針對系統(tǒng)安全的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性評估

王 飛

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司）

0 引言

電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)是保障我國電網(wǎng)安全的重要設(shè)施，目前電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出大型化、復(fù)雜化等發(fā)展態(tài)勢。當(dāng)電網(wǎng)受到較為嚴(yán)重的故障影響時(shí)，電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)能夠及時(shí)動作，從而確保電網(wǎng)各運(yùn)行系統(tǒng)不會受到損害。電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可靠性一旦降低，會導(dǎo)致錯誤動作和不開展動作，將會加劇故障的影響，在我國社會發(fā)展過程當(dāng)中，出現(xiàn)過多次此類電網(wǎng)事故［1］。因此，針對系統(tǒng)安全的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可靠性評估，具備較強(qiáng)的研究價(jià)值和現(xiàn)實(shí)應(yīng)用意義。一種基于可靠性評估的中壓配電網(wǎng)規(guī)劃確定方法及系統(tǒng)與流程如圖所示。

1 電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性的評估指標(biāo)

在電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性評估過程中，適合的評估指標(biāo)能夠大大增加評估的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，兩種配電網(wǎng)用電可靠性指標(biāo)體系及綜合評估方法見表1和表2。本文主要介紹時(shí)間和概率兩種評估指標(biāo)，內(nèi)容如下。

表1 部分用戶配電網(wǎng)用電可靠性指標(biāo)體系及綜合評估方法a

表2 部分用戶配電網(wǎng)用電可靠性指標(biāo)體系及綜合評估方法b

圖 一種基于可靠性評估的中壓配電網(wǎng)規(guī)劃確定方法及系統(tǒng)與流程

1.1 時(shí)間指標(biāo)

多數(shù)情況下采用時(shí)間指標(biāo)評估電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置或系統(tǒng)的連續(xù)性運(yùn)行能力和失去能力后的修復(fù)能力。時(shí)間指標(biāo)主要包括三種，分別為平均失效前時(shí)間（MTTF）、平均首次失效前時(shí)間（MTTFF）、平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）。其中，平均失效前時(shí)間表示電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置或系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中，發(fā)生或出現(xiàn)故障前的平均時(shí)間；平均首次失效前時(shí)間則表示電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置或系統(tǒng)，從最初開始投入運(yùn)行，到第一次發(fā)生或出現(xiàn)故障的平均時(shí)間；而平均修復(fù)時(shí)間則是表示電網(wǎng)穩(wěn)定控制裝置或系統(tǒng)，在發(fā)生或出現(xiàn)故障后修復(fù)過程中所消耗的平均時(shí)間。此外，對于無法進(jìn)行修復(fù)的系統(tǒng)來說，假若存在多種不同的運(yùn)行情況，那么平均失效前時(shí)間和平均首次失效前時(shí)間也是不同的［2］。

1.2 概率指標(biāo)

電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性的概率評估指標(biāo)主要分為四種，分別是失效率、修復(fù)率、可用度以及要求時(shí)失效概率［3］，具體如下。

（1）失效率

失效率指標(biāo)是電網(wǎng)穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性評估的基礎(chǔ)指標(biāo)，定義為元件運(yùn)行到某時(shí)間時(shí)，沒有出現(xiàn)失效的情況，同時(shí)在之后的單位時(shí)間段內(nèi)，將會發(fā)生失效的概率。公式為：

式中，λw為失效率；λj為拒動失效率；Tw為出現(xiàn)錯誤失效時(shí)間；Tj為拒絕失效時(shí)間。

假若電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置是由多個模塊組成，那么裝置的實(shí)效率可用公式（3）和（4）計(jì)算：

式中，k為模塊數(shù)；λM為裝置失效率；λbi、λhi、λsi分別為各模塊組成的硬軟件部分失效率；αhi、αsi分別為各模塊組成的硬軟件部分的重要程度系數(shù)；m、n分別為組成模塊的軟件和硬件數(shù)量。

（2）修復(fù)率

修復(fù)率指標(biāo)是電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)當(dāng)中元件在某時(shí)間內(nèi)處于失效的狀態(tài)，在之后的單位時(shí)間內(nèi)會被修復(fù)的概率。公式可用式（5）表示：

式中，T為被修復(fù)的時(shí)間；μ為修復(fù)率。

（3）可用度

可用度指標(biāo)則為電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置或系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對其長期性狀態(tài)的概率表示。由于電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制裝置或系統(tǒng)長期處于運(yùn)行或者是修復(fù)的情況，可用公式（6）表示：

式中，A為可用度。

（4）要求時(shí)失效概率指標(biāo)

該指標(biāo)是表示電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，將會出現(xiàn)危險(xiǎn)失效的概率。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，利用安全儀表系統(tǒng)的可靠性評估方式，將要求時(shí)失效概率作為特殊保護(hù)系統(tǒng)可靠性的衡量指標(biāo)。同時(shí)還有學(xué)者認(rèn)為可將安全完整性的等級劃分作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可靠性評估指標(biāo)，等級越高系統(tǒng)出現(xiàn)危險(xiǎn)失效的概率也就越低，呈反相關(guān)，從而體現(xiàn)出較高的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和配置指導(dǎo)價(jià)值，利于求取特定可靠等價(jià)下該系統(tǒng)中各個組成部分的要求時(shí)失效概率上限值。

