（电气工程专业论文）大电力系统可靠性评估的灵敏度分析及其校正措施模型研究.pdf

中文摘要 摘要 大电力系统可靠性评估能够为电力系统规划和运行决策提供重要的参考信 息，因此成为电力系统规划和运行的重要辅助工具，但它同时也是一个有待继续 深入研究的重大前沿性课题。 论文针对大电力系统可靠性评估模型和算法进行了系统的理论和应用研究， 在建立大电网可靠性的灵敏度指标体系、推导可靠性指标的解析表达式、实现以 可靠性为目标的多种类型f a c t s 元件的擐优配置和降低可靠性评估的计算复杂性 以缓解“计算灾”等方面作了大量工作。 论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 在对大电力系统可靠性进行深入理论分析的基础上，完整地推导了失负荷概 率l o l p 、失负荷频率l o l f 和电力不足期望e d n s 等大电力系统可靠性指标对元件 有效度吼、元件无效度、元件故障率九和元件修复率砘的灵敏度。尤其是利用 基于线性规划的最优负荷削减模型中等式和不等式约束的拉格朗日乘子的数学含 义，导出了e d n s 对元件容量e 的灵敏度，可以深刻地反映可靠性性能与结构的相 关信息。综合这些信息，可以有效发现钳制系统可靠性的薄弱环节，从而为系统 规划和运行提供重要的指导意见，也为进步研究基于元件灵敏度的大电网可靠 性的快速评估算法提供理论依据。通过对r b t s 和i e e e r t s 7 9 测试系统的可靠性 评估，验证了灵敏度分析的有效性和正确性。 ( 2 ) 在严格的理论证明和数学推导的基础上，首次导出了失负荷概率l o l p 、失负 荷频率l o l f 和电力不足期望e d n s 对元件可靠性参数的解析表达式，并详细阐述 了解析表达式中的系数瓦氏和d ，、d ：的物理意义。利用这些解析表达式可以 高效率地求取元件可靠性参数改变后的系统可靠性指标，开拓了通过解析方式计 算大电力系统可靠性指标的新途径，在缓解“计算灾”方面取得较大进展，为推 动大电力系统可靠性评估的工程应用创造了良好条件。解析表达式为电力系统规 划和设计人员进行网络规划提供了非常详尽和极具价值的参考信息，也可为制定 元件维修策略提供重要指导意见。 ( 3 ) 详细分析了静止无功补偿器s v c 、晶闸管控制的串联补偿器t c s c 、晶闸管控 制的移相器t c p s t 的结构特性，推导了它们的潮流计算模型并研究了它们的可靠 性模型。研究了计及s v c 、t c s c 和t c p s t 的最优负荷削减模型及其实现方法。首 次从可靠性的观点出发，通过对原始系统的可靠性评估，并充分利用最优负荷削 减模型中与f a c t s 元件控制参数相关的不等式约束的拉格朗日乘子的实际意义， 提出了电量不足期望e e n s 对s v c 输出无功、t c s c 串联补偿电抗、t c p s t 移相角的 重庆大学博士学位论文 灵敏度指标，这些灵敏度信息反映了在系统中某一位置安装相应f a c t s 元件将对 系统可靠性产生的潜在改善作用，因此利用它们可以导出以可靠性为强标的f a c t s 元件的最优配置方式。论文还全面实现了多种类型f a c t s 元件对系统影响的定量 可靠性评估，为大电力系统可靠性评估的应用研究展现了一种新的途径。通过对 r b t s 原始系统和r b t s 增强型系统的计算分析和比较，验证了本方法的有效性和合 理性，并充分显示了f a c t s 元件对系统可靠性的重要改善作用。 ( 4 ) 为提高可靠性评估的计算效率，论文提出了一种启发式的就近负荷削减模型， 它的基本思想是：按照就近原则在故障元件相邻的一定区域内通过潮流追踪搜寻 能有效缓解系统故障情况的负荷削减节点集。由于该模型避免了在整个系统范围 内进行全局优化以求取最优负荷削减量，故算法具有较高的计算效率。通过对r b t s 和i e e e r t s 7 9 可靠性测试系统的计算分析，表明启发式的就近负荷削减模型在保 持较高精度的前提下计算速度较国外近期发表的成果在计算速度上有大幅度提 高，为缓解大电力系统可靠性评估的计算时问瓶颈提供了一个良好的解决方案， 同时促进了可靠性技术在大电力系统中的实用化。通过对兰蛱5 0 0 k v 规划电网可 靠性的计算，验证了模型和算法的正确性和工程实用性，展现了本文成果的广泛 应用前景。 关键词：大电力系统，可靠性评估，灵敏度分析，灵活交流输电系统，最优配置， 校正措施 i i 萎窒塑至 a b s t r a c t b u l k p o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t y a s s e s s m e n t ( b p s r a ) c a l lp r o v i d ei m p o r t a n t i n f o r m a t i o na n d ，t h e r e f o r e ，i sas i g n i f i e a n ta u x i l i a r yt o o l i np o w e rs y s t e mp l a n n i n g ， d e s i g na n do p e r a t i o n ，a tt h es a m et i m ei t i ss t