1、第第5 5章章 电力系统规划的可靠性评价方法电力系统规划的可靠性评价方法可靠性可靠性：一般所说的：一般所说的“可靠性可靠性”指的是指的是“可信赖的可信赖的”或或“可信任的可信任的”，对象可以是人类设计制造的万事万物，对象可以是人类设计制造的万事万物，生活中常用的家用电器、交通工具，通常是衡量产品质生活中常用的家用电器、交通工具，通常是衡量产品质量的重要依据之一。量的重要依据之一。可靠性经典定义可靠性经典定义：指一个元件、一台设备或一个系统在：指一个元件、一台设备或一个系统在预定时间内和规定条件下完成其规定功能的能力。预定时间内和规定条件下完成其规定功能的能力。把把可靠性的一般原理可靠性的一般原
2、理与与电力系统中的工程问题电力系统中的工程问题相结合，相结合，便形成了电力系统可靠性，从便形成了电力系统可靠性，从19601960年代开始发展，渗透年代开始发展，渗透到电力系统的规划、设计、运行和管理等各个方面。到电力系统的规划、设计、运行和管理等各个方面。5.1 概述【电力系统可靠性的基本概念电力系统可靠性的基本概念】【电力系统可靠性电力系统可靠性】：是指电力系统按可接受的质量标：是指电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断的向电力用户提供电能的能力的度准和所需数量不间断的向电力用户提供电能的能力的度量。量。【电力系统可靠性评价电力系统可靠性评价】：通过一套：通过一套定量指标定量指标来量度
3、电来量度电力供应企业向用户提供连续不断的、质量合格的电能的力供应企业向用户提供连续不断的、质量合格的电能的能力，包括对系统能力，包括对系统充裕性充裕性和和安全性安全性两方面的衡量。两方面的衡量。在整个电力系统中，发、输、配的特性是存在差异的，在整个电力系统中，发、输、配的特性是存在差异的，因此，相应的存在不同的可靠性评估方法。分为：因此，相应的存在不同的可靠性评估方法。分为：发电发电系统可靠性、输电网可靠性、配电网可靠性、发电厂和系统可靠性、输电网可靠性、配电网可靠性、发电厂和变电站电气主接线系统变电站电气主接线系统。在可靠性理论中，主要指标在可靠性理论中，主要指标：概率：概率：电力系统发生故
4、障的概率，如系统的可用度电力系统发生故障的概率，如系统的可用度（AvailabilityAvailability）、电力不足概率等。、电力不足概率等。频率频率：单位时间（如一年）内发生故障的平均次数。：单位时间（如一年）内发生故障的平均次数。时间：时间：发生故障的平均持续时间（发生故障的平均持续时间（Mean durations)Mean durations)。期望值：期望值：单位时间（如一年）内发生故障的天数期望值单位时间（如一年）内发生故障的天数期望值（ExpectationsExpectations）。）。【可靠性评价指标可靠性评价指标】电力不足时间概率电力不足时间概率电力不足时间期望值
5、电力不足时间期望值电力不足期望值电力不足期望值电量不足概率电量不足概率电量不足期望值电量不足期望值系统平均停电频率系统平均停电频率系统平均停电持续时间系统平均停电持续时间用户平均停电频率用户平均停电频率用户平均停电持续时间用户平均停电持续时间平均运行可用率平均运行可用率概率概率频率频率时间时间期望期望值值基础数据按照来源基础数据按照来源可以分为：可以分为：（1 1）电力系统结构及设备电气参数。）电力系统结构及设备电气参数。（2 2）电气设备可靠性参数的统计数据。）电气设备可靠性参数的统计数据。（3 3）电气设备倒闸操作时间。）电气设备倒闸操作时间。（4 4）电力系统自动化配置情况。）电力系统自
