針對電力系統可靠性評估算法研究

王磊

摘 要：為了提高電力系統供電可靠性，目前大多系統都進行了數學模型的求解，隨著計算機的技術發展迅速，許多系統的穩定性可以利用程序進行仿真計算，以得到第一時間電力系統運行的安全狀態，以便進行實時的控制與調節。以滿足供電企業對用戶的供電能力，以滿足社會經濟的快速發展和人民生活的需要，因現階段人們對供電可靠性的要求越來越高，所以對電力系統的可靠性進行評估和提高供電可靠性已成為各供電企業的迫切任務。

關鍵詞：電力系統；可靠性；安全評估

中圖分類號：TM712 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）19-0075-02

1 電力系統元件可靠性模型

電力系統元件是電力網可靠性評估的最小單位。同時，元件其組成的網絡拓撲結構對電力網的可靠性評估密切相關。電力系統元件有兩狀態模型，常見的電力系統的狀態有以下幾種，即工作狀態、停運狀態。此處假設有運行參數R，它表示為故障率，是指由正常工作狀態向故障或檢修時的停運狀態的轉移率；另外設一運行參數為R，它的物理意義為停運狀態向工作狀態轉移的轉移率，在數值上它與故障修復時間TR互為倒數。假設元件處于正常工作狀態和停運狀態的概率分別為PN和PR，則有：PN+PR=1，由頻率平衡的概念，即元件進入一狀態的頻率等于離開該狀態的頻率，同時該頻率還等于該元件處于該狀態的概率與離開該狀態的轉移率的乘積，有下式：-RPN+RPR=0

聯立以上兩式有

2 電力系統的穩態運行要求

在數學模型中，電力系統運行過程主要包括非線性方程組、微分方程組與不等式約束方程組來描述。發電機與其負荷的動態元件一般用微分方程組表示，相應非線性方程組用于描述電力網絡的電氣約束；安全約束用不等式約束方程組描述。具體相關的數學模型見下面表達式。

2.1 節點功率平衡條件（等式約束）

式中，PGk和QGk分別表示發電機在母線k上的注入的有功功率和無功功率；PLk和QLk分別表示被母線k上的負載吸收的有功功率和無功功率。

2.2 節點電壓幅值約束（不等式約束）

各節點的電壓幅值不應超過允許的上限和下限：

2.3 發電機功率出力約束（不等式約束）

各可控發電機組的有功無功出力應在允許的上下限范圍之內，即

2.4 各支路（線路、變壓器）潮流應滿足

3 電力系統運行狀態要求及分布性能源影響

目前正常運行情況下，電力經常不可避免地發生不對稱短路或者突然性的甩負荷等，所以很有必要性對電力系統進行安全分析，其主要目的在于提高系統的安全性，通過閱讀相關文件可知，電力系統處于正常運行狀態應滿足下面兩種約束條件。等式約束條件可寫為：f（x，u）=0；則不等式約束可寫成：h（x，u）0，式中，x為狀態變量，一般選取為節點電壓幅值和相角，u為控制變量，而隨著各種可再生能源的接入，使電力系統的穩定性更受到一定的威脅，現就分配性電源接入對電網影響作必要討論。分布式電源接入配電網會相應的產生一些比較有利的影響，主要有：

3.1 提高供電的可靠性

在建設大型的電廠的勢頭越演越烈之際，電網的飛速發展已經對供電安全和供電穩定帶來了極大的威脅，因為萬一電廠和輸電通道之間發生故障，那么將可能發生大面積的停電。

3.2 改善供電質量

分布式電源內部一般都設有就地電壓調整以及無功補償功能，而與此同時在并網后因為有大系統作為支撐，那么用戶用電質量就可以得到很大的改善。

3.3 能夠平抑負荷的峰谷差

在用戶峰點時段，由于負荷較大，可能會較大的拉低電網的電壓，使得電網所連設備因電壓低而發生故障，更嚴重者，可能導致整個電網的電壓崩潰，而造成不可挽回的損失。

3.4 節能效果好

分布式電源卻能夠以“冷、熱、電”三聯產的形式予以供電，能夠實現能量的準梯級利用，比較符合“溫度對口、梯級利用”的基本原則，從而使得能源的利用效率大大地提高了一個階層。

