發(fā)電廠電氣主接線可靠性研究與實(shí)踐

1、發(fā)電廠電氣主接線可靠性研究與實(shí)踐     摘要：發(fā)電廠電氣主接線系統(tǒng)的安全性、可靠性電力系統(tǒng)運(yùn)行及維護(hù)的重要內(nèi)容，其可靠性將直接關(guān)系到系統(tǒng)供電任務(wù)的完成情況。隨著國內(nèi)發(fā)電廠機(jī)組容量的不斷升級(jí)，主接線的連接形式也在不斷變化，系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性問題已經(jīng)成為發(fā)電廠遠(yuǎn)行與維護(hù)中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。 關(guān)鍵詞：電廠；電氣主接線；可靠性 安全性、可靠性以經(jīng)濟(jì)型是電力系統(tǒng)運(yùn)行及維護(hù)的基本要求，作為發(fā)電廠以及配電設(shè)備中系統(tǒng)中最為重要的電能樞紐單元，發(fā)電廠電氣主接線的可靠性評(píng)估是電力系統(tǒng)研究的重要課題。作為系統(tǒng)電源，發(fā)電廠的主要任務(wù)是持續(xù)穩(wěn)定地向系統(tǒng)中輸送電能。在這一任務(wù)中，發(fā)電

2、廠的電氣主接線單元主要負(fù)責(zé)集中將發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電能傳輸或分配到輸電系統(tǒng)中，其可靠性將直接關(guān)系到系統(tǒng)供電任務(wù)的完成情況。 現(xiàn)階段，隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的新一輪增長，居民以工業(yè)用電急劇膨脹，對(duì)電力系統(tǒng)的規(guī)模以及可靠性要求也越來越高。發(fā)電廠機(jī)組容量的不斷升級(jí)，使得其主接線的連接形式也在不斷變化，其結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，所聯(lián)接電氣設(shè)備不斷增多，其可靠性問題也日益成為制約現(xiàn)階段系統(tǒng)發(fā)展的重要因素。 一、發(fā)電廠電氣主接線可靠性研究概要 (一)發(fā)電廠電氣主接線故障的常見問題 發(fā)電廠主接線的可靠性研究主要以系統(tǒng)故障為中心，因此，在本研究伊始，需要對(duì)發(fā)電廠主接線系統(tǒng)的常見故障內(nèi)容及其對(duì)系統(tǒng)的影響進(jìn)行介紹。作為發(fā)電廠中聯(lián)系系統(tǒng)與

3、電源間的中間環(huán)節(jié)，主接線系統(tǒng)的運(yùn)行并不獨(dú)立。發(fā)電廠主接線的故障及其對(duì)系統(tǒng)影響主要有以下幾種形式，如圖1所示。不難看出，一旦電廠主接線出現(xiàn)故障，即會(huì)影響到供電系統(tǒng)的連續(xù)性、充裕度以及系統(tǒng)安全。因而，對(duì)發(fā)電廠主接線可靠性的評(píng)估可以圍繞以上三個(gè)指標(biāo)展開。  (二)發(fā)電廠主接線可靠性的關(guān)鍵因素 1、斷路器 在整個(gè)主接線系統(tǒng)中，斷路器屬于操作元件中最為重要的部分，斷路器的操作結(jié)果可以改變電廠主接線的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于斷路器自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，由其操作不當(dāng)或突發(fā)性故障所造成的主接線系統(tǒng)的故障形式多樣。尤其以斷路器引起系統(tǒng)惡性連鎖反應(yīng)事故最為嚴(yán)重，作為主接線系統(tǒng)的關(guān)鍵性操作元件，斷路器的安裝與操作值得引

