基于實時運(yùn)行狀態(tài)的電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性評估

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司 瞿 立

傳統(tǒng)的供電系統(tǒng)可靠性評價理論建立在概率與數(shù)理統(tǒng)計的基礎(chǔ)上,對正在建設(shè)中的供電系統(tǒng)進(jìn)行離線評價分析,并提供了一定的可靠性指數(shù)。自1969年R.Billinton 撰寫了有關(guān)這一范疇的一篇學(xué)術(shù)論文至今,在電力系統(tǒng)可靠性評價領(lǐng)域，從概念、建模、計算、軟件,以及工程應(yīng)用等各方面都獲得了大量研究成果,已經(jīng)成熟運(yùn)用于發(fā)電控制系統(tǒng)、發(fā)輸電電壓的合成控制系統(tǒng)、供電管理系統(tǒng)和發(fā)電廠、變電所主接線的離線評估和設(shè)計規(guī)劃等領(lǐng)域。由于所有的電流模型和計算理論，都采用了系統(tǒng)運(yùn)行模式的常數(shù)、元件可靠性常數(shù)模型和參數(shù)，忽略了實際運(yùn)行條件下的母線走向、開關(guān)電壓、系統(tǒng)頻率變化、元件使用概率的變化等，忽略機(jī)組工作的影響、負(fù)荷的實際變化、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化、實際運(yùn)行工況的變化對故障的影響。

在供電系統(tǒng)實際工作過程中,特別是當(dāng)控制系統(tǒng)遭受干擾或部分元器件脫離正常工作狀態(tài)時,系統(tǒng)工作方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和實際運(yùn)行條件會改變,所以傳統(tǒng)的系統(tǒng)安全性評價方法無法體現(xiàn)系統(tǒng)在此時的可靠水平,也無法有效運(yùn)用于現(xiàn)場調(diào)度,從而進(jìn)一步保障供電系統(tǒng)安全、可靠地正常工作。自一九九六年美國西部電網(wǎng)接連出現(xiàn)二次大規(guī)模中斷以來,美國政府在一九九九年組建了大電網(wǎng)可靠性解決方案研發(fā)協(xié)作機(jī)構(gòu)(CERTS),力圖利用國際領(lǐng)先的數(shù)字計量技術(shù)將風(fēng)險評價的理論與方法導(dǎo)入大電網(wǎng)調(diào)度控制中心,以達(dá)成實時評價大電網(wǎng)安全性的目的。

關(guān)于該問題,本文給出了系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的定義以及評價算法,以評定系統(tǒng)在當(dāng)前正常工作狀況下的可靠性水平,在傳統(tǒng)的發(fā)輸電電壓系統(tǒng)可靠性評價方式的基礎(chǔ)上,考察了系統(tǒng)實際運(yùn)營條件的改變及其對元件變化可靠性模型以及故障結(jié)果的影響。該算法還首次構(gòu)建了基于系統(tǒng)實際運(yùn)營條件的元件時變可靠性模型；然后,在該模式的基礎(chǔ)上使用蒙特卡羅模擬法,形成了系統(tǒng)中可能的故障狀況；再根據(jù)實際運(yùn)營要求對故障狀況做出后果分析；最后,測算出反應(yīng)系統(tǒng)中實際運(yùn)營可靠性水平的指數(shù)。

1 電力系統(tǒng)可靠性概念

所謂可靠性指的就是設(shè)備的元件、部件或者是產(chǎn)品和系統(tǒng)能夠在規(guī)定的條件和時間下成功完成規(guī)定功能的概率。這是元件、部件或者是產(chǎn)品和系統(tǒng)完整性的度量?？煽啃怨こ炭梢詾樵?、部件或者是產(chǎn)品和系統(tǒng)在標(biāo)定條件下和時間內(nèi)成功執(zhí)行的概率和能力提供理論和工具,這些元件或系統(tǒng)的可靠性性能可以被規(guī)定和設(shè)計。因此進(jìn)入了電力行業(yè)的人需要將可靠性工程技術(shù)移植到發(fā)電系統(tǒng)工程中去,這樣便形成了發(fā)電系統(tǒng)的可靠性工程技術(shù)。

電力系統(tǒng)安全性評價又被分為五個部分,它們是對發(fā)電系統(tǒng)的可靠性評價、發(fā)交流輸電系統(tǒng)安全性評價、輸電系統(tǒng)的可靠程度評價、供電安全性評價和發(fā)電廠變電所電器主接線設(shè)計安全性評價。其中,所謂的電力系統(tǒng)是由水力發(fā)電體系和電力輸送體系綜合而成的,對于這個系統(tǒng)的安全性評價在電力系統(tǒng)可靠性評價中也是十分關(guān)鍵的一個部分。不管是何種可靠性評估方法,其首要的入手點是資源充裕性與安全性。

