高压直流输电可靠性评估综述

1、高压直流输电可靠性评估综述摘要：随着高压直流输电技术的不断发展，实际工程的日益增多，以及交直流联合电力系统的出现，高压直流输电系统的可靠性已成为影响整个电力系统可靠性的重要因素，因此，迫切需要评估高压直流输电系统的可靠性以及分析各种影响因素。本文主要介绍了目前主流的高压直流输电系统的可靠性评估方法。通过介绍每种方法原理，对比每种方法的优缺点，提出对未来高压直流输电可靠性评估方法的认识。关键词：高压直流输电，FD方法，故障树法，GO法，混合法1 引言电力系统的根本任务是为用户提供优质经济安全可靠的电能。直流输电具有送电距离远、送电容量大、控制灵活等特点，在我国电网的发展中将占有非常重要的位置。随

2、着高压直流技术的发展和工程实例的增多，高压直流输电系统的可靠性已成为影响整个电力系统可靠性发展的重要因素。由于高压直流输电技术主要运用于远距离大功率输电、大区联网和系统间非同步联络以及地下或海底电缆输电等特殊场合，这就对高压直流系统的可靠性提出了很高的要求，而其可靠性的改善也将给整个电力系统的安全、可靠和经济运行带来巨大的效益。因此，评估高压直流输电系统的可靠性以及分析各种影响因素，并提出相应的对策，是一项十分重要的工作 吴韬.高压直流输电系统可靠性最优分解模型和算法及最优备用分析M.重庆：重庆大学，2004.。我国对高压直流输电系统可靠性的研究开始于80年代初，研究工作针对葛洲坝可靠性指标、

3、计算参数以及可靠性综合分析和决策等开展了较系统的理论研究。虽然我国在这方面的研究起步较晚，但经过科研人员的努力，已取得丰硕的成果。目前高压直流输电系统可靠性评估中使用到的主要方法有故障树法（FTA法）、频率持续时间法（FD法）、故障树法和频率持续时间法相混合的方法等。2 高压直流输电系统简介2.1 高压直流输电系统的典型结构在高压直流输电系统中，为了完成将交流电变换为直流电或者将直流电变换为交流电的转换，并达到电力系统对安全稳定及电能质量的要求，换流站中应包括的主要设备或设施有：换流阀、换流变压器、平波电抗器、交流开关设备、交流滤波器及无功补偿装置、直流开关设备、直流滤波器、控制与保护装置以及

4、远程通信系统等。图1给出了高压直流换流站典型的结构图1。图1 换流站典型构成图2.2 高压直流输电系统接线与运行方式文献1介绍，国内外高压直流输电系统一般采用双极双桥12脉波的接线方式。双极接线采用两根直流导线，一正一负，如一极故障，另一极可通过大地运行，承担一半的额定负荷。换流器接线采用双换流桥在直流侧相串而在交流侧相并，构成12脉动换流阀的接线方式。由于每极采用12脉动换流阀组个数有所不同，双极双桥12脉动换流阀的典型接线方式可分为单12脉接线和双12脉接线。直流输电换流站由基本换流单元组成，基本换流单元有6脉动换流单元和12脉动换流单元，而现代高压直流输电工程均采用12脉动换流单元。高压

5、直流输电系统可供选择的换流站接线方式有以下三种：1）单12脉接线，每极一组12脉动换流器；2）双12脉串联接线，每极两组12脉动换流器串联；3）双12脉并联接线，每极两组12脉动换流器并联。 单12脉接线每极一组12脉动换流器接线结构最简单，换流站设备数量最少、造价低、损耗小，是理想的接线方式。但其单台设备的容量大，制造难度大，运输也困难。单12脉接线每极仅有一个12脉动换流阀组，且由于单12脉直流换流站系统不允许出现单极6脉波的运行方式，所以任一单桥换流器故障均可导致单极停运。双极双桥单12脉直流输电系统可包括以下3种运行方式：1）双极，输电功率为100容量；2）单极，输电功率为50容量；3

6、）0极，输电功率为0容量。 双12脉串联接线每极两组12脉动换流器串联接线方式，换流器和换流变压器的数量将增加一倍，但其单台容量将降低一半，有利于设备的制造和运输。由于12脉动换流器作为基本换流单元可以独立运行，对于这种接线方式，还可按12脉动阀组分期进行建设，即按单极低压1/4容量双极低压2/4容量双极不对称高低压3/4容量双极高压4/4容量建设。由于双12脉接线每极有两组12脉动换流阀组，通过换流器两端多个开关的切换，可以在每极任一12脉动换流阀组故障的情况下，只停运一组12脉动阀组（占额定容量的1/4）。这对两端的交流系统的冲击和影响也较小。由于设备数量增多，换流站造价也将增加。对于这种

