(论文)发电厂安全与可靠性管理系统的设计分析

山东大学 硕士学位论文 发电厂安全与可靠性管理系统的设计分析 姓名：张向伟 申请学位级别：硕士 专业：电力系统及其自动化 指导教师：孟昭勇 20080415 山东大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的高速发展以及人民生活水平的不断提高，电力工业的迅猛 发展，中国电力发展已步入了大电网、大机组、高参数、超高压和自动化、信 息化的新阶段，电力已成为经济发展和人民生活不可缺少的生产资料和生活资 料，保证安全可靠的电力供应至关重要。电网瓦解和大面积停电事故，不仅会 造成巨大的经济损失，影响人民正常生活，还会危及公共安全，造成严重的社 会损失。如何确保电网的安全稳定运行，已经成为摆在电力企业面前的重大考 验。国内外的实践表明：安全可靠性管理是电网安全行之有效的管理模式，可 以有效地避免电网稳定事故和电网瓦解事故的发生。提高电厂运行的安全可靠 性能极大的提高经济效益，具有巨大的研究前景。 发电厂安全可靠性管理工作进入中国电力企业已有近2 0 多年的时间，目 前，安全可靠性统计的范围和应用领域在逐步扩大，管理者对安全可靠性的认 识在逐步提高，安全可靠性管理在电力生产上的应用也越来越广泛和深入。 本课题阐述了电力系统安全性和可靠性的基础理论，论述了国内外发电系 统安全可靠性的研究现状和发展趋势，在此基础上提出了对电厂进行安全可靠 性综合评价的方法。 在可靠性评价部分，将分散抽样方法与重要抽样方法相结合，提出了一种 改进的重要抽样算法，并与常规抽样法和常规重要抽样法进行了比较分析。 在对发电厂安全性、可靠性管理工作进行系统分析的基础上，对整个安全 可靠性管理系统进行了初步设计，设计了系统的功能模块，并确定了系统的硬 件环境和软件环境。 关键词：发电厂，可靠性评价，蒙特卡罗法，重要抽样法，管理系统 V 山东大学硕士学位论文 A B S T R A C T W i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h en a t i o n a l e c o n o m y ，t h e c o n t i n u o u s i m p r o v e m e n to fp e o p l e Sl i v i n gs t a n d a r d sa n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fp o w e r i n d u s t r y ，C h i n e s ep o w e rd e v e l o p m e n th a se n t e r e dt h en e ws t a g eo fl a r g ep o w e r g r i d s ，l a r g eu n i t s ，h i g h p a r a m e t e r ，U H P ，a u t o m a t i o n ，a n di n f o r m a t i o n A n de l e c t r i c p o w e rh a sb e c o m ei n d i s p e n s a b l em e a n so fp r o d u c t i o ni ne c o n o m i cd e v e l o p m e n t a n dm e a n so fs u b s i s t e n c ei np e o p l e Sl i f e T h e r e f o r ei ti sv e r yi m p o r t a n tt oe n s u r e s a f ea n dr e l i a b l es u p p l yo fe l e c t r i cp o w e r G r i dc o l l a p s ea n dt h el a r g ea r e ap o w e r o u t a g e ，w i l ln o to n l yc a u s eh u g ee c o n o m i cl o s sa n dt h ei m p a c to np e o p l e Sn o r m a l l i f e ，b u ta l s oe n d a n g e rp u b l i cs a f e t ya n dr e s u l ti ns e r i o u ss o c i a lc o s t I th a sb e c o m ea m a j o rt r i a lo fp o w e re n t e r p r i s e sh o wt oe n s u r et h es a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o no f p o w e rg r i d s P r a c t i c e a th o m ea n da b r o a ds h o w st h a t s a f e t ya n dr e l i a b i l i t y