張 涌，李 瓊，錢志紅，李志遠(yuǎn)，劉維功，時(shí)振堂

(1.中國(guó)石化能源管理與環(huán)境保護(hù)部，北京 100728 2.中國(guó)石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116041 3.中國(guó)石化生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理部，北京 100728)

可靠性是指元件、設(shè)備、系統(tǒng)等在規(guī)定的條件下和預(yù)定的時(shí)間內(nèi)，完成其規(guī)定功能的概率。電力系統(tǒng)可靠性包括兩方面的內(nèi)容：即充裕度和安全性。前者表征了電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)性能，后者是指電力系統(tǒng)在事故狀態(tài)下的安全性和避免連鎖反應(yīng)而不會(huì)引起失控和大面積停電的能力，表征了電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。電力系統(tǒng)可靠性技術(shù)用于電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、優(yōu)化等環(huán)節(jié)，通過可靠性評(píng)估，計(jì)算目標(biāo)電網(wǎng)的可靠性程度，發(fā)現(xiàn)薄弱之處，采取強(qiáng)化措施。另外，企業(yè)可參考可靠性評(píng)估結(jié)果，選擇電力網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)配置方案。

1 電力系統(tǒng)可靠性研究現(xiàn)狀

英國(guó)是首個(gè)研究電力可靠性的國(guó)家，1882年制定了第一個(gè)電氣設(shè)備安全條例——Code of Safe Electrical Installation Practice。美國(guó)的相關(guān)研究工作開始于上世紀(jì)60年代，經(jīng)過20年的調(diào)研及研究，1980年制定了配電系統(tǒng)可靠性的行業(yè)推薦標(biāo)準(zhǔn)——IEEEstd-493-1980,Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems。標(biāo)準(zhǔn)涉及工業(yè)和商業(yè)配電可靠性相關(guān)信息如可靠性概念、數(shù)據(jù)、評(píng)估基礎(chǔ)、分析舉例以及對(duì)現(xiàn)運(yùn)行系統(tǒng)評(píng)估及改善措施等。

目前，世界各國(guó)已建立了完善的電力系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)體系。Morar D等人在文獻(xiàn)[1]中主要釆用解析法分析了變電站設(shè)備升級(jí)或更換時(shí)對(duì)電力系統(tǒng)的影響，Arifujjaman M等在文獻(xiàn)[2]中考慮了新能源發(fā)電的介入對(duì)原電網(wǎng)穩(wěn)定性的影響，為了提高可靠性，制定了配網(wǎng)改善方案。

國(guó)內(nèi)對(duì)電力可靠性的研究始于上世紀(jì)六七十年代，隨著技術(shù)發(fā)展與人民生活與生產(chǎn)需求擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)日益壯大，結(jié)構(gòu)越發(fā)復(fù)雜，用電種類復(fù)雜現(xiàn)象愈加顯現(xiàn)，公用電網(wǎng)不斷加大對(duì)電源點(diǎn)的建設(shè)以及主干網(wǎng)輸電可靠性的重視程度，不斷深入研究可靠性計(jì)算方法，利用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，計(jì)算可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)，用以指導(dǎo)電網(wǎng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、優(yōu)化以及運(yùn)行等各個(gè)環(huán)節(jié)。

石化工業(yè)生產(chǎn)流程復(fù)雜，連續(xù)性強(qiáng)，每一環(huán)節(jié)都離不開電力驅(qū)動(dòng)，對(duì)電能質(zhì)量要求高。然而近年來，石化行業(yè)發(fā)生了多起大面積停電事故，損失巨大。據(jù)美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，2009年至2013年美國(guó)煉化企業(yè)發(fā)生大面積停電事故470起/年，大型煉化企業(yè)經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)6.8萬美元/天[3]。這充分說明了電力可靠性對(duì)煉化企業(yè)的生產(chǎn)至關(guān)重要。

目前多數(shù)可靠性分析技術(shù)的研究主要針對(duì)公用電網(wǎng)，煉化企業(yè)電網(wǎng)可靠性評(píng)價(jià)的研究較少。

2 煉化企業(yè)電網(wǎng)與公用電網(wǎng)可靠性評(píng)估比較

2.1 煉化企業(yè)電力可靠性評(píng)估現(xiàn)狀

煉化企業(yè)可靠性評(píng)估內(nèi)容和評(píng)價(jià)手段主要依靠靜態(tài)和暫態(tài)兩方面的安全分析，具體如圖1所示[4]。張軍梁在文獻(xiàn)[5]中對(duì)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行方式作出可靠性評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)基于故障樹理論，提及了全壽命周期成本(LCC)設(shè)備管理的概念[6,7]，這是一種考慮可靠性及壽命管理概念的經(jīng)濟(jì)學(xué)管理方法，此方法還有待完善。褚曉平從電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、設(shè)備運(yùn)行狀況、故障分析以及電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定等方面分析了廣石化電網(wǎng)的可靠性，并以此為基礎(chǔ)提出優(yōu)化方案[8]。張磊在文獻(xiàn)[9]中使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)及熵權(quán)-層次分析法對(duì)克拉瑪依石化公司電網(wǎng)進(jìn)行可靠性分析，開發(fā)了MATLAB與煉化企業(yè)電力系統(tǒng)安全節(jié)能優(yōu)化平臺(tái)的接口程序，提出改善措施，并參與制定了《煉化企業(yè)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》。

