电力系统规划与可靠性.ppt

1、什么是电力系统可靠性？什么是电力系统规划？参考教材周家启、黄雯莹等译. 工程系统可靠性评估，科技文献出版社重庆分社，1988周家启、任震译. 电力系统可靠性评估，科技文献出版社重庆分社，1988*国家电力监管委员会电力可靠性管理中心. 电力系统可靠性技术与管理培训教材，中国电力出版社，2007*王锡凡. 电力系统规划基础，中国电力出版社，1994程浩忠. 电力系统规划，中国电力出版社，2008,第一章 概述 第一节 可靠性的基本概念 第二节 可靠性的发展状况 第三节 可靠性的使用范围,第一章 概述,1 可靠性的基本概念 1.1 引言 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、

2、经济、优质、可靠是对电力系统的根本要求。 但是，在现代化电力系统功能日益完善的过程中，系统结构日益复杂，系统所包含的元件越来越多，这也使电力系统的安全可靠问题逐渐突出。,20世纪60年代以来，全球范围内重大电网停电事故时有发生； 尤其是新世纪之初，2003年8月14日的美加大停电; 随后，英国、澳大利亚、马来西亚、芬兰、丹麦、瑞典和意大利等国又相继发生了较大面积停电事故。,资料： 2003年8月14日，美国东北部、中西部和加拿大东部联合电网发生大停电，波及的地域有美国的纽约州、新洋西州等8个州及加拿大的安大略省。 受停电影响的人口约5000万。 地域约24000km2。 停电持续时间为29h，

3、损失负荷6l800MW。,资料： 印度北部和东部地区2012年7月30日和31日连续发生两次大面积停电事故。覆盖了一半以上的国土，直接影响6亿多人的生活，是这个南亚国家11年来最严重的停电事故。 突如其来的断电导致交通陷入混乱，全国超过300列火车停运，首都新德里的地铁也全部停运，公路交通出现大面积拥堵,一些矿工被困井下,银行系统陷入瘫痪,大停电给人们的历史性警示： 这种事故很难用传统的、基于元件可靠性原理进行合理的解释。根据可靠性基本原理，若忽略元件故障间的相互影响，多重故障的发生满足一种“串联”效应，其概率值很小。事实上，电力系统的灾难性事故接二连三地发生，理论和实际产生了很大差距。 迫切

4、需要考虑大电网事件随机性质和计及各种不确定性影响的新思路与新方法，来补充、完善现行的确定性准则，以提高现代电力系统的抗风险能力，促进国家电网建设和市场化改革的健康发展。,电力系统可靠性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。 由于电力系统规模大、覆盖面广、网际互联、电网潮流的非线性分布、负荷削减模式复杂、故障地点、形式及时间难于预测等特点，使其可靠性的分析、评估和管理决策较之其他工程系统更为复杂。,可靠性与经济性的关系,UC代表可靠性投资成本（即增强性措施的成本，如：增装线路、断路器等）曲线；CC代表停电损失曲线；TC为可靠性总费用

5、曲线。,规划阶段或运行阶段增加投资都可减小用户供电中断的概率。但是，过高的投资必然导致过大的成本。因此，系统可能非常可靠，但不经济。反之，如果投资不足，又会发生严重的停电损失。 因此，规划、运行等都是在经济性指标和技术性指标（如：可靠性）之间权衡。 显然，经济性和可靠性的相互制约，带来了电力系统规划和运行管理决策的挑战和机遇。,1 可靠性基本概念 1.2.1 可靠性定义 可靠性是早已存在于人们生产和生活之中的基本概念，它是一个产品(或系统)在给定的运行条件下和在规定的时间期间内充分执行其预期功能的概率 ，而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。,1.

