电力系统技术性能的可靠性概念

　　保证对各类用户的连续可靠供电，一直是电力系统规划设计和运行部门所十分关注的问题，并作为衡量电力系统技术性能的一个重要尺度。为此，我们先就可靠性的一般概念作一下介绍。

　　通常评估一个系统的运行情况，从技术经济角度讲，主要涉及以下几个方面：
　　1.电能质量的好坏：即指系统正常运行时，其周波和电压的变化应满足规程要求的范围内，否则偏移过多，用户既使能够使用电能也将造成不良后果。例如电机不能起动；影响一些设备寿命等。因此，如何保证并改善系统的电能质量，涉及采取调压措施、调整运行方式、改善潮流分布、提高稳定能力等。
　　2.运行的经济性：一般说来，电力工程项目不仅投资巨大，而且运行寿命较长，因此，它的运行是否经济就现得十分重要。电力系统运行的经济性主要表现在发电费用（燃料）、电能损耗和维护检修费用的高低，对于发电环节主要是节约煤耗问题，而对于配电网则主要集中在如何降低网损问题上。因而这涉及到规划改造电网结构、提高自动化管理水平、改进设备的运行参数、进行无功补偿等。
　　3.供电的可靠性。这是我们要研究的问题。众所周知，供电可靠性是衡量电力系统技术性能的一个重要判据，同时也是配电网的第一质量指标，配电网络能够对各类用电用户实现连续可靠供电是衡量这个网络技术性能优劣的一个重要尺度或标准。显然，如果没有供电可靠性这一前题，不仅网络的其它技术指标要求无法达到，而且还将造成较大的经济损失。
　　因此，供电可靠性已成为保证系统安全运行和经济运行的重要条件，如果没有这一前提，电能质量指标将达不到规定要求，同时也会增加经济损失。应当说，供电可靠性是系统发输供各环节的综合体现，因此通过供电可靠性分析，基本可以反映出所评估的系统在技术与经济两方面所表现的综合效果。

　　在生产、工作和生活等各方面人们都在使用可靠性这一概念对事物进行评价和比较，如某种产品耐用或不耐用，某个人可信或不可信，供电是否可靠等等。但这种定性的可靠性认识一般只能用在较简单事物的评价和比较上，并且给人的印象是模糊的，缺乏严格的定量标准和科学的分析方法。
　　随着科学技术的发展，设备和系统的结构越来越复杂，对于复杂的设备、系统和事物，仅仅用定性可靠性评价已不能满足生产和工作的需要，必须用现代科技理论和计算手段进行定量的可靠性分析和计算，才能正确的评价和改善复杂设备、系统和事物的可靠性。因此，可靠性学科的产生和发展是现代生产技术发展的必然需要，并已逐步成为一门独立的学科，应用于各个技术领域。
　　所谓可靠性（Reliability,缩写用R表示），是指元件、设备和系统在预定的时间内、规定的条件下完成规定功能的概率。其中预定的时间是可靠性定义的核心，因为不谈时间则无可靠性而言，但时间长短却因不同元件或研究对象而异。规定的条件，主要指元件或系统的使用环境、维护方式、操作技术等方面的不同对可靠性造成的不同影响。
　　规定的功能，通常用元件或系统的各项性能指标来表示，如电气元件的额定功率、电力系统的节点电压等。如果元件或系统在运行中各项指标达到预定的要求，则称能够完成规定的功能，否则称为丧失功能。一般把元件或系统丧失规定功能的状态，称为失效或故障。概率是个数学概念，将可靠性定义为一个概率量便使得元件或系统的可靠性有了可以测度和计算的定量标准，从而实现了数量刻画。
　　因此，可靠性问题就是在一定规定条件下，研究元件或系统发生失效的统计规律，而概率论与数理统计则是可靠性分析的理论基础。
　　从可靠性研究的对象而言，元件、设备和系统根据使用过程的不同，分为可修复和不可修复两大类。可修复元件、设备和系统是指它们损坏后经过修理能恢复到原有功能而可以再投入使用者。电力系统设备如发电机,变压器等几乎都是可修复元件。
　　不可修复元件、设备和系统是指它们在损坏后无法修复或无修复价值者(即指故障的一次性)。在研究两类不同对象的可靠性问题时，我们需用具体的可靠性指标来衡量。对不可修复元件、设备和系统常用在规定条件下和预定时间内未发生故障这一事件的概率作为可靠性指标，称为可靠度。而对可修复元件、设备和系统除了要测度它们发生故障的概率外，还要计算它们在发生故障后可修复的概率.
　　因此，它们的可靠性指标常用可用度来表示，其定义为：可修复元件、设备和系统在长期运行中处于或准备处于工作状态的时间所占的比例。实际上，可用度也是一个概率值。在实际应用中，为便于进行可靠性分析，对不同的元件、设备和系统还定义了若干个其他的可靠性指标，这些可靠性指标也都是用概率量或统计量来表示的。
　　可靠性指标类别包括有:
　　1.概率指标,如可靠度,可用度等;
　　2.频率指标,定义为元件在单位时间内的平均故障次数(即状态变化次数);
　　3.时间指标,如元件平均持续工作时间。
　　对于电力系统可靠性分析,则常由一些特定的指标来描述,但这些指标的本质都是概率量。

