基于实时运行状态的电力系统运行可靠性评估

国网江苏省电力有限公司南京供电分公司 瞿 立

传统的供电系统可靠性评价理论建立在概率与数理统计的基础上,对正在建设中的供电系统进行离线评价分析,并提供了一定的可靠性指数。自1969年R.Billinton 撰写了有关这一范畴的一篇学术论文至今,在电力系统可靠性评价领域，从概念、建模、计算、软件,以及工程应用等各方面都获得了大量研究成果,已经成熟运用于发电控制系统、发输电电压的合成控制系统、供电管理系统和发电厂、变电所主接线的离线评估和设计规划等领域。由于所有的电流模型和计算理论，都采用了系统运行模式的常数、元件可靠性常数模型和参数，忽略了实际运行条件下的母线走向、开关电压、系统频率变化、元件使用概率的变化等，忽略机组工作的影响、负荷的实际变化、电网结构的变化、实际运行工况的变化对故障的影响。

在供电系统实际工作过程中,特别是当控制系统遭受干扰或部分元器件脱离正常工作状态时,系统工作方式、网络结构和实际运行条件会改变,所以传统的系统安全性评价方法无法体现系统在此时的可靠水平,也无法有效运用于现场调度,从而进一步保障供电系统安全、可靠地正常工作。自一九九六年美国西部电网接连出现二次大规模中断以来,美国政府在一九九九年组建了大电网可靠性解决方案研发协作机构(CERTS),力图利用国际领先的数字计量技术将风险评价的理论与方法导入大电网调度控制中心,以达成实时评价大电网安全性的目的。

关于该问题,本文给出了系统运行可靠性的定义以及评价算法,以评定系统在当前正常工作状况下的可靠性水平,在传统的发输电电压系统可靠性评价方式的基础上,考察了系统实际运营条件的改变及其对元件变化可靠性模型以及故障结果的影响。该算法还首次构建了基于系统实际运营条件的元件时变可靠性模型；然后,在该模式的基础上使用蒙特卡罗模拟法,形成了系统中可能的故障状况；再根据实际运营要求对故障状况做出后果分析；最后,测算出反应系统中实际运营可靠性水平的指数。

1 电力系统可靠性概念

所谓可靠性指的就是设备的元件、部件或者是产品和系统能够在规定的条件和时间下成功完成规定功能的概率。这是元件、部件或者是产品和系统完整性的度量。可靠性工程可以为元件、部件或者是产品和系统在标定条件下和时间内成功执行的概率和能力提供理论和工具,这些元件或系统的可靠性性能可以被规定和设计。因此进入了电力行业的人需要将可靠性工程技术移植到发电系统工程中去,这样便形成了发电系统的可靠性工程技术。

电力系统安全性评价又被分为五个部分,它们是对发电系统的可靠性评价、发交流输电系统安全性评价、输电系统的可靠程度评价、供电安全性评价和发电厂变电所电器主接线设计安全性评价。其中,所谓的电力系统是由水力发电体系和电力输送体系综合而成的,对于这个系统的安全性评价在电力系统可靠性评价中也是十分关键的一个部分。不管是何种可靠性评估方法,其首要的入手点是资源充裕性与安全性。

充裕性:是指供电系统保证持续提供给使用者总体的用电需求和总的用电能量的能力,并且必须充分考虑到整个系统部件的预计停产情况和合理的预期而非预计停产。充裕度也叫做静止可靠度,也就是说当系统运行在静止状态时,整个供电系统保证了使用者对电力和电能量的使用能力；安全性：是指电力系统承受突然发生的扰动,如突然短路或未预料到的系统元件丢失的能力。可靠性也叫做动态可靠性,即在动态环境下动力系统经受住突发干扰,并连续地向目标使用者提供能源和电能量的能力。

2 运行可靠性评估与传统可靠性评估区别

运行可靠性评估是在传统安全性评价基础上发展出来的,但二者之间有着很多不同之处：

目的不同。传统可靠性评价的主要目的是给系统工程管理人员提出正确决策根据,并协助他们确定怎样进行电网工程建设；运营可靠性测评的目的是给运营调度管理人员提出决策依据,并协助他们判断怎样改善系统的工作方法；研究的时间段差异。传统安全性评价研究的是系统在长期工作条件下的安全性水平,研究时间区间通常为数年或者数十年,但通常为可修复系统的研究；运行安全性研究的对象是系统在短期内的安全性水平,时间区间通常为几分钟至数小时,可认为是不可恢复系统。

元器件安全可靠性模式差异。在传统安全性评价中采用的元器件故障率是多年计算的平均数,而元器件出现故障机率则是长期稳定状况概率；运动安全性评价中采用的元器件设计模型充分考虑了运行条件的因素,元器件故障率也会伴随运行条件的变化而调整,元器件出现故障机率即为瞬时状态概率；技术指标的不同。传统安全性评价方法大多以切负荷指数来衡量系统可靠性水平,其中包含切负荷的概率、预期持续时间、预测频次和预期数量等,指标中隐含了对线路过负荷、母线电压越限、系统功率不平衡等故障的严重程度的度量。

