计及元件重要度的电力系统可靠性分析

..计及元件重要度的电力系统可靠性分析王文杰1，楠2,吴刚3，大川4〔1.东北电力大学电气工程学院，省市，132012；2.省电力培训中心，省市，130062;3.供电公司，省市，130000；4.供电公司，省市，132000〕摘要：计及元件重要度的发输电系统可靠性可以深刻地反映可靠性与系统元件的相关信息，利用这些信息可以发现钳制系统可靠性的薄弱局部，从而为系统规划和运行提供重要的指导意见。本文推导了基于失效度、故障率的元件重要度和系统失电量指标，这些指标可反映出元件的退出运行会对系统可靠性的影响。并以RBTS6节点测试系统为例，说明分别基于失效度和故障率的元件重要度对系统可靠性产生不同的影响，计算说明利用元件重要度可辩识系统的薄弱局部。关键词：元件重要度；可靠性；发输电系统;ElectricsystemreliabilityanalysisconsideringponentimportantdegreeWangWen-jie1，LiNan2，WuGang3，LiDa-shuang4〔1.SchoolofElec.Eng.，NortheastDianliUniversity，Jilin，132012；2.TrainingCenterofJilinElectricPowerCo.,LTD，JilinChangchun，130062；3.JilinPowerSupplyBureauofJilinPowerGridCorp，Jilin，Changchun，130000，China;4.JilinPowerSupplyBureauofJilinPowerGridCorp，Jilin，Jilin，132000，China〕ABSTRACT:Gageandtheponentimportantdegreeoftransmissionsystemreliabilitycanbeprofoundlyreflectinformationaboutreliabilityandsystemponents,useoftheseinformationcanbefoundthatstifletheweakpartofthesystemreliability,thusprovidingimportantguidanceforsystemplanningandoperation.Deducedinthispaper,basedonthefailure,thefailurerateofponentsimportantdegreesandsystempowerlossindex,theindexcanreflecttheelementsoffull-loadoperationwillaffectthereliabilityofthesystem.TakingRBTStestsystemasanexample,explainrespectivelybasedonthefailureandthefailurerateofponentsimportantdegreesofdifferentinfluenceonsystemreliability,thecalculationshowsthatusingtheponentimportancetoidentifyweakpartofthesystem.KeyWord:ponentimportantdegree;Reliability;Transmissionsystem;..0引言近年来，电力系统不断向超高压、远距离、大容量方向开展，这提高了系统运行的经济性，但同时也使系统的平安可靠问题逐渐突出。电力系统停电事故有可能造成了巨大的经济和社会损失，因此，对电力系统可靠性的分析、评估和应用等深入研究变得更加迫切。电力系统的可靠性除与单元的可靠性参数和电气参数有关，还与单元所处的网络构造有关。文献[1]提出了基于比例分摊思想的系统不可靠性分析方法，并结合可靠性计算中的子系统划分，总结出直流输电系统可靠性跟踪的2次分摊方法。文献[2]利用大电力系统可靠性指标的灵敏度反映系统可靠性的相关信息，利用灵敏度与单元故障率、修复率间的关系，发现钳制系统可靠性的薄弱环节。文献[3]利用可靠性指标的解析表达式高效准确地求取单元可靠性参数改变后的系统可靠性指标，得到系统可靠性指标对元件可靠性参数的函数。文献[4]提出了可靠性跟踪方法作为辨识电力系统薄弱环节的主要方法之一，通过跟踪分析可得到各单元对系统可靠性指标的奉献。发输电系统可靠评估的功能就是能够找到对系统可靠性较大的元件参数，即通常所说系统薄弱局部。目前，关于电力系统可靠性的分析的研究主要集中于系统可靠性指标与单元故障率、修复率、有效度、失效度之间的关系。而灵敏度方是分析系统可靠性指标与元件参数之间的关系，这种方法可有效地找到钳制系统可靠性的瓶颈。本文采用元件重要度的方法分析发输电系统的可靠性，元件重要度是指在系统元件失效的前提条件下系统故障的概率，这种方法可用于判断系统中元件失效对系统失电量的影响大小。此方法不但可以发现钳制系统可靠性的薄弱局部，而且可为电力系统规划和设计人员的投资提供丰富的有效信息。