基于电力系统的安全性与可靠性-学位论文.doc

2015届成人高等教育本/专科学生毕业论文 存档编号：_ 大 学毕 业 论 文题目 基于电力系统的安全性与可靠性 专 业：电气工程及其自动化学 院： 电气工程学院 年 级： 学习形式： 函 授 学 号： 论文作者： 指导教师： 职 称： 继续教育学院 制完成时间： 年 月 日郑 重 声 明本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权行为，否则，本人愿意承担由此而产生的法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者（签名）： 年 月 日摘 要本文从电力系统中对安全性和可靠性的内涵和外延解释入手，深入分析了电力系统的安全性和可靠性的概念、定义。并分别介绍电力系统中安全性和可靠性问题的影响因素，具体表现和防止措施。文章的最后还介绍了目前电力系统基于安全性和可靠性问题所进行的前沿的热点基础研究方向。本文旨在通过对安全性和可靠性的研究，力图寻找解决安全性问题可靠性问题的防治措施。关键词：电力系统；安全性；可靠性；评价方法AbstractThis article from the power system security and reliability, the connotation and denotation of explanation, this paper analyzes the concept of the safety and reliability of power system, the definition. And introduces respectively the influence factors of power system security and reliability issues in, the manifestation and the prevention measures. By the end of the article also introduces the electric power system based on safety and reliability problems based on hot spot in the forefront of research direction. The purpose of this paper is to through the study of safety and reliability, trying to look for the prevention and control measures to solve the problem of safety reliability.Key words: Power system; Security; Reliability; Evaluation method目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 本文的主要工作12 电力系统的安全性32.1电力系统安全性概述32.2 电力系统安全性问题影响因素32.3 电力系统安全性问题防治措施42.3.1降低事故概率42.3.2加强电力系统监控和管理52.3.3加强与电力系统安全紧密相关的基础研究53 电力系统可靠性问题63.1 电力系统可靠性概述63.2 电力系统可靠性评价方法73.3 电力系统可靠性提高措施84 电力系统安全性与可靠性相关的基础研究方向94.1 开展广域电力系统的建模的研究94.2 开展广域电力系统安全防治系统的研究95 总结与展望10参考文献11致 谢12V1 绪论1.1 课题研究背景及意义随着社会经济的高速发展、科技水平的不断进步及人民生活水平的日益提高，电力系统的安全性和可靠性对于人们的日常生活、工业的正常生产等都起到举足轻重的作用。人们对于电网质量的要求也越来越高。但是电力系统是一个非常复杂的系统，有发电、输电、供电、配电等等，涉及多个环节，电网发生事故的情况时有发生，会使电力用户甚至整个社会都遭受重大损失。电力系统的安全性和可靠性是具有很深内涵的两个指标，电力系统安全性和可靠性最严重也最明显的事故即停电，尤其是大范围停电，会使停电地区的生产停滞、生活陷入混乱。上世纪90年达美国曾发生过两次由电力系统稳定破坏而导致的大面积停电事故。时任美国总统评价这次停电已经“危及国家安全”。其他国家和地区诸如北美、欧洲等都发生过大面积停电事故，造成重大经济损失，引起了人们的恐慌，造成极差的社会影响1。近20年，我国各大电网的大面积停电事故发生过上百次，每次都造成相当严重的损失。