Reliability modelling and analysis for Sheffield Substation 220 kV upgrade project
Caroline Lee Transend, Networks Pty Ltd , Tasmania
Dr Sudhir Agarwal, San Diego, California, USA
ABSTRACT
This paper describes the application of a defensible probabilistic process in reliability evaluation for Sheffield 220 kV Substation redevelopment project. Sheffield Substation is a hub of 220 kV transmission system in the North and North-West regions of Tasmania. It provides connection to West Coast and Mersey Forth hydro power stations and facilitates power transfers from these power stations to major industrial customers in George Town area and retail andindustrial loads in the North and North-West regions of Tasmania. Therefore, it is important that integrity of Sheffield Substation is protected as much as possible and consequences of unplanned outages minimised to prevent possible widespread system disturbances.Together with General Reliability from San Diego,California, Transend undertook the reliability evaluation of four redevelopment options for Sheffield Substation using SUBREL, substation reliability and TRANSREL, transmission system reliability programs.
1.INTRODUCTION
Transend, as a Transmission Service Provider and Transmission Network Operator in Tasmania is responsible for providing reliable electricity supply and providing cost effective development solutions of the transmission network. Transend has identified a need for a comprehensive and more objective process in justification of development projects from its capital works program. The need to combine customer reliability targets and economics to achieve cost effective development solutions has been long recognised. A hierarchical framework for overall power system reliability evaluation is presented in [1].Different design, planning and operating principles and techniques have been developed in different countries over many decades in an attempt to find balance between reliability targets and economic constraints [2].Following the reliability concept and principles, differentutilities applied different reliability criteria to justify projects from their capital works program. Reliability criteria can be viewed as conditions that should be satisfied by electricity generation, transmission and distribution systems in order to achieve requiredreliability targets. Reliability criteria usually fall into two categories: established numerical target levels of reliability (eg level of expected energy not supplied) and performance test criteria (eg N-1, N-2 incidents that the system has to withstand). An attempt to combine these two categories into one set of reliability criteria is currently underway in Tasmania [3]. The use of reliability criteria from the first category is the core of probabilistic reliability evaluation approach. The second category is a deterministic reliability evaluation approach. The usefulness of deterministic criteria and security standards in justification of projects from capital works program is challenged in [4]. Instead, an approach involving customers in decision making and simulating a realistic system operation and failure is commended. The basic steps suggested in proper reliability evaluations are based on complete understanding of the equipment and system behaviour including:
bull; Understanding the way the equipment and system operate;
bull; Identify the situations in which equipment can fail;
bull; Understand consequences of the failures;
bull; Incorporate these events into the reliability model;
bull; Use the available evaluation techniques tocalculate reliability indices and costs.
With this understanding of the system behaviour probability theory is then only seen as a tool to transform this understanding into the likely system future behaviour.
2. SELECTION OF EVALUATION TECHNIQUE AND SOFTWARE TOOLS
There are two main categories of evaluation techniques[5]: analytical (stateenumeration) and Monte Carlo simulation. The advantages and disadvantages of both methods are discussed in [1].Analytical technique was chosen by Transend because of its usefulness in comparing different development options for network development projects. This approach was presented also in the Electricity Supply Association of Australia Guidelines for Reliability Assessment Planning [6]. Consequently, decision was made to acquire SUBREL, and TRANSREL, substation reliability and transmission system reliability programs from General Reliability,USA.
2.1. SUBREL - SUBSTATION RELIABILITY
PROGRAMSUBREL is a computer program which calculates reliability indices for an electricity utility substation and generating station switchyard [7]. The methodology used to analyse impact of substation generated outages on overall system reliability performances has been described in [8]. The program models the following outage events, including all required subsequent automatic and manual switching operations:
