CN102570447A - 一种电网发展阶段划分方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可靠性指标的电网发展阶段划分方法，属于电力系统的分析与计算领域。述方法是基于可靠性指标的电网发展阶段划分方法，包括以下步骤：建立电力系统仿真计算的电网数据模型；确定故障率、修复率和故障切除时间；进行仿真计算；分析仿真结果。该方法概念简单清晰，具有很好的可计算性和广泛适应性，可以方便的划分各种具体电网的发展阶段，指导电网发展规划工作。

Description

一种电网发展阶段划分方法

技术领域

本发明属于电力系统的分析与计算领域，具体涉及一种基于可靠性指标的电网发展阶段划分方法。

背景技术

可靠性就其定义而言，是指元件、设备、系统等在规定的条件下和预定的时间内，完成其预定功能的概率。可靠性研究的目的是对系统的长期规划和近期运行的可靠性水平进行预测和估计。

电力系统可靠性是对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供应电力和电能能力的度量。电力系统可靠性包括充裕度和安全性两个方面。

充裕度(adequacy)是指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，同时考虑到系统元件的计划停运及合理的期望非计划停运。充裕度又称静态可靠性，也就是在静态条件下电力系统满足用户电力和电能能量的能力。

安全性(Security)是指电力系统承受突然发生的扰动，例如突然短路或未预料短路或预料到的失去系统元件的能力。安全性也称动态可靠性，即在动态条件下电力系统经受住突然扰动并不间断地向用户提供电力和电能量的能力。

电力系统规模很大，同时由于电力系统是一个复杂、动态的系统，习惯上将电力系统分成若干子系统，根据这些子系统的功能分别评估各子系统的可靠性，包括：发电系统、输电系统、发输电合成系统、配电系统和发电厂变电所电气主接线可靠性评估。

发电系统可靠性：统一并网的全部发电机组按可接受标准及期望数量，满足电力系统负荷电力和电能量需求能力的度量。

输电系统可靠性：从电源点输送电力到供电点，按可接受标准及期望数量满足供电负荷电力和电能量需求能力的度量。它也包括充裕度和安全性两个方面。

发输电合成系统可靠性：由统一并网运行的发电系统和输电系统综合组成的发输电系统按可接受标准和期望数量向供电点供应电力和电能量能力的度量。其可靠性包括充裕度和安全性两方面。

配电系统可靠性：是指供电点到用户，包括配电变电所、高低压线路及接户线在内的整个配电系统及设备，按可接受标准及期望数量满足用户电力及电能量需求能力的度量。

发电厂变电所电气主接线可靠性：在组成主接线系统的元件(断路器、变压器、隔离开关、母线)可靠性的指标已知和可靠性准则给定的条件下，整个主接线系统按可靠性准则满足供电电力及电能需求能力的度量。

电力系统可靠性是通过定量的可靠性指标来度量的。一般可以是故障对电力用户造成的不良影响的概率、频率、持续时间、故障引起的期望电力损失及期望电能量损失等，不同的子系统可以有专门的可靠性指标。

从研究的对象和内容来分，电力系统可靠性研究可以分为三个层次：第一层为发电系统可靠性评估，又叫电源可靠性评估；第二层为发输电合成系统可靠性评估，又叫大电力系统可靠性评估或主网架可靠性评估，第二层在第一层上增加了输电系统可靠性评估；第三层是包括发输配电系统在内的电力系统可靠性评估，在第二层的基础上增加发电厂变电所电气主接线和配电系统可靠性评估，由于问题的复杂性，目前只单独进行发电厂变电所电气主接线或配电系统可靠性评估。

发电系统是电力系统的一个重要的子系统，发电系统的可用容量是否能满足负荷的需要是电力系统可靠性考虑的最基本的问题。在发电系统可靠性评估中，为了突出矛盾，假定发电机和负荷之间的输电系统是完全可靠的，电源发出的电能可以无损失地到达负荷，这样可靠性指标集中反映了发电系统对负荷的影响。

在输电系统可靠性和发输电合成系统可靠性研究中，都包含充裕度和安全性两方面。安全性指标反映在短暂时段内发输电系统在动态条件下系统容量满足负荷需求的程度。安全性的另一个方面指系统的整体性，即电力系统维持联合运行的能力。电力系统的整体性往往与维持电力系统持续运行的能力有关，在遭受突然的大扰动时，一旦整体性遭到破坏，往往可能导致稳定破坏，不可控的一连串系统解列，最后造成大面积的停电。由于不仅系统遭受故障的类型、发生的地点等是随机的，就是故障时系统的状态、故障后保护的动作情况以及运行人员对故障的处理结果等都存在固有的随机性，而且电力系统中的大多数失负荷情况都与系统的动态或暂态行为有关，分析复杂度大大增加。