6、动化配置情况。按照数据的性质按照数据的性质可以分为：确定性数据和随机性数据。可以分为：确定性数据和随机性数据。确定性数据确定性数据包括线路阻抗和导纳、载流容量、发电机组参数、系统包括线路阻抗和导纳、载流容量、发电机组参数、系统矫正措施、负荷重要性等；矫正措施、负荷重要性等；随机型数据随机型数据则包括各种装置的故障和维则包括各种装置的故障和维修参数等。修参数等。按照数据的类型按照数据的类型可以分为：电气参数、可靠性参数、系统运行性可以分为：电气参数、可靠性参数、系统运行性参数和经济性参数等。参数和经济性参数等。【可靠性分析计算的基础数据及来源可靠性分析计算的基础数据及来源】【大电网可靠性评估的数
7、据要求大电网可靠性评估的数据要求】(1)(1)电气参数电气参数包括发电机组的额定容量和功率因素，最大最小有功功包括发电机组的额定容量和功率因素，最大最小有功功率和无功功率；线路、电缆、变压器和移相器等输变电元件的阻抗率和无功功率；线路、电缆、变压器和移相器等输变电元件的阻抗和导纳、允许载流容量等。和导纳、允许载流容量等。(2)(2)可靠性参数可靠性参数包括机组强迫停运率、平均修复时间；架空线路、电包括机组强迫停运率、平均修复时间；架空线路、电缆、变压器和移相器等的故障率和故障修复时间；元件预安排停运缆、变压器和移相器等的故障率和故障修复时间；元件预安排停运率、预安排停运时间等。率、预安排停运时
8、间等。(3)(3)运行参数运行参数包括网络拓扑结构；包括网络拓扑结构；PVPV节点和平衡节点的电压水平节点和平衡节点的电压水平;节节点电压的上下限值；变压器比；节点最大有功和无功负荷，系统矫点电压的上下限值；变压器比；节点最大有功和无功负荷，系统矫正措施，节点及系统负荷曲线等。正措施，节点及系统负荷曲线等。(4)(4)经济参数经济参数包括机组、变压器、断路器等元件的价格；贴现率；设包括机组、变压器、断路器等元件的价格；贴现率；设备使用年限；运行费率；电价；停电损失等。备使用年限；运行费率；电价；停电损失等。【配电网可靠性估计数据要求配电网可靠性估计数据要求】(1)(1)电气参数电气参数包括电源
9、容量；架空线路、电缆、变压器等元件的阻抗包括电源容量；架空线路、电缆、变压器等元件的阻抗,允许载流容量等。允许载流容量等。(2)(2)可靠性参数可靠性参数包括电源母线停运率和修复时间：架空线路、电缆、断路包括电源母线停运率和修复时间：架空线路、电缆、断路器、变压器等元件的故障率和故障修复时间器、变压器等元件的故障率和故障修复时间;断路器拒动概率断路器拒动概率;保护系统保护系统可靠动作概率等可靠动作概率等;故障隔离定位时间、自动切换操作时间、人工切换操作故障隔离定位时间、自动切换操作时间、人工切换操作时间；预安排停运率、预安排停电时间等。时间；预安排停运率、预安排停电时间等。(3)(3)运行参数
10、运行参数包括网络拓扑结构包括网络拓扑结构;负荷点电压的上下限值负荷点电压的上下限值;变压器比；每个变压器比；每个负荷点的负荷类型、平均有功负荷和功率因素、最大有功负荷和功率因素、负荷点的负荷类型、平均有功负荷和功率因素、最大有功负荷和功率因素、用户数等。用户数等。(4)(4)经济参数跟大电网评估中的经济参数相同。经济参数跟大电网评估中的经济参数相同。【变电站电气主接线可靠性评估数据要求变电站电气主接线可靠性评估数据要求】(1)(1)电气参数电气参数:机组容量、变压器容量、线路容量等。机组容量、变压器容量、线路容量等。(2)(2)可靠性参数可靠性参数:机组、变压器、高压母线和电缆、高压隔离开关、
11、出线机组、变压器、高压母线和电缆、高压隔离开关、出线短路故障率、故障修复时间、计划停运率和计划停运时间短路故障率、故障修复时间、计划停运率和计划停运时间;高压断路器、高压断路器、发电机断路器等的发电机断路器等的(主动性主动性)故障率、断路故障率、断路(非主动非主动)故障率、拒动概率、故障率、拒动概率、故障修复时间、计划停运率和计划停运时间等。故障修复时间、计划停运率和计划停运时间等。(3)(3)运行参数运行参数包括断路器年操作次数、切换操作时间、停运机组重新投运包括断路器年操作次数、切换操作时间、停运机组重新投运时间、故障隔离时间等；典型负荷曲线、机组调峰状况等。时间、故障隔离时间等；典型负荷
