87电力系统规划与可靠性

电力系统规划与可靠性主讲：赵书强2010-2011第一学期课程内容绪论可靠性分析基础■■电力系统可靠性分析电力系统规划的优化方法电源规划电网规划■■■■绪论概述电力系统可靠性的概念与研究方法电力系统规划的概念与研究方法电力系统规划与可靠性研究的新进展绪论—概述电力系统是一个复杂的大系统，虽然问题众多，但归根结底是可靠性与经济性这两类问题。可靠性与经济性是一个矛盾的两个方面，二者的对立统一决定了电力系统的基本面貌。电力系统规划问题就是研究如何在保证可靠性的前提下，最大限度地提高经济效益，降低成本。所以，电力系统规划与电力系统可靠性既是相互独立的两个研究方向，又密切相关，一般来说，可靠性是研究电力系统规划问题的基础，研究规划问题就必然涉及到可靠性问题。绪论—概述电力系统规划电力系统规划设计电力系统设计电力系统建设电力系统运行绪论—概述电力系统规划与可靠性问题内容广泛，属交叉学科，已经成为电力系统令人注目的一个研究方向。研究电力系统规划与可靠性问题需要具备扎实的数学基础，特别是概率与数理统计、规划数学、计算方法等。虽然在大型电力国际（国内）会议上，电力系统规划与可靠性都被列为单独的论文类别，但由于历史的原因，相对于电力系统的其它研究方向而言，电力系统规划与可靠性问题的研究相对滞后，表现为研究的人员较少、重视程度不够、还有很多问题没有突破、研究成果实际应用价值小等等。绪论—概述近年来，这一状况正在迅速得到改变，随着电力市场的形成，为了经济的目的，必然要最大限度地降低成本和提高系统的安全运行水平，规划与可靠性就成了不能回避的问题，其研究工作也迅速增多。尤其在城网规划和地区电网无功优化方面，人们投入了极大的热情，并随之出现了一批研究成果。为适应形式的发展，我校电力系统及其自动化专业决定开设电力系统规划与可靠性课程，并希望以此能提高人们对此课题的重视。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法人们在日常生活和工程技术领域常常遇到对某一事物、产品或系统可靠和不可靠的评论，这种评论是和事物、产品或系统能否达到某一预期的功能联系在一起的。例如，一台机器预期能连续工作10天，如果工作到7天或更短的时间就损坏了，那它是不可靠的，如果连续工作10天或更长时间，则它就是可靠的。这种对可靠性问题的认识，还只是停留在模糊定性认识的阶段，缺乏数量上严格和科学的计算方法，还不能称之为可靠性理论。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法可靠性理论的发展，可以追溯到第二次世界大战期间，当时德国为了对导弹的可靠性作出估计，提出了关于可靠性的一个重要理论：任一元件的故障可能导致系统（串联系统）故障，其可靠性等于各独立元件可靠性的乘积。由于独立元件的可靠性是小于1的，所以，系统的可靠性比系统中可靠性最差的一个元件还要低。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法任一元件的故障可能导致系统（串联系统）故障，其可靠性等于各独立元件可靠性的乘积。由于独立元件的可靠性是小于1的，所以，系统的可靠性比系统中可靠性最差的一个元件还要低。这种对可靠性的认识，虽然非常简单，但已经上升到了理论的高度，因而具有非常重要的意义。第二次世界大战以后，可靠性理论在电子、空间技术以及其它工程技术领域得到了越来越广泛的应用和发展，并迅速成为一门独立的学科。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法关于可靠性的概念，一般是这样认识的：可靠性（Reliability）是指一个元件、设备或系统在预定时间内，在规定的条件下完成规定功能的能力。可靠性涉及元件失效数据的统计和处理、系统可靠性的定量评定、可靠性和经济性的协调等多方面内容，是一门边缘学科，具有实用性、科学性和时间性三大特点。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法可靠性和经济性的协调等多方面内容，是一门边缘学科，具有实用性、科学性和时间性三大特点。