針對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可靠性評(píng)估

馬 超 陳博文

(國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司)

0 引言

在中國, 電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)(簡稱穩(wěn)控系統(tǒng))是保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第二道防線的重要設(shè)施。在“強(qiáng)直弱交”電網(wǎng)過渡期, 我國陸續(xù)開展了多項(xiàng)特高壓交直流電網(wǎng)穩(wěn)定控制的工程實(shí)踐, 如多直流饋入受端電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)、水電匯集多直流弱送端電網(wǎng)系統(tǒng)保護(hù)等分區(qū)電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)。當(dāng)前,穩(wěn)定控制的發(fā)展趨向于大規(guī)模、廣域化和復(fù)雜化。在電力設(shè)備遭受重大事故影響的情況下, 電力設(shè)備的可靠、快速運(yùn)行是保證電力設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性的必要條件, 而由于其可靠性下降而引起的誤動(dòng)和拒動(dòng),會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成二次傷害, 造成無法承擔(dān)的損失。由于穩(wěn)定控制系統(tǒng)的失敗而引發(fā)的電力系統(tǒng)安全事件屢見不鮮, 如2006 年華中地區(qū)“7·1”電力系統(tǒng)安全事件, 2011 年美國地區(qū)“9·8”電力系統(tǒng)安全事件,以及2018 年巴西地區(qū)“3·21”電力系統(tǒng)安全事件,均存在著設(shè)定數(shù)值調(diào)整不當(dāng)、系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)沒有充分反映極端嚴(yán)重事件、設(shè)備軟硬件系統(tǒng)存在缺陷等問題。如何保證穩(wěn)定控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行, 是一個(gè)不可忽略的問題, 因此開展穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性的研究極為重要[1]。

1 強(qiáng)化電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)度管理工作的重要性

在我國, 由于社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展, 各行各業(yè)對(duì)電力供應(yīng)的要求不斷提高, 而現(xiàn)有的配網(wǎng)系統(tǒng)已不能適應(yīng)市場的發(fā)展需要, 并且配網(wǎng)的覆蓋率也在不斷地?cái)U(kuò)大。為了提高電力網(wǎng)絡(luò)的可靠性, 就需要建立一個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化調(diào)度控制管理工作。從功能上來觀察, 自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)能夠完成對(duì)電容器的自動(dòng)投切, 變壓器的檔位調(diào)節(jié)等操作, 還能夠?qū)ε渚W(wǎng)的運(yùn)輸狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)分析,從而提高電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行品質(zhì)。在配套設(shè)施上, 可以與各種現(xiàn)代硬件相匹配, 而且可以實(shí)現(xiàn)電力信息的資源共享, 從而確?？傮w運(yùn)行費(fèi)用的最小化。由中國電科院研制的電源分配自動(dòng)控制, 它是基于開放體系結(jié)構(gòu)的一整套功能相互獨(dú)立同時(shí)又能夠協(xié)調(diào)運(yùn)行的組件式集成系統(tǒng)[2]。

2 電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性

2.1 確保安全運(yùn)行

如果在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了故障, 那么就有可能會(huì)直接導(dǎo)致電網(wǎng)出現(xiàn)大規(guī)模的故障, 從而給整個(gè)區(qū)域人民的正常生產(chǎn)和生活帶來了嚴(yán)重的后果。為此, 應(yīng)盡力確保區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)的安全、高效和正常運(yùn)行, 并在一定程度上維持電網(wǎng)的電力均衡, 盡量避免整體電網(wǎng)的意外, 降低其造成的經(jīng)濟(jì)損失。電力系統(tǒng)的運(yùn)營管理人員必須在保證電力系統(tǒng)不出現(xiàn)故障的情況下, 才能保證電力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。若在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)不良反應(yīng), 則要立即采用其它相關(guān)的方法, 將不良反應(yīng)降到最低。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)大規(guī)模的電力系統(tǒng)或電力系統(tǒng)失效而造成大規(guī)模的電力中斷時(shí), 應(yīng)盡量減少電力中斷的規(guī)模, 使電力系統(tǒng)在最短時(shí)間內(nèi)能夠重新獲得電力供應(yīng)。

2.2 合理滿足負(fù)荷

由于人們的生產(chǎn)、生活環(huán)境的改善與提升, 電力消費(fèi)對(duì)電力消費(fèi)的要求也在增長。為此, 需要在確保電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的前提下, 加速各類太陽能發(fā)電工程的開發(fā),并積極推進(jìn)風(fēng)電、太陽能發(fā)電等領(lǐng)域的發(fā)展。為了對(duì)平衡電氣發(fā)、送、配電系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌, 制訂電氣設(shè)備的日常維護(hù)、操作、維修和暫時(shí)電氣設(shè)備維修的方案, 確保系統(tǒng)的正常工作和運(yùn)轉(zhuǎn)。加強(qiáng)火力發(fā)電廠與變電站之間的聯(lián)系與協(xié)作, 加強(qiáng)對(duì)電力系統(tǒng)的維修與管理, 是對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行有效的維修與管理的基礎(chǔ)[3]。