12、曲线、机组调峰状况等。(4)(4)经济参数经济参数类型同电网评估，不再重复。类型同电网评估，不再重复。解析法解析法模拟法模拟法代表代表网络法和状态空间法网络法和状态空间法蒙特卡洛蒙特卡洛(Monte Carlo)(Monte Carlo)模拟法模拟法 基本基本思想思想将设备或系统的寿命过程将设备或系统的寿命过程在假定的条件下进行合理在假定的条件下进行合理的理想化，然后通过建立的理想化，然后通过建立可靠性数学模型，经过数可靠性数学模型，经过数值计算获得系统各项可靠值计算获得系统各项可靠性指标。性指标。将系统中每台设备的概率参数在计算将系统中每台设备的概率参数在计算机上用随机数表示机上用随机数表示
13、,建立一个概率模建立一个概率模型或随机过程型或随机过程,使模型或随机过程的使模型或随机过程的参数为所要求的问题的解参数为所要求的问题的解,然后通过然后通过对模型或过程的观察或抽样试验来计对模型或过程的观察或抽样试验来计算所求参数的统计特征算所求参数的统计特征,最后给出所最后给出所求的可靠性指标近似值求的可靠性指标近似值 优缺优缺点点当系统规模大当系统规模大,结构复杂结构复杂,并且在一些假定条件不成并且在一些假定条件不成立的时候立的时候,采用解析法会比采用解析法会比较困难较困难.优点优点:更加灵活和简单；不受系统规更加灵活和简单；不受系统规模和复杂程度的限制。缺点模和复杂程度的限制。缺点:计算时
14、计算时间和计算精度的精密相关间和计算精度的精密相关,为了获取为了获取精度较高的可靠性指标，往往需要很精度较高的可靠性指标，往往需要很长的计算时间。长的计算时间。【可靠性分析计算的基本方法可靠性分析计算的基本方法】5.2 5.2 电气设备可靠性分析方法电气设备可靠性分析方法电力系统中的绝大部分设备都是可修复设备。电力系统中的绝大部分设备都是可修复设备。可修复电气设备：可修复电气设备：指设备投入使用后，如果指设备投入使用后，如果损坏，能够通过修复恢复到原有功能而得以损坏，能够通过修复恢复到原有功能而得以再投入实用。再投入实用。设备的故障特性：设备的故障特性：故障率、可靠度、不可靠故障率、可靠度、不
15、可靠度度假设元件已工作到假设元件已工作到t t时刻，则把元件在时刻，则把元件在t t以后的以后的t t微小时微小时间内发生故障的间内发生故障的条件概率密度条件概率密度定义为该元件的故障率。定义为该元件的故障率。故障率越小，表明元件在时间间隔内发生故障的频数就故障率越小，表明元件在时间间隔内发生故障的频数就越小，反之越大。越小，反之越大。1、设备故障率、设备故障率(t)Pttt1lim)(0设备故障率变化曲线设备故障率变化曲线设备运行的总时间设备的故障次数设备故障率表示元件能执行规定功能的概率表示元件能执行规定功能的概率。通常用通常用可靠度函数可靠度函数 R(t)来表示，在给定环境条件下时刻来表
16、示，在给定环境条件下时刻 t t前元件不失效的概率：前元件不失效的概率：2、设备可靠度、设备可靠度R(t)(tTuPtR当设备故障率为常数当设备故障率为常数时：时：tetR)(即一个元件的故障率是恒定的，那么它的寿命服从指数分布即一个元件的故障率是恒定的，那么它的寿命服从指数分布当元件开始使用时，完全可靠，故当元件开始使用时，完全可靠，故 t=0，R(t)=1，F(t)=0。当元件工作到无穷大时间之后，完全损坏，故当元件工作到无穷大时间之后，完全损坏，故 t=，R(t)=0，F(t)=1。3、设备不可靠度、设备不可靠度Fu(t)(tTuPtFu4 4、设备平均持续工作时间、设备平均持续工作时间
