電力系統(tǒng)重要度

電力系統(tǒng)重要度目錄電力系統(tǒng)可靠性模型概述可靠性統(tǒng)計模型與連鎖故障模型影響建模的因素計及元件重要度的電力系統(tǒng)可靠性分析電力系統(tǒng)可靠性模型電力系統(tǒng)是能源資源優(yōu)化配置的重要手段，是國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)設(shè)施。電力系統(tǒng)可靠性是通過定量的可靠性指標(biāo)來度量的。一般可以由故障對電力用戶造成的不良影響的概率、頻率、持續(xù)時間、故障引起的期望電力損失及期望電能量損失等指標(biāo)描述，不同的子系統(tǒng)可以有專門的可靠性指標(biāo)。電力系統(tǒng)的可靠性研究分為可靠性原始參數(shù)分析和處理、可靠評估模型、可靠性評估方法、可靠性指標(biāo)體系、可靠性與經(jīng)濟(jì)性等幾個方面。而根據(jù)評估對象的不同，又可分為發(fā)電系統(tǒng)可靠性、輸電系統(tǒng)可靠性、配電系統(tǒng)可靠性、互聯(lián)系統(tǒng)可靠性以及組合系統(tǒng)可靠性等幾類。電力系統(tǒng)可靠性模型經(jīng)典可靠性理論認(rèn)為電網(wǎng)中一次設(shè)備的失效事件具有泊松分布。對于由大量一次設(shè)備構(gòu)成的電網(wǎng)，如果一次設(shè)備失效事件之間相互獨立的話，那么單位時間內(nèi)一次設(shè)備失效事件的數(shù)量應(yīng)服從指數(shù)分布?？煽啃越y(tǒng)計模型根據(jù)經(jīng)典可靠性理論推論，假設(shè)設(shè)備故障相互獨立，則停電事故的發(fā)生概率與其事故規(guī)模之間服從負(fù)指數(shù)分布，因此，大規(guī)模停電事故的發(fā)生概率非常小。然而實際情況和統(tǒng)計結(jié)果卻出乎意料。北美電力可靠性協(xié)會的大停電事故的發(fā)生概率與規(guī)模之間的概率分布服從冪指數(shù)律。在雙對數(shù)坐標(biāo)下，事故概率和供電量缺口的統(tǒng)計點接近一條直線，這就意味著其概率分布滿足冪指數(shù)律，進(jìn)一步的擬合分析表明冪指數(shù)的取值約在一1一一2之間。用修正模型和負(fù)二項分布模型派生的集群分布能對美國西部電網(wǎng)的歷史事故數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的解釋。負(fù)二項分布是用于描述事故相關(guān)性的一種模型。這一想法來源于高速公路的交通事故統(tǒng)計分析報告，其基本思想是兩車相撞后，將更容易導(dǎo)致第3輛車發(fā)生撞車事故。在電力系統(tǒng)中，當(dāng)一回線路發(fā)生故障后，更容易導(dǎo)致第二回線路故障。實際統(tǒng)計數(shù)據(jù)和泊松分布、集群分布和冪指數(shù)律分布等3種模型。通過嚴(yán)格的擬合誤差分析得到，真實統(tǒng)計數(shù)據(jù)符合集群模型的概率為2.98，對應(yīng)的泊松分布為10-321,冪指數(shù)律為10-42。可見集群模型能夠更合理地從相關(guān)性方面解釋統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分布規(guī)律，而冪指數(shù)律在某一段數(shù)據(jù)樣本空間上比較吻合。連鎖故障模型為了研究連鎖故障的發(fā)生機(jī)理，建立數(shù)學(xué)模型顯得尤其重要。在對各種大停電事故進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，研究人員提出了多種連鎖故障模型。將變電站結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)網(wǎng)架相結(jié)合，統(tǒng)一建立了復(fù)雜電力系統(tǒng)連鎖反映事故分析的元件模型，提出一種全新的可靠性評估的繼電保護(hù)模型。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了一套復(fù)雜電力系統(tǒng)連鎖反應(yīng)事故的評估算法，可發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行中更深層次的問題，暴露系統(tǒng)大面積停電的隱患，找出系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。但這種模型實際上仍然是一種基于簡單網(wǎng)絡(luò)元件的組合模型，對于連鎖事故的相關(guān)性分析并不充分。提出了3種負(fù)荷相關(guān)的系統(tǒng)連鎖故障模型以研究電網(wǎng)大停電事故的機(jī)理。連鎖故障模型