2.3 合理利用能源

當(dāng)前, 在國家中, 各類非再生能源的開發(fā)潛能是十分受限的, 因此, 在進(jìn)行電網(wǎng)的發(fā)展和生產(chǎn)時(shí), 要對(duì)其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行全面的考量, 盡量將其經(jīng)濟(jì)效益發(fā)揮到極致。這一點(diǎn)的條件是, 一定要達(dá)到對(duì)電網(wǎng)的電能品質(zhì)和變壓器的能量損失的基本需求, 才能夠保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定地進(jìn)行。以減少熱電廠的運(yùn)轉(zhuǎn)效能及費(fèi)用, 對(duì)各熱電廠與變電所間的電流及能量損耗進(jìn)行有效的調(diào)控, 在各熱電廠的各熱電廠的溫度及壓力下, 對(duì)各熱電廠的各熱電廠的溫度及壓力進(jìn)行優(yōu)化,并對(duì)可再生能源進(jìn)行充分的使用, 從而使得全熱電廠在其運(yùn)作模式上可以取得最大的社會(huì)效益。

2.4 革新電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)動(dòng)系統(tǒng)的配套設(shè)備

同時(shí), 為了確保電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)高品質(zhì)的工作, 也需要對(duì)電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)輔助設(shè)備有新的需求。因?yàn)樽詣?dòng)控制的復(fù)雜性和綜合性, 所以在操作的時(shí)候, 必須要與多種軟件、設(shè)備和電源設(shè)備相結(jié)合,如果出現(xiàn)了兼容問題, 將會(huì)對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定造成直接的影響。為此, 應(yīng)盡可能地確保輔助設(shè)施的通用性, 以便與自動(dòng)調(diào)運(yùn)體系匹配。另外, 著重對(duì)設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與記錄能力進(jìn)行了需求, 在設(shè)備管理中要重視對(duì)電源等方面的控制, 并事先保留好后備裝置, 以便在配電設(shè)備發(fā)生問題時(shí)能夠進(jìn)行及時(shí)的替換, 避免更大的供電故障。所以, 在傳統(tǒng)的供電體系建設(shè)中, 要以穩(wěn)定性為中心控制, 采用各種獨(dú)立供電系統(tǒng)對(duì)多電源線路進(jìn)行供電, 以減少兩者的相互影響和干擾[4]。

2.5 加強(qiáng)電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用

電力網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)控制與管理是現(xiàn)代科技的產(chǎn)品,所以在使用過程中要根據(jù)電力網(wǎng)絡(luò)的具體特點(diǎn)做出相應(yīng)的調(diào)節(jié), 并且要加大對(duì)各種技術(shù)的運(yùn)用力度。比如,在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、儲(chǔ)存設(shè)備、數(shù)據(jù)庫以及操作系統(tǒng)中都要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制技術(shù)的設(shè)置, 從而增強(qiáng)了自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)的整體功能。其主要的措施包括: (1) 將數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行科學(xué)地運(yùn)用, 實(shí)現(xiàn)對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)收集, 同時(shí)將其與正常運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的數(shù)據(jù)參數(shù)相比較, 從而在供電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了問題的時(shí)候,能夠在數(shù)據(jù)參數(shù)中得到快速的反映, 同時(shí)將其鎖定,以便讓運(yùn)營人員能夠在最短時(shí)間內(nèi)做出相應(yīng)的處理。(2) 增強(qiáng)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)和管理能力, 簡化數(shù)據(jù)的過程,減少了轉(zhuǎn)移的過程, 減少了備用, 并對(duì)傳送帶寬進(jìn)行了最優(yōu), 從而在發(fā)生錯(cuò)誤的時(shí)候確保了傳送的效果,從而提高了自動(dòng)調(diào)度終端的控制品質(zhì); (3) 按照供、配電網(wǎng)規(guī)劃, 進(jìn)行數(shù)據(jù)要求的規(guī)劃, 并與各地域的具體電源相聯(lián)系, 進(jìn)行相應(yīng)的自動(dòng)控制, 從而過濾出不必要的信息, 增強(qiáng)了對(duì)整個(gè)體系的全面的解析能力。

