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電力系統(tǒng)可靠性評估方法的分析

2014-08-15 00:54陳開達(dá)吳祖文陳柯米
科技視界 2014年27期
關(guān)鍵詞:模擬法系統(tǒng)可靠性元件

陳開達(dá) 蘇 展 郭 著 吳祖文 陳柯米

(國網(wǎng)湖南省電力公司檢修公司,湖南 長沙410015)

1 電力系統(tǒng)可靠性概述

可靠性(Reliability)是指一個元件、設(shè)備或系統(tǒng)在預(yù)定時間內(nèi),在規(guī)定條件下完成規(guī)定功能的能力??煽慷葎t用來作為可靠性的特性指標(biāo),表示元件可靠工作的概率,可靠度高,就意味著壽命長,故障少,維修費用低;可靠度低,就意味著壽命短,故障多,維修費用高。

電力系統(tǒng)是由發(fā)電、變電、輸電、配電、用電等設(shè)備和相應(yīng)的輔助設(shè)施,按規(guī)定的技術(shù)經(jīng)濟要求組成的一個統(tǒng)一系統(tǒng)。發(fā)電廠將一次能源轉(zhuǎn)換為電能,經(jīng)過輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)將電能輸送和分配給電力用戶的用電設(shè)備,從而完成電能從生產(chǎn)到使用的整個過程。

通常,評價電力系統(tǒng)可靠性從以下兩方面入手[2]。

(1)充裕性(adequacy)——充裕性是指電力系統(tǒng)維持連續(xù)供給用戶總的電力需求和總的電能量的能力,同時考慮到系統(tǒng)元件的計劃停運及合理的期望非計劃停運.又稱為靜態(tài)可靠性,即在靜態(tài)條件下電力系統(tǒng)滿足用戶電力和電能量的能力。

(2)安全性(security)——安全性是指電力系統(tǒng)承受突然發(fā)生的擾動,如突然短路或未預(yù)料到的失去系統(tǒng)元件的能力,也稱為動態(tài)可靠性,即在動態(tài)條件下電力系統(tǒng)經(jīng)受住突然擾動且不間斷地向用戶提供電力和電能量的能力。

2 電力系統(tǒng)可靠性評估的發(fā)展

由于電力系統(tǒng)故障多是隨機發(fā)生的,而且很多故障超出了系統(tǒng)工程人員的控制能力,因此一般說絕對的毫不中斷地連續(xù)供電實際上是不可能的。為了盡量減少由于系統(tǒng)元件隨機故障對系統(tǒng)供電造成的影響,在電力規(guī)劃時,采用增加機組的辦法,但是經(jīng)濟性和可靠性是相互制約的,增加投資可以提高可靠性,然而過高的投資違反了經(jīng)濟性的約束。

電力系統(tǒng)的根本任務(wù)是盡可能經(jīng)濟而可靠地將電能供給各種用戶。用戶對供電的要求,一是保證供電的連續(xù)性;二是保證電能的質(zhì)量。由于系統(tǒng)內(nèi)元件的隨機故障,且這些故障又超出運行調(diào)度人員的控制能力,因此完全不間斷的連續(xù)供電實際上是不可能的。隨著人們對供電質(zhì)量的要求越來越高,促使電力部門尋求提高供電可靠性的途徑。

電力系統(tǒng)可靠性評估有兩方面的目的:一是為電力系統(tǒng)的發(fā)展規(guī)劃進行長期可靠性評估;二是為制定短期的運行調(diào)度計劃進行短期可靠性預(yù)測。

3 電力系統(tǒng)可靠性評估方法

在電力系統(tǒng)可靠性評估中,分析過程一般由以下三個步驟組成:狀態(tài)選擇、狀態(tài)估計和計算指標(biāo)。其可靠性評估常采用的有兩種基本方法:一種是解析法;另一種是Monte Carlo模擬法。

3.1 解析法[4]

解析法基于馬爾可夫模型,用數(shù)學(xué)方法從數(shù)學(xué)模型中評估可靠性指標(biāo)。該法是利用系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和元件的功能以及兩者之間的邏輯關(guān)系,建立可靠性概率模型,通過遞推和迭代等過程對該模型精確求解,從而計算可靠性指標(biāo),其優(yōu)點在于采用了精確的數(shù)學(xué)模型。

