高壓直流輸電可靠性評估綜述

1、高壓直流輸電可靠性評估綜述摘要：隨著高壓直流輸電技術(shù)的不斷發(fā)展，實際工程的日益增多，以及交直流聯(lián)合電力系統(tǒng)的出現(xiàn)，高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性已成為影響整個電力系統(tǒng)可靠性的重要因素，因此，迫切需要評估高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性以及分析各種影響因素。本文主要介紹了目前主流的高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性評估方法。通過介紹每種方法原理，對比每種方法的優(yōu)缺點，提出對未來高壓直流輸電可靠性評估方法的認識。關(guān)鍵詞：高壓直流輸電，F(xiàn)D方法，故障樹法，GO法，混合法1 引言電力系統(tǒng)的根本任務(wù)是為用戶提供優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟安全可靠的電能。直流輸電具有送電距離遠、送電容量大、控制靈活等特點，在我國電網(wǎng)的發(fā)展中將占有非常重要的位置。隨

2、著高壓直流技術(shù)的發(fā)展和工程實例的增多，高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性已成為影響整個電力系統(tǒng)可靠性發(fā)展的重要因素。由于高壓直流輸電技術(shù)主要運用于遠距離大功率輸電、大區(qū)聯(lián)網(wǎng)和系統(tǒng)間非同步聯(lián)絡(luò)以及地下或海底電纜輸電等特殊場合，這就對高壓直流系統(tǒng)的可靠性提出了很高的要求，而其可靠性的改善也將給整個電力系統(tǒng)的安全、可靠和經(jīng)濟運行帶來巨大的效益。因此，評估高壓直流輸電系統(tǒng)的可靠性以及分析各種影響因素，并提出相應(yīng)的對策，是一項十分重要的工作 吳韜.高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性最優(yōu)分解模型和算法及最優(yōu)備用分析M.重慶：重慶大學，2004.。我國對高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性的研究開始于80年代初，研究工作針對葛洲壩可靠性指標、

3、計算參數(shù)以及可靠性綜合分析和決策等開展了較系統(tǒng)的理論研究。雖然我國在這方面的研究起步較晚，但經(jīng)過科研人員的努力，已取得豐碩的成果。目前高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估中使用到的主要方法有故障樹法（FTA法）、頻率持續(xù)時間法（FD法）、故障樹法和頻率持續(xù)時間法相混合的方法等。2 高壓直流輸電系統(tǒng)簡介2.1 高壓直流輸電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)在高壓直流輸電系統(tǒng)中，為了完成將交流電變換為直流電或者將直流電變換為交流電的轉(zhuǎn)換，并達到電力系統(tǒng)對安全穩(wěn)定及電能質(zhì)量的要求，換流站中應(yīng)包括的主要設(shè)備或設(shè)施有：換流閥、換流變壓器、平波電抗器、交流開關(guān)設(shè)備、交流濾波器及無功補償裝置、直流開關(guān)設(shè)備、直流濾波器、控制與保護裝置以及

4、遠程通信系統(tǒng)等。圖1給出了高壓直流換流站典型的結(jié)構(gòu)圖1。圖1 換流站典型構(gòu)成圖2.2 高壓直流輸電系統(tǒng)接線與運行方式文獻1介紹，國內(nèi)外高壓直流輸電系統(tǒng)一般采用雙極雙橋12脈波的接線方式。雙極接線采用兩根直流導線，一正一負，如一極故障，另一極可通過大地運行，承擔一半的額定負荷。換流器接線采用雙換流橋在直流側(cè)相串而在交流側(cè)相并，構(gòu)成12脈動換流閥的接線方式。由于每極采用12脈動換流閥組個數(shù)有所不同，雙極雙橋12脈動換流閥的典型接線方式可分為單12脈接線和雙12脈接線。直流輸電換流站由基本換流單元組成，基本換流單元有6脈動換流單元和12脈動換流單元，而現(xiàn)代高壓直流輸電工程均采用12脈動換流單元。高壓

5、直流輸電系統(tǒng)可供選擇的換流站接線方式有以下三種：1）單12脈接線，每極一組12脈動換流器；2）雙12脈串聯(lián)接線，每極兩組12脈動換流器串聯(lián)；3）雙12脈并聯(lián)接線，每極兩組12脈動換流器并聯(lián)。 單12脈接線每極一組12脈動換流器接線結(jié)構(gòu)最簡單，換流站設(shè)備數(shù)量最少、造價低、損耗小，是理想的接線方式。但其單臺設(shè)備的容量大，制造難度大，運輸也困難。單12脈接線每極僅有一個12脈動換流閥組，且由于單12脈直流換流站系統(tǒng)不允許出現(xiàn)單極6脈波的運行方式，所以任一單橋換流器故障均可導致單極停運。雙極雙橋單12脈直流輸電系統(tǒng)可包括以下3種運行方式：1）雙極，輸電功率為100容量；2）單極，輸電功率為50容量；3

