電力工程概論 (14)

1、第十章 電力系統(tǒng)可靠性評估10-電氣-2班葛峻臣1067130232主要內(nèi)容主要內(nèi)容10.1 概述10.2 電力系統(tǒng)可靠性評估數(shù)學(xué)基礎(chǔ)10.3 發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估10.4 配電系統(tǒng)可靠性評估10.1 10.1 概述概述10.10.1.1基本概念基本概念電力系統(tǒng)可靠性是對電力系統(tǒng)按可接受的質(zhì)量標準電力系統(tǒng)可靠性是對電力系統(tǒng)按可接受的質(zhì)量標準和所需數(shù)量不間斷地向電力用戶供應(yīng)電力和電能能和所需數(shù)量不間斷地向電力用戶供應(yīng)電力和電能能力的度量。包括充裕度和安全性兩個方面。力的度量。包括充裕度和安全性兩個方面。充裕度（充裕度（adequancy，也稱靜態(tài)可靠性），是指，也稱靜態(tài)可靠性），是指電力系統(tǒng)維持

2、連續(xù)供給用戶總的電力需求和總的電電力系統(tǒng)維持連續(xù)供給用戶總的電力需求和總的電能量的能力，同時考慮系統(tǒng)元件的計劃停運及合理能量的能力，同時考慮系統(tǒng)元件的計劃停運及合理的期望非計劃停運。的期望非計劃停運。安全性（安全性（security，也稱動態(tài)可靠性），是指電力，也稱動態(tài)可靠性），是指電力系統(tǒng)承受突然發(fā)生的擾動的能力。系統(tǒng)承受突然發(fā)生的擾動的能力。10.1.2發(fā)展過程發(fā)展過程國外：20世紀50年代，可靠性概念開始用于工業(yè)；1968年美國電力可靠性協(xié)會（National Electric Reliability Council, NERC）成立；1981年加上加拿大和墨西哥，北美電力可靠性協(xié)會（N

3、ERC）成立；1997、1998年NERC推出規(guī)劃標準和執(zhí)行細則（電力系統(tǒng)可靠性執(zhí)行標準）；西歐和俄羅斯也相繼制定各自標準。國內(nèi)：1981年中國水利電力部頒布電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則；1983年成立中國電機工程學(xué)會可靠性專業(yè)委員會；1996年成立電力行業(yè)可靠性管理委員會。10.1.3 電力系統(tǒng)可靠性評估電力系統(tǒng)可靠性評估1) 目標和任務(wù)目標和任務(wù)目標：保證電力系統(tǒng)的充裕度；保證電力系統(tǒng)的安全性；保證電力系統(tǒng)的完整性；保證停電后系統(tǒng)迅速恢復(fù)運行。電力系統(tǒng)可靠性評估 任務(wù)：規(guī)劃階段：對未來電力系統(tǒng)和電能需求進行預(yù)測；收集設(shè)備的技術(shù)經(jīng)濟數(shù)據(jù)；制定可靠性準則和設(shè)計標準，依據(jù)準則評估系統(tǒng)性能，識別系統(tǒng)的薄弱

4、環(huán)節(jié)；選擇優(yōu)化方案。設(shè)計階段：當遭受超過設(shè)計規(guī)程規(guī)定的大擾動時，不利影響擴散的風險最?。粦?yīng)使系統(tǒng)有足夠備用容量來限制擾動后果的蔓延，避免停電范圍擴大，保護運行人員免遭傷害，保護設(shè)備免遭損壞。運行階段：以便在可接受的風險度下建立和實施各種運行方式，確定運行備用容量，安排計劃檢修，確定購入和售出電量，確定互聯(lián)系統(tǒng)的輸送電力和電能量。評估手段 主要有4種：建立可靠性評估模型 目前主要有解析法和蒙特卡羅法（模擬法）建立可靠性信息管理系統(tǒng)建立重大事故監(jiān)測裝置區(qū)間分析10.2 10.2 電力系統(tǒng)可靠性評估數(shù)學(xué)基礎(chǔ)電力系統(tǒng)可靠性評估數(shù)學(xué)基礎(chǔ)10.2.1概述概述 可靠性評估需要兩個關(guān)鍵過程：可靠性評估需要兩個

