發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估

1、發(fā)電系統(tǒng)可靠性評估 發(fā)電系統(tǒng)可靠性是指評估統(tǒng)一并網(wǎng)運(yùn)行的全部發(fā)電機(jī)組按可接受標(biāo)準(zhǔn)及期望數(shù)量來滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷電力和電量需求的能力的度量。研究發(fā)電系統(tǒng)可靠性的主要目標(biāo)是確定電力系統(tǒng)為保證充足的電力供應(yīng)所需的發(fā)電容量。 衡量發(fā)電系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)是系統(tǒng)的充裕度。發(fā)電系統(tǒng)充裕度，是在發(fā)電機(jī)組額定值和電壓水平限度內(nèi)，扣除由機(jī)組的計(jì)劃和非計(jì)劃停運(yùn)造成的降低出力后，向用戶提供總的電力和電量需求的能力。通常用來衡量系統(tǒng)裝機(jī)容量充裕度方法的是百分?jǐn)?shù)備用法或最大機(jī)組備用法，或?qū)⒋硕呓Y(jié)合使用的方法。這些都屬于確定性方法，主要根據(jù)長期積累的發(fā)電系統(tǒng)可靠性資料、負(fù)荷預(yù)測資料和電源配置以及規(guī)劃設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)來確定。另一

2、種是概率方法，即電力不足概率法(loss of load probability, LOLP)及電力不足頻率和持續(xù)時(shí)間法(frequency and duration,F&D)。 將發(fā)電系統(tǒng)模型和發(fā)電系統(tǒng)可靠性負(fù)荷模型相結(jié)合形成適當(dāng)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)模型后，即可計(jì)算出一系列可靠性指標(biāo)。這些指標(biāo)通常不考慮輸電網(wǎng)絡(luò)的約束(惟一例外的是互聯(lián)系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)線)，也并不反映任何特定用戶負(fù)荷點(diǎn)的電力不足，但能衡量整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的充裕度。 由于發(fā)電機(jī)組的計(jì)劃檢修對發(fā)電系統(tǒng)可靠性具有重要影響，因此在估計(jì)發(fā)電系統(tǒng)可靠性時(shí)，必須首先優(yōu)化檢修計(jì)劃，并在此基礎(chǔ)上建立發(fā)電系統(tǒng)的容量模型。停運(yùn)容量概率模型的建立1.關(guān)于部分停運(yùn)的處

3、理目前，發(fā)電機(jī)組的停運(yùn)模型一般都采用兩態(tài)模型，即工作狀態(tài)和故障停運(yùn)狀態(tài)。實(shí)際上，存在部分停運(yùn)狀態(tài)，即機(jī)組不是100%地故障停運(yùn)，而是可用發(fā)電容量只能達(dá)到額定容量的某一個(gè)百分?jǐn)?shù)。如果完全不考慮部分停運(yùn)的問題，即把部分停運(yùn)當(dāng)作完全停運(yùn)處理，則得到的可靠性指標(biāo)可能過于冒進(jìn);如果把部分停運(yùn)當(dāng)作完全停運(yùn)，那么得到的可靠性指標(biāo)是保守的。通常采用的方法是把部分停運(yùn)折合成完全停運(yùn)來考慮。定義等效強(qiáng)迫停運(yùn)率(the equivalent forced outage rate,EFOR)如下: 2.計(jì)劃檢修的考慮 機(jī)組的計(jì)劃檢修是事先安排的，與強(qiáng)迫停運(yùn)的性質(zhì)是不同的。在可靠性計(jì)劃中可用如下方法處理: (1)適當(dāng)減

4、少研究期間的機(jī)組容量總數(shù) (2)利用“有效載荷能力” 或“有效容量”的概念修改負(fù)荷模型，以此來考慮計(jì)劃檢修的影響。 (3)能源受限制的機(jī)組考慮。一般可靠性計(jì)算均假定供給發(fā)電機(jī)組的能源是完全充足的，但是像水電機(jī)組，能發(fā)多少電能受水庫條件的限制，因此叫做能源受限制的機(jī)組。 (4)機(jī)組停運(yùn)參數(shù)的不確定性。機(jī)組的停運(yùn)參數(shù)是根據(jù)統(tǒng)計(jì)求得的，是一種估計(jì)值，存在不確定性。如果把機(jī)組的停運(yùn)參數(shù)作為隨機(jī)變量來考慮，那么計(jì)算將十分復(fù)雜。通常的做法是采用停運(yùn)參數(shù)的點(diǎn)估計(jì)值進(jìn)行分析計(jì)算，作為確定的值來處理，必要時(shí)，再考慮機(jī)組停運(yùn)參數(shù)不確定時(shí)帶來的影響。安裝容量、可用發(fā)電容量和停運(yùn)容量 1.安裝容量 發(fā)電系統(tǒng)的元件是每