目前我国的电力系统现在正处在西电东送，发展特高压电力网络的关键阶段，电力系统的安全性和可靠性问题是电力系统的一个重大问题，更是影响我国社会主义建设的战略性问题。1.2 本文的主要工作本文从电力系统中对安全性和可靠性的内涵和外延解释入手，深入分析了电力系统的安全性和可靠性的概念、定义。并分别介绍电力系统中安全性和可靠性问题的影响因素，具体表现和防止措施。文章的最后还介绍了目前电力系统基于安全性和可靠性问题所进行的前沿的热点基础研究方向。本文旨在通过对安全性和可靠性的研究，力图寻找解决安全性问题可靠性问题的防治措施。本文内容的具体安排如下：第1章 绪论：介绍电力系统安全性与可靠性研究的意义和背景；第2章 电力系统安全性：介绍电力系统安全性的相关概念及标准，研究影响电力系统安全性的因素，并提出相应的防治措施；第3章 电力系统可靠性：介绍电力系统可靠性的相关概念及标准，影响电力系统可靠性的评价方法，并提出相应的防治措施；第4章 电力系统安全性与可靠性相关的基础研究方向：针对目前电力系统安全性和可靠性的问题，指出了若干与其息息相关的基础学科研究方向。2 电力系统的安全性2.1电力系统安全性概述电力系统的安全性是指系统在发生故障情况下，系统能保持稳定运行和正常供电的风险程度。传统的电力系统安全性主要是在发生故障情况下，研究电力系统本身的动态特性，包括系统的功角稳定性、电压稳定性、频率稳定性、系统解列、热过载等。这类研究一般是针对单一故障的，而大面积停电事故则通常是连锁事件的复杂序列2。对于电力系统安全性，有一种与之对应的概念叫做系统的脆弱性，对于电力系统的脆弱性指的是电力系统因人为干预、信息、计算机（软、硬件）、通信、电力系统元件和保护控制系统等因素，使得电力系统存在着潜在的系统崩溃风险。系统安全性与系统脆弱性两个性能指标其实表征的电力系统特性相同，在这两个性能指标中，人们对于电力系统的安全性设定一个可被接受的阈值，当系统安全现状被评估后，系统安全性水平和它的变化趋势也就被确定下来。电力系统的强壮程度便可以通过这一阈值加以初步判断，高于阈值，我们认为该电力系统的安全性较高，低于此阈值，则意味着电力系统的安全性堪忧，存在着较大风险，需要运营维护人员予以高度的关注。2.2 电力系统安全性问题影响因素对于组成电力系统的基础设施而言，其组成是十分复杂的，而且每一个环节都有着动态的变化，是一个时变的多维度的动态系统，很难通过某几个特定的变量加以描述。习惯上，我们只能定性地对电力系统的安全性影响因素加以描述：影响电力系统安全性可根据因素是否处于电力系统内部分为内部因素和外部因素4。内部因素有：(1) 发电机、变压器、输电线等电力系统主要元件发生故障：；(2) 控制和保护系统故障等；(3) 计算机软、硬件系统故障；(4) 信息、通信系统故障；(5) 电力市场竞争环境的因素；(6) 电力系统不稳定：静态/暂态/电压/振荡/频率不稳定等。外部因素有：(1) 突发性自然灾害和重大异常气候因素；(2) 操作人员误操作人为因素或恐怖袭击、战争等突发社会因素。2.3 电力系统安全性问题防治措施2.3.1降低事故概率电力工业是需要长期和超前投资的工业，大的发电厂的建设要510年，寿命约为30年。所以，要求厂（发电厂）网（电网）协调、统一规划、超前建设、合理结构，以保证电力系统的安全运行。特别要加强电网建设（加强远距离输电网、受端电网和二次系统）以提高电网安全可靠性，降低事故概率，减少停电损失。在输电和配电领域，很大一部分的基础设施的寿命已接近70年5。另一方面，很多几十年前设计的设备已不适应先进的数字化技术。所以，电力设备老化问题是发达国家普遍存在的问题。对于电力系统的建设要有全面规划，要建立一定的监管制度和投资激励机制，使电力工业的发展能满足电力系统运行安全性的要求。2.3.2加强电力系统监控和管理电力系统的互联使得在广阔的地域内进行资源的优化配置，互通有无，相互支援成为可能。但是，在紧密相连的互联电力系统中，一个局部故障能迅速向全系统传播，会导致大面积停电。所以，在事故处理上，要求反应迅速，高效统一。在一个互联电力系统的某一部分出现故障后，互联的电力系统的其他部分在故障波及以前往往还不知道事故的发生。所以，在一个互联的电力系统中，统一电网管理，统一电网调度，建立完善的安全运行制度是保证电力系统安全可靠运行的重要条件。2.3.3加强与电力系统安全紧密相关的基础研究由不同容量发电机、不同电压等级和长度的输配电线路以及不同容量和特性负荷组成的电力系统是一个典型的复杂大系统，呈现高维、非线性、时变、信息的不完全性、广域(大范围跨越时空)互联性和微分代数的复杂特性。这个大系统的时空运行历来就是一个非常困难的学术和工程问题。目前急需建立新的理论和方法体系(建模、分析、模拟、仿真、预测、和控制方法)，有效地解决复杂电力系统所面临的关键问题，比如跨区域电力系统长期动态行为分析与仿真，系统连锁故障防御与控制等等课题，以保证电力系统的安全、可靠的管理和运行。