5、關(guān)鍵過程： 第一是選擇系統(tǒng)狀態(tài)并計算狀態(tài)概率；第一是選擇系統(tǒng)狀態(tài)并計算狀態(tài)概率； 第二是針對選擇的狀態(tài)所引起的系統(tǒng)問題及其校第二是針對選擇的狀態(tài)所引起的系統(tǒng)問題及其校正措施進行分析。正措施進行分析。 系統(tǒng)選擇主要有兩種主要方法：狀態(tài)枚舉法和蒙系統(tǒng)選擇主要有兩種主要方法：狀態(tài)枚舉法和蒙特卡羅模擬法。特卡羅模擬法。10.2.2 簡單系統(tǒng)簡單系統(tǒng) 發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估的本質(zhì)是計算服從一定概率分布的兩個隨機變量（即發(fā)電容量和負荷需求）之間的差值。這就是數(shù)學(xué)上的卷積概念。10.2.2 簡單系統(tǒng)簡單系統(tǒng) 設(shè)兩個隨機變量X和Y具有下述離散概率密度函數(shù)： (1, )iip XXpin (1,)kkp YYpkm

6、YXZnimkkikippYXZ11則隨機變量 的均值由下式計算：概率卷積概率卷積此即數(shù)學(xué)上的離散卷積概念簡單系統(tǒng)簡單系統(tǒng)概率卷積（續(xù)）概率卷積（續(xù)） 對發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估,風險指標通常是在給定條件下的Z的均值。例如，如果X代表負荷需求，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。 對離散卷積，公式為： 即使X和Y是連續(xù)隨機變量，他們的概率密度函數(shù)也可離散化，以便于使用上式。 nimkkikippYXZ11, 0max10.2.3 復(fù)雜系統(tǒng) 對于大規(guī)模系統(tǒng)的可靠評估，主要有兩類方法：狀態(tài)枚舉和蒙特卡羅仿真，后者可分成序貫和非序貫抽樣方法。 對于復(fù)雜系統(tǒng)使用的方法，其基本思

7、路是通過包括以下四個步驟的迭代過程實現(xiàn)可靠性評估：選擇一個系統(tǒng)狀態(tài)；分析系統(tǒng)狀態(tài)，判斷其是否是失效狀態(tài)；計算失效狀態(tài)的風險指標；1.修改累計指標。復(fù)雜系統(tǒng)（續(xù)） 狀態(tài)枚舉法和蒙特卡羅模擬法是兩種不同的選擇系統(tǒng)狀態(tài)的主要方法。 兩種方法的指標計算公式有不同的表達式，但這兩種方法中的系統(tǒng)分析是相同的，而且不依賴于系統(tǒng)狀態(tài)的選擇方法。 發(fā)電、配電、變電站和輸電系統(tǒng)的系統(tǒng)分析技術(shù)不同。 通常用于發(fā)電和配電系統(tǒng)的分析技術(shù)相對簡單明了，用于變電站電氣接線的分析技術(shù)則更復(fù)雜一些，而最復(fù)雜的是用于輸電網(wǎng)的分析技術(shù)。 以下將結(jié)合算例詳細介紹。10.3 10.3 發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估10.3.

8、1 概述 發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性是指統(tǒng)一并網(wǎng)運行的發(fā)電系統(tǒng)和輸電系發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性是指統(tǒng)一并網(wǎng)運行的發(fā)電系統(tǒng)和輸電系統(tǒng)綜合組成的發(fā)輸電系統(tǒng)，按可接受標準和期望數(shù)量向供應(yīng)點統(tǒng)綜合組成的發(fā)輸電系統(tǒng)，按可接受標準和期望數(shù)量向供應(yīng)點供應(yīng)電力和電能量的能力的度量。包括充裕性和安全性兩個方供應(yīng)電力和電能量的能力的度量。包括充裕性和安全性兩個方面。充裕性是對系統(tǒng)的靜態(tài)特性進行概率評價；安全性則是對面。充裕性是對系統(tǒng)的靜態(tài)特性進行概率評價；安全性則是對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行評價。系統(tǒng)的動態(tài)特性進行評價。 發(fā)輸電系統(tǒng)風險評估的系統(tǒng)分析并非是簡單的連通性問題發(fā)輸電系統(tǒng)風險評估的系統(tǒng)分析并非是簡單的連通性問題,它涉及到潮流計