m a n a g e m e n ti sa ne f f e c t i v em a n a g e m e n tm o d ef o rp o w e rg r i d s ，a n dC a ne f f e c t i v e l y p r e v e n tp o w e rg r i ds t a b i l i t ya c c i d e n t sa n dc o l l a p s ea c c i d e n t s I m p r o v et h es a f e t y a n dr e l i a b i l i t yo fp o w e rp l a n to p e r a t i o nC a ng r e a t l ye n h a n c ee c o n o m i ce f f i c i e n c y ， a n dh a st r e m e n d o u ss t u d yp r o s p e c t s P o w e r p l a n ts a f e t ya n dr e l i a b i l i t ym a n a g e m e n th a v ec o m et oC h i n af o ra b o u t2 0 y e a r s A tp r e s e n t ，t h es t a t i s t i cf i e l da n da p p l i c a t i o na r e ao fs a f e t ya n dr e l i a b i l i t ya r e g r a d u a l l ye x p a n d i n g ，m a n a g e r Su n d e r s t a n df o rs a f e t ya n dr e l i a b i l i t yi sg r a d u a l l y i n c r e a s i n g ，t h ea p p l i c a t i o no fs a f e t ya n dr e l i a b i l i t ym a n a g e m e n ti ne l e c t r i c i t y p r o d u c t i o ni sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v ea n di n d e p t h T h es u b j e c ti n t r o d u c e dt h eb a s i ct h e o r yo f p o w e rs y s t e ms e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y ， d i s c u s s e dt h es t u d ys t a t u sa th o m ea n da b r o a da n dd e v e l o p m e n tt r e n do fp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e ms e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y A n dc o m p r e h e n s i v es a f e t ya n dr e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nm e t h o d sa r ep r o p o s e do nt h i sb a s i c C o m b i n i n gs c a t t e r e ds a m p l i n gt e c h n i q u ew i t l li m p o r t a n c es a m p l i n gm e t h o d ，a n i m p r o v e di m p o r t a n c es a m p l i n gm e t h o df o rp o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o ni s p r o p o s e d 1 1 1 ee v a l u a t i o nr e s u l t sb yt h ep r o p o s e dm e t h o da r ec o m p a r e dw i t ht h o s e b yc o n v e n t i o n a ls a m p l i n gm e t h o da n dc o n v e n t i o n a li m p o r t a n c es a m p l i n gm e t h o d O nt h eb a s i so fs y s t e m i ca n a l y s i sf o rp o w e rp l a n ts a f e t ya n dr e l i a b i l i t y V I I 山东大学硕士学位论文 