第6章电力系统可靠性评估

2021/2/1第6章电力系统可靠性评估第6章电力系统可靠性评估主要内容6.1概述6.2电力系统可靠性评估数学基础6.3发输电系统可靠性评估6.4配电系统可靠性评估6.1概述6.1.1基本概念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能力的度量。包括充裕度和安全性两个方面。充裕度（adequancy，也称静态可靠性），是指电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总的电能量的能力，同时考虑系统元件的计划停运及合理的期望非计划停运。安全性（security，也称动态可靠性），是指电力系统承受突然发生的扰动的能力。基本概念（续）Ø电力系统可靠性可分成：发电系统可靠性（HL1）、发输电系统可靠性（HL2）、输电系统可靠性、配电系统可靠性及发电厂变电所电气主接线可靠性；6.1.2发展过程Ø国外：ü20世纪50年代，可靠性概念开始用于工业；ü1968年美国电力可靠性协会（NationalElectricReliabilityCouncil,NERC）成立；ü1981年加上加拿大和墨西哥，北美电力可靠性协会（NERC）成立；ü1997、1998年NERC推出《规划标准》和《执行细则》（电力系统可靠性执行标准）；ü西欧和俄罗斯也相继制定各自标准。Ø国内：ü1981年中国水利电力部颁布《电力系统安全稳定导则》；ü1983年成立中国电机工程学会可靠性专业委员会；ü1996年成立电力行业可靠性管理委员会。6.1.3电力系统可靠性评估1)目标和任务Ø目标：保证电力系统的充裕度；保证电力系统的安全性；保证电力系统的完整性；保证停电后系统迅速恢复运行。电力系统可靠性评估Ø任务：规划阶段：对未来电力系统和电能需求进行预测；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；选择优化方案。设计阶段：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：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，确定购入和售出电量，确定互联系统的输送电力和电能量。2)评估手段3)主要有4种：Ø建立可靠性评估模型目前主要有解析法和蒙特卡罗法（模拟法）Ø建立可靠性信息管理系统Ø建立重大事故监测装置Ø区间分析3)故障准则及故障严重性评估故障认定准则Ø一旦发生下列情况，便认为系统处于各种故障状态：负荷越界；频率越界；电压超过极限；有功功率不足；无功功率不足，电压下降；不可控的解列；连锁反应；电压崩溃；频率崩溃；故障严重性评估Ø进行可靠性预测时，应考虑所有可能的故障模式，并对系统严重性作出评估。第6章电力系统可靠性评估6.2电力系统可靠性评估数学基础6.2.1概述可靠性评估需要两个关键过程：第一是选择系统状态并计算状态概率；第二是针对选择的状态所引起的系统问题及其校正措施进行分析。系统选择主要有两种主要方法：状态枚举法和蒙特卡罗模拟法。第6章电力系统可靠性评估6.2.2简单系统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。第6章电力系统可靠性评估6.2.2简单系统设两个随机变量X和Y具有下述离散概率密度函数：•则随机变量的均值由下式计算：概率卷积•此即数学上的离散卷积概念第6章电力系统可靠性评估简单系统——概率卷积（续）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。第6章电力系统可靠性评估串联和并联网流法由串联网络的定义可得出如下关系：•串联网络等效图•式中，A为可用率；U为不可用率；为失效率。