发输电系统可靠性评估述评

发输电系统可靠性评估述评郭琦，任惠，于晓军

（华北电力大学电力工程系 071003）

摘要：发输电系统可靠性评估是当前电力系统可靠性研究的前沿性课题。本文介绍了发输电系统可靠性评估的目的和意义，综述了发输电系统可靠性评估的主要方法，最后展望了可靠性评估的发展方向和值得进一步研究的问题。

关键词：发输电系统；可靠性评估；蒙特卡罗法

0 前言

电力系统不断向高电压、远距离、大容量方向发展，系统规模越来越大，在提高经济的同时，安全可靠性的问题也变得更为突出。特别是近几年的几次大停电事故，造成了巨大的经济损失和社会影响，引起了人们对可靠性研究的重视。在电力系统可靠性研究中，发输电组合系统，又称为大电力系统，是统一调度的公用电力系统的一个组成部分[1]。主要包括电源、输电线路、联络线以及它们的相关设施，承担着生产电能和将电能输送到负荷中心的重要任务。发输电系统一旦故障将有可能造成大面积停电事故，并可能会造成严重的社会、经济、政治影响。对发输电系统进行有预见性的可靠性评估，发现系统薄弱环节，不但能为电力部门的设备运行、维护及维修提供指导意见，而且还能为电力公司的投资决策提供重要的参考信息，因此，发输电组合系统的可靠性评估已成为世界各国许多学者孜孜不倦的研究课题。

自从1969年国际知名学者 R. Billinton 教授关于这个领域的第一篇学术论文[2]问世以来，各国可靠性领域的研究学者经过近四十年的不断努力，发输电组合系统可靠性评估在计算模型、评估方法和工程应用等方面取得了一系列成果。本文对现有发输电系统可靠性评估方法的发展概况及主要方法进行了介绍，综述了发输电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了展望。

1 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大致经历了三个阶段：确定性评估、概率性评估和风险评估。确定性评估只重视最严重的事故如“N-1”原则，其确定性的系统运行方式过于保守，不能反映电力系统行为、负荷变化以及元件故障等方面的概率属性[3]；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两者的关系；风险评估方法的优势在于不只辨识事故发生的可能性，而且要识别这些事件后果的严重程度，将事故发生的概率与产生的后果，如经济损失等结合起来，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[4]。

发输电系统可靠性评估包括充裕性和安全性两个方面。充裕性是指发输电系统在系统内发、输、变电设备额定容量和电压波动允许限度内，考虑元件的计划和非计划停运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；安全性是指发输电系统经受突然扰动并不间断地向用户提供电力和电能量的能力，突然扰动是指突然短路或失去非计划停运的系统元件[5]。目前，发输电系统可靠性评估技术的工程应用成果主要集中在充裕性研究。发输电系统充裕性评估包括三部分的计算：系统状态选取；系统状态分析；可靠性指标的累计。系统状态分析包括对选定的系统状态进行潮流计算，以确定系统是否违背运行约束(节点电压约束和线路容量约束)，如违反，则进行校正控制，若系统仍不能恢复到安全状态将进行负荷削减。安全性评估是对发输电系统动态特性所进行的评估，涉及到电力系统稳定评价，包含以下三个方面的内容：(1)选择导致暂态稳定失去的主要因素作为随机变量(2)建立随机变量的概率模型(3)计算失去系统稳定的概率性指标。由于，安全性分析的计算复杂程度远远大于充裕性，国内外对安全性问题的研究还处于起步和探索阶段，还有很多工作需要展开。

2发输电系统可靠性评估的方法

由于发输电组合系统考虑的因素较多，如网络结构、电压质量、功率角、元件的响应过程等，使得计算极为复杂。发输电系统可靠性评估的两个基本方法分别是解析法和模拟法。

2.1解析法[6]

在解析法中，故障状态的选择是通过故障枚举法来实现的。即通过故障枚举首先选择一个停运状态，对此停运状态进行评价(潮流计算)；然后用预

先建立的事故准则判断该状态是否属于事故状态，如果属于事故状态就进行优化校正控制，采用相应的补救措施在进行判断，若仍然属于事故状态，则估计该事故状态可能引起的后果；最后计算该状态对可靠性指标的影响。重复所有的故障状态，就能得到所求的可靠性指标。一般情况下，系统故障停运状态选择是按某种逻辑逐个地选择，例如可以首先检验所有单重偶发事故，继而是双重偶发事故，直至所有的状态检验完毕。解析法的主要优点是：物理概念清楚；模型精度高。主要不足在于：计算量随着系统规模的增大而急剧增大；不易处理相关事件；只能考虑一个或有限个负荷水平。

