1 概述(可靠性讲义)--72(Equi10)

电力系统规划与可靠性胡博Email:[e-mail]什么是电力系统可靠性？什么是电力系统规划？参考教材周家启、黄雯莹等译.工程系统可靠性评估，科技文献出版社重庆分社，1988周家启、任震译.电力系统可靠性评估，科技文献出版社重庆分社，1988**国家电力监管委员会电力可靠性管理中心.电力系统可靠性技术与管理培训教材，中国电力出版社，2007**王锡凡.电力系统规划基础，中国电力出版社，1994程浩忠.电力系统规划，中国电力出版社，2008电力系统可靠性胡博Email:[e-mail]第一章概述第一节可靠性的基本概念第二节可靠性的发展状况第三节可靠性的使用范围第一章概述1可靠性的基本概念1.1引言电力系统的根本任务是尽可能经济而可靠地将电力供给用户，安全、经济、优质、可靠是对电力系统的根本要求。但是，在现代化电力系统功能日益完善的过程中，系统结构日益复杂，系统所包含的元件越来越多，这也使电力系统的安全可靠问题逐渐突出。20世纪60年代以来，全球范围内重大电网停电事故时有发生；尤其是新世纪之初，2003年8月14日的美加大停电;随后，英国、澳大利亚、马来西亚、芬兰、丹麦、瑞典和意大利等国又相继发生了较大面积停电事故。资料：2003年8月14日，美国东北部、中西部和加拿大东部联合电网发生大停电，波及的地域有美国的纽约州、新洋西州等8个州及加拿大的安大略省。受停电影响的人口约5000万。地域约24000km2。停电持续时间为29h，损失负荷6l800MW。大停电给人们的历史性警示：这种事故很难用传统的、基于元件可靠性原理进行合理的解释。根据可靠性基本原理，若忽略元件故障间的相互影响，多重故障的发生满足一种“串联”效应，其概率值很小。事实上，电力系统的灾难性事故接二连三地发生，理论和实际产生了很大差距。迫切需要考虑大电网事件随机性质和计及各种不确定性影响的新思路与新方法，来补充、完善现行的确定性准则，以提高现代电力系统的抗风险能力，促进国家电网建设和市场化改革的健康发展。电力系统可靠性正是因此而从电力系统规划、设计和运行等实践活动中提出的一项具有巨大经济价值和重大社会意义的前沿性课题。由于电力系统规模大、覆盖面广、网际互联、电网潮流的非线性分布、负荷削减模式复杂、故障地点、形式及时间难于预测等特点，使其可靠性的分析、评估和管理决策较之其他工程系统更为复杂。可靠性与经济性的关系可靠性水平成本ABCDETCUCCCR1R2R3TC1TC2TC30图7.6-1可靠性成本-效益分析曲线UC代表可靠性投资成本（即增强性措施的成本，如：增装线路、断路器等）曲线；CC代表停电损失曲线；TC为可靠性总费用曲线。规划阶段或运行阶段增加投资都可减小用户供电中断的概率。但是，过高的投资必然导致过大的成本。因此，系统可能非常可靠，但不经济。反之，如果投资不足，又会发生严重的停电损失。因此，规划、运行等都是在经济性指标和技术性指标（如：可靠性）之间权衡。显然，经济性和可靠性的相互制约，带来了电力系统规划和运行管理决策的挑战和机遇。1可靠性基本概念1.2.1可靠性定义可靠性是早已存在于人们生产和生活之中的基本概念，它是一个产品(或系统)在给定的运行条件下和在规定的时间期间内充分执行其预期功能的概率，而电力系统可靠性就是可靠性工程的一般原理和方法与电力系统工程问题相结合的应用科学。1.2.2充裕性和安全性针对电力系统的特点，国际上普遍接受的电力系统可靠性定义是：“电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户提供电力和电量的能力的量度。电力系统可靠性包括充裕性和安全性两个方面。”电力系统的充裕性(Adequacyofanelectricpowersystem)：“电力系统稳态运行时，在系统元件额定容量，母线电压和系统频率等的允许范围内，考虑系统中元件的计划停运以及合理的非计划停运条件下，向用户提供全部所需的电力和电量的能力”；电力系统的安全性(Securityofanelectricpowersystem)：“电力系统在运行中承受例如短路或系统中元件意外退出运行等突然扰动的能力。”