可靠性规划（共9篇）
可靠性规划 篇1
摘要：选择合理有效的项目评估方法,是做好基于可靠性的配电网规划的保障。简单叙述了项目评估的基本过程,分析了配电网规划项目的评价和审批过程中主要使用的传统最小费用评估法、收益/成本(B/C)评估法、收益增量/成本增量(iB/C)评估法和利润驱动评估法4种规划评估方法及其特点,通过实例对最小费用法、B/C法和iB/C法的应用结果进行了比较。
关键词：可靠性规划,收益/成本评估法,收益增量/成本增量评估法,最小费用评估法
本文以《配电系统规划参考手册》第6章为依据,简要介绍了项目评估的基本情况,讨论了几种主要评估方法的优缺点及应用范围。
1 项目评估概述
配电网规划的主要目标是,确定满足电力企业未来需求的投资项目,然后实施这些项目。规划过程的部分内容包括,对规划项目不同方案的指标进行评估,根据指标对方案进行比较、排序,然后根据方案的排序结果选择投资项目。在对新建项目及其建设时机进行决策时,需要对多个备选方案进行评估,在这一决策过程中可选择不同的评估方法。本文讨论的评估、优选、审批方法覆盖了电力企业现有方法的大部分内容。
对项目的审批是指对特定项目进行批准、授权。评估、比较及排序工作都是审批流程的一部分,其目的是接受满足要求的项目,否决不满足要求的项目。良好的项目审批系统可以全面支持电力企业战略目标,是最简单和最经济的决策系统。
因此,在完成项目评估后,可对项目进行比较和优选,根据给定的阈值判断是否有足够的理由批准这些项目;或者根据这些项目的优点对其进行排序,以便在有限资金的范围内批准优点较大和花费较少的项目。通过整个评估—比较—优选的过程,电力企业希望能够保证在资金、人力和设备等资源的基础上做出良好的决策。
1)评估过程必须满足制定决策的以下3个方面要求:
(1)完整性。评估过程必须涵盖决策过程中所有重点事项。
(2)准确性。评估过程必须提供准确的、满足决策需要的评估结果。
(3)可比性。评估过程必须确保所有参与评估的方案具有可比性,并必须为各参与比较的方案设定一个公平的评价平台。
2)评估过程还必须满足以下2点原则:
(1)评估必须高效、及时和经济。规划人员的目标是,在满足上述3个方面要求的同时,还应尽可能采用最经济有效的评估方法,近似或忽略一些无关因素有时会简化评估过程。
(2)评估过程必须是可追溯的。从输入数据(复杂、清晰及属实)到最后的评价结果,都必须留下完整的文档。
电力企业可用几种完全不同的评估方法来优选备选方案,并以此决定资源分配的方式。评估方法最重要的区别是对“最好”的定义。规划属性分为单属性规划和多属性规划。在单属性规划中,只能确定一个属性,如费用最小或可靠性最大,无法同时考虑这两个属性的关系。而在多属性规划中,最终必须确定一个属性(如可靠性)和另外一个属性(如费用)的价值关系。该关系可以用帕累托曲线表示,据此规划人员可对属性进行权衡。
2 规划的主要评估方法
电力企业在规划项目的评价和审批过程中主要使用4种规划评估方法,即传统最小费用评估方法、收益/成本(B/C)评估方法、收益增量/成本增量(iB/C)评估方法和利润驱动评估方法。
2.1 传统最小费用评估方法
传统最小费用评估方法(下称最小费用法)是一种采用标准驱动、最小费用、面向项目的评估和选择过程,用以确定各个项目的投资规模及相应的分配方案,是单属性规划。针对项目与长期需求、节省费用的关系,这种方法采用资金的时间价值方法调整初始投资,从而使长期费用最小化。这种方法认为资金来源是无限的,不管投资多大,其利润率是在固定的价值体系下确定的,因此无法应对定额预算的需求,只适用于传统电力企业的监管方法及财务结构。
在20世纪90年代许多电力企业都采用这种方法,因为这既可减少支出,也可仍然采用传统的项目审批方式。其基本计算过程如下。
1)列出项目的各种备选方案,包括维持现状的方案。这些备选方案在处理未来负荷增长和现值的能力上应有所区别。
2)对每种方案,给出初始投资成本及总费用现值(包括投资成本、运行维护费用、税收或扩建费用、故障费用等)。
3)在所有项目中选出总费用现值最小的方案。
最小费用法有2个缺点:(1)不能从战略的角度来对费用和支出决策进行评估、控制及综合评价;(2)从长期的角度看会产生几方面的业务风险,并对过时的设备技术及债务非常敏感。
