Book——电力系统可靠性分析

绪论

1.1 电力系统可靠性的基本概念

电力系统可靠性包含充裕度（adequacy）和安全性（security）两个部分。

充裕度又被称为静态可靠性，指在考虑系统元件的计划停运和合理的期望非计划停运前提下，电力系统维持连续供给用户总的电力需求和总的电能量的能力。

安全性又被称为动态可靠性，指发生突然短路或未预料的短路或失去系统元件现象等扰动时，电力系统不间断地向用户提供电力和电能量的能力。

发电系统可靠性

发电厂变电所电气主接线可靠性指已知主接线系统的元件（断路器、变压器、隔离开关、母线）的可靠性指标前提下，评估整个主接线系统的可靠性。

发输电系统可靠性包括充裕度和安全性两个方面。

输电系统可靠性指从电源点到供电点的可靠性评估，包括充裕度和安全性两个方面。

配电系统可靠性指从供电点到用户，包括配电变电所、高低压配电线路及接户线构成的整个配电系统的可靠性。

1.2 电力系统可靠性的发展过程

1.3 电力系统可靠性评估

各阶段电力系统的可靠性评估的任务：
规划阶段
a. 对未来的电力系统和电能量需求进行预测
b. 收集设备的技术经济数据
c. 制定可靠性准则和设计标准
d. 依据准则评估系统性能
e. 识别系统的薄弱环节
f. 选择优化方案
设计阶段
重点是发输电系统的可靠性评估，设计原则为：当遭受超过设计规程规定的大扰动时，不利影响扩散的风险最小。
运行阶段
对运行系统进行可靠性评估，以便在可接受的风险度下建立和实施各种运行方式，确定运行备用容量，安排计划检修，确定购入和售出电量，确定互联系统的输送电力和电能量。

可靠性评估手段
建立可靠性评估模型
解析法基于马尔可夫模型，随元件数量增加而计算量暴增。模拟法指蒙特卡洛法，虽然计算简单，但计算误差与试验次数的平方根成反比。因此，将两种方法结合使用。
建立可靠性信息管理系统
北美电力可靠性协会开发了发电设备可用率数据系统（generating availabiolity data system, GADS）;中国建立了发电设备可靠性数据，配电系统供电可靠性数据和输变电设备可靠性数据的管理系统。
建立重大事故监测装置
以地区为基础安装故障扰动监测设备，如事件顺序监测设备、故障记录设备、动态扰动记录设备等。

可靠性评估准则
概率性指标或变量的准则
确定性行为或性能试验准则
N-1准则。

故障准则及故障严重性估计
系统故障的准则
负荷越界、频率越界、电压超过极限、有功功率不足、无功功率不足、电压下降、不可控的解列、不稳定、连锁反应、电压崩溃、频率崩溃。

1.4 电力系统可靠性的新进展

RCM过程的7个关键问题：

在当前的运行环境下，该发电设备所期望的性能标准和功能是什么？

在什么样的情况下，它不能完成规定的功能（功能故障）？

每一个功能故障的原因是什么（故障模式）？

每一个故障发生时，会有什么现象发生（故障影响）？

各故障的重要性如何（故障后果）？

主动维修任务和维修间隔？

如果不能采取合适的主动维修方案时，针对该故障模式应该做些什么？

发电系统可靠性评估

2.1 概述

发电系统可靠性广泛应用于电力系统的中长期电源规划和运行规划。

2.2 停运容量概率模型的建立

2.2.1 建立模型时对一些工程问题的处理

等效强迫停运率（the equivalent forced outage rate）

2.2.2 安装容量、可用发电容量和停运容量

安装容量

2. 可用发电容量

3. 停运容量

4. 确切概率

为机组的强迫停运率,为机组的故障率，为机组的修复率。

5. 积累概率

6. 积累频率与增量频率

为从容量向停运容量小的状态的转移率，为从容量向停运容量大的状态的转移率。

为增量频率，是确切概率乘以该状态向较小停运容量转移的转移率与向较大停运容量的转移率之差.

