电力系统可靠性评估专题培训

第六章电力系统可靠性评定电力系统可靠性评估专题培训第1页主要内容6.1概述6.2电力系统可靠性评定数学基础6.3发输电系统可靠性评定6.4配电系统可靠性评定电力系统可靠性评估专题培训第2页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收质量标准和所需数量不间断地向电力用户供给电力和电能能力度量。包含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电力需求和总电能量能力，同时考虑系统元件计划停运及合理期望非计划停运。安全性（security，也称动态可靠性），是指电力系统承受突然发生扰动能力。电力系统可靠性评估专题培训第3页基本概念（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；电力系统可靠性评估专题培训第4页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订各自标准。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。电力系统可靠性评估专题培训第5页6.1.3电力系统可靠性评定

1)目标和任务目标：确保电力系统充裕度；确保电力系统安全性；确保电力系统完整性；确保停电后系统快速恢复运行。电力系统可靠性评估专题培训第6页电力系统可靠性评定

任务：规划阶段：对未来电力系统和电能需求进行预测；搜集设备技术经济数据；制订可靠性准则和设计标准，依据准则评定系统性能，识别系统微弱步骤；选择优化方案。设计阶段：当遭受超出设计规程要求大扰动时，不利影响扩散风险最小；应使系统有足够备用容量来限制扰动后果蔓延，防止停电范围扩大，保护运行人员免遭伤害，保护设备免遭损坏。运行阶段：方便在可接收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，确定互联络统输送电力和电能量。电力系统可靠性评估专题培训第7页评定伎俩主要有4种：建立可靠性评定模型当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电力系统可靠性评估专题培训第8页3)故障准则及故障严重性评定故障认定准则一旦发生以下情况，便认为系统处于各种故障状态：负荷越界；频率越界；电压超出极限；有功功率不足；无功功率不足，电压下降；不可控解列；连锁反应；电压瓦解；频率瓦解；故障严重性评定进行可靠性预测时，应考虑全部可能故障模式，并对系统严重性作出评定。电力系统可靠性评估专题培训第9页6.2电力系统可靠性评定数学基础6.2.1概述可靠性评定需要两个关键过程：第一是选择系统状态并计算状态概率；第二是针对选择状态所引发系统问题及其校正办法进行分析。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。电力系统可靠性评估专题培训第10页6.2.2简单系统发电系统可靠性评定本质是计算服从一定概率分布两个随机变量（即发电容量和负荷需求）之间差值。这就是数学上卷积概念。电力系统可靠性评估专题培训第11页6.2.2简单系统设两个随机变量X和Y含有下述离散概率密度函数：则随机变量均值由下式计算：概率卷积此即数学上离散卷积概念电力系统可靠性评估专题培训第12页简单系统——概率卷积（续）

对发电系统可靠性评定,风险指标通常是在给定条件下Z均值。比如，假如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条件下Z均值。对离散卷积，公式为：

即使X和Y是连续随机变量，他们概率密度函数也可离散化，方便于使用上式。电力系统可靠性评估专题培训第13页串联和并联网流法由串联网络定义可得出以下关系：

串联网络等效图式中，A为可用率；U为不可用率；为失效率。串联络统：→电力系统可靠性评估专题培训第14页简单系统——串联和并联网流法（续）由并联网络定义可得出以下关系：并联络统：→并联网络等效图式中，A为可用率；U为不可用率为修复率。电力系统可靠性评估专题培训第15页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。这种方法主要优点是全部状态及其相互转移有着很清楚图形表示；缺点是对大系统应用相当困难。对于由N个两状态（运行和停运）元件组成系统，其系统状态数为2N。当N较大时，状态空间图建立几乎是不可能。电力系统可靠性评估专题培训第16页频率-连续时间法

频率-连续时间法是由状态频率和转移率计算频率和连续时间基本方法，尽管频率平衡概念也可用于建立极限状态概率状态空间方程式，但可将其看成马尔可夫方法派生。电力系统可靠性评估专题培训第17页6.2.3复杂系统

对于大规模系统可靠评定，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。

对于复杂系统使用方法，其基本思绪是经过包含以下四个步骤迭代过程实现可靠性评定：选择一个系统状态；分析系统状态，判断其是否是失效状态；计算失效状态风险指标；修改累计指标。电力系统可靠性评估专题培训第18页复杂系统（续）