2.2 收益/成本评估方法
通常,在需要减少电力企业和客户费用的情况下,电力企业需要评估、比较和决定备选方案,在某种意义上,不需要项目的方案满足最低标准,而是要获得一些有价值的收益。收益/成本评估法(下称B/C法),以收益与成本两者的比值来确定项目的优点,为多属性规划,是通过一个有效的比值来评估可选项目的评估和选择过程。这些项目可以不在电力企业的供电义务范围内,不受标准的限制,而受收益(根据费用来衡量)的限制。项目的收益/成本的值越高,意味着收益也越多,并能够通过审批。而收益少于投资的项目则不能通过审批。当需要评估特殊的检修项目或需求侧管理(DSM)项目计划时,规划人员通常会采用这种方法。其基本计算过程如下。
1)列出项目的各种备选方案,其中包括维持现状的方案。
2)对每种方案,给出总收益及总费用现值(包括投资成本、运行维护费用、税收或扩建费用、故障费用等)。
3)计算每种方案的收益/成本的值。
4)在收益/成本的值大于1的项目中选出总收益最大的方案。
但是,仅采用收益/成本的值对项目方案进行评估会产生错误的结论。因为在现实情况中,如果采用收益/成本的值来评估整个项目,项目或计划的某些方案收益很大时,则会掩盖其他方案的低收益。
2.3 收益增量/成本增量评估方法
收益增量/成本增量评估方法(下称iB/C法)是基于收益增量与成本增量比值的评估方法,为多属性规划,这个比值有时也称为B/C增量比、B/C边际比,其中收益增量是当前方案与相邻方案(比当前方案收益稍差的方案)间的收益差值,成本增量是当前方案与相邻方案间的投资成本差值。收益增量/成本增量的值可以用来衡量方案决策的有效性,为选择一个合理的方案而不是一个更便宜的方案提供依据。
iB/C法在进行项目评估和排序时,能够尽可能地将预算资金分配给备选方案。但是在评估中要使用2个属性比值来定义资金使用的效率,这两个属性都可以用金钱来衡量。最常见的例子,是将长期节省的费用作为收益,而将初始投资成本作为成本。规划人员都想使长期收益最大的同时支出费用最小。其基本计算过程如下。
1)列出项目的各种备选方案,包括维持现状的方案。
2)对每种方案,给出总收益及总费用现值(包括投资成本、运行维护费用、税收或扩建费用、故障费用等)。
3)计算每种方案与前一个方案的收益增量及成本增量,计算收益增量/成本增量的值。
4)按收益增量/成本增量的值从大到小的顺序对所有方案重新排列,再从上往下一个一个方案寻找,直到消耗完预算额为止。
iB/C法使得规划人员可以评估资金支出的效益,将各项目的不同方案分开,然后按增量比进行决策,这就避免了某些高回报决策的影响。
2.4 利润驱动评估方法
利润驱动评估方法(下称利润驱动法)认为,投资机会是无限的。在任何一个机会中,投资超过某一个数量后利润率通常会降低,决策的重点是通过选择投资方向和投资对象来努力维持总利润率,一味寻求投资回报率最大化,为单属性规划。从某种意义上说,利润驱动法与传统最小费用法是决策方法的两个极端。最小费用法认为,资金来源是无限的。这种方法在不管投资多大,利润率(电力企业在监管下的利润率)是在固定的价值体系下确定的。利润驱动法不适用于受监管电力企业(电网公司)规划人员。
3 可靠性与费用的帕累托曲线
在多属性规划中可有多个属性,如可靠性、费用等。帕累托(Pareto)优化曲线可显示多属性情况下的分析结果,例如,电力企业在对系统进行扩展或运行时,帕累托曲线可显示不同方案的费用与可靠性之间的关系。因此,帕累托曲线可为电力企业提供选择,并且可对两个属性进行权衡,但是该曲线没有清楚地表示该做出哪个决定。
以美国西部一个11万个用户的郊区配电网规划为例,该配电网规划的帕累托曲线如图1所示,给出了若干不同投资情况下提高可靠性的最好方案。
帕累托曲线上的每一个点都代表一个可靠性和费用的最佳组合,也即任何一种可靠性水平的获得最少要花费曲线上所表示的费用,例如如果希望保持年系统平均停电持续时间(SAIDI)为105 min时,则可靠性投资至少为1 250万美元;如果希望能得到的预期SAIDI为80~160 min,则可靠性投资为100~2 500万美元。历史上该供电区域的平均SAIDI为122 min,这意味着至少得花费700万美元来维护用户的供电可靠性。
4 3种评估方法的应用实例