•串联系统：•→第6章电力系统可靠性评估简单系统——串联和并联网流法（续）由并联网络的定义可得出如下关系：•并联系统：•→•并联网络等效图•式中，A为可用率；U为不可用率•为修复率。第6章电力系统可靠性评估马尔可夫方程马尔可夫方程是以状态空间图为基础，也被称为状态空间法。这种方法的主要优点是所有状态及其相互转移有着很清晰的图形表示；缺点是对大系统的应用相当困难。对于由N个两状态（运行和停运）元件组成的系统，其系统状态数为2N。当N较大时，状态空间图的建立几乎是不可能的。第6章电力系统可靠性评估频率-持续时间法频率-持续时间法是由状态频率和转移率计算频率和持续时间的基本方法，尽管频率平衡的概念也可用于建立极限状态概率的状态空间方程式，但可将其看成马尔可夫方法的派生。第6章电力系统可靠性评估6.2.3复杂系统对于大规模系统的可靠评估，主要有两类方法：状态枚举和蒙特卡罗仿真，后者可分成序贯和非序贯抽样方法。对于复杂系统使用的方法，其基本思路是通过包括以下四个步骤的迭代过程实现可靠性评估：1.选择一个系统状态；2.分析系统状态，判断其是否是失效状态；3.计算失效状态的风险指标；4.修改累计指标。第6章电力系统可靠性评估复杂系统（续）状态枚举法和蒙特卡罗模拟法是两种不同的选择系统状态的主要方法。两种方法的指标计算公式有不同的表达式，但这两种方法中的系统分析是相同的，而且不依赖于系统状态的选择方法。发电、配电、变电站和输电系统的系统分析技术不同。通常用于发电和配电系统的分析技术相对简单明了，用于变电站电气接线的分析技术则更复杂一些，而最复杂的是用于输电网的分析技术。以下将结合算例详细介绍。第6章电力系统可靠性评估6.3发输电系统可靠性评估6.3.1概述发输电系统可靠性是指统一并网运行的发电系统和输电系统综合组成的发输电系统，按可接受标准和期望数量向供应点供应电力和电能量的能力的度量。包括充裕性和安全性两个方面。充裕性是对系统的静态特性进行概率评价；安全性则是对系统的动态特性进行评价。发输电系统风险评估的系统分析并非是简单的连通性问题,它涉及到潮流计算、故障分析以及诸如消除过载、发电重新调度、负荷削减和切换操作等校正措施。其系统状态选择中需要考虑的问题有：系统元件的独立停运，共因、电站相关和其他相关停运，气候影响，母线负荷的不确定性和相关性，降额状态模拟，以及系统的其他约束条件等。第6章电力系统可靠性评估6.3.2充裕度评价的指标体系充裕度指标分成负荷点指标和系统指标两类。切负荷概率PLCS是有切负荷的系统状态集合；是系统状态i的持续时间，T为总模拟时间。切负荷频率EFLC是有切负荷的状态数。第6章电力系统可靠性评估充裕度评价的指标体系(续）切负荷持续时间EDLC每次切负荷持续时间ADLC负荷切除期望值ELC电量不足期望值EENS第6章电力系统可靠性评估6.3.3评估方法1)基本步骤2)元件失效模型3)负荷曲线模型4)故障分析5)负荷削减的最优化模型)6状态枚举)7状态抽样法——非序贯蒙特卡罗仿真第6章电力系统可靠性评估1)基本步骤发输电系统风险评估主要包括四个方面：1.确定元件失效模型和负荷模型；2.选择系统状态；3.识别并分析系统问题；4.进行可靠性指标计算。方法：状态枚举和蒙特卡罗仿真第6章电力系统可靠性评估2)元件失效模型发电机组使用两态（运行和停运）或多态（计入降额状态）模型来模拟。当使用蒙特卡罗模拟法时，所有发电机的状态或状态转移都可直接抽样而无需简化；当使用状态枚举法时，系统状态数随发电机台数及其降额状态数呈指数增长；输电元件包括架空线路、电缆、变压器、电容器和电抗器等，通常用两状态（运行和停运）模型来模拟这些元件；高压直流输电（HVDC）线路有时要求用多态模型来计入一个或多个降额状态；第6章电力系统可靠性评估3)负荷曲线模型当使用序贯蒙特卡罗仿真时，直接利用时序负荷曲线作为负荷模型；对于状态枚举法或状态抽样法，则利用非时序负荷曲线。1.使用单一负荷曲线；2.