計(jì)及元件重要度的電力系統(tǒng)可靠性分析

..計(jì)及元件重要度的電力系統(tǒng)可靠性分析王文杰1，楠2,吳剛3，大川4〔1.東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，省市，132012；2.省電力培訓(xùn)中心，省市，130062;3.供電公司，省市，130000；4.供電公司，省市，132000〕摘要：計(jì)及元件重要度的發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性可以深刻地反映可靠性與系統(tǒng)元件的相關(guān)信息，利用這些信息可以發(fā)現(xiàn)鉗制系統(tǒng)可靠性的薄弱局部，從而為系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行提供重要的指導(dǎo)意見(jiàn)。本文推導(dǎo)了基于失效度、故障率的元件重要度和系統(tǒng)失電量指標(biāo)，這些指標(biāo)可反映出元件的退出運(yùn)行會(huì)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。并以RBTS6節(jié)點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)為例，說(shuō)明分別基于失效度和故障率的元件重要度對(duì)系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生不同的影響，計(jì)算說(shuō)明利用元件重要度可辯識(shí)系統(tǒng)的薄弱局部。關(guān)鍵詞：元件重要度；可靠性；發(fā)輸電系統(tǒng);ElectricsystemreliabilityanalysisconsideringponentimportantdegreeWangWen-jie1，LiNan2，WuGang3，LiDa-shuang4〔1.SchoolofElec.Eng.，NortheastDianliUniversity，Jilin，132012；2.TrainingCenterofJilinElectricPowerCo.,LTD，JilinChangchun，130062；3.JilinPowerSupplyBureauofJilinPowerGridCorp，Jilin，Changchun，130000，China;4.JilinPowerSupplyBureauofJilinPowerGridCorp，Jilin，Jilin，132000，China〕ABSTRACT:Gageandtheponentimportantdegreeoftransmissionsystemreliabilitycanbeprofoundlyreflectinformationaboutreliabilityandsystemponents,useoftheseinformationcanbefoundthatstifletheweakpartofthesystemreliability,thusprovidingimportantguidanceforsystemplanningandoperation.Deducedinthispaper,basedonthefailure,thefailurerateofponentsimportantdegreesandsystempowerlossindex,theindexcanreflecttheelementsoffull-loadoperationwillaffectthereliabilityofthesystem.TakingRBTStestsystemasanexample,explainrespectivelybasedonthefailureandthefailurerateofponentsimportantdegreesofdifferentinfluenceonsystemreliability,thecalculationshowsthatusingtheponentimportancetoidentifyweakpartofthesystem.KeyWord:ponentimportantdegree;Reliability;Transmissionsystem;..0引言近年來(lái)，電力系統(tǒng)不斷向超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量方向開(kāi)展，這提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，但同時(shí)也使系統(tǒng)的平安可靠問(wèn)題逐漸突出。電力系統(tǒng)停電事故有可能造成了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)損失，因此，對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的分析、評(píng)估和應(yīng)用等深入研究變得更加迫切。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)構(gòu)造有關(guān)。文獻(xiàn)[1]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(jì)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?。文獻(xiàn)[2]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)。文獻(xiàn)[3]利用可靠性指標(biāo)的解析表達(dá)式高效準(zhǔn)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(duì)元件可靠性參數(shù)的函數(shù)。