（国网河北省电力有限公司石家庄供电分公司 050000）
摘要：电力系统的作用和任务就是保证用户用电的可靠性和经济性，并且要保证供电的质量。随着经济的增长，电网向远距离、超高压甚至特高压方向的发展也越来越快，网络的规模日益庞大，结构也日益复杂。本文在对电力系统可靠性评估的研究现状进行学习的基础上，介绍了可靠性分析中的两个准则即N-1准则和概率性指标或变量的准则，在概率、频率、平均持续时间、期望值等指标框架内，讨论了解析法和蒙特卡洛法的基本原理及其在电力系统可靠性评估中的应用。
关键词：系统 可靠性 解析法；蒙特卡洛模拟法
一、可靠性产生背景
20世纪50年代，可靠性概念的提出开始于工业，并首先在军用的电子设备中得到应用。到了60年代中期，美国、西欧和日本以及前苏联等国家电力系统陆续出现稳定性的破坏事故，导致了大面积的停电，因此可靠性技术引入了电力系统。
1968年成立了美国电力可靠性协会，在美国的12个区各自制定可靠性准则，保证电力系统能经受较大事故的冲击，避免由于连锁反应导致大面积停电。
1981 年随着加拿大和墨西哥的加入改名为北美电力可靠性协会。
20世纪90年代电力市场的出现和1996年美国西部发生的两次停电事故成为影响电力系统可靠性进一步发展的因素。
近些年来不断发生大范围的停电事故，事故发生的同时也给人们带来了一些启示：确定性准则在大电网的规划和运行中受到了诸多限制，因此需要一些新的方法和观点来全面反映电网的状态，如需要考虑电网的一些随机事件。
二、可靠性在电力系统中的应用
电力系统的作用和任务就是保证用户用电的可靠性和经济性，并且要保证供电的质量。随着电力系统规模的扩大，对电力系统可靠性的评估也要求更加准确，但是系统元件的不断增加，系统自动化程度不断提高，所以在可靠性评估中的难度也越来越大。发输电系统可靠性评估方法及发展单一的对发电系统或输电系统进行可靠性评估，结果在实际中就会有一定的局限性。
由于评估中要考虑元件的响应、网络结构、电压的质量等因素，所以计算量比较大计算也极其复杂。同时，回顾各大连锁停电故障，可以观察到的一个现象是电力系统的运行状态随着故障的连锁发生而不断恶化，系统内其他元件承受的负荷不断增加，系统趋近于某种临界状态，此时某些小概率故障（例如输电线路悬垂增加与树木接触，保护的隐性故障等）发生的概率显著增加，且一个小的事件可能会导致一个大事件乃至突变。而且，调度人员可能由于对当前系统的状态缺乏估计和了解，忽视了某些看起来平常的扰动，结果却可能导致无法估计的停电损失；或者出于对连锁大停电故障的过分担忧，实施相对保守但更加安全的控制方案，在一定程度上损害了运行经济性。因此针对上述出现的问题，如何利用新的方法更加准确和全面的反映电力系统的可靠性，并提高计算的速度，具有重要的理论研究意义和工程应用价值。
三、可靠性评估准则
电力系统是由发电、变电、输电、配电、用电等设备和相应的辅助设施，按照规定的技术经济要求组成的统一系统。随着电力工业的发展，可靠性发展成为一门应用学科，成为电力工业取得重大经济效益的一种重要手段。电力系统可靠性实质就是用最科学、经济的方式充分发挥发、供电设备的潜力，保证向全部用户不断供给质量合格的电力，从而实现全面的质量管理和全面的安全管理。
可靠性是指一个元件、设备或系统在预定时间内，在规定条件下完成规定功能的能力。可靠度则用来作为可靠性的特性指标，表示元件可靠工作的概率，可靠度高，就意味着寿命长，故障少，维修费用低；可靠度低，就意味着寿命短，故障多，维修费用高。
可靠性评估准则，因为在电力系统中所需要的可靠性水平应达到一定的条件，所以可靠性评估应该对应相应的可靠性准则。在可靠性分析中有两个准则分别是N-1准则和概率性指标或变量的准则。在传统的可靠性评估中主要采用的是N-1准则。确定性的N-1准则已经在电力系统可靠性评估中广泛的使用了许多年，该准则概念清晰，可操作性好。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆N-1准则是指正常运行方式下电力系统中任意一元件（如线路、发电机、变压器等）无故障或因故障断开后，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，并且其他元件不过负荷，电压和频率均在允许的范围内。