7、接线方式，可包括以下6种运行方式：1）双极，两极完全运行，输电功率为 100容量2）双极，一极完全运行，一极部分运行，输电功率为75容量3）双极，两极都部分运行，输电功率为50容量4）单极，一极停运，一极完全运行，以大地为回路或以另一级直流输电线作为回路，输电功率为50容量5）单极，一极停运，一极部分运行，以大地为回路或以另一级直流输电线作为回路，输电功率为25容量6）0极，两极停运，输电功率为0容量 双12脉并联接线每极两组12脉动换流器并联接线方式，换流器和换流变压器的数量以及单台设备容量与串联方式相同。其特点是设备的电压高、电流小。但相对串联方式需要在一开始就制造出高压的换流设备，其换流

8、站造价比串联方式高。同串联方式一样，并联接线方式每极同样有两组12脉动换流阀组，通过换流器两端多个开关的切换，可以在每极任一12脉动换流阀组故障的情况下，只停运一组12脉动阀组（占额定容量的1/4）。对于并联接线方式，也可6种运行方式，其运行方式与串联接线方式完全一样。2.3高压直流系统可靠性指标1）能量可用率EA（Energy Availability)在给定时间区间内直流输电系统能够输送能量的能力。即：(1)注：降额运行等效停运小时为按额定输送容量为基准折算的停运小时。2）能量不可用率EU（Energy unavailability）给定时间区间内由于计划停运、非计划停运或降额运行造成的直

9、流输电系统的输送能量能力的降低。即 (2)3）系统期望输送容量EC（Expected Capacity） (3)P分别表示第i个状态的输送容量和稳态概率。4）能量利用率（Energy Utilization）给定时间区间内直流输电系统实际输送能量的能力。即 (4)5）单极计划停运次数MPOT（Monopole Planned Outage Times）在规定时间区间内，直流输电系统发生单极计划停运的次数。6）双极计划停运次数 BPOT（Bipole Planned Outage Times）在规定时间区间内，直流输电系统发生双极计划停运的次数。7）单极强迫停运次数 MFOT（Monopole

10、Forced Outage Times）在规定时间区间内，直流输电系统发生单极强迫停运的次数。8）双极强迫停运次数 BFOT（Bipole Forced Outage Times）在规定时间区间内，直流输电系统发生双极强迫停运的次数。根据特高压直流输电接线特点，本研究报告中增加了阀组的可靠性指标，这里的阀组是指一个12脉动换流器单元，用于将交流功率转换成直流功率或相反。9）阀组强迫停运次数VFOT（Volve-group Forced Outage Times）在规定时间区间内，发生阀组强迫停运的次数。10）部分单极停运率(Partial Monopole Outage Times)在规定时间

11、区间内，高压直流输电系统发生单极部分停运的次数。11）部分双极停运率(Partial Bipole Outage Times)在规定时间区间内，高压直流输电系统发生双极部分停运的次数。结合特高压直流输电系统双12脉接线特点，对高压直流输电系统的停运进行分类，包括：双极停运、部分双极停运、单极停运、部分单极停运和正常运行等5种类型，基于这些分类进一步提出了前述指标10和11。3 各种高压直流输电可靠性评估原理目前针对高压直流输电系统比较常用的评估方法有：FD法、故障树法、GO法、混合法和故障枚举法。以下对每种方法原理进行阐述。3.1 FD法FD法着眼于建立系统各子系统的状态空间图并获得相应的等效

12、模型,通过组合各等效模型进而建立整个高压直流输电系统的状态空间图。在建立状态空间图及对各子系统等效模型进行组合的过程中,可以考虑实际高压直流输电系统复杂的技术条件 钟胜.与超高压输电线路加串补装置有关的系统问题及其解决方案J.电网技术,2004,28(6):26-29.、 赵贺.电力电子学在电力系统中的应用灵活交流输电系统M.北京:中国电力出版社,2001.、 何大愚.柔性交流输电的定义,机遇及局限性J.电网技术,1996,(20):18-24.、5 谢开贵，夏天，胡博，曹侃.FD法和故障树法在高压直流输电系统可靠性评估中的比较分析J.四川电力技术.2009，32(5):1-4.。3.1.1