发输电合成系统又称为大电力系统(Bulk Power System)，其可靠性是指：由统一并网运行的发输电合成系统(由发电系统和输电系统综合组成)按可接受标准和期望数量向供电点供应电力和电能的能力。而输电系统可靠性则仅仅对电源点和供电点之间的系统的供电能力进行评估。

配电系统可靠性主要评估充裕度，它通过可靠性指标来体现。配电系统可靠性指标一般包括故障对电力用户造成的不良影响的概率、频率、持续时间、故障引起的期望电力损失及期望电能量损失等。

电力系统在本质上是一个随机系统。电力系统的概率分析基于对电力系统的概率建模及统计评价，从整体和宏观上评价电力系统的性能。电力系统可靠性概率评估的目的是研究系统安全运行的能力，以及如果元件等发生故障可能引起的停电和解列等事故，并以量化指标，如系统停电概率(Loss of Load Probability)、停电频率(Loss of Load Frequency)、停电时间(Loss ofLoad Duration)、停电功率(Expected Power Not Supplied)、停电损失费用(Loss of Load Cost)的期望值等来表示系统的可靠性能。为了完成以上分析计算，需要建立一定的数学模型和求解工具。电力系统可靠性分析方法主要可划分为确定性评估方法和概率性评估方法，其中概率性评价方法又分为解析法和模拟法两种。

(a)确定性评价方法

确定性方法是在预期故障发生的情况下，研究系统的可靠性水平。以前常用的系统N-1或N-K安全性检验，就是一种确定性可靠性评估方法，即在任意一个(或K个)元件(如发电机、线路、变压器等)退出运行时，计算系统中线路的潮流和节点电压，检验其是否发生过载或电压越界现象。确定性方法的计算结果可以对系统的安全性作粗略估计，提出改进薄弱环节的措施，但它只能预想一些故障重数较少的故障类型的事故后果，而且不能给出事故发生的可能性到底有多大，随着计算机仿真技术的发展，确定性评估方法已逐渐为概率性分析方法所取代。

(b)概率性评价方法

概率性评价方法是给出元件故障和修复的概率，通过计算得到系统和节点的运行参数变化区间和不同故障发生的概率，从而对系统的可靠性能有一个较为全面和客观的评价。概率性评价方法分为解析法和模拟法两种。

(b-1)解析法

解析法将元件或系统的寿命过程加以合理的理想化，并用一数学模型来描述这一寿命过程，如用指数分布(其密度函数为f(x)＝λe^-λx)或分段函数(如描述元件故障率随时间变化的浴盆曲线等)来表示，再通过手算或计算机运算程序来求解，得到所需要的可靠性指标。解析法的常用方法有网络法、状态空间法和故障树分析法等。

解析法的优点是可以用较严格的数学模型和一些有效的算法对系统可靠性进行周密的分析，准确性较高，因此常用于发电系统和一些简化或小型的组合系统的可靠性评估，如计算静态发电容量可靠性、互联系统简单分析、随机生产模拟等。对于大型组合电力系统，需要模拟的元件很多，如发电机、变压器、输电线路、母线、断路器和继电保护等，还要考虑发电机组的检修安排和降额运行状态、负荷预测的不确定性和相关性、线路的共模故障和相关故障等，状态空间极为庞大，即使将有关故障状态合并并简化发生概率较小的事件，所需研究的状态数也仍然很多，采用解析法很难给出一个准确的数学模型，或者即便给出，也难以计算出准确结果，在这种情况下，概率模拟的方法更加适合，有时甚至是唯一可行的评估方法。

(b-2)模拟法

模拟法是在计算机上模拟系统和元件的实际寿命过程，并通过对此模拟过程若干时间的观察，估计所要求的可靠性指标，因此，模拟法是把过程当作系统的真实实验来处理。Monte-Carlo仿真是模拟法的一种必要的实现工具。

模拟法适用于模拟故障率非指数分布的元件、需要输出某些数据的分布函数或统计数据、计划和检修间存在复杂关系等情况的大型组合电力系统。尤其对于大型电力系统，模拟法的计算时间比解析法要少。设系统中有n个两状态元件，采用状态空间法有2ⁿ个空间状态数，因此理论上每增加一个元件，计算量即增加一倍。而由大型系统的可靠性评估实际计算可知，元件数增加一倍，在保证相同精度情况下，模拟的总时间(或抽样次数)增加并不多，因此对于大型电力系统，采用模拟法比采用解析法的计算成本要小。