所谓实用性是指可靠性研究和工程实践紧密联系，并为工程实践服务；科学性是指可靠性研究有一套独特的科学理论和方法，而不是猜测和粗略的判断；时间性是指可靠性贯穿于产品或系统的整个设计、研制、开发、运行过程。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法把可靠性研究的一般理论和方法与电力系统的工程实际相结合，便形成电力系统可靠性。电力系统可靠性是20世纪60年代以后发展起来的一门应用科学，已渗透到了电力系统规划、设计、运行和管理的各个方面。1970年，比灵顿（R.Billinton）发表了第一部电力系统可靠性的专著——《电力系统可靠性估计》（PowerSystemReliabilityEvaluation），以后，许多关于电力系统可靠性的书刊专著相继问世。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法我国关于可靠性问题的研究大体始于20世纪70年代后期，80年代初中期出版了一些有关可靠性的专著和译著，对可靠性问题研究较多的主要是西安交通大学和清华大学，重庆大学、电力科学研究院、华北电力大学也进行了有关研究工作，如华北电力大学承担了国家“七五”攻关子课题“三峡电站接入系统的可靠性与经济性分析”，并于1989年通过了电力工业部的技术鉴定。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法与可靠性这一概念密切相关的还有可靠度和可用率（Availability）。一般设备区分为不可修复设备和可修复设备两大类，如在电力系统中，绝缘子属不可修复设备，而发电机、变压器、短路器等大多数设备属可修复设备。对于不可修复设备，其可靠性是指在预期的时间（平均寿命）内，未发生故障这一事件的概率，通常称为可靠度。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法对于可修复设备，由于故障后还可以修复，再投入工作，且长期经历着这种循环，所以，除计及设备发生故障的概率外，还要计及故障后修复的概率，这种情况下的可靠性指标称为可用率，它定义为：可修复设备在长期运行中，处于或准备处于工作状态的时间所占的比例。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法关于设备的两种可靠性指标可靠度和可用率，同样适用与元件和系统。电力系统是典型的可修复系统，其中的主要元件都是可修复元件。为了便于不同场合的应用，已提出了大量电力系统可靠性的具体指标。如电力不足概率（LOLP）、电力不足频率（FLOL）、电力不足持续时间DLOL等等。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法电力系统可靠性问题的研究，目的是对整个电力系统进行可靠性评估。但现代电力系统是由发电系统、输电系统、配电系统等组成的庞大复杂的大系统，目前只能是把发电系统、输电系统、配电系统人为地分割开来进行可靠性研究，所以有发电系统可靠性、输电系统可靠性、配电系统可靠性这样的称呼。电力系统可靠性问题的研究有两个方面的目的：一是为电力系统的发展规划进行长期可靠性估计；二是为制定每天或每周运行计划而进行可靠性预测。这两类问题研究所需的数学模型和计算方法是不而对短期可靠性的预测还处于探索阶段同的，目前关于长期可靠性问题的研究已达到实用阶段，因为短期可靠性的研究需要考虑电力系统稳定性等问题，而这些问题都还不是很成熟。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法提高电力系统可靠性的途径，一是提高组成系统各元件的可靠性，二是增加冗余度。对于发电系统，增加冗余度意味着增加装机容量，即增大备用容量；对于输电系统，则意味着增加输电线路数或加大输电线路截面积。可见，冗余度涉及到经济问题，可靠性与经济性密切相关。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法目前研究电力系统可靠性的方法有两种：一种是解析法，另一种是模拟法。这是两种完全不同的方法，解析法是将元件或寿命的过程模型化，然后通过数学方法进行可靠性分析，计算出可靠性指标；模拟法也称为蒙特卡洛法或仿真法，它是采用计算机仿真的方法，模拟元件或系统的寿命过程，并经过规定的时间后进行统计，得出可靠性指标。