基于實時運行狀態的電力系統運行可靠性評估

國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司 瞿 立

傳統的供電系統可靠性評價理論建立在概率與數理統計的基礎上,對正在建設中的供電系統進行離線評價分析,并提供了一定的可靠性指數。自1969年R.Billinton 撰寫了有關這一范疇的一篇學術論文至今,在電力系統可靠性評價領域，從概念、建模、計算、軟件,以及工程應用等各方面都獲得了大量研究成果,已經成熟運用于發電控制系統、發輸電電壓的合成控制系統、供電管理系統和發電廠、變電所主接線的離線評估和設計規劃等領域。由于所有的電流模型和計算理論，都采用了系統運行模式的常數、元件可靠性常數模型和參數，忽略了實際運行條件下的母線走向、開關電壓、系統頻率變化、元件使用概率的變化等，忽略機組工作的影響、負荷的實際變化、電網結構的變化、實際運行工況的變化對故障的影響。

在供電系統實際工作過程中,特別是當控制系統遭受干擾或部分元器件脫離正常工作狀態時,系統工作方式、網絡結構和實際運行條件會改變,所以傳統的系統安全性評價方法無法體現系統在此時的可靠水平,也無法有效運用于現場調度,從而進一步保障供電系統安全、可靠地正常工作。自一九九六年美國西部電網接連出現二次大規模中斷以來,美國政府在一九九九年組建了大電網可靠性解決方案研發協作機構(CERTS),力圖利用國際領先的數字計量技術將風險評價的理論與方法導入大電網調度控制中心,以達成實時評價大電網安全性的目的。

關于該問題,本文給出了系統運行可靠性的定義以及評價算法,以評定系統在當前正常工作狀況下的可靠性水平,在傳統的發輸電電壓系統可靠性評價方式的基礎上,考察了系統實際運營條件的改變及其對元件變化可靠性模型以及故障結果的影響。該算法還首次構建了基于系統實際運營條件的元件時變可靠性模型；然后,在該模式的基礎上使用蒙特卡羅模擬法,形成了系統中可能的故障狀況；再根據實際運營要求對故障狀況做出后果分析；最后,測算出反應系統中實際運營可靠性水平的指數。

1 電力系統可靠性概念

所謂可靠性指的就是設備的元件、部件或者是產品和系統能夠在規定的條件和時間下成功完成規定功能的概率。這是元件、部件或者是產品和系統完整性的度量。可靠性工程可以為元件、部件或者是產品和系統在標定條件下和時間內成功執行的概率和能力提供理論和工具,這些元件或系統的可靠性性能可以被規定和設計。因此進入了電力行業的人需要將可靠性工程技術移植到發電系統工程中去,這樣便形成了發電系統的可靠性工程技術。

電力系統安全性評價又被分為五個部分,它們是對發電系統的可靠性評價、發交流輸電系統安全性評價、輸電系統的可靠程度評價、供電安全性評價和發電廠變電所電器主接線設計安全性評價。其中,所謂的電力系統是由水力發電體系和電力輸送體系綜合而成的,對于這個系統的安全性評價在電力系統可靠性評價中也是十分關鍵的一個部分。不管是何種可靠性評估方法,其首要的入手點是資源充裕性與安全性。

充裕性:是指供電系統保證持續提供給使用者總體的用電需求和總的用電能量的能力,并且必須充分考慮到整個系統部件的預計停產情況和合理的預期而非預計停產。充裕度也叫做靜止可靠度,也就是說當系統運行在靜止狀態時,整個供電系統保證了使用者對電力和電能量的使用能力；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系統元件丟失的能力。可靠性也叫做動態可靠性,即在動態環境下動力系統經受住突發干擾,并連續地向目標使用者提供能源和電能量的能力。

2 運行可靠性評估與傳統可靠性評估區別

運行可靠性評估是在傳統安全性評價基礎上發展出來的,但二者之間有著很多不同之處：

目的不同。傳統可靠性評價的主要目的是給系統工程管理人員提出正確決策根據,并協助他們確定怎樣進行電網工程建設；運營可靠性測評的目的是給運營調度管理人員提出決策依據,并協助他們判斷怎樣改善系統的工作方法；研究的時間段差異。傳統安全性評價研究的是系統在長期工作條件下的安全性水平,研究時間區間通常為數年或者數十年,但通常為可修復系統的研究；運行安全性研究的對象是系統在短期內的安全性水平,時間區間通常為幾分鐘至數小時,可認為是不可恢復系統。

元器件安全可靠性模式差異。在傳統安全性評價中采用的元器件故障率是多年計算的平均數,而元器件出現故障機率則是長期穩定狀況概率；運動安全性評價中采用的元器件設計模型充分考慮了運行條件的因素,元器件故障率也會伴隨運行條件的變化而調整,元器件出現故障機率即為瞬時狀態概率；技術指標的不同。傳統安全性評價方法大多以切負荷指數來衡量系統可靠性水平,其中包含切負荷的概率、預期持續時間、預測頻次和預期數量等,指標中隱含了對線路過負荷、母線電壓越限、系統功率不平衡等故障的嚴重程度的度量。

