燃气电厂电气一次主接线的可靠性评估与应用分析

郭 宁

（晋能控股电力集团嘉节燃气热电分公司）

0 引言

电气一次主接线作为整个燃气电厂电气系统中的重要组成部分，一直备受重视，其稳定、安全性直接关系着电厂能否高效运行，因此很多电厂开始引入各种方法加强保障作用，其中可靠性评估，能比较全面、清晰地判定一次主接线状态。

1 可靠性评估方法简述

燃气电厂电气一次主接线系统中，负荷波动、元件故障等随机性较大，若单靠确定性方法加以分析，很难兼顾系统、元件的相应状态概率分布，故而需结合实际特征引入可靠性分析方法，包括解析法、模拟法两种类型，前者主要是通过马尔科夫模型、数学计算方法，评估可靠性指标，分析解析法基本类型，如状态空间法、网络法，又可细化出状态枚举法、故障树法、马尔科夫状态空间法、最小路集／割集法、串并联网络法等。模拟法会因所选抽样方法的不同而进行对应方法的细分［1］。

2 燃气电厂电气一次主接线的可靠性评估方法

2.1 选定可靠性评估方法

就状态空间法角度分析，燃气电厂电气系统改变是因系统组成元件状态因外界因素变化而出现的，元件组合不同，对系统状态也会产生不同影响；就网络法来说，电厂发电容量由输电线路、发电组、电气元件等组成的供电通道与相关辅助设备决定的，即最小路；在最小路因元件故障、异常被切断时，会让发电容量减小、缺失，因此可改进、调整状态空间法应用途径来进行一次主接线可靠性评估，基于最小路集／割集法、串并联网络法，灵活利用最小割集状态理论、马尔可夫状态转移理论，综合元件状态枚举方法，进行元件状态分析、故障确定，探讨系统最小路在被切断时所造成的影响，分析由此带来的系统负荷缺失，展开可靠性评估［2］。

2.2 确定评估要点

在可靠性评估过程中，需把握以下要点：（1）确定评估条件。要确保评估的稳定展开，需做出以下假设，电气系统中各类元件，在发生故障时保持独立状态，不会相互影响；各类元件皆为可修复元件；元件与相关子系统检修时间、寿命特征等遵循指数分布原则；不考虑元件因外界因素而出现的过负荷情况［3］。（2）确定各类理论要素的基本应用方法，如最小路基／最小割集、马尔科夫状态转移理论等，以后者来说，在引入状态空间法研究时，结合系统在各阶段的不同状态，通过转移率判定状态间具体转移状况，如切换情况、修复情况、故障情况等，而转移概率只受转移时间差影响，故而可通过观察系统状态转移过程判定齐次马尔可夫过程，又因转移时间差值一般很短，因此在求解马尔科夫进程时，可认为其是状态离散的、时间连续的，具体方程式如式（1）所示：其中Pij、Pii指的是从状态i向状态j、从状态i向状态i转移时的具体概率，rij、rii则表示i向状态j、从状态i向状态i转移时的具体期望次数，即转移率，而指的是状态转移过程中产生的时间差，由公式（1）所示。

2.3 搭建可靠性评估指标体系

搭建可靠性评估指标体系，主要包括以下三方面内容：（1）供电连续性。电气一次主接线各个出线由相关电力传输通道供应电力，而电力传输通道即最小路，在因元件故障而造成最小路不通时，对外供电会停止，在对其进行可靠性评价时，需集中分析元件故障条件，衡量指标为：给定负荷点正常工作概率、故障频次、年均停运时间、持续供电时间、不可用度等。（2）运行安全性。主接线系统中，最小路连接发电机，在最小路被切断后，会让发电机组停止运行，因此可通过判断发电机组运行情况来评估一次主接线可靠性，评估指标包括：发电机组因外界因素被迫停运概率、频率、某条出线被迫停运概率、频率［4］。（3）供电充裕性。评估电气一次主接线可靠性，还需观察其对电网负荷供给的基本保障，即供电充裕性，在系统某元件出现故障时，多不会直接切断所有的出线最小路，故而供电负荷不会完全缺失，但供电电量会有所减少，在该指标评估时，可从以下指标开展：机组因故障难以正常供应电能的真实期望值；电厂因故障而导致功率难以稳定发出的概率。为比较可观的展示各个故障元件对应故障程度造成的影响，需结合相应步长衡量供电容量频率、概率，以此来求解相应故障事件造成的缺乏故障概率、电能期望等，得出最终可靠性评估结果。

