CN101557106B - 特高压直流输电***可靠性计算方法 - Google Patents
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Abstract
一种特高压直流输电***可靠性计算方法，涉及双12脉接线的高压直流输电***可靠性计算方法。本发明是利用计算机，通过程序，采用状态枚举法，先分别计算双12脉接线单侧换流变压器子***和单侧交波滤波器子***可靠性指标，再计算整个直流输电***的可靠性指标。本发明具有模型通用性好，便于推广应用，计算准确性高，计算速度快等特点。本发明可广泛用于双12脉接线的高压直流输电***可靠性计算，特别适用于特高压直流输电***的可靠性计算。
Description
技术领域
本发明属于直流输电***可靠性计算方法技术领域，具体涉及双12脉接线的高压直流输电***可靠性计算方法。
背景技术
电力***的根本任务是尽可能经济而可靠地将电能供给用户，安全、经济、优质、可靠是对电力***的根本要求。但是，在现代化电力***的功能日臻完善的过程中，***的结构日益复杂，***所包含的元件数量越来越多，自动化程度也越来越高，而且***不断向超高压、远距离和大容量方向发展，由于***元件出现的随机故障而引起的***功能的部分甚至全部丧失，给现代社会的正常生产和生活带来的经济和社会损失越来越巨大。电力***可靠性研究正是因此而从电力***规划、设计和运行等实践活动中提出的一项具有巨大经济价值和重大社会意义的前沿性课题。经过60多年的不断努力，电力***可靠性研究有了巨大发展。目前在一些发达国家，电力***可靠性研究无论在数据统计和***指标计算等方面都有了较为成熟的方法，可靠性评估正逐步成为电力***规划决策中的常规性工作。
目前高压直流输电***一般采用双极(正、负极)双桥(即换流桥)12脉接线，其可靠性计算方法主要有：故障树法(FTA法)、频率持续时间法(FD法)、故障树法和频率持续时间法相混合的方法等。
故障树分析法是一种使用图形演绎逻辑推理方法，用图说明***的失效原因，把***的故障与组成***的部件的故障有机地联系在一起，可以找出***全部可能的失效状态，也就是故障树的全部最小割集，或者称它们是***的故障谱。如2005年6月第25卷第6期《电力***自动化》中的“直流***可靠性故障树评估模型及应用”一文，公开的是根据双极直流***的结构和特性，采用故障树分析法，将直流***故障后果分为单极停运、双极停运，然后分别做出故障树图，采用故障树定量分析方法计算出***单极停运、双极停运对应的概率和频率指标。在分析复杂***时，由于逻辑关系复杂，故障树分析法的计算量较大，离不开计算机化和软件化。特别是双12脉接线特高压直流***传输容量大、元件多、结构复杂且运算条件复杂，将使故障树分析法的计算量变得十分巨大，更不能考虑***各种状态间的随机转移，计算结果必然会带来误差。
FD法基于建立整个直流输电***及各子***的状态空间图并获得相应的等效模型，通过组合各等效模型而建立整个高压直流输电***的状态空间图。在建立状态空间图及对各子***等效模型进行组合的过程中，可以考虑实际高压直流输电***各种复杂的技术条件。如2008年5月第36卷第9期《继电器》中的“高压直流输电***单双12脉接线可靠性对比分析”一文中，公开的是基于Markov原理，将直流输电***划分为若干子***，全面地考虑它们相互之间的关系，建立各子***的状态空间图和等效容量模型，并加以层层组合，最终建立起能表征整个直流输电***的状态空间图，基于FD法计算直流***可靠性指标。而对特高压直流输电***而言，其本身较为复杂，状态空间维数较多，虽然可以通过建立各子***及整个***的等效模型来降低维数，但状态空间图的绘制仍然较为繁琐并且很容易出错，需要专业人员建立，不便推广应用。
对单侧交流滤波器子***可靠性计算而言，FD法和故障树法是把单侧所有交流滤波器简单等效为三状态元件：即100％运行(两极完全运行)、50％运行(单极运行)、0％运行(双极同时故障)，没有考虑无功容量表和交流滤波器断路器的影响。对单侧换流变压器子***可靠性计算而言，计算方法采用FD法，由于***状态繁多，状态空间图极为复杂，当考虑双12脉接线特高压直流输***，加之备用元件和换流变压器接线方式的影响，无法准确做出相应的状态空间图，即采用FD法无法计算特高压直流输电***单侧换流变压器子***可靠性。
发明内容
本发明的目的是，针对现有高压直流输电***可靠性计算方法的不足，提供一种特高压直流输电***的可靠性计算方法，本方法更为通用，不仅能够计算单12脉接线超高压直流输电***可靠性，还能计算双12脉接线特高压直流输电***可靠性；能够考虑无功容量表对交流滤波器子***可靠性的影响；能够考虑换流变压器子***不同备用方式和接线方式对***可靠性的影响等特点。
