可靠性评估在输电网运行及检修中的应用
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【摘 要】 对电网实时数据进行跟踪分析 利用概率仿真算法，以量化指标分析电网正常运行的可靠性水平，在评估正常运行方式可靠性的同时，也可分析比较不同时间断面下目前检修方式和月度检修方式的电网运行风险，评估不同检修方案的合理性，搜索电网中的薄弱环节，寻找降低电网运行及检修风险的有效措施。
1 引言
随着电网规模和容量的不断扩大，电网的安全可靠运行对整个国民经济都已产生重大影响。但由于电网规模日益扩大，各种事故组合纷繁复杂，成几何级数增长，不便采用解析的方法逐一分析，因此需要借助于计算机辅助分析系统给出量化的、可比较的可靠性评估指标。随着计算机性能的提高、通信和控制设施的加强、理论算法的发展，目前国内外电力系统可靠性研究的范围正在逐步扩大，从对元件可靠性评估和小型系统电源的可靠性评估，开始转向大型电网、综合评估，并形成了专业的应用软件投入实际运用。
在运行可靠性研究日益发展的同时，关于可靠性为中心的检修方法(RCM-Reliability Centred Mainte－nance)的研究也越来越受到人们的重视，目前电力系统的电力设备大多采用的计划检修体制存在着严重缺陷。如临时性维修频繁、维修不足或维修过剩、盲目维修等，这使世界各国每年在设备维修方面耗费大量人力物力。怎样合理安排电力设备的维修，节省检修费用、降低检修成本，同时保证系统有较高的可靠性，对系统运行人员来说是一个重要课题。从20世纪80年代起，RCM已在世界范围广泛推广，美国电力行业目前已有70％的电厂、电网设备应用了RCM。
RCM的主要思想是以可靠性为中心，对设备的状态进行诊断、分析，并据此确定检修计划。与传统的预防、计划检修不同的是：RCM可以周期的安排机组的检修，使设备能经常保持良好的技术状态，减少故障、延长寿命，从而提高电力系统的可靠性与经济性。分析比较而得到的良好的机组检修计划有助于减低系统潜在的风险，增加机组的可利用率。提高供电效率。
2 软件概述
算法基于非序贯概率仿真采用蒙特卡罗模拟算法，主要研究220kV及以上电压等级的主输电网和发电厂(后者等值到相应高压母线上)。由电力公司EMS系统提供状态估计后电网运行数据，随机故障根据设备的故障概率分布函数自动模拟，作为故障模式后续分析的过滤器，潮流计算被用于分析电网中有功功率平衡和线路载荷、断面载荷是否满足，如果满足，分析下一故障模式，否则调用有功矫正模型，模仿不同的发电再调度策略来消除运行风险。最后得到系统风险指标，并根据各元件故障引起的概率大小和停电功率对系统可靠性有重要影响的关键设备加权排序，可以为电力运行和调度人员提供量化的分析依据，及时发现电网的薄弱环节，调整检修计划。 具体处理流程见图1。
3 主要功能模块介绍
3．1 研究范围
研究对象是省网220kV以上电压等级电网中的发电机组、母线、输电线路、变压器，变压器包括升压变、联络变和降压变，计算时变压器和发电机组数据全部归算到相应的高压侧。检修设备包括指定时间段内的输电线路和发电机组。经过软件的计算分析后，研究范围包括：
(1)当前运行方式下电网量化可靠性水平。
(2)日前检修方案下电网量化可靠性水平、不同日前检修方案可靠性水平比较。
(3)月度检修方案下电网量化可靠性水平、不同月度检修方案可靠性水平比较。
(4)调度员设计检修方案下的方式下电网量化可靠性水平。
(5)不同运行方式下关键设备集合和薄弱环节。
3．2网络拓扑分析
网络拓扑分析存储和判断网络的结构特性。在没有人工干预的前提下，自动存储和修改电网结果。当输电设备发生故障或进行检修时，电网结构发生变化。当电网分裂、部分网络或者负荷点被孤立时，各块之间没有电气联系，这样处理误差较大，因此在线路开断后最好进行网络拓扑分析及电气数据重构。
本算法采用定点融合法将有线路联系的节点逐渐合并，因为孤岛不与外部系统联系，因此始终不能与外部系统合并。计算结果中，如果最终只有一个分块，那么系统不分裂可以按原先编号执行后续计算；如果有两个或以上分块，则说明系统分裂成多个弧岛。当电网分裂成多个孤岛时，需要对每个岛内的节点进行重新连续编号，并按新编号确定线路、电厂、机组、负荷的位置，查找相应的电气参数和可靠性参数。拓扑重构后的发电再调度按岛进行。线性规划得到的停电指标，需要统计到出事节点编号对应的节点和区域的可靠性指标。
当电网发生故障时，如果需要切负荷。为了减小停电范围，一般希望在故障点附近切。最短路径搜索给出每个负荷点与故障元件间的最短拓扑(电气)距离，实现按故障距离切负荷。
3．3潮流计算