目前，煉化企業(yè)可靠性評(píng)價(jià)多數(shù)依靠電力仿真技術(shù)，以靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能作為電網(wǎng)可靠性評(píng)價(jià)依據(jù)，是煉化企業(yè)電網(wǎng)可靠性主要評(píng)價(jià)手段。

2.2 公用電網(wǎng)可靠性

國(guó)內(nèi)對(duì)供電可靠性管理的研究工作已持續(xù)幾十年，公用電網(wǎng)主要依靠分類別、長(zhǎng)周期、多地區(qū)的故障統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，集中處理后運(yùn)用于可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的概率計(jì)算，由于地區(qū)差異、設(shè)備差異以及各種不確定因素，這種概率只能是期望值，不能直接確定指定時(shí)間內(nèi)故障發(fā)生真實(shí)次數(shù)。公用電網(wǎng)對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的研究及考核主要集中于發(fā)電和輸配側(cè)，這是由其運(yùn)營(yíng)范圍決定的，因此在計(jì)算和考評(píng)過程中常常忽略電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)企業(yè)用戶的影響，從而對(duì)可靠性的定義范圍和分析方法與煉化企業(yè)有所不同。

圖1 煉化企業(yè)電力系統(tǒng)可靠性研究?jī)?nèi)容

公用電網(wǎng)的可靠性管理工作開展已久，相關(guān)單位及高校對(duì)可靠性的分析方法進(jìn)行了較為深入且多樣化的研究。國(guó)內(nèi)研究以傳統(tǒng)的蒙特卡洛法、故障樹法等作為基礎(chǔ)，引入現(xiàn)代科學(xué)理論，發(fā)展了多種新型計(jì)算方法，適用于不同電網(wǎng)，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[10]、模糊數(shù)學(xué)法[11-13]等。

2.3 煉化企業(yè)與公用電網(wǎng)可靠性評(píng)價(jià)比較

煉化企業(yè)可靠性評(píng)估內(nèi)容與公用電網(wǎng)的不同在于煉化企業(yè)作為電力用戶，更加關(guān)注供電的可靠性和連續(xù)性，瞬時(shí)的電壓波動(dòng)和頻率波動(dòng)，都可能造成生產(chǎn)流程的中斷事故，危及人身安全及財(cái)產(chǎn)損失，甚至次生嚴(yán)重的安全環(huán)保事故，帶來嚴(yán)重的負(fù)面社會(huì)影響、政治影響及環(huán)境影響。因此，煉化企業(yè)電力可靠性的評(píng)價(jià)技術(shù)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與公用電網(wǎng)有所區(qū)別。

煉化企業(yè)電力系統(tǒng)通常是一個(gè)完整的區(qū)域電力系統(tǒng)。自備熱電站具有一定的電源能力，但調(diào)節(jié)能力較差，需要聯(lián)絡(luò)公用電網(wǎng)，作為補(bǔ)充和備用電源；電力網(wǎng)物理尺寸小，功率密度高，電壓等級(jí)較多，往往包含了從220 kV至400 V的3～6個(gè)電壓等級(jí)；生產(chǎn)負(fù)荷多數(shù)為感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，對(duì)電能質(zhì)量要求較高。由于電力系統(tǒng)是一個(gè)整體，任何一臺(tái)設(shè)備故障都會(huì)影響其他設(shè)備，因此煉化企業(yè)在進(jìn)行電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估時(shí)，通常要考慮電力負(fù)荷的可靠性。通過對(duì)源、網(wǎng)、荷所有元件的靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，分析考核指標(biāo)，從而評(píng)價(jià)系統(tǒng)的可靠性，提出優(yōu)化方案和改進(jìn)措施。

總的來說，當(dāng)前煉化企業(yè)電力可靠性發(fā)展方向應(yīng)是：研究科學(xué)合理的可靠性評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)，系統(tǒng)地建立電力可靠性評(píng)價(jià)管理體系，將可靠性分析和考核貫穿于電力系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行、優(yōu)化等環(huán)節(jié)，制定可靠性評(píng)價(jià)規(guī)程，指導(dǎo)企業(yè)完成可靠性管理工作，達(dá)到電力系統(tǒng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目標(biāo)。