m a n a g e m e n t ，t h ew h o l es a f e t ya n dr e l i a b i l i t ym a n a g e m e n ts y s t e mi sd e s i g n e d p r e l i m i n a r i l y T h es y s t e m a t i cf u n c t i o nm o d u l ei sd e s i g n e d ，a n dt h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ee n v i r o n m e n t so ft h es y s t e ma r ed e t e r m i n e d T h ep o w e rp l a n ts a f e t y ，r e l i a b i l i t ym a n a g e m e n ts y s t e ma n a l y s i sc o n d u c t e do n t h eb a s i so fs a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fc o n d u c t e dap r e l i m i n a r yd e s i g n ，d e s i g no ft h e s y s t e mf u n c t i o nm o d u l e s ，a n dt od e t e r m i n et h es y s t e m Sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e e n v i r o n m e n t K e yw o r d s ：P o w e rp l a n t ，R e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ，M o n t eC a r l om e t h o d ， I m p o r t a n c es a m p l i n gm e t h o d ，M a n a g e m e n ts y s t e m 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：之童乙蠡1 师签名：坶日期：删 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 帚一早瑁化 众所周知，电力生产的方针是“安全第一，预防为主”，安全是电力企业 发展的永恒主题，安全是一切工作的基础，是落实科学发展观的最基本要求和 保障，是建设和谐社会的前提。电力企业中安全生产保证体系和安全监督体系 构成了电力企业安全管理的有机整体，使之各自发挥作用并协调配合，是电力 企业搞好安全生产的关键。 安全是电力生产的生命，安全管理在发电公司的整个生产过程中至关重 要，通过定期开展安全检查，加强事故分析、安全器具的管理考核，防止设备 和人身伤亡事故发生，实现安全生产；安全管理主要包括两方面的内容：安全 性管理和可靠性管理。 安全性管理主要采用安全性评价法。安全性评价，在国外也称作“风险评 价”( R i s k A s s e s s m e n t ) ，它一般是用于对一个系统( 如：一项工程设计、一个工 艺流程、一个装置或设备等) 的危险性进行辨识，并给出定性或定量的评价。 多年来，电力生产各级主管部门和电力生产单位，为贯彻“安全第一、预 防为主”的电力生产方针，提高安全生产水平，确保安全发、供电，一直坚持 进行定期和不定期的安全情况综合分析和评价。实践证明，这种工作对于总结 事故教训、制订反事故措施、防止重大事故及降低频发性事故，不论是过去、 现在和今后都是不可缺少的。 安全评价的评价内容主要包括：设备( 含机具、劳动环境) 、管理和人员素 质三个方面。 而可靠性管理又是电力安全生产的重要内容，是用系统工程的观点对设备 的可靠性进行分析，以达到延长设备的使用周期，减低设备的维护费用的目标。 可靠性与完好率指标是评价设备健康水平的重要参数，统计方法必须遵照国家 标准的可靠性与完好率管理规程。 可靠性是指一个元件、设备或系统在预定的时间内，在规定的条件下完成 规定功能的能力。无论是产品设计、制造、试验等环节，或者是某个系统运行 山东大学硕士学位论文 和管理都必须考虑到可靠性的问题，因此形成了可靠性工程这门科学。将可靠 性工程的一般原理同电力系统的工程问题相结合，便形成了电力系统可靠性。 电力系统可靠性现在已经渗透到了电力系统的规划、设计、运行和管理等各个 方面。 电力系统可靠性是指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量的能力的量度瞳3 。电力系统的可靠性通过定量的 可靠性指标来衡量。一般是故障对用户造成的不良后果的概率、频率、持续时 间、故障引起的期望电力损失及期望电能量损失等口3 。 电厂作为发电系统的主要组成部分，发电机组的可靠性是决定整个电力系 统可靠性水平的重要因素之一，在当前电力市场环境下，电厂发电机组的可靠 性更是发电竞争的要素之一H 1 。