发明内容

本发明提供一种电网发展阶段划分方法，基于电力系统供电可靠性指标划分电网发展阶段的方法概念简单清晰，具有很好的可计算性和广泛适应性，可以方便的划分各种具体电网的发展阶段，指导电网发展规划工作。

为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种电网发展阶段划分方法，所述方法是基于可靠性指标的电网发展阶段划分方法，包括以下步骤：

(1)建立电力系统仿真计算的电网数据模型；

(2)确定故障率、修复率和故障切除时间；

(3)进行仿真计算；

(4)分析仿真结果。

所述电网数据模型包括电网系统内各元件之间的拓扑连接；电网系统内负荷总量、静态负荷和电动机负荷各自所占比例，各类型负荷的频率特性和电压特性；电网系统内线路、变压器、发电机、发电机控制系统、静态/动态无功补偿设备、直流输电系统、柔性交流输电设备的模型和参数。

所述故障率为λ， $\mathrm{\λ}=\frac{T_{\mathrm{PH}}}{T_{\mathrm{SH}}/N_{\mathrm{FOT}}},$ 修复率为μ， $\mathrm{\μ}=\frac{T_{\mathrm{PH}}}{T_{\mathrm{FOH}}/N_{\mathrm{FOT}}};$

其中：T_PH为统计期间时间，T_SH为运行时间，N_FOT为强迫停运次数，T_FOH为强迫停运累计时间；

所述故障切除时间是根据电网系统内继电保护设备实际整定的动作时间确定各类型故障切除时间。

所述步骤(3)仿真计算包括以下步骤：

(3-1)读入数据和网络参数，生成电网可靠性计算所需故障集；

(3-2)从故障集中逐一获得故障信息，并进行仿真计算，校验系统在特定故障条件下的稳定性以及负荷损失情况；

(3-3)对所述故障集Ω中所有的系统状态一一列举，然后再确定每一系统状态中各个元件的状态，计算对应的系统状态概率，对于系统中的单一元件k，设其不可用概率为p_k，X_k为其运行状态，则X_k的概率分布函数P(X_k)为：

式(1)中，

λ_k为单一原件k的故障率、μ_k为单一原件k的修复率；

对一包括m个元件的电力系统，X_i＝(X_i1，X_i2，…，X_ik，…，X_im)为状态空间中的一个系统运行状态，根据各元件的不可用概率和相互关系，可知其联合概率分布函数为：

P(X_i)＝∏_kP(X_ik)    (2)

其中每个原件的的故障均为独立的；

(3-4)指标函数P(X_i)为每一系统状态X_i∈Ω的发生概率，F(X_i)为计算得到的指标函数；

(3-5)对所述故障集Ω中所有的系统进行枚举后，即可用计算系统的可靠性指标E(F)；

$E\left(F\right)={\mathrm{\Σ}}_{X_i\∈\mathrm{\Ω}}F\left(X_i\right)P\left(X_i\right)---\left(4\right)$

式(4)中，P(X_i)为每一系统状态X_i∈Ω的发生概率，F(X_i)为计算得到的指标函数，F(X_i)表示概率、功率、频率或时间等可靠性指标；

(3-6)仿真计算结束，输出系统的供电可靠性分析结果。

根据仿真计算得到的电网供电可靠性指标，将电网的发展阶段划分为以下阶段：

(1)电网萌芽的初级阶段，即低可靠性水平阶段，对应的供电可靠性指标为E(F)＜99％；

(2)电网迅速发展阶段，即供电可靠性水平迅速增长阶段，对应的供电可靠性指标为99％＜E(F)＜99.9％；

(3)电网平稳上升发展阶段，即供电可靠性水平平稳上升阶段，对应的供电可靠性指标为99.9％＜E(F)＜99.99％；

(4)电网基本稳定的成熟阶段，即高可靠性水平阶段，对应的供电可靠性指标为E(F)＞99.99％。

本发明的有益效果在于：基于电力系统供电可靠性指标划分电网发展阶段的方法概念简单清晰，具有很好的可计算性和广泛适应性，可以方便的划分各种具体电网的发展阶段，指导电网发展规划工作。