17、MTTF当设备的持续工作时间当设备的持续工作时间Tu呈指数分布时，设备的平均持续工呈指数分布时，设备的平均持续工作时间作时间MTTF为：为：1MTTFPttut1lim)(05、设备修复率、设备修复率(t)设备进行维修的总时间设备的修复次数设备修复率修复率：修复率：可修复设备故障后修复的难易程度及效果的量可修复设备故障后修复的难易程度及效果的量6、设备未修复度、设备未修复度MD(t)()(tTPtMDD7、设备平均修复时间、设备平均修复时间MTTRutDetM)(当设备修复率为常数当设备修复率为常数时，设备未修复度：时，设备未修复度：设备修复度：设备修复度：utDDetTPtF1)(当设备的持
18、续工作时间当设备的持续工作时间TuTu呈指数分布时，设备的平均持续工呈指数分布时，设备的平均持续工作时间作时间MTTR为：为：1MTTR在可靠性评估中往往更关注的是元件或系统在在可靠性评估中往往更关注的是元件或系统在稳态稳态时时的可靠性状况的可靠性状况根据分析元件状态的实际需要，建立的元件状态模根据分析元件状态的实际需要，建立的元件状态模型有型有二状态模型二状态模型（只考虑工作和故障）、（只考虑工作和故障）、三状态模三状态模型型（如考虑工作、故障、计划检修三种状态）。（如考虑工作、故障、计划检修三种状态）。8 8、设备的状态概率、设备的状态概率二状态模型二状态模型假设一台变压器只有工作假设一台
19、变压器只有工作和故障停运两种状态，并和故障停运两种状态，并且一旦故障立即进入检修。且一旦故障立即进入检修。如图所示为变压器二状态如图所示为变压器二状态转移图，其中转移图，其中U表示变压表示变压器处于工作状态，器处于工作状态，D表示表示处于故障停运状态。处于故障停运状态。已知故障率已知故障率 ，修复率，修复率求解问题工作状态概率求解问题工作状态概率PU和故障状态概率和故障状态概率PD,UDPP其中的稳态工作状态概率又称为元件的其中的稳态工作状态概率又称为元件的可用率可用率A元件的稳态故障状态概率又称为元件的元件的稳态故障状态概率又称为元件的不可用率不可用率111UMTTFApMTTFMTTR11
20、1DMTTRApMTTFMTTR三状态模型三状态模型假设一台变压器具有工作、故假设一台变压器具有工作、故障检修停运和计划检修停运三障检修停运和计划检修停运三种状态。如图所示为变压器三种状态。如图所示为变压器三状态转移图，其中状态转移图，其中U表示变压表示变压器处于工作状态，器处于工作状态，D表示处于表示处于故障停运状态，故障停运状态，M表示处于计表示处于计划检修停运状态。划检修停运状态。已知计划检修率和计划修复率已知计划检修率和计划修复率M，故障率，故障率D和故障修复率和故障修复率D求解正常工作状态概率求解正常工作状态概率PU和故和故障状态概率障状态概率PD，计划检修状态，计划检修状态概率概率
21、PM11UDDMMMUMMDMDDPpPpP计划检修率和计划修复率计划检修率和计划修复率故障率和故障修复率故障率和故障修复率5.4 5.4 电网规划的可靠性评价方法电网规划的可靠性评价方法一、电网规划可靠性评价准则一、电网规划可靠性评价准则1.1.定义定义输电系统可靠性输电系统可靠性是指包括发电厂和高压输电网络，但不包括负荷是指包括发电厂和高压输电网络，但不包括负荷点在内的整个输电系统及设备按照可接受标准及期望数量满足用点在内的整个输电系统及设备按照可接受标准及期望数量满足用户电力及电能两需求能力的度量。户电力及电能两需求能力的度量。配电系统的可靠性配电系统的可靠性是指从供电点到用户，包括变电
