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可靠性分析

[拼音]:KeKaoxing fenxi

[外文]:reliability analysis

用概率统计方法对电力系统保证按规定的电能质量标准连续供电能力进行定量分析或评估。电力系统可靠性是指该系统按规定的电能质量保证向用户连续供电的概率。分析研究电力系统可靠性的目的在于,从电力系统各个环节和侧面研究使系统丧失正常功能的因素,提出定量的评价准则,寻求提高电力系统可靠性的途径和方法。提高电力系统可靠性的根本对策在于整个系统(包括发电、输电、变电、配电各个环节)的正确规划与设计,保证合理的冗余度;精心的运行、操作与维护,减少发生故障的可能性,以求尽可能地提高设备的可用率。研究分析电力系统可靠性有助于提高系统的安全运行水平,促进可靠性管理,求得管理目标定量化、综合化和规律化,有利于提高电力系统的经济效益。1990年中国大陆的发电量为6105亿千瓦时。若能提高发电设备的可靠性,使这些设备的可用率提高1%,就可多发电61亿千瓦时。

简史

可靠性理论源于20世纪50年代。1956年,穆尔和C.E.香农研究了可靠性系统和冗余理论,奠定了可靠性理论的基础。把可靠性理论运用到电力工业则始于60年代末。当时,由于电力系统规模扩大,联网增多,单机容量越来越大,系统安全可靠的问题日益突出。加之在60年代,美、英、日本等国相继发生多起大停电事故,造成极大的经济损失,促使各国都高度重视电力系统的可靠性问题。1968年美国成立了全国电力可靠性协会。以后,苏、英、法、日等国相继成立了专门机构,拟订可靠性准则,陆续建立电力设备可靠性数据库。中国于1985 年1月由水利电力部颁布了《发电设备可靠性、可用率统计评价办法》和《配电系统供电可靠性统计暂行规则》,同年成立中国电力可靠性管理中心,并初步建立起发电设备可靠性数据管理系统和配电系统可靠性数据管理系统,定期发布可靠性信息。

研究内容和方法

电力系统可靠性研究的主要内容包括发电容量可靠性估计;互联系统可靠性估计;发电和输电组合系统可靠性估计;配电系统可靠性估计;发电厂、变电所主接线可靠性估计及继电保护可靠性估计等。建立基本设备的可靠性数据库也是研究的重要内容。

分析方法有解析法和模拟法两类。解析法的特点是,首先建立电力系统可靠性数学模型,并通过数值计算求解。在给定的简化假设条件下,一般可得到正确结果,因此应用很广泛。但解法有时过于复杂。模拟法是把系统分成许多元素,这些元素的特性可通过概率分布加以预测,然后将这些元素特性组合起来确定系统的可靠性。模拟法分析比较灵活,但结果不够精确。

发电容量可靠性估计

发电容量可靠性估计的任务是在不考虑输电系统可靠性约束的条件下,研究电力系统容量的逾度。当电力系统的可用发电容量大于负荷容量,电力系统容量是充裕的;当电力系统的可用发电容量小于负荷容量,电力系统将发生电力不足。发电容量可靠性估计广泛应用于电力系统规划及运行管理。进行这种估计主要分3步:建立机组停运容量概率模型;建立负荷的概率模型;合并机组停运容量概率模型与负荷概率模型,得到电力系统容量适应性模型,求出系统的可靠性指标。表示发电容量可靠性的指标有电力不足概率、电能不足期望值、停电频率和持续时间。发电容量可靠性估计的方法主要有电力不足概率法、电能不足期望值法、频率和持续时间法。

互联系统可靠性估计

互联系统指用具有一定输送能力的输电线把两个或多个彼此独立的发电系统联系起来的系统。研究互联电力系统可靠性的任务是计算互联系统的可靠性指标;研究合理的互联结构;研究合理的互联方针及提高互联效益的措施。

研究互联系统的主要方法有4种:

(1)LOLP法,这是一种常用方法,它包括二维概率阵列法和支援容量概率法;

(2)网络流法;

(3)频率期间法;