实现本发明目的技术方案是：一种特高压直流输电***可靠性计算方法，利用计算机，通过计算程序，采用状态枚举法，先分别计算双12脉接线单侧换流变压器子***和单侧交流滤波器子***的可靠性指标，然后计算整个直流输电***的可靠性指标，具体方法步骤如下：
(1)、双12脉接线特高压直流输电***单侧换流变压器子***可靠性计算
由于换流变压器子***是单侧整体备用，按12脉波换流阀分组接线，在计算其可靠性时，以换流站为单位进行整体状态枚举，然后判断备用投入情况，合并所有枚举状态得到换流变压器子***可靠性计算结果。
1)输入双12脉接线高压直流输电***中单侧换流变压器子***各元件可靠性参数，包括换流变压器的故障率λ、修复时间(8760/μ，μ为修复率)和安装时间γ(安装率为8760/γ)；断路器的故障率λ、修复时间(8760/μ，μ为修复率)和隔离时间，这些可靠性参数都是通过工程实际统计得到；
2)枚举单侧换流变压器故障事件
第(1)——1)步完成后，对单侧换流变压器子***各元件，进行枚举故障事件，对换流变压器的故障事件枚举到四阶事件(即故障元件数为四)，整流侧和逆变侧分别枚举，并得到该枚举故障事件的枚障元件集。
3)从故障元件集中找出故障可替换元件集
第(1)——2)完成后，比较故障元件集与备用元件集中元件的型号和连接方式，当备用元件的型号和连接方式与故障元件一致时，则此故障元件为可替换元件。从而寻找出所有可替换的元件，形成故障可替换元件集。
4)形成可替换元件集的备用启用优先排序
第(1)——3)完成后，首先考虑各阀组对应的换流变压器需要替换的变压器台数。将1)——3)步形成的故障可替换元件集中的各变压器，进行备用启用优先排序。先按元件的个数排序：当阀组对应的换流变压器中，包含的可替换元件个数越少，则该变压器的备用启用的优先级越高；当阀组对应的换流变压器中，包括的可替换元件的个数相等时，则该变压器的备用启用优先级等同。对备用启用优先级等同的变压器，再按其容量的大小排序：当变压器组及其对应的阀组的容量越大时，其备用启用的优先级越高，当变压器组及其对应的阀组容量相等时，其备用启用优先级等同。对备用启用优先级等同的变压器，再进一步按其等效故障修复时间排序：当变压器的故障修复时间越长，则该变压器的备用启用优先级越高；当变压器的故障修复时间相等时，其备用启用优先级等同，则这些变压器可随机启用，从而形成可替换故障元件集的变压器备用启用的优先排序。
5)按备用启用优先排序的顺序进行变压器替换
第(1)——4)完成后，对第(1)——2)步枚举故障事件，按第1)——4)形成的变压器的备用启用优先排序的顺序进行换流变压器的替换，并进行故障元件的可用率和不可用率计算。在进行故障元件的可用率和不可用率计算时，按备用启用优先排序的顺序，故障元件的修复时间用备用安装时间来替换。
6)计算枚举故障事件的概率、频率及对应的***容量
第(1)——5)完成后，先按下式计算枚举故障事件的概率：
式中：Ai和Ui分别是第i个元件可用率和不可用率，Nf和N-Nf分别是状态s中失效和未失效的元件数量。
枚举故障事件的频率为：
式中，λk是第k个元件从状态s离开的转移率。当第k个元件在工作，则λk是故障率；当第k个元件处于停运且无备用，则λk是修复率，当第k个元件处于停运但是有备用投入，则λk是备用安装率。枚举故障事件对应的容量状态由换流变压器故障引起的停运容量来确定。
7)第(1)——6)步完成后，然后判断枚举故障事件是否完成：当完成时，则输出计算结果；否则返回第(1)——1)步再进行故障事件枚举，最后进行单侧换流变压器子***的可靠性指标计算：子***处于某容量状态的概率为此容量状态对应的所有枚举故障事件失效概率之和，子***处于某容量状态的频率为此容量状态对应的所有枚举事件失效频率之和。
(2)、双12脉接线特高压直流输电***单侧交流滤波器子***可靠性计算
1)分别输入双12脉接线特高压直流输电***中，单侧交流滤波器子***的A、B、C、D型(其中：A型交流滤波器是指11/13次双调谐交流滤波器，B型交流滤波器是指3/24/36次三调谐交流滤波器，C型和D型交流滤波器是指高通交流滤波器)交流滤波器的统计故障率λ和修复时间(8760/μ，μ为修复率)；母线的故障率λ和修复时间(8760/μ，μ为修复率)；断路器的障率λ、修复时间(8760/μ，μ为修复率)和隔离时间γ′；
2)枚举单侧交流滤波器故障事件
第(2)——1)步完成后，对单侧交流滤波器子***的元件，进行枚举故障事件，故障事件枚举到五阶(即故障元件数为五)；
3)确定枚举故障事件对应的容量状态
第(2)——2)完成后，确定单侧交流滤波器子***枚举故障事件对应的容量状态：
①单个枚举故障事件容量状态的确定
由于容量状态只与滤波器的类型和数量有关，同时母线的故障后果都可以由交流滤波器的故障后果等效，根据滤波器的类型和数量确定***的容量状态。具体方法如下：
在枚举过程中，某一单个枚举故障事件对应A、B、C、D型交流滤波器个数分别为Na、Nb、Nc和Nd搜索交流滤波器无功容量表，找出所有满足Na≥Nak、Nb≥Nbk、Nc≥Nck、Nd≥Ndk的容量状态集合φ，其中Nak、Nbk、Nck、Ndk分别为容量状态k对应的A、B、C、D型交流滤波器个数，则容量状态集合φ中最大的容量状态为单个枚举故障事件对应的容量状态。