i l la ni m p o r t a n tt o p i ct h a tn e e d st ob e d e e p l y s t u d i e d t h e s y s t e m a t i c a ls t u d i e so nt h e o r ya n da p p l i c a t i o no f t h em o d e l sa n da l g o r i t h m so f b r s r aa r et h o r o u g h l yc o n d u c t e d i nt h i s d i s s e r t a t i o n , t h e r ea r em a n yr e m a r k a b l e w o r k so nc o n s t r u c t i n gas e m i t i v i t yi n d e xs y s t e mu s e dt oa s s e s sb u l kp o w e rs y s t e m r e l i a b i l i t y , d e d u c i n gt h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o n so fr e l i a b i l i t yi n d i c e sa sf u n c t i o n so f c o m p o n e n tr e l i a b i l i t yp a r a m e t e r si nt h es y s t e mc o n s i d e r e d , i m p l e m e n t i n gt h eo p t i m a l p l a c e m e n to f v a r i o u sf a c t sd e v i c e sb a s e do nr e l i a b i l i t y , a n dr e d u c i n gt h ec o m p u t i n g c o m p l e x i t yo f r e l i a b i l i t ya s s e s s m e n t ( r a ) t oa l l e v i a t e “c a l c u l a t i o nc a t a s t r o p h e ” t h em a i nr e s u l t si nd e t a i la r ei n c l u d e di nt h ef o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do nt h e o r ya n a l y s i si nd e p t ho fb u l kp o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t y , as e to f s e n s i t i v i t y f o r m u l a ss u c ha sl o s so fl o a d p r o b a b i l i t y ( l o l p ) ，l o s s o fl o a d f r e q u e n c y ( l o l f ) ，a n de x p e c t e d d e m a n dn o t s u p p l i e d ( e d n s ) ，诚t hr e s p e c t t o c o m p o n e n tp a r a m e t e r ss u c ha sc o m p o n e n ta v a i l a b i l i t ya n du n a v a i l a b i l i t y , c o m p o n e n t f a i l u r ea n d r e p a i rr a t e sa r ed e d u c e d t a k i n g f u l la d v a n t a g eo f t h e l a g r a n g em u l t i p l i e so f e q u a l i t ya n di n e q u a l i t y c o n s t r a i n t si nt h el i n e a rp r o g r a m m i n gb a s e d o p t i m a l t o a d s h e d d i n gm o d e l ，t h es e n s i t i v i t yf o r m u l a o fe d n sw i t hr e s p e c tt oc o m p o n e n t c a p a c i t yi s c r e a t i v e l yp r e s e n t e d t h e s es e n s i t i v i t y i n d i c e ss h o wt h e i m p a c t o fv a r i a t i o n si n c o m p o n e n tp a r a m e t e r so ns y s t e mr e l i a b i l