针对电网安全稳定控制系统的可靠性评估

马 超 陈博文

(国电南瑞南京控制系统有限公司)

0 引言

在中国, 电网安全稳定控制系统(简称稳控系统)是保障电网安全稳定运行的第二道防线的重要设施。在“强直弱交”电网过渡期, 我国陆续开展了多项特高压交直流电网稳定控制的工程实践, 如多直流馈入受端电网频率紧急协调控制系统、水电汇集多直流弱送端电网系统保护等分区电网稳定控制系统。当前,稳定控制的发展趋向于大规模、广域化和复杂化。在电力设备遭受重大事故影响的情况下, 电力设备的可靠、快速运行是保证电力设备的安全性和稳定性的必要条件, 而由于其可靠性下降而引起的误动和拒动,会对电力设备造成二次伤害, 造成无法承担的损失。由于稳定控制系统的失败而引发的电力系统安全事件屡见不鲜, 如2006 年华中地区“7·1”电力系统安全事件, 2011 年美国地区“9·8”电力系统安全事件,以及2018 年巴西地区“3·21”电力系统安全事件,均存在着设定数值调整不当、系统逻辑设计没有充分反映极端严重事件、设备软硬件系统存在缺陷等问题。如何保证稳定控制系统的正常运行, 是一个不可忽略的问题, 因此开展稳控系统可靠性的研究极为重要[1]。

1 强化电网自动化调度管理工作的重要性

在我国, 由于社会和经济的不断发展, 各行各业对电力供应的要求不断提高, 而现有的配网系统已不能适应市场的发展需要, 并且配网的覆盖率也在不断地扩大。为了提高电力网络的可靠性, 就需要建立一个电力网络的自动化调度控制管理工作。从功能上来观察, 自动化调度系统能够完成对电容器的自动投切, 变压器的档位调节等操作, 还能够对配网的运输状况进行实时分析,从而提高电网的稳定运行品质。在配套设施上, 可以与各种现代硬件相匹配, 而且可以实现电力信息的资源共享, 从而确保总体运行费用的最小化。由中国电科院研制的电源分配自动控制, 它是基于开放体系结构的一整套功能相互独立同时又能够协调运行的组件式集成系统[2]。

2 电网安全稳定控制系统可靠性

2.1 确保安全运行

如果在电力系统中出现了故障, 那么就有可能会直接导致电网出现大规模的故障, 从而给整个区域人民的正常生产和生活带来了严重的后果。为此, 应尽力确保区域内电网的安全、高效和正常运行, 并在一定程度上维持电网的电力均衡, 尽量避免整体电网的意外, 降低其造成的经济损失。电力系统的运营管理人员必须在保证电力系统不出现故障的情况下, 才能保证电力系统的正常运转。若在电力系统中出现不良反应, 则要立即采用其它相关的方法, 将不良反应降到最低。当电力系统中出现大规模的电力系统或电力系统失效而造成大规模的电力中断时, 应尽量减少电力中断的规模, 使电力系统在最短时间内能够重新获得电力供应。

2.2 合理满足负荷

由于人们的生产、生活环境的改善与提升, 电力消费对电力消费的要求也在增长。为此, 需要在确保电网可持续发展的前提下, 加速各类太阳能发电工程的开发,并积极推进风电、太阳能发电等领域的发展。为了对平衡电气发、送、配电系统进行统筹, 制订电气设备的日常维护、操作、维修和暂时电气设备维修的方案, 确保系统的正常工作和运转。加强火力发电厂与变电站之间的联系与协作, 加强对电力系统的维修与管理, 是对电力系统进行有效的维修与管理的基础[3]。

2.3 合理利用能源

当前, 在国家中, 各类非再生能源的开发潜能是十分受限的, 因此, 在进行电网的发展和生产时, 要对其经济性进行全面的考量, 尽量将其经济效益发挥到极致。这一点的条件是, 一定要达到对电网的电能品质和变压器的能量损失的基本需求, 才能够保证电网的安全、稳定地进行。以减少热电厂的运转效能及费用, 对各热电厂与变电所间的电流及能量损耗进行有效的调控, 在各热电厂的各热电厂的温度及压力下, 对各热电厂的各热电厂的温度及压力进行优化,并对可再生能源进行充分的使用, 从而使得全热电厂在其运作模式上可以取得最大的社会效益。

2.4 革新电网自动化调动系统的配套设备

同时, 为了确保电网自动化调度系统高品质的工作, 也需要对电网自动化调度系统辅助设备有新的需求。因为自动控制的复杂性和综合性, 所以在操作的时候, 必须要与多种软件、设备和电源设备相结合,如果出现了兼容问题, 将会对电网的稳定造成直接的影响。为此, 应尽可能地确保辅助设施的通用性, 以便与自动调运体系匹配。另外, 着重对设备的数据采集与记录能力进行了需求, 在设备管理中要重视对电源等方面的控制, 并事先保留好后备装置, 以便在配电设备发生问题时能够进行及时的替换, 避免更大的供电故障。所以, 在传统的供电体系建设中, 要以稳定性为中心控制, 采用各种独立供电系统对多电源线路进行供电, 以减少两者的相互影响和干扰[4]。

