电力系统可靠性-电力元件和系统的可靠性模型.ppt
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1,电力系统可靠性电力元件和系统的可靠性模型,2,电力系统可靠性评估,电力系统是一个复杂的大系统,对其整体进行可靠性评估十分困难,通常按功能把电力系统的各个主要部分分开考虑。
一般可划分为发电系统、输电系统和配电网三个部分。
也可以将不同的子系统组成不同的分级层次(HierarchicalLevel)加以研究,层次越高,包含的部分越多,可靠性评估越困难。
电力系统充裕性评估可分为以下三个层次。
3,电力系统可靠性评估,层次I,发电系统可靠性或电源可靠性评估(ReliabilityEvaluationofGenerationSystem)。
仅考虑发电设备,假定输电和配电设备完全可靠,电源点的电能可以不受传输限制输送到负荷点。
这一层次的评估可用以确定电力系统为保证充足的电力供应所需的发电容量。
4,电力系统可靠性评估,层次II,发输电系统或大电力系统可靠性评估(ReliabilityEvaluationofBulkPowerSystem)。
包括发电和输电设备,不仅考虑发电容量和电源位置约束,而且考虑输电网过负荷及节点电压约束,但忽略配电设备故障。
层次III,整体可靠性评估(IntegerReliabilityEvaluation)。
这一层次包括发电、输电以及配电设备。
5,元件失效模型,电力系统可靠性评估中,元件是指在可靠性统计、分析、评估中不需再细化并视为整体的一组器件或设备的通称,如:
发电机、线路、变压器、断路器等。
(具有相对性)电力系统由不同元件构成,元件停运模型是系统可靠性评估的基础。
6,元件可靠性参数,故障率(failurerate):
元件在单位暴露时间内因故障不能执行规定的连续功能的次数;即,故障率常用表示,可按单一元件或某类元件、单位线路长度、同杆架设线路,或同一走廊线路等分类对其进行计算。
如:
我国2004年220kV变压器故障率为1.68次/(百台年),220kV架空线路故障率为0.243次/(百公里年)。
7,元件可靠性参数,修复时间(repairtime):
对元件实施修复所用的实际矫正性维修时间,包括故障定位时间、故障矫正时间和核查时间,即为元件故障导致停电到故障元件通过修复或更换设备而恢复供电经历的时间。
修复时间的倒数即为修复率,常用表示。
8,元件停运模式通常可分为独立停运和相关停运两类。
独立停运按不同停运性质可分为强迫、半强迫和计划停运等;按失效状态可分为完全失效和部分失效。
对于强迫停运一般分为可修复失效和不可修复失效。
相关停运包括共因停运、元件组停运等模式。
如:
同塔双回架空线路由于雷击同时失效、变电站终端设备的失效可能导致多回线路停运等;前者属于共因停运,后者属于元件组停运。
元件失效模型,9,可修复强迫停运,元件独立停运模型,10,计划停运,元件独立停运模型,11,部分失效,元件独立停运模型,12,共因停运共因停运是指由于同一外部原因引起的多个元件的同时停运,同塔双回线由于杆塔失效或雷击引起的停运就是这类停运的典型例子。
元件相关停运模型,共因停运和独立停运的组合模型,需要求解N2+1个方程,13,共因停运共因停运是指由于同一外部原因引起的多个元件的同时停运,同塔双回线由于杆塔失效或雷击引起的停运就是这类停运的典型例子。
元件相关停运模型,共因停运和独立停运的分离模型(假设:
独立停运和共因停运同时发生的概率一般可忽略不计),14,连锁停运连锁停运是指第一个元件的失效引起第二个元件失效,第二个元件的失效引起第三个元件失效,依此类推。
第一个元件被称为停运激发元件。
元件相关停运模型,连锁停运模型,15,上述元件模型均采用状态空间法进行建模,可用频率平衡法等进行求解。
状态空间法是分析元件可靠性的最基本最重要的方法。
事实上,元件也是一个系统,因此,前述的最小割集、频率平衡法、条件概率法以及集合关系等都可用于元件可靠性模型的建立。
元件可靠性模型的说明,16,双回输电线路的可靠性等值模型(同塔、不同塔)多台机组的电厂可靠性等值模型风电场的可靠性模型换流变子系统的可靠性模型交流滤波器子系统的可靠性模型(HVDC输电系统),元件可靠性模型(实例分析),17,在电力系统可靠性评估中应用最多的方法有:
状态解析法频率持续时间法(FD法)非时序MonteCarlo模拟法时序MonteCarlo模拟法故障树法(FTA法),电力系统可靠性评估方法(概述),18,状态解析法的基本思路:
通过以下四个步骤的迭代过程实现电力系统可靠性评估:
枚举产生一个系统状态;分析系统状态,判断其是否是失效状态;若是失效状态,确定系统中各负荷点失负荷量等信息;计算失效状态的可靠性指标;修改累计指标;状态解析法的物理概念清楚,模型的精度高,但是它的计算量随系统规模的增大而呈指数增长。
如果系统元件较多,采用全状态枚举势必会出现“维数灾”问题!