状态枚举法和蒙特卡罗模拟法是两种不一样选择系统状态主要方法。

两种方法指标计算公式有不一样表示式，但这两种方法中系统分析是相同，而且不依赖于系统状态选择方法。

发电、配电、变电站和输电系统系统分析技术不一样。

通惯用于发电和配电系统分析技术相对简单明了，用于变电站电气接线分析技术则更复杂一些，而最复杂是用于输电网分析技术。

以下将结合算例详细介绍。电力系统可靠性评估专题培训第19页6.3发输电系统可靠性评定6.3.1概述发输电系统可靠性是指统一并网运行发电系统和输电系统综合组成发输电系统，按可接收标准和期望数量向供给点供给电力和电能量能力度量。包含充裕性和安全性两个方面。充裕性是对系统静态特征进行概率评价；安全性则是对系统动态特征进行评价。发输电系统风险评定系统分析并非是简单连通性问题,它包括到时尚计算、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办法。其系统状态选择中需要考虑问题有：系统元件独立停运，共因、电站相关和其它相关停运，气候影响，母线负荷不确定性和相关性，降额状态模拟，以及系统其它约束条件等。电力系统可靠性评估专题培训第20页6.3.2充裕度评价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PLC

S是有切负荷系统状态集合；是系统状态i连续时间，T为总模拟时间。切负荷频率EFLC是有切负荷状态数。电力系统可靠性评估专题培训第21页充裕度评价指标体系(续）切负荷连续时间EDLC每次切负荷连续时间ADLC负荷切除期望值ELC电量不足期望值EENS电力系统可靠性评估专题培训第22页6.3.3评定方法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电力系统可靠性评估专题培训第23页1)基本步骤发输电系统风险评定主要包含四个方面：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电力系统可靠性评估专题培训第24页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，全部发电机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加；输电元件包含架空线路、电缆、变压器、电容器和电抗器等，通惯用两状态（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；电力系统可靠性评估专题培训第25页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；一些母线上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照不一样负荷曲线分类为对应母线组；电力系统可靠性评估专题培训第26页4)故障分析

发电机组预想故障分析简单直观。假如在每个发电机母线上余下发电容量能够填补同一母线上因为失去发电机而引发不可用容量，则无需削减负荷；不然，就应该使用最优化时尚模型来研究发电容量重新调度。输电预想故障分析较为复杂。其目标是计算一个或多个元件失效后线路时尚和母线电压，以识别是否引发线途经载、电压越限、母线孤立或系统分离成孤岛等问题。发输电系统风险评定中惯用分析输电故障两个基本方法。电力系统可靠性评估专题培训第27页基于交流时尚灵敏度法

研究一个输电系统中线路i—j停运情况，假设i—j停运前两端时尚是和，停运前母线i和j上有两个外加注入功率，用和表示。假如外加注入功率完全与线路i—j停运等效。能够证实，线路i—j时尚和停运前状态外加注入功率存在以下关系：电力系统可靠性评估专题培训第28页

在母线i和j这一外加注入功率可经过求解上述方程得出。然后可求解下式取得由线路i—j停运引发母线电压幅值增量和相角增量：式中，是停运前状态时尚方程雅克比矩阵；是电压幅值增量，它元素；是电压相角增量矢量，其元素是，定义以下：得到母线电压后，即可计算线路i—j停运后线路时尚。类似方法能够适合用于多条线路停运情况。基于交流时尚灵敏度法（续）电力系统可靠性评估专题培训第29页基于直流时尚故障分析基于直流时尚预想故障分析提供线路停运后快速而有足够精度有功时尚，风险评定中需要考虑大量这种停运情况。多重线路停运后节点阻抗矩阵能够由停运前节点阻抗矩阵直接计算：式中，、分别是线路停运前和停运后节点阻抗矩阵，其中忽略了全部线路电阻；括号中0和S分别表示系统正常和停运状态；W是对角线矩阵，其中对角线元素是停运线路电抗；M是由节点-线路关联矩阵中对应于停运线路列所组成子矩阵。电力系统可靠性评估专题培训第30页基于直流时尚故障分析