4、起工作人員的注意。 2、輸電線路和變壓器 輸電線路以及變壓器屬于系統(tǒng)靜態(tài)元件，作為系統(tǒng)的重要連接節(jié)點(diǎn)，由其引起的系統(tǒng)故障大多為擴(kuò)大性故障。由于他們二者的故障所導(dǎo)致的系統(tǒng)狀態(tài)的改變，將引起相鄰斷路器的動(dòng)作，對(duì)系統(tǒng)的修復(fù)必須在其關(guān)聯(lián)斷路器動(dòng)作并切除故障后進(jìn)行。因而，輸電線路及變壓器的狀態(tài)是決定主接線可靠性的關(guān)鍵性因素之一。 (三)電廠主接線可靠性計(jì)算的一般方法和步驟 1、基于故障擴(kuò)散的評(píng)估方法及步驟 基于故障擴(kuò)散的評(píng)估計(jì)算方法利用前向搜索算法確定主接線系統(tǒng)中斷路器動(dòng)作的影響范圍，在運(yùn)用故障擴(kuò)散的方式獲得故障范圍后，確定系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的故障類型。該算法以故障擴(kuò)散算法為基礎(chǔ)，在確定系統(tǒng)故障類型及影響范圍后，

5、獲取系統(tǒng)可靠性指標(biāo)，其評(píng)價(jià)的步驟得到簡化，但計(jì)算量卻偏大。 2、故障模式與后果分析法(FMEA) 故障模式與后果分析的方法是一種傳統(tǒng)的可靠評(píng)估計(jì)算方法，該方法首先會(huì)針對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定各關(guān)鍵元件的各種可能狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上對(duì)各種狀態(tài)組合進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定系統(tǒng)的故障模式集合，并計(jì)算出該狀態(tài)集合的可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)。與其他分析計(jì)算方法相比，故障模式與后果分析方法的原理相對(duì)簡單，結(jié)構(gòu)比較明晰，但由于該方法大量采用了歸納法，因而計(jì)算冗余度將與計(jì)量元件數(shù)目的指數(shù)成正比。 3、頻率和平均持續(xù)時(shí)間法(FD) 頻率和平均持續(xù)時(shí)間法是一種基于Markov過程的方法，其評(píng)價(jià)的步驟包括通過運(yùn)用Markov過程理論將系統(tǒng)自電源

6、到負(fù)荷端口的狀態(tài)空間圖進(jìn)行求解計(jì)算。在計(jì)算中，要將元件故障擴(kuò)大的因素納入考慮范圍，并最終形成系統(tǒng)累積的狀態(tài)空間圖，并以此計(jì)算各部分以及系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。由于在計(jì)算中引入了累計(jì)狀態(tài)的概念，非常有利于建立子系統(tǒng)以及組合系統(tǒng)的計(jì)算模型。 4、最小割集法 最小割集方法是根據(jù)系統(tǒng)故障可能出現(xiàn)的范圍，將計(jì)算所涉及到的系統(tǒng)空間限制在盡可能小的范圍內(nèi)，從而是評(píng)估計(jì)算量得到減少。隨著發(fā)電廠規(guī)模及單機(jī)容量的增長，系統(tǒng)主接線的復(fù)雜性也在不斷上升，最小割集的分析計(jì)算方法尤其值得引起重視。 5、邏輯表格法 邏輯表格法是電氣主接線的定量評(píng)估分析最常用的方法。在詳細(xì)分析主接線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以及可能出現(xiàn)的雙重故障后，將故障發(fā)生的

7、概率參數(shù)整理歸納成表格。在確定系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)后，利用上述表格的結(jié)構(gòu)，計(jì)算得出主接線系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)參數(shù)。目前，由于電廠主接線復(fù)雜性日益提升，考慮到邏輯表格方法的計(jì)算效率，該方法已經(jīng)開始逐步為上述各種方法所取代。    二、發(fā)電廠電氣主接線故障狀態(tài)的矩陣描述 發(fā)電廠電氣主接線系統(tǒng)的故障矩陣描述借助于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特征矩陣方法，通過狀態(tài)矩陣的建立，描述了主接線系統(tǒng)中各部分關(guān)聯(lián)關(guān)系，確定故障狀態(tài)的構(gòu)成及其影響，以及系統(tǒng)元件或結(jié)構(gòu)性故障發(fā)生時(shí)，準(zhǔn)確描述主接線系統(tǒng)故障狀態(tài)的演變。      (一)元件鄰接矩陣 元件鄰接矩陣A依

