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电力系统状态空间方程的优化降阶研究

时间:2017-11-20 20:21来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是电气工程论文,本研究以提高火力发电厂电气部分的可靠性为目标,采用多学科交叉、模型分析与算法设计相结合的研究方法,通过基础理论分析、数学规划模型、实验仿真。
1 绪论
 
1.1 选题背景和研究意义
安全、经济、可靠是电力系统的基本要求,电气设备及其主接线是发电厂、变电站的重要组成部分,担负着发电、输电和配电传输功能。因此,对电气设备及主接线进行可靠性评估,一直是电力系统研究的主要问题。在我国目前已投产的火力发电厂中,电气部分主要由发电机组、励磁系统、厂用电系统、直流系统、交流不间断电源系统、保安电源系统组成,对该系统的电气设备的可靠性进行分析,首先需要确定系统内的各相关元件可靠性参数,比如对于火力发电厂厂用电系统,厂用变压器、其下各段高低压母线以及连接各母线的断路器的可靠性参数。接下来在了解组成系统的各个元件参数的基础上,根据系统的具体接线情况,选择对研究适用的可靠性评估准则,而后进行计算,对火力发电厂电气系统的故障及故障修复能力进行测量。火力发电厂的主要任务是生产、输出电能,满足社会用电需求。发电厂电气设备及其主接线路是联系发电厂和用户的纽带。因此,发电厂电气设备及其主接线路的可靠性不仅直接关系着电力系统供电任务能否顺利完成,还影响着整个社会用电网络的安全稳定,对社会生活、生产构成重大影响。大型火电厂电气设备及主接线线路一旦发生事故,设备的局部性故障可能转移到其他相邻原本正常工作的功率单元,并且随着故障的严重性增加,电力单元力之间的扩展的可能性也随之增加,甚至可能导致发电机不同步,严重的振荡频率以及电压的不稳定,造成大面积停电,甚至造成电网和电厂崩溃,变电站停电。给生产、生活带来重大影响,甚至严重时产生连锁反应,造成大面积断电,导致直接和间接的经济损失。由于大型火力发电厂电气部分的安全生产对人们的生产生活影响巨大,由此也凸显了对火电厂电气设备及主接线线路可靠性评估的重要。我们有针对地对火电厂电气系统进行评估,有利于保障火电厂内各电气元件在安全合理的生产环境下使用。即便在有突发情况产生时,也可根据各个设备的可靠性参数,缩小搜索范围,快速锁定故障元件,及时采取有针对性的应对措施,做到有的放矢,将可能产生的系统性故障扼杀在萌芽中。
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1.2 国内外研究现状
电力系统是一个发、变、配电多种设备构成的一个电力生产、输送系统。其设备构成极为复杂,既有包括电力生产发电主要设备,也有众多存储、变压、传输及管理的辅助设备。因此,关于电力系统可靠性的研究历来为各国学者和实践界所重视。最早使用的可靠性评估方法是根据实际应用,采用一般的串联系统和并联系统进行评估。就实际的评估效果而言,这种方法由于没有经过系统化验证,存在很多缺陷,并不能满足电力系统可靠性评估的需要。上世纪 60 年代,电力系统可靠性评估方法进一步得到了发展,美国学者霍夫曼卡建立了基于停运率和停运持续时间为评价指标的近似方程,电力系统可靠性评估的有效性大大提高。随着时代的进步与发展,可靠性评估在人们生产生活领域得到了广泛的应用,为人们的生活带来了天翻地覆的变化,产生了巨大的经济效益,并形成了一门独立的学科,其重要性愈加凸显。时至今日,可靠性评估技术已被广泛用于电力生产及传输领域,包括电力系统的设计规划、电力元件的制造安装、电力网络的施工布局以及后期的电力网络投产维护管理等各个电力生产制造环节。。
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2 可靠性理论及其在电力系统管理中的应用
 