线路停运后时尚可由下式计算：是停运状态有功时尚矢量；PG和PD分别是发电输出和负荷功率矢量；是停运状态S有功时尚和注入功率间关系矩阵，其第m行可计算以下：是线路m电抗；下标r和q分别表示线路m两端节点编号；和分别是第r和第q行。电力系统可靠性评估专题培训第31页5）负荷削减最优化模型当停运引发系统问题时，经过专门最优时尚（OPF）模型进行发电重新调度，以消除系统约束违限；同时尽可能防止负荷削减，或者在无法防止时使负荷削减最小。有两种模型：基于交流时尚最优时尚模型基于直流时尚最优时尚模型电力系统可靠性评估专题培训第32页基于交流时尚最优时尚模型是母线i负荷削减量；ND、NG、N和L分别是系统中负荷母线、发电母线、全部母线以及全部支路集合。电力系统可靠性评估专题培训第33页基于直流时尚最优时尚模型与基于交流时尚最优时尚模型相比，直流模型中略去了全部与无功功率相关量。大量计算表明，对发输电系统风险评定而言，这是一个可接收合理简化。电力系统可靠性评估专题培训第34页6）状态枚举法主要步骤以下：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集合；是第i个负荷水平时间长度；NL是负荷水平分级数；T是负荷曲线时间期间全长。期望缺电电量EENS是状态s负荷削减量。电力系统可靠性评估专题培训第35页状态枚举法（续）期望负荷削减频率EELC是元件离开状态s第j个转移率；是离开状态s转移率总数。

负荷削减平均连续时间ADLC实际应用状态枚举法应注意：（1）全部被枚举系统状态之间必须是互斥；（2）对于包含有大量元件系统，要枚举全部系统状态在计算上是不现实。（3）状态枚举法不能模拟时序相关事件。电力系统可靠性评估专题培训第36页7）状态抽样法——非序贯蒙特卡罗仿真状态抽样法经常用于发输电系统风险评定，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，假如必要则还要进行最优时尚分析，以估计所选择状态需要削减负荷量；电力系统可靠性评估专题培训第37页状态抽样法——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负荷削减平均连续时间ADLC电力系统可靠性评估专题培训第38页6.3.4算例分析——状态枚举法例子例（输电系统可靠性分析）：系统接线图以下列图所表示，各母线节点发电、负荷数据和输电线路数据如表。发电和负荷母线数据母线号发电负荷额定容量MW调度出力MW%MW110010010.58020031.624032002005.24040021.116050031.6240675046000总计1050760100760电力系统可靠性评估专题培训第39页输电线路数据线路号母线节点起至号长度Km阻抗最大传输容量MWRX11--2400.10.410021--4600.150.68031--5200.050.210042--3200.050.210052--4400.10.410062--6300.080.310072--6300.080.310082--6300.080.310093--5200.050.2100103--5200.050.2100114--6300.080.3100124--6300.080.3100135--6610.150.61100电力系统可靠性评估专题培训第40页停运线路号母线节点号LSC系统供电能力不足MW正常——875011--2867021--4865031--5879042--3879052--4874062--67362472--67362482--67362493--58030103--58030114--6649111124--6649111135--67910确定造成系统故障事件

停运线路号原始数据MTTR(h)MTBF(h)停运率正常————00.6450021——182000.040.02687510.0033593928133.30.060.04117040.00514629384000.020.01316330.00164541484000.020.01316330.00164541582000.040.02687510.0033593968266.70.030.01994850.0024935778266.70.030.01994850.0024935788266.70.030.01994850.00249357984000.020.01316330.001645411084000.020.01316330.00164541118266.70.030.01994850.00249357128266.70.030.01994850.00249357138133.30.060.04117040.00514629系统停运数据及状态概率、状态频率电力系统可靠性评估专题培训第41页算例分析——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贮备系数最小负荷供给能力MW最大电力不足MW最大电量不足kW·h电力系统可靠性评估专题培训第42页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)电力系统可靠性评估专题培训第43页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可靠性指标蒙特卡罗仿真状态枚举样本数目发电机停运层次100001000004层5层ENLC54.7534257.9268147.9665354.21938EDLC698.88737.23102657.78259711.28967PLC0.080.084390.07530.08142EDNS13.9704514.8720811.9938313.76009EENS122045.8828129922.4688104778.104618.1172BPII3.336523.640422.613513.21786BPECI42.8231145.5868336.7642642.17828PBACI173.67123179.10896155.28572169.14433MBPCI0.00490.005220.004210.00483SI2569.386722735.209472205.855222530.69702CPUtime（min）0.6236.5518.353.3电力系统可靠性评估专题培训第44页IEEE-RTS79、IEEE-RTS96和TH-RTS介绍