i t ya n dr e f l e c tt h ei m p o r t a n c ed e g r e eo f e a c h e q u i p m e r i t t h i ss e n s i t i v i t yi n f o r m a t i o ni sv e r yu s e f u lt oe f f e c t u a l l yi d e n t i f ys y s t e m b o t t l e n e c k s a n dt o p r o v i d eg u i d ei n f o r m a t i o n f o r p o w e rs y s t e mp l a n n i n g a n d o p e r a t i o n ，f u r t h e r m o r e ，i tp r e p a r e sat h e o r e t i cb a s i sf o rd e v e l o p i n gaf a s t e v a l u a t i o n a l g o r i t h mo f b u l kp o w e rs y s t e mr e l i a b i l i t yw i t hs e n s i t i v i t yi n d i c e s t h er e s u l t st e s t e do n t h er b t sa n di e e e - r t s 7 9 s y s t e m s s h o wt h ee f f e c t i v e n e s s c o r r e c t n e s sa n d p r a c t i c a b i l i t yo f t h es e n s i t i v i t ya n a l y s i sm e t h o d ( 2 ) b a s e do nr i g o r o u st h e o r e t i c a lp r o o f , t h e 删y t i c a ie x p r e s s i o n so fr e l i a b i l i t y i n d i c e ss u c ha sl o l p , l o l fa n de d n s 。埘1 1 1r e s p e c tt o c o m p o n e n tr e l i a b i l i t y p a r a m e t e r sa r ef i r s t l yp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , a n dt h e nt h ep h ) s i e a tm e a n i n g so ft h e c o e f f i c i e n t sk 1 瞄a n d d l , d 2 a r es t a t e di nd e t a i l u t i l i z i n gt h e s ea n a l y t i c a lf o r m u l a s ， i i i 重庆大学博士学位论文 w ec a n e a s i l y c a l c u l a t et h e s y s t e mr e l i a b i l i t y i n d i c e si n8 1 1 a n a l y t i c a l m o d ew h e n c o m p o n e n tr e l i a b i l i t yp a r a m e t e r sv a r y n l ep r o p o s e dm e t h o dc a ne f f e c t i v e l ya l l e v i a t e c a l c u l a t i o n c a t a s t r o p h e a n dp r o v i d e a l la d v a n c e d t e c h n i q u e f o r p r o m o t i n g t h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fb p s r a t h ea n a l y t i c a l f o r m u l a sc a na l s op r o v i d em o r e d e t a i l e da n dv a l u a b l ei n f o r m a t i o nt op l a n n e r sa n d d e s i g n e r st h a nj u s ts e n s i t i v i t ya n a l y s i s d o e s ，a sw e l la sp r o v i d ei m p o r t a n tg u i d e t oc o m p o n e n tm a i n t e n a n c es t r a t e g i e s ( 3 ) t h ec o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，p o w e r f l o wa n d r e