22、所、高低压线是指从供电点到用户，包括变电所、高低压线路及接户线在内的整个配电系统及设备按照可接受标准及期望数路及接户线在内的整个配电系统及设备按照可接受标准及期望数量满足用户电力及电能两需求能力的度量。量满足用户电力及电能两需求能力的度量。输配电系统可靠性评价输配电系统可靠性评价中主要评估充裕度，它通过可靠性指标来中主要评估充裕度，它通过可靠性指标来体现。体现。2.2.判别准则判别准则主要是以电网能否将发电系统发出的电能安全可靠地送到电力用主要是以电网能否将发电系统发出的电能安全可靠地送到电力用户作为可靠性准则。户作为可靠性准则。根据根据城市电网规划设计导则城市电网规划设计导则,在对电网规划的
23、静态可靠性进行在对电网规划的静态可靠性进行评价时，通常可以采用如下的判别准则：评价时，通常可以采用如下的判别准则：(1)(1)一条线路或变压器故障停运时，电网没有发生故障停电的情况。一条线路或变压器故障停运时，电网没有发生故障停电的情况。(2)(2)两条线路或两台变压器同时发生故障或相继停运时两条线路或两台变压器同时发生故障或相继停运时,电网没有电网没有发生负荷停电的情况。发生负荷停电的情况。(3)(3)一条线路或一台变压器处于计划检修状态的同时，另外一条线一条线路或一台变压器处于计划检修状态的同时，另外一条线路或变压器发生故障停运时，电网没有发生负荷停电的情况。路或变压器发生故障停运时，电网
24、没有发生负荷停电的情况。(4)(4)一条母线故障停运时，电网没有发生负荷停电的情况。一条母线故障停运时，电网没有发生负荷停电的情况。(5)(5)一台发电机故障停运时，电网中没有发生负荷停电的情况。一台发电机故障停运时，电网中没有发生负荷停电的情况。二、输电网规划可靠性评价指标二、输电网规划可靠性评价指标1.1.电力不足时间概率电力不足时间概率LOLPLOLP输电系统规划中定义为电网某日在某一负荷水平下由于电网结构不输电系统规划中定义为电网某日在某一负荷水平下由于电网结构不合理或设备检修及故障停运而引起供电能力不足造成用户停电的概合理或设备检修及故障停运而引起供电能力不足造成用户停电的概率。当设
25、备相互独立时，率。当设备相互独立时，LOLP(LOLP(单位：天单位：天/天天)的计算式为的计算式为 2.2.平均供电可靠率平均供电可靠率ASAIASAI 定义为研究期间由电网供电的用户的可用小时数与总的要求的供电定义为研究期间由电网供电的用户的可用小时数与总的要求的供电小时数之比。实际工程中计算式为：小时数之比。实际工程中计算式为：(1)LsqLsqqjqkq Fq Fj hk HLOLPPPPPPP(1)100%ASAILOLP3.3.电力时间不足期望值电力时间不足期望值LOLELOLE定义为：研究期间内，电网在不同负荷水平下由于电网结构不合理定义为：研究期间内，电网在不同负荷水平下由于电
26、网结构不合理或设备检修及故障停运而引起供电不足造成用户停电时间的均值。或设备检修及故障停运而引起供电不足造成用户停电时间的均值。设研究期间内的负荷水平集为设研究期间内的负荷水平集为NLNL，其中第，其中第r r个负荷水平出现的概率个负荷水平出现的概率为为 ，则电力时间不足期望值，则电力时间不足期望值LOLE(LOLE(单位：天单位：天/期间期间)的计算式为的计算式为4.4.电力不足频率电力不足频率LOLFLOLF 定义为：研究期间内，电网在不同负荷水平下由于电网结构不合理定义为：研究期间内，电网在不同负荷水平下由于电网结构不合理或设备检修及故障停运而引起供电不足造成用户停电的平均次数。或设备检
27、修及故障停运而引起供电不足造成用户停电的平均次数。LOLFLOLF（单位：次（单位：次/期间）不仅与负荷水平和设备状态有关，还与电期间）不仅与负荷水平和设备状态有关，还与电网各状态之间的转移有关，其计算式为网各状态之间的转移有关，其计算式为 PrL,(1)r NLq r F j hk HLOLEPPP rLqjqk,(1)qlr NLq r Fl Sj hk HLOLFPPP rLqjqk5.5.电力不足持续时间电力不足持续时间LOLDLOLD定义为研究期间内，由于电网结构不合理或电网故障引起用户停电定义为研究期间内，由于电网结构不合理或电网故障引起用户停电的平均时间。单位为的平均时间。单位为