6、）0極，輸電功率為0容量。 雙12脈串聯(lián)接線每極兩組12脈動換流器串聯(lián)接線方式，換流器和換流變壓器的數(shù)量將增加一倍，但其單臺容量將降低一半，有利于設(shè)備的制造和運輸。由于12脈動換流器作為基本換流單元可以獨立運行，對于這種接線方式，還可按12脈動閥組分期進行建設(shè)，即按單極低壓1/4容量雙極低壓2/4容量雙極不對稱高低壓3/4容量雙極高壓4/4容量建設(shè)。由于雙12脈接線每極有兩組12脈動換流閥組，通過換流器兩端多個開關(guān)的切換，可以在每極任一12脈動換流閥組故障的情況下，只停運一組12脈動閥組（占額定容量的1/4）。這對兩端的交流系統(tǒng)的沖擊和影響也較小。由于設(shè)備數(shù)量增多，換流站造價也將增加。對于這種

7、接線方式，可包括以下6種運行方式：1）雙極，兩極完全運行，輸電功率為 100容量2）雙極，一極完全運行，一極部分運行，輸電功率為75容量3）雙極，兩極都部分運行，輸電功率為50容量4）單極，一極停運，一極完全運行，以大地為回路或以另一級直流輸電線作為回路，輸電功率為50容量5）單極，一極停運，一極部分運行，以大地為回路或以另一級直流輸電線作為回路，輸電功率為25容量6）0極，兩極停運，輸電功率為0容量 雙12脈并聯(lián)接線每極兩組12脈動換流器并聯(lián)接線方式，換流器和換流變壓器的數(shù)量以及單臺設(shè)備容量與串聯(lián)方式相同。其特點是設(shè)備的電壓高、電流小。但相對串聯(lián)方式需要在一開始就制造出高壓的換流設(shè)備，其換流

8、站造價比串聯(lián)方式高。同串聯(lián)方式一樣，并聯(lián)接線方式每極同樣有兩組12脈動換流閥組，通過換流器兩端多個開關(guān)的切換，可以在每極任一12脈動換流閥組故障的情況下，只停運一組12脈動閥組（占額定容量的1/4）。對于并聯(lián)接線方式，也可6種運行方式，其運行方式與串聯(lián)接線方式完全一樣。2.3高壓直流系統(tǒng)可靠性指標1）能量可用率EA（Energy Availability)在給定時間區(qū)間內(nèi)直流輸電系統(tǒng)能夠輸送能量的能力。即：(1)注：降額運行等效停運小時為按額定輸送容量為基準折算的停運小時。2）能量不可用率EU（Energy unavailability）給定時間區(qū)間內(nèi)由于計劃停運、非計劃停運或降額運行造成的直

9、流輸電系統(tǒng)的輸送能量能力的降低。即 (2)3）系統(tǒng)期望輸送容量EC（Expected Capacity） (3)P分別表示第i個狀態(tài)的輸送容量和穩(wěn)態(tài)概率。4）能量利用率（Energy Utilization）給定時間區(qū)間內(nèi)直流輸電系統(tǒng)實際輸送能量的能力。即 (4)5）單極計劃停運次數(shù)MPOT（Monopole Planned Outage Times）在規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)，直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極計劃停運的次數(shù)。6）雙極計劃停運次數(shù) BPOT（Bipole Planned Outage Times）在規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)，直流輸電系統(tǒng)發(fā)生雙極計劃停運的次數(shù)。7）單極強迫停運次數(shù) MFOT（Monopole

10、Forced Outage Times）在規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)，直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極強迫停運的次數(shù)。8）雙極強迫停運次數(shù) BFOT（Bipole Forced Outage Times）在規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)，直流輸電系統(tǒng)發(fā)生雙極強迫停運的次數(shù)。根據(jù)特高壓直流輸電接線特點，本研究報告中增加了閥組的可靠性指標，這里的閥組是指一個12脈動換流器單元，用于將交流功率轉(zhuǎn)換成直流功率或相反。9）閥組強迫停運次數(shù)VFOT（Volve-group Forced Outage Times）在規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)，發(fā)生閥組強迫停運的次數(shù)。10）部分單極停運率(Partial Monopole Outage Times)在規(guī)定時間