②交流滤波器断路器隔离过程与修复过程的等效
对断路器故障的隔离过程和修复过程分开计算，其隔离过程的故障后果与其所连接的母线相同，其修复后果与其所联的滤波器相同(交流主母线所连断路器故障后果与其所连交流滤波器母线相同)，则分别将断路器的隔离过程与修复过程等效。
③断路器隔离过程的等效及其故障后果的确定
图3给出了某直流输电***单侧交流滤波器配置图，图中A、B、C三种型号交流滤波器先通过断路器和母线连接成组，然后通过组断路器与交流主母线相连，图中共有三组交流滤波器，各组配置分别为1A1B1C，1A2B1C和1A1B2C。在断路器隔离过程中，主母线与交流滤波器小母线的断路器，交流滤波器小母线与母线是串联的关系，可将其用串联等效公式合并。那么***中只存在大母线、小母线、滤波器三种类型的元件。
在进行单侧交流滤波器子***多阶故障枚举时，只存在两种情况，一是元件的故障影响容量相加，一是元件故障后果容量“取大”(取大包括到相等中的任一个)。只有两种情况下对其进行取大处理，一是小母线与同其下连接的滤波器故障，一是状态中存在大母线故障。
在处理多阶故障状态时，先进行同一母线下的取大处理，然后将各容量相加，可得多阶故障状态的后果。
4)计算枚举故障事件的概率、频率
第(2)——3)步完成后，先按第(1)步中的式(1)和式(2)，计算枚举故障事件概率和频率，再累加相同容量状态的枚举故障事件的概率，即为子***的累计失效概率，累加相同容量状态枚举故障事件的频率，即为子***的累计失效频率，然后进行故障枚举事件的完成判断：当完成时，则输出计算结果；否则返回第(2)——1)，再进行枚举故障事件。
(3)、双12脉接线特高压直流输电***可靠性计算
双12脉接线直流输电***可靠性计算流程图如图2所示，现结合图2详细阐述双12脉接线直流输电***的可靠性计算步骤：
1)输入***原始数据和***拓扑关系
输入双12脉接线特高压直流输电***中，交流滤波器、换流变压器、母线、断路器、平波电抗器、阀组、站控、极控、辅助电源、直流输电线路的统计故障率、修复时间和安装时间；
2)计算各子***的多状态停运容量表
第(3)——1)步完成后，计算各子***的多状态停运容量表：
根据特高压直流换流站的典型结构，其子***包括换流变压器子***、控制保护子***、阀组***、交流滤波器子***、交流场、直流场、直流输电线路和辅助设备。分别计算各子***可靠性，得到各子***的等效多容量状态模型；
A.计算每个单侧单极换流单元组合的停运容量表(单侧单极单个12脉波换流阀对应的换流变压器、换流阀和换流变压器断路器)
首先，根据第(1)步中的方法，结合状态枚举法得到单侧单极单个换流单元对应的换流变压器组可靠性，然后计算单侧单极单个换流单元对应的断路器可靠性，最后合并换流变压器组、断路器和阀可靠性计算结果得到单侧单极换流单元(换流阀)可靠性。
B.两侧交流滤波器子***的可靠性计算
根据第(2)步中的计算方法，得到计及无功容量表的单侧交流滤波器可靠性。
3)计算双12脉接线特高压直流输电***的可靠性
第(3)——2)步完成后，先根据特高压直流输电***逻辑结构和运行方式，可以得到双12脉接线特高压直流输电***的可靠性模型方框图，如附图1所示，按照附图1基于状态枚举法串并联组合各子***可靠性即可得到***可靠性指标。基于状态枚举法组合子***可靠性模型时，***单个枚举故障事件对应的容量状态由整流侧交流滤波器容量、正极元件和负极元件容量之和、逆变侧交流滤波器容量取小得到。最后，输出双12脉接线特高压直流输电***的可靠性计算结果。
本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：
①克服现有FD法和故障树的不足，不仅能够计算单12脉接线超高压直流输电***可靠性，还能计算双12脉接线特高压直流输电***可靠性，并且模型通用性较好，便于推广应用；
②能够考虑无功容量表对交流滤波器子***可靠性的影响，更为接近高压直流输电工程实际运行情况，计算结果准确性高；
③能够考虑换流变压器子***不同备用方式和接线方式对***可靠性的影响，不需要任何状态空间图的组合，由于基于状态枚举法，计算速度较快。
本发明广泛应用于双12脉接线的高压直流输电***可靠性计算中，特别用于特高压直流输电***中。
附图说明
图1为双12脉接线特高压直流输电***可靠性模型框图
图2为双12脉接线直流输电***可靠性计算流程图
图3为某直流输电***整流侧交流滤波器配置
图4为云广特高压直流输电***接线图
图中，1.母线，2.整流侧和逆变侧双极元件，包括单侧换流站控制(站控)、交流场和交流滤波器子***，3.单侧单极单个换流单元，它是单侧单极单个12脉波阀组对应的换流变压器、换流阀和断路器的组合，4.单极元件，包括单侧单极直流滤波器、平波电抗器、辅助电源和直流输电线路，5.A型交流滤波器，6.B型交流滤波器，7.C型交流滤波器，8.断路器。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步说明本发明。
