電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性可靠性

1、,多類型新能源發(fā)電綜合消納的關(guān)鍵技術(shù),電力系統(tǒng)規(guī)劃與可靠性,電力系統(tǒng)可靠性概述,課程承擔(dān)：華北電力大學(xué) 輸配電研究所 任課教師：劉文霞 電子郵件：liuwenxia001,本 節(jié) 提 綱,1. 電力系統(tǒng)可靠性基本概念,2. 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估任務(wù),3. 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估指標(biāo)與準(zhǔn)則,4. 系統(tǒng)可靠性評(píng)估的基本方法,1. 電力系統(tǒng)可靠性的基本概念,電力系統(tǒng)規(guī)劃是保證一定可靠性的情況下，滿足用戶需求，并盡可能減緩和減少投資。,盡可能經(jīng)濟(jì)地向用戶提供持續(xù)的、符合一定質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的電能和電力,經(jīng)濟(jì)性,可靠性,可靠性,費(fèi)用,1. 電力系統(tǒng)可靠性的基本概念,1）什么是可靠性？,可靠性：是指一個(gè)元件、設(shè)備或系統(tǒng)

2、在預(yù)定時(shí)間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成規(guī)定功能的能力（概率）。 2）可靠性的四個(gè)要素 對(duì)象：要弄清所研究的問(wèn)題是指元件還是系統(tǒng)。 功能：要弄清元件、系統(tǒng)的功能是什么，喪失功能又是如何具體規(guī)定的？ 正?；蚬收希ㄊВ巡豢尚迯?fù)元件終止執(zhí)行規(guī)定的功能稱為失效， 把可修復(fù)元件終止執(zhí)行規(guī)定的功能稱故障。 時(shí)間： 在研究可靠性時(shí)，對(duì)時(shí)間要有明確的規(guī)定。 時(shí)間范圍確定，同時(shí)研究的時(shí)效性。比如，調(diào)度和規(guī)劃等研究可靠性的時(shí)間尺度不同。 使用條件：如戶內(nèi)外、溫度、適度等，這些都對(duì)可靠性有很大影響。,1. 電力系統(tǒng)可靠性的基本概念,3）元件與系統(tǒng)可靠性,對(duì)象：要弄清所研究的問(wèn)題是指元件還是系統(tǒng)。 元件：構(gòu)成系統(tǒng)的基

3、本單位，在一個(gè)具體的系統(tǒng)中，元件不能再分割。 系統(tǒng)：由元件組成，它被看成是元件組成的總體。有時(shí)，系統(tǒng)包容的范圍太大，又可分為若干個(gè)子系統(tǒng)。這樣劃分的結(jié)果，若干元件組成一個(gè)子系統(tǒng)，若干個(gè)子系統(tǒng)組成一個(gè)系統(tǒng)。 例如配電系統(tǒng)可以看成電力系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，而斷路器、線路則是構(gòu)成子系統(tǒng)的一些元件。 系統(tǒng)和元件是相對(duì)的。 4）可靠性工程 可靠性工程：涉及元件失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和處理、系統(tǒng)可靠性的定量評(píng)定、運(yùn)行維護(hù)、可靠性和經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)等方面。,1. 電力系統(tǒng)可靠性的基本概念,5）電力系統(tǒng)可靠性,把可靠性工程應(yīng)用于電力系統(tǒng)稱為電力系統(tǒng)可靠性，它滲透到電力系統(tǒng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和管理等各個(gè)方面。 電力系統(tǒng)可靠性是對(duì)

4、電力系統(tǒng)按可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需數(shù)量不間斷地向電力用戶供應(yīng)電力和電能質(zhì)量之能力的度量。所謂質(zhì)量合格，就是指電能的頻率和電壓必須保持在規(guī)定的范圍。 充裕性（adequacy）是指電力系統(tǒng)維持連續(xù)供給用戶總的電力需求和總得電能量的能力，同時(shí)考慮到系統(tǒng)元件的計(jì)劃停運(yùn)及合理的期望非計(jì)劃停運(yùn)。 安全性（security）是指電力系統(tǒng)承受突然發(fā)生的擾動(dòng)，例如突然短路或未預(yù)料到的系統(tǒng)元件丟失的能力。,元件可靠性,系統(tǒng)可靠性,已知,未知,2. 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的目的,意義：在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行的全過(guò)程中，堅(jiān)持系統(tǒng)全面的可靠性定量評(píng)估制度，是提高電力系統(tǒng)能效的有效方法。 用途：在可靠性評(píng)估中，除了對(duì)可