同时发电厂也由原来的服从和执行行政命令的 生产单位变成自负盈亏的市场主体。经统计分析表明，提高现有发电设备的可 靠性能产生巨大的经济效益畸3 。 1 2 研究现状 近年来，电力系统不断向特高压、远距离、大容量方向发展，在提高经济 性的同时，供电系统安全可靠运行问题也突出起来，近年来国内外频发的电力 事故也说明了这点，因此安全可靠性管理在各国电厂可靠性工作中得到了普遍 的应用。 在1 9 6 9 年，美国的R B i l l i n t o n 教授发表了发输电组合系统充裕性可靠性 评价的第一篇学术论文；在1 9 7 8 年，提出了简单电力系统概率暂态稳定的计 算方法；1 9 7 9 年他们又提出了多机系统概率暂态稳定分析的方法，从此安全 性分析研究开始起步。 1 9 8 8 年，美国电科院提出的电力系统可靠性评价框架中包含了对安全限制 条件的考虑法【6 】。R B i l l i n t o n 对其进行了分析和扩展，提出了具体的静态和动 态安全限制条件集合【7 1 。但这只是在充裕度评价中考虑了安全性限制，并不是 真正意义上的安全性评价。进一步的研究工作主要有两方面，一个是继续研究 各种安全性限制条件对发输电系统可靠性评价的影响【8 】，另一个是努力将充裕 度和安全性评价结合起来，组成发输电系统可靠性评价的整体框架。 2 山东大学硕士学位论文 近年来，发输电组合系统的充裕性可靠性评价无论在计算模型、评价方法 和工程应用等方面都取得了巨大的进步： 系统状态的分析方法从最初的网流法发展到直流潮流法和交流潮流 法： 元件故障模式从只考虑独立故障发展到考虑相关故障、共同模式故障 和源于电站的故障； 系统状态的选取也从状态枚举法发展到非时序蒙特卡洛仿真、时序蒙 特卡洛仿真和状态转移抽样技术： 负荷削减模型从基于直流潮流的线性规划发展到基于交流潮流的非线 性规划： 对于系统中的发电机，从最开始只考虑一次能源不受限制的火电机组， 发展到考虑发电出力及可发电量受水系降水量及水库运行条件限制的水电机 组： 从只考虑单纯的交流输电系统到考虑交直流混合输电系统； 气候条件、节点负荷的相关性及不确定性、继电保护装置的动作特性 以及电压稳定性、频率稳定性等都开始逐渐引入可靠性评价模型中。 从单纯地用故障概率、频率、持续时间、故障引起的期望电力损失及 期望电能量损失等电气指标到量化考虑停电损失的严重程度，即风险分析【9 1 。 我国在电力系统可靠性的研究和应用的深度和广度方面也取得了新的进 展： 己形成主要电力设备可靠性数据的统计体系和完备的数据库，为开展 电力系统可靠性评价和预测创造了条件，推动了设备制造商重视设备的质量和 可靠性。 已独立开发了一批电力系统可靠性评价的应用软件，并在实际工程中 得到应用。 但电力系统安全分析的计算复杂度远远大于充裕性，目前国内外对安全性 问题的研究还处于探索阶段，系统建模、算法研究、指标体系的建立和软件实 现等方面都还有很多工作需要开展1 0 】。 山东大学硕士学位论文 1 3 本课题的主要工作 本课题的主要任务是对发电厂安全可靠性管理分析做一些有意义的探索 工作；设计一套系统，对电厂进行安全与可靠性的综合评价；根据电厂安全可 靠性基础数据，依靠该系统分析出电厂的安全性、可靠性状况。 具体可归纳为以下几个方面。 1 收集并掌握发电厂安全性、可靠性的相关概念和基础理论，了解国内外 在电力系统安全可靠性方面的研究现状和发展趋势。 2 熟悉发电厂安全性、可靠性评价的特点、目的及各自经常使用的方法。 3 采用了改进的重要抽样方法对发电系统进行可靠性评价。 4 结合电厂实际情况，规划出各数据的管理模块，设计出一套发电厂安全 与可靠性管理系统，并对其进行分析评价。 4 山东大学硕士学位论文 2 1 可靠性基础指标 第二章可靠性基础理论 在研究电力系统可靠性时，一般把研究对象区分为元件和系统。元件是构 成系统的基本单位，在一个具体的系统中，元件不能再分，系统由元件构成， 可以看作是元件的总体。因此若干元件构成一个子系统，若干子系统构成系统， 系统和元件这两个对象是相对而言的，同一设备在不同的研究场合，可能是元 件，也可能是系统。 从可靠性观点看，元件可分为可修复元件和不可修复元件两大类，如果元 件故障后经过修复能恢复到原来的工作状态，这种元件成为可修复元件，如果 元件故障后不能修复或可以修复但不经济，这种设备称为不可修复元件【1 1 1 。 电力系统的大部分元件( 发电机组、变压器、断路器、输电线路等) 都属于 可修复设备。前面定性的介绍了可靠性的概念，在工程中还必须有定量的可靠 性参数，用来表示可靠性水平的高低0 2 1 1 13 1 。描述可修复设备可靠性的主要特征 量有： ( 1 ) 可靠度指标：可靠度是指设备从开始工作起，在时间t 内不发生故障 的概率，用R ( t ) 表示： R c D = 尸I t ：三暑 c 2 一， T 为设备的正常工作时间，即寿命。