1. Forced outage of any substation component:
bull; Breaker
bull; Transformer
bull; Bus Section
bull; Disconnector
2. Forced outage of an incoming line.
3. Forced outage overlapping a maintenance outage for substation equipment or an incoming line.
4. Stuck breaker (failure to open when needed to clear the fault).
SUBREL calculates the following load point indices:
bull; Frequency of Interruption (per year)
bull; Number of Circuits Interruptions (per year)
bull; Outage Duration (minutes per outage)
bull; Annual Total Outage Duration (minu
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谢菲尔德变电站220千伏升级项目的可靠性建模与分析
创见网络私人有限公司， 塔斯马尼亚
阿加瓦尔博士，美国加利福尼亚州圣迭戈
摘要
本文介绍了在可靠性评估中的应用一个可防御概率过程谢菲尔德220千伏变电站重建项目。谢菲尔德是一个枢纽变电站220千伏输电系统在北部和西北地区 塔斯马尼亚。它提供了连接到西海岸和默西第四水力发电站，并促进这些发电站在乔治城地区和塔斯马尼亚北部和东北西部地区的零售和工业负荷主要工业客户的电力传输。因此，重要的是谢菲尔德变电站的完整性保护，尽可能多尽可能的和非计划停运的后果最小化，以防止可能发生的广泛的系统干扰。再加上从利福尼亚州圣迭戈的通用可靠性，创见谢菲尔德四个重建方案进行了可靠性评估变电站，变电站的可靠性和TRANSREL，传输系统的可靠性方案使用SUBREL。
1.简介
创见，在塔斯马尼亚岛作为传输服务提供商和传输网络运营商负责提供可靠的电力供应，并提供符合成本效益的开发解决方案的传输网络。创见已确定基本建设工程计划需要一个全面，更客观的过程，在开发项目的理由。需要结合客户的可靠性指标和经济，实现成本效益的开发解决方案认可已久。整个电力系统可靠性评估的层次框架。
[1]不同的设计，规划和经营原则和技术已在不同的国家发展几十年来试图找到可靠性目标之间的平衡和经济制约。
[2]可靠性的概念和原则，应用不同的可靠性的标准来评价 。
从他们的资本项目工程计划，可靠性标准，可以被看作是由发电，输电和配电系统，以达到目标所需满足的条件。可靠性标准通常分为两类：建立了数值目标级别的可靠性（例如水平的预期不提供能量）和性能测试标准（如N-1，N-2事故，该系统具有承受）。目前正在尝试结合这两类可靠性标准为一组在塔斯马尼亚的。
[3]从第一类的使用可靠性标准的核心是的概率可靠性评价方法。第二类是一个确定性的可靠性评估方法。从资本项目的理由确定性的标准和安全标准的用处工程计划的挑战。
[4]相反，这种方法涉及客户决定并模拟现实的系统操作与失败表彰。
完整的理解的基础上的设备和系统的行为，包括在适当的可靠性评估建议的基本步骤：
bull;理解的方式，设备和 系统操作;
bull;确定设备在哪些情况下可以失败;
bull;了解失败的后果;
bull;将这些事件的可靠性模型;
bull;使用可用的评估技术计算可靠性指标和成本。
系统行为的概率论有了这样的认识，然后只看作是一种工具，把这个认识统一到系统未来可能的行为。
2.评价技术和软件工具的选择
主要有两种类别：分析状态枚举）和蒙特卡罗模拟评价技术[5]。 [1]中讨论了这两种方法的优点和缺点，分析技术被选为创见，因为它的用处比较不同的发展方案，网络开发项目。这种方法也提出了在电力供应协会澳大利亚指引可靠性评估规划[6]。因此，美国决定收购SUBREL 和TRANSREL，变电站的可靠性和传输系统的可靠性方案。
2.1. SUBREL - 变电站的可靠性
SUBREL是一种计算机程序,计算电力公司变电站和发电站变电的可靠性指标[7]。 [8]中已经描述了所使用的方法来分析的变电站产生的中断对系统的整体可靠性指标的影响。程序模型的下列停运事件，包括所有必要的后续自动和手动的切换操作：