充裕性:是指供電系統(tǒng)保證持續(xù)提供給使用者總體的用電需求和總的用電能量的能力,并且必須充分考慮到整個系統(tǒng)部件的預(yù)計停產(chǎn)情況和合理的預(yù)期而非預(yù)計停產(chǎn)。充裕度也叫做靜止可靠度,也就是說當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在靜止?fàn)顟B(tài)時,整個供電系統(tǒng)保證了使用者對電力和電能量的使用能力；安全性：是指電力系統(tǒng)承受突然發(fā)生的擾動,如突然短路或未預(yù)料到的系統(tǒng)元件丟失的能力?？煽啃砸步凶鰟討B(tài)可靠性,即在動態(tài)環(huán)境下動力系統(tǒng)經(jīng)受住突發(fā)干擾,并連續(xù)地向目標(biāo)使用者提供能源和電能量的能力。

2 運(yùn)行可靠性評估與傳統(tǒng)可靠性評估區(qū)別

運(yùn)行可靠性評估是在傳統(tǒng)安全性評價基礎(chǔ)上發(fā)展出來的,但二者之間有著很多不同之處：

目的不同。傳統(tǒng)可靠性評價的主要目的是給系統(tǒng)工程管理人員提出正確決策根據(jù),并協(xié)助他們確定怎樣進(jìn)行電網(wǎng)工程建設(shè)；運(yùn)營可靠性測評的目的是給運(yùn)營調(diào)度管理人員提出決策依據(jù),并協(xié)助他們判斷怎樣改善系統(tǒng)的工作方法；研究的時間段差異。傳統(tǒng)安全性評價研究的是系統(tǒng)在長期工作條件下的安全性水平,研究時間區(qū)間通常為數(shù)年或者數(shù)十年,但通常為可修復(fù)系統(tǒng)的研究；運(yùn)行安全性研究的對象是系統(tǒng)在短期內(nèi)的安全性水平,時間區(qū)間通常為幾分鐘至數(shù)小時,可認(rèn)為是不可恢復(fù)系統(tǒng)。

元器件安全可靠性模式差異。在傳統(tǒng)安全性評價中采用的元器件故障率是多年計算的平均數(shù),而元器件出現(xiàn)故障機(jī)率則是長期穩(wěn)定狀況概率；運(yùn)動安全性評價中采用的元器件設(shè)計模型充分考慮了運(yùn)行條件的因素,元器件故障率也會伴隨運(yùn)行條件的變化而調(diào)整,元器件出現(xiàn)故障機(jī)率即為瞬時狀態(tài)概率；技術(shù)指標(biāo)的不同。傳統(tǒng)安全性評價方法大多以切負(fù)荷指數(shù)來衡量系統(tǒng)可靠性水平,其中包含切負(fù)荷的概率、預(yù)期持續(xù)時間、預(yù)測頻次和預(yù)期數(shù)量等,指標(biāo)中隱含了對線路過負(fù)荷、母線電壓越限、系統(tǒng)功率不平衡等故障的嚴(yán)重程度的度量。

3 簡單電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性評估

3.1 運(yùn)行可靠性評估算法的流程

測量在當(dāng)前運(yùn)營狀態(tài)(包含常規(guī)運(yùn)營狀態(tài)、設(shè)備故障狀況、特種運(yùn)營方法)下的線路潮流、母線電流、系統(tǒng)運(yùn)行頻次等,并通過基于實際運(yùn)營條件下的元件可靠性模擬測算出該線、發(fā)電機(jī)、負(fù)載的停機(jī)概率、總停機(jī)量、修復(fù)數(shù)；根據(jù)元件的停運(yùn)量、檢修頻率,用蒙特卡羅模擬法形成系統(tǒng)在當(dāng)前工作狀況下可能出現(xiàn)的故障狀況；充分考慮發(fā)電機(jī)組的方式、負(fù)載的即時變動、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的改變等當(dāng)前控制系統(tǒng)工作要求的因素,對潛在出現(xiàn)的設(shè)備故障狀況做出結(jié)果模擬,剖析設(shè)備故障后控制系統(tǒng)是否正常(無部件過載、靜態(tài)電流安全)和在部件超載、電流越限的情形下為保證系統(tǒng)正常工作的切負(fù)荷代價；按照評估指數(shù)等于概率和結(jié)果乘積的定義估計可靠性指數(shù)。

3.2 發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)可靠性評估

系統(tǒng)在各種發(fā)動機(jī)設(shè)備故障狀況下的工作要求如表1,各狀態(tài)下部件停機(jī)機(jī)率如下：線路停運(yùn)概率均為1.811×10-4；1～5狀態(tài)下發(fā)電機(jī)停運(yùn)廄率為1.668×10-2，6狀態(tài)下為4.909×10-1，7狀態(tài)下為1.000，1～3狀態(tài)下負(fù)荷停運(yùn)缺率為0.0000、4～7狀態(tài)下分別為0.1310/0.5223/0.7270/0.9372；1～8狀態(tài)下各種發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)下的可靠性指標(biāo)分別為：PLC0.0002/0.0055/0.0820/0.2022/0.5615/0.9174/1.0000/1.0000，EENS(MWh/a)2.554×102、6.806×103、1.380×105、1.226×106、4.461×106、6.573×106、8.410×106、8.410×106，SI（系統(tǒng)分/年）1.596 ×10、40254×102、8.626×103、7.664×104、2.788×105、4.108×105、5.256×105、5.256×105,供電可用率0.9999/0.9992/0.9836/0.8542/0.4695 /0.2184/0.0000/0.0000。其中,PLC 是切負(fù)載概率、EENS 是年用電量小于預(yù)期值、SI 是重大程度指數(shù)。