2.1 可靠性的基本概念
可靠性是指元件或元件组成的系统在特定的时间内以及相应的约束条件下发挥自身的功能,以达到某种目的的能力。在确定规定的时间,规定条件和功能即可测量产品的可靠性。下面结合与可靠性相关的指标对可靠性进行多角度介绍。不是关于时间的函数,是元件出厂时即具有的属性,属于元件的技术性能指标。对元件质量的检测可以直接通过相关仪器测得。而可靠性不同,它与时间密切相关,是衡量在特定时间内对自身功能保持效果的参数,需要用统计的方法得出,而无法直接通过仪器直接测得。于是我们常把可靠性称为元件投运后的质量。因此,产品的可靠性指标,不仅与产品的制造水平有关,产品的工作环境、维护水平也影响产品的可靠性,而且,随着使用时间的增加,产品的可靠性也逐步降低。目前,对产品可靠性进行分析评定的方法一般有两种:一是进行台架试验;二是对使用设备进行监测并反馈。从狭义的角度理解可靠性即元件在规定工作时间内丧失其在系统内功能的概率,此定义适用于不可修复系统的元件;而从广义的角度理解可靠性是针对可维修元件,在元件故障后能否立即修复的概率。对狭义可靠性的研究是对广义可靠性研究的基础。同时,根据元件投运前后可将可靠性划分成固有可靠性及使用可靠性两类。元件的固有可靠性是元件经过前期设计与后期加工出厂后所具备的可靠性,是与生俱来的内在属性,与元件选材、设计、加工、验收等环节密切相关;元件的使用可靠性是元件投运后的实际可靠程度,与投运后的工作环境紧密相关。对于经过改进的元件评价其可靠性,与改进前元件可靠性进行对比,需将元件的运行条件进行统一,再对改进措施对元件固有可靠性的影响进行分析。若对元件进行改造以改变其原有输出功能,则改造元件不具备与原元件对比的可行性,可靠性也需要重新分析。
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2.2 可靠性评价指标
对火电厂电气系统可靠性的评价可以从定量到定性多个角度进行。根据系统的运行状态及衡量角度的不同,可以通过不同的可靠性评价指标立体的将系统的可靠性表述出来。其中,可靠度、失效率、有效寿命、平均寿命等可靠性指标在火电厂电气系统的可靠性评价当中应用较为普遍,可以对设备的运行状态或检修水平做出较为准确的评价。可靠度是描述在元件所需工作环境及指定工作时间内能够实现其相应功能概率大小。其从概率的角度对可靠性进行评价,主要从五个方面进行考虑,包括工作元件本身,元件指定的工作时间,元件的工作环境,元件可以实现的功能以及元件完成工作任务的可能性。若元件的寿命比其指定的工作时间长,则在指定的时间里元件可以完成其工作任务,否则无法完成。同一批次的出厂元件,有寿命比指定工作时间长的,也有寿命比指定工作时间短的,所以一个元件能否完成工作任务是随机事件。我们将出厂元件能够完成指定工作任务的概率称为可靠度,它以时间为变量的函数。反之,将出厂元件无法完成制定工作任务的概率称为不可靠度。
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3 火电厂电气设备的分类及其故障分析模型......... 18
3.1 火电厂电气设备分类 ...... 18
3.2 电气设备元件的分类 ...... 20
3.2.1 静态元件 ...... 20
3.2.2 动态元件 ...... 20
3.3 元件故障状态的性质与分类........ 21
3.4 火电厂电气部分的可靠性模型 ..... 23
3.5 本章小结.......... 27
4 基于 petri 网故障树的火电厂电气可靠性评估.... 28
4.1 petri 网故障分析模型..... 28
4.2 基于 petri 网网络的故障诊断方法 ......... 32
4.3 基于 petri 网的火电厂电气元件故障诊断 .......... 36
4.4 火电厂电气部分可靠性综合分析.... 39
4.5 本章小结 .......... 45
5 火电厂电气部分可靠性管理措施研究 ...... 46
5.1 火电厂发电机组电气设备管理与维护分析........... 46
5.2 变压器管理及维护分析 .... 47
5.3 断路器管理与维护分析 .... 49
5.4 本章小结 .......... 50
 
5 火电厂电气部分可靠性管理措施研究
 
随着科技的进步,火电厂的电气设备也不断更新,现代化技术得到了广泛的应用,这也使我们对设备维护水平要求得更为严格。使用可靠性管理方法可以为设备维护提供坚实的理论基础,这也是可靠性管理的主要目的。其可以用于开发更合理的基于设备状态的维修计划,有效指导维修工作的开展。本章提出了部分火电厂电气设备的可靠性管理措施,以供参考。
 