积累频率，是出现停运容量大于等于$x_{k}$的期望次数，等于各确切状态的增量频率的总和。

2.2.3 用递推公式建立停运容量概率模型

确切状态概率公式

若发电系统原来已有一定数量的机组，后来又新增一台机组。

积累状态概率公式

确切状态频率与积累状态频率

2.3 负荷模型

2.3.1 一般考虑

发电系统的可靠性估计中，有两种方法：用确定停运容量模型和积累负荷模型，或者用积累停运容量模型和确切负荷模型。

本书采用了积累停运容量模型和确切负荷模型

2.3.2 不同计算方法使用的负荷模型

1. LOLE或LOLP法所用的确切负荷模型

LOLE （loss of load expectation) 电力不足期望值

LOLP (loss of load probability) 电力不足时间概率

采用研究时间内的日尖峰负荷，这种负荷模型只能反映电力不足的风险，不能反映电力不足的频率，持续时间和严重程度。

2. HLOLE法EENS法所用的负荷模型

HLOLE （hourly loss of load expectation）每小时电力不足期望值

EENS (expected energy not served) 电量不足期望值

3. 频率期间法所用的负荷模型

二级负荷模型

2.4 发电系统可靠性指标的计算

1. 电力不足时间概率（LOLP)）

2. 电力不足期望值 LOLE 和电力不足小时期望值 HLOLE

3. 电量不足期望值 EENS

4. 频率持续时间

5. 裕度容量模型

2.5 计划检修的处理方法

2.5.1 发电机的有效容量与迦弗尔公式

Garver公式

2.5.2 特征斜率的意义

M值相当于系统总装机容量的5%~10%。因此，单机容量一般不大于系统容量的10%，以免有效容量降低太多而不经济。

2.5.3 按等风险度法安排检修计划

有效机组容量除了可以应用在检修计划的安排上，还可以被应用于新的机组替换旧的机组时的容量计算，以及向系统中加入新机组时的可靠性计算。

2.6 随机生产模拟

2.6.1 基本原理

2.6.2 应用特点

作用：

1、确定发电机组带负荷的优先顺序；

2、按带负荷顺序安排发电机组的运行，计算其发电量；

3、计算可靠性指标；

4、计算燃料消耗量及发电成本；

5、为水电机组找到合适的带负荷位置

2.7 我国2000年的发电系统可靠性评估

2.7.1 原始数据

2.7.2 评估结果及分析

2.8 小结

发输电系统可靠性中的充裕度评估

3.1 概述

发输电系统可靠性（composite generation and transmission system reliability）

负荷供应能力

分析原理
事故模式和影响分析

表示充裕度的可靠性指标
分为负荷点指标和系统指标两类。负荷点充裕度可分为基本值、最大值和平均值，分别反映某种系统故障时供电点基本可靠性特征量、故障严重程度和充裕度平均水平。
系统的充裕度指标反映系统事故对整个发输电系统的影响，表明事故的全局影响。
包含系统停电指标、系统削减电量指标、严重性指标、每次扰动造成的平均削减负荷量、每个负荷点平均值、事故时削减负荷与少供电量的最大值。

电力市场条件下对发输电系统可靠性的新要求
降低需求预测的不确定性：电力系统的需求包括瞬时需求（instantaneous demand）、平均需求、集成需求（integrated demand）、需求时段（demand interval）、合同需求（contract demand）、固定需求（firm demand）、定单需求（billing demand）
可靠性要面对多种公司
要考虑多种传输能力。
总传输能力（total transfer capability, TTC）指能从互联输电系统的一个区域可靠地通过区域间的输电线（或通路），在规定条件下调用或传输到另一个区域的电力额度。
输电可靠性裕度（transmission reliability margin, TRM）指在系统条件存在大范围不确定性的情况下，为保证互联输电网络安全所需的输电传输能力的额度。
容量效益裕度（capacity benefit margin, CBM）指电力部门为保证互联系统对发电开放，以满足发电可靠性要求所预留的传输容量备用额度。
可用传输容量（available transfer capacity, ATC）
不可撤销的可用输电能力（non-recallable available transmission capability, NATC）
可撤销的可用输电能力（recallable available transmission capability, RATC）
要对风险进行预测、监视，事先提出防范措施。