解析法一般用于評估負(fù)荷點和系統(tǒng)可靠性指標(biāo)的平均值或期望值,平均值在電力系統(tǒng)可靠性評估中是系統(tǒng)的基本指標(biāo),但在指標(biāo)變化性上不提供任何信息。這種方法描述了存在于實際系統(tǒng)中的因果關(guān)系,在給定的假設(shè)條件下,一般可求得準(zhǔn)確的結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)雜時數(shù)學(xué)方程式會變得十分復(fù)雜,因而需要進一步地簡化或近似,許多的近似技術(shù)因此就發(fā)展起來以簡化計算過程,得到近似結(jié)果。

解析法可分為網(wǎng)絡(luò)法、狀態(tài)空間法、故障樹法。

3.2 蒙特卡羅模擬法

解析法的特點是基于馬爾科夫模型,準(zhǔn)確度較高,適用于結(jié)構(gòu)簡單的小型電力系統(tǒng)的可靠性評估,但其計算工作量隨系統(tǒng)規(guī)模呈指數(shù)關(guān)系增長,而且當(dāng)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜時,其狀態(tài)空間的狀態(tài)數(shù)劇增,這必然會造成維數(shù)災(zāi)難。同時為了獲得解析模型,常常需要對系統(tǒng)的實際條件作較多簡化,所以其應(yīng)用受到較大的限制。

蒙特卡羅方法[4]是一種以概率統(tǒng)計理論和方法為基礎(chǔ)的數(shù)值計算方法,目前廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)可靠性的評估中。它與故障樹分析技術(shù)相結(jié)合,是對系統(tǒng)進行可靠性預(yù)測分析的有效的途徑。它的優(yōu)點是屬于統(tǒng)計試驗方法,比較直觀,易于被工程技術(shù)人員掌握和理解,可以發(fā)現(xiàn)一些人們難以預(yù)料的事故,容易處理各種實際運行控制策略,采樣次數(shù)與系統(tǒng)的規(guī)模無關(guān),在進行復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性評估時更具有優(yōu)越性。據(jù)此,采用蒙特卡洛法可以用來分析自動化系統(tǒng)的可靠性。

蒙特卡羅法的基本思想為:用落入失效域的樣本點數(shù)與總的投點數(shù)之比值作為失效概率的估計值。

蒙特卡羅模擬法是按一定的步驟在計算機上模擬隨機出現(xiàn)的各種系統(tǒng)狀態(tài),即用數(shù)值計算方法模擬一個實際的過程,并從大量的模擬試驗結(jié)果中統(tǒng)計出系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。隨機模擬的次數(shù)與系統(tǒng)規(guī)模無關(guān),適應(yīng)性強,算法及程序結(jié)構(gòu)簡單。相比解析法而言,模擬法更適合于以下問題的求解:

①需要模擬非指數(shù)型分布;

②需要某些輸出指標(biāo)的分布函數(shù)或統(tǒng)計數(shù)據(jù);

③故障、檢修、計劃檢修間存在比較復(fù)雜的關(guān)系;

④對于大系統(tǒng),解析法難以建立有效的數(shù)學(xué)模型的。

模擬法不僅可以隨機模擬系統(tǒng)運行的實際方式,不需要對實際問題作過多簡化和假設(shè),而且考慮更加全面,因此更適用于大型電力系統(tǒng)的可靠性評估。模擬法的計算程序結(jié)構(gòu)簡單,只需對N次獨立的試驗結(jié)果進行統(tǒng)計與計算即可完成,故此模擬法又稱為統(tǒng)計試驗法。

[1]郭永基.可靠性工程原理[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[2]郭永基.電力系統(tǒng)可靠性原理和應(yīng)用(上)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1983.

[3]郭永基.電力系統(tǒng)計電力設(shè)備的可靠性[J].電力系統(tǒng)自動化,2001,25(17):53-56.

[4]張?zhí)@薔.故障樹分析在電力系統(tǒng)可靠性研究中的應(yīng)用[J].華東電力,2005,33(2):14-17.

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