針對電力系統(tǒng)可靠性評估算法研究

王磊

摘 要：為了提高電力系統(tǒng)供電可靠性，目前大多系統(tǒng)都進行了數(shù)學模型的求解，隨著計算機的技術發(fā)展迅速，許多系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以利用程序進行仿真計算，以得到第一時間電力系統(tǒng)運行的安全狀態(tài)，以便進行實時的控制與調節(jié)。以滿足供電企業(yè)對用戶的供電能力，以滿足社會經濟的快速發(fā)展和人民生活的需要，因現(xiàn)階段人們對供電可靠性的要求越來越高，所以對電力系統(tǒng)的可靠性進行評估和提高供電可靠性已成為各供電企業(yè)的迫切任務。

關鍵詞：電力系統(tǒng)；可靠性；安全評估

中圖分類號：TM712 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0075-02

1 電力系統(tǒng)元件可靠性模型

電力系統(tǒng)元件是電力網(wǎng)可靠性評估的最小單位。同時，元件其組成的網(wǎng)絡拓撲結構對電力網(wǎng)的可靠性評估密切相關。電力系統(tǒng)元件有兩狀態(tài)模型，常見的電力系統(tǒng)的狀態(tài)有以下幾種，即工作狀態(tài)、停運狀態(tài)。此處假設有運行參數(shù)R，它表示為故障率，是指由正常工作狀態(tài)向故障或檢修時的停運狀態(tài)的轉移率；另外設一運行參數(shù)為R，它的物理意義為停運狀態(tài)向工作狀態(tài)轉移的轉移率，在數(shù)值上它與故障修復時間TR互為倒數(shù)。假設元件處于正常工作狀態(tài)和停運狀態(tài)的概率分別為PN和PR，則有：PN+PR=1，由頻率平衡的概念，即元件進入一狀態(tài)的頻率等于離開該狀態(tài)的頻率，同時該頻率還等于該元件處于該狀態(tài)的概率與離開該狀態(tài)的轉移率的乘積，有下式：-RPN+RPR=0

聯(lián)立以上兩式有

2 電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)運行要求

在數(shù)學模型中，電力系統(tǒng)運行過程主要包括非線性方程組、微分方程組與不等式約束方程組來描述。發(fā)電機與其負荷的動態(tài)元件一般用微分方程組表示，相應非線性方程組用于描述電力網(wǎng)絡的電氣約束；安全約束用不等式約束方程組描述。具體相關的數(shù)學模型見下面表達式。

2.1 節(jié)點功率平衡條件（等式約束）

式中，PGk和QGk分別表示發(fā)電機在母線k上的注入的有功功率和無功功率；PLk和QLk分別表示被母線k上的負載吸收的有功功率和無功功率。

2.2 節(jié)點電壓幅值約束（不等式約束）

各節(jié)點的電壓幅值不應超過允許的上限和下限：

2.3 發(fā)電機功率出力約束（不等式約束）

各可控發(fā)電機組的有功無功出力應在允許的上下限范圍之內，即

2.4 各支路（線路、變壓器）潮流應滿足

3 電力系統(tǒng)運行狀態(tài)要求及分布性能源影響

目前正常運行情況下，電力經常不可避免地發(fā)生不對稱短路或者突然性的甩負荷等，所以很有必要性對電力系統(tǒng)進行安全分析，其主要目的在于提高系統(tǒng)的安全性，通過閱讀相關文件可知，電力系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)應滿足下面兩種約束條件。等式約束條件可寫為：f（x，u）=0；則不等式約束可寫成：h（x，u）0，式中，x為狀態(tài)變量，一般選取為節(jié)點電壓幅值和相角，u為控制變量，而隨著各種可再生能源的接入，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性更受到一定的威脅，現(xiàn)就分配性電源接入對電網(wǎng)影響作必要討論。分布式電源接入配電網(wǎng)會相應的產生一些比較有利的影響，主要有：

3.1 提高供電的可靠性

在建設大型的電廠的勢頭越演越烈之際，電網(wǎng)的飛速發(fā)展已經對供電安全和供電穩(wěn)定帶來了極大的威脅，因為萬一電廠和輸電通道之間發(fā)生故障，那么將可能發(fā)生大面積的停電。

3.2 改善供電質量

分布式電源內部一般都設有就地電壓調整以及無功補償功能，而與此同時在并網(wǎng)后因為有大系統(tǒng)作為支撐，那么用戶用電質量就可以得到很大的改善。

3.3 能夠平抑負荷的峰谷差

在用戶峰點時段，由于負荷較大，可能會較大的拉低電網(wǎng)的電壓，使得電網(wǎng)所連設備因電壓低而發(fā)生故障，更嚴重者，可能導致整個電網(wǎng)的電壓崩潰，而造成不可挽回的損失。

3.4 節(jié)能效果好

分布式電源卻能夠以“冷、熱、電”三聯(lián)產的形式予以供電，能夠實現(xiàn)能量的準梯級利用，比較符合“溫度對口、梯級利用”的基本原則，從而使得能源的利用效率大大地提高了一個階層。