CASCADE模型假設(shè)系統(tǒng)由n個元件組成，其初始負(fù)荷值隨即設(shè)定并假設(shè)相互獨立，其最大值、最小值分別為Lmax,Lmin，且在[Lmax,Lmin]區(qū)間服從均勻分布。若某元件的符合超過了Lfail，就發(fā)生故障而退出運行，其部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他元件。按照上述規(guī)則可以產(chǎn)生一個連鎖故障過程。采用CASCADE模型，系統(tǒng)故障元件數(shù)的概率分布服從擴(kuò)展柯西二項分布。分支過程模型考慮群體由一種類型的個體構(gòu)造，每個個體按照某一概率獨立傳播，依次類推?？紤]到實際電力系統(tǒng)的元件有限性，分支過程近似為一個具有飽和特性的廣義泊松過程。分支過程廣泛用于人口增長、細(xì)菌繁殖及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，集中解決群體消亡的概率及世代數(shù)(或時間充分大后的變化趨勢)等2個問題。連鎖故障模型

CASCADE模型假設(shè)系統(tǒng)由n個元件組成，其初始負(fù)荷值隨即設(shè)定并假設(shè)相互獨立，其最大值、最小值分別為Lmax,Lmin，且在[Lmax,Lmin]區(qū)間服從均勻分布。若某元件的符合超過了Lfail，就發(fā)生故障而退出運行，其部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到其他元件。按照上述規(guī)則可以產(chǎn)生一個連鎖故障過程。采用CASCADE模型，系統(tǒng)故障元件數(shù)的概率分布服從擴(kuò)展柯西二項分布。分支過程模型考慮群體由一種類型的個體構(gòu)造，每個個體按照某一概率獨立傳播，依次類推?？紤]到實際電力系統(tǒng)的元件有限性，分支過程近似為一個具有飽和特性的廣義泊松過程。分支過程廣泛用于人口增長、細(xì)菌繁殖及計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，集中解決群體消亡的概率及世代數(shù)(或時間充分大后的變化趨勢)等2個問題。連鎖故障模型最優(yōu)潮流(OPA)模型是一種針對實際電網(wǎng)的簡化模型，方法，考慮發(fā)電機(jī)出力限制和線路潮流限制。通過對IEEE118采用直流潮流和線性規(guī)劃節(jié)點測試系統(tǒng)和北美地區(qū)巧年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行的計算分析發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中確實存在冪指數(shù)規(guī)律。通過這些模型，揭示出負(fù)荷變化對電網(wǎng)的連鎖故障有非常關(guān)鍵的影響。負(fù)荷大小是影響電網(wǎng)動態(tài)特性的重要因素，連鎖故障的發(fā)生也與之強(qiáng)相關(guān)。系統(tǒng)的可靠性電力系統(tǒng)的自組織特性可以按如下方式解釋:負(fù)荷的增長會導(dǎo)致系統(tǒng)運行裕度見效，發(fā)生大停電事故的風(fēng)險增加，系統(tǒng)可靠性降低;相應(yīng)地，人們調(diào)整運行方式，增加系統(tǒng)出力，進(jìn)行電網(wǎng)改造，建設(shè)新的電廠、變電站和輸電線路，從而增加電網(wǎng)的載荷能力，降低事故風(fēng)險，提高系統(tǒng)可靠性。這2種相反方向的作用力都受到整個社會經(jīng)濟(jì)體系的制約，最終達(dá)到一種平衡，即臨界狀態(tài)。建模需要考慮的因素在可靠性模型中如何計及安全性因素，使最終的方案更具有實際價值?？煽啃栽u估模型需要考慮的因素很多，例如:(1)元件失效和恢復(fù)過程;(2)負(fù)荷隨機(jī)性和不確定的特性;(3)氣候條件等外部因素的影響;(4)運行方式的變化;(5)可靠性原始參數(shù)的不確定性;(6)計及繼保和暫態(tài)穩(wěn)定性的影響;(7)系統(tǒng)恢復(fù)供電對策的影響;(g)電力市場下的可靠性模型和經(jīng)濟(jì)性等。如果將這些因素全部在一個模型中進(jìn)行建模顯然還是要不斷探索的。計及元件重要度的電力系統(tǒng)可靠性分析

