农村电网规划9_可靠性原理及其在电力规划中的应用

农村电网规划(第9部分：可靠性原理及其在电力规划中的应用)可靠性原理及其在电力规划中的应用9.1概述9.2可靠性基本概念与分析方法9.3电力系统规划的可靠性评价方法9.4发电系统规划的可靠性评价方法9.5电网规划的可靠性分析方法9.6电气主接线的可靠性分析9.1概述n9.1.1可靠性理论产生的背景n9.1.2可靠性理论的发展概况n9.1.3可靠性理论的的应用范畴n9.1.4电力规划中的可靠性问题9.1.1可靠性理论产生的背景可靠性理论以产品的寿命特征作为主要研究对象的一门新兴的边缘性学科，它涉及到基础科学、技术科学和管理科学的许多领域。四个主要领域①可靠性数学：②可靠性物理；③可靠性工程；④可靠性教育与管理。产生和发展的背景是社会的需要，与科学技术的发展，尤其与电子技术的发展是分不开的。能带来巨大的经济效益。9.19.1.2可靠性理论的发展概况国外发展概况：ü1882年IEE出版了第一个电气设备安全条例涉及到可靠性概念；ü20世纪30年代在《电世界》等国外杂志上开始发表有关电容量概率分析的学术论文；ü工业可靠性研究始于20世纪40年代。ü20世纪80年代，一些发达国家大都进行了可靠性立法，遵循国际标准，制定了较为完善的国家标准，并设有国家级和行业级的可靠性中心和数据交换网络。9.1国内发展概况：ü20世纪60年代，中国在通信、电子和航空等行业启动了可靠性工程；ü70年代末，以电子工业部为重点推行可靠性工程；ü80年代末，开始进行可靠性立法，颁布多个可靠性国家标准。ü80年代末至90年代初，中国电力系统可靠性研究和应用取得了较大的发展；与此同时，在学术上促进了交叉学科的发展，如可靠性管理、可靠性技术、可靠性数学等。9.19.1.3可靠性理论的应用范畴可靠性贯穿于产品和系统的整个生命周期。可靠性技术也在电力系统的规划、运行等领域的具体应用大致有：1.准则和标准的制定；2.规划和现运行系统的可靠性评估；3.可靠性成本收益分析；4.发电容量和电网最优规划；5.备用容量和位置分布；6.电力设备备用规划；7.运行方式和薄弱环节识别和优化调度；8.以可靠性为中心的维修（状态检修）；9.电力市场营运策略；10.资产全寿命周期成本分析。9.19.1.4电力规划中的可靠性问题能够处理更大的系统；能得出更科学合理的规划方案，使电力系统的综合效益达到最佳。只能对系统在待定状态下的性能的“好”与“坏”做定性的判断，不能表征出系统可靠性性能的数值特征。优缺点考虑事件随机性质和计及各种不确定影响；对于各种可能的规划方案通过供电可靠性定量评估及经济分析计算，进行方案之间的比较基于确定性准则和方法进行发电容量和电网的规划。特点考虑到可靠性的电力规划方法传统的电力规划方法9.1电力系统可靠性评估：ü目的：对系统可能出现的故障进行故障分析，采取措施减少故障造成的影响，对可靠性投资与响应带来的经济效益进行综合分析，以确定合理的可靠性水平，并使电力系统的综合效益达到最佳。ü手段：确定可靠性目标，应用评估手段，确定故障准则，并对电力系统故障严重性作出估计。规划系统的可靠性评估主要工作任务：1.对未来的电力系统和电能量进行预测，收集设备的技术经济数据；2.制定可靠性准则和设计标准，依据标准评估系统性能，识别系统的薄弱环节；3.选择优化方案。9.1思考题1.可靠性理论在电力系统中的具体应用有哪些？2.比较传统的电力规划方法和考虑到可靠性的电力系统规划法，说明各自的特点和优缺点。3.叙述在电力系统规划中进行可靠性评估的目的、手段和主要工作任务。9.19.2可靠性基本概念与分析方法n9.2.1可靠性的基本概念n9.2.2基本可靠性指标及其计算n9.2.3不可修复和可修复系统的可靠性分析n9.2.4马尔可夫随机过程概念与分析方法9.2.1可靠性的基本概念可靠性(Reliability)的一个工程定义：指一个元件、设备或系统在预定的时间内，在规定的条件下完成其规定的功能的能力。