13、FD法数学模型图2 单侧两极换流桥等效模型文献2针对上图2状态空间图写出转移率矩阵A，从而得到线性方程组。 （5）式(5)中，表示在稳态运行下组合系统处于状态i的概率。显然,有线性方程组(5)可求出每个状态的概率。由式(6)和式(7)计算各状态或累积状态的频率、平均持续时间。 （6）式(6)中,1由某几个具有相同容量水平的单独状态所组成的某个累积状态；1指单位时间从累积状态1外转移频率；ij为状态i到状态j的转移频率；aij为转移率矩阵A中相应的元素。累积状态1均持续时间T1为 （7）至此利用FD法,得到了高压直流输电系统各容量状态下的稳态概率、频率和平均持续时间,下面计算系统可靠性指标。总等

14、值停运时间TEOT为 （8）式(8)中的EOT为各容量状态的等值停运时间。能量不可用率EU为 (9)其他可靠性指标包括单极强迫停运次数MUOT和双极强迫停运次数BUOT等。3.1.2 FD法求解步骤FD法评估高压直流输电系统可靠性就是要求出系统处于3种容量状态（即100%、50%、0%容量状态）的稳态概率、频率和平均持续时间、TEOT、EA、EC等可靠性指标，并进行分析。求解步骤有 黄凤萍，张尧.高压直流输电系统可靠性评估的FD法C. 中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十四届学术年会论文集，北京，2008.：1）将整个高压直流输电系统划分为6个子系统。2）考虑不同备用情况，建立每一个子系统

15、的状态空间图，将每个子系统相同容量水平的各个状态合并为一个状态，建立相应的等效模型，将等效模型中各状态之间的等效转移率求出。3）将各子系统的等效模型按照一定的关系逐次组合，得到相应的等效模型，同时将等效模型中各状态之间的等效转移率求出，组合结果得到整个高压直流输电系统的状态空间图，求出其等效模型及各状态之间的等效转移率。4）求解整个高压直流输电系统的等效模型，求出可靠性指标。5）设计方案评估、备用策略研究等可靠性综合分析。6）参数灵敏度分析，找出系统薄弱环节。7）规划、运行、设备管理等增强性措施分析。3.2 故障树法故障树分析法是一种使用图形演绎逻辑推理的方法，用图说明系统的失效原因，将系统的

16、故障与组成系统各部件的故障有机地联系在一起，以找出系统全部可能的失效状态，即故障树的全部最小割集，或者称它们是系统的故障谱2。3.2.1故障树概念根据文献 周家启，陆炜君，谢开贵，等.高压直流输电系统可靠性灵敏度分析模型J.电网技术.2007,31(19):18-23.，用故障树法进行高压直流输电系统可靠性计算的关键之处是在准确掌握各元件可靠性关联关系的基础上，对系统不同运行容量建立正确的故障树模型。故障树的构造过程，是寻找系统故障和导致系统故障的诸因素之间逻辑关系的过程，并且用故障树的图形符号(事件符号与逻辑符号)，抽象表示实际系统故障组合和传递的逻辑关系。完整的故障树由一些底事件通过逻辑门

17、连接到一个或多个顶端事件(选定的系统故障状态称为顶事件)。根据直流输电系统各元件间故障的逻辑关系，建立各子系统的故障树图，从底事件开始层层组合最终得到整个高压直流输电系统可靠性指标 Xing.KKusic.G.L，Damping subsynchronousresonance by phase shifters，IEEE Tran.on Energy Conversion，1989，4(3)：344 350.。3.2.2 故障树法数学模型进行计算时，假设如下：在进行故障定量计算时，一般要作以下几个假设5、 李岩松.基于同意潮流控制器的阻尼次同步谐振的研究M.北京:华北电力大学,2000.：1）

18、底事件之间相互独立；2）底事件和顶事件只考虑2种状态，即正常或故障2种状态；3）采用最小割集求顶事件发生的概率。设故障树有k个最小割集Ki(1ik) 故障树的结构函数表示为 （10）其中，每个最小割集Ki(1ik)是底事件xj(1jn，n为底事件数目)的积事件。一般情况下，最小割集彼此相交,根据相容事件的概率计算公式，顶事件发生概率为P(T)(系统不可靠度为FS)为： （11）3.2.3 故障树法求解步骤根据所给底事件的故障率、修复时间等参数，计算各顶事件的相关可靠性指标，步骤如下：1)定义系统故障，确定系统故障事件，即顶事件。2）分析高压直流输电系统各元件或子系统间的可靠性联接关系，生成系统

19、各运行容量等级的故障树。3）进行定性与定量分析，即输入故障树结构和底事件参数，计算系统可靠性指标。3.3 GO法成功流 Matsuoka T,Kobayashi M.The incorporation of common cause failures into the GO-FLOW methodologyCProceedings of the Probabilistic Safety Assessment International Topical Meeting.Orlando,Florida ,USA:s.n.,1993:811-817.、 Matsuoka T，Kobayashi M.