9、算、故障分析以及諸如消除過載、發(fā)電重新調(diào)它涉及到潮流計算、故障分析以及諸如消除過載、發(fā)電重新調(diào)度、負荷削減和切換操作等校正措施。度、負荷削減和切換操作等校正措施。 其系統(tǒng)狀態(tài)選擇中需要考慮的問題有：系統(tǒng)元件的獨立停運，其系統(tǒng)狀態(tài)選擇中需要考慮的問題有：系統(tǒng)元件的獨立停運，共因、電站相關(guān)和其他相關(guān)停運，氣候影響，母線負荷的不確共因、電站相關(guān)和其他相關(guān)停運，氣候影響，母線負荷的不確定性和相關(guān)性，降額狀態(tài)模擬，以及系統(tǒng)的其他約束條件等。定性和相關(guān)性，降額狀態(tài)模擬，以及系統(tǒng)的其他約束條件等。10.3.2 充裕度評價的指標體系充裕度評價的指標體系 充裕度指標分成負荷點指標和系統(tǒng)指標兩類。充裕度指標分成負

10、荷點指標和系統(tǒng)指標兩類。切負荷概率切負荷概率PLC S是有切負荷的系統(tǒng)狀態(tài)集合；是有切負荷的系統(tǒng)狀態(tài)集合； 是系統(tǒng)狀態(tài)是系統(tǒng)狀態(tài)i的持續(xù)時的持續(xù)時間，間，T為總模擬時間。為總模擬時間。切負荷頻率切負荷頻率EFLC 是有切負荷的狀態(tài)數(shù)。是有切負荷的狀態(tài)數(shù)。SiiTtPLCitiNTEFLC8760iN充裕度評價的指標體系(續(xù)）切負荷持續(xù)時間切負荷持續(xù)時間EDLC每次切負荷持續(xù)時間每次切負荷持續(xù)時間ADLC負荷切除期望值負荷切除期望值ELC電量不足期望值電量不足期望值EENS8760 PLCEDLCEFLCEDLCADLC/SiiCTELC8760iSiitCTEENS876010.3.3 評估方

11、法評估方法1)基本步驟基本步驟2)元件失效模型元件失效模型3)負荷曲線模型負荷曲線模型4)故障分析故障分析5)負荷削減的最優(yōu)化模型負荷削減的最優(yōu)化模型)6狀態(tài)枚舉狀態(tài)枚舉)7狀態(tài)抽樣法狀態(tài)抽樣法非序貫蒙特卡羅仿真非序貫蒙特卡羅仿真1) 基本步驟基本步驟發(fā)輸電系統(tǒng)風險評估主要包括四個方面：發(fā)輸電系統(tǒng)風險評估主要包括四個方面：v確定元件失效模型和負荷模型；確定元件失效模型和負荷模型；v選擇系統(tǒng)狀態(tài)；選擇系統(tǒng)狀態(tài)；v識別并分析系統(tǒng)問題；識別并分析系統(tǒng)問題；v進行可靠性指標計算。進行可靠性指標計算。1.方法：狀態(tài)枚舉和蒙特卡羅仿真方法：狀態(tài)枚舉和蒙特卡羅仿真2) 元件失效模型元件失效模型發(fā)電機組使用兩