6、2.2 充裕性和安全性 针对电力系统的特点，国际上普遍接受的电力系统可靠性定义是：“电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户提供电力和电量的能力的量度。 电力系统可靠性包括充裕性和安全性两个方面。”,电力系统的充裕性 (Adequacy of an electric power system)：“电力系统稳态运行时，在系统元件额定容量，母线电压和系统频率等的允许范围内，考虑系统中元件的计划停运以及合理的非计划停运条件下，向用户提供全部所需的电力和电量的能力”；,电力系统的安全性 (Security of an electric power system)：“电力系统在运行中承受例

7、如短路或系统中元件意外退出运行等突然扰动的能力。” 电力系统可靠性研究必然涉及电力系统分析的方方面面。,现在电力系统大多数规划、设计和运行领域仍然使用基于数十年沿用的、已长期发挥作用的确定性准则。典型的有如：,1.2.3 确定性和概率性分析,(1) 发电容量规划：安装容量等于预测峰值加该峰值的一个固定百分数； (2) 运行容量：旋转容量等于预测负荷加一台或多台最大机组容量的备用； (3) N-1准则。,1.2.3 确定性和概率性分析,1.2.3 确定性和概率性分析 有4个发电系统（百分比备用）：,若按照最大机组备用，则负荷分别为： 230MW、220MW、220MW、210MW,确定性准则的基

8、本缺点在于没有，而且也不 可能计及系统行为、负荷变化或元件失效等的随 机性行为。,运用概率方法评估电力系统可靠性始于20世纪30年代，W.J.Lyman和S.M.Dean等人对统计理论进行研究，并将其运用于设备维修和备用容量确定等问题。电力系统中典型的概率问题有如： （1）发电机组的强迫停运(概)率； （2）架空线路失效率； （3）负荷预测。,1.2.3 确定性和概率性比较 现在电力系统大多数规划、设计和运行领域仍然采用确定性准则。确定性和概率性准则大致有以下特点： (1) 确定性方法以条款规定的形式表述，简单易行，便于实现，长期习惯；概率性方法需要量化分析，对于大电网往往 比较复杂，并要求高

9、新技术的支撑。,(2) 确定性方法不能区分故障事件发生的概率，同时，常常不区分失效事件对风险影响的大小；概率方法则可考虑事件发生的或然率和严重程度。 (3) 确定性评估只针对最严重故障和相应的失效工况；概率性方法能够反映总的综合风险，而不只是考虑单个最严重事件。,(4) 确定性方法不提供安全域以外的风险概率信息；概率方法可提供各种等风 险线的图形显示 。 (5) 确定性方法不可能分析运行工况的不确定性；概率方法可处理运行工况的 不确定性，从而适用于未来工况的评估。 (6) 确定性方法难以进行电网薄弱环分析；概率方法可通过灵敏度分析提供改 善电网安全和决策水平的针对性信息。,确定性准则的局限主要

10、在于没有考虑系统的随机行为，忽略了各种参数的不确定性和事件的概率属性，常常不能反映系统的真实风险度。但是确定性方法简单易行且长期使用；概率性方法需要较复杂的分析方法和高新技术的支撑，尤其是运行领域目前尚难实现工业应用。 因之两种准则应当互补，并需要继续探讨二者结合的可行方法。,1.2.4 可靠性评估方法 电力系统可靠性分析的基本方法可以分为两大类：状态枚举（即解析法）和模拟法（如蒙特卡洛模拟）。 通常，如果元件的失效概率很小，或不考虑复杂的运行工况，则状态枚举法效果较好；如果严重事件的数量相对较大，或计及复杂运行工况时，蒙特卡洛模拟法将更为方便。,解析法是根据电力系统元件的随机参数，建立系统的

11、可靠性数学模型，通过数值计算方法获得系统的各项指标。 由于解析法采用的是严格的数学手段，计算结果可信度高。但是它的计算量随系统规模的增大呈指数增长，对于大的电力系统，或当模型中需考虑的因素较多时，解析法会变得非常复杂。,模拟法是通过对系统实际过程和行为的模拟来估计可靠性指标。 这种方法从理论上讲，可以模拟电力系统规划、设计和运行的所有方面和随机性事件。它们包括元件停运和维修、相关事件和元件行为、失效元件的排序、负荷变化、水力发电来水量、以及各种不同的运行策略等等。,Monte Carlo模拟法,蒙特卡罗(Monte Carlo)方法，或称计算机随机模拟方法，是一种基于随机数的计算方法。这一方法

