CN109787834A - 计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力设备可靠性评估技术领域，具体涉及计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法，具体步骤包括：1）首先获得电网中设备的故障概率参数，对电网初始状态进行潮流计算；2）依次模拟各设备的N‑1故障场景，通过电力系统分析软件工具（PSD‑BPA）仿真故障场景对核电机组接入点电压、频率的影响程度；3）依据核电机组电压、频率保护的动作阈值估计其停运的可能性，同时计及核电机组外部设备N‑1故障发生的概率；4）计算核电机组与电网运行参数相关联的非独立故障概率。本发明有效地考虑了核电机组的运行及保护特性，为实现含核电网的运行可靠性和风险评估奠定了基础，对保证含核电网的安全稳定运行有较大的帮助。

Description

计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法

技术领域

本发明涉及电力设备可靠性评估技术领域，具体涉及计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法。

背景技术

随着电力需求的快速增长、大规模可再生能源的接入以及全球能源互联网的建设，我国电网规模不断扩大，电力系统的安全可靠运行问题日益突出。如何对电力系统进行快速、准确的可靠性和风险评估是世界各国电力系统迫切需要解决的难题。电力设备故障或停运是电力系统失效的根本原因，设备发生故障的概率取决于其自身健康水平、外部环境条件和系统运行状态等因素，建立设备的故障概率模型是进行系统可靠性和风险评估的核心问题。

近几十年来，在电力设备的故障概率模型方面，相关研究较为丰富。传统的设备故障概率模型主要应用于电网规划、检修等常规的可靠性分析中，它主要体现设备运行的长期稳定性，忽略短时间运行工况变化对故障发生概率的影响。传统的可靠性评估中设备的故障概率一般取为长期统计的平均值，存在可信度低、应用滞后等问题，而时变的设备故障概率模型的出现可以解决这些问题。此外，考虑外部环境的电网故障概率模型研究也得到了发展，包括两气候状态故障概率模型、基于回归算法的故障概率模型、基于灰色模糊理论的故障概率模型等。

发电机是电力系统中的核心设备，其故障或停运状态会影响电网的安全稳定运行，研究发电机的故障概率模型具有十分重要的意义。在传统的研究中，关于运行条件下机组故障概率的度量，有的直接采用强迫停运率(FOR)来进行表达，有的采用停运替代率(ORR)来进行描述。有学者建立了条件相依的设备短期可靠性模型，认为老化失效、偶然失效和过负荷保护动作这三类导致设备停运的事件相互独立，进而得到发电机的停运概率。

核电机组具有单机容量大、安全性要求高的特点，其发生故障或停运易对电网产生重大影响。目前，很少有研究涉及核电机组故障概率的计算与求取，常规的方法是把核电机组等效为传统的火电机组来处理。但是，核电机组对电网扰动十分敏感，在传统的可靠性分析中发电机组通常采用独立的故障概率模型，没有考虑核电机组接入点频率和电压波动对机组故障概率造成的影响，因此，传统的发电机组故障概率模型无法合理表征核电机组的特性。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法，具体技术方案如下：

计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法包括以下步骤：

S1：确定核定机组的电压保护特性和频率保护特性；

S2：确定与电网运行参数相关的核电机组故障概率模型；

S3：获取所研究电网中各个设备的基本故障概率参数；

S4：对所研究电网的初始运行状态进行潮流计算；

S5：对电网中的设备依次进行N-1故障场景模拟，查看该故障发生后核电机组接入点的频率和电压水平，对照核电机组的频率保护特性和电压保护特性，得到该场景下核电机组的故障概率；

S6：计算计及电网运行参数的核电机组的非独立故障概率；

S7：在完成N-1故障场景的仿真之后，分析核电机组故障概率与电网设备故障之间的关系，寻找可以造成核电机组停运或故障的外部设备故障的集合。

优选地，所述步骤S1中确定核定机组的电压保护特性和频率保护特性即确定核电机组接入电网运行部分频率、电压允许范围和持续时间；根据核电机组接入点的频率、电压水平及持续时间，判断核电机组是处于正常运行状态还是切机退出运行。