3 計(jì)算方法

電力系統(tǒng)可靠性取決于電力設(shè)備及其接線方式，因此電力系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)過程中應(yīng)理清供電路徑，通常將電力系統(tǒng)分為3種類型：串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)及復(fù)雜系統(tǒng)[14]。

3.1 串聯(lián)系統(tǒng)

串聯(lián)系統(tǒng)是指供電路徑中，所有原件接線形式均為串聯(lián)結(jié)構(gòu)。此類系統(tǒng)可靠度Rs為所有元件可靠度的乘積，如式(1)所示。系統(tǒng)的故障率為所有元件故障率的乘積，如式(2)所示。

RS=R1·R2·…RN

(1)

λS=λ1·λ2·…λN

(2)

此類系統(tǒng)接線簡(jiǎn)單，但是，單個(gè)原件故障將導(dǎo)致整條路徑斷電。如上述公式所示，由于可靠度小于1，所以系統(tǒng)的可靠度將小于系統(tǒng)中故障率最大的元件，相比于并聯(lián)系統(tǒng)可靠性較差。

3.2 并聯(lián)系統(tǒng)

并聯(lián)系統(tǒng)是指系統(tǒng)內(nèi)部元件均為并聯(lián)接線。此類系統(tǒng)的可靠度Rs計(jì)算時(shí)先計(jì)算不可靠度Fs，如式(3)、(4)所示，系統(tǒng)故障率為所有元件故障率之和，如式(4)所示。

FS=F1·F2·…FN=
(1-R1)·(1-R2)·…(1-RN)

(3)

RS=1-FS=1-(1-R1)·(1-R2)·…(1-RN)

(4)

由式(4)所示，并聯(lián)系統(tǒng)的可靠度比可靠度最高的元件還要高。系統(tǒng)內(nèi)某元件故障或檢修時(shí)，可由與其并聯(lián)的元件代替運(yùn)行，保證為負(fù)荷持續(xù)供電。

3.3 復(fù)雜系統(tǒng)

實(shí)際情況中，電力系統(tǒng)復(fù)雜，不僅有串聯(lián)結(jié)構(gòu)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)，還會(huì)包括環(huán)形結(jié)構(gòu)等復(fù)雜情況。此類系統(tǒng)不能簡(jiǎn)單套用串并聯(lián)系統(tǒng)可靠性計(jì)算方法，目前主要計(jì)算方法包括兩類：解析法和模擬法。其中解析法又包括故障樹法、狀態(tài)空間枚舉法等。故障樹法首先判斷故障發(fā)生原因，然后順著每個(gè)原因?qū)ふ易畛跽T因，最后通過邏輯框圖形式表示系統(tǒng)故障狀態(tài)。本文采用狀態(tài)空間枚舉法對(duì)指定系統(tǒng)進(jìn)行分析。

3.4 狀態(tài)枚舉法[15]

狀態(tài)空間枚舉法利用元件正常和故障兩種狀態(tài)，組合成系統(tǒng)的非正常狀態(tài)，每種正常狀態(tài)的概率相加即為系統(tǒng)的可靠度，非正常狀態(tài)概率相加即為系統(tǒng)的不可靠度。

4 算例

圖2為某供電系統(tǒng)主網(wǎng)結(jié)構(gòu)，若負(fù)荷1和負(fù)荷2同時(shí)斷電，則判斷為系統(tǒng)停運(yùn)。首先判斷系統(tǒng)有17個(gè)電力元件(除負(fù)荷)，如表1所示。

圖2 電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

用a和b分別表示元件正常狀態(tài)和非正常狀態(tài)，則系統(tǒng)狀態(tài)包括217=131 072個(gè)。

列出二項(xiàng)式如式(5)所示：

(a+b)17=a17+17a16b+136a15b2+680a14b3

+……+136a2b15+17ab16+b17

(5)

表1 元件列表

由公式(5)可知，0階和17階狀態(tài)數(shù)為1，1階和14階狀態(tài)數(shù)為17，2階和15階故障狀態(tài)數(shù)為136，以此類推，共計(jì)131 072個(gè)狀態(tài)。用1和0分別表示元件的運(yùn)行和故障，列出所有狀態(tài)的元件組合，根據(jù)元件組合情況將狀態(tài)分成運(yùn)行狀態(tài)和停運(yùn)狀態(tài)兩類階數(shù)為0的狀態(tài)沒有導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)，定義為運(yùn)行狀態(tài)，階數(shù)為1的狀態(tài)有4種情況導(dǎo)致系統(tǒng)停運(yùn)，分別為發(fā)電機(jī)停運(yùn)(10000000 000000000)、110-I母線停運(yùn)(01000000000000 000)、母線6-I和6-II停運(yùn)。

每階事故狀態(tài)的概率為：

P=RN-iFi

(6)