1.强迫停运任何变电站成分：
bull;断路器
bull;变压器
bull;总线节
bull;隔离开关
2.传入线被迫停运。
3.被迫停运重叠停电检修
变电站设备或进线。
4.卡住断路器（未打开的时候需要清除故障）。
SUBREL计算负载点以下指标：
bull;中断的频率（每年）
bull;电路中断数（每年）
bull;停电时间（每分钟停电）
bull;全年总停电时间（分钟，每年）
bull;客户分钟中断CMI（每 年）
bull;预计不可供应的能量（EUE）（千瓦时/年）
bull;预期停电成本（每年）
SUBREL也计算以下变电站或总系统指标：
bull;SAIFI，系统平均停电频率指数
bull;系统平均停电时间，停电时间指数
bull;CAIDI，客户平均停电时间指数
bull;浅井，平均服务可用性指数
bull;EUE，预期不可供应的能源（千瓦时/年）
bull;预期停电成本（每年）
SUBREL生成一个列表，变电站产生中断，可用于进一步分析TRANSREL整个系统的可靠性性能的影响。
2.2 TRANSREL - 输电系统可靠性的方案
TRANSREL使用传输突发事件的应急枚举评估电网的可靠性。它的设计，大容量电力系统可靠性评估，以帮助电力公司系统规划。这个过程包括指定突发事件（中断的输电线路和车站起源停电），以及执行负载流分析，以确定系统的问题，如电路过载，高/低总线电压，总线分离或孤岛。使用概率，频率和持续时间突发事件评估，指数系统问题的措施计算系统不可靠。两个后应急和补救行动后指数可以计算出来。如果不采取补救措施，以减轻一个问题，后应变指数可能会提供一个悲观的评估系统的可靠性。如果补救措施，如发电再调度，开关设施，削减负荷减轻一些系统问题，后的补救措施的可靠性索引提供了系统的性能的一个更现实的措施。负载脱落的量被用作应急的严重程度的一个指标或系统的能力，以承受突发事件。使用突发事件的概率，预计负荷削减巴士，可以计算可靠性指标。
TRANSREL 潮流程序，PTI PSS / E检查停运对系统性能的影响。检查应急系统性能的影响，确定故障的类型是：传输电路过载 - 通过比较流根据负载流量的解决方案，用户选定的电路评级; 违反总线电压 - 通过检查总线电压对高和低电压的限制，或在基本情况的最大允许电压偏差，负载限电 - 制表负载量削减作为系统故障的后果; 潮流发散 - 通过制表巴士超过预定义的公差不匹配。使用应急枚举的方法，其中涉及突发事件的选择和评价，分类TRANSREL计算可靠性指标根据指定的故障条件，每个应急和可靠性指标的计算。可靠性指标包括频率，持续时间和严重程度（过载，电压违法行为，加载缩减，缩减能源）。这两个系统和总线指数计算出来的。
3. SUBREL 和TRANSREL应用为谢菲尔德220千伏变电站
谢菲尔德变电站的220千伏输电系统在塔斯马尼亚北部和东北西部地区的枢纽。它提供了从西海岸和默西第四水电站系统其余部分的连接。此外，它提供奥罗拉能源客户在北部和东北西部地区和
在乔治城区域。在冬季的几个月里，从5月到9月，主要工业客户提供的能量通过从谢菲尔德变电站传输可以达到50％以上的能源供给系统其余部分，如图2所示因此，谢菲尔德变电站已确认为在塔斯马尼亚电源系统的脆弱点。谢菲尔德变电站大权力交接时期，从塔斯马尼亚西海岸的其余总损失该系统可能会导致在塔斯马尼亚岛的大系统的干扰。目前谢菲尔德变电站220千伏布局，谢菲尔德变电站可以由单一元件故障造成的总损失。
图1：塔斯马尼亚北部和西北部地区
3.1 （QUARTER）发展方案
很久以前已确认的需要重新设计现有的220千伏变电站布局。详细的模型已被选定为以下三个选项与分析：
选项1：三合一母线安排
选项2：完整的断路器和一个半断路器和双安排
选项3：部分断路器和半双断路器安排
这些选项对现有的220千伏母线设计（有所不为选项）进行了比较。每个选项的简要说明如下：
3.1.1 “什么也不做”选项