实施例
某特高压直流输电***可靠性计算方法的具体步骤如下：
(1)、双12脉接线特高压直流输电***单侧换流变压器子***可靠性计算
由于换流变压器子***是单侧整体备用，按12脉波换流阀分组接线，在计算其可靠性时，以换流站为单位进行整体状态枚举，然后判断备用投入情况，合并所有枚举状态得到换流变压器子***可靠性计算结果。
1)输入双12脉接线高压直流输电***中单侧换流变压器子***可靠性参数：换流变压器的故障率λ＝0.0072次/年、修复时间为2243.0小时、安装时间为40小时；断路器的故障率λ＝0.0028次/年、修复时间为48小时、隔离时间γ′＝1小时；
2)枚举单侧换流变压器故障事件
第(1)——1)步完成后，对单侧换流变压器子***各元件，进行枚举故障事件，对换流变压器的故障事件枚举到四阶事件(即故障元件数为四)，整流侧和逆变侧分别枚举，并得到该枚举故障事件的枚障元件集。
3)从故障元件集中找出故障可替换元件集
第(1)——2)完成后，比较故障元件集与备用元件集中元件的型号和连接方式，当备用元件的型号和连接方式与故障元件一致时，则此故障元件为可替换元件。从而寻找出所有可替换的元件，形成故障可替换元件集。
4)形成可替换元件集的备用启用优先排序
第(1)——3)完成后，首先考虑各阀组对应的换流变压器需要替换的变压器台数。将1)——3)步形成的故障可替换元件集中的各变压器，进行备用启用优先排序。先按元件的个数排序：当阀组对应的换流变压器中，包含的可替换元件个数越少，则该变压器的备用启用的优先级越高；当阀组对应的换流变压器中，包括的可替换元件的个数相等时，则该变压器的备用启用优先级等同。对备用启用优先级等同的变压器，再按其容量的大小排序：当变压器组及其对应的阀组的容量越大时，其备用启用的优先级越高，当变压器组及其对应的阀组容量相等时，其备用启用优先级等同。对备用启用优先级等同的变压器，再进一步按其等效故障修复时间排序：当变压器的故障修复时间越长，则该变压器的备用启用优先级越高；当变压器的故障修复时间相等时，其备用启用优先级等同，则这些变压器可随机启用，从而形成可替换故障元件集的变压器备用启用的优先排序。
对双12脉接线特高压直流输电***举例，假设整流侧有4个换流阀组，分别标记为阀1，阀2，阀3，阀4，阀1-4的容量(标么值)分别为1.0，1.0，1.0，0.5，每个阀组连接3台换流变压器，且其都是单相三绕组，采用Y/Y/Δ方式接线，阀1连接的3台换流变分别标记为换流变1、2、3，依此类推；又假设发生四阶故障，阀1故障换流变1、2，阀2故障换流变4，阀3故障换流变9，阀4故障0台，则形成初始序列{2，1，1，0}；假设整流侧备用换流变共有2台，单相三绕组，Y/Y/Δ方式接线；假设换流变1、2的修复时间为2500小时，换流变4的修复时间为2400小时，换流变9的修复时间为2550小时，则形成备用启用优先排序的步骤如下：①比较元件个数优先级，由初始序列{2，1，1，0}可知，备用启用阀2和阀3优先级较阀1高；②比较阀2和阀3的故障换流变，可知都是可替换元件，比较其容量优先级，都是1.0，故其容量优先级等同；④比较阀2和阀3的故障换流变的修复时间优先级，由假设可知，换流变9的修复时间较换流变4要大，故阀3故障换流变启用备用换流变的优先级较阀2高。由上分析可知，最后形成的备用启用优先排序为{3、2、1、0}，即阀3优先级最高，阀2次之，阀1最低，0表示无需启用备用。
5)按备用启用优先排序的顺序进行变压器替换
第(1)——4)完成后，对第(1)——2)步枚举故障事件，按第1)——4)形成的变压器的备用启用优先排序的顺序进行换流变压器的替换，并进行故障元件的可用率和不可用率计算。在进行故障元件的可用率和不可用率计算时，按备用启用优先排序的顺序，故障元件的修复时间用备用安装时间来替换。
6)计算枚举故障事件的概率、频率及对应的***容量
第(1)——5)完成后，由式(1)和(2)计算枚举故障事件的概率、频率及***对应的容量状态。其中，枚举故障事件对应的容量状态由换流变压器故障引起的停运容量来确定。
7)第(1)——6)完成后，然后判断枚举故障事件是否完成：当完成时，则输出计算结果；否则返回第(1)——1)步再进行故障事件枚举，最后进行单侧换流变压器子***的可靠性指标计算：子***处于某容量状态的概率为此容量状态对应的所有枚举故障事件失效概率之和，子***处于某容量状态的频率为此容量状态对应的所有枚举事件失效频率之和。
(2)、双12脉接线特高压直流输电***单侧交流滤波器子***可靠性计算
1)输入双12脉接线特高压直流输电***中，单侧交流滤波器子***各元件可靠性参数：单侧A、B、C、D型交流滤波器的统计故障率λ分别为0.9272次/年、0.7877次/年、1.2177次/年、1.2177次/年，修复时间分别为10.4小时、10.5小时、10.4小时、10.4小时；断路器的故障率为0.0028次/年、修复时间为48小时、隔离时间为1小时；母线故障率λ＝0.0123次/年，修复时间为10.20小时；