式中：N——元件個(gè)數(shù)；

i——事故元件數(shù)；

R——可靠度；

F——不可靠度。

以1階狀態(tài)為例，故障率為:

P1=4R16F

(7)

依次計(jì)算每階狀態(tài)故障率，將所有狀態(tài)的故障率相加即為系統(tǒng)的不可靠度F，則系統(tǒng)的可靠度為R=1-F。

將此系統(tǒng)分層計(jì)算，元件可靠性數(shù)據(jù)如表2所示。分別求得35 kV母線、6 kV母線的供電可靠度，如表3所示。

表2 元件可靠性數(shù)據(jù)

表3 可靠度計(jì)算結(jié)果

由表2可知，電壓等級(jí)越高的設(shè)備供電可靠性越高。另外，煉化企業(yè)用電負(fù)荷多數(shù)為旋轉(zhuǎn)電機(jī)，應(yīng)采取雙機(jī)備用的工作方式提高可靠性，保證生產(chǎn)裝置的持續(xù)供電。

圖2為單電源系統(tǒng)，在110 kV電壓等級(jí)處增加一路電源，如圖3所示，計(jì)算35 kV母線、6 kV母線的供電可靠度，如表4所示。

對(duì)比表3和表4結(jié)果，雙電源電網(wǎng)供電可靠性高于單電源電網(wǎng)，對(duì)于可靠性要求較高的煉化企業(yè)，應(yīng)采用兩個(gè)或以上來自不同區(qū)域的供電電源，以提高供電可靠性。

圖3 兩電源電網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意

計(jì)算位置可靠率停電時(shí)間h/a35-I0.99988530.5035-I’0.99988530.506-I0.99965583.02

5 結(jié)論

本文通過應(yīng)用實(shí)例說明了可靠性計(jì)算方法在煉化企業(yè)電網(wǎng)中的應(yīng)用。實(shí)例計(jì)算結(jié)果表明：提高企業(yè)電網(wǎng)接入電壓等級(jí)有助于加強(qiáng)電網(wǎng)的可靠性，減少故障發(fā)生概率。建議煉化企業(yè)采用雙回路以上供電電源，低壓設(shè)備采用雙機(jī)備用的工作方式來提高機(jī)泵和裝置的可靠性。

目前對(duì)于煉化企業(yè)電力系統(tǒng)可靠性的研究較少，尤其是缺乏大量的可靠性數(shù)據(jù)和可靠性計(jì)算方法的驗(yàn)證，建議進(jìn)一步完善并逐步建立科學(xué)系統(tǒng)的煉化企業(yè)電力系統(tǒng)可靠性評(píng)價(jià)體系。

[1] Morar D, Guzun B D, Rodean I. Operational reliability in transmission power grid[C]. International Conference and Exhibition on Electricity Distribution. IET, 2012:1-4.

[2] Arifujjaman M, Iqbal M T, Quaicoe J E. Reliability analysis of grid connected small wind turbine power electronics[J]. Applied Energy, 2009, 86(9):1617-1623.

[3] U.S.A. Refinery Power Outage Mitigations[M]. Houston: Hydrocarbon Publishing Company, 2014.

[4] 胡海燕,劉全楨,劉寶全,等.基于BPA的石油化工電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估[J].石化電氣,2013,32(23):34-36,67.

[5] 張軍梁.大型煉化企業(yè)供電系統(tǒng)可靠性研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006.

[6] 馬駿,韓天祥.地下變電站設(shè)備招投標(biāo)LCC方法探索[J].上海電力,2006(5):525-527.

[7] 滕樂天,李力,韓天祥.以LCC理念進(jìn)行可靠性管理的探討與實(shí)踐[J].上海電力,2005(1):65-67.

[8] 褚曉平.廣石化電力系統(tǒng)安全可靠性分析及設(shè)計(jì)[D].廣州:華南理工大學(xué)，2010.

[9] 張磊. 煉化電力系統(tǒng)供電可靠性評(píng)估[D].北京:華北電力大學(xué), 2014.

[10] Pearl J. Fusion, propagation and structuring in belief networks[J]. Artificial Intelligence, 1986, 29(3):241-288.

[11] 張焰.電網(wǎng)規(guī)劃中的模糊可靠性評(píng)估方法[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2000,20(11): 77-80.

[12] 楊鳴,陳星鶯.用蒙特卡羅法評(píng)估配電系統(tǒng)模糊可靠性[J].江蘇電機(jī)工程,2006, 25(3): 30-32.

[13] 朱何榮.基于故障快速遍歷的配電系統(tǒng)可靠性模糊評(píng)估[D].天津大學(xué),2009.

[14] 景國(guó)勛, 施式亮, 程衛(wèi)民，等. 系統(tǒng)安全評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)[M]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社, 2009.

[15] 張?jiān)茣? 地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[D]. 杭州：浙江大學(xué), 2011.