5、個(gè)發(fā)電機(jī)組。機(jī)組額定容量的總和叫發(fā)電系統(tǒng)的安裝容量(installed capacity。安裝容量與機(jī)組的狀態(tài)無關(guān)，即為式中，C;為發(fā)電系統(tǒng)的安裝容量，單位為MW; C，為機(jī)組i的額定容量，單位為MW。 2.可用發(fā)電容量 發(fā)電系統(tǒng)的可用發(fā)電容量(available gcncratign capacity)是指系統(tǒng)中每臺機(jī)組處于正?？捎脿顟B(tài)，能連續(xù)帶滿負(fù)荷的容量。系統(tǒng)的可用發(fā)電容量與系統(tǒng)中的機(jī)組的狀態(tài)有關(guān)。對一臺機(jī)組來說，有如下關(guān)系:3.停運(yùn)容量一臺機(jī)組處于停運(yùn)狀態(tài)，不能連續(xù)帶負(fù)荷的容量稱為該機(jī)組的停運(yùn)容量，對一臺機(jī)組來說，有如下關(guān)系:根據(jù)以上定義，對于一臺機(jī)組有如下關(guān)系:對于一個(gè)系統(tǒng)有如下關(guān)系

6、: 如果發(fā)電廠采用單母線，則系統(tǒng)的可用容量為系統(tǒng)的停運(yùn)容量為機(jī)組類型相同時(shí)停運(yùn)容量概率表的制定:一般來說，若同類型機(jī)組總數(shù)為n,其中有k臺故障，則狀態(tài)k的概率Pk為式中，r為機(jī)組的強(qiáng)迫停運(yùn)率, ，u為機(jī)組的故障率和修復(fù)率狀態(tài)k的確切頻率fk為:式中， k+為從狀態(tài)k向停運(yùn)容量較小的狀態(tài)(可用容量較大的狀態(tài))的轉(zhuǎn)移率; k-為從狀態(tài)k向停運(yùn)容量較大的狀態(tài)(可用容量較小的狀態(tài))的轉(zhuǎn)移率。狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率之和處于狀態(tài)k的頻率等于該狀態(tài)的概率P、乘以從該狀態(tài)向其他狀態(tài)的轉(zhuǎn)移率之和。對所討論的系統(tǒng)，有如下關(guān)系:第k個(gè)狀態(tài)的停運(yùn)容量為：式中，C為單機(jī)的額定容量;k為機(jī)組臺數(shù)。第k個(gè)狀態(tài)的積累概率為：第k個(gè)狀態(tài)

7、的積累頻率為： 例2. 2某發(fā)電系統(tǒng)有4臺單機(jī)容量為50 MW的機(jī)組。單臺機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)概率為r= 0. 04 , = 0. 0011/d,u = 0. 025 /d，要求計(jì)算出發(fā)電系統(tǒng)的停運(yùn)參數(shù)。 解： 記系統(tǒng)安裝容量為Z( Z = 200 MW );任一時(shí)刻可用發(fā)電容量為Y，任一時(shí)刻停運(yùn)容量為X，則X=Z-Y。而Yk為狀態(tài)k的可用發(fā)電容量;xk 為狀態(tài)k的停運(yùn)容量。 發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖2. 3所示。在這里： 表2. 3把發(fā)電系統(tǒng)停運(yùn)參數(shù)(主要是確切狀態(tài)概率和頻率、積累狀態(tài)概率和頻率)一一列出，這稱為停運(yùn)容量概率表。用遞推公式建立停運(yùn)容量概率模型 1.確切狀態(tài)概率公式 若發(fā)電系統(tǒng)原來己有一

8、定數(shù)量的機(jī)組，后來又新增一臺機(jī)組。新增機(jī)組后停運(yùn)容量為X的確切狀態(tài)概率按下式計(jì)算:C為新增機(jī)組容量，單位MW ;r為新增機(jī)組的強(qiáng)迫停運(yùn)概率;p(X)為新增機(jī)組后停運(yùn)容量為X的確切狀態(tài)概率;p ( X)為新增機(jī)組前停運(yùn)容量為X的確切狀態(tài)概率。 2.積累狀態(tài)概率公式 若發(fā)電系統(tǒng)原來己有一定數(shù)量的機(jī)組，后來又新增一臺機(jī)組，則增加機(jī)組后停運(yùn)容量為X的積累狀態(tài)概率為: 3.用遞推公式建立機(jī)組停運(yùn)容量的頻率和持續(xù)時(shí)間模型 這種模型能提供進(jìn)入每種停運(yùn)容量的頻率和從每種停運(yùn)容量狀態(tài)向另一個(gè)較大或較小停運(yùn)容量狀態(tài)轉(zhuǎn)移的離去率，并可進(jìn)一步計(jì)算積累狀態(tài)頻率和持續(xù)時(shí)間。 設(shè)+(X)為自確切停運(yùn)容量狀態(tài)X轉(zhuǎn)移到另一停運(yùn)

