1 电力系统规划与可靠性--可靠性

•多类型新能源发电综合消纳的关键技术电力系统规划与可靠性电力系统可靠性概述课程承担：华北电力大学输配电研究所任课教师：刘文霞电子邮件：[e-mail]erUniversityNorthChinaElectricPowerUniversity1.电力系统可靠性的基本概念电力系统规划是保证一定可靠性的情况下，满足用户需求，并尽可能减缓和减少投资。•尽可能经济地向用户提供持续的、符合一定质量标准的电能和电力经济性可靠性电力用户供电企业系统可靠性费用总费用可靠性费用NorthChinaElectricPowerUniversity1.电力系统可靠性的基本概念1）什么是可靠性？可靠性：是指一个元件、设备或系统在预定时间内，在规定的条件下，完成规定功能的能力（概率）。2）可靠性的四个要素对象：要弄清所研究的问题是指元件还是系统。功能：要弄清元件、系统的功能是什么，丧失功能又是如何具体规定的？正常或故障（失效），把不可修复元件终止执行规定的功能称为失效，把可修复元件终止执行规定的功能称故障。时间：在研究可靠性时，对时间要有明确的规定。时间范围确定，同时研究的时效性。比如，调度和规划等研究可靠性的时间尺度不同。使用条件：如户内外、温度、适度等，这些都对可靠性有很大影响。NorthChinaElectricPowerUniversity1.电力系统可靠性的基本概念3）元件与系统可靠性对象：要弄清所研究的问题是指元件还是系统。元件：构成系统的基本单位，在一个具体的系统中，元件不能再分割。系统：由元件组成，它被看成是元件组成的总体。有时，系统包容的范围太大，又可分为若干个子系统。这样划分的结果，若干元件组成一个子系统，若干个子系统组成一个系统。例如配电系统可以看成电力系统的一个子系统，而断路器、线路则是构成子系统的一些元件。系统和元件是相对的。4）可靠性工程可靠性工程：涉及元件失效数据的统计和处理、系统可靠性的定量评定、运行维护、可靠性和经济性的协调等方面。NorthChinaElectricPowerUniversity1.电力系统可靠性的基本概念5）电力系统可靠性把可靠性工程应用于电力系统称为电力系统可靠性，它渗透到电力系统规划、设计、运行和管理等各个方面。电力系统可靠性是对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供应电力和电能质量之能力的度量。所谓质量合格，就是指电能的频率和电压必须保持在规定的范围。充裕性（adequacy）是指电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总得电能量的能力，同时考虑到系统元件的计划停运及合理的期望非计划停运。安全性（security）是指电力系统承受突然发生的扰动，例如突然短路或未预料到的系统元件丢失的能力。元件可靠性系统可靠性已知未知NorthChinaElectricPowerUniversity2.电力系统可靠性评估的目的意义：在电力系统的规划、设计、运行的全过程中，坚持系统全面的可靠性定量评估制度，是提高电力系统能效的有效方法。用途：在可靠性评估中，除了对可能出现的故障进行故障分析，采取相应措施，以减少故障造成的影响外，还可对可靠性投资与相应的经济效益进行综合分析，以确定合理的可靠性水平，并使电力系统的综合效益达到最佳。方法：为了实现电力系统可靠性评估，首先要确定可靠性目标，然后应用评估手段，依据可靠性准则确定故障准则并对故障严重性做出估计。为保证电力系统可靠性达到期望的水平，在各阶段都必须实现以下目标：保证电力系统的充裕度；保证电力系统的安全性，采取措施使系统能经受住可能的偶发事故而不必消减负荷或停电，并避免对系统和元件造成严重损坏；保持电力系统的完整性，限制故障扩大，减小大范围停电；保证停电后系统迅速恢复运行。NorthChinaElectricPowerUniversity2.电力系统可靠性评估的目的各阶段可靠性评估的任务是：规划阶段--规划系统的可靠性评估有以下几个任务：对未来的电力系统和电能量需求进行预测；收集设备的技术经济数据；制定可靠性准则和设计标准，依据准则评估系统性能，识别系统的薄弱环节；选择最优方案。设计阶段---重点是发输电系统的可靠性评估，其可靠性设计原则是：当遭受超过设计规程规定的大扰动时，不利影响扩散的风险最小；应使系统有足够备用容量来限制扰动后果的蔓延，避免停电范围扩大，保护运行人员免遭伤害，保护设备免遭损坏。运行阶段---对运行系统进行可靠性评估，以便在可接受的风险度下建立和实施各种运行方式，确定运行备用容量，安排计划检修，以确定购入和售出电量，确定互联系统的输送电力和电能量。NorthChinaElectricPowerUniversity3.电力系统可靠性指标与准则2）电力系统可靠性指标分类（规划）为在电力系统中达到所需可靠性水平应满足的条件，可靠性评估应以相应的可靠性准则为基础。可靠性准则分为：概率性和确定性指标。举例：概率性的：电力期望不足；确定性的：N-1概率性指标分类：设备类可靠性指标：发（火电、水电、风电）、输电（交流、直流）系统可靠性指标分为发输电和配电---系统可靠性指标（110以上）----发输电模型---配电系统用户供电可靠性指标（定义了系统和设备可靠性）；如：供电可考虑99.99%1）一般的可靠性指标：概率：不可修复-----可靠度(Reliability)；可修复系统—可靠度、可用度Availability频率：单位时间里发生故障的平均次数。平均持续时间：首次故障的平均时间，故障的平均持续时间。期望值：如一年中电力系统发生故障的期望天数。NorthChinaElectricPowerUniversity3.电力系统可靠性指标与准则2）电力系统可靠性指标分类确定性指标分类(系统)国内的：电力系统稳定导则规定电力系统应能承受的发电系统或输电系统计划和非计划停运组合的条件。