电力系统可靠性评估.ppt

第六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）,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,国外：20世纪50年代，可靠性概念开始用于工业；1968年美国电力可靠性协会（NationalElectricReliabilityCouncil,NERC）成立；1981年加上加拿大和墨西哥，北美电力可靠性协会（NERC）成立；1997、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）；西欧和俄罗斯也相继制定各自标准。国内：1981年中国水利电力部颁布电力系统安全稳定导则；1983年成立中国电机工程学会可靠性专业委员会；1996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,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,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。,评估手段主要有4种：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）建立可靠性信息管理系统建立重大事故监测装置区间分析,3)故障准则及故障严重性评估,故障认定准则一旦发生下列情况，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。,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。,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。,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,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。,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：,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。,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。,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。,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：选择一个系统状态；分析系统状态，判断其是否是失效状态；计算失效状态的风险指标；修改累计指标。,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。,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。,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。,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,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,1)基本步骤,发输电系统风险评估主要包括四个方面：确定元件失效模型和负荷模型；选择系统状态；识别并分析系统问题；进行可靠性指标计算。方法：状态枚举和蒙特卡罗仿真,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；,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。使用单一负荷曲线；某些母线上的负荷可能在全部研究时间内保持恒定；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；,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。,基于交流潮流的灵敏度法,研究一个输电系统中线路ij停运情况，假设ij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ij的停运等效。可以证明，线路ij的潮流和停运前状态的外加注入功率存在以下关系：,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ij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ij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）,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。,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。,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,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。,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。,6）状态枚举法,主要步骤如下：建立多级水平负荷模型，对每一级负荷水平进行枚举；利用枚举技术选择系统状态；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。,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。,7）状态抽样法非序贯蒙特卡罗仿真,状态抽样法常常用于发输电系统风险评估，尤其是适用于研究复杂运行措施和模拟负荷不确定性和相关性，或研究气候影响等特殊要求的情况。主要步骤如下：建立多级水平负荷模型，对每一级负荷水平进行枚举；利用蒙特卡罗模拟选择系统状态；利用正态分布随机变量以计及母线负荷的不确定性；元件状态（运行、停运或降额）利用均匀分布随机变量来模拟；进行预想故障分析，如果必要则还要进行最优潮流分析，以估计所选择状态需要削减的负荷量；,状态抽样法非序贯蒙特卡罗仿真（续）,主要风险指标计算公式负荷削减概率PLC是抽样中状态s的发生数；是抽样总数。期望缺电电量EENS期望负荷削减频率EELC负荷削减平均持续时间ADLC,6.3.4算例分析状态枚举法例子,例（输电系统可靠性分析）：系统接线图如下图所示，各母线节点的发电、负荷数据和输电线路数据如表。,发电和负荷母线数据,输电线路数据,确定导致系统故障的事件,系统停运数据及状态概率、状态频率,算例分析状态枚举法例子计算结果(续1),确定性可靠性指标发电利用系数输电储备系数最小负荷供应能力MW最大电力不足MW最大电量不足kWh,概率性可靠性指标电力不足概率（LOLP）电力不足频率（FLOL）电量不足期望值（EENS）单位负荷缺电率（BPII）单位负荷电量不足率（BPECI）,算例分析状态枚举法例子计算结果(续2),6.3.4算例分析状态抽样法算例,IEEE-RTS年度化指标蒙特卡罗法和状态枚举法计算结果比较,IEEE-RTS79、IEEE-RTS96和TH-RTS2000介绍,IEEE-RTS79和IEEE-RTS96是美国电气电子工程师学会（IEEE）公布的两个发输电测试系统。TH-RTS2000是清华大学为了在国内建立起完整的电力系统可靠性研究和应用体系，而于2000年建立的系统。,3.1IEEE-RTS79、IEEE-RTS96和TH-RTS2000介绍,6.4配电系统可靠性评估6.4.1概述,配电系统主要指10110kV网络。配电网的一些特点：配电系统是由许多特有的元件所组成，例如，架空裸线、架空电缆、地理电缆、断路器、空气开关、熔断器、变压器、调压器等；根据现有设计标准，配电系统为冗余系统，即任一元件的故障均可采用手动或自动的切换方式使用户不致长期断电。由于配电系统的结构往往比较复杂，为了运行方便，一般采用环形网络开环运行（形成辐射型）,概述,配电系统可靠性是指供电点到用户，包括变电所、高低压线路及接户线在内的整个配电系统及设备按可接受标准及期望数量满足用户电力及电能量需求能力的度量。配电系统可靠性主要评估充裕度，它通过可靠性指标来体现。对用户而言，任何一个用户均希望对它能充分保证供电，不受到停电的影响，因此他们感兴趣的可靠性指标显然是服务质量；对供电部门而言，感兴趣的指标是对系统所有用户的平均服务质量或最差供电指标。,6.4.2配电系统可靠性指标,以一个例子引出各指标。设某一配电系统从六段母线引出六条主馈电线，共有55000个用户。每条馈电线的用户数见表1，统计到某年的用户停电数据见表2，由表2推算出的系统停运数据见表3。,表1配电系统数据,表格2用户停电数据,表格3系统停运数据,配电系统可靠性指标计算,1、系统平均停电频率指标每个由系统供电的用户在每单位时间内的平均停电次数2、用户平均停电频率指标每个受停电影响的用户在每单位时间里经受的平均停电次数。3、系统平均停电持续时间指标每个由系统供电的用户在一年内经受的平均停电持续时间。,4、用户平均停电持续时间指标一年中被停电的用户经受的平均停电持续时间。5、平均供电可用率指标一年中经受的不停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。6、平均供电不可用率指标一年中用户的积累停电小时总数与用户要求的总供电小时数之比。或,6.4.3配电系统可靠性分析算例1)基本公式,平均故障率、平均停运时间和平均年停运时间的计算公式：,2)算例,设简单的辐射型系统如图所示，假设线路A、B和C的故障率和维修时间如表1所示。,图2简单的三负荷点辐射型系统,表1元件数据,表2负荷数据,表格3负荷点可靠性指标,表格2负荷数据,6.4.4各种影响因素分析,算例及计算结果分支线保护的影响隔离开关的影响保护系统故障的影响转移负荷的影响（转移不受限制）,1.算例及计算结果,算例系统接线图,系统可靠性参数,系统的用户和负荷,可靠性指标：断电次数/用户年；小时/用户年；小时/用户；千度/年，度/用户年；,计算结果,2.分支线保护的影响,在每条分支线的T接点加装熔断器。这时，分支线短路使相应的熔丝烧断，这将会在故障清除前使这一负荷点开断，但不影响即不会导致其他任何负荷点开断。在这种情况下，所有负荷点的可靠性指标都得到了改善，尽管对每个负荷点改善的程度是不同的。最不可靠的负荷点是B，这是因为故障主要影响该分支线。系统可靠性指标为：断电次数/用户年；小时/用户年；小时/用户；千度/年，度/用户年；,分支线保护的影响,3.隔离开关的影响,沿主馈电线在某些敏感的点装设隔离开关即隔离器。通常，这些不是切断故障的开关，从而馈电线上的任何短路都将引起主断路器动作。然而，在监测到故障以后，可以开断开关的隔离开关并重合断路器。这个办法能使在电源点和隔离点之间的所有负荷点在清除故障的过程完成之前就恢复供电。布置隔离点的系统如图4所示，并