“什么也不做”选项“代表现有的220千伏母线安排在谢菲尔德变电站。现有220千伏的谢菲尔德变电站有一些重大 变化，因为两个自耦变压器北区及西北地区1967年塔斯马尼亚供应变电站调试和安装。变电站220千伏双母线布局，串成一个总线耦合器的母线安排。 A752在正常的系统配置主总线耦合器被关闭，220千伏 “S”型旁路母线和第二总线耦合器S752是不在服务区。此选项的示意图如下所示。连接的电路总数在谢菲尔德变电站12。断路器的总数是14（12加2的总线耦合器）。谢菲尔德变电站塔斯马尼亚西北地区是主要的供应点。在该地区的总负荷约260兆伏安。总线耦合器A752故障结果在母线A和B两地的损失，因此在冬季，在西北地区停电导致损失超过50％在塔斯马尼亚的供应。西海岸地区将失去与其他系统同步，体验过频，将孤岛。该系统的其余部分将经历 低频和显着的负载量必须棚，以防止总停电。在谢菲尔德变电站220千伏母线故障的情况下，两个元素，提供西北地区谢菲尔德伯尼220千伏线路自耦变压器T1，将会丢失。冬季高负荷期间，剩余的自耦变压器T2将过载，过载条件上绊了一跤。这将导致总塔斯马尼亚西北地区停电。在220千伏母线B故障，两个元素的情况下供应乔治城谢菲尔德乔治城1号传输线和谢菲尔德-帕默斯顿传输线将会丢失。高冬期间负荷剩下的谢菲尔德乔治城2号线将过载跳闸。这将导致显着变化，网络的阻抗棚负载的要求，在乔治城的主要工业客户。因此，这将产生过多的代法雷尔和谢菲尔德连接，可移动系统对操作不稳定和塔斯马尼亚北部和西北部地区可能停电的事件级联。
3.1.2 选项1三合一母线安排
此选项的示意图如下图所示，在“什么也不做”选项“，此选项建议使用备用S752断路器和升级，和激励的”S“绕过公交车到全尺寸的比较。现有的12路将遍布三个母线。只有一个额外的220千伏断路器需要在此选项中。在这个选项中断路器的总数是15。
Sheffiled变电站承担50%到塔斯马尼亚的负载
图2：谢菲尔德变电站对塔斯马尼亚承担50％以上的负载
3.1.3 选项2 - FULL断路器和一个半
双断路器安排
此选项的示意图如下所示。此选项包括创建双断路器和断路器和半安排。一个半断路器安排提出塔斯马尼亚水电Cethana电站和自耦变压器T1和Lemonthyme电站和自耦变压器T2之间。在这个选项中断路器的总数是19。
3.1.4 选择3 - 局部断路器和一个半，双断路器安排
此选项的示意图如下所示。与方案2相比的主要区别是态度是：塔斯马尼亚水电Cethana电站和自耦变压器T1和Lemonthyme电站和自耦变压器T2之间没有断路器和半安排。断路器的建立和这些电路之间的一半安排可能有中间断路器，这就需要将连接塔斯马尼亚水电费用增加的后果讨论并同意与该客户。在这个选项中断路器的总数是17。
3.2 结果
在这项研究中，研究了以下停电：
bull;n-1个站组件，包括输电线路和变压器被迫停运
bull;N-1维修重叠的n-1个被迫停运
bull;断路器坚持的跟随一个故障条件。对于上线，互感器，母线，断路器故障，只有那些断路器将被视为被卡住的状况，都应该以清除故障跳闸。在这种情况下，后备保护清除故障。
除了在上述停机检查，高阶的中断也可以被认为和仿真中的程序，但概率和频率他们的出现是相当低的。基于的创见停运数据，它决定上面的设置应该捕捉最可信的停运事件的数量.
下表中给定的事件的每一个选项的。这些事件所产生程序研究变电站性能的影响。对于每一个 事件中，程序计算的概率，频率和持续时间。使用的连接模式，它也计算用于负载点的整体变电站的负荷和能量损失的量。采用流线性方法检查，如果负载可以提供不违反任何组件的评级。取决于枚举和检查由SUBREL程序的中断事件的数量的数量在车站和程序设置的组件。如果有更多的组件添加到一个站，他们暴露于故障也增加。要选择一个最佳的设计，通过添加组件（断路器或母线）和增加曝光量应牢记提供的冗余之间的平衡。看到从表中，中断事件的数量的选项1,2和3是高于现有的配置，因为这些选项具有断路器和公共汽车在其 建议配置。有没有负荷完全丧失的事件，导致在该地区（包括伯尼，谢菲尔德大学和乔治城变电站模型中） 任何选项。然而，在每个选项的事件，这将导致部分负荷损失。选项2的事件造成损失的负载，同时具有最低编号现有配置造成负荷损失的事件数量最多。
下表中给出每个选项按SUBREL方案计算的可靠性指标。这些指标是使用负载的概率密度函数（PDF）为单位计算。 PDF团结意味着负载相同一年四季。被广泛使用的可靠性指标，如SAIFI SAIDI，CAIDI，浅井，EUE由停电计划成本计算的基础上计算的预期计算 （EUE unsupplied能源）和丢失的负载值适用于特定的客户群体。针对不同的客户群体有负荷损失价值综合分析莫纳什大学已开展的维多利亚工具[9]。根据上表所示，显然选项1 - 三重母线安排，有停运成本最低。根据名单上的变电站起源中断所产生SUBREL，TRANSREL程序表示的整体系统性能的影响。只遇到电压侵犯期权在9模拟事件。有一
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