3 简单电力系统的运行可靠性评估

3.1 运行可靠性评估算法的流程

测量在当前运营状态(包含常规运营状态、设备故障状况、特种运营方法)下的线路潮流、母线电流、系统运行频次等,并通过基于实际运营条件下的元件可靠性模拟测算出该线、发电机、负载的停机概率、总停机量、修复数；根据元件的停运量、检修频率,用蒙特卡罗模拟法形成系统在当前工作状况下可能出现的故障状况；充分考虑发电机组的方式、负载的即时变动、网络结构的改变等当前控制系统工作要求的因素,对潜在出现的设备故障状况做出结果模拟,剖析设备故障后控制系统是否正常(无部件过载、静态电流安全)和在部件超载、电流越限的情形下为保证系统正常工作的切负荷代价；按照评估指数等于概率和结果乘积的定义估计可靠性指数。

3.2 发电机故障状态可靠性评估

系统在各种发动机设备故障状况下的工作要求如表1,各状态下部件停机机率如下：线路停运概率均为1.811×10-4；1～5状态下发电机停运厩率为1.668×10-2，6状态下为4.909×10-1，7状态下为1.000，1～3状态下负荷停运缺率为0.0000、4～7状态下分别为0.1310/0.5223/0.7270/0.9372；1～8状态下各种发电机故障状态下的可靠性指标分别为：PLC0.0002/0.0055/0.0820/0.2022/0.5615/0.9174/1.0000/1.0000，EENS(MWh/a)2.554×102、6.806×103、1.380×105、1.226×106、4.461×106、6.573×106、8.410×106、8.410×106，SI（系统分/年）1.596 ×10、40254×102、8.626×103、7.664×104、2.788×105、4.108×105、5.256×105、5.256×105,供电可用率0.9999/0.9992/0.9836/0.8542/0.4695 /0.2184/0.0000/0.0000。其中,PLC 是切负载概率、EENS 是年用电量小于预期值、SI 是重大程度指数。

表1 系统在各种发电机故障状态下的运行条件

图1 发电机故障状态

图2 负荷故障状态

根据评估结果可以得出以下结论：

系统在发电机故障状态下的可靠性水平比在正常运行状态下的可靠性水平低很多,传统的可靠性评估(0重故障评估结果)不能表述出系统在发电机故障状态下的可靠性水平；在1、3重发电机故障下,由于备用容量充足,系统频率、电压变化较小,仍在正常范围内,所以发电机、负荷的停运概率没有变化。但是由于系统备用容量在减少,每台发电机的出力增加,因此发电机故障的后果更加严重,系统的可靠性水平降低。

在发电机的故障状况4～7下,尽管系统的后备容量下降较小，且发电机故障后果严重程度上升不大,但如果系统的后备容量为零,即下降了较少的发电机出力也会导致系统的工作频率、电流显著减少,从而导致发电机、负载的停运机率显著上升,控制系统的安全性水平也大幅度降低；在发电机故障状态7下,系统频率为46.44Hz,低于发电机频率极限值46.5Hz,发电机停运概率为1,负荷停运概率为0.94。此时系统崩溃,供电可用率为0,可靠性水平等效于7台发电机全部故障时的可靠性水平[1]。

3.3 负荷故障状态可靠性评估

系统在1～4 状态下负荷故障状态下的运行条件分别为：有功功率（MW）0/160/320/440、无功功率（MVar）0/52.7/105/145、线路输送容量（MW）168.5/140.4/112.3/91.24、系统頻率（Hz）50.00/50.28/50.56/50.77、发电机电压（pu）1.010/1.014/1.018/1.020、负荷电压（pu）1.019/1.047/1.073/1.090；1～4状态下元件停运概率分别为：线路停运概率I.811×I0-4、发电机停运概率I.668×10-2、负荷停运概率0；1～4状态下可靠性指标分别为：PLC0.0002/0.0002/0.0000/0.0000、EENS(MWh/a)255.4000/25.5600/0.9449/0.0185、SI（系统分/年）15.9600/1.9168/0.0886/0.0021、供电可用率0.999970000/0.999996000/0.999999800/0.9 99999996。根据评估结果可以得出以下结论：

系统在负荷故障状态下的可靠性水平比在正常运行状态下的可靠性水平高很多,传统的可靠性评估(状态1的评估结果)不能表述出系统在负荷故障状态下的可靠性水平；在负荷故障状态2～4下,虽然元件停运概率没有变化,但是系统备用容量增加,发电机出力降低,发电机故障后果减轻,线路潮流降低,线路故障后果减轻,因此,系统可靠性水平升高。从以上分析结果可以看到,系统实时运行条件对系统可靠性水平的影响非常显著。当系统出现故障、或处于特殊运作方式之下时,由于工作条件变化对元件停机概率和停运结果的影响,系统的可靠性水平会降低;随着故障程度的加深,当系统运行在极限运行条件(潮流、频率、电压为极限值)时,系统的供电可用率为0,系统会崩溃[2]。

综上，只有供电系统可靠地工作,才能满足对供电系统安全性的要求。另一方面,由于动力系统在现场操作的安全可靠性有所保证,也可以对电力系统中运行的安全隐患有相应的监视力度,这样产生了一种良性的循环,也有利于动力系统的安全可靠性以及对用户的电能的使用安全性。