3 电力系统可靠性问题3.1 电力系统可靠性概述可靠性（Reliability）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。现代社会对电力的依赖越来越大，电能的使用已遍及国民经济及人民生活的各个领域，成为现代社会的必需品。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，按规定的技术经济要求组成的一个统一系统。发电厂将一次能源转换为电能，经过输电网和配电网将电能输送和分配给电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程6。电力系统的基本结构如图3-1所示。图3-1电力系统基本结构图按照电力系统的基本结构，电力系统的可靠性具体可分为发电系统可靠性、发输电系统可靠性、输电系统可靠性、发电系统可靠性、配电系统安全性和电气主接线的可靠性五个方面。发电系统可靠性是指统一并网的全部发电机组按可接受标准及期望数量满足电力系统的电力和电能量需求的能力的量度。发电系统可靠性指标可以分为确定性和概率性两类。发输电系统可靠性是指由统一并网运行的发电系统和输电系统综合组成的发输电合成系统，按可接受标准和期望数量向供电点供应电力和电能量的能力。发输电合成系统可靠性包括充裕度和安全性两方面。输电系统可靠性是指从电源点输送电力到供电点，按可接受标准及期望数量满足供电负荷电力和电能量需求能力的量度。输电系统可靠性指标同发电系统一样也分为确定性和概率性两类。配电系统可靠性是指供电点到用户，包括配电变电所、高低压配电线路及接户线在内的整个配电系统及设备，按可接受标准及期望数量满足用户电力及电能量需求能力的量度。发电厂变电所电气主接线可靠性是在组成主接线系统的元件（断路器、变压器、隔离开关、母线）可靠性的指标已知和可靠性准则给定的条件下，按可靠性准则评估整个主接线系统满足供电点电力及电能量需求能力的量度。3.2 电力系统可靠性评价方法在电力系统可靠性评估中，分析过程一般由以下三个步骤组成：状态选择、状态估计和计算指标。其可靠性评估常采用的有两种基本方法：一种是解析法；另一种是Monte Carlo模拟法。解析法基于马尔可夫模型，用数学方法从数学模型中评估可靠性指标。该法是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，其优点在于采用了精确的数学模型。蒙特卡罗方法是一种以概率统计理论和方法为基础的数值计算方法，目前广泛应用于系统可靠性的评估中7。它与故障树分析技术相结合，是对系统进行可靠性预测分析的有效的途径。它的优点是属于统计试验方法，比较直观，易于被工程技术人员掌握和理解，可以发现一些人们难以预料的事故，容易处理各种实际运行控制策略，采样次数与系统的规模无关，在进行复杂系统的可靠性评估时更具有优越性。据此，采用蒙特卡洛法可以用来分析自动化系统的可靠性。3.3 电力系统可靠性提高措施从电力系统规划直到电力系统运行都要重视提高供电可靠性。提高供电可靠性的措施是多方面的，具体分析，提高电力系统可靠性的措施有以下几点：(1) 提高组成系统各元件的可靠性，首先要选用先进可靠的供电设备，其次要做好供电设备的维护工作，运行中要防止各种可能的误操作。对于电气设备维修，我国长期实行“定期计划维修”制度，其主要特点是将时间周期作为设备维修的基础，只要到了计划维修的时间周期，在无特殊情况的条件下就必须进行设备大修或小修。这种维修制度对保证电力系统安全运行，提高供电可靠性起到了“预防为主”的积极作用。(2) 增加冗余度，对于发电系统，增加冗余度意味着增加装机容量，即增大备用容量；对于输电系统，则意味着增加输电线路数或加大输电线路截面积。可见，冗余度涉及到经济问题，可靠性与经济性密切相关8。(3) 提高送电线路和变电站主接线的可靠性。向城市和工业区供电的变电站进线应采用双回路电源供电，重要的用户变电站也应采用双回线、双电源供电。双回线供电与单回线供电相比，可靠性要高得多。4 电力系统安全性与可靠性相关的基础研究方向4.1 开展广域电力系统的建模的研究随着信息技术的发展，电力系统与信息系统、通信系统已经融合成集成的混杂系统。传统的对电力系统的研究方法已经难以处理这样的复杂系统，需要在建模、分析、仿真、预测和控制等方面建立新的理论和方法体系，有效地解决复杂电力系统所面临的关键问题，以保证电力系统的安全运行。多智能体系统所具有的资源共享、易于扩张、可靠性强、灵活性强、实时性好的特点非常适用于解决大规模电力系统这类复杂系统的建模、控制和分析评估任务，有望为实现广域电力系统实时分析、全局协调控制提供新的途径9,10。