9.29.2.2基本可靠性指标及其计算Ø基本可靠性指标Ø可靠性相关概率的基本计算9.2基本可靠性指标可靠性指标(Reliabilityindices)：用数值大小来表示各个方面性质的量。可以从成功的观点出发，也可以从失败的观点出发。可靠性指标的量化信息：1.概率，如可靠度和可用率(Availability)。2.频率，如单位时间里发生故障的平均次数。3.平均持续时间，如故障的平均持续时间。4.期望值，如一年中系统发生故障的期望天数。以上信息都是概率量，可靠性理论中概率用以表达可靠性水平的量化信息。一般用可靠度则来作为可靠性的特性指标，它表示元件可靠工作的概率。9.2衡量一个元件、设备或系统可靠性水平有若干的指标，有定量的，也有定性的，有时要用几个指标去度量一种元件、设备或系统的可靠性，但最基本最常用的特性指标有以下几个。n1可靠度R（t）；它是指一个元件、设备或系统在规定条件和规定时间内完成规定功能的概率。例1：一批产品的数量为N，从t=0时开始使用，随着时间的推移，失效的产品件数n(t)逐渐增加，而正常工作的产品件数[N-n(t)]逐渐减少，用R(t)表示产品在任意时刻t的可靠度。离散随机变量表示：R(t)=[N-n(t)]/NN：试验样品总数n(t):到t时刻样品失效的总数。0≤R(t)≤1,R(t)越接近于1,产品的可靠度越高。不可靠度F(t)为：F(t)=n(t)/N=1-R(t)可靠度与不可靠度的关系：R(t)+F(t)=1n2失效率（故障率）λ（t）：它是指一个元件、设备或系统工作到时间t之后，在单位时间△t内发生失效的概率。离散随机变量表示：λ(t)=△n(t)/[N-n(t)]△t失效率单位:λ(t)对目前具有高可靠性的产品来说,需用更小的单位来作为失效率的基本单位,采用一个菲特(Fit)来定义,它的意义是每1000个产品工作，只有一个失效。-6391Fit=10/1010/hh-=610h9.2n失效率曲线(浴盘曲线Bathtub-curve):产品的失效率随工作时间的变化具有不同的特点，根据长期以来的理论研究和数据统计,发现多数设备失效率曲线形同浴盘的剖面,它明显地分为三段,分别对元器件的三个不同阶段或时期。9.2Ø第一阶段是早期失效期(InfantMortality);表明器件在开始使用时,失效率很高,但随着产品工作时间的增加,失效率迅速降低,这一阶段失效的原因大多是由于设计、原材料和制造过程中的缺陷造成的。为了缩短这一阶段的时间，产品应在投入运行前进行试运转，以便及早发现、修正和排除故障；或通过试验进行筛选，剔除不合格品。Ø第二阶段是偶然失效期，也称随机失效期(RandomFailures)；这一阶段的特点是失效率较低，且较稳定，往往可近似看作常数，产品可靠性指标所描述的就是这个时期，这一时期是产品的良好使用阶段，由于在这一阶段中，产品失效率近似为一常数，故设λ(t)=λ(常数)由可靠度计算公式得:Ø第三阶段是耗损失效期(Wearout);该阶段的失效率随时间的延长而急速增加,主要原因是器件的损失己非常的严重,寿命快到尽头了,可适当的维修或直接更换了。n3平均无故障工作时间MTBF(MeanTimeBetweenFailure)：指相邻两次故障之间的平均工作时间，也称为平均故障间隔。它仅适用于可维修产品。同时也规定产品在总的使用阶段累计工作时间与故障次数的比值为MTBF。MTBF=总的工作时间/故障数9.2可靠性相关概率的基本计算一、概率的古典定义如果某一试验的全部可能结果为n个，且每个结果都具有等可能性和互不相容性，而其中对应于A的结果是m个，则时间A发生的概率是二、概率的统计定义当试验次数n足够大时，事件A出现的频率渐趋于一个稳定值，则称这一稳定值为事件A发生的概率，记为()mPAn=()()limnfPAn→∞=9.2三、概率的基本运算规则1.事件的分类:①独立事件：一件事件的发生并不影响另一事件发生的概率。②互斥事件：两个事件不可能同时发生。