电力系统可靠性评估述评_鲍晓慧

© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net第41卷第4期2008年8月武汉大学学报(工学版)EngineeringJournalofWuhanUniversityVol.41No.4Aug.2008

收稿日期:2008204220作者简介:鲍晓慧(19562),女,副研究员,研究方向为软科学、技术可行性分析.文章编号:167128844(2008)0420096206

电力系统可靠性评估述评

鲍晓慧1,侯　慧2

(1.武汉理工大学软科学研究所,湖北武汉　430070;2.华中科技大学电气与电子工程学院,湖北武汉　430074)

摘要:介绍了复杂电力系统可靠性评估的目的与意义,阐述了国内外电力系统可靠性评估的发展历程,即确定性评估、概率性评估和可靠性评估.进而从发、输、配电系统等角度分别综述了国内外电力系统可靠性评估的研究现状和主要评估方法,最后展望了电力系统可靠性评估的发展方向和值得进一步研究的问题.关键词:电力系统;可靠性评估;解析法;蒙特卡罗法中图分类号:TM732 文献标志码:A

Areviewofpowersystemreliabilityassessment

BAOXiaohui1,HOUHui2

(1.SoftScienceInstitute,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China;2.CollegeofElectrical&ElectronicEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Thepurposeandsignificanceofthecomplexpowersystemreliabilityassessmentarereviewed.

Thedevelopingstageofpowersystemreliabilityassessmentcanbedividedinto3stages:determinatee2

valuationstage,probabilisticevaluationstageandreliabilityassessmentstage.Thenasurveyofpower

systemreliabilityassessmentdevelopingsituationandmainevaluationmethodsaregivenfromanglesof

generation,transmissionanddistribution.Finally,somedevelopingdirectionandproblemsneedingre2

searchesinthefutureareproposed.

Keywords:powersystems;reliabilityassessment;analyticalmethod;MonteCarlomethod

近年来,电力系统正逐渐发展成为超大规模的

复杂系统,具有容量上超大规模、空间上广域分布、

扰动传播范围大等特征.电力系统越来越趋于复杂

化,这种飞速发展给其稳定运行和控制带来了严峻

挑战.另外,随着电力市场的发展,电力系统各供应

商更注重电网长期效益,即在一定的可靠性下维持

较低的运行成本[1],而迄今为止,尚未在系统层次形成一整套完整的可靠性评估体系.由于电力系统复杂性,在现有的计算能力和精

度要求条件下,对包括发电、输电和配电在内的整

个系统进行可靠性评估是不现实的.本文拟对现阶段电力系统可靠性评估的研究概况分为“发电系

统”、“发、输电系统”和“配电系统”等3个方面进行

较全面的评述,介绍现有电力系统可靠性评估方法

的发展概况及其实现方法,全面综述国内外电力系

统可靠性评估的研究现状及存在的问题,并对它的

应用前景进行展望.

1　电力系统可靠性评估的发展阶段

国内外对于电力系统可靠性评估的研究由来

已久,从上个世纪60年代起,大致经历了3个阶

段,分别为确定性评估、概率评估和风险评估.确定

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性方法只重视最严重的事故如“N21”事故检测,其

确定的系统运行点显得过于保守.概率评估方法考

虑了事故发生的概率,但并未考虑事故造成的经济

损失,没有很好地协调安全与经济二者的关系.风

险评估方法的优势在于将事故发生的概率与产生

的后果(如经济损失等)相结合,将风险与效益联系

起来,定量地反映了系统的经济安全指标[2].系统可靠性的评估通常分为充裕度(Adequa2

cy)和安全度(Security)的评估.充裕度是指电力系统在系统内发、输、变电设施额定容量和电压波动

容许限度内,考虑元件的计划和非计划停运以及运

行约束条件下连续地向用户提供电力和电能量需

求的能力.安全性是指电力系统经受住突然扰动并

不间断地向用户提供电力的能力,突然扰动包括突

然短路和失去非计划停运的系统元件等情况[1].传统的电力系统可靠性评估是将充裕度与安

全度分开进行研究的,随着分析方法的发展和对问

题讨论的深入,出现了将两者结合起来趋势.

2　发电系统的可靠性评估

发电2负荷需求系统(generation2demandsys2

tem)常常被称为发电系统.由于忽略发电与负荷之间的电网部分,发电系统的可靠性评估内容相对

简单,专门针对发电系统的可靠性评估文献也相对

较少,主要是针对发电系统备用容量的评估[3～4].电力系统可靠性与备用容量紧密相关,可通过

评估可靠性水平与调整备用容量以满足可靠性的

要求.评估发电系统备用容量的方法主要可分为确

定性评估方法和概率性评估方法两类.确定性备用

容量评估方法,不能反映系统当前机组的数量、性

能、出力变化以及负荷的不确定性等因素,同时也

没有明确的指标衡量备用水平.因此,近年来主要

采用概率性评估方法.概率法能较全面地反映系统

的状况,而且在国外已经有成熟的实际运行经验.各国经过长期实践,大都制订了相对成熟的发

电系统备用容量评估方法及标准.美国有PJM电

力市场系统,澳大利亚有国家电力市场管理公司

(NEMMCO).在我国,关于发电系统可靠性评估方面的研究相对较少,周家启教授等人提出过一种

多元件备用系统可靠性分析.该评估方法把多元件

备用系统分为不可修复系统和可修复系统两种,可

修复系统的可靠性分析采用泊松分布,不可修复系

统采用马尔可夫随机模型[4].然而,元件失效概率采用泊松分布来描述尚缺统分的理论依据,因此,该文通过泊松随机过程解决多元件可修复备用系

统的可靠性问题还有待检验.