电力系统可靠性评估方法(状态解析法),19,某系统状态的概率计算:
某系统状态的频率计算:
电力系统可靠性评估方法(状态解析法),某类系统状态的总概率(求和),某类系统状态的总频率(求和),某系统状态的失电量计算:
概率失负荷量,某类系统状态的总失电量(求和),20,计算实例,电力系统可靠性评估方法(状态解析法事件概率频率计算实例),21,计算实例,电力系统可靠性评估方法(状态解析法事件概率频率计算实例),G1故障其余元件正常运行的概率和频率为:
22,计算实例,电力系统可靠性评估方法(状态解析法事件概率频率计算实例),M阶事件:
系统中M个元件故障而其余元件正常工作的事件(系统状态)。
如图1中发电机组G1和线路L1同时故障为2阶事件。
23,计算实例,电力系统可靠性评估方法(状态解析法事件概率频率计算实例),24,频率-持续时间方法(FD法)是由状态概率和转移率计算频率和持续时间的基本方法。
FD法着眼于建立系统各子系统的状态空间图并获得相应的等效模型,通过组合各等效模型而建立整个系统的状态空间图。
在建立元件或子系统的状态空间图及等效模型进行组合的过程中,可以考虑实际系统各种复杂的技术条件。
通过计算这些指标可以更深刻地反映系统可靠性的特点。
由于电力系统本身较复杂,状态空间维数较多,虽然可以通过建立等效模型来降低维数,但状态空间图的绘制仍然较为繁琐并且很容易出错,通用性也不是很好。
电力系统可靠性评估方法(FD法),25,状态间的转移频率,状态的平均持续时间,单个状态发生间的频率,进入状态集合的频率,状态发生的概率,电力系统可靠性评估方法(FD法),该项可忽略,26,每一元件可用一个在0,1区间的均匀分布来模拟。
具有N个元件的系统状态由向量S表示系统状态S的抽样频率可作为其概率的无偏估计,M是抽样数;m(S)是在抽样中系统状态S出现的次数。
电力系统可靠性评估方法(非时序MonteCarlo法),27,第1步:
指定所有元件的初始状态。
第2步:
对每一元件停留在当前状态的持续时间进行抽样。
第3步:
重复第2步,得到每一元件的时序状态转移过程。
第4步:
组合所有元件的状态转移过程,建立系统时序状态转移过程。
第5步:
通过对每一个系统状态的系统分析,计算可靠性指标。
电力系统可靠性评估方法(时序MonteCarlo法),28,元件时序状态转移过程,系统时序状态转移过程,电力系统可靠性评估方法(时序MonteCarlo法),建立一个虚拟的系统运行和失效的转移循环过程,1,2,3,4,5,6,29,电力系统可靠性评估方法(时序MonteCarlo法),Pf,Ff和Df分别为系统失效概率、频率和平均持续时间;Ddk是第k个停运状态的持续时间;Duj是第j个运行状态的持续时间;Mdn和Mup分别为在模拟时间跨度内系统失效和运行状态出现的次数。
30,电力系统可靠性评估方法(时序MonteCarlo法),Pf,Ff和Df分别为系统失效概率、频率和平均持续时间;Ddk是第k个停运状态的持续时间;Duj是第j个运行状态的持续时间;Mdn和Mup分别为在模拟时间跨度内系统失效和运行状态出现的次数。
31,电力系统可靠性评估方法(时序MonteCarlo法),Pf,Ff和Df分别为系统失效概率、频率和平均持续时间;Ddk是第k个停运状态的持续时间;Duj是第j个运行状态的持续时间;Mdn和Mup分别为在模拟时间跨度内系统失效和运行状态出现的次数。
32,故障树分析法是一种使用图形演绎逻辑推理方法,用图说明系统的失效原因,把系统的故障与组成系统的部件的故障有机地联系在一起,可以找出系统全部可能的失效状态,也就是故障树的全部最小割集,或者称它们是系统的故障谱。
使用该方法建立故障树是一项十分繁琐的工作。
此外,该方法的实现对图形化、微机化等计算机软件方面有较高的要求,必然加大了算法实现的难度和经济成本,不及频率和持续时间法来的有效方便。