IEEE-RTS79和IEEE-RTS96是美国电气电子工程师学会（IEEE）公布两个发输电测试系统。

TH-RTS是清华大学为了在国内建立起完整电力系统可靠性研究和应用体系，而于建立系统。序号项目名称IEEE-RTS79IEEE-RTS961发表年份197919962单机容量/MW12400124003发电机台数32964总装机容量/MW3405102155母线条数24736线路条数331047变压器台数5168电抗器台数139年最大负荷/MW2850855010电压等级/kVAC:138/230AC:138/230加DC输电线电力系统可靠性评估专题培训第45页3.1IEEE-RTS79、IEEE-RTS96和TH-RTS介绍

电力系统可靠性评估专题培训第46页6.4配电系统可靠性评定

6.4.1概述配电系统主要指10~110kV网络。配电网一些特点：配电系统是由许多特有元件所组成，比如，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；依据现有设计标准，配电系统为冗余系统，即任一元件故障均可采取手动或自动切换方式使用户不致长久断电。因为配电系统结构往往比较复杂，为了运行方便，普通采取环形网络开环运行（形成辐射型）电力系统可靠性评估专题培训第47页概述配电系统可靠性是指供电点到用户，包含变电所、高低压线路及接户线在内整个配电系统及设备按可接收标准及期望数量满足用户电力及电能量需求能力度量。配电系统可靠性主要评定充裕度，它经过可靠性指标来表达。对用户而言，任何一个用户均希望对它能充分确保供电，不受到停电影响，所以他们感兴趣可靠性指标显然是服务质量；对供电部门而言，感兴趣指标是对系统全部用户平均服务质量或最差供电指标。电力系统可靠性评估专题培训第48页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。每条馈电线用户数见表1，统计到某年用户停电数据见表2，由表2推算出系统停运数据见表3。母线从母线引出馈电线供电用户数A5000B15000C10000D10000E7000F8000总计55000表1配电系统数据电力系统可靠性评估专题培训第49页停电情况用户停电次数连续时间/h1A50001D10000.22C500023B40000.54D1.75总用户停电次数17000

受停电影响用户数16000

停电情况用户停电次数连续时间/min用户停电时间/min1A500060300000D10001212C50001206000003B400030104D105210000总计17000

124表格2用户停电数据表格3系统停运数据电力系统可靠性评估专题培训第50页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用户在每单位时间内平均停电次数2、用户平均停电频率指标每个受停电影响用户在每单位时间里经受平均停电次数。3、系统平均停电连续时间指标每个由系统供电用户在一年内经受平均停电连续时间。电力系统可靠性评估专题培训第51页4、用户平均停电连续时间指标一年中被停电用户经受平均停电连续时间。5、平均供电可用率指标一年中经受不停电小时总数与用户要求总供电小时数之比。6、平均供电不可用率指标一年中用户积累停电小时总数与用户要求总供电小时数之比。或电力系统可靠性评估专题培训第52页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计算公式：

电力系统可靠性评估专题培训第53页2)算例设简单辐射型系统如图所表示，假设线路A、B和C故障率和维修时间如表1所表示。图2简单三负荷点辐射型系统线路（次数/年）（小时）A0.26B0.15C0.158表1元件数据负荷点用户数平均负荷需求（千瓦）L12001000L2150700L3100400总计4502100表2负荷数据电力系统可靠性评估专题培训第54页负荷点（次数/年）（小时）(小时/年)L10.261.2L20.35.71.7L30.456.42.9表格3负荷点可靠性指标负荷点用户数平均负荷需求（千瓦）L12001000L2150700L3100400总计4502100表格2负荷数据电力系统可靠性评估专题培训第55页6.4.4各种影响原因分析算例及计算结果分支线保护影响隔离开关影响保护系统故障影响转移负荷影响（转移不受限制）电力系统可靠性评估专题培训第56页1.算例及计算结果算例系统接线图元件长度（公里）（次/年）（小时）线段

