估计，通过采样试验求得结果，实际上是一种统计试验。

它用数值计算方法去模拟一个真实的实际过程，这个过程可以是确定性的，也可以是随机性的，统计模拟的结果就得到所需要的可靠性指标的估计值。

它以配电网各元件的可靠性原始数据为前提，通过计算机模拟随机出现的各种系统运行状态，从大量模拟实验结果中统计出系统的可靠性指标，需要先找到故障元件影响的所有负荷点，形成它们的工作恢复的历史数据表。

通过对负荷点历史记录的采样、分析和计算，便可求出系统和负荷点的可靠性指标，包括其均值和概率分布。

模拟法所要求的模拟次数与系统的规模无关，算法和程序结构较简单，可以求出可靠性指标的概率分布，适合于复杂系统的可靠性评估，在处理故障相关性、节点负荷相关性及按时序进行的操作方面有很好的效果，并可反映负荷的随机变化特性。

2.4.2.1非时序蒙特卡洛模拟法

又称状态抽样，它不考虑系统的时序性，并且一般也不考虑元件的修复情况，按抽样次数对可靠性指标进行统计。

非时序模拟法的计算速度较快，算法实现也较为简单，但因不考虑系统的时序性，所以即使结果中一般没有故障频率和持续时间的可靠性指标。

2.4.2.2时序蒙特卡洛模拟法

它是国外一种比较成熟的算法，其主要原理为：

系统元件（主要是线路和变压器）一般可用2中状态来描述，即工作态和故障态，处于两种状态中的时间分别叫做工作时间（TTF）和恢复时间（TTR），参数TTR与TTF是随机的，因此有不同的概率分布。

时序仿真保留了系统的时序性，如负荷随时间变化情况，不同时间段线路检修情况等，因此可以使用系统停电频率SAIFI，系统停电时间SAIDA，用户停电频率CAIFI，用户停电时间CAIDI，和期望总电量不足EENS等作为指标，其思路是先根据元件的随机故障/修复模型确定一年（8760小时）中元件的起停顺序，然后以小时为单位，一次检验系统在每一个小时段的运行状态（故障和正常工作），如果在某段系统故障，则计算该次故障的停电时间和向正常运行状态转移的频率。

对于每个故障状态，需要确定进入该吃故障的时间和离开该次故障的时间，以计算系统每次故障持续时间。

当8760小时计算完毕，就可以得到该年系统的可靠性指标。

按上述方法对系统进行多年的模拟，计算其平均值可靠性指标，当计算结果满足要求时，即可认为已得到系统的可靠性指标。

由于真实地模拟了系统的动作顺序，时序仿真可以用于生产模拟，并可以计入不同停电时间点、停电时间长度、停电量下的停电损失费用，因而可以用来计算一些经济指标，从而对系统规划和可靠性充裕度的衡量其指定作用。

2.5配网可靠性评估指标及模型

配电网可靠性包括配电网供电可靠性和配电网的系统可靠性两方面。

供电可靠性是研究用户能以多大的可靠度从配电网中获得供电的问题，而系统可靠性是研究供电企业为了保证供电可靠性，系统本身的状况应怎样最好的问题。

为实现计算机系统对配电网系统可靠性的评估，需明确以下三个基本条件：

1、配电网可靠性指标具有明确的物理意义，能够从某一角度反映配电网及其设备的结构、特性、运行状况以及对用户的影响，并能作为衡量的尺度。

2、配电网元件参数从配电网运行的历史数据中统计出来。

3、配电网可靠性指标从配电网元件数据中计算出来。

本项目从配电网可靠性评估的基础和目的出发，将配电网可靠性评估的指标分为三大类：

1、元件可靠性指标

2、负荷点可靠性指标

3、系统可