附图说明

图1是供电可靠性水平变化阶段示意图；

图2是3机9节点系统接线图；

图3是可靠性评估程序主流程图。

具体实施方式

供电可靠性是指供电系统对用户持续供电的能力。供电可靠性的发展历程大体分为4个阶段：低可靠性水平阶段；可靠性水平迅速发展阶段；可靠性水平平稳增长阶段；高可靠性水平阶段。供电可靠性4个阶段的发展变化如附图1所示。

1)低可靠性水平阶段

低可靠性水平阶段是供电可靠性发展的初级阶段。此阶段供电可靠率一般在99％以下，对应的用户平均停电时间一般在87.6h以上，并且每年的供电可靠率指标波动很大。

2)可靠性水平迅速发展阶段

供电可靠性水平迅速增长，供电可靠率一般在99％以上，对应的停电时间一般在87.6h以下。供电可靠性指标的总体发展趋势是螺旋式上升，每年的供电可靠率指标有一定的波动，但其波动范围要比第1阶段小.

3)可靠性水平平稳增长阶段

供电可靠性水平已经较高，供电可靠率一般在99.9％以上，对应的停电时间一般在8.76h以下。供电可靠性指标仍然保持增长趋势，但每年的变化较小，其波动范围比第2阶段更小。

4)高可靠性水平阶段

供电可靠性水平已增加到很高，供电可靠率指标一般在99.99％以上，对应的用户平均停电时间一般在0.876h(约53min)以下。每年的供电可靠率指标较稳定，只有很小的波动，其波动范围比第1阶段、第2阶段和第3阶段都要小。

图2是3机9节点系统接线图；图3是可靠性评估程序主流程图。

一种电网发展阶段划分方法，所述方法是基于可靠性指标的电网发展阶段划分方法，包括以下步骤：

(1)建立电力系统仿真计算的电网数据模型；

(2)确定故障率、修复率和故障切除时间；

(3)进行仿真计算；

(4)分析仿真结果。

所述电网数据模型包括电网系统内各元件之间的拓扑连接；电网系统内负荷总量、静态负荷和电动机负荷各自所占比例，各类型负荷的频率特性和电压特性；电网系统内线路、变压器、发电机、发电机控制系统、静态/动态无功补偿设备、直流输电系统、柔性交流输电设备的模型和参数。

所述故障率为λ， $\mathrm{\λ}=\frac{T_{\mathrm{PH}}}{T_{\mathrm{SH}}/N_{\mathrm{FOT}}},$ 修复率为μ， $\mathrm{\μ}=\frac{T_{\mathrm{PH}}}{T_{\mathrm{FOH}}/N_{\mathrm{FOT}}};$

其中：T_PH为统计期间时间，T_SH为运行时间，N_FOT为强迫停运次数，T_FOH为强迫停运累计时间；

所述故障切除时间是根据电网系统内继电保护设备实际整定的动作时间确定各类型故障切除时间。

所述步骤(3)仿真计算包括以下步骤：

(3-1)读入数据和网络参数，生成电网可靠性计算所需故障集；

(3-2)从故障集中逐一获得故障信息，并进行仿真计算，校验系统在特定故障条件下的稳定性以及负荷损失情况；

(3-3)对所述故障集Ω中所有的系统状态一一列举，然后再确定每一系统状态中各个元件的状态，计算对应的系统状态概率，对于系统中的单一元件k，设其不可用概率为p_k，X_k为其运行状态，则X_k的概率分布函数P(X_k)为：

式(1)中，

λ_k为单一原件k的故障率、μ_k为单一原件k的修复率；

对一包括m个元件的电力系统，X_i＝(X_i1，X_i2，…，X_ik，…，X_im)为状态空间中的一个系统运行状态，根据各元件的不可用概率和相互关系，可知其联合概率分布函数为：

P(X_i)＝∏_kP(X_ik)    (2)

其中每个原件的的故障均为独立的；

(3-4)指标函数P(X_i)为每一系统状态X_i∈Ω的发生概率，F(X_i)为计算得到的指标函数；

(3-5)对所述故障集Ω中所有的系统进行枚举后，即可用计算系统的可靠性指标E(F)；

$E\left(F\right)={\mathrm{\Σ}}_{X_i\∈\mathrm{\Ω}}F\left(X_i\right)P\left(X_i\right)---\left(4\right)$