12、態(tài)（運行和停運）或多態(tài)（計入降額狀態(tài)）模型來模擬。當使用蒙特卡羅模擬法時，所有發(fā)電機的狀態(tài)或狀態(tài)轉(zhuǎn)移都可直接抽樣而無需簡化；當使用狀態(tài)枚舉法時，系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)隨發(fā)電機臺數(shù)及其降額狀態(tài)數(shù)呈指數(shù)增長；輸電元件包括架空線路、電纜、變壓器、電容器和電抗器等，通常用兩狀態(tài)（運行和停運）模型來模擬這些元件；高壓直流輸電（HVDC）線路有時要求用多態(tài)模型來計入一個或多個降額狀態(tài)；3) 負荷曲線模型負荷曲線模型當使用序貫蒙特卡羅仿真時，直接利用時序負荷曲線作為負荷模型；對于狀態(tài)枚舉法或狀態(tài)抽樣法，則利用非時序負荷曲線。v使用單一負荷曲線；v某些母線上的負荷可能在全部研究時間內(nèi)保持恒定；v將各個母線負荷按其遵循的不

13、同負荷曲線分類為相應(yīng)的母線組；4) 故障分析故障分析 發(fā)電機組的預(yù)想故障分析簡單直觀。如果在每個發(fā)電機母線上余下的發(fā)電容量可以彌補同一母線上由于失去發(fā)電機而引起的不可用容量，則無需削減負荷；否則，就應(yīng)當使用最優(yōu)化潮流模型來研究發(fā)電容量的重新調(diào)度。 輸電預(yù)想故障分析較為復(fù)雜。其目的是計算一個或多個元件失效后的線路潮流和母線電壓，以識別是否引起線路過載、電壓越限、母線孤立或系統(tǒng)分離成孤島等問題。 發(fā)輸電系統(tǒng)風險評估中常用的分析輸電故障的兩個基本方法。基于交流潮流的靈敏度法 研究一個輸電系統(tǒng)中線路ij停運情況，假設(shè)ij停運前兩端的潮流是 和 ，停運前母線i和j上有兩個外加注入功率，用 和 表示。如果

14、外加注入功率完全與線路ij的停運等效?？梢宰C明，線路ij的潮流和停運前狀態(tài)的外加注入功率存在以下關(guān)系：ijijjQP jijijQP iiQjPjjQjPjjiijjijjiijiijijjijjiijiijijijjijiijiijjijjijiijiijjijiijijQPQPQQPQQQPQQPPPQPPPQQPQQQPQQPPPQPPPQPQP1000010000100001 在母線i和j的這一外加注入功率可通過求解上述方程得出。然后可求解下式獲得由線路ij停運引起的母線電壓幅值增量和相角增量： 式中， 是停運前狀態(tài)的潮流方程雅克比矩陣； 是電壓幅值增量，它的元素 ； 是電壓相角增量矢

15、量，其元素是 ， 定義如下： 得到母線電壓后，即可計算線路ij停運后的線路潮流。類似方法可以適用于多條線路停運的情況。 IVVJ/ JVV /iiVV /iITjijiQQPPI0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0 , 0基于交流潮流的靈敏度法（續(xù)）基于直流潮流的故障分析 基于直流潮流的預(yù)想故障分析提供線路停運后快速而有足基于直流潮流的預(yù)想故障分析提供線路停運后快速而有足夠精度的有功潮流，風險評估中需要考慮大量的這種停運情況。夠精度的有功潮流，風險評估中需要考慮大量的這種停運情況。 多重線路停運后的節(jié)點阻抗矩陣可以由停運前的節(jié)點阻抗多重線路停運后的節(jié)點阻抗矩陣可以

16、由停運前的節(jié)點阻抗矩陣直接計算：矩陣直接計算： 式中，式中， 、 分別是線路停運前和停運后的節(jié)點阻抗矩分別是線路停運前和停運后的節(jié)點阻抗矩陣，其中忽略了全部線路的電阻；括號中的陣，其中忽略了全部線路的電阻；括號中的0和和S分別表示系統(tǒng)分別表示系統(tǒng)正常和停運狀態(tài)；正常和停運狀態(tài)；W是對角線矩陣，其中的對角線元素是停運是對角線矩陣，其中的對角線元素是停運線路的電抗；線路的電抗；M是由節(jié)點是由節(jié)點-線路關(guān)聯(lián)矩陣中對應(yīng)于停運線路的列線路關(guān)聯(lián)矩陣中對應(yīng)于停運線路的列所組成的子矩陣。所組成的子矩陣。 000ZMQMZZSZT 10MZMWQT 0Z SZ基于直流潮流的故障分析 線路停運后的潮流可由下式計算