8、據(jù)主接線系統(tǒng)中各元件的相互鏈接關(guān)系而構(gòu)建，能夠描述主接線系統(tǒng)中部件之間的組合狀況以及網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其矩陣的表達(dá)式如式1所述，各元件的鄰接矩陣元素用(0.1)代碼分別表示關(guān)聯(lián)元件的運(yùn)行或停運(yùn)狀態(tài)。在該矩陣中，Xi未示元件的編號(hào)，aij的值分別取1或0，代表元件i與j的相互連接處于聯(lián)通狀態(tài)或斷開狀態(tài)。 (二)替代元件矩陣(N) 發(fā)電廠的主接線系統(tǒng)中，當(dāng)元件發(fā)生故障時(shí)或檢修時(shí)，需要通過開關(guān)相應(yīng)的設(shè)備來隔離故障并替代部分障礙元件的功能，替代元件矩陣就是用來確定其替代元件的方法。式2即為替代原矩陣的一般形式，其中m與n分別表示系統(tǒng)中常開元件數(shù)與常開元件外的元件數(shù)，Xi與NOi分別作為系統(tǒng)的運(yùn)行元件與常

9、開元件。 (三)結(jié)構(gòu)矩陣(G) 當(dāng)系統(tǒng)為確定發(fā)電廠主接線的所有電力傳輸通道及其受電廠主接線元件狀態(tài)的影響情況時(shí)，需要建立結(jié)構(gòu)矩陣來進(jìn)行判斷。如式3所示，Xi與Li分別代表由元件構(gòu)成的行向量以及電力通道列向量，n與1分別代表系統(tǒng)元件數(shù)量以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中電力通道的數(shù)量，gij為描述元件與該通道關(guān)系的矩陣元素。 (四)受累停運(yùn)矩陣(D) 受累停運(yùn)矩陣主要用于描述系統(tǒng)中的元件故障的影響，確定系統(tǒng)中受故障影響的范圍。一般情況下，當(dāng)系統(tǒng)元件出現(xiàn)故障時(shí)，與其相關(guān)聯(lián)的斷路器動(dòng)作，并將故障部分隔離。但是，當(dāng)離故障點(diǎn)最近的斷路器拒動(dòng)或發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)故障將進(jìn)一步在系統(tǒng)中蔓延，即故障的擴(kuò)散。受累停矩陣的作用即在于此，

10、他能夠過對(duì)元件受累停運(yùn)狀態(tài)的描述，迅速確立元件擴(kuò)大型故障對(duì)主接線系統(tǒng)的影響及其范圍。如式4所示，i、j分別為主接線系統(tǒng)中的故障元件與受累元件，dij為停運(yùn)因子。 三、發(fā)電廠電氣主接線可靠性分析的算法和實(shí)現(xiàn) 發(fā)電廠主接線可靠性的分析算法實(shí)現(xiàn)建立于電廠電氣主接線可靠性分析以及系統(tǒng)元件狀態(tài)空間的最小割集分析方法之上。在對(duì)發(fā)電廠主接線系統(tǒng)進(jìn)行可靠性分析計(jì)算時(shí)，首先需要了解系統(tǒng)元件的運(yùn)行狀態(tài)，并對(duì)電廠主接線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。依據(jù)上文中所列舉的受累停運(yùn)矩陣，結(jié)合主接線網(wǎng)絡(luò)最小路集，確認(rèn)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)。其對(duì)電廠的主接線網(wǎng)絡(luò)造成影響的最小路集的故障影響矩陣。在此基礎(chǔ)上，在獲得確定的主接線系統(tǒng)可靠性指標(biāo)后，可得到元件個(gè)狀態(tài)的概率值。一般系統(tǒng)可靠性的指標(biāo)依照上文所述的供電連續(xù)性、運(yùn)行安全性以及供電充裕性三個(gè)方面要求來選取。 四、結(jié)束語 作為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，發(fā)電廠電氣主接線的可靠性分析是維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行