3 簡單電力系統的運行可靠性評估

3.1 運行可靠性評估算法的流程

測量在當前運營狀態(包含常規運營狀態、設備故障狀況、特種運營方法)下的線路潮流、母線電流、系統運行頻次等,并通過基于實際運營條件下的元件可靠性模擬測算出該線、發電機、負載的停機概率、總停機量、修復數；根據元件的停運量、檢修頻率,用蒙特卡羅模擬法形成系統在當前工作狀況下可能出現的故障狀況；充分考慮發電機組的方式、負載的即時變動、網絡結構的改變等當前控制系統工作要求的因素,對潛在出現的設備故障狀況做出結果模擬,剖析設備故障后控制系統是否正常(無部件過載、靜態電流安全)和在部件超載、電流越限的情形下為保證系統正常工作的切負荷代價；按照評估指數等于概率和結果乘積的定義估計可靠性指數。

3.2 發電機故障狀態可靠性評估

系統在各種發動機設備故障狀況下的工作要求如表1,各狀態下部件停機機率如下：線路停運概率均為1.811×10-4；1～5狀態下發電機停運廄率為1.668×10-2，6狀態下為4.909×10-1，7狀態下為1.000，1～3狀態下負荷停運缺率為0.0000、4～7狀態下分別為0.1310/0.5223/0.7270/0.9372；1～8狀態下各種發電機故障狀態下的可靠性指標分別為：PLC0.0002/0.0055/0.0820/0.2022/0.5615/0.9174/1.0000/1.0000，EENS(MWh/a)2.554×102、6.806×103、1.380×105、1.226×106、4.461×106、6.573×106、8.410×106、8.410×106，SI（系統分/年）1.596 ×10、40254×102、8.626×103、7.664×104、2.788×105、4.108×105、5.256×105、5.256×105,供電可用率0.9999/0.9992/0.9836/0.8542/0.4695 /0.2184/0.0000/0.0000。其中,PLC 是切負載概率、EENS 是年用電量小于預期值、SI 是重大程度指數。

表1 系統在各種發電機故障狀態下的運行條件

圖1 發電機故障狀態

圖2 負荷故障狀態

根據評估結果可以得出以下結論：

系統在發電機故障狀態下的可靠性水平比在正常運行狀態下的可靠性水平低很多,傳統的可靠性評估(0重故障評估結果)不能表述出系統在發電機故障狀態下的可靠性水平；在1、3重發電機故障下,由于備用容量充足,系統頻率、電壓變化較小,仍在正常范圍內,所以發電機、負荷的停運概率沒有變化。但是由于系統備用容量在減少,每臺發電機的出力增加,因此發電機故障的后果更加嚴重,系統的可靠性水平降低。

在發電機的故障狀況4～7下,盡管系統的后備容量下降較小，且發電機故障后果嚴重程度上升不大,但如果系統的后備容量為零,即下降了較少的發電機出力也會導致系統的工作頻率、電流顯著減少,從而導致發電機、負載的停運機率顯著上升,控制系統的安全性水平也大幅度降低；在發電機故障狀態7下,系統頻率為46.44Hz,低于發電機頻率極限值46.5Hz,發電機停運概率為1,負荷停運概率為0.94。此時系統崩潰,供電可用率為0,可靠性水平等效于7臺發電機全部故障時的可靠性水平[1]。

3.3 負荷故障狀態可靠性評估

系統在1～4 狀態下負荷故障狀態下的運行條件分別為：有功功率（MW）0/160/320/440、無功功率（MVar）0/52.7/105/145、線路輸送容量（MW）168.5/140.4/112.3/91.24、系統頻率（Hz）50.00/50.28/50.56/50.77、發電機電壓（pu）1.010/1.014/1.018/1.020、負荷電壓（pu）1.019/1.047/1.073/1.090；1～4狀態下元件停運概率分別為：線路停運概率I.811×I0-4、發電機停運概率I.668×10-2、負荷停運概率0；1～4狀態下可靠性指標分別為：PLC0.0002/0.0002/0.0000/0.0000、EENS(MWh/a)255.4000/25.5600/0.9449/0.0185、SI（系統分/年）15.9600/1.9168/0.0886/0.0021、供電可用率0.999970000/0.999996000/0.999999800/0.9 99999996。根據評估結果可以得出以下結論：

系統在負荷故障狀態下的可靠性水平比在正常運行狀態下的可靠性水平高很多,傳統的可靠性評估(狀態1的評估結果)不能表述出系統在負荷故障狀態下的可靠性水平；在負荷故障狀態2～4下,雖然元件停運概率沒有變化,但是系統備用容量增加,發電機出力降低,發電機故障后果減輕,線路潮流降低,線路故障后果減輕,因此,系統可靠性水平升高。從以上分析結果可以看到,系統實時運行條件對系統可靠性水平的影響非常顯著。當系統出現故障、或處于特殊運作方式之下時,由于工作條件變化對元件停機概率和停運結果的影響,系統的可靠性水平會降低;隨著故障程度的加深,當系統運行在極限運行條件(潮流、頻率、電壓為極限值)時,系統的供電可用率為0,系統會崩潰[2]。

綜上，只有供電系統可靠地工作,才能滿足對供電系統安全性的要求。另一方面,由于動力系統在現場操作的安全可靠性有所保證,也可以對電力系統中運行的安全隱患有相應的監視力度,這樣產生了一種良性的循環,也有利于動力系統的安全可靠性以及對用戶的電能的使用安全性。