9、容量較小(即系統(tǒng)工作容量較大)的狀態(tài)的有效離去率; -(X)為自確切停運(yùn)容量狀態(tài)X轉(zhuǎn)移到另一停運(yùn)狀態(tài)較大(即系統(tǒng)工作容量較小)的狀態(tài)的有效離去率。這里，有效離去率是若干機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)移率的綜合反映，與單臺機(jī)組狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖中的離去率有區(qū)別。又設(shè)+(X)和-(X)是增加一臺機(jī)組前停運(yùn)容量X分別向較小、較大停運(yùn)容量狀態(tài)轉(zhuǎn)移的有效離去率。 若系統(tǒng)在增加一臺機(jī)組以前處于停運(yùn)容量X狀態(tài)，新增機(jī)組卻又處于工作狀態(tài)即停運(yùn)容量為零，則從圖2.6可知: 若系統(tǒng)在增加一臺機(jī)組以前處于停運(yùn)容量X-C，而新增機(jī)組容量為C，且己停運(yùn)，則由圖b可知負(fù)荷模型在發(fā)電系統(tǒng)的可靠性估計(jì)中，負(fù)荷模型是基本模型之一。它可以用一年中不同階段(

10、如按季節(jié)分為4個(gè)階段)的負(fù)荷曲線表示，也可用每月、每天、每小時(shí)的負(fù)荷表示。負(fù)荷是通過預(yù)測得到的，因此存在一定的不確定性。處理負(fù)荷的不確定性有兩種方法:一種是按各種可能的預(yù)測尖峰負(fù)荷計(jì)算系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，再用預(yù)測負(fù)荷的概率對系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行加權(quán)平均;另一種方法是把預(yù)測負(fù)荷看成一個(gè)隨機(jī)變量，求出它的數(shù)學(xué)期望值和方差，這樣，系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)也是隨機(jī)變量，其數(shù)學(xué)期望值和方差也可根據(jù)預(yù)測負(fù)荷的數(shù)據(jù)求出來。本節(jié)中先不考慮負(fù)荷預(yù)測的不確定性，這樣求得的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)是相對度量。 發(fā)電系統(tǒng)的可靠性估計(jì)中，有兩種方法:或者用確切停運(yùn)容量模型和積累負(fù)荷模型;或者用積累停運(yùn)容量模型和確切負(fù)荷模型。后者便于計(jì)算，

11、并且把電源模型與負(fù)荷模型加以綜合而得到裕度容量模型，計(jì)算公式將與電源的停運(yùn)容量模型的計(jì)算公式完全相似。本書主要采用積累停運(yùn)容量模型和確切負(fù)荷模型講述。不同計(jì)算方法使用的負(fù)荷模型: 1. LOLE(或LOLP)法所用的確切負(fù)荷模型LOLE是電力不足期望值( loss of load expectation)的簡稱;LOLP是電力不足時(shí)間概率(loss of load probability)的簡稱。 這種負(fù)荷模型比較簡單，采用了所研究期間內(nèi)的日尖峰負(fù)荷。也可以把它排列成從大到小的負(fù)荷持續(xù)曲線，然后應(yīng)用。但是用這種負(fù)荷模型算得的LOLE或LOLP值只能反映電力不足的風(fēng)險(xiǎn)，不能反映電力不足的頻率、持

12、續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度。 2. HLOLE法EENS法所用的負(fù)荷模型 HLOLE法是每小時(shí)電力不足期望值(hourly loss of load expectation)的縮寫。它彌補(bǔ)了LOLE法只反映一天的尖峰持續(xù)負(fù)荷的不足，可以考慮一天中24小時(shí)的負(fù)荷變化。EENS是電量不足期望值(expected energy not served)的縮寫，使用這一指標(biāo)可彌補(bǔ)LOLE只反映停電時(shí)間的概率，而未考慮停電規(guī)模大小的不足，因而能反映電力系統(tǒng)事故的嚴(yán)重程度。這兩種方法所用的負(fù)荷模型應(yīng)包括研究期間每小時(shí)的負(fù)荷，可以直接按應(yīng)用每小時(shí)的負(fù)荷，也可把它排列成從大到小的積累形式 3.頻率期間法所用的負(fù)荷模型 這

