电力系统可靠性评估方法探析

2022-06-23 来源：客趣旅游网

总637期第四期2018年4月

河南科技

HenanScienceandTechnology

能源与化学

电力系统可靠性评估方法探析

刘香芝

（中国石油大学胜利学院，山东

东营257000）

摘要：随着可靠性理论的不断成熟，电力系统与其结合，演变为一门称作电力系统可靠性评估的重要应用

学科，目前已渗透到电力系统整个产业链中，是该产业链获得经济效益和社会效益的可靠保证。本文对电力系统可靠性评估中常用的两种方法进行了简单剖析。关键词：电力系统；产业链；可靠性评估中图分类号：TM732

文献标识码：A

文章编号：1003-5168（2018）11-0132-03

AnalysisontheReliabilityEvaluationMethodofPowerSystem

（ShengliCollege,ChinaUniversityofPetroleum，DongyingShandong257000）

LIUXiangzhi

Abstract:Withthecontinuousmaturityofthereliabilitytheory,thepowersystemanditscombinationhaveevolvedintoanimportantapplicationsubjectcalledthereliabilityevaluationofthepowersystem,whichhaspenetratedintoanalyzed.11.1

thewholeindustrialchainofthepowersystem,whichisareliableguaranteefortheindustrialchaintogaineconomic

andsocialbenefits.Inthispaper,twocommonlyusedmethodsforreliabilityevaluationofpowersystemswerebrieflyKeywords:electricpowersystem；industrychain；reliabilityassessment

电力系统可靠性评估的定义、本质及目的定义

（2）短期可靠性评估，主要是针对短期的运行调度计划制定过程中进行的预测。

根据国内外电力系统发展统计数据分析，长期可靠性评估研究在理论研究方面取得了丰硕成果，并逐渐与电力系统工程实际相结合，发展前景广阔，而短期可靠性评估由于时间限制，随机性影响因素较多，难以形成理论成果，距实际应用还需较长时间［2］。

电力系统可靠性评估方法

电力系统可靠性是理论（可靠性原理、方法）与实际（实际的电力系统工程问题）相结合的应用科学，它包括两方面的内容：一是电力系统可靠性工程技术，二是电力工业可靠性管理。

1.2

电力系统可靠性的本质，就是采取经济、合理的技术手段、管理方法，将供电系统的最大潜能发挥出来，能够将稳定的电力能源不间断输送至其全部用户，从而使整个电力系统实现全面质量管理和全面安全管理的目标。一般说来，提高供电设备健康水平、延长系统使用寿命、改善系统安全运行环境等提高电力系统可靠性水平的活动，均属于电力工业可靠性工作范畴［1］。

1.3

电力系统可靠性评估的目的有两个：

（1）长期可靠性评估，主要针对电力系统中长期发展规划所进行的评估。

收稿日期：2018-03-10

目的本质

可靠性评估已广泛应用于电力系统的设计、施工、生产管理等各个环节，主要分为以下几步：工作状态筛选→工作状态确认→通过数学运算得到评估指标。目前，解析法和蒙特卡罗模拟法是电力系统中常用的两种评估方法。

2.1

解析法是根据电力系统的结构、系统元件状态，及其之间的逻辑关系，建立起某种可靠性数学模型，如马尔可夫模型，经过计算获取可靠性评估的指标，并求出平均值，也就是人们常说的期望值。这也是电力系统可靠性评估中最基本的指标，描述的是电力系统中的一种因果

解析法

作者简介：刘香芝（1988—），女，硕士，助教，研究方向：海洋油气安全技术。

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关系，结果是一确定数值，在系统简单、元件少时，该方法结果较为理想。随着系统元件增多、复杂程度加深，数学模型就会更加复杂，因此，计算过程中要不断简化模型，改进算法，但所得结果往往是近似值。

解析法又可分为3种方法，即网络图法、状态空间法和故障树法。

2.1.1

网络图法。网络图法根据逻辑学原理，利用

当Δt值设定趋于足够小时，可得公式：

PX(t+Δt)=j|X(t)=i≈λijΔt

[]（2）

用状态空间法分析电力系统的可靠性，应满足一个基本的假定，即该系统状态变化，如系统故障、故障修复等发生的时间呈指数分布，在此条件下才可将转移频率λij假定为常数。

系统结构、元件状态及其逻辑关系建立网络图，以此来分系统，是最常用也是最有效的评估方法。

实际工作中电力系统可靠性分析状态空间法步骤如下。第一，确定电力系统的范围及系统内各种状态含义。电力系统有很多分类方法，涉及的范围较广，为此，要对电力系统进行可靠性分析，必须先确定其范围，并对系统内的各种状态（工作、检测、维修、调试、停运及其他状况）确定其具体含义。