5、能出現(xiàn)的故障進(jìn)行故障分析，采取相應(yīng)措施，以減少故障造成的影響外，還可對(duì)可靠性投資與相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合分析，以確定合理的可靠性水平，并使電力系統(tǒng)的綜合效益達(dá)到最佳。 方法：為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估，首先要確定可靠性目標(biāo)，然后應(yīng)用評(píng)估手段，依據(jù)可靠性準(zhǔn)則確定故障準(zhǔn)則并對(duì)故障嚴(yán)重性做出估計(jì)。 為保證電力系統(tǒng)可靠性達(dá)到期望的水平，在各階段都必須實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：保證電力系統(tǒng)的充裕度；保證電力系統(tǒng)的安全性，采取措施使系統(tǒng)能經(jīng)受住可能的偶發(fā)事故而不必消減負(fù)荷或停電，并避免對(duì)系統(tǒng)和元件造成嚴(yán)重?fù)p壞；保持電力系統(tǒng)的完整性，限制故障擴(kuò)大，減小大范圍停電；保證停電后系統(tǒng)迅速恢復(fù)運(yùn)行。,2. 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的

6、目的,各階段可靠性評(píng)估的任務(wù)是： 規(guī)劃階段-規(guī)劃系統(tǒng)的可靠性評(píng)估有以下幾個(gè)任務(wù)：對(duì)未來(lái)的電力系統(tǒng)和電能量需求進(jìn)行預(yù)測(cè)；收集設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)；制定可靠性準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)準(zhǔn)則評(píng)估系統(tǒng)性能，識(shí)別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)；選擇最優(yōu)方案。 設(shè)計(jì)階段-重點(diǎn)是發(fā)輸電系統(tǒng)的可靠性評(píng)估，其可靠性設(shè)計(jì)原則是：當(dāng)遭受超過(guò)設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)定的大擾動(dòng)時(shí)，不利影響擴(kuò)散的風(fēng)險(xiǎn)最?。粦?yīng)使系統(tǒng)有足夠備用容量來(lái)限制擾動(dòng)后果的蔓延，避免停電范圍擴(kuò)大，保護(hù)運(yùn)行人員免遭傷害，保護(hù)設(shè)備免遭損壞。 運(yùn)行階段-對(duì)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行可靠性評(píng)估，以便在可接受的風(fēng)險(xiǎn)度下建立和實(shí)施各種運(yùn)行方式，確定運(yùn)行備用容量，安排計(jì)劃?rùn)z修，以確定購(gòu)入和售出電量，確定互聯(lián)系統(tǒng)的輸

7、送電力和電能量。,3. 電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與準(zhǔn)則,2）電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分類（規(guī)劃） 為在電力系統(tǒng)中達(dá)到所需可靠性水平應(yīng)滿足的條件，可靠性評(píng)估應(yīng)以相應(yīng)的可靠性準(zhǔn)則為基礎(chǔ)?？煽啃詼?zhǔn)則分為： 概率性和確定性指標(biāo)。 舉例：概率性的：電力期望不足；確定性的：N-1 概率性指標(biāo)分類： 設(shè)備類可靠性指標(biāo)：發(fā)（火電、水電、風(fēng)電）、輸電（交流、直流） 系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分為發(fā)輸電和配電 -系統(tǒng)可靠性指標(biāo)（110以上）-發(fā)輸電模型 -配電系統(tǒng)用戶供電可靠性指標(biāo)（定義了系統(tǒng)和設(shè)備可靠性）； 如：供電可考慮99.99%,1）一般的可靠性指標(biāo)： 概率：不可修復(fù)-可靠度(Reliability)；可修復(fù)系統(tǒng)可靠度、可用度A

8、vailability 頻率：?jiǎn)挝粫r(shí)間里發(fā)生故障的平均次數(shù)。 平均持續(xù)時(shí)間：首次故障的平均時(shí)間，故障的平均持續(xù)時(shí)間。 期望值： 如一年中電力系統(tǒng)發(fā)生故障的期望天數(shù)。,3. 電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與準(zhǔn)則,2）電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分類 確定性指標(biāo)分類(系統(tǒng)) 國(guó)內(nèi)的：電力系統(tǒng)穩(wěn)定導(dǎo)則 規(guī)定電力系統(tǒng)應(yīng)能承受的發(fā)電系統(tǒng)或輸電系統(tǒng)計(jì)劃和非計(jì)劃停運(yùn)組合的條件。每種故障組合的定義應(yīng)包括擾動(dòng)本身以及擾動(dòng)錢的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。 例如目前中國(guó)及許多國(guó)家在電力系統(tǒng)中采用的N-1準(zhǔn)則，就是考慮在N個(gè)元件的系統(tǒng)中失去一個(gè)元件后，系統(tǒng)必須正常供電。不允許因故障而導(dǎo)致消減用戶的電力和電能量的供應(yīng)。 國(guó)外的 ：穩(wěn)定導(dǎo)則、安全導(dǎo)則，介紹