1电力系统可靠性指标对元件可靠性参数的解析表达式假设每一个系统元件只有故障停运和正常运行2种状态，表示元件处于故障停运状态的概率，即元件的无效度，表示元件处于正常运行状态的概率，即元件的有效度。〔1〕失负荷概率[2]〔LossofLoadProbability〕：表示由于系统元件容量缺乏导致系统失负荷的可能性的大小，文献[2]详细地推导了与元件可靠性参数间的关系，其表达式如下：〔1〕其中，表示系统状态发生的概率；是系统的状态函数，表达式如下〔2〕式中，表示在元件处于正常状态条件下由系统其他元件的随机故障行为引起的失负荷概率，即且，表示在元件处于故障状态条件下由系统其他元件的随机故障行为引起的失负荷概率，即且。〔2〕电力缺乏期望[2]〔ExpectedDemandNotSupplied〕：表示平均每年缺电力的多少，单位为，文献[2]详细地推导了与元件可靠性参数间的关系，其表达式如下：〔3〕其中，表示在故障系统状态下，为将系统恢复到一个静态平安运行点所必需的最小切负荷量。表示在元件处于正常状态条件下由系统其他元件的随机故障行为引起的电力缺乏期望，即，表示在元件处于故障状态条件下由系统其他元件的随机故障行为引起的电力缺乏期望，即。2电力系统可靠性指标对元件故障重要性因子的解析表达式2.1电力系统可靠性指标对元件故障重要度的解析表达式元件故障重要性因子[6]是美国在1957年提出的AGREE法中的概念，AGREE法中的故障重要性因子主要考虑了系统中各个单元的重要性和复杂性程度，且应用到电力系统的可靠性分析上是一种有效而准确的分配方法。对于电力系统而言，第个元件的重要性程度是由数值来描述，表示为元件故障所引起的系统失负荷的概率。的含义值同式〔3〕中的一样。〔1〕失负荷概率[2]由式〔3〕可知系统可靠性指标关于元件可靠性参数的解析表达式为。〔4〕关于元件故障重要性因子的系统可靠性指标可表示为：〔5〕在公式〔5〕中，元件有效度<1，〔〕。的大小取决于元件重要度的大小。在电力系统中，由于元件众多，为便于元件的横向比拟的方式排序，可将式〔5〕近似表示为式〔6〕，含义同式〔5〕一样。〔6〕〔2〕电力缺乏期望[2]由公式〔3〕可以得到系统可靠性指标关于元件可靠性参数的解析表达式。〔7〕关于元件故障重要性因子的系统可靠性指标可表示为：〔8〕式中，<1，〔〕，为系统削减负荷量。的大小完全由元件故障重要性因子和共同决定，且元件的的越大，对的影响越大。在系统众多的电力元器件中，假设所有元件采用横向比对的方式排序，公式〔7〕可近似表示为〔9〕2.2元件重要度的计算公式元件故障重要性因子[6]是指在元件故障的情况下，系统故障的概率〔系统失负荷或解裂〕。在式〔1〕中，的取值同一样。关于的求取方法主要是基于条件概率理论。〔10〕式〔10〕为概率论方法中条件概率公式，在电力系统的计算方法中，、、分别表示元件B失效、元件B和系统A同时失效、在元件B已经失效的条件下系统A失效的概率。电力系统中元件失效的因素有很多，大致可分为三大类影响因素：元件自身故障、外界环境引起的故障以及误动导致的停运。通常，元件的自身故障和设备年限、巡检结果等密切相关，外界环境影响包括气候因素〔雷击、雨雪、山林火灾、风沙、洪水、地震等〕、动物因素〔鸟害、兽害、树害等〕和偶然事故等。误动包括人为误操作和元件保护误动[5]。〔1〕基于失效度、故障率的元件重要度分别计算基于元件失效度和故障率的重要度。〔11〕式〔11〕中，〔〕是指在元件失效的条件下系统出现故障的概率〔切负荷或系统解裂〕。是指在元件失效的同时系统出现故障的概率。为元件的无效度。〔12〕式〔12〕中，〔〕是指在元件自身故障的条件下系统出现故障的概率〔切负荷或系统解裂〕。是指在元件自身故障的同时系统出现故障的概率。为元件的故障率。在发输电系统的蒙特卡洛模拟抽样中，假设抽样次数较大时，和近似相等，故有下面的式子。〔13〕〔14〕〔2〕基于元件失效度、故障率的系统失电量指标由公式〔9〕可知，系统可靠性指标在大量电力元件的比照中可近似表示为元件重要度和削减量共同决定。〔15〕是指在元件失效的条件下系统平均每年负荷削减量。〔16〕是指在元件自身故障的条件下系统平均每年负荷削减量。3算例分析可靠性分析以RBTS6节点系统为例[7]，该系统包括2个发电机节点〔共计11台发电机〕、4个负荷节点、9条传输线，系统构造如图2所示，其元件的电气参数及可靠性数据参见相关文献[7～9]。图1RBTS可靠性测试系统接线图表1RBTS的负荷母线年度化指标母线编号LOLP(10-4)LOLE小时EDNSMW/yEENSMW.h/y母线SM分钟母线#221.7520.0018.7626.28母线#31513.1400.018157.68111.30母线#41614.0160.00978.84118.26母线#55144.6760.00543.80131.40母线#68372.7080.1661454.24362.48表1中列出RBTS6节点系统中各负荷母线的可靠性指标参数，其中、〔失负荷期望〕、、〔电量缺乏期望〕和〔系统分〕[10]等指标均可反映系统的可靠性。这些可靠性指标表达了系统供电可靠性的优劣，但仅通过这些信息很难发现制约系统可靠性的薄弱局部，为解决此问题，采用元件重要度的方法分析可靠性。