3.2 充裕性评估的指标体系

1. 切负荷概率 PLC （probability of load curtailments）

是有切负荷的系统状态集合;是系统状态的持续时间，是总模拟时间，两者单位一致。

2. 切负荷频率 EFLC (expected frequency of load curtailments)(次/a）

是有切负荷的状态数（如果系统状态序列中连续几个系统状态均有切负荷，将其视为一个有切负荷状态）。

3. 切负荷持续时间 EDLC（expected duration of load curtailments）(h/a)

4. 每次切负荷持续时间 ADLC（average duration of load curtailments）(h/次）

3.3 考虑多重故障的充裕性评估算法和软件

3.3.1 元件状态持续时间抽样法

3.3.2 算法流程图

3.3.3 算例验证及分析

3.4 发输电系统可靠性试验系统

3.4.1 国际上的两个测试系统

3.4.2 清华发输电系统可靠性测试系统

3.4.3 IEEE-RTS 79 可靠性评估结果

3.4.4 IEEE-RTS 2000可靠性评估结果

3.5 小结

发输电系统可靠性中的安全性评估

4.1 概述

4.1.1 充裕性和安全性评估的共同点和不同点

4.1.2 电力系统稳定概念

4.1.3 NERC提出的正常和偶发事件分类

4.1.4 确定性电力系统稳定性评价和概率性电力系统稳定评价

4.1.5 基于蒙特卡洛法的安全性评估

4.2 实用概率稳定分析法原理

4.3 中国电力系统稳定破坏事故统计分析

4.4 实用概率稳定分析法计算流程

4.5 概率稳定评估案例研究

4.5.1 EC电力系统概况

4.5.2 潮流计算条件

4.5.3 潮流调整的控制条件

4.5.4 稳定计算条件

4.5.5 2005年冬大方式计算结果

4.6 T核电站失去外电力的可靠性指标计算案例研究

4.6.1 考虑检修和故障重叠导致四回联络线全部可不用的计算

4.6.2 计算公式

4.6.3 核电站联络线全部不可用的可靠性指标计算结果

4.6.4 根据全国倒塔事故统计数据评估联络线不可用的指标

4.6.5 计算结果

4.7 基于蒙特卡洛模拟法的发输电系统安全性评估原理

4.7.1 3种抽样方法

4.7.2 随机变量的选取

4.7.3 安全性评估中的系统状态划分

4.8 发输电系统安全性的指标体系

4.9 状态评估的流程图及算法实现

4.10 发输电系统安全性评估案例研究之一

4.10.1 IEEE-RTS 79 基本情况

4.10.2 基本评估结果

4.10.3负荷影响分析

4.11 发输电系统安全评估案例研究之二

4.11.1 TH-RTS 2000系统的基本数据

4.11.2 评估结果及分析

4.12 小结

配电系统可靠性评估

5.1 概述

5.1.1 评估原理

5.1.2 配电系统可靠性评估

5.1.3 电力市场条件下对配电系统可靠性的新要求

5.2 配电系统的可靠性指标

5.3 放射状配电系统的可靠性评估

5.4 配电系统典型结构的可靠性分析

5.4.1 配电系统典型结构

5.4.2 配电系统典型结构的可靠性分析

5.5 考虑容量约束的配电系统可靠性评估

5.5.1 原理和模型

5.5.2 容量约束模型

5.5.3 可靠性指标

5.5.4 算例

5.6 基于故障模式影响分析法的大规模配电系统可靠性评估

5.6.1 基本原理

5.6.2 最小割集算法

5.6.3 TLOC事件

5.6.4 PLOC事件

5.6.5 大规模配电系统可靠性评估算法

5.7 2001年全国主要城市供电可用率统计

5.7.1 供电系统用户供电可靠性评价规程

5.7.2 主要指标计算公式

5.7.3 10kV用户供电可靠性指标

5.8 电压骤降的可靠性评估

5.8.1 电压骤降评估方法

5.8.2 电压骤降评估指标体系

5.8.3 电压骤降评估算法

5.8.4 算例分析

5.9 小结

发电厂及变电所电气主接线的可靠性评估

我国电厂全厂停电的统计分析

可靠性与经济性的协调

电力系统可靠性的区间分析