考虑集电系统的风电场可靠性评估_王碧阳

。现有研究部分采用解析法计算开环集
电系统的可靠性[19-21]；另一些采用模拟法，忽略了 频率指标[22]。 针对现有可靠性评估方法的不足，本文提出一 种考虑集电系统并能够计算频率指标的风电场可 靠性建模与计算方法。通过保护区模型考虑集电系 统故障，大幅减小状态空间规模，并采用等值机组 模型分析风电机组的随机故障，将系统拓扑进行等 值解环、化简。通过集电系统故障状态评估和全概 率公式得到风电场总停运表。最后通过算例分析拓 扑结构、开关配置策略、馈线容量与元件可靠性参 数对系统可靠性的影响。

元件合称为一条风机串。在包含环型结构的集电系 统中，各风机串的馈线除了为本串机组提供功率通 路，还可为其他串机组提供备用。 直接采用串并联法分析面临以下困难： 1）无 法分析包含环型结构的系统； 2）串、并联运算交 替进行，运算难以简化。为此，本文采用等值机组 模型对系统进行等效简化，步骤如下：
中
国 电 机 工 程 学 Proceedings of the CSEE
报
Vol.35 No.9 May 5, 2015 ©2015 Chin.Soc.for Elec.Eng. 2105 中图分类号：TM 614
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2015.09.001
文章编号：0258-8013 (2015) 09-2105-07
可靠性计算中需考虑继电保护动作引起的停 电区域。为了方便，可按最小停电区域为单元进行 分析，每个单元称为一个保护区。因此，保护区是 连通区域，通过一个或多个断路器与其他保护区相 联。用元件集合来描述保护区。图 1 中虚线区域 I 记作保护区 PZ(I)， 区域 II 记作 PZ(II)。 PZ(I)和 PZ(II) 中均含断路器 J，J PZ(I) PZ(II)。在本文中，当
0
引言
近年来，随着能源危机日益加剧，风能作为一
基金项目：国家自然科学基金项目(51261130471)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China
(51261130471).
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程
学
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第 35 卷

G
对应 PZ(i)PZ(j )中存在断路器元件故障；

* * PB RE(i.j)、fBRE (i.j)对应
PZ(i)PZ(j )外的元件均正


G
常工作。
图1 Fig. 1
保护区模型示意图 Protect zone model
2
2.1
等值机组模型
等值机组建模过程 一条馈线与其上断路器、挂在该馈线上的风机