9、國(guó)外導(dǎo)則 概率性和確定性指標(biāo)比較 N-1準(zhǔn)則概念清晰，可操作性好，應(yīng)用很廣。 概率小的、后果不嚴(yán)重-網(wǎng)絡(luò)不經(jīng)濟(jì) 概率大、后果不嚴(yán)重-網(wǎng)絡(luò)不可靠 概率性的既考慮發(fā)生的概率，也顧及了后果,3. 電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與準(zhǔn)則,3）電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo) 元件可靠性指標(biāo),3. 電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與準(zhǔn)則,3）電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo) 元件可靠性指標(biāo),3. 電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與準(zhǔn)則,3）電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo) 系統(tǒng)可靠性指標(biāo),4. 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的基本方法,電力系統(tǒng)可靠性的評(píng)估（檢驗(yàn)）都是根據(jù)元件故障-分析系統(tǒng)可靠程度。 由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，把可靠性劃分為幾個(gè)環(huán)節(jié)。 （發(fā)電、輸電、變電站接線、配電）：每部分都有確定性驗(yàn)證

10、和概率性評(píng)估。,4. 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的基本方法,電力系統(tǒng)可靠性的評(píng)估（檢驗(yàn)）都是根據(jù)元件故障-分析系統(tǒng)可靠程度。 由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，把可靠性劃分為幾個(gè)環(huán)節(jié)。 （發(fā)電、輸電、變電站接線、配電）：每部分都有確定性驗(yàn)證和概率性評(píng)估。,4. 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的方法,電力系統(tǒng)可靠性的評(píng)估手段,電力系統(tǒng)可靠性的評(píng)估過(guò)程,電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估基本方法,4. 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法,4.1 概率解析法,4.1.1 串聯(lián)模型,式中，A為可用率；U為不可用率； 為失效率。,獨(dú)立事件：如果某一事件的發(fā)生不影響另一事件發(fā)生的概率，則這兩個(gè)事件成為獨(dú)立事件。 若有N個(gè)獨(dú)立事件，各事件發(fā)生的概率分別為P1P2P3Pn

11、, 則所有事件都同時(shí)發(fā)生的概率為：,4. 電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估方法,4.1.2 并聯(lián)模型,式中，A為可用率；U為不可用率 為修復(fù)率。,發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估的本質(zhì)是計(jì)算服從一定概率分布的兩個(gè)隨機(jī)變量（即發(fā)電容量和負(fù)荷需求）之間的差值。這就是數(shù)學(xué)上的卷積概念。,則隨機(jī)變量 的均值由下式計(jì)算：,設(shè)兩個(gè)隨機(jī)變量X和Y具有下述離散概率密度函數(shù)：,此即數(shù)學(xué)上的離散卷積概念,4.1.3 概率卷積模型,對(duì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性評(píng)估,風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)通常是在給定條件下的Z的均值。例如，如果X代表負(fù)荷需求，Y代表發(fā)電容量，則期望缺供電力為在給定X大于Y的條件下的Z的均值。 對(duì)離散卷積，公式為： 即使X和Y是連續(xù)隨機(jī)變量，他們的概率密

12、度函數(shù)也可離散化，以便于使用上式。,4.2 其他方法,4.3 隨機(jī)模擬法,4.3.1 狀態(tài)枚舉法,式中：Pi和Qi分別是第i個(gè)元件工作和失效的概率；N是系統(tǒng)中的元件數(shù)。,系統(tǒng)狀態(tài)概率由下式給出 ：,式中，Nf 和N-Nf 分別是狀態(tài)s中失效和未失效的元件數(shù)量。,4.3.2 非序貫蒙特卡羅模擬法,4.3.3 序貫蒙特卡羅模擬法,也稱時(shí)序蒙特卡羅模擬法，通過(guò)模擬系統(tǒng)運(yùn)行的歷史過(guò)程，然后對(duì)所抽取的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析，它是按照時(shí)序進(jìn)行元件的“運(yùn)行-修復(fù)-運(yùn)行-修復(fù)”的狀態(tài)交替過(guò)程進(jìn)行模擬，得到每個(gè)元件的運(yùn)行修復(fù)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，通過(guò)組合每個(gè)元件的運(yùn)行和修復(fù)過(guò)程就能夠得到一個(gè)有時(shí)間先后順序的系統(tǒng)狀態(tài)序列，因此時(shí)序蒙特卡羅法能夠考慮復(fù)雜電力系統(tǒng)運(yùn)行策略（如經(jīng)濟(jì)調(diào)度、水庫(kù)用水策略等）的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是編程困難且計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。,4.3.2 序貫蒙特卡羅模擬法,4.3.4 蒙特卡羅模擬法的特點(diǎn),1.產(chǎn)生每一個(gè)元件的隨機(jī)數(shù)序列是必要的一步，這些隨機(jī)數(shù)必須滿足三個(gè)基本條件：均勻性、獨(dú)立性和足夠長(zhǎng)的重復(fù)周期。 2.蒙特卡羅法是一個(gè)波動(dòng)收斂的過(guò)程，因此估計(jì)出的可靠性指標(biāo)總是有一個(gè)相應(yīng)的置信范圍。 3.方差系數(shù)常被用作終止抽樣的判據(jù)。 4.狀態(tài)模擬過(guò)程僅需要元件的失效概率或者轉(zhuǎn)移率作為抽樣過(guò)程的輸入數(shù)據(jù)。這個(gè)特點(diǎn)使我們能夠容易地同時(shí)模擬不同的失效過(guò)程所