120.24210.14330.34420.24分支线

a10.22b30.62c20.42d10.22系统可靠性参数负荷点用户数连接平均负荷（千瓦）A10005000B8004000C7003000D500系统用户和负荷电力系统可靠性评估专题培训第57页可靠性指标：断电次数/用户·年；小时/用户·年；小时/用户；千度/年，度/用户·年；电力系统可靠性评估专题培训第58页计算结果元件故障负荷点A负荷点B负荷点C负荷点DrUrUrUrU线段

10.240.80.240.80.240.80.240.820.140.40.140.40.140.40.140.430.341.20.341.20.341.20.341.240.240.80.240.80.240.80.240.8分支线

a0.220.40.220.40.220.40.220.4b0.621.20.621.20.621.20.621.2c0.420.80.420.80.420.80.420.8d0.220.40.220.40.220.40.220.4总计2.22.7362.22.7362.22.7362.22.736电力系统可靠性评估专题培训第59页2.分支线保护影响在每条分支线T接点加装熔断器。这时，分支线短路使对应熔丝烧断，这将会在故障去除前使这一负荷点开断，但不影响即不会造成其它任何负荷点开断。在这种情况下，全部负荷点可靠性指标都得到了改进，尽管对每个负荷点改进程度是不一样。最不可靠负荷点是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；电力系统可靠性评估专题培训第60页分支线保护影响元件故障负荷点A负荷点B负荷点C负荷点DrUrUrUrU线段

10.240.80.240.80.240.80.240.820.140.40.140.40.140.40.140.430.341.20.341.20.341.20.341.240.240.80.240.80.240.80.240.8分支线

a0.220.4b0.621.2c0.420.8d0.220.4总计1.03.63.61.43.144.41.23.334.01.03.63.6电力系统可靠性评估专题培训第61页3.隔离开关影响沿主馈电线在一些敏感点装设隔离开关即隔离器。通常，这些不是切断故障开关，从而馈电线上任何短路都将引发主断路器动作。然而，在监测到故障以后，能够开断开关隔离开关并重合断路器。这个方法能使在电源点和隔离点之间全部负荷点在去除故障过程完成之前就恢复供电。布置隔离点系统如图4所表示，并设总隔离和操作时间为0.5小时。图4用隔离开关及熔断器后电网电力系统可靠性评估专题培训第62页隔离开关影响(续1)在这种情况下，负荷点A、B、C可靠性指标都得到了改进，其改进程度距电源点近那些点较大，而距电源点远那些点则较小。负荷点D指标保持不变，这是因为隔离不会消除故障对这个负荷点影响。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；电力系统可靠性评估专题培训第63页隔离开关影响(续2)元件故障负荷点A负荷点B负荷点C负荷点DrUrUrUrU线段

10.240.80.240.80.240.80.240.820.10.50.050.140.40.140.40.140.430.30.50.150.30.50.150.341.20.341.240.20.50.100.20.50.100.20.50.100.240.8分支线

a0.220.4b0.621.2c0.420.8d0.220.4总计1.01.51.51.41.892.651.22.753.31.03.63.6含有分支线保护和隔离开关可靠性指标电力系统可靠性评估专题培训第64页4.保护系统故障影响在2和3中，每个负荷点可靠性指标是在这么假定下计算得出，即运行分支线上熔断器不论分支线在什么时候发生故障时，它们都起到保护作用。然而，主保护系统有时候也会失效，这时后备保护就要动作。假定图4所表示系统中熔断器动作概率为0.9，即熔丝在所要求10次动作中有9次是成功。电力系统可靠性评估专题培训第65页保护系统故障影响(续)元件故障负荷点A负荷点B负荷点C负荷点DrUrUrUrU线段

10.240.80.240.80.240.80.240.820.10.50.050.140.40.140.40.140.430.30