12、源于美国在第二次世界大战进研制原子弹的曼哈顿计划。该计划的主持人之一、数学家冯诺伊曼用驰名世界的赌城摩纳哥的Monte Carlo来命名这种方法，为它蒙上了一层神秘色彩。,Monte Carlo模拟法,Monte Carlo方法的基本思想很早以前就被人们所发现和利用。早在17世纪，人们就知道用事件发生的“频率”来决定事件的“概率”。19世纪人们用投针试验的方法来决定圆周率。 本世纪40年代电子计算机的出现，特别是近年来高速电子计算机的出现，使得用数学方法在计算机上大量、快速地模拟这样的试验成为可能。,Monte Carlo模拟法,考虑平面上的一个边长为1的正方形及其内部的一个形状不规则的图形，

13、如何求出这个图形的面积呢？Monte Carlo方法是这样一种随机化的方法：向该正方形随机地投掷N个点,其中有M个点落于图形内，则该图形的面积近似为M/N。 可用民意测验来作一个不严格的比喻。民意测验的人不是征询每一个登记选民的意见，而是通过对选民进行小规模的抽样调查来确定可能的优胜者，其基本思想是一样的。,1.2.5 统计评价和预测评估 可靠性管理活动中，可以对电力系统可靠性进行两方面的分析，一方面是对过去的行为作出可靠性统计评价（可靠性专责）；另一方面是根据过去的统计信息对未来的可靠性性能进行预测（评估）。,可靠性评估与可靠性统计的区别与联系 可靠性统计是从统计的角度对已经发生的故障进行记

14、录，通常用数据库便能简单解决。 可靠性评估是利用概率论、网络理论、电力系统等知识为基础，建立相应的可靠性评估理论、模型和算法，对既有的运行或规划网络进行评估。 两者的联系 1) 可靠性统计为可靠性评估奠定了坚实的基础； 2) 评估结果应以一定概率与统计的结果相一致。,1.2.6 可靠性价值 可靠性价值最直接的体现就是系统可靠性改善带来的停电损失减小。通过停电损失的计算即可将风险和经济因素放在统一的价值尺度上来衡量。但是停电费用损失的量化十分复杂而且方法并不成熟。 总之，停电损失费用是一个同时受到许多技术与非技术因素制约的复杂问题，非技术因素包括管理体制、产权以及电费制等等。,1.2.7 数据统

15、计 电力系统可靠性需要统计的基本数据包括各级各类设备及其所构成系统的运行和停运状态的原始记录，用于对元件性能及其对系统的影响、现运行系统和规划系统的可靠性进行分析评价或评估。,统计数据基本类型有： (1)元件和系统的失效率和停电持续时间； (2)失效模式； (3)元件故障类型和原因； (4)修复方式； (5)恢复供电方式； (6)每次停电持续时间； (7)不影响用户生产的临界最大停电时间； (8)用户全停后的恢复生产时间； (9)每次停电的用户停电损失。,典型的数据有如： (1) 机组、变压器或开关设备的铭牌参数； (2) 输电线路导线的型号、长度； (3) 以上设备的运行参数； (4) 各类

16、元件的故障和停运记录； (5) 系统或供电点的停运纪录； (6) 系统或供电点的平均失效频率、停运时间； (7) 重大停电事件的原始记录。,可靠性统计的实例,电力系统可靠性评估所要求的可靠性数据是元件停运模型中的参数。 数据质量是数据收集中要考虑的一个重要因素。通过参数估计方法从原始统计资料中获取风险评估的输入数据，这就要求设计合适的数据统计模型。 此外，由于可靠性数据具有动态性质的特点，可靠性数据库应当有不断更新数据和计算结果的功能。,1.3 可靠性技术的适用范围 1.3.1 可靠性技术的一般应用范围 可靠性将贯穿于产品或系统的整个寿命周期，即从研究、设计、生产直至使用的各个阶段。因此，可靠