式(4)中，P(X_i)为每一系统状态X_i∈Ω的发生概率，F(X_i)为计算得到的指标函数，F(X_i)表示概率、功率、频率或时间等可靠性指标；

(3-6)仿真计算结束，输出系统的供电可靠性分析结果。

根据仿真计算得到的电网供电可靠性指标，将电网的发展阶段划分为以下阶段：

(1)电网萌芽的初级阶段，即低可靠性水平阶段，对应的供电可靠性指标为E(F)＜99％；

(2)电网迅速发展阶段，即供电可靠性水平迅速增长阶段，对应的供电可靠性指标为99％＜E(F)＜99.9％；

(3)电网平稳上升发展阶段，即供电可靠性水平平稳上升阶段，对应的供电可靠性指标为99.9％＜E(F)＜99.99％；

(4)电网基本稳定的成熟阶段，即高可靠性水平阶段，对应的供电可靠性指标为E(F)＞99.99％。

Claims (5)

1.一种电网发展阶段划分方法，其特征在于：所述方法是基于可靠性指标的电网发展阶段划分方法，包括以下步骤：

(1)建立电力系统仿真计算的电网数据模型；

(2)确定故障率、修复率和故障切除时间；

(3)进行仿真计算；

(4)分析仿真结果。

2.根据权利要求1所述的一种电网发展阶段划分方法，其特征在于：所述电网数据模型包括

a.电网系统内各元件之间的拓扑连接；

b.电网系统内负荷总量、静态负荷和电动机负荷各自所占比例，各类型负荷的频率特性和电压特性；

c.电网系统内线路、变压器、发电机、发电机控制系统、静态/动态无功补偿设备、直流输电系统、柔性交流输电设备的模型和参数。

3.根据权利要求1所述的一种电网发展阶段划分方法，其特征在于：所述故障率为λ， $\mathrm{\λ}=\frac{T_{\mathrm{PH}}}{T_{\mathrm{SH}}/N_{\mathrm{FOT}}},$ 修复率为μ， $\mathrm{\μ}=\frac{T_{\mathrm{PH}}}{T_{\mathrm{FOH}}/N_{\mathrm{FOT}}};$

其中：T_PH为统计期间时间，T_SH为运行时间，N_FOT为强迫停运次数，T_FOH为强迫停运累计时间；

所述故障切除时间是根据电网系统内继电保护设备实际整定的动作时间确定各类型故障切除时间。

4.根据权利要求1所述的一种电网发展阶段划分方法，其特征在于：所述步骤(3)仿真计算包括以下步骤：

(3-1)读入数据和网络参数，生成电网可靠性计算所需故障集；

(3-2)从故障集中逐一获得故障信息，并进行仿真计算，校验系统在特定故障条件下的稳定性以及负荷损失情况；

(3-3)对所述故障集Ω中所有的系统状态一一列举，然后再确定每一系统状态中各个元件的状态，计算对应的系统状态概率，对于系统中的单一元件k，设其不可用概率为p_k，X_k为其运行状态，则X_k的概率分布函数P(X_k)为：

式(1)中，λ_k为单一原件k的故障率、μ_k为单一原件k的修复率；

对一包括m个元件的电力系统，X_i＝(X_i1，X_i2，…，X_ik，…，X_im)为状态空间中的一个系统运行状态，根据各元件的不可用概率和相互关系，可知其联合概率分布函数为：

P(X_i)＝∏_kP(X_ik)    (2)

其中每个原件的的故障均为独立的；

(3-4)指标函数P(X_i)为每一系统状态X_i∈Ω的发生概率，F(X_i)为计算得到的指标函数；

(3-5)对所述故障集Ω中所有的系统进行枚举后，即可用计算系统的可靠性指标E(F)；

$E\left(F\right)={\mathrm{\Σ}}_{X_i\∈\mathrm{\Ω}}F\left(X_i\right)P\left(X_i\right)---\left(4\right)$

式(4)中，P(X_i)为每一系统状态X_i∈Ω的发生概率，F(X_i)为计算得到的指标函数，F(X_i)表示概率、功率、频率或时间等可靠性指标；

(3-6)仿真计算结束，输出系统的供电可靠性分析结果。

5.根据权利要求1所述的一种电网发展阶段划分方法，其特征在于：根据仿真计算得到的电网供电可靠性指标，将电网的发展阶段划分为以下阶段：

(1)电网萌芽的初级阶段，即低可靠性水平阶段，对应的供电可靠性指标为E(F)＜99％；

(2)电网迅速发展阶段，即供电可靠性水平迅速增长阶段，对应的供电可靠性指标为99％＜E(F)＜99.9％；

(3)电网平稳上升发展阶段，即供电可靠性水平平稳上升阶段，对应的供电可靠性指标为99.9％＜E(F)＜99.99％；

(4)电网基本稳定的成熟阶段，即高可靠性水平阶段，对应的供电可靠性指标为E(F)＞99.99％。

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