就设备固有可靠性表现而言，只有可 靠与不可靠两种互斥状态，故设备的不可靠度，又称( 累积故障概率) ： F ( f ) = 1 一R ( f ) ( 2 2 ) ( 2 ) 故障概率密度分布函数 故障概率密度定义为：设备在某时刻t 的时间段( t ，什A t ) 内单位时间的故 障概率，记为f ( t ) ，当设备的寿命概率分布己知时，则： 们) = 百d F ( t ) ( t o )( 2 3 ) 在工程应用中，一般根据设备或系统的故障概率密度的分布类型来对其进 5 山东大学硕士学位论文 行可靠性分析。 ( 3 ) 故障率( 又称失效率) 工作到某时刻t 尚未失效的设备，在时刻t 以后的下一个单位时间内发生 故障的概率称为设备的故障率，记为入( t ) 。其表达式为： 入O ) = l i m 、7 r _ 0 A t R ( f ) ( 2 4 ) 故障率是一个条件概率，在实际可靠性工程中，使用者有时候更关心设备 在过去的时间t 内正常工作后，下一个单位时间发生故障的概率。 ( 4 ) 平均无故障间隔时间M T B F M T B F 是设备可靠运行时间的期望值，它表示设备在连续运行中形成故障 前所需的平均积累时间。其数学表达式为： M T B F = E ( 丁) = lt f ( t ) d t ( 2 5 ) ( 5 ) 维修度与修复率 维修度描述设备进行维修的难易程度，它是指设备在规定条件下，在规定 时间t 内能修复的概率，记作M ( t ) 。其表达式为： M ( f ) = e ( o Y o )( 2 1 3 ) 1 0 失效分布函数为： 一盟 F ( f ) = 1 一e b ( 2 1 4 ) 可靠度函数为： 一咝 R ( f ) = e b ( 2 1 5 ) 故障率函数为： 兄I j f ) ：罢。一7 ) “一1( 2 1 6 ) Z 0 平均寿命为： M T B F ：E ( T ) ：t p r ( 1 + 上) ：矿( 1 + 三) ( 2 1 7 ) m l n 上式中：r = t 。u r n 称为特征寿命。 当形状参数m 大于3 以后，威布尔分布就趋向于正态分布；当形状参数 9 山东大学硕士学位论文 r n 等于1 时，就变成了指数分布，所以指数分布又可以看成威布尔分布的一个 特例。由此可以看出威布尔分布对子各种类型的试验数据具有较强的拟合能 力，因此使用的范围非常广。 2 2 4 威布尔寿命分布的参数估计 对于服从威布尔分布的电厂设备，一般认为其位置参数Y 为0 ，即设备从 一开始就可能故障。因此只需对形状参数m 及尺度参数进行估计，通过两参 数威布尔分布的故障密度函数形成极大似然函数，并对m 、f 。求导可得如下 方程： i N + 蔷N - n 卜t ，- I n t t ：。 当t o 擎：。瑶 由( 2 1 8 ) 第二个等式可得： t 。：1 勤N - t 。2 i f f i l 一， 将( 2 1 9 ) 代入( 1 1 8 ) 第一个等式并令其为f i m ) ，有： 专和尸：0 ) = 旦万一一亡一寺l n f 尸= f ， 所州扛1 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 通过牛顿迭代法【1 7 1 对( 2 2 0 ) 进行求解可得形状参数m 的估计值，再将m 代入到( 2 1 9 ) 可以求得尺度参数的估计值1 8 1 。 1 0 山东大学硕士学位论文 第三章发电厂安全性的综合评价 3 1 安全性评价概述 安全是电力生产的生命，安全管理在公司的整个生产过程中至关重要，通 过定期开展安全检查，加强事故分析、安全器具的管理考核，防止设备和人身 伤亡事故发生，实现安全生产。 多年来，电力生产各级主管部门和电力生产单位，为贯彻“安全第一、预 防为主”的电力生产方针，提高安全生产水平，确保安全发、供电，一直坚持 进行定期和不定期的安全情况综合分析和评价。实践证明，这种工作对于总结 事故教训、制订反事故措施、防止重大事故及降低频发性事故，不论是过去、 现在和今后都是不可缺少的。 3 2 安全性评价的目的 安全性评价的目的是从防止电业生产特大、重大、恶性和频发性事故出发， 对设备系统、劳动安全、作业环境和生产管理中存在的主要危险因素进行辨识， 摸清安全基础的底数。 3 3 安全性评价的要求 安全性评价的办法应该具有科学性，同时又必需具有可操作性，而且只 能在具有可操作性的基础上，进一步提高科学性。 3 4 安全性评价的主要因素 安全性评价的内容或因素所要求具备的资料、记录、统计数字、图纸、图 表等，一般都限于现行有关规程、标准明确规定必须具备的；少数在现行规程、 标准中未作规定的，则应是基层单位组织和指挥安全生产所必须的。 评价因素主要包括以下8 个方面： ( 1 ) 生产设备是否符合安全条件； ( 2 ) 主要生产工具、机具是否符合安全条件； 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 部、局反事故技术措施落实情况： ( 4 ) 生产设备、工机具管理水平； ( 5 ) 生产、安全主要规章制度建立、健全和贯彻执行情况； ( 6 ) 人员技术素质是否符合安全要求； ( 7 ) 劳动环境是否符合安全条件； ( 8 ) 重大自然灾害抗灾、防灾措施落实情况； 3 5 发电厂安全性评价的方法 发电厂安全性评价主要包括生产设备、劳动安全和作业环境、安全管理系 统三大方面。