系统结构变化可能需要重新建立故障树。
电力系统可靠性评估方法(故障树法),33,电力系统可靠性评估方法(故障树法算例),34,电力系统可靠性评估方法(故障树法算例),35,电力系统可靠性发电系统的可靠性评估胡博Email:
36,发电系统和大电网可靠性测度指标,1.(电力系统的)期望缺电概率LOLP(lossofloadprobability):
给定时间区间内系统不能满足负荷需求的概率,即,式中:
Pi为系统处于状态i的概率;S为给定时间区间内不能满足负荷需求的系统状态全集。
37,发电系统和大电网可靠性测度指标,2.期望缺电时间LOLE(lossofloadexpectation):
给定时间区间内系统不能满足负荷需求的小时或天数的期望值。
即,式中:
T为给定的时间区间的小时数或天数。
缺电时间期望LOLE通常用h/a或d/a表示。
38,发电系统和大电网可靠性测度指标,3.期望缺电频率LOLF(lossofloadfrequency):
给定时间区间内系统不能满足负荷需求的次数,其近似计算公式为:
式中:
Fi为系统处于状态i的频率;LOLF通常用次/年表示。
39,发电系统和大电网可靠性测度指标,4.期望缺电持续时间LOLD(lossofloadduration):
给定时间区间内系统不能满足负荷需求的平均每次持续时间,即,LOLD通常用小时/次表示。
40,发电系统和大电网可靠性测度指标,5.期望缺供电力EDNS(expecteddemandnotsupplied):
系统在给定时间区间内因发电容量短缺或电网约束造成负荷需求电力削减的期望数。
即,式中:
Pi为系统处于状态i的概率;Ci为状态i条件下削减的负荷功率。
期望缺供电力EDNS通常用MW表示。
41,发电系统和大电网可靠性测度指标,6.期望缺供电量EENS(expectedenergynotsupplied):
系统在给定时间区间内因发电容量短缺或电网约束造成负荷需求电量削减的期望数。
即,式中:
Fi为系统处于状态i的频率;Di为状态i的持续时间。
期望缺供电量EENS通常用MWh/a表示。
42,发电系统可靠性(二项分布法)发电系统可靠性(状态解析法)发电系统可靠性(蒙特卡罗模拟)发电容量表的递推公式计及负荷曲线的可靠性评估,目录,43,例:
某发电系统有3台机组,强迫停运概率(FOP)均为0.1,单台机组装机容量为100MW,系统负荷为180MW(假设负荷恒定不变)。
用二项分布计算系统失负荷概率和年失电量。
解:
设机组的可用率和不可用率分别为A和U,则有:
A=0.9、U=0.1。
从而有:
(A+U)3=A3+3A2U+3AU2+U3当系统有2台及其以上机组故障时,系统会失去负荷,因此,系统失负荷概率为:
3AU2+U3=0.027+0.001=0.028系统失电量为:
8087603AU2+1808760U3=18921.6+1576.8=20498.4(MWh/年),发电系统可靠性评估(二项分布法),44,发电系统可靠性(二项分布法)发电系统可靠性(状态解析法)发电系统可靠性(蒙特卡罗模拟)发电容量表的递推公式计及负荷曲线的可靠性评估,目录,45,状态的产生:
解析枚举失负荷概率、频率和电量计算,发电系统可靠性评估(状态解析法),某类系统状态的总概率(求和),某类系统状态的总频率(求和),某系统状态的失电量计算:
概率失负荷量,某类系统状态的总失电量(求和),时间发生的概率和频率计算,46,如图为一发电系统(为设计系统,不计及N-1原则等)。
G1、G2和G3的容量分别为40MW、30MW和90MW,系统负荷为80MW。
G1、G2和G3的故障率、修复时间均为:
2次/年、50小时/次。
试计算:
系统可靠性指标LOLP(失负荷概率)、LOLF(失负荷频率)、EENS(失电量期望)。
解:
计算第4个系统状态(G3故障)的概率P4和频率F4,发电系统可靠性评估(状态解析法算例),47,发电系统可靠性评估(状态解析法算例),LOLP=P4+P6+P7+P8=0.011033341+0.00012595+0.00012595+0.00000144=0.01128668LOLF=F4+F6+F7+F8=2.0667LOLE=LOLP8760=98.87小时/年EENS=966.5207+55.16671=1066.83MWh/年,48,发电系统可靠性(二项分布法)发电系统可靠性(状态解析法)发电系统可靠性(蒙特卡罗模拟)发电容量表的递推公式计及负荷曲线的可靠性评估,目录,49,单个状态的产生:
随机产生N个随机数(对应N个元件),得到元件的状态,进而形成系统的状态(成功或失败)。
系统可靠性指标的形成:
xi表示一个可由蒙特卡洛模拟法抽得的0-1指示变量:
如果抽得的系统状态是失负荷状态,则xi=1如果抽得的系统状态是正常运行态,则xi=0系统LOLP指标的估计可由以下样本均值给出:
发电系统可靠性评估(非时序蒙特卡罗模拟法),50,算例某发电系统由2台100MW、2台200MW和2台300MW共6台机组组成,负荷900MW。
机组可靠性参数为:
100MW机组故障率2次/年、修复时间r60小时/次;200MW机组故障率2.5次/年、修复时间r80小时/次;300MW机组故障率3次/年、修复时间r100小时/次。
发电系统可靠性评估(非时序蒙特卡罗模拟法算例),51,非时序蒙特卡罗模拟法计算的可靠性指标,状态解析法计算的系统可靠性指标:
LOLP=0.006039,LOLE=52.90164,FLOL=1.323280,EENS=9943.105160,发电系统可靠性评估(非时序蒙特卡罗模拟法算例),52,非时序蒙特卡罗模拟法计算LOLE的收敛趋势,发电系统可靠性评估(非时序蒙特卡罗模拟法算例),53,蒙特卡洛法是一个波动收敛过程,因此估计出的风险指标总是有一个相应的置信范围。
不能保证增加少量的样本就一定会减少误差,但置信范围确实会随样本数的增加而变窄。
方差系数常被用作为终止抽样的判据。
在电力系统可靠性评估中,不同的可靠性指标有不同的收敛速度。
已经发现:
期望缺供电量(EENS)指标的方差系数收敛速率最低,因此应作为多个指标研究时的收敛判据。
用预定的最大抽样数作为终止抽样的判据。
当模拟过程结束时,校验方差系数是否足够小,如果否,则需要增加样本数再进行新的抽样。
发电系统可靠性评估(非时序蒙特卡罗模拟法算例),54,发电系统可靠性(二项分布法)发电系统可靠性(状态解析法)发电系统可靠性(蒙特卡罗模拟)发电容量表的递推公式计及负荷曲线的可靠性评估,目录,55,发电系统可靠性的关键在于:
计算发电容量停运表(或容量停运表)。
系统容量停运表的形成,可看成是系统中的机组一台一台追加的结果。
因此,需讨论追加一台机组机组后系统容量状态概率的变化。
设追加机组G容量为C,机组强迫停运概率(FOP)为U、正常运行概率为A。
发电系统可靠性评估(发电容量停运表的递推公式),56,设追加机组G容量为C,机组强迫停运概率(FOP)为U、正常运行概率为A。
发电系统可靠性评估(发电容量停运表的递推公式),在机组G故障的条件下,停运容量才是X,因此,机组G对X的停运容量贡献为C,即追加前机组的停运容量为:
X-C。
57,由全概率公式导出的停运容量状态概率的递推公式(追加机组)为:
式中,C为追加一台机组的容量;U为追加机组的强迫停运概率);,初值,发电系统可靠性评估(发电容量停运表的递推公式),P(X)为机组追加后停运容量大于等于X的状态概率;P(X)机组追加前停运容量大于等于X的状态概率。
58,例:
以225+50MW,单机FOR=0.02为例进行容量停运表的递推计算。
解:
1)追加第一台25MW机组,发电系统可靠性评估(发电容量停运表递推公式算例),59,2)追加第2台25MW机组,发电系统可靠性评估(发电容量停运表递推公式算例),60,3)追加第3台50MW机组,当机组台数很多并计及负荷模型时,常用卷积方法计算。
发电系统可靠性评估(发电容量停运表递推公式算例),61,发电系统可靠性(二项分布法)发电系统可靠性(状态解析法)发电系统可靠性(蒙特卡罗模拟)发电容量表的递推公式计及负荷曲线的可靠性评估,目录,62,发电系统可靠性评估(计及负荷曲线的发电可靠性),63,发电系统可靠性评估(计及负荷曲线的发电可靠性),计算思路1(解析法):
将系统负荷离散化,形成阶梯状持续负荷曲线;计算每种负荷水平出现的总时段(归并相同负荷),得到相应概率;计算每种负荷水平对应的系统可靠性,乘以其负荷水平的概率,即可形成全时段系统的可靠性指标。
计算思路2(模拟法):
同解析法;同解析法;产生随机数,得到系统负荷;根据失负荷数,形成系统的可靠性指标。
64,电力系统可靠性发输电组合系统可靠性评估胡博Email:
65,状态解析方法(计算步骤)状态解析法(算例1)状态解析法(算例2),66,状态解析法的基本思路:
通过以下四个主要步骤的迭代过程实现发输电组合系统可靠性评估:
枚举产生一个系统状态;分析系统状态,判断其是否是失效状态;若是失效状态,确定系统中个负荷点失负荷量等信息;计算失效状态的可靠性指标;修改或更新累计指标。
状态解析法的物理概念清楚,模型的精度高,但存在“维数灾”问题!
发输电组合系统可靠性评估(状态解析法计算步骤),67,大电力系统bulkpowersystem发输电组合系统compositegenerationandtransmissionsystem统一调度的公用电力系统的一个组成部分,包括电源、输电线路、联络线、以及它们的相关设施。
注:
运行电压一般为220kV及其以上的系统。
发输电组合系统可靠性评估(状态解析法计算步骤),68,某系统状态的概率计算:
某系统状态的频率计算:
某类系统状态的总概率(求和),某类系统状态的总频率(求和),某系统状态的失电量计算:
概率失负荷量,某类系统状态的总失电量(求和),发输电组合系统可靠性评估(状态解析法计算步骤-指标计算),69,发输电组合系统可靠性评估(算例1),系统中有5个元件,即发电机G1和G2、变压器T1和T2、线路L1,系统负荷为90MW。
元件可靠性参数:
70,发输电组合系统可靠性评估(算例1),各系统状态(事件)的分析,71,发输电组合系统可靠性评估(算例1),各系统状态(事件)的分析,系统可靠性指标为:
LOLP=0.013405;LOLF=2.896923次/年;EENS=4767.36MWh/年。
72,设输电线路L1和L2的容许传输能力分别为300MW和500MW。
设每台发电机和每回线路的故障率修复率分别相等:
G=2次/年、G=36.5次/年;L=2次/年、L=365次/年。
试评估该系统的可靠性(为简化,只讨论二阶事件),并讨论改进措施及其效果。
发输电组合系统可靠性评估(算例2),73,元件的可用率和不可用率如下表,由该表可以得到全部元件都正常工作的概率为:
P(全部元件都正常工作)=0.9480530.997272=0.8475。
当全部元件都正常工作时,系统工作正常。
发输电组合系统可靠性评估(算例2),74,发输电组合系统可靠性评估(算例2),各系统状态(事件)的分析,75,采取增强型措施后的系统,增强性措施:
线路L1的容量500;增装线路L3。
假定线路L3的故障率和修复率与线路L1,L2的一样,发输电组合系统可靠性评估(算例2),76,发输电组合系统可靠性评估(算例2),采取增强性措施后系统可靠性评估。