某些母线上的负荷可能在全部研究时间内保持恒定；3.将各个母线负荷按其遵循的不同负荷曲线分类为相应的母线组；第6章电力系统可靠性评估4)故障分析发电机组的预想故障分析简单直观。如果在每个发电机母线上余下的发电容量可以弥补同一母线上由于失去发电机而引起的不可用容量，则无需削减负荷；否则，就应当使用最优化潮流模型来研究发电容量的重新调度。输电预想故障分析较为复杂。其目的是计算一个或多个元件失效后的线路潮流和母线电压，以识别是否引起线路过载、电压越限、母线孤立或系统分离成孤岛等问题。发输电系统风险评估中常用的分析输电故障的两个基本方法。第6章电力系统可靠性评估基于交流潮流的灵敏度法研究一个输电系统中线路i—j停运情况，假设i—j停运前两端的潮流是和，停运前母线i和j上有两个外加注入功率，用和表示。如果外加注入功率完全与线路i—j的停运等效。可以证明，线路i—j的潮流和停运前状态的外加注入功率存在以下关系：第6章电力系统可靠性评估在母线i和j的这一外加注入功率可通过求解上述方程得出。然后可求解下式获得由线路i—j停运引起的母线电压幅值增量和相角增量：式中，是停运前状态的潮流方程雅克比矩阵；是电压幅值增量，它的元素；是电压相角增量矢量，其元素是，定义如下：得到母线电压后，即可计算线路i—j停运后的线路潮流。类似方法可以适用于多条线路停运的情况。•基于交流潮流的灵敏度法（续）第6章电力系统可靠性评估基于直流潮流的故障分析基于直流潮流的预想故障分析提供线路停运后快速而有足够精度的有功潮流，风险评估中需要考虑大量的这种停运情况。多重线路停运后的节点阻抗矩阵可以由停运前的节点阻抗矩阵直接计算：式中，、分别是线路停运前和停运后的节点阻抗矩阵，其中忽略了全部线路的电阻；括号中的0和S分别表示系统正常和停运状态；W是对角线矩阵，其中的对角线元素是停运线路的电抗；M是由节点-线路关联矩阵中对应于停运线路的列所组成的子矩阵。第6章电力系统可靠性评估基于直流潮流的故障分析线路停运后的潮流可由下式计算：是停运状态的有功潮流矢量；PG和PD分别是发电输出和负荷功率矢量；是停运状态S的有功潮流和注入功率间的关系矩阵，其第m行可计算如下：是线路m的电抗；下标r和q分别表示线路m的两端节点编号；和分别是的第r和第q行。第6章电力系统可靠性评估5）负荷削减的最优化模型当停运引起系统问题时，通过专门的最优潮流（OPF）模型进行发电重新调度，以消除系统约束违限；同时尽可能避免负荷削减，或者在无法避免时使负荷削减最小。有两种模型：基于交流潮流的最优潮流模型基于直流潮流的最优潮流模型第6章电力系统可靠性评估基于交流潮流的最优潮流模型是母线i的负荷削减量；ND、NG、N和L分别是系统中负荷母线、发电母线、所有母线以及所有支路的集合。第6章电力系统可靠性评估基于直流潮流的最优潮流模型与基于交流潮流的最优潮流模型相比，直流模型中略去了全部与无功功率相关的量。大量计算表明，对发输电系统风险评估而言，这是一个可接受的合理简化。第6章电力系统可靠性评估6）状态枚举法主要步骤如下：1.建立多级水平负荷模型，对每一级负荷水平进行枚举；2.利用枚举技术选择系统状态；3.进行预想故障分析；风险指标计算公式：负荷削减概率PLC是状态s的概率；是多级负荷模型中第i个负荷水平下系统全部失效状态的集合；是第i个负荷水平的时间长度；NL是负荷水平分级数；T是负荷曲线的时间期间全长。期望缺电电量EENS是状态s的负荷削减量。第6章电力系统可靠性评估状态枚举法（续）期望负荷削减频率EELC是元件离开状态s的第j个转移率；是离开状态s的转移率总数。负荷削减平均持续时间ADLC实际应用状态枚举法应注意：（1）所有被枚举的系统状态之间必须是互斥的；（2）对于包含有大量元件的系统，要枚举所有的系统状态在计算上是不现实的。（3）状态枚举法不能模拟时序相关事件。第6章电力系统可靠性评估7）状态抽样法——非序贯蒙特卡罗仿真状态抽样法常常