11、區(qū)間內(nèi)，高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生單極部分停運的次數(shù)。11）部分雙極停運率(Partial Bipole Outage Times)在規(guī)定時間區(qū)間內(nèi)，高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生雙極部分停運的次數(shù)。結(jié)合特高壓直流輸電系統(tǒng)雙12脈接線特點，對高壓直流輸電系統(tǒng)的停運進行分類，包括：雙極停運、部分雙極停運、單極停運、部分單極停運和正常運行等5種類型，基于這些分類進一步提出了前述指標10和11。3 各種高壓直流輸電可靠性評估原理目前針對高壓直流輸電系統(tǒng)比較常用的評估方法有：FD法、故障樹法、GO法、混合法和故障枚舉法。以下對每種方法原理進行闡述。3.1 FD法FD法著眼于建立系統(tǒng)各子系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖并獲得相應(yīng)的等效

12、模型,通過組合各等效模型進而建立整個高壓直流輸電系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖。在建立狀態(tài)空間圖及對各子系統(tǒng)等效模型進行組合的過程中,可以考慮實際高壓直流輸電系統(tǒng)復雜的技術(shù)條件 鐘勝.與超高壓輸電線路加串補裝置有關(guān)的系統(tǒng)問題及其解決方案J.電網(wǎng)技術(shù),2004,28(6):26-29.、 趙賀.電力電子學在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用靈活交流輸電系統(tǒng)M.北京:中國電力出版社,2001.、 何大愚.柔性交流輸電的定義,機遇及局限性J.電網(wǎng)技術(shù),1996,(20):18-24.、5 謝開貴，夏天，胡博，曹侃.FD法和故障樹法在高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估中的比較分析J.四川電力技術(shù).2009，32(5):1-4.。3.1.1

13、FD法數(shù)學模型圖2 單側(cè)兩極換流橋等效模型文獻2針對上圖2狀態(tài)空間圖寫出轉(zhuǎn)移率矩陣A，從而得到線性方程組。 （5）式(5)中，表示在穩(wěn)態(tài)運行下組合系統(tǒng)處于狀態(tài)i的概率。顯然,有線性方程組(5)可求出每個狀態(tài)的概率。由式(6)和式(7)計算各狀態(tài)或累積狀態(tài)的頻率、平均持續(xù)時間。 （6）式(6)中,1由某幾個具有相同容量水平的單獨狀態(tài)所組成的某個累積狀態(tài)；1指單位時間從累積狀態(tài)1外轉(zhuǎn)移頻率；ij為狀態(tài)i到狀態(tài)j的轉(zhuǎn)移頻率；aij為轉(zhuǎn)移率矩陣A中相應(yīng)的元素。累積狀態(tài)1均持續(xù)時間T1為 （7）至此利用FD法,得到了高壓直流輸電系統(tǒng)各容量狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)概率、頻率和平均持續(xù)時間,下面計算系統(tǒng)可靠性指標?？偟?/p>

14、值停運時間TEOT為 （8）式(8)中的EOT為各容量狀態(tài)的等值停運時間。能量不可用率EU為 (9)其他可靠性指標包括單極強迫停運次數(shù)MUOT和雙極強迫停運次數(shù)BUOT等。3.1.2 FD法求解步驟FD法評估高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性就是要求出系統(tǒng)處于3種容量狀態(tài)（即100%、50%、0%容量狀態(tài)）的穩(wěn)態(tài)概率、頻率和平均持續(xù)時間、TEOT、EA、EC等可靠性指標，并進行分析。求解步驟有 黃鳳萍，張堯.高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估的FD法C. 中國高等學校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)第二十四屆學術(shù)年會論文集，北京，2008.：1）將整個高壓直流輸電系統(tǒng)劃分為6個子系統(tǒng)。2）考慮不同備用情況，建立每一個子系統(tǒng)

15、的狀態(tài)空間圖，將每個子系統(tǒng)相同容量水平的各個狀態(tài)合并為一個狀態(tài)，建立相應(yīng)的等效模型，將等效模型中各狀態(tài)之間的等效轉(zhuǎn)移率求出。3）將各子系統(tǒng)的等效模型按照一定的關(guān)系逐次組合，得到相應(yīng)的等效模型，同時將等效模型中各狀態(tài)之間的等效轉(zhuǎn)移率求出，組合結(jié)果得到整個高壓直流輸電系統(tǒng)的狀態(tài)空間圖，求出其等效模型及各狀態(tài)之間的等效轉(zhuǎn)移率。4）求解整個高壓直流輸電系統(tǒng)的等效模型，求出可靠性指標。5）設(shè)計方案評估、備用策略研究等可靠性綜合分析。6）參數(shù)靈敏度分析，找出系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)。7）規(guī)劃、運行、設(shè)備管理等增強性措施分析。3.2 故障樹法故障樹分析法是一種使用圖形演繹邏輯推理的方法，用圖說明系統(tǒng)的失效原因，將系統(tǒng)的