2)枚举单个故障事件
第(2)——1)步完成后，对单侧交流滤波器子***的元件，进行枚举故障事件，故障事件枚举到五阶(即故障元件数为五)；
3)第(2)——2)完成后，确定单个枚举故障事件对应的容量状态
第(2)——2)完成后，确定单侧交流滤波器子***枚举故障事件对应的容量状态：
某直流输电***的无功容量表如下表所示，设某次枚举故障事件对应各型号交流滤波器个数分别为“1A，2B，0C，0D”，下面以此枚举故障事件为例介绍单个枚举故障事件容量状态的确定方法：
在枚举过程中某一单个枚举故障事件对应A、B、C、D型交流滤波器个数分别为1、2、0和0，搜索交流滤波器无功容量表，找出所有满足1≥Nak、2≥Nbk、0≥Nck、0≥Ndk的容量状态集合A＝{0.60，0.75}，则容量状态集合A中最大的容量状态0.75即为单个枚举故障事件对应的容量状态。
a)交流滤波器断路器隔离过程与修复过程的等效
对断路器故障的隔离过程和修复过程分开计算，其隔离过程的故障后果与其所连接的母线相同，其修复后果与其所联的滤波器相同(交流主母线所连断路器故障后果与其所连交流滤波器母线相同)，则分别将断路器的隔离过程与修复过程等效。
假设两个元件的故障率和修复率是分别为λ1、λ2和μ1、μ2，串联等效元件的故障率和修复时间分别为λse和μse，则串联等效网络的计算公式为
λse＝λ1+λ2 (3)
b)断路器隔离过程的等效及其故障后果的确定
在断路器隔离过程中，主母线与交流滤波器小母线的断路器，交流滤波器小母线与母线是串联的关系，可将其用串联等效公式合并。那么***中只存在大母线、小母线、滤波器三种类型的元件。
在进行多阶故障枚举时，只存在两种情况，一是元件的故障影响容量相加，一是元件故障后果容量“取大”(取大包括到相等中的任一个)。
只有两种情况下对其进行取大处理，一是小母线与同其下连接的滤波器故障，一是状态中存在大母线故障。
在处理多阶故障状态时，先进行同一母线下的取大处理，然后将各容量相加，可得多阶故障状态的后果。
在断路器修复过程，交流滤波器和与其连接的交流滤波器断路器、交流滤波器小母线和与其相连的交流滤波器断路器是串联的关系。同理，可将它们分别进行串联等效。那么***中只存在大母线、小母线、滤波器三种类型的元件。可同上处理。分开计算断路器故障的隔离过程与修复过程的概率和频率，会重复计算不包含断路器故障的状态。须减去不包含断路器故障的状态的概率与频率。
4)计算枚举故障事件的概率、频率
第(2)——3)步完成后，先按第(1)步中的式(1)和式(2)，计算枚举故障事件概率和频率，再累加相同容量状态的枚举故障事件的概率，即为子***的累计失效概率，累加相同容量状态枚举故障事件的频率，即为子***的累计失效频率，然后进行故障枚举事件的完成判断：当完成时，则输出计算结果；否则返回第(2)——1)，再进行枚举故障事件。
(3)、双12脉接线特高压直流输电***可靠性计算
1)输入***原始数据和***拓扑关系
输入数据包括直流输电***各元件的故障率、修复时间和安装时间，直流输电***主要包括交流滤波器、换流变压器、母线、断路器、平波电抗器、阀组、站控、极控、辅助电源和直流输电线路，它们的可靠性参数详见下表：
| 设备名称 | 故障率(次/年) | 修复时间(小时) |
| 换流变压器 | 0.0072 | 2243.0 |
| A型交流滤波器 | 0.9272 | 10.4 |
| B型交流滤波器 | 0.7877 | 10.5 |
| C型交流滤波器 | 1.2177 | 10.4 |
| D型交流滤波器 | 1.2177 | 10.4 |
| 12脉波换流单元 | 0.2235 | 5.038 |
| 平波电抗器 | 0.0008 | 5110 |
| 直流滤波器 | 0.2185 | 6.087 |
| 直流输电线路 | 0.2/100km | 45 |
| 接地极线开关 | 0.0053 | 10.20 |
| 极控 | 0.0774 | 2.962 |
| 站控 | 0.0001 | 1.500 |
| 辅助电源 | 2.63E-07 | 12.00 |
| 母线 | 0.0123 | 10.20 |
| 断路器 | 0.0028 | 48(隔离时间1小时) |
2)计算各子***的多状态停运容量表
第(3)——1)步完成后，计算各子***的多状态停运容量表：
根据特高压直流换流站的典型结构，其子***包括换流变压器子***、控制保护子***、阀组***、交流滤波器子***、交流场、直流场、直流输电线路和辅助设备。分别计算各子***可靠性，得到各子***的等效多容量状态模型；
A.计算每个单侧单极换流单元组合的停运容量表(即单侧单极单个12脉波换流阀对应的换流变压器、换流阀和换流变压器断路器)：
首先，根据第(1)步中的方法，结合状态枚举法得到单侧单极单个换流单元对应的换流变压器组可靠性，然后计算单侧单极单个换流单元对应的断路器可靠性计算，最后合并换流变压器组、断路器和阀可靠性计算结果得到单侧单极换流单元(换流阀)可靠性。