3 燃气电厂电气一次主接线的可靠性案例应用分析

以某燃气电厂一次主接线中的断路器设备为例，研究具体的可靠性分析流程：

3.1 搭建断路器可靠性模型

断路器主要起到继电保护的作用，在对其进行可靠性分析，搭建可靠性模型时，可按照以下步骤开展：（1）确定断路器故障状态，分别为拒动、极间击穿、相间击穿、对地击穿、接地、机构缺陷、误动、气体泄漏、裂纹、烧损、断线等，综合各类故障引发的后果，除了拒动故障外，可将故障分为；两大类：扩大型、非扩大型故障；而针对拒动故障，需考虑其以下情况：其一是被保护对象出现故障，保护拒动，引发临近断路器跳开，并引发变压器、发送机等退出运行，此为显性拒动，其二是保护已经出现故障，但是保护对象正常，此为隐性故障；在搭建可靠性模型时，可分开分析断路器在显性、隐性不同拒动状态下的表现。（2）考虑在断路器隐性故障排除中引入数字继电保护设备，发挥其失效自检作用，并通过保护失效自检成功率评估自检状态转移率；但因在电气一次主接线可靠性分析进程中，元件本体故障更受关注，且继电保护自检呈现的亦是断路器隐性故障，故而可选择合并隐性故障状态、继电保护自检状态，在断路器出现隐性故障后，可通过自检得到被保护对象故障信息，直接起到保护拒动装置［5］。（3）综合以上信息，得出断路器各类状态下模型，如图所示，其中0、1、2、3、4分别代表断路器以下状态：正常状态、计划检修状态、非扩大型故障与故障切换状态、扩大型故障与隐性故障状态；λM表示计划检修率；λR表示非扩大型故障率；λS表示扩大型故障率；λJ表示保护拒动率；λl表示被保护对象故障率；而μM表示检修修复率；μR表示故障修复率；μS表示切换转移率；μp表示保护系统修复率。

图 断路器状态转移图

3.2 采用算法

引入状态枚举法展开可靠性评估，步骤为：（1）枚举各个元件在各阶段的可能状态，计算状态结果，得出状态故障频率、概率，将输出功率相同的概率、频率进行累加，获取停运表。因三重以上故障出现频率、概率极小，故而只列举不高于三重的故障组合，具体情况见表1［6］。（2）计算概率、频率，以上故障为相互独立状态，故障组合概率可通过元件故障概率相乘获取，i、j、k代表出现Si、Rj、Mk三重故障，按照以下方程求解概率：P＝PSi·PRj·PMk，其中，PSi·PRj·PMk代指对应概率，而PNl指的是元件l保持正常状态概率，l则指的是所有元件集中E去除i，j，k之后的其他元件。

表1 电力系统故障停运表

3.3 算例研究

关注以下要点：①已知本次研究电厂电气一次主接线包括电右线、电双线、电通1号线、电通2号线、电荷1号线、电河1号线、电岭线等，各类元件可靠性参数见表2。②计算故障概率停运表，见表3，得出综合可靠性指标，包括发电容量损失15.5427MW、发电受阻概率0.0740、年发电受阻时间648h、年发电受阻电量13.6154亿kW·h。③进行扩大型故障组合停电分析。不同故障组合状态对整个可靠性指标的可参考性不同，对电厂安全影响也有所不同，如SR故障组合，输出功率最小值200MW，不会全厂停电，而SS故障组合则可能全厂停电，其中最严重的是FR故障组合，大部分情况下会引发全厂停电，但就实际而言，发生概率偏低，但仍需加以关注。

表2 元件可靠性参数

表3 电厂故障停运表

3.4 计算结果分析

进行计算分析可知，电厂发电容量可达15.5428MW，发电电阻概率为0.0740全厂全年停电概率较低，然而全厂出力将至200MW 的可能性仍旧存在，如该电厂地处北方，在冬天雨雪天气时，会因覆冰、积雪等引发电厂各处220kV陆续跳闸，电厂多台机组停运，维持发电在200MW 以下，因此在进行电气一次主接线可靠性分析时，还需将受气候影响因素纳入考虑范畴，为避免出现复合联锁事故，可提升4倍出线概率，得出如下表4计算结果。

表4 电厂可靠性指标分析结果表

4 结束语

综上，文章就燃气电厂电气一次主接线的可靠性评估与应用展开了综合分析与论述，提出的可靠性评估方法具备较大的可行性、有效性。结合电厂的实际情况进行部分评估细节条例灵活调整，保证最终评估效果。