16、故障與組成系統(tǒng)各部件的故障有機地聯(lián)系在一起，以找出系統(tǒng)全部可能的失效狀態(tài)，即故障樹的全部最小割集，或者稱它們是系統(tǒng)的故障譜2。3.2.1故障樹概念根據(jù)文獻 周家啟，陸煒君，謝開貴，等.高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性靈敏度分析模型J.電網(wǎng)技術(shù).2007,31(19):18-23.，用故障樹法進行高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算的關(guān)鍵之處是在準確掌握各元件可靠性關(guān)聯(lián)關(guān)系的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)不同運行容量建立正確的故障樹模型。故障樹的構(gòu)造過程，是尋找系統(tǒng)故障和導致系統(tǒng)故障的諸因素之間邏輯關(guān)系的過程，并且用故障樹的圖形符號(事件符號與邏輯符號)，抽象表示實際系統(tǒng)故障組合和傳遞的邏輯關(guān)系。完整的故障樹由一些底事件通過邏輯門

17、連接到一個或多個頂端事件(選定的系統(tǒng)故障狀態(tài)稱為頂事件)。根據(jù)直流輸電系統(tǒng)各元件間故障的邏輯關(guān)系，建立各子系統(tǒng)的故障樹圖，從底事件開始層層組合最終得到整個高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性指標 Xing.KKusic.G.L，Damping subsynchronousresonance by phase shifters，IEEE Tran.on Energy Conversion，1989，4(3)：344 350.。3.2.2 故障樹法數(shù)學模型進行計算時，假設(shè)如下：在進行故障定量計算時，一般要作以下幾個假設(shè)5、 李巖松.基于同意潮流控制器的阻尼次同步諧振的研究M.北京:華北電力大學,2000.：1）

18、底事件之間相互獨立；2）底事件和頂事件只考慮2種狀態(tài)，即正?；蚬收?種狀態(tài)；3）采用最小割集求頂事件發(fā)生的概率。設(shè)故障樹有k個最小割集Ki(1ik) 故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)表示為 （10）其中，每個最小割集Ki(1ik)是底事件xj(1jn，n為底事件數(shù)目)的積事件。一般情況下，最小割集彼此相交,根據(jù)相容事件的概率計算公式，頂事件發(fā)生概率為P(T)(系統(tǒng)不可靠度為FS)為： （11）3.2.3 故障樹法求解步驟根據(jù)所給底事件的故障率、修復時間等參數(shù)，計算各頂事件的相關(guān)可靠性指標，步驟如下：1)定義系統(tǒng)故障，確定系統(tǒng)故障事件，即頂事件。2）分析高壓直流輸電系統(tǒng)各元件或子系統(tǒng)間的可靠性聯(lián)接關(guān)系，生成系統(tǒng)

19、各運行容量等級的故障樹。3）進行定性與定量分析，即輸入故障樹結(jié)構(gòu)和底事件參數(shù)，計算系統(tǒng)可靠性指標。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)法是一種以成功為導向的系統(tǒng)概率分析技術(shù)，其基本思想是把系統(tǒng)圖或工程圖直接翻譯成GO圖。GO圖中用操作符代表具體的部件(或邏輯關(guān)系)，用信號流連接操作符，

21、代表具體的物流(或邏輯上的進程)。GO法系統(tǒng)可靠性分析的具體流程如圖3所示 王超，張雪松，徐政，等.基于GO法的特高壓直流輸電可靠性研究J.浙江大學學報(工版).2009,43(1):159-165.。圖3 GO法分析可靠性流程GO法的核心步驟是建立GO圖和進行GO運算，而GO圖和GO運算的兩大要素是操作符和信號流。系統(tǒng)中的元部件或子系統(tǒng)統(tǒng)稱為單元，GO法中用操作符代表單元功能和單元輸入、輸出信號之間的邏輯關(guān)系。信號流表示系統(tǒng)單元的輸入和輸出以及單元之間的關(guān)聯(lián)，信號流連接GO操作符生成GO圖。信號流的屬性是狀態(tài)值和狀態(tài)概率。操作符的屬性有類型、數(shù)據(jù)和運算規(guī)則，類型(Type)是操作符的主要屬性