文獻(xiàn)[4]提出了可靠性跟蹤方法作為辨識(shí)電力系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)的主要方法之一，通過(guò)跟蹤分析可得到各單元對(duì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的奉獻(xiàn)。發(fā)輸電系統(tǒng)可靠評(píng)估的功能就是能夠找到對(duì)系統(tǒng)可靠性較大的元件參數(shù)，即通常所說(shuō)系統(tǒng)薄弱局部。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。本文采用元件重要度的方法分析發(fā)輸電系統(tǒng)的可靠性，元件重要度是指在系統(tǒng)元件失效的前提條件下系統(tǒng)故障的概率，這種方法可用于判斷系統(tǒng)中元件失效對(duì)系統(tǒng)失電量的影響大小。此方法不但可以發(fā)現(xiàn)鉗制系統(tǒng)可靠性的薄弱局部，而且可為電力系統(tǒng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)人員的投資提供豐富的有效信息。1電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對(duì)元件可靠性參數(shù)的解析表達(dá)式假設(shè)每一個(gè)系統(tǒng)元件只有故障停運(yùn)和正常運(yùn)行2種狀態(tài)，表示元件處于故障停運(yùn)狀態(tài)的概率，即元件的無(wú)效度，表示元件處于正常運(yùn)行狀態(tài)的概率，即元件的有效度?！?〕失負(fù)荷概率[2]〔LossofLoadProbability〕：表示由于系統(tǒng)元件容量缺乏導(dǎo)致系統(tǒng)失負(fù)荷的可能性的大小，文獻(xiàn)[2]詳細(xì)地推導(dǎo)了與元件可靠性參數(shù)間的關(guān)系，其表達(dá)式如下：〔1〕其中，表示系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生的概率；是系統(tǒng)的狀態(tài)函數(shù)，表達(dá)式如下〔2〕式中，表示在元件處于正常狀態(tài)條件下由系統(tǒng)其他元件的隨機(jī)故障行為引起的失負(fù)荷概率，即且，表示在元件處于故障狀態(tài)條件下由系統(tǒng)其他元件的隨機(jī)故障行為引起的失負(fù)荷概率，即且。〔2〕電力缺乏期望[2]〔ExpectedDemandNotSupplied〕：表示平均每年缺電力的多少，單位為，文獻(xiàn)[2]詳細(xì)地推導(dǎo)了與元件可靠性參數(shù)間的關(guān)系，其表達(dá)式如下：〔3〕其中，表示在故障系統(tǒng)狀態(tài)下，為將系統(tǒng)恢復(fù)到一個(gè)靜態(tài)平安運(yùn)行點(diǎn)所必需的最小切負(fù)荷量。表示在元件處于正常狀態(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缺乏期望，即，表示在元件處于故障狀態(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缺乏期望，即。2電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對(duì)元件故障重要性因子的解析表達(dá)式2.1電力系統(tǒng)可靠性指標(biāo)對(duì)元件故障重要度的解析表達(dá)式元件故障重要性因子[6]是美國(guó)在1957年提出的AGREE法中的概念，AGREE法中的故障重要性因子主要考慮了系統(tǒng)中各個(gè)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。對(duì)于電力系統(tǒng)而言，第個(gè)元件的重要性程度是由數(shù)值來(lái)描述，表示為元件故障所引起的系統(tǒng)失負(fù)荷的概率。的含義值同式〔3〕中的一樣?！?〕失負(fù)荷概率[2]由式〔3〕可知系統(tǒng)可靠性指標(biāo)關(guān)于元件可靠性參數(shù)的解析表達(dá)式為。〔4〕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：〔5〕在公式〔5〕中，元件有效度<1，〔〕。的大小取決于元件重要度的大小。在電力系統(tǒng)中，由于元件眾多，為便于元件的橫向比擬的方式排序，可將式〔5〕近似表示為式〔6〕，含義同式〔5〕一樣?！?〕〔2〕電力缺乏期望[2]由公式〔3〕可以得到系統(tǒng)可靠性指標(biāo)關(guān)于元件可靠性參數(shù)的解析表達(dá)式?！?〕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：〔8〕式中，<1，〔〕，為系統(tǒng)削減負(fù)荷量。的大小完全由元件故障重要性因子和共同決定，且元件的的越大，對(duì)的影響越大。在系統(tǒng)眾多的電力元器件中，假設(shè)所有元件采用橫向比對(duì)的方式排序，公式〔7〕可近似表示為〔9〕2.2元件重要度的計(jì)算公式元件故障重要性因子[6]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〔1〕中，的取值同一樣。關(guān)于的求取方法主要是基于條件概率理論。〔10〕式〔10〕為概率論方法中條件概率公式，在電力系統(tǒng)的計(jì)算方法中，、、分別表示元件B失效、元件B和系統(tǒng)A同時(shí)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)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(dòng)導(dǎo)致的停運(yùn)。