直流输电系统可靠性研究的新进展.doc

直流输电系统可靠性研究的新进展摘要：运用在高压直流电输电系统的可靠性评估模型有频率-持续时间法（FD）串并联网络分析法、故障树法、Monte Carlo-FD 混合法、FAT 和FD 混合法等，各自有优点和缺点，并比较频率-持续时间法和故障树法比较分析，今后的发展方向。关键词 高压直流电输电系统 可靠性评估法 FD和故障树比较 引言 要了解高压直流输电系统可靠性评估，首先要知道衡量可靠性的指标，可靠性指标有可用率，不可用率，停运时间高压直流输电系统的可靠性评估模型的发展开始于六十年代末，首先由R.Billinton发表提出，并随后利用了Markov模型派生出FD法。故障树法(FTA)是一种使用图形演绎逻辑推理方法来分析、判断系统的可靠性的重要方法在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素进行分析。通过故障树分析法来确定故文献3 针对双极高压直流输电的结构和特点，提出了故障树分析法和频率和持续时间法相结合的混合法。针对直流输电系统的结构特点，文献4认为直流系统的容量模型可表示为各子系统容量模型的串并联组合，因此只要知道了容量模型串并联组合的方法，就容易求得直流系统的容量模型。分析交直流网络系统可靠性评估计算条件的基础上，考虑到网络的实际运行情况，文献2提出了Monte Carlo-FD 混合法。其主要思想如下：(1) 用FD 法确定系统可靠性等效模型，包括HVDC 系统、主接线元件和网络系统的等效模型。最后对FD法和故障树法进行了比较。1 高压直流输电系统可靠性指标体系高压直流输电系统的可靠性指标主要从输送能力的角度来定义和刻画。根据国际大电网会议的建议以及我国直流输电系统可靠性统计评价办法（暂行）规定，在可靠性评估中主要用到的可靠性指，能量可用率及不可用率，系统期望输送容量等。标如下：(1) 有效度，或称可用率A（Availability）A=(1- TEOT8 760 )100 %式中总等值停运时间而是一年中第i 次停运的等值停运时间，它是实际停运时间Ti按停运容量在系统额定容量中所占比例进行折算后的数值，即：EOTi=Ti(1-停运期间可用容量系统额定容量)(2) 无效度，或称不可用率U（Unavailability）U=100 %-A(3) 能量可用率EA（Energy availability）EA= E(全年能够输出的电能）（8 760系统额定容量100 %），能量可用率EA 指直流系统可用容量运行时间的百分值，是对系统最大输送能力的反映，是系统可靠性的基本度量之一。(4) 能量不可用率EU（Energy unavailability）EU=TEOT/研究的时段(5) 系统期望输送容量EC（Expected capacity）式中Ci、Pi分别表示第i 个状态的输送容量和稳态概率。此外,双极HVDC系统也常用处于可用容量状态的概率P、频率F、平均持续时间D 作为其基本可靠性指标。除了上述稳态指标之外, C IGRE还规定了“暂态可靠性指标”,其目的是为了评价在交流系统遭受扰动期间HVDC系统的运行性能。2 可靠性评估方法目前可HVDC系统的可靠性评估方法有频率-持续时间法（FD）、串并联网络分析法、故障树法、Monte Carlo-FD 混合法、FAT 和FD 混合法等，它们有各自的有点和适用的地方。2.1 频率-持续时间法（FD） 解析法是最早应用于HVDC系统的可靠性评估方法。1968年B illinton利用概率分布法对HCDC系统的可靠性进行评估1,他的缺点是不能表现出状态间随机转移的情况，这样计算出来的结果就有误差。优点在于操作起来简单，灵活、方便。 当Markov模型引入了HVDC电力系统可靠性评估时，B illinton等人又提出了FD法。FD是Markov法的派生。FD 法评估的主要可靠性指标有系统可用输送容量处于各种状态的概率、频率及平均持续时间等。通过计算这些指标，可以更深刻地反映高压直流输电系统可靠性的特点。其计算步骤主要如下：(1) 定义系统的范围和系统每一种状态的具体含义。(2) 建立系统的状态空间图，并填入状态之间的转移率。(3) 由状态空间图写出转移率矩阵从而得到线性方程组。(4) 解线性方程组式求得各状态或累积状态的频率、平均持续时间。由于直流输电系统本身较复杂,状态空间维数较多,虽然可以通过建立直流输电系统各子系统及整个系统的等效模型来降低维数,但状态空间图的绘制仍然较为繁琐并且很容易出错,通用性也有待进一步提高。2.2 故障树评估方法故障树法(FTA)是一种使用图形演绎逻辑推理方法来分析、判断系统的可靠性的重要方法在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素进行分析，建造故障树，从而确定系统失效原因的各种可能组合方式及其发生概率,以事先预测系统失效概率，并采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性、安全性。文献2介绍了故障树分析的基本概念、建模方式、计算步骤及其在电力系统可靠性研究中的应用。针对某双母线输变电工程系统含旁路母线及取消旁母的两种不同方案,使用故障树分析的方法,采用图形有层次地分别描述系统在失效的进程中,各种中间事件的相互关系,比较直观地得到系统的可靠性指标,为系统的选优提供了理论基础。