22、，反映操作符所代表的單元功能和特征。利用GO圖和GO操作符的運算規(guī)則可以實現(xiàn)系統(tǒng)可靠性分析的多種功能 沈祖培，黃祥瑞.GO法原理及應(yīng)用M.北京:清華大學出版社，2004.。GO法的定量計算方法主要有狀態(tài)組合算法和概率公式算法，前者需要計算每一種狀態(tài)組合的聯(lián)合概率，計算過程比較繁瑣；后者則利用操作符的狀態(tài)概率公式來計算，避免了繁瑣的狀態(tài)組合，大大簡化了GO法的計算過程。3.4 混合法文獻 王遂，任震，蔣金良.混合法在高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估中的應(yīng)用J.電網(wǎng)技術(shù).2007，31（12）：42-46.傳統(tǒng)的模型組合法僅考慮設(shè)備的兩容量狀態(tài)，使得評估結(jié)果過于悲觀。文獻 陳永進，任震，梁振升，等高壓直

23、流系統(tǒng)可靠性評估的容量模型研究J電網(wǎng)技術(shù)，2005，29(10)：9-13將發(fā)電系統(tǒng)容量模型計算公式推廣到直流系統(tǒng)，對HVDC系統(tǒng) 周靜，馬為民，石巖，等.葛南同桿并架直流工程可靠性研究J.高電壓技術(shù)，2007，33 (1)：152-156.多容量模型進行了一定的探索，但由于評估過程過于復雜且難以計及諸如備用相關(guān)性等復雜運算條件，限制了該方法的進一步應(yīng)用。HVDC系統(tǒng)的運行方式復雜多樣，同一端兩極下的交流濾波器可能相互切換使用或者當某些濾波支路故障退出后，可將HVDC系統(tǒng)處于降額運行狀態(tài)而不必完全停運，這就要求在HVDC系統(tǒng)可靠性評估的運算條件中應(yīng)能準確反映各種具體工程的實際情況 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。解析法的計算工作量隨系統(tǒng)規(guī)模呈指數(shù)關(guān)系增長，且為獲得解析模型，常需要對系統(tǒng)的實際條件做較多的簡化；而用Monte Carlo法評估HVDC系統(tǒng)的可靠性時，可在數(shù)學模型中更加全面地反映系統(tǒng)的實際條件，這些條件的考慮在有的應(yīng)用場合中可能具有很重要的意義。將Monte Carl

25、o模擬法 CHEN Yong2jin , REN Zhen. Models combination and its application in reliability evaluation for HVDC systems J .Power System Technology , 2004 , 28( 13) : 18 - 22.與解析法 劉海濤，程林，元章，等.交直流系統(tǒng)可靠性評估J.電網(wǎng)技術(shù)，2004，28(23)：27-31.相結(jié)合，提出了HVDC系統(tǒng)可靠性評估的混合法。應(yīng)用混合法進行直流系統(tǒng)可靠性評估的基本思路是：應(yīng)用解析法描述同側(cè)雙極設(shè)備共享備用的相關(guān)失效模式，用系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽樣模

26、擬法對整個直流進行模擬計算，得到可靠性指標 任震，黃雯瑩，冉立高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性評估M北京：中國電力出版社，1996。混合法的主要評估流程如下14：1）輸入可靠性原始參數(shù)，標記含有備用與維修相關(guān)性的元件。2）給定設(shè)備的備用數(shù)目，用解析法進行等效約簡，生成等效元件的原始參數(shù)結(jié)果文件。3）采用系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽樣模擬法對整個直流系統(tǒng)進行模擬，模擬隨機出現(xiàn)的系統(tǒng)各種容量狀態(tài)。4）統(tǒng)計模擬實驗結(jié)果，計算系統(tǒng)可靠性指標，輸出結(jié)果，并結(jié)束程序。3.5 故障枚舉法建立直流系統(tǒng)可靠性評估的多狀態(tài)容量模型和串并聯(lián)模型的合并，其本質(zhì)是可靠性計算中常用的狀態(tài)枚舉法1。針對直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，高壓直流輸電系統(tǒng)的容量模型可表示為各子系統(tǒng)容量模型的串并聯(lián)組合，因此只要知道了容量模型串并聯(lián)組合的方法，就可求得直流系統(tǒng)的容量模型，其主要內(nèi)容如下：首先根據(jù)累計概率和累計頻率的思想建立直流系統(tǒng)可靠性評估的多狀態(tài)容量模型，并推導容量模型的串并聯(lián)組合數(shù)學模型；然后根據(jù)直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和運行方式，確定直流輸電系統(tǒng)的