77,发输电组合系统可靠性评估(算例2),改善前:
LOLP=0.010596;LOLE=92.7684(小时/年);LOLF=1.713866(次/年);EENS=18797.72(MWh/年)改善后:
LOLP=0.007626;LOLE=66.804(小时/年);LOLF=0.603159(次/年);EENS=13371.44(MWh/年)实际系统中采用增强性措施的依据:
设备性措施对应的投资费用、运行维修费用;线损改变费用;停电损失费用依据上述三项的总和进行综合判断(注:
需采用同样时刻点的费用进行计算,比如:
等年值)。
78,电力系统可靠性配电网可靠性评估胡博Email:
79,配电网可靠性评估(主要内容),开关设备的作用可靠性评估指标配电网可靠性评估的FMEA法,80,配电网可靠性评估(开关设备的作用),81,1、断路器:
正常运行时接通和断开高压电路中的空载及负荷电流;在系统发生故障时,能与保护装置和自动装置相配合,迅速切断故障电流,防止扩大事故范围。
配电网可靠性评估(开关设备的作用),SF6断路器,真空断路器,82,2、隔离开关:
在没有负荷电流的情况下分、合电路,使检修的设备与电源有明显的断开点,以保证检修人员的安全,隔离开关没有专门的灭弧装置不能切断负荷电流和短路电流。
其必须在断路器断开电路的情况下才可以操作隔离开关。
配电网可靠性评估(开关设备的作用),83,3、负荷开关:
是介于断路器和隔离开关之间的一种开关电器,具有简单的灭弧装置,能切断额定负荷电流和一定的过载电流,但不能切断短路电流。
配电网可靠性评估(开关设备的作用),SF6负荷开关,真空负荷开关,84,熔断器:
根据电流超过规定值一定时间后,以其自身产生的热量使熔体熔化,从而使电路断开的原理制成的一种电流保护器。
熔断器广泛应用于低压配电系统和控制系统及用电设备中,作为短路和过电流保护。
断路器可以切负荷电流和短路电流;负荷开关只能切断负荷电流;隔离开关则不能切断负荷电流,更不能切断短路电流。
配电网可靠性评估(开关设备的作用),85,负荷点停电频率(停运率)负荷点停电时间期望负荷点失电量期望,配电网可靠性评估(配电网可靠性评估指标负荷点),86,1、平均供电可用率指标ASAI(Averageserviceavailabilityindex)(平均供电不可用率ASUI)在给定时间区间内用户用电需求得到满足的时间百分比。
配电网可靠性评估(配电网可靠性评估指标出线、系统),Ui为负荷点i的平均每年停电时间,h/a;Ni为负荷点i的用户数;i为负荷点i的用户停运率;,87,2、系统平均停电频率指标SAIFI(Systemaverageinterruptionfrequencyindex)供电用户在给定时间区间内的平均停电次数。
配电网可靠性评估(配电网可靠性评估指标出线、系统),Ui为负荷点i的平均每年停电时间,h/a;Ni为负荷点i的用户数;i为负荷点i的用户停运率。
88,3、(用户)平均停电缺供电量AENS(Averageenergynotsupplied)在给定时间区间内,平均每一户用户因停电缺供的电量。
配电网可靠性评估(配电网可靠性评估指标出线、系统),Ui为负荷点i的平均每年停电时间,h/a;Ni为负荷点i的用户数;i为负荷点i的用户停运率。
89,4、系统平均停电持续时间指标SAIDI(Systemaverageinterruptiondurationindex),配电网可靠性评估(配电网可靠性评估指标出线、系统),Ui为负荷点i的平均每年停电时间,h/a;Ni为负荷点i的用户数;i为负荷点i的用户停运率。
90,5、用户平均停电持续时间CAIDI(Custom
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