13、有兩種負(fù)荷模型:一種是以確切狀態(tài)為基礎(chǔ)的負(fù)荷模型;另一種是以積累狀態(tài)為基礎(chǔ)的負(fù)荷模型。在確切狀態(tài)負(fù)荷模型中，雖然比靈頓等人1972年提出過多級負(fù)荷模型，但用得最多的仍是二級負(fù)荷模型，它用低負(fù)荷L0和高負(fù)荷Li，的階梯曲線來近似地描述真正的負(fù)荷曲線，如圖。一般L0是不變的，而Li則每天變化，是一個(gè)隨機(jī)序列。每個(gè)尖峰負(fù)荷在轉(zhuǎn)移到次日的另一個(gè)尖峰負(fù)荷之前，先回到每天低負(fù)荷。在低負(fù)荷期間，一般不考慮電力不足的可能性。發(fā)電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的計(jì)算 把機(jī)組的停運(yùn)容量模型與負(fù)荷模型綜合起來，就能得到發(fā)電系統(tǒng)的可靠性模型。對孤立系統(tǒng)和對互聯(lián)系統(tǒng)，如何把停運(yùn)容量模型與負(fù)荷模型綜合起來，可以有不同的做法。在互聯(lián)系中，

14、需要把一個(gè)系統(tǒng)等效為一個(gè)多狀態(tài)發(fā)電機(jī)組，要求計(jì)算出全部裕度狀態(tài)。下面分別介紹這些方法。 1.電力不足時(shí)間概率(LOLP) 計(jì)算時(shí)，負(fù)荷模型中假定日最大負(fù)荷持續(xù)一整天，然后按日最大負(fù)荷由大到小排列，畫出年持續(xù)負(fù)荷曲線，見圖2. 8 a圖中R為備用容量，0k為狀態(tài)k的停運(yùn)容量。從圖中可看出，當(dāng)系統(tǒng)停運(yùn)容量達(dá)0k時(shí)，在tk時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)容量將不能滿足負(fù)荷需要，則發(fā)生電力不足。若系統(tǒng)停運(yùn)容量Ok的概率求得為Pk，則對應(yīng)于此一停運(yùn)容量Ok的電力不足時(shí)間概率為Pk tk。在考慮了所有可能的停運(yùn)容量后，即可求得此系統(tǒng)在研究期間的LOLP值為： LOLP實(shí)際上是電力不足的期望時(shí)間，又稱電力不足風(fēng)險(xiǎn)。它能判斷電力

15、系統(tǒng)裝機(jī)容量不滿足負(fù)荷的需要，造成停電的時(shí)間概率，但未考慮停電量的大小。 2.電力不足期望值LOLE和電力不足小時(shí)期望值HLOLE 前面提到，LOLE法用日峰荷曲線作為負(fù)荷模型。對日尖峰負(fù)荷來說，機(jī)組停運(yùn)容量等于或大于備用容量的概率就是電力不足的期望值，即式中，C為電力系統(tǒng)的裝機(jī)容量，單位MW，L為日尖峰負(fù)荷，單位MW 。 上式表明，系統(tǒng)的裝機(jī)容量與負(fù)荷之差為備用容量，系統(tǒng)的停運(yùn)容量大于等于備用容量的概率即為電力不足期望值。全年的負(fù)荷停電期望值，可用以下公式計(jì)算，單位d/a: 3.電量不足期望值EENS EENS是電力系統(tǒng)由于機(jī)組強(qiáng)迫停運(yùn)而引起的電量不足期望值。對某一已知停運(yùn)容量狀態(tài)，則每小時(shí)不足電量等于不足容量乘以此狀態(tài)的概率，即在某一時(shí)間段內(nèi)電量不足期望值按下式計(jì)算，單位兆瓦時(shí)/時(shí)間段:式中，L為該時(shí)間段內(nèi)的小時(shí)負(fù)荷;p( X)為停運(yùn)容量等于X的確切概率。4.頻率持續(xù)時(shí)間當(dāng)采用確切負(fù)荷模型時(shí)，電力不足的頻率可按下式求得：電力不足的持續(xù)時(shí)間為： 上兩式中p（L）為負(fù)荷等于L的確切概率;F( X)為停運(yùn)容量大于等于X的積累頻率;p（X）為停運(yùn)容量大于等于X的積累概率; -(L)為向低負(fù)荷的轉(zhuǎn)移率; +（L）為向高負(fù)荷的轉(zhuǎn)移率;F為電力不足頻率