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1、一种特高压直流输电可靠性分析的新方法王超(浙江电力调度通信中心, 浙江省杭州市 310007摘要:本文首次将一种全新的可靠性分析方法GO法引入到特高压直流输电系统可靠性分析当中。研究表明,基于状态概率公式推导的方法可以对系统进行较为准确的定量分析,但当系统中包含有共有信号时分析将变得十分复杂,具体表现为解析表达式的推导十分困难。针对该问题,文章探讨了一种新的定量计算方法,该方法基于状态组合方法展开,结合所开发的GO程序,可十分方便快捷地对系统进行精确的定量与定性分析。基于故障树法对同一系统的分析结果验证了GO法在特高压直流输电系统可靠性分析中的可用性与正确性。最后,通过对两种方法特点的比较,阐
2、明了GO法的特点和优势。期望本文工作能为推动GO法在电力系统领域的应用做出贡献。关键词:特高压直流输电;可靠性;GO法;故障树法0 引言特高压直流输电系统(UHVDC-Ultra High V oltage Direct Current transmission system是世界上电压等级最高的直流输电系统,具有远距离、大容量、低损耗等优势,1回800kV直流工程的输送能力是500kV直流线路的2倍以上,是500kV交流线路的5倍以上1,其可靠性对交直流系统安全运行起着至关重要的作用,因此,对UHVDC的可靠性研究成为当前的热点问题。当前直流系统可靠性分析采用的方法主要有Markov状态空间
3、法2、故障树法3,等等。从核物理领域引入一种新的可靠性分析方法GO法(GO Methodology4,并探讨该方法在特高压直流输电系统可靠性分析中的应用。GO法在60年代中期由美国Kaman科学公司提出,用来分析武器和导弹系统的安全性和可靠性5。80年代后期,日本学者在此基础上发展了GO-FLOW方法,用于处理系统共因失效分析、系统故障概率的不确定性分析和系统动态可靠性分析等复杂可靠性问题,并开发了相应的通用软件,成为核物理工业概率风险分析的一种强有力的工具6, 7。因技术较为复杂和保密等原因,GO法的普及和应用受到一定的限制。近年来随着GO法的功能和算法不断地发展和完善,GO法在应用中表现出
4、很多优于其他方法的特点,因而也越来越受到人们的重视。目前GO法在电力系统中的应用尚不多见,本文将对该方法在特高压直流系统可靠性评估中的应用做初步探讨,并通过分析说明GO法自身的一些特点和优势。期望通过本文的工作能起到抛砖引玉的作用,推动GO法在电力系统领域的应用。1 GO法的基本概念与原理GO法是一种以成功为导向的系统概率分析技术,其基本思想是把系统图或工程图直接翻译成GO图。GO图中用操作符代表具体的部件(或逻辑关系,用信号流连接操作符,代表具体的物流(或逻辑上的进程。GO法系统可靠性分析的具体流程如图1所示4。GO法的核心步骤是建立GO图和进行GO 运算,而GO图和GO运算的两大要素就是操
5、作符和信号流。系统中的元部件或子系统统称为单元,GO法中用操作符代表单元功能和单元输入、输出信号之间的逻辑关系。信号流表示系统单元的输入和输出以及单元之间的关联,信号流连接GO操作符生成GO图。信号流的属性是状态值和状态概率。操作符的属性有类型、数据和运算规则,类型(Type是操作符的主要属性,反映操作符所代表的单元功能和特征。GO法共定义了17种标准操作符,各操作符的概念及运算规则可 图1 GO法分析过程参见文献4。2 UHVDC系统工作原理及建模特高压直流输电系统与常规直流输电系统相比,其单极部分含有2个串联的12脉动换流器,但特高压系统的运行方式灵活,一个换流器停运不会导致同极中的另一个
6、换流器停运,因此这2个换流器在可靠性模型中相当于并联的关系。以系统可用率作为特高压直流输电系统可靠性的评价指标。图2所示为一个典型的每极2个阀组时的UHVDC模型框图8。图2中每一个框图代表一个子系统,下标R 2建立图2GO图过程如下:以两状态单元(类型1操作符代表阀组、单极设备、单极线路、双极设备、双极线路部分、受端母线;不考虑交流系统故障的影响,但送端母线存在故障的可能性,GO模型中用单信号发生器(类型5操作符来模拟;以类型2操作符代表两极之间、以及两极中阀组之间的逻辑关系,建立UHVDC系统GO图如图3所示。给定各单元的可靠性参数,就可以计算出整个系统的可靠性指标。实际工程中一般给出元件
7、故障率和故障修复时间两个参数,据此可以计算出其他指标,如元件可用率等。本文直接对各子系统的可用率进行了假设,各操作符的类型、代表的单元名称以及可用率按操作符编号列于表1所示。表1特高压直流输电系统操作符数据操作符编号 类型 单元名称 可用率1 5 送端母线 0.9992 1 双极线路部分 0.9923, 23 1 双极设备 0.9984-7, 16-19 1 阀组 0.9808,9,20,21,22 2 或门 10,11,14,15 1 单极设备 0.99012, 13 1 单极线路 0.99524 1 受端母线 0.999 图3特高压直流输电系统GO图3 UHVDC系统可靠性的定量分析3.1
