电力系统可靠性基本理论及其应用

电力系统可靠性基本理论及其应用西安交通大学电气工程学院王秀丽二OO八年十月主要内容电力系统可靠性概述电力系统可靠性的基本理论可修复系统可靠性评估方法发电系统可靠性评估配电系统可靠性评估可靠性经济分析方法一、电力系统可靠性概述可靠性（Reliability）是指一个元件、设备或系统在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的概率或能力可靠性评估提供研究可靠性的理论和实用的工具，评价元件、设备或系统的可靠性性能，获得产品或系统的最优可靠性.可靠性评估的意义产品和系统复杂性增加，如何解决复杂性与可靠性的矛盾产品和系统故障引起的损失增大，对可靠性要求提高，如何平衡提高可靠性的代价与减少故障损失涉及到安全领域（如航天、核电），对设备可靠性要求更为突出，如何有效地提高可靠性水平电力系统大规模故障的影响1996年美国西部电力系统发生了两次特大的停电事故。一次发生在1996年7月2日，停电持续时间约0.5h，停电负荷达7.5GW，损失发电容量6.4GW，影响用户约200万个。另一次发生在1996年8月10日，停电时间约3h，损失负荷达30.498GW，损失发电容量25.578GW，影响用户约750万个，停电面积达180万平方英里，包括美国的14个州和加拿大的两个省。1986年乌克兰的切尔诺贝利核电站的4号反应堆因核泄露导致爆炸，直到2000年12月15日核电站完全关闭。从1986到2000年这14年里，乌克兰共有336万人遭到核辐射侵害，其中儿童达到126万；参加消除核事故危害后果的35万名救援人员中，身体健康的人数不到10%。现在，所有的核电站都要进行概率风险评价，进行定量评价可靠性，并确保达到较高水平。为什么现代电网的设计运行技术取得了很大的发展，但是仍不能完全避免大电网的瓦解事故发生？美加8.14大停电后的纽约受停电影响的人口约5000万，地域约24000平方公里，停电持续时间为29小时，损失负荷61800兆瓦电力系统可靠性电力系统可靠性是可靠性理论在电力系统中的应用电力系统可靠性是指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量的能力电力系统可靠性包括充裕度和安全性两个方面充裕度是在静态条件下电力系统满足用户电力和电能量的能力安全性是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可靠性研究内容第一层发电系统可靠性评估第二层发输电系统可靠性评估第三层电力系统可靠性输电系统可靠性评估发电厂变电所电气主接线可靠性评估配电系统可靠性评估可靠性指标1.概率型：可靠性或可用性2.频率型：单位时间内故障次数2.平均持续时间型：首次故障的平均时间故障间平均持续时间故障的平均持续时间3.期望值型：一年故障天数的期望值发电系统单节点电源规划输电系统发电机组无故障输电规划配电系统枢纽变电源可靠配电规划可靠性与规划可靠性也可用安排短期运行方式发电系统备用检修计划运行方式输电系统检修阻塞情况需调整发电计划配电系统检修网络重构1.用高质量元件2.增加备用冗余度增加发电机容量增加电网容量增加变电站变压器容量3.规划合理的网架主接线提高电力系统可靠性的措施二、系统可靠性基础理论系统可靠性基本术语系统（System）一个系统是由一组零件（元件）、部件、子系统或装配件（统称为单元）构成的、完成期望的功能、并具有可接受的性能和可靠性水平的一种特定设计。元件元件：在可靠性统计、检验和分析中不需要再细分的部件或部件组合。元件应有独立的功能元件分为有效和失效两状态元件的故障模型的建立是以寿命试验和故障率数据为基础的可靠性方块图(RBDs—ReliabilityBlockDiagrams)可靠性方块图是系统元件及其可靠性意义下连接关系的图形表达,表示元件的正常或失效状态对系统状态的影响。在一些情况下，它不同于结构连接图。计算机的简化可靠性方块图可靠性方块一个方块可以代表零件（元件）、部件、子系统或装配件。系统可靠性评估的第一步是获取数据（寿命或成功次数等），估计单元的可靠性水平。系统可靠性连接形式(1)串联系统(2)并联系统(3)k/n表决系统(4)串并联混合系统(5)复杂系统（1）可靠性串联系统系统可靠度为可靠性串联系统中，可靠性最差的单元对系统的可靠性影响最大。niisRR1[例2-25]设计某一串联系统需要200个相同的元件。如果要求系统整体可靠性不小于0.99，则每个元件可靠度的最低值应该是多少？解按题意可知，即即要求每个元件的可靠度至少达到0.9995。2000.99R12000.990.9995R可靠性串联系统对系统可靠性的认识误区：在特定的时间内，已知系统所有单元的可靠度为90%，则系统可靠度为90%。（2）可靠性并联系统当系统中任一元件运行，系统即能完成规定的功能，则称这种系统为并联系统。由代表元件的框全部并联构成的网络即为原系统并联等效的可靠性框图。考察由两个独立元件A和B构成的并联系统，如图2-23所示。这也就意味着必须两个元件都失效系统才失效。此时，系统可靠度可由系统不可靠度的补数求得，即RP=1-QAQB(2-66)或RP=RA+RB-RARB(2-67)对于n个元件的并联系统则有(2-68)(2-69)由此可知串联系统可靠度随着系统元件个数的增多而下降；并联系统则是不可靠度随着系统元件个数的增多而下降，即系统可靠度随构成元件数的增多而提高。1npiiQQ11nPiiRQ（2）可靠性并联系统系统可靠度为可靠性并联系统冗余最大niisRR1)1(1可靠性并联系统但增加并联元件个数会增加系统初投资，质量和体积，并增加所需要的维修量。所以，必须审慎的权衡得失。[例2-26]某系统有四个元件并联组成，其可靠度分别为0.99,0.95,0.98,0.97。