l i a b i l i t ym o d e l s o ft h e s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r s ( s v c s ) ，t h et h y r i s t o rc o n t r o l l e ds e r i e sc o m p e n s a t o r s ( t c s c s ) a n dt h et h 河s t o rc o n t r o l l e dp h a s e s h i f t i n gt r a n s f o r m e r s ( t c p s t s ) 矗r es t u d i e di nd e t a i l t h e o p t i m a ll o a ds h e d d i n gm o d e lc o n s i d e r i n gt h ea c t i o no fs v c s ，t c s c s a n dt c p s t s a n dt h e i ra l l o c a t i o ns c h e m e sa r ed e v e l o p e d t h i sd i s s e r t a t i o n ，f i r s t l y , f r o mt h ep o i n to f v i e wo nr e l i a b i l i t y , p r e s e n t san e wa l g o r i t h mt od e t e r m i n et h eo p t i m a ll o c a t i o n so ft h e f a c t sd e v i c e s t a k i n gf u l la d v a n t a g eo fv a l u a b l ei n f o r m a t i o nf r o mt h el a g r a n g e m u l t i p l i e si nt h eo p t i m a ll o a dc u r t a i l m e n tm o d e l ，t h ec r e a t i v es e n s i t i v i t yi n d i c e so f t h e s y s t e me x p e c t e de n e r g yn o ts u p p l i e d ( e e n s ) w i t hr e s p e c tt ot h ec o n t r o lp a r a m e t e r so f t h e s v c s ，t c s c sa n dt c p s t sa r ed e d u c e d t h e s es e n s i t i v i t y i n d i c e sr e f l e c tt h e p o t e n t i a li m p r o v e m e n t i ns y s t e mr e l i a b i l i t yw h e n i n s t a l l i n gs o m e f a c t sd e v i c e si nt h e c o r r e s p o n d i n g s i t e so ft h eb u l kp o w e rs y s t e m s ，w ec a n , t h e r e f o r e ，d e t e r m i n et h e i r o p t i m a ll o c a t i o n s i nt h et h e s i s ，t h es t u d yo f t h eb p s r a c o n s i d e r i n gm u l t i - t y p ef a c t s d e v i c e si sc o m p l e t e d n e p r o p o s e dm e t h o d i st e s t e do nt h er b t sa n dt h er e s u l t sv e r i f s t h a tt h i sm e t h o di sh i g h l ye f f i c i e n ta n dv a l i d ，a n da l s os h o wt h a tt h es y s t e mr e l i a b i l i t y c a r lb ei m p r o v e d e f f e c t u a l l yb y f a c t sd e v i c e s ( 4 ) t oi m p r o v et h e c a l c u l a t i o n e f f i c i e n c y o fr a ，t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t s a h e u r i s t i ca p p r o a c ht ol o c a ll o a ds h e d d i n gs c h e m e ，a n dt h eb a s i ci d e a sa r et os e a r c