这一准则要求单个系统元件的停运不会造成任何损害或者负荷削减。但同时N-1准则有两个缺点：第一个是没有考虑多元件失效；第二是只分析了单一元件失效的后果，而没有考虑其发生的概率多大。如果选择的故障事件不是非常严重，但是发生的概率比较高，基于该类故障事件的确定性分析得出的结果仍然会使系统有较高的风险。相反，即使一个具有严重后果的故障事件发生但是它的的概率可忽略不计，基于这类事件的确定性分析就会导致规划评估中过分投资。
概率评估不仅可计及多重元件的失效事件，而且可以同时考虑事件的严重程度和事件发生的概率，将二者适当结合可以得到如实反映系统可靠性的指标。使用概率性指标评估的目的是在系统评估过程中增加新的考虑因素，而不是代替已经在可靠性评估中使用了多年的N-1准则，两者之间并无冲突，将二者结合起来可更加全面准确的反映系统的可靠性水平。
四、可靠性评估方法
电力系统可靠性是通过定量的可靠性指标来度量的。为了满足不同场合的需要和便于进行可靠性预测，已提出大量的指标，其中较多的主要有以下几类：
（1）概率：如可靠度，可用率等；
（2）频率：如单位时间内的平均故障次数；
（3）平均持续时间：如首次故障的平均持续时间、两次故障间的平均持续时间、故障的平均持续时间等；
（4）期望值：如一年中系统发生故障的期望天数。
上述几类指标各自从不同角度描述了系统的可靠性状况，各自有其优点及局限性。在实际应用过程中往往是采用多种指标来描述一个系统，使这些指标之间可以相互弥补不足。
目前的评估方法主要有解析法和蒙特卡洛（Monte-Carlo）模拟法两种。
解析法基于马尔可夫模型，通过数值计算方法获得模型系统各项指标，该法利用系统的结构和元件的功能以及两者之间的逻辑关系，建立可靠性概率模型，通过递推和迭代等过程对该模型精确求解，从而计算可靠性指标。其具体实现手段有网络法、状态空间法、故障树法，优点在于采用了精确的数学模型，准确度较高，但计算量随着元件数的增多呈指数增长，当系统的规模大到一定的程度时，采用此法有一定的困难。
蒙特卡洛法是一种基于概率的数值计算方法，它故障树分析技术相结合，通过计算机模拟产生系统的所有随机过程获得足够大的样本量，然后统计得到系统的各类指标。由于它以概率统计的方法和理论为基础，采样次数与系统的规模无关，对问题的维数不敏感，所以蒙特卡洛法在大型电力系统评估中更具明显的优点。
随着计算技术的日趋完善，理论分析水平不断的提高，电力系统可靠性评估手段也有了新进展。
主要体现在：（1）提出区间分析法，应用于电力系统可靠性评估。清华大学电力系统可靠性研究小组首次将区间分析应用于电力系统可靠性评估，以处理元件数据不确定时系统的可靠性评估，使得可靠性评估的深度和广度都取得新突破。
（2）对Monte-Carlo 模拟法的应用水平大大提高。近些年来，已经相继开发了能应用于大规模电力系统的充裕度和安全性评估软件，使得充裕度和安全性的学术水平大大提高。
另外，除了评估手段和方法外，可靠性指标方面也有了新的发展。众所周知，系统可靠性评估和判断可靠性准则最重要和关键的就是合理的可靠性指标。1947年G..Calabrese 提出了发电系统的LOLP 指标以及相关的概念。1960年，M.Boiteux系统的提出了缺电量得概念。目前，世界上许多国家和电力公司主要应用的电力指标有：失负荷期望（LOLE）代表的是平均每年缺电的小时数；切负荷概率LOLP表示的是平均每年的缺电概率；切负荷频率FLOL 代表每年平均停电次数；电力不足期望EDNS 代表平均缺电力；电量不足期望EENS表示平均每年缺电量。除此之外还有很多，本文就不再一一列举。
结束语
相信随着电力设备不断进化升级，电力网络日益复杂，呈现出更多新特点，给电力系统可靠性评估提出新的挑战和发展前景，在今后实际生产应用中发挥越来越重要的作用。
论文作者:薛琦
论文发表刊物:《河南电力》2018年23期
论文发表时间:2019/7/15
标签：可靠性论文; 电力系统论文; 系统论文; 概率论文; 准则论文; 故障论文; 指标论文; 《河南电力》2018年23期论文;