28、:天天/次。计算式为次。计算式为6.6.电网的电量不足期望值电网的电量不足期望值EENSEENS 定义为研究期间内定义为研究期间内,由于电网结构不合理或部分电气设备停运造成电由于电网结构不合理或部分电气设备停运造成电网供电不足网供电不足,使用户得不到供电的缺电量的平均值使用户得不到供电的缺电量的平均值.单位：单位：kWh/kWh/期间期间.计算式为：计算式为：式中：式中：为电网在负荷水平为为电网在负荷水平为r r、故障状态为、故障状态为q q时向用户少供的有时向用户少供的有功功率总值，即为所削减的总负荷量。功功率总值，即为所削减的总负荷量。LOLELOLDLOLF,(1)q rr NLq r
29、Fj hk HEENSPAPNSPP rLqjqk,q rAPNS四、四、配电网规划可靠性评价指标配电网规划可靠性评价指标1.系统的平均停电频率指标系统的平均停电频率指标SAIFI 指每个由系统供电的用户在单位时间内所遭受到的平均停电次数。指每个由系统供电的用户在单位时间内所遭受到的平均停电次数。单位：次单位：次/(用户用户年年).可以用一年中用户停电的累积次数除以系统供电的可以用一年中用户停电的累积次数除以系统供电的总用户数来预测，即：总用户数来预测，即：式中：式中：Ni 为负荷点为负荷点i的用户数；的用户数；i为负荷点为负荷点i的故障率。的故障率。2.系统平均停电持续时间系统平均停电持续时
30、间SAIDI 指每个由系统供电的用户在一年中所遭受的平均停电持续时间。单指每个由系统供电的用户在一年中所遭受的平均停电持续时间。单位：位：h/(用户用户年年)可以用一年中用户遭受的停电持续时间总和除以该可以用一年中用户遭受的停电持续时间总和除以该年中由系统供电的用户总数来预测，其计算式为：年中由系统供电的用户总数来预测，其计算式为：iiiiiNSAIFINiiiiiUSAIDIN3.3.系统平均供电可用率指标系统平均供电可用率指标ASAIASAI 指一年中用户获得的不停电时间总数与用户要求的总供电时间之比指一年中用户获得的不停电时间总数与用户要求的总供电时间之比.如果一年中用户要求的供电时间按
31、全年如果一年中用户要求的供电时间按全年8760h8760h来计算，计算式为来计算，计算式为 Ui-负荷点负荷点i的等值年平均停电时间的等值年平均停电时间4.4.系统电量不足指标系统电量不足指标ENSIENSI 定义为系统中停电负荷的总停电量。单位：定义为系统中停电负荷的总停电量。单位：kW h/kW h/年，计算式为年，计算式为式中：式中：为连接在停电负荷点为连接在停电负荷点i i的平均负荷，的平均负荷，kWkW。87608760iiiiiiiNNUASAIN()a iiENSILU()a iL5.5.用户平均停电频率指标用户平均停电频率指标CAIFICAIFI 定义为一年中每个受停电影响的用
32、户所遭受的平均停电次数。定义为一年中每个受停电影响的用户所遭受的平均停电次数。单位：次单位：次/(/(停电用户停电用户年年)，计算式为，计算式为 式中：式中：EFFEFF为收停电影响的负荷点的集合。为收停电影响的负荷点的集合。6.6.用户平均停电持续时间指标用户平均停电持续时间指标CAIDI CAIDI 定义为一年中被停电的用户所遭受的平均停电持续时间。单位：定义为一年中被停电的用户所遭受的平均停电持续时间。单位：h/(h/(停电用户停电用户年年)，可以用一年中用户停电持续时间的总和除以该，可以用一年中用户停电持续时间的总和除以该年年停电用户总次数来估计，即计算式为：停电用户总次数来估计，即计算式为：iiiij EFFNCAIFINiiiiiiU NCAIDIN