ht h e n o d es e t st oc o n d u c tl o a dc u r t a i l m e n tw h i c hc a na l l e v i a t es y s t e mp r o b l e m se f f e c t u a l l y a c c o r d i n gt o l o c a ll o a ds h e d d i n gp r i n c i p l ea n dt h r o u g hp o w e rf l o wt r a c i n gi nt h e v i c i n i t yo ft h ef a i l e ds y s t e mc o m p o n e n t s t h ep r o p o s e d m o d e li sv e r ye f f i c i e n tb e c a u s e i ta v o i d st h eg l o b a lo p t i m i z a t i o no ft h ew h o l es y s t e mt og e tt h eo p t i m a ll o a ds h e d d i n g a m o u n t t h er b t sa n di e 髓r t s 7 9p o w e rs y s t e m sa r ee v a l u a t e db yt h ed e v e l o p e d a l g o r i t h m f r o mt h er e s u l t s ，w ec o n c l u d et h a tt h ea l g o r i t h mc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h e c a l c u l a t i o nt i m ew h i l ek e e p i n gt h er e q u i r e da c c u r a c y , p r o v i d ea ne x c e l l e n ts o l u t i o nt o a l l e v i a t et h eb o t t l e n e c k c a u s i n g c a l c u l a t i o n p r o b l e m s ，a n dp r o m o t e t h e p r a c t i c a l a p p l i c a t i o no f b p s r a n l ee f f e c t i v e n e s s c o r r e c t n e s sa n dp r a c t i c a b i l i t yo fe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no f t h ep r o p o s e dm o d e li nt h et h e s i sa r ef u r t h e rv e r i f i e db yt e s t i n go nt h e 英文摘要 p l a n n e dt h r e e - g o r g e 5 0 0k v p o w e rs y s t e m k e y w o r d s ： b u l kp o w e r s y s t e m ，r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ，f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o n s y s t e m s ，o p t i m a la l l o c a t i o n , c o r r e c t i v es c h e m e v 1 绪论 1 绪论 电力系统的根本任务是尽可能经济而可靠地将电力供给用户。安全、经济、 优质是对电力系统的根本要求。但是，在现代化电力系统的功能日臻完善的过程 中，系统的结构日益复杂，系统所包含的元件数量越来越多，自动化程度也越来 越高，而且系统不断向超高压、远距离和大容量方向发展，由于系统元件的随机 故障而引起系统功能的部分甚至全部丧失，给现代社会的正常生产和生活带来的 经济和社会损失越来越巨大。电力系统可靠性研究正是因此而从电力系统规划、 设计和运行等实践活动中提出的一项具有巨大经济价值和重大社会意义的前沿性 课题。经过6 0 多年的不断努力，电力系统可靠性研究有了巨大发展。目前在一些 发达国家，大电力系统可靠性研究无论在数据统计和系统指标计算等方面都有了 较为成熟的方法，随着2 0 0 3 8 1 4 美加大停电经验和教训的总结，必将促进可靠 性评估研究逐步应用到电力系统规划和运行决策的常规性工作中。 1 1 电力系统可靠性评估的基本概念 可靠性是一个早己存在于人们的生产和生活之中的基本概念，它是一个衡量 系统和产品质量及功能的重要指标。长期以来，由于科学技术和生产发展水平以 及其它各种条件的限制，人们对可靠性的认识基本上是停留在定性的水平上，缺 乏严格的定量标准和系统的科学分析方法。但是随着科学技术的发展，产品和系 统的结构越来越复杂，对于可靠性的要求越来越高，可靠性的作用也越来越大。 