高压电网的阻抗比较小，与交流潮流比较，直流潮流计算具有计算时间快和收敛性好的优点，平均误差一般在5％以内，此处用于电网实时计算，具有明显的优越性。
高压电网线路电抗Xij一般远大于电阻rij，导纳简化为：yij=jBij=-j1／Xij；没有重载线路时，支路两端相角差很小：忽略对地支路：各节点电压幅值近似等于标幺值1.0。根据上述假设条件，线路有功潮流和节点注入功率如下式表示：Pij=-Bijθij=(θi-θj)／Xij
式中 θ――节点电压相角。
3．4有功校正模型
基于线性规划优化算法的发电再调度措施，考虑了发动机容量限制、发动机调整速度限制、线路载荷限制等安全约束条件，可调变量为节点电压相角、发电机有功出力、切负荷量等。线性规划的目的是在等式和不等式在以距离加权有功切负荷量最小为运行目标的限制下，计算容量缺额或者网络约束必须的切负荷量，消除线路和断面过载，并使发电总功率和负荷总需求保持平衡，找到满足安全约束的最优解。
约束条件包括：(设节点、线路、发点击、负荷，断面集合分别为NB，NL，NG，ND，NM)
(1)几点有功功率平衡
(2)发电机出力约束
基于电网运行特点，在有限时间内，备用容量不一定能完全投入运行，发电机的出力调整受当前出力P0Gi、爬坡速度υup、降出力速度υdn如、调节时间T限制：
(3)切负荷约束
如果设置地区可切的一级负荷，切负荷范围减小为：
(4)线路有功载荷约束
(5)断面线路有功载荷约束
4 算例分析
采用IEEE RTS24标准测试系统，包含24个节点，其中有17个负荷节点，共有34条线路。32台发电机组。考虑到抽样元件同时包括线路、节点、发电机、变压器四类，故将220kV以上系统中的发电机与负荷间添加通过变压器与高压电网相连，每类元件故障不得大于两种，总故障数不得大于三种，负荷水平取峰荷的90％，(系统接线图见图2)(限于篇幅，系统数据从略)。
同时根据原始线路载荷数据设定包括两个潮流断面约束：
(1)线路17-22、线路16-17、线路18-22、总潮流限额为750MW：
(2)线路16-19、线路20-23、总潮流限额为350MW。
抽样两万次，当调度策略为距故障点距离加权停电负荷目标函数最优时，共有1107次抽样需要进行发电机再调度，117次抽样进行了切负荷操作。停电概率期望值0.00585，最大停电功率为333MW，电网载荷率期望值为0.252865。
先看两个比较严重的故障模式分析：
(1)母线8、发电机22、发电机23同时故障，此时造成系统分裂成两块。
存在功率缺额，电网载荷率为0.213079，停电时间为150h，经过发电机有功再调度后，停电功率为154.099MW。
(2)变压器2、发电机13、发电机22同时故障，此时不造成系统分裂，存在功率缺额，且造成断面线路过载，电网载荷率为0.242458，经过发电机有功再调度后，使断面恢复正常载荷水平，造成的停电电功率为288.802MW。
下面以量化指标分析比较不同检修方案下电网的运行风险，负荷水平仍都取峰的90％，检修设备包括发电机和线路。以3个简单的日检修方案为例(设备检修时间相同)，从计算结果中选取4个具有代表性的风险指标分析(见表1)：电网水平最大载荷率Lmax、停电概率LOLP、最大切负荷功率Pmax、停电电量期望均值EENS。
检修方案1：发电机13、线路16-19：
检修方案2：发电机27、线路16-19：
检修方案3：发电机13、线路4-9。
从结果中可以看出在当前负荷水平下根据不同的可靠性指标可选择不同的检修方案，例如上述3个方案中综合比较时，很明显方案1的可靠性水平低，检修时最易造成运行故障，对于方案2和3．如果侧重考虑停电电量，可选择方案2，如果侧重考虑停电电量，可选择方案2．如果侧重考虑停电概率选择方案3。
5 结论
本文提出的输电系统运行及检修可靠性评估方法，以实时运行数据为基础，经IEEE测试系统的检验是合理的，可行的。相应的计算分析软件基于Windows2000操作平台，采用Visual C++6.0编程语言，总体包括运行风险评估，日检修和月检修计划可靠性指标评估三个独立的处理模块，数据取自华东年度运行方夏季高峰基本潮流的bpa格式实时数据和可靠性历史统计数据，经分析220kV以上电压等级侧包含90个节点，其中有79个负荷节点，共有122条线路，46台发电机组，在CPU为p4 2.6G、内存为256M的台式机上计算风险指标及故障模式和关键设备排序费时在8min左右，10min内电网运行方式的变化一般不大，故基本可以满足大型电网运行风险在线评估的要求。日检修计划和月检修计划费时会根据检修方案的不同相应发生改变，仍可基本满足要求。为电网实时监测评估运行可靠性和合理安排检修计划提供了有效方法。