表2基于失效度和故障率的元件重要度排序元件名称元件名称L91.0000L90.003180G50.0931L10.000377G10.0931L60.000315G20.0690L20.000315G30.0690L70.000296G60.0576L50.000296G70.0571L80.000219G80.0441G10.000219G90.0441G20.000216G40.0339G50.000216G100.0313L30.000216G110.0282L40.000216L10.0278G30.000199L60.0226G40.000183L20.0215G60.000182L70.0215G70.000161L50.0215G80.000100L80.0215G90.000090L30.0105G100.000075L40.0105G110.000075由式〔6〕可知，元件重要度的大小可直接反映元件失效或故障对失负荷概率的影响。在表2中，可以看到线路#9的重要度最大，意味着线路#9的可靠性最差，主要因为线路#9是负荷母线#6与系统相连的唯一通路，一旦线路#9故障，负荷母线#6上的负荷将会失去电力供给。表1中可以得到，基于失效度的线路重要度大于机组的重要度，主要是由于在电力系统运行时线路的失效度远大于机组的失效度。而基于元件自身原因故障的机组重要度那么大于线路的，这是因为系统中机组因故障退出运行，将会直接导致系统失去局部电源，很有可能造成系统失负荷，且机组容量越大对系统的影响程度就越大。在列中，、、都是系统中单机容量最大的发电机组，均为，它们与系统中其他发电机相比，更故障更容易引起系统出现有功功率缺乏的情况。表3基于元件故障率和无效度的系统失电量排序元件名称元件名称L920.0000L90.063601G10.3837G50.002938G20.3837G10.002741G50.2644G20.002741L10.1992G30.001092L60.1992G60.000908L20.1359G70.000908L70.1359G80.000908L50.1037G90.000908L80.1011G40.000710G30.0953L10.000634G60.0903L60.000634G70.0903L20.000432G80.0903L70.000432G90.0903L50.000330G40.0900L80.000321L30.0197L30.000063L40.0158L40.000050G100.0022G100.000016G110.0022G110.000016由式〔9〕可知，系统失电量的大小由元件重要度和切负荷大小共同决定。表3为系统失电量的排序表。从中可以看到，线路#9的失电量值最大。其次发电机组#G1、#G2、#G5，这是由于三台发电机组的容量最大为40MW。列数据是在系统元件失效的前提下的系统失电量元件排序，线路#1、#6的排序仅次于线路#9和单机40MW的机组，这是由于母线#3所带的负荷，为系统最大负荷85MW，线路#1、#6任一故障都有可能造成母线#3切负荷，以保证系统的正常运行。线路#2、#7所接负荷母线#4带负荷为40MW，如果线路#2、#7因故障退出运行，也容易发生系统切负荷。列数据是在系统元件自身故障的前提下，系统失电量的估算值。与的数据相比，可以得到在元件自身故障的情况下，发电机组的退出运行将会增大系统失电量，且机组容量越大影响越大。基于故障率和失效度的元件重要度和系统失电量的排序，可以找到RBTS6节点系统的薄弱局部，本算例为线路#9。本文得到了系统中哪个元件失效或是自身故障对失负荷概率和失电量的排序，从中得到系统的薄弱局部。利用元件的重要度的可靠性用于分析元件退出运行即元件可靠性参数改变较大的情况下，对系统可靠性的影响。之后可采用灵敏度方法[11-12]分析元件可靠性参数细微改变后对系统可靠性的影响。在元件重要度分析后，假设元件的是否退出运行对系统影响较小，可忽略元件的灵敏度计算，这种计算方法可加快发输电系统可靠性分析的计算速度，为电力系统运行提供重要参考数据。4结语计及元件重要度的发输电系统可靠性分析能够反映出元件的失效所引起的系统可靠性的改变程度和趋势。这些数据在发输电系统的可靠性分析中，一方面有助于找到系统的薄弱局部，为减少系统停电风险提供有益的指向；另一方面可快速计算系统中元件的失效对系统可靠性的影响，假设对系统可靠性较大，可继续采用灵敏度的分析方法判断元件参数的微小变化对系统可靠性指标的影响，为可靠性投资分析提供有益的信息。将元件重要度方法与灵敏度相结合可更有效的分析电力系统可靠性，为可靠性评估提供新思路。参考文献[1]胡博，开贵，黎小林.HVDC输电系统可靠性跟踪方法[J]，中国电机工程学报，2010，30〔10〕：29-34.[2]渊，周念成，开贵，况军.大电力系统可靠性评估的灵敏度分析[J]，电网技术，2005，29〔24〕：25-30.[3]渊，周家启，周念成，开贵.大电力系统可靠性评估的解析计算模型[J]，中国电机工程学报，2006，26〔5〕：19-25.[4]纪静，开贵，侃.电网薄弱环节辨识及可靠性改善分析[J]，电力系统自动化2011，35〔13〕：98-102.[5]洋，开贵，鑫.基于FTA法的电网运行元件故障率分析[J].电力系统保护与控制，2009，37〔18〕：134-1