　　研究电力系统可靠性的任务，就是从电力系统各个环节、各个方面研究系统的故障现象，提出定量的评价指标和提高可靠性的措施。其任务大致为以下几个方面：
　　（1）研究与制定单个元件和由元件组成的系统的可靠性指标与统计方法，可靠性指标就是可靠性管理的目标。
　　（2）根据可靠性计算指标，结合被研究对象的具体情况研究和制定可靠性的计算、预测与评价方法。
　　（3）寻找提高被研究对象可靠性的途径和方法。
　　（4）研究可靠性与经济性的协调配合。
　　其中前两项主要是以概率论及数理统计为理论基础,将可靠性问题实现定量分析。
　　关于可靠性与经济性的关系，首先应当明确,提高可靠性是目的,但经济投入则是约束。可靠性与经济性的关系实际是指研究可靠性投资与可靠性效益之间的关系，属于最优可靠性水平的设计问题。实际上,可靠性问题是供需双方共同关心的,对于电力系统，可靠性的价值就是连续供电的价值，而对用户来说，连续供电的价值取决于它们在用电中所能得到的效益。
　　显然，可靠性低往往造成缺电和停电，进而造成经济损失和社会损失。但另一方面若提高可靠性，电力生产部门就要增加投资，而这部分投资是应由用户作为电费的一部分来负担的。因此，电力部门就需要研究投资与提高系统可靠性水平间的关系，以便对不同方案进行经济评价，为电力系统规划设计及技术改造措施提供决策的依据。
　　随着国民经济和社会的现代化发展，人们对电能的依赖越来越大，而停电所造成的社会损失也越大，社会对供电可靠性的要求就越高。但是，提高可靠性水平和进行可靠性管理，就需要增加许多的费用投入，这些费用既包括一次性投资，也包括经常性运行费用，它们都要加到生产成本中去。
　　因此,这就需要我们研究提高可靠性途径及措施。
　　一般来说，提高系统可靠性主要有两个途径：一是提高组成系统各元件的可靠性，二是增加冗余度。元件可靠性涉及加强元件在生产、使用、检修、维护等环节的可靠性管理，以提高元件的质量，或采用高可靠元件。 这里冗余度是表示备用容量的含义，没有备用容量的系统是不会有高可靠性水平的，如发电系统的冗余度表示为系统中安装的发电机容量大于系统负荷，配电系统的冗余度表示为配电线路的传输容量大于用户负荷等等。
　　因此，系统可靠性总是和冗余度联系在一起的。显然，要提高可靠性水平，所需投入的费用就越多，但同时可靠度越高，停电损失越小，经济效益就越明显。为了解决可靠性与经济性之间的这个矛盾，在可靠性工程中则是采用最优协调的原则确定对策。
　　但是，从总的经济效果出发，对可靠性要求并非都是越高越好，而是应从为提高可靠性所付出的代价是否合理，即以总费用最低的原则来确定可靠性水平的目标值。
　　图6-1表示了电力系统的可靠度与费用的关系。图中，曲线C表示可靠性管理费用与可靠度的关系；曲线D表示停电损失费与可靠度的关系。C+D曲线表示系统的总费用与可靠度的关系。
　　这是一条下凹的曲线，有一个经济上的最佳点（总费用最少），它就是系统可靠度追求的目标值。
　　
　　由上图分析,提高可靠性将使停电损失费降低,但另一方面又使投资费用增加。显然,由于经济上的约束,要求系统对用户供电绝对可靠实际上是不可能的。为此在确保系统可靠性处于较合理的范围内,各国对电力系统在设计和运行中都制定了相应的可靠性准则。

四、可靠性评估方法

　　　可靠性评估应遵循一定的工作程序，一般可以分为以下5个步骤进行：即分析过去的系统行为、建立元件的停运模型、形成元件的停运数据库、确定可靠性评估方法、计算可靠性指标和预测系统未来的行为。见图6－2所示。
　　　　　　
　　在可靠性评估过程中，建立可靠性评估方法是非常重要的环节，因为它不仅关系到可靠性评估结果的精确性，而且关系到对系统未来行为预测结果的参考价值。因此，必须给予高度重视。电力系统可靠性评估的基本思路可由三部分组成，即形成停运事故集合、对各停运事故进行可靠性评估和统计得到预先定义的可靠性指标。
　　可靠性评估实际是研究系统失效的统计规律,概括而言,就是状态筛选、状态评估和指标计算。
　　可靠性评估方法一般可以分为解析法和模拟法两类,其中解析法的特点是需要建立较严格的数学模型进行求解,精度相对较高;而模拟法的特点主要是通过随机试验,由得出的概率分布来进行估计,其精度要差些。我们主要介绍解析法。
　　解析法应用比较广泛，大致又可分为三类。
　　第一类是基于逻辑图的网络方法，一般用于由二状态独立元件组成的简单系统的可靠性计算。第二类是故障树分析法和故障模式后果分析法，这类方法在大型电站安全分析和配电系统可靠分析中得到广泛应用。第三类分析方法是状态空间法，它在电源可靠性分析中应用较多，并取得良好效果。