特别是2 0 世纪4 0 年代以来，随着现代化大型工程系统，如导弹、航天、核电等 工程控制系统的发展，影响可靠性的因素变得十分复杂，一旦发生故障，就会造 成巨大的经济损失和难以估计的社会影响。为了研究和解决这些课题，可靠性工 程已相应地逐步发展并形成一门独立的学科应用于务个投术领域口j 。 可靠性是指一个元件、设备或系统在所处运行条件下，在预定的时期内能够 充分执行其预期功能的概率，因此可靠性在本质上是一个概率随机性问题。2 0 世 纪3 0 年代以来，随着电力工业的发展，可靠性工程理论开始逐渐引入电力工业， 电力系统可靠性也应运而生。所谓电力系统可靠性，就是可靠性工程的一般原理 和方法与电力系统工程问题相结合的应用科学，其实质就是用科学、经济的方式 充分发挥发电、输电、配电设备的潜力，保证向全部用户不间断地供给质量合格 的电力，从而实现全面的质量管理和安全管理。可靠性工程在电力系统的具体应 用如图1 1 所示。电力系统可靠性的主要任务是，从电力系统的各个主要环节出 重庆大学博士学位论文 发，研究电力系统的故障( 丧失功能) 现象，并对故障造成的后果制定定量的评 价指标和标准，在协调可靠性和经济性的基础上，对电力系统可靠性进行控制监 督和综合评价，并提出改进和提高可靠性水平的具体措施，组织或协助有关部门 加以实现。电力系统可靠性的主要工作内容和工作方法，是按电力系统各组成部 分，根据各个部分的不同特点和要求，以及构成各个环节的元件和系统的结构特 性、运行特性和管理方式，研究和建立适当的可靠性指标及其获取和计算的方法， 寻求提高元件和系统可靠性水平的途径，研究可靠性和经济性的协调配合，对元 件和系统进行可靠性的控制、监督和综合评价【2 】。 图1 1 可靠性工程在电力系统中的应用 f i 9 1 1 a p p l i c a t i o n o f r e l i a b i l i t ye n g i n e e r i n g i n p o w e rs y s t e m s 电力系统的根本任务是优质、经济、安全地将电能输送给用户，其基本功能 是按可接受的质量标准和所需数量连续不间断地满足用户的电力及电量需求，因 此电力系统可靠性评估就是对电力系统在一定时期内，在满足规程要求的电压质 量下连续不问断地对负荷进行供电的能力进行概率分析和评价，并在评估过程中 能够找到钳制系统可靠性的瓶颈环节。 电力系统可靠性评估是电力生产实践的重要工具，是对电力系统随机行为的 预见性分析和预防性研究，是对电力系统安全可靠问题的整体和全局把握。由于 电力系统可靠性评估能够提供许多重要参考信息和指导意见，能够找到被评估系 统的薄弱环节，能对随机事故的预防和事故后的快速恢复起到积极重要的作用， 因此可靠性评估成为发电系统、输电系统、配电系统规划决策中的重要工作p j 。近 年来，电力系统不断向超高压、远距离、大容量方向发展，特别是随着三峡电站 开始发电和全国电力系统开始联网，这在极大提高系统运行经济性的同时，也使 电力系统的安全可靠问题日益受到重视，对电力系统可靠性评估的研究也变得日 益迫切。现今，我国正在积极进行电力市场改革的探索，在电力市场中，用户购 买一定数目电量商品的同时，也购买了此商品的基本属性一“可靠性”【4 一，供电 的可靠性成为影响实时电价的因素之一。电力市场的形成，输电网的开放，独立 发电商的出现引起市场运作的随机性，这使电力系统的运行条件难以事先预知， 容易导致系统运行接近物理极限【5 】，这为电力系统的可靠性评估提出了新的要求： 快速、准确、能适应在线评估的需要，也为电力系统的可靠性评估提供了新的机 遇和挑战。 电力系统可靠性评估作为评价规划方案的重要辅助工具，在传统上被分成了 两个独立的部分，即充裕度( a d e q u a c y ) 和安全性( s e c u r i t y ) 【7 。充裕度评估主要 是分析扰动后的稳态情况下，电力系统在保持电力平衡和维持母线电压及线路潮 流在允许运行范围内的前提下，对系统是否拥有足够的发电和输电容量来满足用 户电力及电量需求的能力进行概率分析评估。充裕度评估有一个基本假设，即在 系统设备发生故障后，系统在经过动态过程后总是能够到达一个稳定运行的平衡 点，故充裕度评估适合于考虑小扰动的情况，由于只涉及系统的稳态研究，其分 析和计算方法比较成熟，现有的可靠性研究主要集中在这方面。安全性研究则是 分析系统在受到突然的大扰动的暂态情况下( 如发电机突然故障或线路发生短 路) ，系统中的继电保护装置是否能够足够可靠和及时地切除故障，以及在故障切 除后的动态过程中系统是否具有足够的承受扰动的能力以保持系统不失去稳定。 由于需要分析各种不同的初始状态下各种设备故障的组合情况，并且大规模电力 系统的概率暂态分析比较复杂( 通常需要求解大规模的微分方程组) ，分析过程不 仅涉及发电机的机电暂态行为，而且涉及各种保护装置的配置以及各种安全控制 装置的动作( 如a g c 、低频和低压减载、汽门快关、切机切负荷等) ，其模型的复 杂度和计算的耗时性远远超过充裕度评估，因此多年来在这方面的研究一直处于 探索阶段，文献 2 9 4 0 1 在这方面进行了有益的初步研究。充裕度主要关心系统 在计划停运和非计划停运下是否具有充分足够的发电和输电容量以满足用户的需 求。