2.5 加强电网自动化调度系统的技术应用

电力网络的自动控制与管理是现代科技的产品,所以在使用过程中要根据电力网络的具体特点做出相应的调节, 并且要加大对各种技术的运用力度。比如,在网络设备、储存设备、数据库以及操作系统中都要进行对应的控制技术的设置, 从而增强了自动化调度系统的整体功能。其主要的措施包括: (1) 将数据采集与监测技术进行科学地运用, 实现对供电网络的运行参数的实时收集, 同时将其与正常运转情况下的数据参数相比较, 从而在供电网络出现了问题的时候,能够在数据参数中得到快速的反映, 同时将其锁定,以便让运营人员能够在最短时间内做出相应的处理。(2) 增强数据库的存储和管理能力, 简化数据的过程,减少了转移的过程, 减少了备用, 并对传送带宽进行了最优, 从而在发生错误的时候确保了传送的效果,从而提高了自动调度终端的控制品质; (3) 按照供、配电网规划, 进行数据要求的规划, 并与各地域的具体电源相联系, 进行相应的自动控制, 从而过滤出不必要的信息, 增强了对整个体系的全面的解析能力。

3 分析马尔可夫模型法

这一部分研究了在实际应用中比较受重视的稳定控制体系的可用性指数, 并利用马尔可夫模式方法与蒙特卡罗方法对其进行了计算。在建立可靠度建模前, 对研究对象提出以下假定: (1) 稳定控制中各个设备的失效和维修是彼此独立的, 设备下一次运行的运行状况只依赖于现在的运行状况, 而不依赖于过去的运行状况。(2) 当设备发生错误时, 立刻检查设备; (3) 该设备在维修完毕后马上使用, 而不会再引进新的错误; (4) 修补后可获得“修复如新”的良好结果。由于稳定控制设备的故障与维修都符合指数型的概率分布, 且各个设备的结构与组成原则基本一致, 通常都是在一个平台上研发的, 因此, 4 个设备的失效率与维修率都是一致的, 其中, 4 个设备的失效率与维修率都是一致的, 即:μ和λ[5]。

3.1 分析马尔可夫模式的建模方法

按照上述的理论和假定, 构建一个双层稳定控制系统的马尔可夫状态空间转换图, 由图一可见该双层稳定控制系统包括16 种不同的状态, 其中, 灰色为系统出现故障, 其它的为系统正常运行。其中, 字母“F”代表设备发生了故障导致停止运行, 字母“G”代表设备的运行状态正常。以马尔可夫的状态转换图为基础, 构建一个转换矩阵, 并对该模型进行计算, 得到该模型在每一种工作情况下的可能性, 最后得出该模型的可用程度为:

3.2 蒙特卡罗法分析

在两层两套结构的主、副运转的稳控制系统中, 一段时间之内, 以指数分布为基础, 对每一台设备的故障和维修时间进行了随机取样, 并将每个设备的取样时间进行了排列, 以在各个时间段中设备的故障或工作状况为依据, 就可以得出该设备的状况。图二是一个该体系的一个状况采样时间曲线。从图二可以看出, 在0 至3周期期间, 主要运输设备A’和A 相继发生故障关闭,而辅助运输设备B 和B’正常运转, 并且该系统是可以使用的; 在t 3 至t 5 期间, 辅助运输设备B’发生了失效, 并且主要运输设备没有得到维修, 并且该系统是不可使用的; 在5 ～6 期间, A, B’得到了修补, 而A’,B’仍然在修补之中, 并且该体系无法使用; 在第六个小时, 当A 开始工作的时候, A’被补上了, 并且整个体系重新开始工作。剩余时间内的系统状况与上述情况相同。在使用序列蒙特卡罗法进行可用性分析的过程中, 选择了1×107h、50 万次的单个模拟实验中的模拟实验。从前面的马尔可夫理论中可以看出, 体系的可用性会随着λ/μ的改变而发生变化, 所以可以将λ 作为一个确定的数值, 然后调整μ的大小, 从而得出不同λ/μ的取值范围内的体系的可用性[6]。

图1 两层稳控系统马尔可夫状态空间转移图

图2 两层稳控系统状态抽样时序图

3.3 两种方法分析结果

表1 两种方法求得的稳控系统可用度

4 结束语

因此, 在保证电力系统的安全、平稳、可靠和经济的前提下, 提高电力系统的稳定性, 就显得尤为重要。通过蒙特卡罗与马尔可夫模式法的比较, 得出了两种方法的可靠度评价结果。当设备间具有比较单纯的、小尺度的稳定控制时, 采用马尔可夫模式法优于蒙特卡罗模式方法。在大型稳定控制体系中, 马尔可夫模型难以建立, 采用基于蒙特卡罗方法的可靠度方块图和失效树等方法, 实现指数的快速计算。