8、 基于概率公式推导的直接算法采用概率公式算法9,沿信号流方向,由操作符概率计算公式直接定量计算系统可用率。设SiP表示编号为i的信号流的成功概率,CiP表示编号为i的操作符的成功概率,采用概率公式算法,可得系统各信号流成功概率的计算表达式如下:输入操作符:11S CP P=(1信号流2:221S C SP P P=(2信号流3:1323SCCSPPPP=(3信号流4:14324SCCCSPPPPP=(4信号流5:15325SCCCSPPPPP=(5信号流6:16326SCCCSPPPPP=(6信号流7:17327SCCCSPPPPP=(7或门8的输出:845452222345123451(S
9、S S S S C C C C S C C C C S P P P P P P P P P P P P P P P =+=+(8 或门9的输出:867672222367123671(S S S S S C C C C S C C C C S P P P P P P P P P P P P P P P =+=+(9 信号流14: 14141214121082310121467122223671012141(S C S C C C S C C C C C C C S C C C C C C C S P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P =+(1
10、0信号流15: 15151315131192311131567122223671113151(S C S C S C S C C C C C C C S C C C C C C C S P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P P =+(11信号流16:21616141121S C S S S P P P a P a P = (12 其中,1231012141667(C C C C C C C C a P P P P P P P P =+222236*C C C C C C C C a P P P P P P P P = 信号流17:2171714
11、3141S C S S S P P P a P a P = (13其中,3231012141767(C C C C C C C C a P P P P P P P P =+ 224236*C C C C C C C C a P P P P P P P P = 信号流18:21615151818S S S C S P a P a P P P = (14其中,(7618151311325C C C C C C C C P P P P P P P P a +=181513117623226C C C C C C C C P P P P P P P P a =信号流19:21919157181S C
12、S S S P P P a P a P = (15 其中,8231113151967(C C C C C C C C a P P P P P P P P =+229236*C C C C C C C C a P P P P P P P P = 或门20的输出:201617161723411213141S S S S S P P P P P b P b P b P b P =+=+ (16其中,113b a a =+, 22413b a a a a =+31423b a a a a =+,424b a a = 或门21的输出:211819181923451617181S S S S S P P
13、P P P b P b P b P b P =+=+ (17其中,557b a a =+,66857b a a a a =+75867b a a a a =+,868b a a = 或门22的输出:22202120212315116251417263515182736451628374617638471481(S S S S S S S S S S S S P P P P P b b P b b b b P b b b b b b P b b b b b b b b P b b b b b b P b b b b P b b P =+=+ (18信号流24:242423242322215232
14、41316252324141726352324151827364523241628374623241738472324184823241(S C S C C S C C S C C S C C S C C S C C S C C S C C S P P P P P P b b P P P b b b b P P P b b b b b b P P P b b b b b b b b P P P b b b b b b P P P b b b b P P P b b P P P =+ (19 式(19即为系统可用率的表达式,将表1中各子系统的可靠性数据代入该式得系统可用率:998 0.99617=S P (20 实际上,式(19并非系统可用率的精确表达式。信号发生器1所发出的信号1S P 经过操作符3后连接到了多个操作符,这种输入信号被定义为“共有信号”4。共有信号同时作为多个操作符的输入信号,各操作符的输出信号状态概率,由操作符自身的状态概率和这些共有信号的状态概率按状态概率公式计算。式(2-式(19各信号流的表达式中,都或多或少地包含有共有信号1S P 。包含同一共有信号的信号流不是完全独立的,在概率公式算法进行定量计算时必须进行修