2.3 FAT-FD 混合法通过故障树分析法来确定故文献3 针对双极高压直流输电的结构和特点，提出了故障树分析法和频率和持续时间法相结合的混合法，首先采用故障树分析法，将直流故障结果分为单极、双极和降容量状态，然后应用频率和持续时间法计算出直流输电系统的多状态模型。其计算步骤如下：(1) 直流系统的实际运行情况，将故障结果分为3 类：双极运行、单极运行、容量降低。(2) 应用故障树分析法，根据直流输电系统的逻辑拓扑关系进行拓扑分析，可以得出每个故障状态所导致的故障结果，从而可以将所有的故障状态按故障结果进行分类。(3) 应用频率和持续时间法，计算每个故障状态的概率、频率和持续时间。(4) 将相同故障结果的故障状态进行合并，并计算出每种故障结果下的相应可靠性指标。障事件的容量状态，为相同容量状态的故障事件进行归并创造条件，同时应用频率和持续时间法来计算相应可靠性指标。因此应用该方法容易对故障事件的容量状态进行归并计算相应可靠性指标，同时该方法考虑了交流滤波器引起的直流输电系统降容量状态，更加符合实际运行情况，但是由于直流输电系统结构复杂，因此使用该方法建立故障树是一项十分繁琐的工作，同时计算有误差。2.4 串并联网络分析法针对直流输电系统的结构特点，文献4认为直流系统的容量模型可表示为各子系统容量模型的串并联组合，因此只要知道了容量模型串并联组合的方法，就容易求得直流系统的容量模型。基于上述思想，该文献提出了直流输电系统串并联网络分析法，其主要内容如下：首先根据累计概率和累计频率的思想建立了直流系统可靠性评估的多状态容量模型，并推导了容量模型的串并联组合数学模型；然后根据直流输电系统的结构特点和运行方式，确定直流输电系统的可靠性结构框图；最后基于直流输电系统的可靠性结构框图，采用该文献建立的串并联数学模型，最终可以建立整个直流输电系统的容量模型，并计算相应可靠性指标。文献5基于文献4所采用的方法对多馈入直流系统的充裕度进行了评估。文中将多馈入直流系统分为多个单馈入直流系统并以并联的形式连接，将直流输电系统分为阀组、极、双极3 个子系统，该输电系统容量模型与发电系统容量模型串联组成直流系统容量模型。根据以上结构建立了整个多馈入直流系统的容量模型，并在此基础上求解了系统的充裕度指标。串并联网络分析法推导了直流输电系统容量模型的串并联组合公式，不用建立状态空间，将问题的求解公式化，准确而简单。但是模型相对简单，没有考虑备用，以及交流滤波器引起的降容量运行状态，因此有一定的局限性。3.5 Monte Carlo-FD 混合法在分析交直流网络系统可靠性评估计算条件的基础上，考虑到网络的实际运行情况，文献2提出了Monte Carlo-FD 混合法。其主要思想如下：(1) 用FD 法确定系统可靠性等效模型，包括HVDC 系统、主接线元件和网络系统的等效模型。(2) 状态转移过程中Monte Carlo 法与FD 法的结合，就是对状态转移过程的随机模拟中，用FD法解析地计算确定性事件(如计划检修)和随机事件(如元件故障)发生后状态的期望持续时间，以期望持续时间代替持续时间的采样值，进而降低统计量的方差，提高模拟效率。(3) 交直流网络系统的可靠性模拟，包括计划检修的模拟以及元件N-1 和N-2 故障的模拟。(4) 网络系统的状态分析，在可靠性评估中，每模拟到一个状态，都要对系统进行状态分析，根据分析结果来计算系统可靠性指标。Monte Carlo -FD 混合法， 采用FD 法确定HVDC 系统和主接线元件的等效模型，然后将此等效模型并入交流网络进行模拟， 同时用MonteCarlo 法随机模拟系统状态转移过程中， 为提高模拟效率用FD 法解析地确定状态的平均持续时间。因此该方法协调了精度、迅速收敛性和实际运算条件等方面的要求。但是该方法目前应用于交直流网络系统，对于直流系统采用FD 法进行等效，因此在采用FD 法对直流系统等效时， 同样有绘制整个系统的状态空间图比较烦琐，不具有通用性的局限性。3 FD法和故障树法的比较由于高压直流输电系统传输容量大、元件多、结构复杂、故障率高且运算条件复杂,将使故障树分析法的计算量变得十分巨大,由于不能考虑系统在各种状态之间的随机转移情况以及由此而引起的影响,因此,计算结果必然会带来误差。同时,使用该方法建立故障树是一项十分繁琐的工作。此外,该方法的实现对图形化、微机化等计算机软件方面有较高的要求,必然加大了算法实现的难度和经济成本,不及FD法来得有效方便。对FD法而言,由于直流输电系统本身较复杂,状态空间维数较多,虽然可以通过建立直流输电系统各子系统及整个系统的等效模型来降低维数,但状态空间图的绘制仍然较为繁琐并且很容易出错,通用性也有待进一步提高。因此,可以看出这2 种方法都存在各自的优缺点,如何找到一种可靠有效的计算方法也是当前高压直流输电系统可靠性评估方法研究的重点。4 HVDC系统可靠性评估分析今后的发展 应该加强运算速度和应用一些高速计算机以及计算时收敛，对于可靠性的指标尚未有一致的定义。于HVDC系统运行中的一些可靠性问题,包括计划检修期内的风险度评估及系统设备运行状态的在线监视及在线维护等方面也越来越引起人们的注意 。 参考文献： 1 Billinton R, SachdevMS. Direct current transmission systemreliability evaluation J . Trans. CEA, 1968, 7 ( 3) : 68-SP-170. 2