電力系統(tǒng)可靠性評估方法的分析

陳開達(dá) 蘇 展 郭 著 吳祖文 陳柯米

（國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙410015）

1 電力系統(tǒng)可靠性概述

可靠性（Reliability）是指一個元件、設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)定時間內(nèi)，在規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力。可靠度則用來作為可靠性的特性指標(biāo)，表示元件可靠工作的概率，可靠度高，就意味著壽命長，故障少，維修費用低；可靠度低，就意味著壽命短，故障多，維修費用高。

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電、用電等設(shè)備和相應(yīng)的輔助設(shè)施，按規(guī)定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)要求組成的一個統(tǒng)一系統(tǒng)。發(fā)電廠將一次能源轉(zhuǎn)換為電能，經(jīng)過輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)將電能輸送和分配給電力用戶的用電設(shè)備，從而完成電能從生產(chǎn)到使用的整個過程。

通常，評價電力系統(tǒng)可靠性從以下兩方面入手[2]。

（1）充裕性（adequacy）——充裕性是指電力系統(tǒng)維持連續(xù)供給用戶總的電力需求和總的電能量的能力，同時考慮到系統(tǒng)元件的計劃停運(yùn)及合理的期望非計劃停運(yùn).又稱為靜態(tài)可靠性，即在靜態(tài)條件下電力系統(tǒng)滿足用戶電力和電能量的能力。

（2）安全性（security）——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)料到的失去系統(tǒng)元件的能力，也稱為動態(tài)可靠性，即在動態(tài)條件下電力系統(tǒng)經(jīng)受住突然擾動且不間斷地向用戶提供電力和電能量的能力。

2 電力系統(tǒng)可靠性評估的發(fā)展

由于電力系統(tǒng)故障多是隨機(jī)發(fā)生的，而且很多故障超出了系統(tǒng)工程人員的控制能力，因此一般說絕對的毫不中斷地連續(xù)供電實際上是不可能的。為了盡量減少由于系統(tǒng)元件隨機(jī)故障對系統(tǒng)供電造成的影響，在電力規(guī)劃時，采用增加機(jī)組的辦法，但是經(jīng)濟(jì)性和可靠性是相互制約的，增加投資可以提高可靠性，然而過高的投資違反了經(jīng)濟(jì)性的約束。

電力系統(tǒng)的根本任務(wù)是盡可能經(jīng)濟(jì)而可靠地將電能供給各種用戶。用戶對供電的要求，一是保證供電的連續(xù)性；二是保證電能的質(zhì)量。由于系統(tǒng)內(nèi)元件的隨機(jī)故障，且這些故障又超出運(yùn)行調(diào)度人員的控制能力，因此完全不間斷的連續(xù)供電實際上是不可能的。隨著人們對供電質(zhì)量的要求越來越高，促使電力部門尋求提高供電可靠性的途徑。

電力系統(tǒng)可靠性評估有兩方面的目的：一是為電力系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行長期可靠性評估；二是為制定短期的運(yùn)行調(diào)度計劃進(jìn)行短期可靠性預(yù)測。

3 電力系統(tǒng)可靠性評估方法

在電力系統(tǒng)可靠性評估中，分析過程一般由以下三個步驟組成：狀態(tài)選擇、狀態(tài)估計和計算指標(biāo)。其可靠性評估常采用的有兩種基本方法：一種是解析法；另一種是Monte Carlo模擬法。

3.1 解析法[4]

解析法基于馬爾可夫模型，用數(shù)學(xué)方法從數(shù)學(xué)模型中評估可靠性指標(biāo)。該法是利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件的功能以及兩者之間的邏輯關(guān)系，建立可靠性概率模型，通過遞推和迭代等過程對該模型精確求解，從而計算可靠性指標(biāo)，其優(yōu)點在于采用了精確的數(shù)學(xué)模型。