表1 系統(tǒng)在各種發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)下的運(yùn)行條件

圖1 發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)

圖2 負(fù)荷故障狀態(tài)

根據(jù)評估結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)下的可靠性水平比在正常運(yùn)行狀態(tài)下的可靠性水平低很多,傳統(tǒng)的可靠性評估(0重故障評估結(jié)果)不能表述出系統(tǒng)在發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)下的可靠性水平；在1、3重發(fā)電機(jī)故障下,由于備用容量充足,系統(tǒng)頻率、電壓變化較小,仍在正常范圍內(nèi),所以發(fā)電機(jī)、負(fù)荷的停運(yùn)概率沒有變化。但是由于系統(tǒng)備用容量在減少,每臺發(fā)電機(jī)的出力增加,因此發(fā)電機(jī)故障的后果更加嚴(yán)重,系統(tǒng)的可靠性水平降低。

在發(fā)電機(jī)的故障狀況4～7下,盡管系統(tǒng)的后備容量下降較小，且發(fā)電機(jī)故障后果嚴(yán)重程度上升不大,但如果系統(tǒng)的后備容量為零,即下降了較少的發(fā)電機(jī)出力也會導(dǎo)致系統(tǒng)的工作頻率、電流顯著減少,從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)、負(fù)載的停運(yùn)機(jī)率顯著上升,控制系統(tǒng)的安全性水平也大幅度降低；在發(fā)電機(jī)故障狀態(tài)7下,系統(tǒng)頻率為46.44Hz,低于發(fā)電機(jī)頻率極限值46.5Hz,發(fā)電機(jī)停運(yùn)概率為1,負(fù)荷停運(yùn)概率為0.94。此時系統(tǒng)崩潰,供電可用率為0,可靠性水平等效于7臺發(fā)電機(jī)全部故障時的可靠性水平[1]。

3.3 負(fù)荷故障狀態(tài)可靠性評估

系統(tǒng)在1～4 狀態(tài)下負(fù)荷故障狀態(tài)下的運(yùn)行條件分別為：有功功率（MW）0/160/320/440、無功功率（MVar）0/52.7/105/145、線路輸送容量（MW）168.5/140.4/112.3/91.24、系統(tǒng)頻率（Hz）50.00/50.28/50.56/50.77、發(fā)電機(jī)電壓（pu）1.010/1.014/1.018/1.020、負(fù)荷電壓（pu）1.019/1.047/1.073/1.090；1～4狀態(tài)下元件停運(yùn)概率分別為：線路停運(yùn)概率I.811×I0-4、發(fā)電機(jī)停運(yùn)概率I.668×10-2、負(fù)荷停運(yùn)概率0；1～4狀態(tài)下可靠性指標(biāo)分別為：PLC0.0002/0.0002/0.0000/0.0000、EENS(MWh/a)255.4000/25.5600/0.9449/0.0185、SI（系統(tǒng)分/年）15.9600/1.9168/0.0886/0.0021、供電可用率0.999970000/0.999996000/0.999999800/0.9 99999996。根據(jù)評估結(jié)果可以得出以下結(jié)論：

系統(tǒng)在負(fù)荷故障狀態(tài)下的可靠性水平比在正常運(yùn)行狀態(tài)下的可靠性水平高很多,傳統(tǒng)的可靠性評估(狀態(tài)1的評估結(jié)果)不能表述出系統(tǒng)在負(fù)荷故障狀態(tài)下的可靠性水平；在負(fù)荷故障狀態(tài)2～4下,雖然元件停運(yùn)概率沒有變化,但是系統(tǒng)備用容量增加,發(fā)電機(jī)出力降低,發(fā)電機(jī)故障后果減輕,線路潮流降低,線路故障后果減輕,因此,系統(tǒng)可靠性水平升高。從以上分析結(jié)果可以看到,系統(tǒng)實時運(yùn)行條件對系統(tǒng)可靠性水平的影響非常顯著。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障、或處于特殊運(yùn)作方式之下時,由于工作條件變化對元件停機(jī)概率和停運(yùn)結(jié)果的影響,系統(tǒng)的可靠性水平會降低;隨著故障程度的加深,當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在極限運(yùn)行條件(潮流、頻率、電壓為極限值)時,系統(tǒng)的供電可用率為0,系統(tǒng)會崩潰[2]。

綜上，只有供電系統(tǒng)可靠地工作,才能滿足對供電系統(tǒng)安全性的要求。另一方面,由于動力系統(tǒng)在現(xiàn)場操作的安全可靠性有所保證,也可以對電力系統(tǒng)中運(yùn)行的安全隱患有相應(yīng)的監(jiān)視力度,這樣產(chǎn)生了一種良性的循環(huán),也有利于動力系統(tǒng)的安全可靠性以及對用戶的電能的使用安全性。