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(dòng)物因素〔鳥(niǎo)害、獸害、樹(shù)害等〕和偶然事故等。誤動(dòng)包括人為誤操作和元件保護(hù)誤動(dòng)[5]?！?〕基于失效度、故障率的元件重要度分別計(jì)算基于元件失效度和故障率的重要度?！?1〕式〔11〕中，〔〕是指在元件失效的條件下系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率〔切負(fù)荷或系統(tǒng)解裂〕。是指在元件失效的同時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率。為元件的無(wú)效度?！?2〕式〔12〕中，〔〕是指在元件自身故障的條件下系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率〔切負(fù)荷或系統(tǒng)解裂〕。是指在元件自身故障的同時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)故障的概率。為元件的故障率。在發(fā)輸電系統(tǒng)的蒙特卡洛模擬抽樣中，假設(shè)抽樣次數(shù)較大時(shí)，和近似相等，故有下面的式子?！?3〕〔14〕〔2〕基于元件失效度、故障率的系統(tǒng)失電量指標(biāo)由公式〔9〕可知，系統(tǒng)可靠性指標(biāo)在大量電力元件的比照中可近似表示為元件重要度和削減量共同決定?！?5〕是指在元件失效的條件下系統(tǒng)平均每年負(fù)荷削減量。〔16〕是指在元件自身故障的條件下系統(tǒng)平均每年負(fù)荷削減量。3算例分析可靠性分析以RBTS6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例[7]，該系統(tǒng)包括2個(gè)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)〔共計(jì)11臺(tái)發(fā)電機(jī)〕、4個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)、9條傳輸線，系統(tǒng)構(gòu)造如圖2所示，其元件的電氣參數(shù)及可靠性數(shù)據(jù)參見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)[7～9]。圖1RBTS可靠性測(cè)試系統(tǒng)接線圖表1RBTS的負(fù)荷母線年度化指標(biāo)母線編號(hào)LOLP(10-4)LOLE小時(shí)EDNSMW/yEENSMW.h/y母線SM分鐘母線#221.7520.0018.7626.28母線#31513.1400.018157.68111.30母線#41614.0160.00978.84118.26母線#55144.6760.00543.80131.40母線#68372.7080.1661454.24362.48表1中列出RBTS6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)中各負(fù)荷母線的可靠性指標(biāo)參數(shù)，其中、〔失負(fù)荷期望〕、、〔電量缺乏期望〕和〔系統(tǒng)分〕[10]等指標(biāo)均可反映系統(tǒng)的可靠性。這些可靠性指標(biāo)表達(dá)了系統(tǒng)供電可靠性的優(yōu)劣，但僅通過(guò)這些信息很難發(fā)現(xiàn)制約系統(tǒng)可靠性的薄弱局部，為解決此問(wèn)題，采用元件重要度的方法分析可靠性。表2基于失效度和故障率的元件重要度排序元件名稱元件名稱L91.0000L90.003180G50.0931L10.000377G10.0931L60.000315G20.0690L20.000315G30.0690L70.000296G60.0576L50.000296G70.0571L80.000219G80.0441G10.000219G90.0441G20.000216G40.0339G50.000216G100.0313L30.000216G110.0282L40.000216L10.0278G30.000199L60.0226G40.000183L20.0215G60.000182L70.0215G70.000161L50.0215G80.000100L80.0215G90.000090L30.0105G100.000075L40.0105G110.000075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(duì)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?yàn)榫€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(huì)失去電力供給。表1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(yùn)行時(shí)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)組重要度那么大于線路的，這是因?yàn)橄到y(tǒng)中機(jī)組因故障退出運(yùn)行，將會(huì)直接導(dǎo)致系統(tǒng)失去局部電源，很有可能造成系統(tǒng)失負(fù)荷，且機(jī)組容量越大對(duì)系統(tǒng)的影響程度就越大。在列中，、、都是系統(tǒng)中單機(jī)容量最大的發(fā)電機(jī)組，均為，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)有功功率缺乏的情況。