B.两侧交流滤波器子***的可靠性计算；
根据第(2)步中的计算方法，得到计及无功容量表的单侧交流滤波器可靠性，当中考虑母线和断路器的影响。
3)计算双12脉接线特高压直流输电***的可靠性
第(3)-2)步完成后，先根据特高压直流输电***逻辑结构和运行方式，可以得到双12脉接线特高压直流输电***的可靠性模型方框图，如附图1所示，按照附图1基于状态枚举法串并联组合各子***可靠性即可得到***可靠性指标。基于状态枚举法组合子***可靠性模型时，***单个枚举故障事件对应的容量状态由整流侧交流滤波器容量、正极元件和负极元件容量之和、逆变侧交流滤波器容量取小得到。最后，输出双12脉接线特高压直流输电***的可靠性计算结果。
实验结果
把本发明应用到云广特高压直流输电***可靠性计算的算例拓扑如图4所示。换流变压器采用单相双绕组接线，单侧高压端Y/Y和Y/Δ接线换流变压器各对应一台备用；平波电抗器采用单侧高压端、中性线处整体备用，备用数为1；单侧单极直流滤波器1冗余；各元件可靠性参数详见SIEMENS研究报告“Availability and reliability Study Report(Guizhou-Guangdong±500kV DC transmissiong project)”。
云广特高压直流输电***基本可靠性指标计算结果如下表所示：
| 名称 | 指标(没有加入阀组旁路开关) | 指标(加入阀组旁路开关) |
| 强迫能量不可用率 | 0.030912 | 0.018514 |
| 单极强迫停运率(次/年) | 21.924574 | 13.853310 |
| 双极停运强迫停运率(次/年) | 0.689506 | 0.139365 |
云广特高压直流输电***各容量状态及其对应的概率和频率指标计算结果如下表所示：
| 容量状态 | 概率 | 频率 |
| 0.000000 | 0.000068 | 0.139365 |
| 0.150000 | 0.000001 | 0.000986 |
| 0.250000 | 0.000299 | 0.384678 |
| 0.300000 | 0.000000 | 0.000029 |
| 0.350000 | 0.000000 | 0.000010 |
| 0.400000 | 0.000000 | 0.000208 |
| 0.450000 | 0.000000 | 0.000422 |
| 0.500000 | 0.012285 | 14.019246 |
| 0.550000 | 0.000089 | 0.083535 |
| 0.600000 | 0.000001 | 0.002191 |
| 0.650000 | 0.000000 | 0.000000 |
| 0.700000 | 0.000030 | 0.025930 |
| 0.750000 | 0.048063 | 8.065239 |
| 0.800000 | 0.000000 | 0.000003 |
| 0.850000 | 0.000014 | 0.024030 |
| 0.900000 | 0.000115 | 0.132342 |
| 1.000000 | 0.939035 | 62.457390 |
云广特高压直流输电***两侧交流滤波子***各容量状态及其对应的概率和频率指标如下表所示：
| 整流侧交流滤波器容量状态 | 概率 | 频率 |
| 0.00 | 0.000015590189 | 0.023916862062 |
| 0.15 | 0.000000001378 | 0.000002586971 |
| 0.30 | 0.000000005994 | 0.000015156332 |
| 0.35 | 0.000000003859 | 0.000009657422 |
| 0.45 | 0.000000226110 | 0.000410213594 |
| 0.50 | 0.000000263732 | 0.000470683243 |
| 0.60 | 0.000000440288 | 0.000803402706 |
| 0.65 | 0.000000000000 | 0.000000000000 |
| 0.70 | 0.000000000002 | 0.000000005905 |
| 0.80 | 0.000000001424 | 0.000003649895 |
| 0.85 | 0.000014870403 | 0.025081986733 |
| 0.90 | 0.000122921007 | 0.136742581422 |
| 1.00 | 0.999845675614 | 32.581989041540 |
| 逆变侧交流滤波器容量状态 | 概率 | 频率 |
| 0.00 | 0.000015590191 | 0.023886822897 |