以下为需评价的各个因素( 不再详细展开) ： 3 5 1 生产设备安全性评价 1 2 3 5 1 1 电站锅炉系统安全性评价 1 整体运行工作状况 2 锅炉本体主要部件、重要辅机及附属设备的技术状况 3 安全阀的状况 4 水位表的状况 5 除灰系统 6 设备编号及标志 7 技术资料 8 与锅炉有关的其他状况 3 5 1 2 汽轮机安全性评价 1 汽轮机本体的技术状况 2 调节保安系统 3 压力容器及高温高压管道的状况 4 重要辅机及附属设备的状况 5 汽油机系统防火状况 6 设备编号及标志 山东大学硕士学位论文 7 技术资料 8 汽机其他 3 5 1 3 电气设备安全性评价 1 发电机及励磁系统 2 主变压器和厂用变压器状况 3 高、低压配电装置状况 4 继电保护及自动装置 5 直流系统 6 电缆及电缆用构筑物( 含热控电缆) 的状况 7 通信设备状况 3 5 1 4 热工设备安全性评件 1 锅炉部分 2 汽机部分 3 电气部分状况 4 热工其他状况 3 515 电站化学设备安全性评价 1 水处理设备技术状况 2 水、汽质量指标 3 制氢设备 4 化学其他 3 5 1 6 燃煤贮运系统安全性评价 1 运煤皮带系统 2 卸煤及贮煤系统 3 5 1 7 燃油贮运系统安全性评价 1 卸油栈台 2 油泵房状况 3 油区状况 4 输、供油管线( 道) 及伴热系统 5 燃油其他 山东大学硕士学位论文 3 5 2 劳动安全和作业环境评价 证。 1 4 3 5 2 1 劳动安全 1 电气安全 2 高处作业安全 3 起重作业安全 4 焊接安全 5 机械安全 6 各种小型锅炉、压力容器及空压机 3 5 2 2 作业环境安全性评价 1 生产区域照明 2 生产区域梯台 3 生产区域楼板、地面状况 4 防尘状况 3 5 2 3 交通安全评价 1 各类机动车辆是否符合安全要求。 2 有无机动车辆管理制度，是否落实，机动车司机是否持有准驾证和驾驶 3 厂内铁路设施是否符合安全要求。 3 5 2 4 防火防爆 3 5 2 5 防汛委会社评价 3 5 2 6 抗震安全性评价 山东大学硕士学位论 文 3 5 3 安全管理评价 火力发电厂安全管理评价，包括以下内容： 1 安全生产方针的贯彻落实和安全目标管理 2 安全责任制 3 安全监督机构及安全监督网 4 安全生产规章制度 5 安全培训与考核 6 安全例行工作 7 基础资料 8 承包工作的要全管理 9 事故调查及安全信息反馈 1 0 安全工作奖惩 山东大学硕士学位论文 第四章发电厂可靠性的综合评价 可靠性管理是电力安全生产的重要内容，是用系统工程的观点对设备的可 靠性进行分析，以达到延长设备的使用周期，减低设备的维护费用的目标。可 靠性与完好率指标是评价设备健康水平的重要参数，统计方法必须遵照国家标 准的可靠性与完好率管理规程。 可靠性综合评价包括以下主要方面： ( 1 ) 设备及子系统可靠性指标分析评价 ( 2 ) 主要设备寿命估计 ( 3 ) 设备检修评价 ( 4 ) 电厂可靠性管理工作评价 ( 5 ) 电厂可靠性综合评价 4 1 可靠性评价概述 为了统一评价设备可靠性，我国电力部门制订了发电设备可靠性评价规 程( 简称规程) ，规程规定了发电设备可靠性的统计及评价办法，适用 于我国所有发电厂( 火电厂、水电厂( 站) 、蓄能水电厂、核电站、燃气轮电 站) 。发电机组的状态划分如图4 1 所示，在规程中有明确的状态定义。 规程中对状态数据的填报方法有明确的规定，输入可靠性数据库的数据，应严 格遵守规程规定，准确、完整地反映设备的真实情况。 4 2 可靠性评价的目的 ( 1 ) 通过对电力设备可靠性指标的统计分析，摸清设备固有的技术规律， 和运行可靠性水平，找出改善途径，实施目标管理。 ( 2 ) 反馈给规划设计部门，作为电力系统、发电厂、变电所规划设计的 重要依据。 1 7 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 反馈给制造部门促进制造部门不断改进和提高产品质量，为发展新 产品新工艺指明方向。同时，发电企业在采购设备时应考虑设备制造单位所生 产的设备运行的可靠性历史水平，这样可以激励设备制造部门提高制造水平和 设备可靠性。 ( 4 ) 为确定设备的最佳检修周期，安排检修计划，作为备品备件的供应 提供科学的依据。例如可以利用设备的可靠性指标为设备的大修周期的确定提 供参考。 1 8 机 组 状 卷 在 使 用 停 用 可 用 不 i i 甩 霁糕 磊 用 渗 潮 停 运 椎 计 划 停 运 全出力锯爝 降缎出力备掰 太掺停运 小缍停逗 节日检修和公用系统检修停运 笕l 爽j 瓢r 划停运 - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ 一 第2 类非计划俘运 第3 类嚣计划停运 _ _ - _ _ _ _ - _ _ 一 第4 炎1 1 1 1 1 习l 粹运 第5 类非汁期搏运 图4 1 发电机组的状态划分 强 迫 停 - 趣 】受- 1 1 1 i t 划降 氐出力运行 第2 娄非计划降低出力运行 第3 类非计划降低出力运镗 非计划降 | 蠹出力运纷 】爽：l l E i l 划降低 b 力餐餍 2 类非计划降低出力备耀 