绪论—电力系统可靠性的概念与研究方法一般来说，解析法需要建立系统的数学模型，公式推导复杂，但所得结果准确和确定，其计算时间与所关心的系统年限无关，计算速度快；模拟法不需要建立系统的数学模型，而是通过抽随机数的办法模拟实际系统寿命过程，无复杂的公式推导，但计算结果不确定，计算时间与所关心的系统年限有关，计算速度慢。绪论—电力系统规划的概念与研究方法在运筹学中，最优化问题又称为规划问题，例如，一个工厂，在一定的人力物力条件下，如何达到产量最高，或达到成本最低，是需要经过规划才能解决的问题。一般物理系统都可以建立以目标函数为核心，同时具有约束条件的数学模型，在满足约束条件的前提下，使目标函数取得最优值（最大值或最小值）的问题，称为规划。规划与计划不同，规划是为决策者提供参考和依据，计划是决策者的决定。绪论—电力系统规划的概念与研究方法电力系统规划研究通常包括电源规划和电网规划。电网规划可进一步分为输电网规划即主网规划和配电网规划两类。随着国民经济的迅速发展，电力负荷迅速增长，因此就需要建设大量新的电厂、输电线和变电站。电力系统规划的目的不是对这些建设项目进行具体的设计，而是从国民经济整体、地区整体、电力系统整体出发，研究应该建设哪些项目、规模多大、各项目的基本参数（如装机容量、电压等级等等）、建设顺序、需要采取的重大技术措施等。绪论—电力系统规划的概念与研究方法电力系统规划根据时间的长短，一般分为长期规划、中期规划和短期规划，还有远期规划、中长期规划等叫法。各种规划的时间长短并没有统一的规定，一般10年以上的规划称为长期规划，5-10年的规划称为中期规划，3-5年的规划称为短期规划。不同的规划考虑问题的角度不同，其数学模型和求解方法也有很大不同。绪论—电力系统规划的概念与研究方法过去，电力系统规划工作是手工完成的，考虑因素少，系统规模也不大，其结果更多地体现了政策和决策者的意志，这种方法已不能适应现代电力系统的需要。1960s以后，由于优化技术的发展和计算机的广泛应用，出现了各种各样的电力系统规划模型和设想，极大地提高了电力系统规划工作的科学性和效率，这种采用近代优化技术和计算机的电力系统规划，称之为电力系统最优规划或电力系统优化规划。绪论—电力系统规划的概念与研究方法电力系统是一个整体，电力系统优化规划的模型应该是同时考虑整个的电力系统，但由于电力系统的复杂性，它具有规模大、变量多、离散性、非线性、随机性、不确定性、动态性等特点，从目前的技术水平看，同时对整个电力系统建模并进行优化是相当困难的，一般都是针对电力系统的某一部分或某一方面的问题建立局部模型并进行局部规划，如有功电源规划、网络规划、无功补偿规划、配电网规划等等，尤其是地区电网规划和配电网规划，已引起人们极大的兴趣。绪论—电力系统规划的概念与研究方法随着电力系统三大计算，即潮流计算、短路计算和稳定计算的完善与实用化，如今，很多电力系统局部规划的数学模型已经达到实用化的水平，如电源规划、城网规划、无功优化等。由于电力系统是资金密集性工业，电力系统的发展要投入大量资金，通过科学规划，哪怕投资能节约一个较小的百分数，其绝对值也是相当大的。所以，电力系统规划问题的研究与推广应用，具有非常重要的理论意义和实用价值。电力系统规划问题是一个十分复杂的问题，由于实际系统的整体数学模型过于复杂，变量很多，目前的规划方法和计算水平还不能胜任，所以，往往需要对系统模型进行简化处理，这样，不同的研究人员对模型的处理思想和求解方法就存在很大不同，到目前为止，还没有一个模型和求解方法不存在弱点。绪论—电力系统规划的概念与研究方法绪论—电力系统规划的概念与研究方法另外，由于电力工业与国民经济和人民生活密切相关，而且工程往往较大，随着时代的进步，一些过去不需考虑的因素，现在也必须考虑进来，或者有些问题在新时期需要作新的考虑，例如，环境保护问题，电力市场化、可靠性问题等。所以，电力系统规划问题是一个不断发展和变化的问题。绪论—电力系统规划的概念与研究方法电力系统规划的具体方法，与具体问题有关，一般来说，任何规划方法，在电力系统都有应用，这些方法包括线性规划法、整数规划法、非线性规划法、动态规划法等，这些方法本身还有不同的分类，如非线性规划法有乘子法、剃度法等等。另外，近年来，又出现了专家系统方法、遗传算法、模拟退