17、： 是停運狀態(tài)的有功潮流矢量；PG和PD分別是發(fā)電輸出和負荷功率矢量； 是停運狀態(tài)S的有功潮流和注入功率間的關(guān)系矩陣，其第m行可計算如下： 是線路m的電抗；下標r和q分別表示線路m的兩端節(jié)點編號； 和 分別是 的第r和第q行。 PDPGSAST ST SA mqrmXSZSZSAmX SZr SZq SZ5） 負荷削減的最優(yōu)化模型當停運引起系統(tǒng)問題時，通過專門的最優(yōu)潮流（OPF）模型進行發(fā)電重新調(diào)度，以消除系統(tǒng)約束違限；同時盡可能避免負荷削減，或者在無法避免時使負荷削減最小。有兩種模型： 基于交流潮流的最優(yōu)潮流模型 基于直流潮流的最優(yōu)潮流模型基于交流潮流的最優(yōu)潮流模型 是母線是母線i的負荷削減

18、量；的負荷削減量；ND 、NG 、N和和L分別是系統(tǒng)中負荷母線、分別是系統(tǒng)中負荷母線、發(fā)電母線、所有母線以及所有支路的集合。發(fā)電母線、所有母線以及所有支路的集合。 minii NDobjC. .tsminmaxminmaxmaxminmax,0,0,0,iiiiiiiiiiiiikkiiiP VPDCiNDQ VQDiNDPGP VPGiNGQGQ VQGiNGCPDiNDT VTkLVVViNiC基于直流潮流的最優(yōu)潮流模型 與基于交流潮流的最優(yōu)潮流模型相比，直流模型中略去與基于交流潮流的最優(yōu)潮流模型相比，直流模型中略去了全部與無功功率相關(guān)的量。大量計算表明，對發(fā)輸電系統(tǒng)了全部與無功功率相關(guān)的

19、量。大量計算表明，對發(fā)輸電系統(tǒng)風險評估而言，這是一個可接受的合理簡化。風險評估而言，這是一個可接受的合理簡化。 minii NDobjC. .ts minmaxmax0iiii NGi NDi NDiiiiikkT SA SPGPDCPGCPDPGPGPGiNGCPDiNDTSTkL6） 狀態(tài)枚舉法 主要步驟如下：v建立多級水平負荷模型，對每一級負荷水平進行枚舉；v利用枚舉技術(shù)選擇系統(tǒng)狀態(tài)；v進行預(yù)想故障分析；風險指標計算公式： 負荷削減概率PLC 是狀態(tài)s的概率； 是多級負荷模型中第i個負荷水平下系統(tǒng)全部失效狀態(tài)的集合； 是第i個負荷水平的時間長度；NL是負荷水平分級數(shù)；T是負荷曲線的時間期

20、間全長。 期望缺電電量EENS 是狀態(tài)s的負荷削減量。 TTsPPLCiNLiFsi 1 sPiFiT iNLiFsTsCsPEENSi 1 sC狀態(tài)枚舉法（續(xù)） 期望負荷削減頻率期望負荷削減頻率EELC 是元件離開狀態(tài)是元件離開狀態(tài)s的第的第j個轉(zhuǎn)移率；個轉(zhuǎn)移率； 是離開狀態(tài)是離開狀態(tài)s的轉(zhuǎn)移率總數(shù)。的轉(zhuǎn)移率總數(shù)。 負荷削減平均持續(xù)時間負荷削減平均持續(xù)時間ADLC實際應(yīng)用狀態(tài)枚舉法應(yīng)注意：實際應(yīng)用狀態(tài)枚舉法應(yīng)注意：（1）所有被枚舉的系統(tǒng)狀態(tài)之間必須是互斥的；）所有被枚舉的系統(tǒng)狀態(tài)之間必須是互斥的；（2）對于包含有大量元件的系統(tǒng)，要枚舉所有的系統(tǒng)狀態(tài)在計算上是不）對于包含有大量元件的系統(tǒng)，要枚