4.2 开展广域电力系统安全防治系统的研究为了防治广域复杂电力系统中可能出现的大面积停电事故，要开发广域的、智能的、自适应的并与电力系统的分层和全局协调的保护和控制系统。它集成了由电力系统、广域保护和控制以及通信基础设施，能提供实时的关键和广泛信息，见可能出现的问题，迅速地评价系统的薄弱环节，及时完成基于系统分析的自愈和自适应重构动作等的防治措施，以避免发生灾难性的事故。它与传统所用的方法和技术的不同之处是，后者只基于局部量测信号的局部控制动作，只关心个别设备的状态；而前者则基于广域信息的安全性评估，在故障发生后将故障局部化，使故障不致发展为大面积停电的重要技术措施11-12。继电保护应从传统的元件保护扩展到系统保护，同时要研究继电保护装置隐性失效对连锁故障的影响。紧急控制系统应实现在线决策，提高控制的速度和有效性。5 总结与展望本文主要讨论了电力系统中的安全性和可靠性问题，安全性是指系统在发生故障情况下，系统能保持稳定运行和正常供电的风险程度。其影响因素有很多，外部的诸如自然灾害和人为操作不当等，内部的如电力元件的故障和系统本身的不稳定等都会引起电力系统的安全性问题。安全性问题的防治措施可以从电力系统的建设、监管和基础研究等方面进行。电力系统的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。可靠性的评价方法主要有解析法和蒙特卡罗法等，提高电力系统的稳定性可以元件、冗余度、主接线等方面进行加强。文章的最后还介绍了与电力系统安全性和可靠性有关的基础研究方向。本文的研究主要以理论分析和问题综述为主，下一步的改善方向是将提出的改进电力系统安全性和可靠性的措施付诸实践，真正对电力系统的建设付出自己的绵薄之力。参考文献1 陈辉. 电力系统静态安全分析D.武汉水利电力大学,1999.2 韩祯祥曹一家. 电力系统的安全性及防治措施J. 电网技术.2004,28(9),1-63 留毅，章静芳. 电力系统静态安全分析综述J. 科技创新导报，2010，(30):64.4 邱家驹，钱源平，刘艳，等. 基于地理信息系统的电力系统静态安全分析可视化方法J. 中国电机工程学报，1999，(5):62-66.5 王锡凡，王秀丽. 实用电力系统静态安全分析J. 西安交通大学学报，1988，22(1).6 王保华.电力系统安全性与稳定性.南京理工大学自动化学院.7 刘天琪现代电力系统分析理论与方法M北京：中国电力出版社，2007 8 郭永基.电力系统可靠性原理和应用（上）.北京：清华大学出版社,1983.9 郭永基.电力系统计电力设备的可靠性.电力系统自动化，2001,25(17):53-56.10 张蔼蔷.故障树分析在电力系统可靠性研究中的应用.华东电力，2005,33(2):14-17.11 Singh C, Patton A D. Models and Concepts for Power System reliability Evaluation Including ProtectionSystem Failures. Electric Power Energy Systems.1981.12 Billinton R, Chen H,Zhou J Q. Generalized n+2 State System Markov Model for Station-Oriented Reliability Evaluation. IEEE Transactions on Power Systems,Vol.12,1997:1799-1804.致 谢历时两个多月，我终于结束了本次毕业论文的撰写，我第一时间想表示感谢的是我的毕业设计老师。老师以他严谨的科学态度，渊博的理论知识，谦虚的为人品质和踏实的治学作风影响和激励我，这些对我以后的成长必将起着十分重要的作用。在课题设计期间，同组做毕业设计的同学也给了我莫大的帮助，通过与他们的讨论与交流让我意识到自己的不足。通过互相的学习，提高了我的能力。可能多少年以后我都会回想其大学四年的青葱时光，这里留有我太多美好的回忆。四年里我遇到的每一位授课教师和辅导员都让我印象深刻，因为你们的耐心和敬业，才使得我掌握了生存的技能和做人的道理，没有您们专业知识的讲授，就没有这篇文章的完成，真诚地感谢母校！我还要感谢每一位朋友，每一位同学，每一位和我擦肩而过，萍水相逢的陌生人，人间自有真情在，每当我徘徊不前犹豫不决之时，总会有人伸出援助之手。更要感谢在百忙之中抽出时间参加我论文评阅和答辩的各位老师，恳请各位老师予以批评和指正。最后深深感谢我的家人给予我物质和精神上最大的支持和帮助。你们默默无闻的支持和奉献无以言表，你们永远是我坚强的后盾，你们的支持和奉献我才能走到今天，也让我幸福。最后再次对参加答辩的各位老师表示敬意！11