摘要：随着经济的飞速发展，人们对电力的需求能力也在不断增长，这使得电网的建设规模不断扩大，用户量不断增加，同时，为了保持电网的稳定性，国家对电网的可用性标准要求也越来越高，其中可靠性就是一个十分重要的指标。但是，随着系统的规模的扩大，结构趋于复杂，电网越来越难以维持其自身的稳定性。本文对城市电网发输电系统可靠性进行了研究，首先给出了可靠性评估的定义和分类；其次分析了城市电网发输电系统可靠性评估体系并给出了评估可靠性的模型；最后研究了可靠性评估算法的实现。研究城市电网发输电系统的可靠性，对提高电网的稳定性和安全性具有重要的现实意义
关键词：城市电网；发输电系统；可靠性
引言
电力系统可靠性分析已经成为电网规划决策中非常重要的一部分。电力系统的停电事故大部分是由于发电机组故障和输电线路故障引起的，目前对发输电电力系统可靠性评估的量化指标以切负荷量为主，因此对系统状态分析中切负荷进行优化是必不可少的环节。
随着系统的规模的扩大，结构趋于复杂，电网越来越难以维持其自身的稳定性。近年来，国际上的电网事故很多，比如2003年的美国东北部和加拿大联合电网的大停电事故，只是因为高压线触碰树枝引起短路，就造成了大面积停电事故，造成了300亿美元的直接损失。2012年的印度大停电事故，起因是因为北方邦的一座高压变电站发生故障，总计6.7亿人受到了影响。因此，在电网规模不断扩大的今天，一个小的故障都可能影响电网的安全，甚至造成巨大的社会影响和经济损失。所以，研究城市电网发输电系统的可靠性，提高电网的可用性具有重要的现实意义。
1 可靠性评估的定义和分类
可靠性即可用性，是系统或者系统所包含的部件和元件在一定的环境下，于预定的条件及时间内无差错的实现预定功能的能力，其目的主要是对系统的长期规划和短期运行的可靠性水平进行预测和评估。电网可靠性即电网稳定的向用户提供电能的能力，包括用电负荷超过负载能力、局部电网孤岛等极端情况下电网的可用性。
对于电网来讲，如果从以整个电网作为研究对象来进行研究的话，那么需要考虑的情况会极为复杂，虽然目前的计算机的计算能力能够解决这个问题，但是从经济性的角度来看，很不经济。而将电网根据不同的特点分为不同的形式，化简后进行研究，往往能够得到更加准确和有效的结论，同时也大大减少了计算的工作量和工作时间。如图1所示，将电网分为了发电系统、输电系统和配电系统三个子系统，所以在对电网进行可靠性评估时就可以分为发电系统可靠性评估、输电系统可靠性评估和配电系统可靠性评估三个类别。
本文重点研究发输电系统的可靠性评估，该层位于中间层，在整个电力系统中占有非常重要的位置。电网可靠性的研究主要就是对发输电系统的可靠性进行评估。
图1 电力系统可靠性评估研究层次
2 发输电系统可靠性评估
主要包括三部分：系统状态抽样、系统状态分析以及可靠性指标计算。其中系统状态分析对选定的系统状态进行网络是否解列判断和潮流计算，从而确定是否需要进行负荷切除。目前，有文献使用最大流模型，利用网络特定状态下的最大流代替系统中的潮流分布，避免了负荷削减，计算速度快，但不满足基尔霍夫第二定律，只反映了元件故障后系统的最大可能响应极限，结果过于乐观。还有文献中则只采用了粒子群算法等类线性规划算法对系统切负荷进行最优计算，又忽略了就近原则及重要度原则在实际系统切负荷中的作用。文献［3］中基于交流潮流的负荷削减非线性规划模型是一个精确的模型，但验证耗时并且编程复杂，对于大规模电力系统的长期规划不适合。在大规模电力系统中，元件故障通常只引起个别线路过载，因此没必要在全局范围内切负荷，寻求高效、可靠、计算时间与系统规模基本无关的负荷削减模型有重要意义，锁定了切负荷区域，但并不能将该区域内所有负荷节点同等地切除，这就需要考虑负荷等级，一级负荷是不可以切除的，或者需要慎重切除。