安全性则关心电力系统运行的整体性，即维持系统联合运行的能力，电力系 统的整体性旦遭到破坏，往往可能导致系统失稳、不可控的连锁故障和一连串 系统解列，由此导致大面积停电事故【l o j ，因此安全性评估重点关心的不是与电量 不足相关的指标，而是失稳概率和失稳频率等与系统整体性被破坏相关的指标。 电力系统充裕度可靠性评估可以按照各个子系统来进行分类，通常分为发电 系统、输电系统、发输电系统( 即大电力系统) 、配电系统、电气主接线系统等。 电力系统有三个典型的功能区域，即发电，输电，配电。在充裕度评估中，这些 重庆大学博士学位论文 功能区域的不同组合定义了不同的分层级别，见图1 2 。分层级别i ( h i e r a r c h i c a l l e v e l i ) 只考虑发电设备，输电和配电设备被认为完全可靠并能不受限制地将发 电点的电能输送到负荷点，这被称为发电系统可靠性评估( g e n e r a t i o n r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ) 或电源可靠性评估；它主要研究在考虑发电机随机故障 的情况下发电系统是否拥有足够的可用发电容量来满足负荷的需求，其可靠性指 标集中反映了发电系统对负荷的影响。分层级别i i ( h i e r a r c h i c a ll e v e li i ) 包括 发电和输电设备，不仅考虑发电容最和位置的约束，而且考虑输电网络的过负荷 及节点电压约束，但忽略配电设备故障，这被称为大电力系统( b u l kp o w e rs y s t e m ) 或发输电系统( c o m p o s i t eg e n e r a t i o na n dt r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 可靠性评估， 其可靠性指标反映了发电和输电系统的联合影响。分层级别i i i ( h i e r a r c h i c a l l e v e li i i ) 包括所有上述功能区域来评估负荷点的充裕度，称为完整系统可靠性 评估( 0 v e r a l ls y s t e mr e l i a b i l i t ye v a l d a t i o n ) 1 1 】。 图i 2 电力系统充裕度评估的分层级别 f i g1 2h i e r a r c h i c a ll e v e lo f p o w e rs y s t e ma d e q u a c y e v a l u a t i o n 发电系统可靠性评估实质上是对发电容量的充裕度进行分析计算，但由于没 有考虑到输电系统的结构及输电元件故障的影响，因而其评估的结果在实用上有 一定的局限性。同样地，如果仅对输电系统进行可靠性评估，由于没有考虑到发 电设备故障的影响，其结果在实用上也具有一定的局限性，因而有必要综合考虑 发电和输电设备的随机故障特性以进行大电力系统( 发输电系统) 可靠性评估。 由于发输电系统包括电力系统的主要发电厂及主干输电网络，承担着生产电能和 将电能输送到负荷中心的重要任务，发输电系统一旦故障可能造成大面积停电事 故，并可能由此造成严重的社会、政治、经济影响，因此对发输电系统进行有预 4 1 绪论 见性的可靠性评估和分析，找到对可靠性有重大影响的系统薄弱环节，不但能为 电力部门的设备运行和维修提供指导意见，而且能为系统规划人员的投资决策提 供重要的参考信息，因此大电力系统可靠性评估成为许多学者孜孜不倦研究的前 沿性课题，同时也是本论文的主要研究内容。 大电力系统充裕度可靠性评估的任务是：在考虑电源到负荷之间各种设备的 实际运行条件和系统的静态安全约束条件下，对发输电系统的可靠性进行定量分 析。其目的是为电力系统的规划及运行提供决策依据，使电力系统能经济，连续 地和在规定电压质量的条件下满足负荷需求。以下一些闯题的解决常常需要以大 电力系统的充裕度可靠性评估为基础1 1 2 j ： ( 1 ) 确定联络线的最佳传输容量； ( 2 ) 进行输电网络的长期规划； ( 3 ) 评价特定输电线路扩建方案； ( 4 ) 比较不同的输电规划方案； ( 5 ) 分析负荷管理( 控制) 对发输电系统的影响； ( 6 ) 确定抽水蓄能电站的安装容量； ( 7 ) 进行发电和输电的综合平衡。 1 2 大电力系统可靠性评估的意义 现代社会要求持续可靠、经济的电能，电能己从各方面深入我们的生活，成 为我们生活中密不可分的一部分。与此同时，大电力系统的结构却日益复杂，系 统所包含的元件越来越多，且系统不断向超高压、大电网方向发展。大电力系统 具有明显的经济优越性，但也带来了潜在的威胁，由于系统元件随机故障丽导致 的大面积、长时间停电事故的可能性也不断增加。