| 0.15 | 0.000000559432 | 0.000943776185 |
| 0.30 | 0.000000005075 | 0.000012687547 |
| 0.40 | 0.000000082168 | 0.000202626115 |
| 0.55 | 0.000090378317 | 0.079487709271 |
| 0.60 | 0.000000777268 | 0.001354526170 |
| 0.70 | 0.000030110508 | 0.024557367294 |
| 0.80 | 0.000000000000 | 0.000000000000 |
| 0.85 | 0.000000000000 | 0.000000000000 |
| 1.00 | 0.999862497040 | 14.979656499669 |
云广特高压直流输电***两侧换流变压器子***整体容量状态及其对应的概率和频率指标计算结果如下表所示：
| 整流侧换流变压器整体容量状态 | 概率 | 频率 |
| 0.00 | 0.000000000761 | 0.000000041921 |
| 0.25 | 0.000000397700 | 0.000019774665 |
| 0.50 | 0.000170711789 | 0.004465554119 |
| 0.75 | 0.024424730805 | 1.590525668622 |
| 1.00 | 0.975404158946 | 1.595011039327 |
| 逆变侧换流变压器整体容量状态 | 概率 | 频率 |
| 0.00 | 0.000000000761 | 0.000000041921 |
| 0.25 | 0.000000398480 | 0.000019786413 |
| 0.50 | 0.000170853933 | 0.004467144444 |
| 0.75 | 0.024431138778 | 1.590572254913 |
| 1.00 | 0.975397608048 | 1.595059227692 |
从上述结果可知，运用本方法评估直流输电***可靠性时，可以在评估过程中考虑换流变压器备用和无功容量表的影响，更为接近工程实际；不需要建立任何状态空间图和故障树图，算法接口简单，便于工程人员学习实用，并且通用性较好，可以有效地处理超高压、特高直流输电***可靠性。
Claims (1)
1.一种特高压直流输电***可靠性计算方法，利用计算机，通过程序进行计算，其特性在于具体的方法步骤如下：
(1)、双12脉接线特高压直流输电***单侧换流变压器子***可靠性计算
1)输入双12脉接线特高压直流输电***中单侧换流变压器子***各元件的统计可靠性参数，包括换流变压器的故障率λ、修复时间8760/μ和安装时间γ，断路器的故障率λ、修复时间8760/μ和隔离时间；
2)枚举单侧换流变压器故障事件
第(1)——1)步完成后，对单侧换流变压器子***各元件，进行枚举故障事件，对换流变压器的故障事件枚举到四阶事件，即故障元件数为四，整流侧和逆变侧分别枚举，并得到该枚举故障事件的故障元件集；
3)从故障元件集中找出故障可替换元件集
第(1)——2)步完成后，比较故障元件集与备用元件集中元件的型号和连接方式，当备用元件的型号和连接方式与故障元件一致时，则此故障元件为可替换元件，从而寻找出所有可替换的元件，形成故障可替换元件集；
4)形成可替换元件集的备用启用优先排序
第(1)——3)步完成后，首先考虑各阀组对应的换流变压器需要替换的变压器台数，将1)——3)步形成的故障可替换元件集中的各变压器，进行备用启用优先排序，先按元件的个数排序：当阀组对应的换流变压器中，包含的可替换元件个数越少，则该变压器的备用启用的优先级越高；当阀组对应的换流变压器中，包括的可替换元件的个数相等时，则该变压器的备用启用优先级等同，对备用启用优先级等同的变压器，再按其容量的大小排序：当变压器组及其对应的阀组的容量越大时，其备用启用的优先级越高，当变压器组及其对应的阀组容量相等时，其备用启用优先级等同，对备用启用优先级等同的变压器，再进一步按其等效故障修复时间排序：当变压器的故障修复时间越长，则该变压器的备用启用优先级越高；当变压器的故障修复时间相等时，其备用启用优先级等同，则这些变压器可随机启用，从而形成可替换故障元件集的变压器备用启用的优先排序；
5)按备用启用优先排序的顺序进行变压器替换
第(1)——4)步完成后，对第(1)——2)步枚举故障事件，按第(1)——4)步形成的变压器的备用启用优先排序的顺序进行换流变压器的替换，并进行故障元件的可用率和不可用率计算，在进行故障元件的可用率和不可用率计算时，按备用启用优先排序的顺序，故障元件的修复时间用备用安装时间来替换；
6)计算枚举故障事件的概率、频率及对应的***容量
第(1)——5)步完成后，先按下式计算枚举故障事件的概率：