17、性的活动涉及到设计、生产、运输、营运直至消费等极其广泛的领域 。,1.3.2 电力系统可靠性技术的应用领域 可靠性技术可在电力系统的规划、运行、维修和资产管理等领域发挥重要作 用。具体应用大体上有以下方面： (1)准则和标准的制定； (2)规划或现运行系统可靠性评估； (3)增强性措施的评估和决策； (4)可靠性成本-效益分析； (5)系统薄弱环节识别；,(6)发电容量和电网最优规划； (7)运行计划评估； (8) 备用容量和位置分布； (9) 运行方式薄弱环节识别和优化调度； (10)预防性维修的最优安排； (11)故障后恢复策略； (12)电力市场营运策略； (13)资产购置和备件管理；

18、(14) 资产全寿命周期成本分析。,资金的时间价值,P:现值 A:等年值 F:将来值,资金的时间价值,可靠性经济性分析,设线路故障率=1次/年，修复时间r=8小时/次。 假设每度电产值为30元，线路价格为20万元/公里，投资回收率为10，线路的使用年限为30年，折旧维护费按投资的10计算。线路长度均为5公里，负荷假设为5MW。 通过3个方案来讨论供电线路的增加对系统（负荷点）可靠性的影响（假设各变电站容量充足）。,方案1和2,方案3,总费用(年费用+停电损失)：方案一、二和三分别为：140.503、41.3274和61.8241万元。显然，方案二较优。,UC代表可靠性投资成本曲线；CC代表停电

19、损失曲线；TC为可靠性总费用曲线。,基于可靠性的水火电协调 水电机组发电出力的成本较小，增大其出力对电网经济运行有重要的意义；但是，如果某些火电厂出力过小，系统的电压、无功问题有比较突出，使得系统安全性受到影响。当然，如果增加火电厂出力也会增加电网的运行成本。如何在丰水期基于可靠性进行水电和火电协调分析。 某电网装机10406MW，其中（水电6767 MW，火电3639 MW）。在丰水期，系统中水电较为充足，协调好系统中水、火电机组的出力，对系统经济性和安全性具有重要的意义。,基于该电网的结构、潮流等，提出下述五种减少火电机组出力的方案：,5种不同方案,5种不同方案的可靠性指标(EENS),基

20、于该电网的结构、潮流等，提出下述六种增加火电机组出力的方案：,6种不同方案,6种不同方案的可靠性指标(EENS),根据上述可靠性指标，再进行以下分析： 1) 计算不同发方案的发电费用 2) 计算不同发方案的运行费用 3) 计算不同发方案的停电损失费用 4) 计算不同发方案的总费用 5) 根据总费用确定最优方案 建议增开“电厂2”、“电厂3”的部分机组。, 电网规划方案的选择,几种方案的经济性比较 设备规划使用年n30年，贴现率为i0.1，每度电平均产值为10元，设架设110kV线路投资为60万元/km，35kV线路投资为35万元/km 方案一 (1)架设新世纪到港中的35kV电源线路2km，机

21、厂到港中的3.323km线路停运。故可节省线路1.323km。（2）与原规划网相比，系统可靠性水平略有提高：系统EENS降低，则其创造的社会价值等年值为1234101.234万元。将该等年值化为现值是11.633万元，即在规划年内由减少停电损失而创造的社会价值现值为11.633万元。 结论：基于可靠性、经济性，得出推荐方案.,电网薄弱环节的分析(敏感度),根据元件P-Q、C-S等元件的敏感度指标,3个节点可靠性比较差,方案改进效果 经济性：与原方案比较，改进方案较原定方案节省了5km 110kV线路，节约投资约为50万元（当年价格）。每年平均可减少停电24万kWh，按该地区平均产值4元/度计，平均每年可减少停电损失约100万元。 可靠性：结果见下表。 城网规划可靠性指标比较,电力可靠性评估软件、程序,医疗仪器设备等,血压（140/85） 血糖 血脂 心率 ,身体健康指标,大电网可靠性指标,电网薄弱环节的分析(可靠性跟踪),当一个病人检查结果表明有高血压症状时