2 電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可靠性

2.1 保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行

最大限度保證電網(wǎng)區(qū)域范圍內(nèi)的安全、穩(wěn)定且有效地運(yùn)行，使電網(wǎng)長期保持功率的平衡，可有效預(yù)防電網(wǎng)在運(yùn)行過程中事故和故障的發(fā)生，降低后期維修費(fèi)用［4］。因此，電網(wǎng)相關(guān)運(yùn)行部門在管理電網(wǎng)時(shí)應(yīng)當(dāng)做好停電預(yù)警方案和措施，保證不會影響正常供電。

2.2 滿足負(fù)荷的條件

統(tǒng)一化管理且平衡電氣發(fā)、送、配電工作，制定出有效的各項(xiàng)日常工作計(jì)劃，可確保電網(wǎng)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，不斷提高發(fā)電廠及變電站間的協(xié)調(diào)性。將電氣設(shè)備的維護(hù)運(yùn)行工作作為最基礎(chǔ)的保障性工作，從而滿足我國人民生產(chǎn)及生活的電能需求。

2.3 能源的充分利用

能源的充分利用一直都是我國實(shí)現(xiàn)可持續(xù)性社會發(fā)展的重要內(nèi)容，提升電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可靠性，能在很大程度上減少火力發(fā)電廠的能源消耗和運(yùn)營成本。合理控制火力發(fā)電廠和變電站之間的能源消耗和電能輸送，通過自動最優(yōu)的負(fù)荷與分配內(nèi)容，可使以火力發(fā)電廠所構(gòu)建的電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

2.4 制動系統(tǒng)的改進(jìn)

制動系統(tǒng)改進(jìn)的主要作用為在電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，有效保證最低輸入功率的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)將機(jī)器調(diào)節(jié)閥的作用發(fā)揮到最大，有效控制發(fā)電機(jī)與設(shè)備的通用角度檢測，使電網(wǎng)動力系統(tǒng)當(dāng)中的發(fā)電機(jī)和設(shè)備能夠在同一種角度的變化過程中結(jié)合起來，最終達(dá)到電源系統(tǒng)穩(wěn)定且安全的運(yùn)行狀態(tài)。

3 針對系統(tǒng)安全的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性評估方法

3.1 可靠性框圖法

可靠性框圖法能夠?qū)㈦娋W(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)從圖像的形式轉(zhuǎn)化為框圖網(wǎng)絡(luò)，框圖網(wǎng)絡(luò)中的單個方框表示該系統(tǒng)中存在的特殊組件，再由各個方框聯(lián)合組成［5］。假若在利用該方法進(jìn)行可靠性評估時(shí)，能從框圖網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中尋找到一條非常順暢的通路，那么該通路所有的組件可以保證該系統(tǒng)的正常運(yùn)行。此外，可靠性框圖法在建立過程中過分依賴電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的實(shí)際架構(gòu)和各裝置間的邏輯關(guān)系，所此種方法比較適于物理結(jié)構(gòu)相對簡單且清晰的系統(tǒng)，同時(shí)不能將其用在平均首次失效時(shí)間前的計(jì)算當(dāng)中。

3.2 故障樹分析法

故障樹分析法主要用于電力安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的可靠性評估建模，是一種由上而下的識別模式，可利用故障樹相關(guān)符號，清楚反映出能夠使系統(tǒng)失效的故障元件組合，從而以此建立樹形模型。但是由于受到底層時(shí)間的確定需要影響，假若該系統(tǒng)建設(shè)規(guī)模較大且復(fù)雜時(shí)，使用此種方法就很難找到最小的影響，并且不同最小影響所導(dǎo)致的一種時(shí)間，非常容易出現(xiàn)概率重復(fù)出現(xiàn)和重疊的問題，進(jìn)而此種方法的適用范圍較小。

3.3 馬爾可夫模型法

馬爾可夫模型法在應(yīng)用過程中，需要具備的一個條件為：電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)中的修復(fù)系統(tǒng)是該模型法的修復(fù)系統(tǒng)。電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)自身屬于可修復(fù)的系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行過程當(dāng)中，將會存在多種運(yùn)行狀態(tài)，假若出現(xiàn)失效或修復(fù)狀態(tài)時(shí)，該系統(tǒng)能夠自行進(jìn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，而不同狀態(tài)的轉(zhuǎn)換主要動力為部件的失效或修復(fù)概率。

3.4 蒙特卡羅法

蒙特卡羅法作為建立在概率理論和統(tǒng)計(jì)理論兩種理論基礎(chǔ)上的隨機(jī)數(shù)模擬法，將其應(yīng)用到電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性評估過程當(dāng)中，不僅可以獲得關(guān)于該系統(tǒng)的可靠性評估的期望值指標(biāo)，同時(shí)還能得到該系統(tǒng)的可靠性評估指標(biāo)概率分布，從而建立出科學(xué)合理的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)模型、明確系統(tǒng)當(dāng)中的變量分布情況、得到概率和處理兩種抽樣的結(jié)果。

上述四種可靠性評估方法各有各的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)結(jié)合不同的可靠性評估場景，選擇最優(yōu)的評估方法。

4 結(jié)束語

綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用過程中，應(yīng)當(dāng)按照電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)對系統(tǒng)安全的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性評估指標(biāo)、內(nèi)容以及方法進(jìn)行合理的挑選，從而為之后進(jìn)行深度的電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)可靠性評估研究提供重要的參考數(shù)據(jù)，為其奠定堅(jiān)實(shí)的實(shí)踐操作基礎(chǔ)。