件故障，断路器元件与 PZ(i)、PZ(j )外元件均正常

工作；2）PZ(i)PZ(j )中至少有一个断路器故障，

PZ(i)、PZ(j )外的元件均正常工作。该状态的增量

频率为
0 * 0 * f pz2 (i, j ) Ppz2 (i, j ) f pz2 (i, j ) f pz2 (i, j ) Ppz2 (i, j ) 0 * 0 * PBRE (i, j ) f BRE (i, j ) f BRE (i, j ) PBRE (i , j )
若风电场的预测出力为efore停运表步长为dstep总停运表中的状态k满足k由于本文不考虑风能对可靠性的影响因此关注的综合指标为出力低于预测值的概率padk确切频率fadk出力缺额期望为efore?eout每次出力不足平均持续时间为d8760padkfadk
第 35 卷 第 9 期 2015 年 5 月 5 日
断路器 J 发生爆炸和拒动故障时， J 的故障停运区 域描述为 S(J)PZ(I)PZ(II)。 需说明的是，保护区中不包含风机元件，且分 析时不考虑因箱变出口处熔断器动作时间不满足 导致的集电系统断路器作为后备保护动作的情况。 集电系统的状态实质上是保护区的状态组合。
1）在分析的集电系统故障状态下，将停运的
种清洁能源得到大力发展。风电场由风机、集电系 统、升压站组成。集电系统指风机箱变与升压站间 的电气联接部分，包含馈线、断路器和汇流母线等 元件。馈线作为功率输送路径，其类型、容量等因 素是规划中各方案比较的重点[1-3]。 工程中， 集电系 统常见拓扑结构为链型，另有单边环、双边环等多 种变化[4]，其断路器配置策略可分为传统配置、不 完全配置和完全配置 3 种[5]。 我国的风能分布特点决定了风电以大规模集 中接入方式为主，使得集电系统元件随机故障引起 的风电场实际出力与预测值间的差额可能对系统 造成不可忽视的冲击。在海上等特殊环境下，元件 随机故障率大、维修时间长、成本高，故障引起的 损失更显著。因此，集电系统对可靠性的影响在风 电场规划中不容忽视，但少有针对性的研究。现有 研究大多集中在评估风电场对配、输电系统运行及 可靠性的影响方面[6-16]。 可靠性指标可分为两类：概率指标与频率指 标。 前者用于描述系统出力的分布、 期望等概率量， 计算所需的参数较少，方法较为成熟；后者包含频 率、持续时间等随机过程参数，用于刻画系统各状 态的持续时间与转移关系，计算所需参数较多，方 法复杂繁琐。长期的风电场可靠性频率指标受元件 可靠性参数、集电系统拓扑与风能情况的影响，其 中前两项是本文关注的重点。与仅采用概率指标相 比，频率指标通过出力偏离预测值的单位时间发生 次数与平均持续时间能够更完善地描述供电的连 续性。 状态转移法作为一种较早用于计算频率指标 的方法，全面而复杂，在风电场“风机容量小、数
保护区及与其相连的风机 (图 2(a)方框中区域)从原 有拓扑中移除，得到图 2(b)所示的拓扑结构。
2）将图 2(b)中的机组分 3 类处理：通过本串
馈线送出功率，且本串馈线不为其他串机组提供传
第9期
G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G
(State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment (Xi’an Jiaotong University), Xi’an 710049, Shaanxi Province, China) ABSTRACT: Reliability evaluation of wind plant considering collector grid is the basis of wind plant planning. Nevertheless, few studies on its quantitative calculation are conducted at present. Aiming at problems in existing methods with difficulty in frequency index calculation and inadequate application on closed-loop structure topology, an approach based on protect zone and equivalent generator models was proposed in this paper. The scale of outage state was decreased and the system was simplified equivalently. The system outage tables, probability and frequency indexes were obtained from the total probability formula. The proposed approach had been verified by the case studies on a wind farm project in the northwest of China. In addition, factors which have effect on the reliability of wind plants were analyzed, including the topology, breaker configuration, feeder line capacity, and reliability of elements. KEY WORDS: wind plant; reliability evaluation; collector grid; optimal planning 摘要： 考虑集电系统的风电场可靠性评估是风电场优化规划 的基础， 而当前少有研究对其进行定量计算。 针对现有评估 方法在频率指标计算中的困难和在闭环结构中应用的不足， 提出一种基于保护区和等值风机模型的风电场集电系统可 靠性建模与评估方法。该方法能有效减少系统故障状态数， 对系统进行等效解环、 化简， 通过全概率公式得到系统停运 表与概率、 频率指标。 采用中国西北某实际风电场为例验证 方法的可行性，并分析拓扑结构、开关配置策略、馈线容量 和馈线与断路器可靠性等因素对集电系统可靠性的影响。 关键词：风电场；可靠性计算；集电系统；优化规划
量多、系统状态多”的场景下计算繁琐甚至难以进 行。采用增量频率的传统串并联方法
[17]
1.2
集电系统故障状态的频率计算 本文采用两状态 (正常状态 N、修复状态 R)模
能够巧妙舍
弃频率计算中人们不关心的内容，获得出力不足的 频率与平均持续时间。然而，集电系统元件间可靠 性串并联关系复杂，拓扑中存在闭环结构，该方法 难以应用
(1)
式中 P0pz1(i) 、 f0pz1(i) ， Pp*z1(i) 、 fp*z1(i) 分别为“ PZ(i) 中存在非断路器元件故障” 及 “断路器元件与 PZ(i) 外元件均正常工作”的确切概率和增量频率。
PZ(i)、PZ(j )同时停运的状态集包含两个互斥

子集：1）PZ(i)、PZ(j )中均至少有一个非断路器元
考虑集电系统的风电场可靠性评估
王碧阳，王锡凡，王秀丽，邵成成，刘沈全
(电力设备电气绝缘国家重点实验室(西安交通大学)，陕西省 西安市 710049)
Reliability Evaluation of Wind Plant Considering Collector Grid
WANG Biyang, WANG Xifan, WANG Xiuli, SHAO Chengcheng, LIU Shenquan

元件故障； Pp*z2(i.j)、 fp*z2(i.j)对应断路器元件与 PZ(i)、
J G
风机 G G
G G G G
G G G
G
一段馈线 G G G
G G G G G G
G
II G G
0 0 PZ( j ) 外元件均正常工作； P B RE ( i . j ) 、 f B RE ( i . j )
1
1.1
保护区模型
保护区 图 1 为某风电场集电系统示意图，将馈线分段
(2)
式中，各确切概率、增量频率变量对应事件如下：
描述，将风电机组及其换流设备、箱变、熔断器等 串联等效为风机元件。
G I G G G G G
P0pz2(i.j )、f0pz2(i.j )对应 PZ(i)、PZ(j )均有非断路器
王碧阳等：考虑集电系统的风电场可靠性评估
G G G G G G G G G G G G 1 2 3 4 5 6
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含的各风机的停运表并联 [17] ，得到等值机组停运 表。记等值机组 a 的停运表中输出功率为 k 时的确 切概率和增量频率为 Pa(k)、fa(k)。 2.2 等值机组的条件概率和条件频率 等值机组模型在确定的集电系统状态 xs 下建 立，本文采用条件概率和条件增量频率对其描述。 得到各 I、II 类等值机组停运表后，将 II 类等值机 组分别与相应线路元件串联。II 类等值机组 a 的串 联结果中，出力为 k 的条件概率和条件增量频率记
[18]
型对元件进行可靠性建模。 仅 PZ(i) 停运时，PZ(i) 中的非断路器元件至少 有一个故障， 而其中的断路器与 PZ(i)外元件均正常 工作。该状态的增量频率 fpz1(i)由式(1)计算：
0 * * 0 f pz1 (i ) Ppz1 (i ) f pz1 (i) Ppz1 (i ) f pz1 (i )