优选地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：当核电机组频率在正常范围内时，核电机组的故障概率P(F_NG)取其参考值如下式所示：

其中，表示核电机组的平均故障概率；F_NG为核电机组频率；为核电机组频率正常值的下限；为核电机组频率正常值的上限；

S22：当核电机组频率超过所允许的极限值时，频率保护动作致使核电机组切机，其故障概率为1，如下所示：

其中，F_NG,max为核电机组所允许频率的上限值；F_NG,min为核电机组所允许频率的下限值；

S23：当核电机组频率在正常值和极限值之间时，核电机组保护装置动作的概率随频率越限程度的增加而增大，此处采用直线拟合核电机组的故障概率，如下所示：

S24：当核电机组电压在正常范围内时，核电机组的故障概率P(F_NG)取其参考值如下式所示：

其中，为核电机组电压正常值的下限；为核电机组电压正常值的上限；

S25：当核电机组电压超过所允许的极限值时，电压保护动作致使核电机组切机，其故障概率为1，如下所示：

其中，U_NG,min为核电机组所允许电压的下限值；U_NG,max为核电机组所允许电压的上限值；

S26：当核电机组电压在正常值和极限值之间时，核电机组保护装置动作的概率随频率越限程度的增加而增大，此处采用直线拟合核电机组的故障概率，如下所示：

S27：核电机组的故障概率受电压和频率两个因素的影响，其中任何一个因素达到极限值即会使其故障概率为1，因此，在已知核电机组接入点频率和电压的条件下，核电机组的故障概率定义为：

P(F_NG,U_NG)＝max{P(F_NG),P(U_NG)} (7)。

优选地，所述步骤S3中获取所研究电网中各个设备的基本故障概率参数具体为：设所研究电网中除核电机组外共有M个设备，每个设备发生故障的概率为P(A_i)，i＝1,…,M。

优选地，所述步骤S4对所研究电网的初始运行状态进行潮流计算时，若潮流收敛，则可执行后续步骤；若潮流不收敛，则需要调整电网运行参数继续进行潮流计算，直至潮流收敛。

优选地，所述步骤S6中计及电网运行参数的核电机组的非独立故障概率为：

其中，M为所研究电网中除核电机组外的设备数量，P(A_i)为每个设备发生故障的概率，P_i(F_NG,U_NG)为对电网中的第i个设备进行故障仿真得到的核电机组的故障概率，为核电机组的平均故障概率。

本发明的有益效果为：本发明旨在计算核电机组与电网运行参数相关联的非独立故障概率，有效地考虑了核电机组的运行及保护特性，为实现含核电网的运行可靠性和风险评估奠定了基础，对保证含核电网的安全稳定运行有较大的帮助。相比于传统火电机组独立的故障概率模型，本发明不仅考虑了核电机组老化等自身因素导致的故障概率，还计及了电网运行参数即频率、电压变化对核电机组发生故障概率的影响，所求故障概率具有更高的精确性和可靠度。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法包括以下步骤：

核电机组具有单机容量大、核安全要求高、核岛对电网扰动敏感、需要较长的停堆换燃料时间等特点，核电机组接入电网后相互之间将产生较为严重的影响。电压和频率是电网影响核电机组的主要参数。

S1：首先确定核定机组的电压保护特性和频率保护特性；即确定核电机组接入电网运行部分频率、电压允许范围和持续时间；根据核电机组接入点的频率、电压水平及持续时间，判断核电机组是处于正常运行状态还是切机退出运行。核电机组必须在一定的电压和频率范围内运行，如果超出范围，核电厂内的保护措施将会自动启动，导致电网与核电机组解列，使电网失去重要电源并遭受较大冲击。

结合相关参考文献及核电厂实际运行标准和经验，核电机组接入电网运行时部分频率、电压允许范围和持续时间的标准要求如表1所示。

表1核电机组接入电网运行部分频率、电压允许范围和持续时间

可见，当核电机组接入点频率范围为49.5～50.5Hz，电压范围为0.8～1.05p.u.时，核电机组能够正常运行。当接入点频率高于53.5Hz或低于47.0Hz，机端电压高于1.25p.u.或低于0.7p.u.，核电机组频率或电压保护应迅速动作，使机组与电网解列。