3　发输电系统的可靠性评估

由于输电系统受发电系统的种种约束和限制,单独评估输电系统是不合理的.因此,输电系统可

靠性评估实际上往往是发输电系统可靠性评估,也

是电力系统可靠性评估中最复杂的一个问题.发输电系统中的发电机和负荷位于不同地点,并通过输电网连接.在这种系统中,即使发电机全

部可用,仍有可能要削减负荷.其原因在于多重线

路失效可能引起一个或多个母线从系统分离,并且

一些失效事件还可能引起线路过载或电压越限而

强迫削减负荷.换句话说,发输电系统可靠性评估

的系统分析并非是简单的连通性问题,它涉及到潮

流计算、故障分析以及诸如消除过载、发电重新调

度、负荷削减和切换操作等校正措施[1].系统状态选择中许多问题的考虑也导致了评估更复杂.发输电系统可靠性评估的方法大致可以分为

解析法和蒙特卡罗模拟法.

3.1　解析法解析法即故障枚举法,其物理概念明晰.但电

力系统的故障状态会随着着设备的增加而呈指数

级增长,而且当系统变得越来越复杂时,其状态空

间的状态数剧增,这必然会造成计算灾问题.因此,解析法只适用于模拟一些小型的不太复杂的系统.为克服解析法产生的计算灾问题,一些学者试

图使用各种方法如故障重数限制、截断概率、故障

分类等技术以减少计算量.最近,赵渊等人还提出

一种大电力系统可靠性评估的解析计算模型[4].该模型第一次推导了失负荷概率LOPP、失负荷频率

LOLF和电力不足期望EDNS等风险指标对元件可靠性参数的解析表达式(也称之为电力不足期望

对元件容量的灵敏度),灵敏度指标反映了设备参

数的微小变化所引起的系统可靠性的改变程度及

改变趋势,并可以画出这些可靠性指标与元件参数

之间的函数曲线,比较直观、清晰,为电力系统可靠

性评估提供了一个很好的解析计算新思路.

3.2　蒙特卡罗模拟法蒙特卡罗法与解析法之间的明显区别是如何

选择系统状态.由于蒙特卡罗法采用抽样的方式,模拟随机出现的各种系统状态,并从大量的模拟试79

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验结果中统计出系统的可靠性指标,其模拟次数与

系统规模无关,适合于模拟大型复杂电力系统,因

此越来越受到各国学者的青睐[5～7].但蒙特卡罗法是一个波动的收敛过程,估计出的风险指标总是有

一个置信范围,不能保证增加大量的样本就一定会

减小误差.为模拟小概率事件(如全黑事故)而不得

不使抽样样本非常巨大,这也导致了蒙特卡罗法的

精度与计算时间之间的矛盾.为解决以上矛盾,一些学者提出了采用重要抽

样法、分层抽样法、控制变量法等技术减少计算量

的办法.R.Billinton在其1994的著作中详细阐述

了蒙特卡罗法在电力系统可靠性评估中的实际应

用,包括一些实用的算法[5].文献[6]从蒙特卡罗法在充裕度上的应用角度

综述了蒙特卡罗的收敛加速法,并提到把模糊集理

论用于蒙特卡罗及基于概率测度的模糊算法等.丁明等人提出将输电系统先进行分层,进而抽

样,也就是分层抽样法[7].该方法建立了输电系统分层可靠性模型,然后把不同元件在故障后产生相

同后果的设备故障模式合并为等效元件以简化抽

样过程.但该文考虑到的故障模式不够全面,之后

作者继续对该方法进行了改进,提出按开路、瞬时

性短路和永久性短路等3种故障模式进行考虑的

输电线路故障模型,更加全面地考虑了各种故障情

形.郭永基等人也提出类似的采用分层模型和合并

相同状态的方法[8].把系统中关注程度高的部分作为主要层次,采用详细模型,而对不太关注的部分

作为次要部分,采用一般模型.利用存储技术,合并

相同系统状态和状态评估结果,可以减少需要评估

的状态数.

3.3　其他方法近年来,随着可靠性理论的发展,出现了一些

新的方法.有的把解析法与蒙特卡罗法混合起来,有的则利用数学界新近发展起来的理论与方法,提

出新的研究方法.

1)混合法.很多学者试图把解析法与蒙特卡罗法结合起来,使两种方法分别发挥各自的特长,扬长避短[9～12].丁明等人将电力系统概率充分性与概率稳定

性评估结合起来,实际上也是把解析法与蒙特卡罗

抽样仿真结合起来的一种方法[9].该文结果显示,概率方法可以对故障集中的复杂故障模式进行分