電力系統(tǒng)的可靠性除與單元的可靠性參數(shù)和電氣參數(shù)有關(guān)，還與單元所處的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有關(guān)。提出了基于比例分?jǐn)偹枷氲南到y(tǒng)不可靠性分析方法，并結(jié)合可靠性計算中的子系統(tǒng)劃分，總結(jié)出直流輸電系統(tǒng)可靠性跟蹤的2次分?jǐn)偡椒?。利用大電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的靈敏度反映系統(tǒng)可靠性的相關(guān)信息，利用靈敏度與單元故障率、修復(fù)率間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)鉗制系統(tǒng)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。利用可靠性指標(biāo)的解析表達(dá)式高效精確地求取單元可靠性參數(shù)改變后的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，得到系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對元件可靠性參數(shù)的函數(shù)。提出了可靠性跟蹤方法作為辨識電力系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的主要方法之一，通過跟蹤分析可得到各單元對系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的貢獻(xiàn)。計及元件重要度的電力系統(tǒng)可靠性分析

發(fā)輸電系統(tǒng)可靠評估的功能就是能夠找到對系統(tǒng)可靠性較大的元件參數(shù)，即通常所說系統(tǒng)薄弱部分。目前，關(guān)于電力系統(tǒng)可靠性的分析的研究主要集中于系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與單元故障率、修復(fù)率、有效度、失效度之間的關(guān)系。而靈敏度方法正是分析系統(tǒng)可靠性指標(biāo)與元件參數(shù)之間的關(guān)系，這種方法可有效地找到鉗制系統(tǒng)可靠性的瓶頸。電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對元件可靠性參數(shù)的解析表達(dá)式假設(shè)每一個系統(tǒng)元件只有故障停運和正常運行2種狀態(tài)，uk表示元件i處于故障停運狀態(tài)的概率，即元件k的無效度，ak表示元件i處于正常運行狀態(tài)的概率，即元件k的有效度。1)失負(fù)荷概率：表示由于系統(tǒng)元件容量不足導(dǎo)致系統(tǒng)失負(fù)荷的可能性的大小

式中，P(x)表示系統(tǒng)狀態(tài)x發(fā)生的概率，If是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)。2)電力不足期望：表示平均每年缺電力的多少式中，LC(勸表示在故障系統(tǒng)狀態(tài)x下，為將系統(tǒng)恢復(fù)到一個靜態(tài)安全運行點所必需的最小切負(fù)荷量。D1/2表示在已知元件i處于正常狀態(tài)/故障狀態(tài)條件下由系統(tǒng)其他元件的隨機(jī)故障行為引起的電力不足期望。電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對元件故障可靠性參數(shù)的解析表達(dá)式

AGREE法中的故障重要性因子主要考慮了系統(tǒng)中各個單元的重要性和復(fù)雜性程度，且應(yīng)用到電力系統(tǒng)的可靠性分析上是一種有效而準(zhǔn)確的分配方法。電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對元件故障重要度的解析表達(dá)式1)失負(fù)荷概率LOLP：LOLP的大小取決于元件重要度的大小。關(guān)于元件故障重要性因子。的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)可表示為：公式可近似為：2)電力不足期望EDNS：EDNS的大小完全由元件故障重要性因子決定。