问系统的可靠度和不可靠度分别是多少？解系统不可靠度为则可靠度为RP=0.99999977(10.99)(10.95)(10.98)(10.97)310pQ（3）k/n表决系统特例：1/n—串联系统n/n—并联系统系统可靠度：rnrrnrrpPrnrnpprnP)1()!(!!)1(k/n表决系统例2-20系统1——24×10MW=240MWq=0.01系统3——12×20MW=240MWq=0.03负荷200MW，备用率20%系统1失负荷概率多于5台机故障的概率之和0.000004其中系统3失负荷概率多于3台机故障的概率之和0.0048其中备用相同，概率风险度差1200倍0000035.0)01.01(01.0)!524(!5!245245rP004516.0)03.01(03.0)!312(!3!123123rP4.串—并联系统上两节中所讨论的串联和并联系统是分析更复杂系统的基础。一般原则是把复杂系统可靠性模型中相应的串，并联支路归并起来从而使系统逐步得到简化，直到简化为一个等效元件。这个等效元件的参数也就代表了原始网络的可靠度（或不可靠度）。这种方法通常称为网络简化法。[例2-27]对图2-24系统，如果所有元件的可靠度均为0.8，计算系统的不可靠度。解本例题的逻辑步骤是：将元件3，4归并为等效元件6，将元件1,2和等效元件6归并为等效元件7，最后合并元件5和等效元件7得到等效元件8。等效元件8的参数就代表了系统的可靠性。图2-25示出简化步骤。如果分别代表元件1，…，5的可靠度和不可靠度，则有由已知数据，R=0.8，因此，且。1515,,,RRQQ和1634712612612266112685752341223434112341(1)(1)(1)()QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ0.2iQ80.07712Q232331)1(1111ppppRs[例]5复杂系统非串/并联结构（简称复杂结构）系统是如图所示的网络。。直观上，图中系统没有简单的串/并联部分。有多种分析这类网络的有效方法。分析方法：1.分解分析方法：选择关键单元，先分解系统，再组合计算。2.状态空间法.3.路径追踪法.4.最小割集法图可靠性复杂系统模型示例复杂结构的割集法以割集法为例进行分析，它有两个主要特点：（1）容易在计算机上编程计算，通用性强；（2）割集直接与系统失效模式相联系，从而可以直观地识别系统各种不同的失效方式。导致系统失效的元件集合的最小子集称为最小割集。定义如下：最小割集是只要集合中的任何一个元件没有失效，就不会造成系统失效的一种割集。此定义表明：最小割集中的所有元件都必须处于失效状态才能造成系统失效。利用这一定义即可得到图2-26系统的最小割集（列于表2-1中）。为了计算系统的可靠度（或不可靠度），要对可靠性网络确定的最小割集进行组合。由最小割集的定义，必须最小割集的所有元件失效，系统才会失效，所以，每一最小割集中的元件以并联形式连结。而任一最小割集失效时，系统就发生失效，所以最小割集与割集之间是串联形式连结。据此，可将表2-1中的最小割集组合构成图2-27所示的等效可靠性框图。在这里，由于同一元件出现在多个最小割集中，不能直接应用串联系统的概率计算公式，而需要应用“并”集的原理处理。在这里，由于同一元件出现在多个最小割集中，不能直接应用串联系统的概率计算公式，而需要应用“并”集的原理处理。设第个最小割集用表示，它发生的概率用表示，则系统不可靠度为iiC()iPC123()sinQPCCCCC例2-28设图2-26系统中的每一元件的可靠度为0.99，并且元件的失效均为独立事件，试计算该系统的可靠度。解由式（2-70）和图2-27所示的可靠性框图，得系统的不可靠度为123412341213142324341231241342341234()()()()()()()()()()()()()()()()sQPCCCCPCPCPCPCPCCPCCPCCPCCPCCPCCPCCCPCCCPCCCPCCCPCCCC2SABCDADEBCEABCDABDEABCEACDEBCDEABCDEQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQ由表2-1中每个割集包含的元件，根据事件独立性的假设，按照集合和概率的基本计算规则，将上式进行相应的处理可得如果则因为R=0.99，Q=1-0.99=0.01，得而ABCDEQQQQQQ23452252SQQQQQ0.0020195SQ10.000201950.99979805sR不可修复系统的概念系统是由许多按一定的生产目的连接起来的元件所组成不可修复系统中的每个元件只有两种状态：工作或失效，而且元件一旦失效则不可修复研究系统可靠性的目标就是根据元件的可靠性和系统的结构图预测系统的可靠性系统可靠性指标包括：故障分布函数、故障密度函数、可靠度函数、平均无故障工作时间、故障率函数三、可修复系统可靠性对于可修复系统，须同时考虑可靠性和维修性。类似于基于寿命数据的可靠性建模方法，可以处理修复数据获得维修性特征量，如：维修度、修复率、平均修复时间等。可用性综合考虑可靠性和维修性。元件失效及寿命机组运行特性发电机组寿命物理寿命：技术寿命：经济寿命：指元件从投入运行开始到不能再正常工作退役结束所持续时间指尽管元件仍可以运行，但由于技术原因而不得不被新元件所替代指虽然元件仍可以正常运行，但是本身已经不具备任何的经济价值发电机组失效及寿命机组物理寿命变化规律遵循浴盆曲线，在不同阶段失效率也不同。机组运行初期机组正常工作期间机组使用末期失效率较高且迅速下降产品失效率低，几乎为常数失效率较高且快速增长设计和制造工艺的缺陷导致由偶然因素导致元件老化、疲劳、衰耗所导致失效率使用时间使用初期正常工作时期使用后期机