每种故障组合的定义应包括扰动本身以及扰动钱的系统运行状态。例如目前中国及许多国家在电力系统中采用的N-1准则，就是考虑在N个元件的系统中失去一个元件后，系统必须正常供电。不允许因故障而导致消减用户的电力和电能量的供应。国外的：稳定导则、安全导则，介绍国外导则概率性和确定性指标比较N-1准则概念清晰，可操作性好，应用很广。概率小的、后果不严重---网络不经济概率大、后果不严重---网络不可靠概率性的既考虑发生的概率，也顾及了后果NorthChinaElectricPowerUniversity3.电力系统可靠性指标与准则3）电力系统可靠性指标元件可靠性指标NorthChinaElectricPowerUniversity3.电力系统可靠性指标与准则3）电力系统可靠性指标元件可靠性指标NorthChinaElectricPowerUniversity3.电力系统可靠性指标与准则3）电力系统可靠性指标系统可靠性指标NorthChinaElectricPowerUniversity4.电力系统可靠性评估的基本方法电力系统可靠性的评估（检验）都是根据元件故障---分析系统可靠程度。由于系统的复杂性，把可靠性划分为几个环节。（发电、输电、变电站接线、配电）：每部分都有确定性验证和概率性评估。第一层次（HL1）第二层次（HL2）第三层次（HL3）电力系统可靠性评估发电系统可靠性评估发输电系统可靠性评估输电系统可靠性评估变电站电气主接线可靠性评估配电系统可靠性评估NorthChinaElectricPowerUniversity4.电力系统可靠性评估的基本方法电力系统可靠性的评估（检验）都是根据元件故障---分析系统可靠程度。由于系统的复杂性，把可靠性划分为几个环节。（发电、输电、变电站接线、配电）：每部分都有确定性验证和概率性评估。第一层次（HL1）第二层次（HL2）第三层次（HL3）电力系统可靠性评估发电系统可靠性评估发输电系统可靠性评估输电系统可靠性评估变电站电气主接线可靠性评估配电系统可靠性评估NorthChinaElectricPowerUniversity4.电力系统可靠性评估的方法电力系统可靠性的评估手段电力系统可靠性的评估过程电力系统可靠性评估基本方法NorthChinaElectricPowerUniversity4.电力系统可靠性评估方法4.1概率解析法4.1.1串联模型21212121AAAUUUUUsesese式中，A为可用率；U为不可用率；为失效率。独立事件：如果某一事件的发生不影响另一事件发生的概率，则这两个事件成为独立事件。若有N个独立事件，各事件发生的概率分别为P1P2P3…Pn,则所有事件都同时发生的概率为：nsPPPP......21NorthChinaElectricPowerUniversity4.电力系统可靠性评估方法4.1.2并联模型12121212pepepeUUUAAAAA式中，A为可用率；U为不可用率为修复率。NorthChinaElectricPowerUniversity发电系统可靠性评估的本质是计算服从一定概率分布的两个随机变量（即发电容量和负荷需求）之间的差值。这就是数学上的卷积概念。(1,,)iipXXpin(1,,)kkpYYpkmYXZnimkkikippYXZ11则随机变量的均值由下式计算：设两个随机变量X和Y具有下述离散概率密度函数：此即数学上的离散卷积概念4.1.3概率卷积模型NorthChinaElectricPowerUniversity对发电系统可靠性评估,风险指标通常是在给定条件下的Z的均值。例如，如果X代表负荷需求，Y代表发电容量，则期望缺供电力为在给定X大于Y的条件下的Z的均值。对离散卷积，公式为：即使X和Y是连续随机变量，他们的概率密度函数也可离散化，以便于使用上式。nimkkikippYXZ11,0maxNorthChinaElectricPowerUniversity4.2其他方法4.3随机模拟法4.3.1状态枚举法1122NNPQPQPQ式中：Pi和Qi分别是第i个元件工作和失效的概率；N是系统中的元件数。系统状态概率由下式给出：11ffNNNiiiiPsQP式中，Nf和N-Nf分别是状态s中失效和未失效的元件数量。NorthChinaElectricPowerUniversity4.3.2非序贯蒙特卡罗模拟法4.3.3序贯蒙特卡罗模拟法也称时序蒙特卡罗模拟法，通过模拟系统运行的历史过程，然后对所抽取的系统状态进行分析，它是按照时序进行元件的“运行-修复-运行-修复”的状态交替过程进行模拟，得到每个元件的运行修复状态持续时间，通过组合每个元件的运行和修复过程就能够得到一个有时间先后顺序的系统状态序列，因此时序蒙特卡罗法能够考虑复杂电力系统运行策略（如经济调度、水库用水策略等）的优点，缺点是编程困难且计算时间较长。NorthChinaElectricPowerUniversity4.3.2序贯蒙特卡罗模拟法NorthChinaElectricPowerUniversity4.3.4蒙特卡罗模拟法的特点1.产生每一个元件的随机数序列是必要的一步，这些随机数必须满足三个基本条件：均匀性、独立性和足够长的重复周期。2.蒙特卡罗法是一个波动收敛的过程，因此估计出的可靠性指标总是有一个相应的置信范围。3.方差系数常被用作终止抽样的判据。4.状态模拟过程仅需要元件的失效概率或者转移率作为抽样过程的输入数据。这个特点使我们能够容易地同时模拟不同的失效过程所引起的不可用率、如可修复失效、老化失效、共因失效等。5.状态抽样的理论不仅适用于元件失效时间，而且也可推广应用到电力系统的可靠性评估中其他参数的状态抽样，例如负荷水平、水文和气候状态等。NorthChinaElectricPowerUniversity4.4状态模型4.