3.5 低碳環(huán)保

分布式電源主要以天然氣、輕油等等，并聯(lián)合風力、地熱、水力、潮汐這些可再生能源的功率材料可以大大減少二氧化碳、氮、硫化物和一氧化碳這些有害氣體的排放。與此同時，由于分布式電源系統(tǒng)電壓等級較之傳統(tǒng)集中式發(fā)電要低，所以它的電磁污染是比較小的。

4 蒙特卡羅法仿真原理及模擬過程

蒙特卡羅法的基本原理是：根據(jù)電力網(wǎng)絡中各元件的可靠性參數(shù)，模擬各元件故障發(fā)生時間，再確定元件故障對電力網(wǎng)絡的影響，重復模擬過程，通過很多年的模擬，最后統(tǒng)計電力網(wǎng)的停電頻率，停電時間等可靠性指標。蒙特卡羅模擬法的模擬過程是：首先對每個元件都產生一個TTF，找出TTF中的最小者，這個模擬過程中，TTF最小者所對應的元件最先發(fā)生故障；再產生隨機數(shù)，利用公式模擬故障元件的修復時間TTF，并記錄下系統(tǒng)中受此故障影響的負荷點停電頻率和停電時間數(shù)據(jù)。

（1）對系統(tǒng)中n個故障元件的產生n個0-1之間的隨機

數(shù)，利用2.7公式求得n個TTF。（2）找出TTF中的最小者，并對這個故障元件產生一個新的隨機數(shù)，利用2.7公式求出故障修復時間TTRj。（3）確定受該元件故障影響的負荷點，統(tǒng)計這些負荷點的故障次數(shù)、故障時間數(shù)據(jù)。（4）修正模擬時序，并將故障元件與其他沒有發(fā)生故障的元件的TTF組成新的時間序列。（5）進行新的一次模擬，重復第3步到第5步，直到達到模擬時間。（6）統(tǒng)計系統(tǒng)的可靠性指標。

5 系統(tǒng)可靠性模擬

系統(tǒng)可靠性模擬程序主要是模擬元件的故障時間、故障次序，然后調用故障處理程序確定故障影響，達到仿真年限后，對故障處理程序生成的可靠性數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，最后計算出系統(tǒng)和負荷點的可靠性指標。

假設電力系統(tǒng)有n個元件，m個負荷點，對其進行N年的模擬。系統(tǒng)可靠性模擬程序的總體控制流程如下：（1）產生n個0-1之間的隨機數(shù)，可求出對應的TTF，TTFi表示元件i的無故障工作時間。（2）找出最小的TTFi，再產生一個0-1隨機數(shù)，并利用公式2.7求得故障元件的TTRi，TTRi為元件i的故障修復時間。（3）對故障元件，調用故障處理程序。計算完成后將故障處理程序得出的可靠性數(shù)據(jù)返回到系統(tǒng)可靠性模擬程序。（4）修改時序序列，令TTFi=TTFi+TTRi+TTF，將元件i與未發(fā)生故障元件的TTF組成新的時序序列。

故障處理程序主要是由已知故障元件信息，先確定故障所在區(qū)域塊，再由區(qū)域塊編號法，確定此故障對各區(qū)域塊的影響，并形成負荷點故障數(shù)據(jù)，最后將這些故障數(shù)據(jù)返回給系統(tǒng)可靠性模擬程序。下次介紹故障處理程序的原理。

介紹故障處理程序的原理之前，先介紹區(qū)域塊的故障分類思想。電力網(wǎng)的開關元件主要是斷路器和隔離開關，結構一般是輻射狀。發(fā)生故障時，離故障元件最近的前向斷路器將會動作，將故障元件與電源隔離開來。本文以開關為分段節(jié)點，將區(qū)域塊分類：（1）故障區(qū)域塊：這類區(qū)域塊包含故障元件，并且由開關元件隔開。這類區(qū)域塊內負荷點停電次數(shù)指標加“1”，停電時間為故障元件的修復時間。（2）故障前向區(qū)域塊：這類區(qū)域塊的前向開關元件為斷路器，后向開關元件為隔離開關，且隔離開關后向為故障區(qū)域塊。前向區(qū)域完成故障隔離后，可通過重合前向斷路器恢復供電，因此，此類區(qū)域塊故障次數(shù)加1，停電時間為故障隔離時間。（3）故障后向區(qū)域塊：這類區(qū)域塊為故障區(qū)域塊的后向區(qū)域塊，在由系統(tǒng)電源單獨供電的情況下，其故障次數(shù)加“1”，若編號的聯(lián)絡點標示為“1”，若可以被轉帶則其停電時間為轉帶時間，若編號的聯(lián)絡點標示為“0”，則其停電時間為故障修復時間。（4）無影響區(qū)域塊：無影響區(qū)域塊不受故障影響。

參考文獻：

[1]同濟大學應用數(shù)學系.高等數(shù)學（下冊）[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2]于繼來，柳悼，等.電力系統(tǒng)潮流解算中縱向調節(jié)和橫向調節(jié)的處理[J].電力系統(tǒng)自動化，1992，16（5）：17-20.

[3]劉取，倪以信.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性與控制綜述[J].中國電機工程學報，1990，10（6）：1-10.

[4]趙晉泉，江曉東，等.用于靜態(tài)穩(wěn)定預防控制的新靈敏度分析法[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，8（21）：27-32.