3 分析馬爾可夫模型法

這一部分研究了在實(shí)際應(yīng)用中比較受重視的穩(wěn)定控制體系的可用性指數(shù), 并利用馬爾可夫模式方法與蒙特卡羅方法對(duì)其進(jìn)行了計(jì)算。在建立可靠度建模前, 對(duì)研究對(duì)象提出以下假定: (1) 穩(wěn)定控制中各個(gè)設(shè)備的失效和維修是彼此獨(dú)立的, 設(shè)備下一次運(yùn)行的運(yùn)行狀況只依賴于現(xiàn)在的運(yùn)行狀況, 而不依賴于過去的運(yùn)行狀況。(2) 當(dāng)設(shè)備發(fā)生錯(cuò)誤時(shí), 立刻檢查設(shè)備; (3) 該設(shè)備在維修完畢后馬上使用, 而不會(huì)再引進(jìn)新的錯(cuò)誤; (4) 修補(bǔ)后可獲得“修復(fù)如新”的良好結(jié)果。由于穩(wěn)定控制設(shè)備的故障與維修都符合指數(shù)型的概率分布, 且各個(gè)設(shè)備的結(jié)構(gòu)與組成原則基本一致, 通常都是在一個(gè)平臺(tái)上研發(fā)的, 因此, 4 個(gè)設(shè)備的失效率與維修率都是一致的, 其中, 4 個(gè)設(shè)備的失效率與維修率都是一致的, 即:μ和λ[5]。

3.1 分析馬爾可夫模式的建模方法

按照上述的理論和假定, 構(gòu)建一個(gè)雙層穩(wěn)定控制系統(tǒng)的馬爾可夫狀態(tài)空間轉(zhuǎn)換圖, 由圖一可見該雙層穩(wěn)定控制系統(tǒng)包括16 種不同的狀態(tài), 其中, 灰色為系統(tǒng)出現(xiàn)故障, 其它的為系統(tǒng)正常運(yùn)行。其中, 字母“F”代表設(shè)備發(fā)生了故障導(dǎo)致停止運(yùn)行, 字母“G”代表設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)正常。以馬爾可夫的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為基礎(chǔ), 構(gòu)建一個(gè)轉(zhuǎn)換矩陣, 并對(duì)該模型進(jìn)行計(jì)算, 得到該模型在每一種工作情況下的可能性, 最后得出該模型的可用程度為:

3.2 蒙特卡羅法分析

在兩層兩套結(jié)構(gòu)的主、副運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)控制系統(tǒng)中, 一段時(shí)間之內(nèi), 以指數(shù)分布為基礎(chǔ), 對(duì)每一臺(tái)設(shè)備的故障和維修時(shí)間進(jìn)行了隨機(jī)取樣, 并將每個(gè)設(shè)備的取樣時(shí)間進(jìn)行了排列, 以在各個(gè)時(shí)間段中設(shè)備的故障或工作狀況為依據(jù), 就可以得出該設(shè)備的狀況。圖二是一個(gè)該體系的一個(gè)狀況采樣時(shí)間曲線。從圖二可以看出, 在0 至3周期期間, 主要運(yùn)輸設(shè)備A’和A 相繼發(fā)生故障關(guān)閉,而輔助運(yùn)輸設(shè)備B 和B’正常運(yùn)轉(zhuǎn), 并且該系統(tǒng)是可以使用的; 在t 3 至t 5 期間, 輔助運(yùn)輸設(shè)備B’發(fā)生了失效, 并且主要運(yùn)輸設(shè)備沒有得到維修, 并且該系統(tǒng)是不可使用的; 在5 ～6 期間, A, B’得到了修補(bǔ), 而A’,B’仍然在修補(bǔ)之中, 并且該體系無法使用; 在第六個(gè)小時(shí), 當(dāng)A 開始工作的時(shí)候, A’被補(bǔ)上了, 并且整個(gè)體系重新開始工作。剩余時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)狀況與上述情況相同。在使用序列蒙特卡羅法進(jìn)行可用性分析的過程中, 選擇了1×107h、50 萬次的單個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)中的模擬實(shí)驗(yàn)。從前面的馬爾可夫理論中可以看出, 體系的可用性會(huì)隨著λ/μ的改變而發(fā)生變化, 所以可以將λ 作為一個(gè)確定的數(shù)值, 然后調(diào)整μ的大小, 從而得出不同λ/μ的取值范圍內(nèi)的體系的可用性[6]。

圖1 兩層穩(wěn)控系統(tǒng)馬爾可夫狀態(tài)空間轉(zhuǎn)移圖

圖2 兩層穩(wěn)控系統(tǒng)狀態(tài)抽樣時(shí)序圖

3.3 兩種方法分析結(jié)果

表1 兩種方法求得的穩(wěn)控系統(tǒng)可用度

4 結(jié)束語

因此, 在保證電力系統(tǒng)的安全、平穩(wěn)、可靠和經(jīng)濟(jì)的前提下, 提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性, 就顯得尤為重要。通過蒙特卡羅與馬爾可夫模式法的比較, 得出了兩種方法的可靠度評(píng)價(jià)結(jié)果。當(dāng)設(shè)備間具有比較單純的、小尺度的穩(wěn)定控制時(shí), 采用馬爾可夫模式法優(yōu)于蒙特卡羅模式方法。在大型穩(wěn)定控制體系中, 馬爾可夫模型難以建立, 采用基于蒙特卡羅方法的可靠度方塊圖和失效樹等方法, 實(shí)現(xiàn)指數(shù)的快速計(jì)算。