表3基于元件故障率和無(wú)效度的系統(tǒng)失電量排序元件名稱元件名稱L920.0000L90.063601G10.3837G50.002938G20.3837G10.002741G50.2644G20.002741L10.1992G30.001092L60.1992G60.000908L20.1359G70.000908L70.1359G80.000908L50.1037G90.000908L80.1011G40.000710G30.0953L10.000634G60.0903L60.000634G70.0903L20.000432G80.0903L70.000432G90.0903L50.000330G40.0900L80.000321L30.0197L30.000063L40.0158L40.000050G100.0022G100.000016G110.0022G110.000016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、#G5，這是由于三臺(tái)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所帶的負(fù)荷，為系統(tǒng)最大負(fù)荷85MW，線路#1、#6任一故障都有可能造成母線#3切負(fù)荷，以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。線路#2、#7所接負(fù)荷母線#4帶負(fù)荷為40MW，如果線路#2、#7因故障退出運(yùn)行，也容易發(fā)生系統(tǒng)切負(fù)荷。列數(shù)據(jù)是在系統(tǒng)元件自身故障的前提下，系統(tǒng)失電量的估算值。與的數(shù)據(jù)相比，可以得到在元件自身故障的情況下，發(fā)電機(jī)組的退出運(yùn)行將會(huì)增大系統(tǒng)失電量，且機(jī)組容量越大影響越大?；诠收下屎褪Ф鹊脑匾群拖到y(tǒng)失電量的排序，可以找到RBTS6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的薄弱局部，本算例為線路#9。本文得到了系統(tǒng)中哪個(gè)元件失效或是自身故障對(duì)失負(fù)荷概率和失電量的排序，從中得到系統(tǒng)的薄弱局部。利用元件的重要度的可靠性用于分析元件退出運(yùn)行即元件可靠性參數(shù)改變較大的情況下，對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。之后可采用靈敏度方法[11-12]分析元件可靠性參數(shù)細(xì)微改變后對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響。在元件重要度分析后，假設(shè)元件的是否退出運(yùn)行對(duì)系統(tǒng)影響較小，可忽略元件的靈敏度計(jì)算，這種計(jì)算方法可加快發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性分析的計(jì)算速度，為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供重要參考數(shù)據(jù)。4結(jié)語(yǔ)計(jì)及元件重要度的發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性分析能夠反映出元件的失效所引起的系統(tǒng)可靠性的改變程度和趨勢(shì)。這些數(shù)據(jù)在發(fā)輸電系統(tǒng)的可靠性分析中，一方面有助于找到系統(tǒng)的薄弱局部，為減少系統(tǒng)停電風(fēng)險(xiǎn)提供有益的指向；另一方面可快速計(jì)算系統(tǒng)中元件的失效對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響，假設(shè)對(duì)系統(tǒng)可靠性較大，可繼續(xù)采用靈敏度的分析方法判斷元件參數(shù)的微小變化對(duì)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的影響，為可靠性投資分析提供有益的信息。將元件重要度方法與靈敏度相結(jié)合可更有效的分析電力系統(tǒng)可靠性，為可靠性評(píng)估提供新思路。參考文獻(xiàn)[1]胡博，開(kāi)貴，黎小林.HVDC輸電系統(tǒng)可靠性跟蹤方法[J]，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2010，30〔10〕：29-34.[2]淵，周念成，開(kāi)貴，況軍.大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的靈敏度分析[J]，電網(wǎng)技術(shù)，2005，29〔24〕：25-30.[3]淵，周家啟，周念成，開(kāi)貴.大電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的解析計(jì)算模型[J]，中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26〔5〕：19-25.[4]紀(jì)靜，開(kāi)貴，侃.電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)及可靠性改善分析[J]，電力系統(tǒng)自動(dòng)化2011，35〔13〕：98-102.[5]洋，開(kāi)貴，鑫.基于FTA法的電網(wǎng)運(yùn)行元件故障率分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37〔18〕：134-1