电力系统可靠性研究必然涉及电力系统分析的方方面面。现在电力系统大多数规划、设计和运行领域仍然使用基于数十年沿用的、已长期发挥作用的确定性准则。典型的有如：1.2.3确定性和概率性分析(1)发电容量规划：安装容量等于预测峰值加该峰值的一个固定百分数；(2)运行容量：旋转容量等于预测负荷加一台或多台最大机组容量的备用；(3)N-1准则。1.2.3确定性和概率性分析电厂编号装机容量/MW单机FOR负荷/MW备用/%风险度124台×10MW0.01200200.000004212台×20MW0.01200200.000206312台×20MW0.03200200.004847422台×10MW0.01183200.0000631.2.3确定性和概率性分析有4个发电系统（百分比备用）：若按照最大机组备用，则负荷分别为：230MW、220MW、220MW、210MW电厂编号装机容量/MW单机FOR负荷/MW备用/MW风险度124台×10MW0.01230100.02385212台×20MW0.01220200.006175312台×20MW0.03220200.04865422台×10MW0.01210100.020229确定性准则的基本缺点在于没有，而且也不可能计及系统行为、负荷变化或元件失效等的随机性行为。运用概率方法评估电力系统可靠性始于20世纪30年代，W.J.Lyman和S.M.Dean等人对统计理论进行研究，并将其运用于设备维修和备用容量确定等问题。电力系统中典型的概率问题有如：（1）发电机组的强迫停运(概)率；（2）架空线路失效率；（3）负荷预测。1.2.3确定性和概率性比较现在电力系统大多数规划、设计和运行领域仍然采用确定性准则。确定性和概率性准则大致有以下特点：(1)确定性方法以条款规定的形式表述，简单易行，便于实现，长期习惯；概率性方法需要量化分析，对于大电网往往比较复杂，并要求高新技术的支撑。(2)确定性方法不能区分故障事件发生的概率，同时，常常不区分失效事件对风险影响的大小；概率方法则可考虑事件发生的或然率和严重程度。(3)确定性评估只针对最严重故障和相应的失效工况；概率性方法能够反映总的综合风险，而不只是考虑单个最严重事件。(4)确定性方法不提供安全域以外的风险概率信息；概率方法可提供各种等风险线的图形显示。(5)确定性方法不可能分析运行工况的不确定性；概率方法可处理运行工况的不确定性，从而适用于未来工况的评估。(6)确定性方法难以进行电网薄弱环分析；概率方法可通过灵敏度分析提供改善电网安全和决策水平的针对性信息。确定性准则的局限主要在于没有考虑系统的随机行为，忽略了各种参数的不确定性和事件的概率属性，常常不能反映系统的真实风险度。但是确定性方法简单易行且长期使用；概率性方法需要较复杂的分析方法和高新技术的支撑，尤其是运行领域目前尚难实现工业应用。因之两种准则应当互补，并需要继续探讨二者结合的可行方法。1.2.4可靠性评估方法电力系统可靠性分析的基本方法可以分为两大类：状态枚举（即解析法）和模拟法（如蒙特卡洛模拟）。通常，如果元件的失效概率很小，或不考虑复杂的运行工况，则状态枚举法效果较好；如果严重事件的数量相对较大，或计及复杂运行工况时，蒙特卡洛模拟法将更为方便。解析法是根据电力系统元件的随机参数，建立系统的可靠性数学模型，通过数值计算方法获得系统的各项指标。由于解析法采用的是严格的数学手段，计算结果可信度高。但是它的计算量随系统规模的增大呈指数增长，对于大的电力系统，或当模型中需考虑的因素较多时，解析法会变得非常复杂。模拟法是通过对系统实际过程和行为的模拟来估计可靠性指标。这种方法从理论上讲，可以模拟电力系统规划、设计和运行的所有方面和随机性事件。它们包括元件停运和维修、相关事件和元件行为、失效元件的排序、负荷变化、水力发电来水量、以及各种不同的运行策略等等。