3.5 低碳環保

分布式電源主要以天然氣、輕油等等，并聯合風力、地熱、水力、潮汐這些可再生能源的功率材料可以大大減少二氧化碳、氮、硫化物和一氧化碳這些有害氣體的排放。與此同時，由于分布式電源系統電壓等級較之傳統集中式發電要低，所以它的電磁污染是比較小的。

4 蒙特卡羅法仿真原理及模擬過程

蒙特卡羅法的基本原理是：根據電力網絡中各元件的可靠性參數，模擬各元件故障發生時間，再確定元件故障對電力網絡的影響，重復模擬過程，通過很多年的模擬，最后統計電力網的停電頻率，停電時間等可靠性指標。蒙特卡羅模擬法的模擬過程是：首先對每個元件都產生一個TTF，找出TTF中的最小者，這個模擬過程中，TTF最小者所對應的元件最先發生故障；再產生隨機數，利用公式模擬故障元件的修復時間TTF，并記錄下系統中受此故障影響的負荷點停電頻率和停電時間數據。

（1）對系統中n個故障元件的產生n個0-1之間的隨機

數，利用2.7公式求得n個TTF。（2）找出TTF中的最小者，并對這個故障元件產生一個新的隨機數，利用2.7公式求出故障修復時間TTRj。（3）確定受該元件故障影響的負荷點，統計這些負荷點的故障次數、故障時間數據。（4）修正模擬時序，并將故障元件與其他沒有發生故障的元件的TTF組成新的時間序列。（5）進行新的一次模擬，重復第3步到第5步，直到達到模擬時間。（6）統計系統的可靠性指標。

5 系統可靠性模擬

系統可靠性模擬程序主要是模擬元件的故障時間、故障次序，然后調用故障處理程序確定故障影響，達到仿真年限后，對故障處理程序生成的可靠性數據進行統計，最后計算出系統和負荷點的可靠性指標。

假設電力系統有n個元件，m個負荷點，對其進行N年的模擬。系統可靠性模擬程序的總體控制流程如下：（1）產生n個0-1之間的隨機數，可求出對應的TTF，TTFi表示元件i的無故障工作時間。（2）找出最小的TTFi，再產生一個0-1隨機數，并利用公式2.7求得故障元件的TTRi，TTRi為元件i的故障修復時間。（3）對故障元件，調用故障處理程序。計算完成后將故障處理程序得出的可靠性數據返回到系統可靠性模擬程序。（4）修改時序序列，令TTFi=TTFi+TTRi+TTF，將元件i與未發生故障元件的TTF組成新的時序序列。

故障處理程序主要是由已知故障元件信息，先確定故障所在區域塊，再由區域塊編號法，確定此故障對各區域塊的影響，并形成負荷點故障數據，最后將這些故障數據返回給系統可靠性模擬程序。下次介紹故障處理程序的原理。

介紹故障處理程序的原理之前，先介紹區域塊的故障分類思想。電力網的開關元件主要是斷路器和隔離開關，結構一般是輻射狀。發生故障時，離故障元件最近的前向斷路器將會動作，將故障元件與電源隔離開來。本文以開關為分段節點，將區域塊分類：（1）故障區域塊：這類區域塊包含故障元件，并且由開關元件隔開。這類區域塊內負荷點停電次數指標加“1”，停電時間為故障元件的修復時間。（2）故障前向區域塊：這類區域塊的前向開關元件為斷路器，后向開關元件為隔離開關，且隔離開關后向為故障區域塊。前向區域完成故障隔離后，可通過重合前向斷路器恢復供電，因此，此類區域塊故障次數加1，停電時間為故障隔離時間。（3）故障后向區域塊：這類區域塊為故障區域塊的后向區域塊，在由系統電源單獨供電的情況下，其故障次數加“1”，若編號的聯絡點標示為“1”，若可以被轉帶則其停電時間為轉帶時間，若編號的聯絡點標示為“0”，則其停電時間為故障修復時間。（4）無影響區域塊：無影響區域塊不受故障影響。

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