S2：确定与电网运行参数相关的核电机组故障概率模型；当核电机组接入点电压、频率升高或降低到保护定值时，核电机组的保护装置动作，并且随着频率、电压越限程度的加深保护的动作时限减小，核电机组切机退出运行的概率增大。具体如下：

S21：当核电机组频率在正常范围内时，核电机组的故障概率P(F_NG)取其参考值如下式所示：

其中，表示核电机组的平均故障概率；F_NG为核电机组频率；为核电机组频率正常值的下限；为核电机组频率正常值的上限；

S22：当核电机组频率超过所允许的极限值时，频率保护动作致使核电机组切机，其故障概率为1，如下所示：

其中，F_NG,max为核电机组所允许频率的上限值；F_NG，min为核电机组所允许频率的下限值；

S23：当核电机组频率在正常值和极限值之间时，核电机组保护装置动作的概率随频率越限程度的增加而增大，此处采用直线拟合核电机组的故障概率，如下所示：

S24：当核电机组电压在正常范围内时，核电机组的故障概率P(F_NG)取其参考值如下式所示：

其中，为核电机组电压正常值的下限；为核电机组电压正常值的上限；

S25：当核电机组电压超过所允许的极限值时，电压保护动作致使核电机组切机，其故障概率为1，如下所示：

其中，U_NG,min为核电机组所允许电压的下限值；U_NG,max为核电机组所允许电压的上限值；

S26：当核电机组电压在正常值和极限值之间时，核电机组保护装置动作的概率随频率越限程度的增加而增大，此处采用直线拟合核电机组的故障概率，如下所示：

S27：核电机组的故障概率受电压和频率两个因素的影响，其中任何一个因素达到极限值即会使其故障概率为1，因此，在已知核电机组接入点频率和电压的条件下，核电机组的故障概率定义为：

P(F_NG,U_NG)＝max{P(F_NG),P(U_NG)} (7)。

S3：要得到核电机组非独立的故障概率，首先必须采用事故模拟的方法得到所有导致核电机组解列的外部故障，获取所研究电网中各个设备的基本故障概率参数，设所研究电网中除核电机组外共有M个设备，每个设备发生故障的概率为P(A_i)，即发生简单的单一故障概率，其中i＝1,…,M，P(A_i)概率值一般可由设备长期运行的历史统计数据给出。

S4：对所研究电网的初始运行状态进行潮流计算，若潮流收敛，则可执行后续步骤；若潮流不收敛，则需要调整电网运行参数继续进行潮流计算，直至潮流收敛。潮流计算结束后，查看核电机组接入点频率、电压水平，根据核电机组频率、电压保护特性判断核电机组是否处于正常运行状态。

S5：通过电力系统分析软件工具PSD-BPA对电网中的设备依次进行N-1故障场景模拟；查看该故障发生后核电机组接入点的频率和电压水平，对照核电机组的频率保护特性和电压保护特性，得到该场景下核电机组的故障概率。具体为：在故障仿真过程中，采取被仿真设备与核电机组的电气距离由近到远的原则，即首先仿真核电机组临近设备的N-1故障。可以设置的故障类型包括：(1)核电输出线路“N-1”故障；(2)电网输电线路“N-1”故障；(3)切除1台大容量发电机组；(4)输电线路、母线发生三相短路故障；(5)变压器故障、停运。

对电网中的第i个设备进行故障仿真，查看故障后核电机组接入点的电压和频率水平，结合表1和式(1)-(7)，得到该故障场景下核电机组的故障概率P_i(F_NG,U_NG)。

S6：计算计及电网运行参数的核电机组的非独立故障概率；综合该故障场景发生的概率P(A_i)及其导致核电机组发生故障的概率P_i(F_NG,U_NG)，求其乘积。对所有N-1故障场景下的概率乘积进行求和，同时叠加核电机组老化等自身因素对故障发生概率的影响，得到计及电网运行参数的核电机组的非独立故障概率，即