式中：Ai和Ui分别是第i个元件可用率和不可用率，Nf和N-Nf分别是状态s中失效和未失效的元件数量，枚举故障事件的频率为：
式中，λk是第k个元件从状态s离开的转移率，当第k个元件在工作，则λk是故障率；
当第k个元件处于停运且无备用，则λk是修复率，当第k个元件处于停运但是有备用投入，则λk是备用安装率，枚举故障事件对应的容量状态由换流变压器故障引起的停运容量来确定；
7)第(1)——6)步完成后，然后判断枚举故障事件是否完成：当完成时，则输出计算结果；否则返回第(1)——1)步再进行故障事件枚举，最后进行单侧换流变压器子***的可靠性指标计算：子***处于某容量状态的概率为此容量状态对应的所有枚举故障事件失效概率之和，子***处于某容量状态的频率为此容量状态对应的所有枚举事件失效频率之和；
(2)、双12脉接线特高压直流输电***单侧交流滤波器子***可靠性计算
1)分别输入双12脉接线特高压直流输电***中，单侧交流滤波器子***的A型11/13次双调谐交流滤波器，B型3/24/36次三调谐交流滤波器，C型和D高通交流滤波器的统计故障率λ和修复时间8760/μ，母线的故障率λ和修复时间8760/μ，断路器的障率λ、修复时间8760/μ和隔离时间γ′；
2)枚举单侧交流滤波器故障事件
第(2)——1)步完成后，对单侧交流滤波器子***的元件，进行枚举故障事件，故障事件枚举到五阶，即故障元件数为五；
3)确定枚举故障事件对应的容量状态
第(2)——2)步完成后，确定单侧交流滤波器子***枚举故障事件对应的容量状态：①单个枚举故障事件容量状态的确定
在枚举过程中，某一单个枚举故障事件对应A、B、C、D型交流滤波器个数分别为Na、Nb、Nc和Nd搜索交流滤波器无功容量表，找出所有满足Na≥Nak、Nb≥Nbk、Nc≥Nck、Nd≥Ndk的容量状态集合φ，其中Nak、Nbk、Nck、Ndk分别为容量状态k对应的A、B、C、D型交流滤波器个数，则容量状态集合φ中最大的容量状态为单个枚举故障事件对应的容量状态；
②交流滤波器断路器隔离过程与修复过程的等效
对断路器故障的隔离过程和修复过程分开计算，其隔离过程的故障后果与其所连接的母线相同，其修复后果与其所连接的滤波器相同，即交流主母线所连断路器故障后果与其所连交流滤波器母线相同，则分别将断路器的隔离过程与修复过程等效；
③断路器隔离过程的等效及其故障后果的确定
在进行单侧交流滤波器子***多阶故障枚举时，只存在两种情况，一是元件的故障影响容量相加，一是元件故障后果容量“取大”，取大包括到相等中的任一个，只有两种情况下对其进行取大处理，一是小母线与同其下连接的滤波器故障，一是状态中存在大母线故障，在处理多阶故障状态时，先进行同一母线下的取大处理，然后将各容量相加，可得多阶故障状态的后果；
4)计算枚举故障事件的概率、频率
第(2)——3)步完成后，先按第(1)步中的式(1)和式(2)，计算枚举故障事件概率和频率，再累加相同容量状态的枚举故障事件的概率，即为子***的累计失效概率，累加相同容量状态枚举故障事件的频率，即为子***的累计失效频率，然后进行故障枚举事件的完成判断：当完成时，则输出计算结果；否则返回第(2)——1)步，再进行枚举故障事件；
(3)、双12脉接线特高压直流输电***可靠性计算
1)输入***原始数据和***拓扑关系
输入双12脉接线特高压直流输电***中：交流滤波器、换流变压器、母线、断路器、平波电抗器、阀组、站控、极控、辅助电源、直流输电线路的统计故障率、修复时间和安装时间；
2)计算各子***的多状态停运容量表
第(3)——1)步完成后，计算各子***的多状态停运容量表：
根据特高压直流换流站的典型结构，其子***包括换流变压器子***、控制保护子***、阀组***、交流滤波器子***、交流场、直流场、直流输电线路和辅助设备，分别计算各子***可靠性，得到各子***的等效多容量状态模型；
A.计算每个单侧单极换流单元组合的停运容量表，即单侧单极单个12脉波换流阀对应的换流变压器、换流阀和换流变压器断路器：
首先，根据第(1)步中的方法，结合状态枚举法得到单侧单极单个换流单元对应的换流变压器组可靠性，然后计算单侧单极单个换流单元对应的断路器可靠性，最后合并换流变压器组、断路器和阀可靠性计算结果得到单侧单极换流单元可靠性；
B.两侧交流滤波器子***的可靠性计算
根据第(2)步中的计算方法，得到计算无功容量表的单侧交流滤波器可靠性；
3)计算双12脉接线特高压直流输电***的可靠性
第(3)——2)步完成后，先根据特高压直流输电***逻辑结构和运行方式，得到双12脉接线特高压直流输电***的可靠性模型方框图，按照此框图基于状态枚举法串并联组合各子***可靠性即可得到***可靠性指标，基于状态枚举法组合子***可靠性模型时，***单个枚举故障事件对应的容量状态由整流侧交流滤波器容量、正极元件和负极元件容量之和、逆变侧交流滤波器容量取小得到，最后，输出双12脉接线特高压直流输电***的可靠性计算结果。
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