20、Development of the GO-FLOW reliability analysis met hodology for nuclear reactorsystemsCInternational Conference on Probabilistic Safety Assessment Methodologyand Applications.Seoul,Korea:s.n.,1995:593-598.(goal oriented，GO)法是一种以成功为导向的系统概率分析技术，其基本思想是把系统图或工程图直接翻译成GO图。GO图中用操作符代表具体的部件(或逻辑关系)，用信号流连接操作符，

21、代表具体的物流(或逻辑上的进程)。GO法系统可靠性分析的具体流程如图3所示 王超，张雪松，徐政，等.基于GO法的特高压直流输电可靠性研究J.浙江大学学报(工版).2009,43(1):159-165.。图3 GO法分析可靠性流程GO法的核心步骤是建立GO图和进行GO运算，而GO图和GO运算的两大要素是操作符和信号流。系统中的元部件或子系统统称为单元，GO法中用操作符代表单元功能和单元输入、输出信号之间的逻辑关系。信号流表示系统单元的输入和输出以及单元之间的关联，信号流连接GO操作符生成GO图。信号流的属性是状态值和状态概率。操作符的属性有类型、数据和运算规则，类型(Type)是操作符的主要属性

22、，反映操作符所代表的单元功能和特征。利用GO图和GO操作符的运算规则可以实现系统可靠性分析的多种功能 沈祖培，黄祥瑞.GO法原理及应用M.北京:清华大学出版社，2004.。GO法的定量计算方法主要有状态组合算法和概率公式算法，前者需要计算每一种状态组合的联合概率，计算过程比较繁琐；后者则利用操作符的状态概率公式来计算，避免了繁琐的状态组合，大大简化了GO法的计算过程。3.4 混合法文献 王遂，任震，蒋金良.混合法在高压直流输电系统可靠性评估中的应用J.电网技术.2007，31（12）：42-46.传统的模型组合法仅考虑设备的两容量状态，使得评估结果过于悲观。文献 陈永进，任震，梁振升，等高压直

23、流系统可靠性评估的容量模型研究J电网技术，2005，29(10)：9-13将发电系统容量模型计算公式推广到直流系统，对HVDC系统 周静，马为民，石岩，等.葛南同杆并架直流工程可靠性研究J.高电压技术，2007，33 (1)：152-156.多容量模型进行了一定的探索，但由于评估过程过于复杂且难以计及诸如备用相关性等复杂运算条件，限制了该方法的进一步应用。HVDC系统的运行方式复杂多样，同一端两极下的交流滤波器可能相互切换使用或者当某些滤波支路故障退出后，可将HVDC系统处于降额运行状态而不必完全停运，这就要求在HVDC系统可靠性评估的运算条件中应能准确反映各种具体工程的实际情况 Billin

24、ton R，Sankarakrishnan AAdequacy assessment of composite power systems with HVDC links using Monte Carlo simulation JIEEE Trans on Power Systems，1994，9(3)：1626-1633。解析法的计算工作量随系统规模呈指数关系增长，且为获得解析模型，常需要对系统的实际条件做较多的简化；而用Monte Carlo法评估HVDC系统的可靠性时，可在数学模型中更加全面地反映系统的实际条件，这些条件的考虑在有的应用场合中可能具有很重要的意义。将Monte Carl

25、o模拟法 CHEN Yong2jin , REN Zhen. Models combination and its application in reliability evaluation for HVDC systems J .Power System Technology , 2004 , 28( 13) : 18 - 22.与解析法 刘海涛，程林，元章，等.交直流系统可靠性评估J.电网技术，2004，28(23)：27-31.相结合，提出了HVDC系统可靠性评估的混合法。应用混合法进行直流系统可靠性评估的基本思路是：应用解析法描述同侧双极设备共享备用的相关失效模式，用系统状态转移抽样模

26、拟法对整个直流进行模拟计算，得到可靠性指标 任震，黄雯莹，冉立高压直流输电系统可靠性评估M北京：中国电力出版社，1996。混合法的主要评估流程如下14：1）输入可靠性原始参数，标记含有备用与维修相关性的元件。2）给定设备的备用数目，用解析法进行等效约简，生成等效元件的原始参数结果文件。3）采用系统状态转移抽样模拟法对整个直流系统进行模拟，模拟随机出现的系统各种容量状态。4）统计模拟实验结果，计算系统可靠性指标，输出结果，并结束程序。3.5 故障枚举法建立直流系统可靠性评估的多状态容量模型和串并联模型的合并，其本质是可靠性计算中常用的状态枚举法1。针对直流输电系统的结构特点，高压直流输电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，就可求得直流系统的容量模型，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直流系统可靠性评估的多状态容量模型，并推导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