關(guān)于元件故障重要性因子w。的系統(tǒng)可靠性指標(biāo)可表示為公式可近似為：電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對元件故障重要度的解析表達(dá)式元件重要度計算公式：元件故障重要性因子。w是指在元件故障的情況下，系統(tǒng)故障的概率(系統(tǒng)失負(fù)荷或解裂)。在式中，w的取值同kz相同。關(guān)于w的求取方法主要是基于條件概率理論，即此式為概率論方法中條件概率公式，在電力系統(tǒng)。的計算方法中，P(B),P(AB),P(AIB)分別表示元件B失效、元件B和系統(tǒng)A同時失效、在元件B已經(jīng)失效的條件下系統(tǒng)A失效的概率。電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對元件故障重要度的解析表達(dá)式電力系統(tǒng)中元件失效的因素有很多，大致可分為三大類影響因素:元件自身故障、外界環(huán)境引起的故障以及誤動導(dǎo)致的停運。通常，元件的自身故障和設(shè)備年限、巡檢結(jié)果等密切相關(guān)，外界環(huán)境影響包括氣候因素(雷擊、雨雪、山林火災(zāi)、風(fēng)沙、洪水、地震等)、動物因素(鳥害、獸害、樹害等)和偶然事故等。誤動包括人為誤操作和元件保護(hù)誤動。1)基于失效度重要度式中，是指在元件i失效的條件下系統(tǒng).S出現(xiàn)故障的概率(切負(fù)荷或系統(tǒng)解裂）。戶是指在元件i失效的同時系統(tǒng)S出現(xiàn)故障的概率。Uk為元件i的無效度。電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對元件故障重要度的解析表達(dá)式2)基于故障率的元件重要度式中，是指在元件i自身故障的條件下系統(tǒng).S出現(xiàn)故障的概率(切負(fù)荷或系統(tǒng)解裂）。戶是指在元件i自身故障的同時系統(tǒng)S出現(xiàn)故障的概率。為元件i的無效度。在發(fā)輸電系統(tǒng)的蒙特卡洛模擬抽樣中，若抽樣次數(shù)較大時，

和和近似相等，故有下而的式子，即電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對元件故障重要度的解析表達(dá)式3)基于元件失效度、故障率的系統(tǒng)失電量指標(biāo)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)EDNS在大量電力元件的對比中可近似表示為元件重要度w和削減量LC共同決定，即式中，是指在元件L失效的條件下系統(tǒng)平均每年負(fù)荷削減量。式中，

是指在元件L自身故障的條件下系統(tǒng)平均每年負(fù)荷削減量。算法分析可靠性分析以RBTS6節(jié)點系統(tǒng)為例l，該系統(tǒng)包括兩個發(fā)電機(jī)節(jié)點(共計11臺發(fā)電機(jī))、4個負(fù)荷節(jié)點、9條傳輸線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。每年負(fù)荷削減量。算法分析表1中列出RBTS6節(jié)點系統(tǒng)中各負(fù)荷母線的可靠性指標(biāo)參數(shù)，其中LOLP,LOLE(失負(fù)荷期望)、EDNS,FENS(電量不足期望)和SM(系統(tǒng)分)等指標(biāo)均可反映系統(tǒng)的可靠性。這些可靠性指標(biāo)體現(xiàn)了系統(tǒng)供電可靠性的優(yōu)劣，但僅通過這些信息很難發(fā)現(xiàn)制約系統(tǒng)可靠性的薄弱部分，為解決此問題，采用元件重要度的方法分析可靠性。算法分析由式(6)可知，元件重要度的大小可直接反映元件失效或故障對失負(fù)荷概率的影響。在表2中，可以看到線路9”的重要度最大，意味著線路9#的可靠性最差，主要因為線路9#是負(fù)荷母線6#與系統(tǒng)相連的唯一通路，一旦線路9#故障，負(fù)荷母線6#上的負(fù)荷將會失去電力供應(yīng)。算法分析表3中可以得到，基于失效度的線路重要度大于機(jī)組的重要度，主要是由于在電力系統(tǒng)運行時線路的失效度遠(yuǎn)大于機(jī)組的失效度。而基于元件自身原因故障的機(jī)組重要度則大于線路的，這是因為系統(tǒng)中機(jī)組因故障退出運行，將會直接導(dǎo)致系統(tǒng)失去部分電源，很有可能造成系統(tǒng)失負(fù)荷，且機(jī)組容量越大對系統(tǒng)的影響程度就越大。在。*列中，G5,G1,G2都是系統(tǒng)中單機(jī)容量最大的發(fā)電機(jī)組，均為40MW，它們與系統(tǒng)中其他發(fā)電機(jī)相比，更故障更容易引起系統(tǒng)出現(xiàn)有功功率不足的情況。算法分析由式(9)可知，系統(tǒng)失電量的大小由元件重要度和切負(fù)荷大小共同決定。表3為系統(tǒng)失電量的排序表。從中可以看到，線路9”的失電量值最大。其次發(fā)電機(jī)組G1",G2",GS"，這是由于三臺發(fā)電機(jī)組的容量最大為40MW。列數(shù)據(jù)是在系統(tǒng)元件失效的前提下的系統(tǒng)失電量元件排序，線路1#,6”的排序僅次于線路9#和單機(jī)40MW的機(jī)組，這是由于母線3