電力系統可靠性評估方法的分析

陳開達 蘇 展 郭 著 吳祖文 陳柯米

（國網湖南省電力公司檢修公司，湖南 長沙410015）

1 電力系統可靠性概述

可靠性（Reliability）是指一個元件、設備或系統在預定時間內，在規定條件下完成規定功能的能力。可靠度則用來作為可靠性的特性指標，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。

電力系統是由發電、變電、輸電、配電、用電等設備和相應的輔助設施，按規定的技術經濟要求組成的一個統一系統。發電廠將一次能源轉換為電能，經過輸電網和配電網將電能輸送和分配給電力用戶的用電設備，從而完成電能從生產到使用的整個過程。

通常，評價電力系統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維持連續供給用戶總的電力需求和總的電能量的能力，同時考慮到系統元件的計劃停運及合理的期望非計劃停運.又稱為靜態可靠性，即在靜態條件下電力系統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承受突然發生的擾動，如突然短路或未預料到的失去系統元件的能力，也稱為動態可靠性，即在動態條件下電力系統經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 電力系統可靠性評估的發展

由于電力系統故障多是隨機發生的，而且很多故障超出了系統工程人員的控制能力，因此一般說絕對的毫不中斷地連續供電實際上是不可能的。為了盡量減少由于系統元件隨機故障對系統供電造成的影響，在電力規劃時，采用增加機組的辦法，但是經濟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濟性的約束。

電力系統的根本任務是盡可能經濟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性；二是保證電能的質量。由于系統內元件的隨機故障，且這些故障又超出運行調度人員的控制能力，因此完全不間斷的連續供電實際上是不可能的。隨著人們對供電質量的要求越來越高，促使電力部門尋求提高供電可靠性的途徑。

電力系統可靠性評估有兩方面的目的：一是為電力系統的發展規劃進行長期可靠性評估；二是為制定短期的運行調度計劃進行短期可靠性預測。

3 電力系統可靠性評估方法

在電力系統可靠性評估中，分析過程一般由以下三個步驟組成：狀態選擇、狀態估計和計算指標。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，用數學方法從數學模型中評估可靠性指標。該法是利用系統的結構和元件的功能以及兩者之間的邏輯關系，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，其優點在于采用了精確的數學模型。

解析法一般用于評估負荷點和系統可靠性指標的平均值或期望值，平均值在電力系統可靠性評估中是系統的基本指標，但在指標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中的因果關系，在給定的假設條件下，一般可求得準確的結果。當系統復雜時數學方程式會變得十分復雜，因而需要進一步地簡化或近似，許多的近似技術因此就發展起來以簡化計算過程，得到近似結果。

解析法可分為網絡法、狀態空間法、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，準確度較高，適用于結構簡單的小型電力系統的可靠性評估，但其計算工作量隨系統規模呈指數關系增長，而且當系統變得越來越復雜時，其狀態空間的狀態數劇增，這必然會造成維數災難。同時為了獲得解析模型，常常需要對系統的實際條件作較多簡化，所以其應用受到較大的限制。

蒙特卡羅方法[4]是一種以概率統計理論和方法為基礎的數值計算方法，目前廣泛應用于系統可靠性的評估中。它與故障樹分析技術相結合，是對系統進行可靠性預測分析的有效的途徑。它的優點是屬于統計試驗方法，比較直觀，易于被工程技術人員掌握和理解，可以發現一些人們難以預料的事故，容易處理各種實際運行控制策略，采樣次數與系統的規模無關，在進行復雜系統的可靠性評估時更具有優越性。據此，采用蒙特卡洛法可以用來分析自動化系統的可靠性。

蒙特卡羅法的基本思想為：用落入失效域的樣本點數與總的投點數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上模擬隨機出現的各種系統狀態，即用數值計算方法模擬一個實際的過程，并從大量的模擬試驗結果中統計出系統的可靠性指標。隨機模擬的次數與系統規模無關，適應性強，算法及程序結構簡單。相比解析法而言，模擬法更適合于以下問題的求解：

①需要模擬非指數型分布；

②需要某些輸出指標的分布函數或統計數據；

③故障、檢修、計劃檢修間存在比較復雜的關系；

④對于大系統，解析法難以建立有效的數學模型的。

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

［1］郭永基.可靠性工程原理[M].北京：清華大學出版社，2001.

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

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

［4］張藹薔.故障樹分析在電力系統可靠性研究中的應用[J].華東電力，2005，33（2）：14-17.