3 城市电网发输电系统可靠性评估的指标体系
城市电网发输电系统可靠性评估的指标体系是可靠性评估模型和算法的基础。首先需要对指标进行分类，根据系统范围的不同可以分为系统可靠性指标、负荷点可靠性指标、原件可靠性指标三类。
系统可靠性指标主要研究对象是整个系统，其主要指标有停电概率、停电频率、停电小时数、年停电小时数、均次停电时间等系统宏观指标。负荷点可靠性指标的研究对象是分散在整个系统中的不同负荷点。另外负荷点可靠性指标还包括从系统整体角度对不同负荷点性能的平均可靠性指标和其它节点指标进行评价。其主要指标有负荷点平均停电频率、负荷点平均停电小时数、负荷点平均停电电量、负荷点平均停电时间等。原件的可靠性指标主要研究对象为系统中的电气设备。电气设备的性能会对整个电网的可靠性造成影响。研究原件的可用性，能够找出关键设备和瓶颈环节，从而对电网进行改进，提高其可靠性。其主要指标有线路的过负荷概率、线路的过负荷电量两个方面的内容。电网可靠性研究中，原件可靠性的研究是基础。
4 城市电网发输电系统可靠性的模型和算法
4.1 城市电网发输电系统可靠性评估模型
可靠性评估模型主要从原件模型、系统状态模型和有功校正模型元件的二状态模型如图2所示，N表示系统的正常状态、R表示系统的故障状态；λ表示系统的故障频率，µ系统故障的修复率。
系统状态模型是将系统不同状态的情形归纳起来，用集合的形式表示，并根据故障状态和正常状态对系统不同状态进行划分。选取电力系统中的任一元件k，并假设其不可用概率是Pk，Xk是它的运行状态，则P（Xk）的概率函数为如公式（1）。系统状态模型的建立，需要知道系统的网络拓扑结构，这是研究系统状态模型的基础，同时系统采用的发电形式不同，以及发电量多少的区别都是系统状态模型需要考虑的因素。
图2 元件二状态模型
有功校正模型是指当系统出现故障不能继续运行时，通过对电厂出力进行提高、对注入功率分布进行调节以及调整调节无功补偿等方式使得电网恢复正常运行。有功校正模型对维持电网的稳定性具有重要的意义。
4.2 城市电网发输电系统可靠性评估算法
本文所研究的城市电网发输电系统可靠性评估算法主要是基于子网功率平衡的调整算法，具体流程图如图3所示，首先对子网出力进行判断，如果子网出力小于子网的负荷，则需要对符合进行削减；如果节电的最大有功出力小于子网负荷，则增大发电机的有功出力，反之则减少发电机的有功出力。
图3 子网功率平衡调整算法流程图
结语
随着电网规模的不断扩大，电网可靠性的要求不断提高，对电网可靠性的研究也越来越受到学者的重视。本文主要说明了系统可靠性、负荷点可靠性和元件可靠性三个指标构成了发输电系统可靠性评估的指标体系，并以此为依据建立了城市电网发输电系统的原件、系统状态和有功校正三个模型，基于三个模型提出了基于子网功率平衡的调整算法。
参考文献：
[1]孙元章，程林，何剑，等.电力系统运行可靠性理论 ［M］．北京：清华大学出版社 2012.89-124．
[2]刘海涛，程林，孙元章.交直流系统可靠性评估[J].电网技术，2004，28（23）：27-31．
[3]Billinton R，Wenyuan Li． Reliability assessment of elec-trical power system using Monte Carlo methods ［M］．New York：Plenue Press，1994．
论文作者:尹双宗
论文发表刊物:《电力设备》2018年第6期
论文发表时间:2018/7/9
标签：可靠性论文; 电网论文; 系统论文; 负荷论文; 模型论文; 状态论文; 子网论文; 《电力设备》2018年第6期论文;