解析法一般用于評估負(fù)荷點和系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的平均值或期望值，平均值在電力系統(tǒng)可靠性評估中是系統(tǒng)的基本指標(biāo)，但在指標(biāo)變化性上不提供任何信息。這種方法描述了存在于實際系統(tǒng)中的因果關(guān)系，在給定的假設(shè)條件下，一般可求得準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜時數(shù)學(xué)方程式會變得十分復(fù)雜，因而需要進(jìn)一步地簡化或近似，許多的近似技術(shù)因此就發(fā)展起來以簡化計算過程，得到近似結(jié)果。

解析法可分為網(wǎng)絡(luò)法、狀態(tài)空間法、故障樹法。

3.2 蒙特卡羅模擬法

解析法的特點是基于馬爾科夫模型，準(zhǔn)確度較高，適用于結(jié)構(gòu)簡單的小型電力系統(tǒng)的可靠性評估，但其計算工作量隨系統(tǒng)規(guī)模呈指數(shù)關(guān)系增長，而且當(dāng)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜時，其狀態(tài)空間的狀態(tài)數(shù)劇增，這必然會造成維數(shù)災(zāi)難。同時為了獲得解析模型，常常需要對系統(tǒng)的實際條件作較多簡化，所以其應(yīng)用受到較大的限制。

蒙特卡羅方法[4]是一種以概率統(tǒng)計理論和方法為基礎(chǔ)的數(shù)值計算方法，目前廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)可靠性的評估中。它與故障樹分析技術(shù)相結(jié)合，是對系統(tǒng)進(jìn)行可靠性預(yù)測分析的有效的途徑。它的優(yōu)點是屬于統(tǒng)計試驗方法，比較直觀，易于被工程技術(shù)人員掌握和理解，可以發(fā)現(xiàn)一些人們難以預(yù)料的事故，容易處理各種實際運(yùn)行控制策略，采樣次數(shù)與系統(tǒng)的規(guī)模無關(guān)，在進(jìn)行復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性評估時更具有優(yōu)越性。據(jù)此，采用蒙特卡洛法可以用來分析自動化系統(tǒng)的可靠性。

蒙特卡羅法的基本思想為：用落入失效域的樣本點數(shù)與總的投點數(shù)之比值作為失效概率的估計值。

蒙特卡羅模擬法是按一定的步驟在計算機(jī)上模擬隨機(jī)出現(xiàn)的各種系統(tǒng)狀態(tài)，即用數(shù)值計算方法模擬一個實際的過程，并從大量的模擬試驗結(jié)果中統(tǒng)計出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。隨機(jī)模擬的次數(shù)與系統(tǒng)規(guī)模無關(guān)，適應(yīng)性強(qiáng)，算法及程序結(jié)構(gòu)簡單。相比解析法而言，模擬法更適合于以下問題的求解：

①需要模擬非指數(shù)型分布；

②需要某些輸出指標(biāo)的分布函數(shù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù)；

③故障、檢修、計劃檢修間存在比較復(fù)雜的關(guān)系；

④對于大系統(tǒng)，解析法難以建立有效的數(shù)學(xué)模型的。

模擬法不僅可以隨機(jī)模擬系統(tǒng)運(yùn)行的實際方式，不需要對實際問題作過多簡化和假設(shè)，而且考慮更加全面，因此更適用于大型電力系統(tǒng)的可靠性評估。模擬法的計算程序結(jié)構(gòu)簡單，只需對N次獨立的試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計與計算即可完成，故此模擬法又稱為統(tǒng)計試驗法。

［1］郭永基.可靠性工程原理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

［2］郭永基.電力系統(tǒng)可靠性原理和應(yīng)用（上）[M].北京：清華大學(xué)出版社，1983.

［3］郭永基.電力系統(tǒng)計電力設(shè)備的可靠性[J].電力系統(tǒng)自動化，2001，25（17）：53-56.

［4］張?zhí)@薔.故障樹分析在電力系統(tǒng)可靠性研究中的應(yīng)用[J].華東電力，2005，33（2）：14-17.