第二，状态转移图的建立。状态转移图建立过程中应注意两方面的问题，首先将转移频率λij假定为已知常数；其次要注意系统维修人员数量是否充足的问题，因为这会对状态转移图的结构产生直接影响。

第三，建立方程组并求解。根据实际需要，状态空间法既可求得瞬时状态概率又可求得平稳状态概率，求解线性微分方程组可得瞬时状态概率，求解线性代数方程组可得平稳状态概率。

①求瞬时状态概率的线性微分方程如下：

dP(t)=P(t)Adtéa11a12……a1nùêaa……aú

2núê2122úA=ê

êú⋮êúêaa……aú

nnën1n2û

aij=λij(i≠j),aij=-∑λij

析电力系统的可靠性，能应用于可修复系统和不可修复

网络图法必须满足以下几个条件。第一，系统及其所有构成电力元件只存在工作、失效两种状态。第二，如果要使系统处于工作或失效状态，系统内所有元件必须都处于工作状态或失效状态。第三，如果系统处于失效状态，即使再有某个工作状态的元件失效，系统也不会恢复工作；如果系统处于工作状态，即使某个失效元件被修复，系统也不会进入失效状态。

以上条件某电力系统如果同时满足，则称为单调结构系统，如果系统中各个元件互相作用、互相联系，则称为关联系统。实际应用过程中，用逻辑图表示单调结构的系统（元件），而整个系统的可靠性用网络图法进行表达。通过网络图，可使整个系统结构、关系一目了然，容易找到出现问题的环节及哪些环节与该环节相关，但建立逻辑框图是应用网络图法过程中的难点，一旦系统中元件出现的故障相互关联，而非独立出现，建立逻辑框图的难度就会成倍增加［3］。

2.1.2

状态空间法。某个特定电力系统在其实际运

（3）

（4）

转过程中，可能出现的全部状态组成一个集合，称为状态

空间Ω，状态空间Ω中的这些状态及其之间可能发生的转移组成系统，状态空间分解法用系统所处的状态和这些状态之间可能发生的转移表示系统。状态空间法就

［1］

（5）

将以上三式联立，求解，可得P(t)，即瞬时状态概率。②求平稳状态概率的线性代数方程如下：

PA=0

（6）（7）

是根据一定的判定依据，确定系统是处于故障状态还是处于工作状态，最终通过计算获取整个电力系统可靠性指标。但电力系统可靠性利用状态空间法进行分析，需在特定的条件下系统无记忆性才能完成，即系统状态间的转移概率与其历史无关。

转移频率λij在应用状态空间法进行电力系统可靠性计算过程中，是一个关键性的指标，表示在单位时间内系统从某一状态i向另一状态j转移时所获取的期望次数值。一般情况下，设定λij为一常数值，可得以下计算公式：

P(t+Δt)=j|X(t)=i=λijΔt+0(Δt)以上两式组成线性代数方程组，计算可得Pi，即平稳状态概率。

第四，求解平稳状态概率时模型简单、易于计算，在实际中应用较多。用平稳状态概率还可求出诸如元件状态的平均持续时间、元件状态出现频率等可靠性指标。

状态空间法的优点是能依靠计算机进行计算，应用领域较广，缺点是该方法运算过程复杂，一般情况下，修复时间等状态变化呈现指数分布，即使不呈现指数型分布也可转化为指数型。当电力系统发生变化时，如元件增加，会大大增加计算的工作量，因此，实际工作中可用近似方法进行运算［5］。