S7：在完成N-1故障场景的仿真之后，分析核电机组故障概率与电网设备故障之间的关系，寻找可以造成核电机组停运或故障的外部设备故障的集合。由于核电机组的安全稳定运行要求高，需要采取相应的措施以应对此类外部故障的发生对核电机组造成的不利影响。

本发明不局限于以上所述的具体实施方式，以上所述仅为本发明的较佳实施案例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：确定核定机组的电压保护特性和频率保护特性；

S2：确定与电网运行参数相关的核电机组故障概率模型；

S3：获取所研究电网中各个设备的基本故障概率参数；

S4：对所研究电网的初始运行状态进行潮流计算；

S5：对电网中的设备依次进行N-1故障场景模拟，查看该故障发生后核电机组接入点的频率和电压水平，对照核电机组的频率保护特性和电压保护特性，得到该场景下核电机组的故障概率；

S6：计算计及电网运行参数的核电机组的非独立故障概率；

S7：在完成N-1故障场景的仿真之后，分析核电机组故障概率与电网设备故障之间的关系，寻找可以造成核电机组停运或故障的外部设备故障的集合。

2.根据权利要求1所述的计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法，其特征在于：所述步骤S1中确定核定机组的电压保护特性和频率保护特性即确定核电机组接入电网运行部分频率、电压允许范围和持续时间；根据核电机组接入点的频率、电压水平及持续时间，判断核电机组是处于正常运行状态还是切机退出运行。

3.根据权利要求1所述的计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21：当核电机组频率在正常范围内时，核电机组的故障概率P(F_NG)取其参考值如下式所示：

其中，表示核电机组的平均故障概率；F_NG为核电机组频率；为核电机组频率正常值的下限；为核电机组频率正常值的上限；

S22：当核电机组频率超过所允许的极限值时，频率保护动作致使核电机组切机，其故障概率为1，如下所示：

其中，F_NG,max为核电机组所允许频率的上限值；F_NG,min为核电机组所允许频率的下限值；

S23：当核电机组频率在正常值和极限值之间时，核电机组保护装置动作的概率随频率越限程度的增加而增大，此处采用直线拟合核电机组的故障概率，如下所示：

S24：当核电机组电压在正常范围内时，核电机组的故障概率P(F_NG)取其参考值如下式所示：

其中，为核电机组电压正常值的下限；为核电机组电压正常值的上限；

S25：当核电机组电压超过所允许的极限值时，电压保护动作致使核电机组切机，其故障概率为1，如下所示：

其中，U_NG,min为核电机组所允许电压的下限值；U_NG,max为核电机组所允许电压的上限值；

S26：当核电机组电压在正常值和极限值之间时，核电机组保护装置动作的概率随频率越限程度的增加而增大，此处采用直线拟合核电机组的故障概率，如下所示：

S27：核电机组的故障概率受电压和频率两个因素的影响，其中任何一个因素达到极限值即会使其故障概率为1，因此，在已知核电机组接入点频率和电压的条件下，核电机组的故障概率定义为：

P(F_NG,U_NG)＝max{P(F_NG),P(U_NG)} (7)。

4.根据权利要求1所述的计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法，其特征在于：所述步骤S3中获取所研究电网中各个设备的基本故障概率参数，具体为：设所研究电网中除核电机组外共有M个设备，每个设备发生故障的概率为P(A_i)，i＝1,…,M。

5.根据权利要求1所述的计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法，其特征在于：所述步骤S4对所研究电网的初始运行状态进行潮流计算时，若潮流收敛，则可执行后续步骤；若潮流不收敛，则需要调整电网运行参数继续进行潮流计算，直至潮流收敛。

6.根据权利要求1所述的计及电网运行参数的核电机组非独立故障概率的计算方法，其特征在于：所述步骤S6中计及电网运行参数的核电机组的非独立故障概率为：

其中，M为所研究电网中除核电机组外的设备数量，P(A_i)为每个设备发生故障的概率，P_i(F_NG,U_NG)为对电网中的第i个设备进行故障仿真得到的核电机组的故障概率，为核电机组的平均故障概率。