2 0 世纪6 0 年代以来，许多国家 的大电网相继发生了重大事故，如下所示： 1 ) 1 9 6 1 年5 月1 5 日英国东南部电网大停电，停电范围2 2 0 万户，失去负荷约 1 5 0 万k w ，最长停电时间2 小时5 5 分； 2 ) 1 9 6 5 年1 月2 8 日美国中部5 个州大停电，停电区域3 5 万k m 2 ，失去负荷约 2 0 0 万k w ，最长停电时间2 小时3 0 分； 3 ) 1 9 6 5 年6 月2 2 日日本中部系统大停电，失去负荷约3 4 0 万k w ，最长停电 时间2 小时7 分： 4 ) 1 9 6 5 年1 1 月9 曰加拿大一美国东北部系统大停电，停电区域为美国东北部 8 个州和加拿大一部分，约2 0 万k 舻，影响3 0 0 0 万居民用电，失去负荷约2 5 0 0 万k w ，最长停电时间1 3 小时3 2 分； 重庆大学博士学位论文 5 ) 1 9 6 7 年6 月5 日美国宾泽马( p j m ) 系统大停电，停电区域约2 0 万k m 2 ，失 去负荷约i 0 0 0 万k w ，最长停电时间1 2 小时： 6 ) 1 9 7 7 年7 月1 3 曰纽约大停电，停电区域约1 5 5 0 k m 2 ，影响8 3 2 万居民用电， 失去负荷约6 1 3 万k w ，最长停电时间2 5 小时； 7 ) 1 9 7 8 年1 2 月1 9 日全法国大停电，失去负荷约2 9 0 0 万k w ，最长停电时间4 小时； 8 ) 1 9 7 2 年7 月2 7 日湖北全省大停电，失去负荷约2 0 0 万k w ，最长停电时间 十几小时： 9 ) 1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典东南部及丹麦的部分地区大停电，影响7 0 0 万居民 用电，最长停电时间1 小时3 0 分； 1 0 ) 1 9 8 4 年2 月2 9 日美国西部6 个州大停电，失去负荷约7 7 0 万k w ，影响3 0 0 万居民用电，最长停电时间1 个多小时； 1 1 ) 1 9 9 4 年1 2 月1 4 日美国西部各州及加拿大和墨西哥的一部分，冲击影响达 1 4 个州，影响2 0 0 万居民用电，最长停电时间4 个小时； 1 2 ) 2 0 0 3 年8 月1 4 日美国东北部和加拿大东部联合电网大停电，停电波及美 国中西部和东北部的大部分地区，以及加拿大安大略省，影响人口约5 0 0 0 万，停 电负荷约6 1 8 0 万k w ，美国某些地区停电达4 天，加拿大安大略省部分地区最长停 电时间达一周多。美国停电损失估计约4 0 1 0 0 亿美元，加拿大经济损失估计约2 3 亿加元i “。1 ； 这些大停电事故，特别是最近的美加大停电，其影响之深，波及范围之广， 造成的损失之重，令世人瞩目。但在另一方面，这些事故也给电力系统规划和运 行人员以深刻的教训，同时也促进了电力系统可靠性研究的迅速发展。为了提高 电力系统的可靠性，避免灾难性事故的发生，1 9 6 8 年美国成立了电力可靠性协会 ( n a t i o n a le l e c t r i cr e l i a b il i t yc o u n c i l ，n e r c ) ，1 9 8 1 年由于加拿大和墨西哥 的加入，改名为北美电力可靠性协会( n o r t ha m e r i c a ne l e c t r i er e l i a b i l i t y c o u n c i l n e r c ) ，n e r c 的成立极大地推动了电力系统可靠性理论的研究及其在工 程实际中的应用，也带动了世界多个国家电力可靠性管理工作的开展。我国于1 9 8 3 年成立了中国电机工程学会可靠性专业委员会和电工技术学会电工产品可靠性研 究会，1 9 8 5 年水利电力部成立了电力可靠性管理中心，1 9 9 9 年中国电力企业联合 会成立了电力工业行业可靠性管理委员会，它们的成立推动了我国电力系统可靠 性的研究工作i z j 。 这些大停电事故为电力系统可靠性研究提供了十分难得和宝贵的案例，也提 醒我们要进一步加强电力系统可靠性的研究工作。随着国民经济的发展，人们对 电力的依赖越来越深，任何短时间的停电或电力质量的下降( 如频率偏差、瞬时 6 l 绪论 电压下降) 都会对生产和生活带来严重影响。电力工业作为公用事业，其供电的 安全可靠性及符合要求的电力质量成为日益重视的问题。电力既是一种物质资源， 又是一种特殊的商品。随着电力系统逐渐放松管制，市场竞争机制开始引入电力 系统，市场竞争的焦点理应是电力的质量和电价，即电力的可靠性和经济性，对 于电力公司来说，如何达到可靠性和经济性的相互协调，如何有效找到系统中的 薄弱环节，如何安排有限的投资资金对薄弱环节进行改造以实现最大边际效益基 础上的最优可靠性成为重要的研究课题，这为电力系统可靠性研究的发展注入了 新的动力，也是本论文重点关心和研究的内容。 1 3 大电力系统可靠性评估的特点 自1 9 6 9 年国际知名学者r b i l l i n t o n 教授关于大电力系统可靠性评估的第一 篇学术论文f 1 3 l 问世以来，大电力系统可靠性评估在计算模型、评估方法和工程应 用等方面的研究都得到了迅速发展，但因其覆盖面广，考虑的因素极为复杂，涉 及大规模网络的诸多相关知识，一般属于n p ( n o n d e t e r m i n i s t i cp o l y n o m i a l ) 难 题，是目前组合数学范畴内尚无太大进展的研究课题，所以计算复杂性问题是大 电力系统可靠性评估最为棘手的问题。它具有以下特点i l 列： ( 1 ) 系统的规模大，涉及的设各种类多。大电力系统通常由多个发电厂和变 电站及输电线路组成，每个发电厂又拥有多台发电机，一个中等规模的发输电系 统通常包含数百台机组和数百条母线。在发输电系统中涉及的设备种类多，不但 包括发电机、变压器、输电线路等基本元