③对立事件：如果一个事件只有两种可能结果A和B，则④条件事件：研究事件B发生条件下事件A发生的概率，则将其记为，()()1PAPB+=(/)PABB(/)BAPAB=和可能同时发生的方式数可能发生的方式数2.事件的交和并(1)事件的交：多个事件同时发生。①对多个独立事件、、，其同时发生的概率②对相关事件，(2)事件的并：几个事件中至少有一个事件发生。①对两个独立而不互斥事件A和B，有1A2AnAn12nii=1P(AAA)=P(A)∏II…()(/)()(/)()PABPBAPAPABPB==Igg()()()()()PABPAPBPAPB=+-Ug9.2推广到n个随机事件的情形②对互斥事件A和B：3.全概率公式条件概率可以推广到事件A和充满样本空间(一个统计记录的全部可能结果的集合)的n个互斥事件，特别是对样本空间的情形。对每一个事件，有计算式：即可得到全概率公式：n121111()()()()()nniiijijkniiijnijknPAPAPAAPAAAPAAA==≤≤≤≤=-++∑∑∑∑…（-1）…()()()PABPAPB=+UiBiiSB=UiB11()(/)()nniiiiiPABPABPB===∑∑Ig1()(/)()niiiPAPABPB==∑g9.2评估系统失效(或运行)的概率，如果能够知道系统状态(失效或运行)与系统中某个元件X正常与故障两个互斥事件的相关信息，就可以按照全概率计算公式,得：上式中：X代表元件X正常运行；代表元件X故障。4.概率分布(1)随机变量的定义：由样本空间中每一个元素所确定的函数。其取值是随机的,可用概率来量化。有连续和离散随机变量之分。工程问题中,通常计算数据是离散随机变量,测量数据是连续的。(2)可靠性计算中常用的分布函数应用举例概率分布的定义：用概率的方法来研究随机变量这种函数取值范围的分布规律。应用：研究工程中通过试验或观察取得的数据，根据可靠性评估要求来研究对它们进行处理和估计的方法。___()(X)()(X)()(/)()(/)()PPPXPPXPXPXPPXX=+=+gggg系统失效给定正常的条件下系统失效给定故障的条件下系统失效系统失效系统失效_X9.2【基本可靠性函数（连续随机变量）】1(不可修复元件)的可靠度:在规定条件下和规定的时间区(,)内无故障持续完成规定功能的概率，常用R(t)表示。式中:T表示产品发生故障(失效)的时间，有时也称为寿命；t为规定的时间。在工程计算中常使用不能完成规定功能的概率F(t),或称为不可靠度,F(t)称为累积故障分布函数,即,并有。根据概率的基本概念，故障密度函数为：故障率函数为：上式等号两边积分,并当为常数时,上式可以化为：将这种特殊情形称为指数分布,它是系统可靠性问题中应用的最广泛的一种分布。并可推导出随机变量t的均值m的函数式为：1t2tR(t)=P(Tt)F(t)=P(Tt)≤R(t)+F(t)=1()()dFtftdt=01()()()1()()lim()()()tFttFtftdRtttRtRtRtdtlΔ→+Δ-===-Δg()tRtel-=l0()mRtdt∞=∫9.2工程上常用m称为平均失效前时间，它有一个专门术语MTTF,就是不可修复元件的平均寿命。可靠度函数R(t)的形状如图2-1所示：2)典型应用-泊松分布泊松分布描述的是：在给定时间或空间内事件发生率为常数时，一定次数下单个事件发生的频率。事件的发生必须是随机的，一个系统的故障数就是这种例子。利用泊松分布来模拟失效过程时，常将其参数称为故障率。故有=单位时间的平均故障数。泊松分布的密度分布函数为：式中：x为故障发生次数，取值为0,1,……。x()P()!xttetxll-=llMTTFm9.2实例分析例2-1计算如图2-2所示两相同元件构成的旁待备用系统的可靠性。设检测信号和切换装置均十分可靠，备用元件处于备用状态时不发生故障。解：当备用元件不工作时该系统的工作概率即可靠度应等于系统不发生故障的概率,即由泊松分布X=0得：当工作元件发生故障时