MonteCarlo模拟法蒙特卡罗(MonteCarlo)方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于随机数的计算方法。这一方法源于美国在第二次世界大战进研制原子弹的曼哈顿计划。该计划的主持人之一、数学家冯·诺伊曼用驰名世界的赌城摩纳哥的MonteCarlo来命名这种方法，为它蒙上了一层神秘色彩。MonteCarlo模拟法MonteCarlo方法的基本思想很早以前就被人们所发现和利用。早在17世纪，人们就知道用事件发生的“频率”来决定事件的“概率”。19世纪人们用投针试验的方法来决定圆周率π。本世纪40年代电子计算机的出现，特别是近年来高速电子计算机的出现，使得用数学方法在计算机上大量、快速地模拟这样的试验成为可能。MonteCarlo模拟法考虑平面上的一个边长为1的正方形及其内部的一个形状不规则的图形，如何求出这个图形的面积呢？MonteCarlo方法是这样一种随机化的方法：向该正方形随机地投掷N个点,其中有M个点落于图形内，则该图形的面积近似为M/N。可用民意测验来作一个不严格的比喻。民意测验的人不是征询每一个登记选民的意见，而是通过对选民进行小规模的抽样调查来确定可能的优胜者，其基本思想是一样的。1.2.5统计评价和预测评估可靠性管理活动中，可以对电力系统可靠性进行两方面的分析，一方面是对过去的行为作出可靠性统计评价（可靠性专责）；另一方面是根据过去的统计信息对未来的可靠性性能进行预测（评估）。可靠性评估与可靠性统计的区别与联系可靠性统计是从统计的角度对已经发生的故障进行记录，通常用数据库便能简单解决。可靠性评估是利用概率论、网络理论、电力系统等知识为基础，建立相应的可靠性评估理论、模型和算法，对既有的运行或规划网络进行评估。两者的联系1)可靠性统计为可靠性评估奠定了坚实的基础；2)评估结果应以一定概率与统计的结果相一致。1.2.6可靠性价值可靠性价值最直接的体现就是系统可靠性改善带来的停电损失减小。通过停电损失的计算即可将风险和经济因素放在统一的价值尺度上来衡量。但是停电费用损失的量化十分复杂而且方法并不成熟。总之，停电损失费用是一个同时受到许多技术与非技术因素制约的复杂问题，非技术因素包括管理体制、产权以及电费制等等。1.2.7数据统计电力系统可靠性需要统计的基本数据包括各级各类设备及其所构成系统的运行和停运状态的原始记录，用于对元件性能及其对系统的影响、现运行系统和规划系统的可靠性进行分析评价或评估。统计数据基本类型有：(1)元件和系统的失效率和停电持续时间；(2)失效模式；(3)元件故障类型和原因；(4)修复方式；(5)恢复供电方式；(6)每次停电持续时间；(7)不影响用户生产的临界最大停电时间；(8)用户全停后的恢复生产时间；(9)每次停电的用户停电损失。典型的数据有如：(1)机组、变压器或开关设备的铭牌参数；(2)输电线路导线的型号、长度；(3)以上设备的运行参数；(4)各类元件的故障和停运记录；(5)系统或供电点的停运纪录；(6)系统或供电点的平均失效频率、停运时间；(7)重大停电事件的原始记录。可靠性统计的实例线路名称电压等级起始时间终止时间持续时间状态符说明事件编码说明备注1113高黄线11008:0018:0010受累停运备用保护改定值1117渭农线11010:4218:237.68第一类非计划停运架空线路导线钢芯铝绞线接地外力损坏电讯影响吊车碰线1121阎红一线11008:3013:004.5受累停运备用进线刀闸消缺1121阎红一线11008:3020:0011.5受累停运备用穿墙套管清扫1248阎槐线11013:4516:422.95第一类非计划停运架空线路导线钢芯铝绞线接地外力损坏电讯影响0.4KV线碰线1248阎槐线11010:1113:463.58小修架空线路导线钢芯铝绞线铝线阎槐线90＃搭接引流线1248阎槐线11007:0021:0014受累停运备用