骥非计划降繇如力备用 薷计划降低出力各爝 划低力行|#划低力行一一划低力甩=鼙鲻低力用卅洚m迳|瑚计簿出逐一一汁降m舔=葺计降小备 山东大学硕士学位论文 4 3 可靠性评价的要求 ( 1 ) 客观性 ( 2 ) 科学性 ( 3 ) 便于定量计算 4 4 可靠性评价的指标 发电设备可靠性指标主要有：计划停运系数( P O F ) 、非计划停运系数 ( U O F ) 、强迫停运系数( F O F ) 、可用系数( A F ) 、运行系数( S F ) 、机组降低 出力系数( U D F ) 、等效可用系数( E A F ) 、毛容量系数( G C F ) 、利用系数( U T F ) 、 出力系数( O F ) 、强迫停运率( F O R ) 、非计划停运率( U O R ) 、强迫停运发生 率( F O O R ) 、暴露率( E X R ) 、平均计划停运间隔时间( M T T P O ) 、平均非计 划停运间隔时间( M T T U O ) 、平均计划停运小时( M P O D ) 、平均非计划停运 小时( M U O D ) 、平均无故障可用小时( M T B F ) 、启动可靠度( S R ) 、平均启 动间隔时间( M T T S ) 等。各指标的计算公式在规程有详细说明，在此不 再赘述。本课题在介绍“发电厂安全可靠性管理系统“ 时严格按照了各标准计 算公式对可靠性指标进行计算。 4 5 发电系统可靠性的评价方法 可靠性的计算方法经历了统计预测、解析法、基于统计的概率法、基于网 络理论的解析法等螺旋式发展的阶段。 以前主要沿用可靠性统计数据，根据历史数据进行拟合得到经验公式，并 根据这些公式预估得出系统元件可靠性指标，然后套用到新系统中，进行检修 和调度计划。根据元件统计可靠性来预测元件可靠性和系统运行可靠性不能真 实反映电网的系统特性和动态特性，电网规模越大，可靠性计算结果误差越大。 解析法在美国应用较多，主要是事故枚举法，当系统规模较小，只考虑 ( N 1 ) 故障时，事故枚举法效果较好；当系统规模较大，而且要求考虑运行 中的动态复杂因素时，人们开始转向概率模拟法。 蒙特卡罗模拟法是最近发展起来的一个行之有效的评价方法。它比常规的 1 9 山东大学硕士学位论文 解析法更能反映电力系统的实际情形，因此日益受到人们的重视【2 1 - 2 3 】。但蒙特 卡罗方法存在着计算精度与计算时间的矛盾。通过减小方差可以加快蒙特卡罗 模拟的收敛速度，提高仿真效率【2 4 。2 5 】。常用的减小方差的方法有分层抽样法、 重要抽样法、控制变量法和对偶变数法等，其中被认为最有效的是重要抽样方 法【2 6 1 。1 9 8 3 年重要抽样方法首先被应用于结构可靠性分析【2 7 】。此后，人们对 该方法进行了许多改进 2 & 3 1 1 。本课题采用的是一个改进的重要抽样方法，该方 法将分散抽样方法与常规重要抽样的迭代算法相结合，进一步加快蒙特卡罗方 法的收敛速度。对I E E E R T S 3 2 】系统进行的发电可靠性评价结果表明，该方法 在计算速度和精度上相对于常规抽样方法、分散抽样方法和常规重要抽样方法 有显著的提高。 4 5 1 改进的重要抽样方法基本原理 蒙特卡罗方法的计算精度问题口1 , 2 4 , 2 5 , 3 3 ： 用蒙特卡罗法分析电力系统可靠性，分析过程可分为三个步骤：系统状 态抽样；状态估计；可靠性指标统计。 首先对系统内各个元件( 包括机组、母线、线路及负荷水平等) 的状态进 行抽样。对每一状态，都存在相对应的事件概率尸) ，假定F 似) 是电力系统 的状态函数( 可以是电力系统可靠性指标如电力不足概率L O L P 、功率不足期 望值E P N S 等) ，则可靠性指标的均值为 E ( F ) = E F 妒伍) ( 4 1 ) 其中，Q 为状态空间。在实际抽样中，E ( F ) 的值由下式估计得出 会p ) = 上N s 挚巧伍) ( 4 - 2 ) 在( 4 2 ) 式中，N s 为抽样次数。E ( F ) 的误差由其方差决定： 啦( 别= 等 ( 4 - 3 ) 计算精度的方差系数p 作为收敛判据： 山东大学硕士学位论文 口：堑竺堕型：、V ( F ) N s ( 4 - 4 ) p 2 ：一= i 一 E ( j 。)E ( 声) 将( 4 4 ) 式代入( 4 3 ) 式，可得 炉器 5 ， 所以蒙特卡罗方法的计算量几乎不受系统规模或复杂程度的影响，适合处 理包含各种复杂因素的问题。但该方法的计算量与估计精度的平方成反比，一 定精度p 下，减小抽样次数的唯一途径就是减小方差坎乃。 4 5 2 常规重要抽样方法的原理 重要抽样方法是在保持原样本期望值不变的条件下，改变现有样本空间的 概率分布，使其方差减小，达到减小运算时间的目的。 由于E ( F ) = F ( X ) P ) = F ( x ) 尸( x ) 尸( z ) 尸( x ) 】 ( 4 6 ) 令F 。( X ) = F ( X ) P ( X ) P ( x ) ，有 E ( F ) = F 。( x ) 尸+ ( r ) = E ( F 。) ( 4 7 ) 这样，对新的概率分布尸+ ( X ) 进行抽样，计算F 的估计值E ( F ) ，也就 得到了E p ) 。