2.2蒙特卡罗模拟法

蒙特卡罗法在可靠性评估中有三种基本的抽样方法：(1)状态抽样法；(2)元件状态持续时间抽样法(3)系统状态转移抽样法。其评估的基本步骤为：建立负荷和元件状态的概率分布模型；利用蒙特卡罗模拟随机选择元件的状态，并由元件状态确定系统状态；对每个系统状态进行分析；统计可靠性指标。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，并从大量的模拟实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，蒙特卡罗模拟法能够搜索出大量的运行方式和故障模式，并可处理多重、相关和连锁故障[5]，特别适合分析大型电力系统，因此日益受到人们的重视并已成为一种重要的理论方法。但蒙特卡罗方法存在计算精度与计算时间的矛盾，即获得精度较高的可靠性指标需要进行长时间的模拟计算。为解决这个矛盾，一些学者提出了采用重要抽样法[7]、分层抽样法[8]、控制变量法[9]等技术减少计算量。2.3其他方法

目前，随着可靠性理论的发展，许多专家学者提出了一些新的评估算法。为了提高可靠性评估的速度，不少学者提出了将解析法和蒙特卡罗法相结合的方法，充分利用两者的优点，取长补短，加快了评估的速度。文献[10]通过解析法和蒙特卡罗模拟法的结合来减少每次状态的评估时间，在用蒙特卡罗法采样完毕后，利用解析法判断该状态是否属于可能引起系统切负荷的故障状态，如果是这种状态才进行发电机出力的优化调整；如果不是可能切负荷的状态，立刻转到下一次抽样，加快了计算速度，而且该方法很容易与其他减小方差的技术结合。

在可靠性评估中，故障潮流和削减负荷计算占了绝大部分计算时间。文献[11]用网流规划进行发输电系统的可靠性评估，网流规划是针对网络拓扑特性提出来的一种数学规划方法，也是线性规划中专门处理网络问题的一种特殊算法，利用网络在特定状态下的最大流代替系统中的潮流分布，通过最小割集求得系统能够提供的最大有功负荷，当割集容量小于系统有功负荷时，认为系统处于故障状态，以此作为故障状态的筛选判据，从而简化了交流潮流和负荷削减的计算，提高了计算速度。但是这种方法没有考虑元件故障后系统实际的响应过程，只考虑系统最大可能的响应极限，这种方法反映的是一个规划网络可能达到的固有可靠性，没有考虑电压及系统实际潮流约束，评估结果偏于乐观。

文献[12-14]将神经网络引入到发输电系统的可靠性评估中，他们的基本思想是把神经网络应用于故障筛选过程，大大减少了评估的故障状态数，但是神经网络的训练过程需要花费大量的时间，并且当系统的运行方式改变或系统进行了扩建，神经网络需要重新进行训练。

文献[15]还提出了一种大电力系统可靠性评估的解析计算模型，该模型推导了大电力系统可靠性指标对元件可靠性参数的解析表达式，可靠性指标的解析表达式从全局反映了元件可靠性参数的变化对系统可靠性的影响，利用它不但可以高效精确地求取元件可靠性参数改变后的系统可靠性指标，避免了过去当系统状态改变时需要反复进行评估的弊端。而且可以直观地得到系统可靠性指标与元件可靠性参数之间的函数关系曲线，能够有效地找到钳制系统可靠性的瓶颈环节，有助于解决电力系统规划中需要反复进行可靠性评估时的计算时间瓶颈，在缓解计算灾方面取得较大进展。

基于串行计算的发输电系统可靠性评估方法因受到计算工具限制，不满足大规模实际工程计算的需求。近年来，并行计算机系统中的机群系统由于特有的优势受到越来越广泛的重视。并行计算是将多台计算机连接起来，共同解决串行计算难以解决的计算问题。因此采用并行计算方法是解决发输电系统可靠性评估技术难题的一条有效途径[16-18]。文献[16]利用个人计算机和以太网络构建并行计算平台，用低廉的硬件和消息传递并行编程环境实现了大电网可靠性交流潮流的并行计算。随着微机和网络设备性能的不断提高和价格的不断下降，并行计算的实用性和优越性将更加明显。

3可靠性指标

可靠性指标是用来评价电力系统可靠性的重