21、舉所有的系統(tǒng)狀態(tài)在計算上是不現(xiàn)實的。現(xiàn)實的。（3）狀態(tài)枚舉法不能模擬時序相關(guān)事件。）狀態(tài)枚舉法不能模擬時序相關(guān)事件。j sm NLiFsismjjiTTsPEFLC11EFLCTPLCADLC7）狀態(tài)抽樣法非序貫蒙特卡羅仿真 狀態(tài)抽樣法常常用于發(fā)輸電系統(tǒng)風險評估，尤其是狀態(tài)抽樣法常常用于發(fā)輸電系統(tǒng)風險評估，尤其是適用于研究復(fù)雜運行措施和模擬負荷不確定性和相關(guān)性，適用于研究復(fù)雜運行措施和模擬負荷不確定性和相關(guān)性，或研究氣候影響等特殊要求的情況。或研究氣候影響等特殊要求的情況。 主要步驟如下：主要步驟如下：建立多級水平負荷模型，對每一級負荷水平進行枚舉；建立多級水平負荷模型，對每一級負荷水平進行枚

22、舉；v利用蒙特卡羅模擬選擇系統(tǒng)狀態(tài)；利用蒙特卡羅模擬選擇系統(tǒng)狀態(tài)；利用正態(tài)分布隨機變量以計及母線負荷的不確定性；利用正態(tài)分布隨機變量以計及母線負荷的不確定性；元件狀態(tài)（運行、停運或降額）利用均勻分布隨機變量來模擬；元件狀態(tài)（運行、停運或降額）利用均勻分布隨機變量來模擬；1.進行預(yù)想故障分析，如果必要則還要進行最優(yōu)潮流分析，進行預(yù)想故障分析，如果必要則還要進行最優(yōu)潮流分析，以估計所選擇狀態(tài)需要削減的負荷量；以估計所選擇狀態(tài)需要削減的負荷量；ijijijijMzM11),(2),(10),(0212111randrandrandGiiiiiii若降額若運行若停機狀態(tài)抽樣法非序貫蒙特卡羅仿真（續(xù)）v

23、主要風險指標計算公式負荷削減概率PLC 是抽樣中狀態(tài)s的發(fā)生數(shù)； 是抽樣總數(shù)。期望缺電電量EENS期望負荷削減頻率EELC負荷削減平均持續(xù)時間ADLC TTNsnPLCiNLiFsii 1 sniN iNLiFsiTNsCsnEENSi 1 NLiFsismjjiiTTNsnEFLC11EFLCTPLCADLC算例分析狀態(tài)枚舉法例子計算結(jié)果(續(xù)1)確定性可靠性指標 發(fā)電利用系數(shù) 輸電儲備系數(shù) 最小負荷供應(yīng)能力 MW 最大電力不足 MW 最大電量不足 kWh 833. 01050875系統(tǒng)裝機容量網(wǎng)絡(luò)正常情況下的LSCFGU15. 0760760875系統(tǒng)最大負荷系統(tǒng)最大負荷網(wǎng)絡(luò)正常情況下的LS

24、CFTR649minLSC111maxNSP5max1088. 88111NSE概率性可靠性指標電力不足概率（LOLP）電力不足頻率（FLOL）電量不足期望值（EENS）單位負荷缺電率（BPII）單位負荷電量不足率（BPECI） ,6,7,8,11,120.00997426statestatestatestatestateLOLPPPPPP,6,7,8,11,120.012467836/statestatestatestatestateFLOLFFFFFh次6,67,78,811,1112,12 5.86486488statestatestatestatestateEENSZ PZ PZ PZ PZ PMW hLLiiistateZFLBPII,max1,667,78,811,1112,1241760 9.64616 10/statestatestatestatestateBPIIFZZ PZ PZ PZ PMW MW3max107169. 776086486488. 5LEENSBPECI算例分析狀態(tài)枚舉法例子計算結(jié)果(續(xù)2)10.4 配電系統(tǒng)可靠性評估10.4.1