2.1.3

故障树法。故障树分析法首先要确定分析目

∑Pi=1

[]（1）

其中，X(t)表示电力系统在某一时刻t的工作状态；O(Δt)表示电力系统在时间增量Δt内出现2次及2次以X(t+Δt)表示电力系统在某一时刻t+Δt的工作状态；

上转移的概率值；标——顶事件，其代表一种故障状态，是工作人员最不希

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第4期

望发生的一种状态。其实质是将系统内各事件之间的逻辑关系形成一张图。该方法广泛应用于核电站的安全分析、航空航天、军工、电力等领域，且效果显著［6］。

用故障树分析法进行可靠性评估的基本步骤如下。第一，顶事件的选择。系统中最不希望发生的故障状态被称为顶事件，有时其选择受工作人员的主观愿望影响。例如，可以选择工作人员最关心的某一故障状态，但必须遵守以下原则。①确认顶事件是否真实发生；②顶事件必须能够逐级分解，分析顶事件发生的逻辑关系，并据其建立故障树；③顶事件能以某些方式定量、度量。

第二，故障树的建立。故障树分析法成功与否，故障树是关键，其实质是一种定量的逻辑关系（系统故障及引发故障的各因素间逻辑关系）图形。这就要求各相关单位、相关部门紧密合作才能完成［7］。

第三，定性评定故障树。定性评定故障树就是找出导致顶事件发生的所有可能的故障模式，即求出故障树的所有最小割集。

第四，定量评定故障树。若给定基本故障事件出现的概率，则可以定量地评定故障树顶事件T出现的概率，若已求出故障树的最小割集B1,B2,…，Bm，则当至少有一个割集出现时，顶事件出现的概率为：

P{T}=PiUB=1i

障，工程技术人员是难于预料的，用该评估方法会易于发现，且能迅速处理，尤其是运行控制策略方面的问题；在进行复杂系统的可靠性评估时，可不考虑系统规模大小与采样次数关系，该方法优势更加明显［9］。

蒙特卡罗模拟法是在计算机上用数值计算方法模拟一个实际的过程，并从大量的模拟试验结果中统计出系统的可靠性指标［4］。相比解析法而言，模拟法更适合于以下问题的求解：①需要模拟非指数型分布；②需要某些输出指标的分布函数或统计数据；③故障、检修、计划检修间关系复杂，逻辑关系难以理清；④系统复杂，数学模型无法建立，解析法应用困难。

结论

电力系统的可靠性评估中，解析法依据一定的数学模型，计算结果准确，应用广泛，但不适合复杂系统。模拟法通过概率分布加以预测以确定系统的可靠性，分析方法灵活，但结果不够精确。实际工作中，应针对系统的复杂程度加以分析或适当加以简化，把两种评估方法有效结合起来运用到生产中。

参考文献：

［1］任震，谌军，黄雯莹，等.大型电力系统可靠性评估的模型及算法［J］.电力系统自动化，1999（5）：25-27.

［2］王季方，卢正鼎.模糊控制中隶属度函数的确定方法［J］.河南科学，2000（4）：348-351.

［3］王辉.电力系统继电保护设备及其自动化可靠性研究［J］.中国高新技术企业，2014（21）：129-130.

［4］张富，严丽，马宗民，等.基于模糊描述逻辑的模糊XML模型的表示与推理［J］.计算机学报，2011（8）：1437-1451.

［5］郭仁桀.基于风险理论的输电网安全分析［D］.昆明：昆明理工大学，2009.

［6］杨磊.电力系统继电保护可靠性评估研究［D］.保定：华北电力大学，2014.

［7］王超.电力系统可靠性评估中的几个重要问题研究［D］.杭州：浙江大学电气工程学院，2010.

［8］杨文英，盖志强，张华峰，等.电力系统继电保护可靠性问题研究［J］.中国电力教育，2013（27）：210.

［9］宋晓通，谭震宇．基于自适应算法的电力系统可靠性评估［J］．清华大学学报(自然科学版)，2017，23(Z1):1040－1044．

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（8）

电力系统的可靠性评估采用故障树分析法具有明显的优点，其用逻辑图形清晰、直观地进行演绎推理，找出系统失效原因，并根据系统分析作出故障对系统影响程度的评价。

2.2

蒙特卡罗模拟法

解析法是以马尔科夫模型为基础，主要应用于小型或结构简单的电力系统可靠性评估，具有较高的准确度；但随着系统复杂程度加大，状态数剧增，计算工作量呈指数关系增长。为获得能够计算的解析模型，实际工作中常简化系统的实际条件，影响了计算结果的准确性［8］。

蒙特卡罗方法是一种基于概率统计学原理的数值计算方法，实际工作中，其常与故障树分析技术结合使用，可提高电力系统可靠性评估的准确性。其依靠统计试验方法获取数据，直观易懂、便于应用。对于一些系统故

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