(4)模拟法。

发电和输电组合系统可靠性估计

发电厂以及把这些电厂发出的电能送到主要负荷点的输电系统的总和称为发电和输电组合系统,其可靠性受发电系统及输电系统两方面的制约。它要求估计主要负荷点的可靠性指标,因此既要考虑输电线的正常限制和临时性限制,还要考虑输电系统的某一部分受扰动而扩展为大范围的系统故障。组合系统的可靠性包括两个内容:逾度和安全性。逾度按静态或事故后停运状况分析,一是分析电源的可用容量是否满足负荷需要;二是分析输电线是否能在发热容限内承载负荷,某些中枢点电压波动是否超限。安全性指分析系统是否能保持稳定,是否会产生过负荷连锁反应和电压崩溃。逾度不足可能引起局部电力不足,须对用户削减电力供应或削减电量供应。安全性不足将导致停电的蔓延或整个系统解列。目前,对这一领域的研究主要限于逾度。在组合系统的逾度评估中,主要有事故枚举法和蒙特卡罗法。前者属于解析法,其中网络法用得最广。它的基本思想是用线性网络流作为模型,并利用图论算法寻找网络的临界最小割集,以此把系统的故障状态分离出来,再通过计算与临界最小割集有关的各种事件的概率组合,求出系统的故障概率。蒙特卡罗法可用以详细模拟事故前的条件,发电和输电停运以及运行中的实际问题。描述系统运行状态的参数,如负荷、发电元件和输电元件的状态,均服从一定的概率分布。计算时按参数的概率分布用随机抽样来选择参数。对选定的运行状态进行试验时可以根据一种或多种准则判断选定的运行状态是否为故障。模拟法的主要优点是,把电力系统状态的综合统计数据引进计算,它对计算一段时间的可靠性较合适。它的缺点是费时且误差较大。

配电系统的可靠性估计

配电系统包括一次配电线路、配电站、二次配电线路等。研究配电系统可靠性的意义,一是它量大面广,涉及大量资金(见配电规划);二是在评估电力系统各个组成部分(发电、输电、配电)时需要协调;三是需要研究合理的运行策略、维修策略和管理方案,不断提高经济效益。

配电系统有3个主要可靠性指标:平均故障率、平均停运持续时间和年平均停运时间。它们是在某种概率分布下的期望值。为了进一步反映系统停运的严重程度和重要性,可由这3个指标计算出其他的可靠性指标:系统平均停电频率指标,以(停电次数)/(年・用户)表示;用户平均停电频率指标,以(停电次数)/(受停电影响的用户・年)表示;系统平均停电持续时间指标,以(小时)/(用户・年)表示;用户平均停电持续时间指标;以(小时) /(受影响的用户・年)表示;平均供电可用率指标;电量不足指标,以千瓦时表示;平均电量不足,以(千瓦时)/(用户・年)表示;平均用户削减指标,以 (千瓦・时)/(受影响用户・年)表示。

分析配电系统可靠性的基本方法是故障模式及后果分析,即查清每个基本故障事件及其后果,然后加以综合。可靠性判据主要是供电的连续性。可以分析单一故障,也可分析双重故障或故障与计划检修的重叠。必要时,还可考虑气象条件的影响。

发电厂、变电所主接线可靠性估计

发电厂和变电所的主接线包括:发电机、变压器、断路器、母线、互感器、隔离开关等。研究电气主接线的可靠性时,一般假定电源为起点,以负荷母线为终点,然后分析计算由起点到终点的可靠性指标。估计电气主接线的可靠性,有助于设计工程师选择和比较不同主接线设计方案,计算不同方案的定量可靠性指标和投资,为技术经济决策提供科学依据。一般电气主接线的可靠性准则主要是供电连续性,即不停电为正常,停电为故障。对发电厂,还要求计算发出给定电力的概率。可靠性指标包括故障概率、频率及平均无故障工作时间、平均停电时间等。

展望

电力系统可靠性将在以下一些主要方面发展:

(1)进一步完善可靠性数据库,包括发电、输电、配电的数据库,改善信息收集和反馈的手段,发挥数据库在规划、管理、设备制造等多方面的功能。

(2)可靠性估计将不仅仅用于规划,而且用于实时控制,因此对可靠性模型和算法均要求有新的突破性进展。

(3)发电和输电组合系统的安全性将是优先注意的领域。人们将探讨如何用概率方法来研究电力系统对一定紧急事故的响应能力。

(4)可靠性准则将得到更充分的研究和应用。

(5)研究可靠性和经济性的最佳协调。

参考书目
  1. 郭永基编著:《电力系统可靠性原理和应用》(上、下册),清华大学出版社,北京,1985、1986。

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