5.1 火电厂发电机组电气设备管理与维护分析
对于电气设备维修部门,需要对火力发电厂电气部分有全面的了解,掌握系统内各电气设备的运行工况及参数,从而保证在设备出现故障时及时诊断确定故障点并隔离修复,确保设备能够及时恢复正常运行。目前,一些火电厂在技术改造的过程中进行电气系统的数据统计以及可靠性分析,以便掌握更详细的系统实际运行参数及故障数据,使日后对故障的判断更为准确与高效,更好地保证了火电厂电气部分的稳定运行。受传统维护理念影响,目前大多火电厂对电气部分的维护没有达到相关标准,由此导致的设备故障屡见不鲜,大大降低了系统运行的可靠性。提高维护人员的技术水平,从管理理念上做到与时俱进已成为当务之急。维护部门司职设备检修,不但需要掌握设备的机构原理,还应了解设备运行的基本参数,以便在故障发生后对故障源做出准确判断,避免扩大故障隔离范围。因此对维护人员的理论培训极为重要。培训中需要不断更新设备存储资料,将最新的设备信息及时传递给维护工作者。同时也应建立设备故障的资料库供维护人员查阅学习,并将最新发生的典型故障纳入其中,为处理实际故障提供参考,以便维护人员能够在故障发生的第一时间准确快速地做出判断,在最短的时间内修复故障元件,使系统最快地回复正常工作,减少故障带来的安全隐患及经济损失。
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结论
 
近年来,随着中国经济的快速发展,全国用电负荷快速增长,供需矛盾十分突出,关系到生产效率及经济效益的可靠性也越来越重要。为了最大限度地提高有限资源的利润,电力系统管理的可靠运行被提高到重要位置。由于绝大多数电气设备和输电干线都暴露在外部气候条件下,受诸多不可测因素影响,易出现不同形式的故障。而对电气设备可靠性的系统仿真与评价恰可对上述故障进行分析预测,为制定科学有效的管理方案提供参考依据,具有重要的现实意义。文章在阐述电力系统可靠性管理理论的基础上,介绍了传统的可靠性分析模型和火电厂电气部分的构成及其常见的故障类型。同时,对火电厂电气系统的故障特点进行分析,基于其随机发生的特点,构建 Petri 网故障树分析模型。综合应用数学与人工智能的方法,对火电厂电气系统的可靠性进行定量与定性分析,得出具体的可靠性管理的方法与措施。本研究得出以下几点结论。第一,火电厂电气系统的电气设备具有设备繁多、型号各异、网络结构复杂等特点,因此,收集故障数据是很困难的。针对这一情况,根据火电厂电气设备不同结构特点,对不同的故障形式进行分类,在已有研究成果的基础上,根据不同组分之间的相关性,建立故障的数据库,为日后可靠性分析提供参考。第二,在火电厂电气系统可靠性评估中,分析方法、仿真方法和人工智能方法各具优势。但由于系统的故障发生会引发一系列连锁效应,一般会有多个故障以不同形式存在,只采用单一的方法进行定量或定性分析,容易忽视多故障并发的影响,产生一定误差。因此,在实际应用中采用定性与定量相结合的分析方法,综合运用传统的数学方法与人工智能技术,可以得到更精确的分析结果。第三,将传统的故障树模型进行 Petri 网扩展,为多重复杂故障关系的分析提供了可能,克服了原故障树模型故障关系单一的局限性。这种方法只需对火电厂电气接线进行一次遍历分析,不会因分支模型的复杂而增加分析难度,极大地提高分析效率;同时可以比较直观地体现故障发生的时间及规律。实际应用中结合专家系统可以有效地提高了分析精度,拓宽了原有可靠性评估的思路。第四,结合火电厂电气系统可靠性评估实例,应用 Petri 网故障树分析方法,对断路器、变压器及线路等设备进行可靠性分析,得出各参数对系统可靠性水平的影响,并给出维护建议。本文结合可靠性评估结果提出的可靠性管理措施,具有一定实用价值。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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