如果选择的新分布尸( x ) 能够突出“重要事件( 即引起系统失 效的事件) ，则能够证明F 的方差将小于F 的方差。新分布P ( X ) 又称为重要 分布函数，上述方法称为重要抽样方法。显然，实现重要抽样方法的关键在于 构造重要分布函数，对可靠性指标影响比较大的区域多采样，影响较小的区域 少采样，最大程度地减小方差。本课题采用迭代法搜索重要分布函数。 理论上，重要抽样的方差为 y ( F ) = ( 篙一E ( ，) ) 2 P ( x ) ( 4 8 ) 如果 ，尸( x ) ：! ! 攀：声( V ) - - - m 尸( x ) ( 4 9 ) 、7 E ( F ) 、7 则V ( F ) = 0 ，即只需一次抽样即可得到E ( F ) 的估计值，称芦( X ) 为最优 分布。这里，m 是新分布函数与原分布函数下抽取系统状态随机变量X = x 的 2 l 山东大学硕士学位论文 概率的比值。 实际计算中，由于E p ) 是所求量，不可能预先得到其精确值，故声( x ) 亦 无法得到，只能通过其近似值来抽样，因此确定P ( x ) 是实现重要抽样的关键 问题。 定义系统元件的分布函数为： 职置训= 仁l 葛鬈 沁埘 其中，力是相应元件的强迫停运率。 由P ( X ) = r a P ( X ) ，有 F + ( X ) = F 枣( X ) m ( 4 1 1 ) 其中： m = 驰谢m ，喾等， 阻 墨= 0 时，第f 个元件停运，上式第一项有效；x 。= 1 时，第i 个元件运行， 上式第二项有效。考察系统所有元件的状态，利用上式计算得到m 的值，代入 ( 4 1 1 ) 式得到新的指示函数值，多次抽样后，统计其均值，即可得解。 以上运算过程中，最优乘子k 的选取是一个研究热点问题 2 8 , 2 9 , 3 4 】，考虑到 电力系统的实际情况，本课题采用下式计算k 值，搜索重要分布函数： 尼：一旦! 星二丝竺( 4 _ 1 3 ) 其中 I 么= 风力广一( 1 一P o ) f o ，( 1 一f o ，) B = 一风f o ， ( 4 1 4 ) IC = 成 以及 卜志 I 万= ( 力1 ) 这里，成是对系统抽样时，系统中停运元件数与系统总元件数的比值，户， 是以机组容量为权重的系统元件强迫停运率的加权均值。 山东大学硕士学位论文 作重要抽样法模拟，首先设定后的初值或进行小样本预抽样确定七值，对 系统作一定次数的抽样计算( 如5 0 0 0 次) ，修正尼值，继续迭代，直到方差系 数满足计算精度要求为止。为了进一步减小方差，提高收敛速度，本课题在利 用重要抽样法的基础上，有机结合了分散抽样的方法，进一步减小方差 2 1 , 2 4 , 2 5 , 2 6 3 0 l 。 4 5 3 分散抽样方法的原理 对于电力系统，系统元件的强迫停运率加，一般较小，对其状态进行随机 抽样时，很容易出现截尾现象，导致较大误差。如果要保证计算精度，必须加 大计算量。在这种背景下，应用分散抽样技术可以有效克服截尾现象，提高抽 样精度和效率。 把 O ，1 区间依照系统元件的最大强迫停运率分成h ( 本课题取办= 2 ) 等分 段，h 满足1 h m a x ，如，无) ， ，旯：，以为系统元件的强迫停运率。取 o ，1 区间上均匀分布的随机数R ，判断每一个分区间I 竿，鲁I 内元件f 的状态。 若竿R 等协贝| J 在对应第尼段分区间l 等，小，元件沩故障状 力，2门甩I 态，否则为正常工作。产生挖个随机数，则在各个分区间均得到一个系统状态 实验函数，取系统每次抽样时各个分区间的状态实验函数的平均值作为系统的 状态实验函数 3 5 , 3 6 1 。 分散抽样法可以促使故障状态更多的出现，从而提高抽样效率，得到较高 的模拟精度。 4 5 4 改进的重要抽样方法 基于分散抽样法的原理和特点，我们将重要抽样方法和分散抽样法相结 合，应用重要抽样方法改变系统状态的分布，在“重要区域”抽取系统状态随 机数，实现“重要抽样“ ，同时对抽取的每一组系统状态随机数再运用分散抽 山东大学硕士学位论文 样的思想，在多个区间上判断其代表的系统状态，求取相应系统可靠性指标的 均值，从而提高了随机数的利用效率，最终实现减小方差的目的。试验仿真表 明，把 0 ，1 】区间分为2 4 个子区间即可有效的提高抽样效率，为了保证计算 的精度，子区间的个数不宜划分太多【3 6 】。 通过设定或小样本抽样预估计得到最优乘子k 的初值后，即可开始迭代运 算，对k 值修正。每次的迭代运算都由特定次数( 本课题采用5 0 0 0 次) 的系 统状态抽样及可靠性指标运算构成。在进行系统抽样过程中，结合分散抽样技 术，将一次的抽样数据分成特定个数区间( 本课题取2 ) 上的不同状态进行分 析计算，不但可将抽样效率提高数倍，同时还可促使k 值尽快收敛至最优值附 近，实际上减少了迭代次数。由于每次迭代对应大量的抽样运算，所以可在常 规抽样法的基础上进一步减小计算方差，大大降低工作量，这在分析大型电力 系统可靠性指标的场合下有非常重要的意义。 实验仿真证明，该算法进一步改善了重要抽样技巧，在保证精度的前提下， 比单纯的重要抽样方法或单纯的分散抽样方法更能有效减小抽样方差。算法的 程序流程