4.1 被评估的规划工程概况
本文采用美国密西西比河谷地区一家电力企业的实际规划案例中的两个配电项目,来说明以上3种评估方法的应用。项目1(新建馈线)是在新区新建一条馈线为新客户供电,项目2(改造老化馈线)是在旧区改造一条馈线(在已运行50 a的电网中的主要配电馈线),以提高可靠性、降低长期运行和管理费用。
1)项目1给出了12个不同的方案:方案0(维持现状);方案1(大主干截面为4/0);方案2(相应的分支线截面为4/0-4/0);方案3(相应的分支线截面为336-4/0);方案4(大主干截面为336);方案5(大主干截面为636);方案6(大主干截面为795);方案7(相应的分支线截面为636-336);方案8(相应的分支线截面为795-336);方案9(相应的分支线截面为795-636);方案10(大主干截面为1113);方案11(相应的分支线截面为1113-633)。每个方案都比其前一个方案有更高的投资成本,以具备充足的供电容量,这意味着在未来负荷增长的一个较长时期内,馈线能够发挥作用而无需改造,同时也意味着损耗费用较少且可靠性可能较高。
2)项目2给出了6个不同的方案:方案0(维持现状);方案1(只改造严重的);方案2(重建计划A);方案3(重建计划B);方案4(重建计划C);方案5(全部重建)。由于设备老化及负荷缓慢的增长(人均每年增长0.3%),该区域逐渐出现了用户容量裕度较低、故障率较高和年度停电时间较长的情况,但现有的馈线系统仍然能满足电力企业的所有标准。以满足电力企业设计标准的观点看,项目2所列的方案都不是必要的方案。因此,对于项目2不宜采用常规的规划流程,即不是由于不符合技术标准而对该馈线进行改造。
4.2 最小费用法的应用
采用最小费用法评估项目1和项目2的部分方案分别见表1、表2。表中现值计算时所采用的折扣率均为11%。
万美元
万美元
采用最小费用法,在表1中选出项目1的方案7,在表2中选出项目2的方案4。这2个项目的最小费用现值对应的初始投资成本分别为360万美元和105万美元,因此两个项目的最小费用现值对应的总初始投资成本为465万美元。但是,假设预算额度只有372万美元,则费用需削减20%,规划人员该如何选择呢?对于项目1,传统电力企业规划人员会选择方案7(360万美元)作为首选方案,因为必须履行为客户供电的义务,而且费用现值最小。对于项目2,可能不会实施,也可能会用剩下的12万美元来做些较小的项目。
这样做的结果就是,大量的资金用于新建项目,而对旧区的改造关注得比较少,这样新、旧区域的供电可靠性就产生了差别。在某些系统中,新旧供电区域的停电频率和停电持续时间相差了1倍。这种不一致的供电质量问题困扰着许多电力企业,使他们无法摆脱这样的事实:不得不将大部分投资花费在新客户上,而同时也不得不削减支出。
4.3 B/C法的应用
采用B/C法评估项目1和项目2的部分方案见表3,其中30 a的折扣率为11%。
万美元
表3在表1和表2数据的基础上增加了以下新数据和新计算结果。
1)方案的预期SAIDI值:根据设备使用年限、运行条件和运行历史预测设备故障率,再采用概率分析方法(见本系列的第五讲)计算出供电可靠性。
2)方案的故障费用(表1中没有、表2中有):在可靠性规划和评估中,故障费用是一个“罚值”或负值,表示电力企业必须为所有客户供电的义务,停电就要受到惩罚。停电惩罚函数考虑了为所有客户供电这样一个约束条件。停电惩罚金额的计算公式为
当SAIDI>1.0时,
当SAIDI≤1.0时,惩罚金额=0。
式中:9.57为标量,可使未来30 a内的年固定费用以0.9的现值系数转换为现值(9.57=1+0.9+0.92+0.93+0.94……+0.929)。
在惩罚金额计算式中,考虑同时率的峰荷为5.0kW/户。项目1有1 400个用户,而项目2有1 800个用户。2美元/kW的罚值是比较高的,但并不是最高的。大多数罚值使用0.5~5美元/kW。
3)方案的总收益:为方案0的故障费用11.7亿美元减去该方案的故障费用与运行管理税收费用之和。
4)方案的B/C:其中B为总收益,C为初始投资成本。
但是在这种情况下,B/C的值对评估没有多大的帮助。项目1各种方案的B/C值基本上是项目2中各种方案的B/C值的100倍。因为项目1为新建馈线,维持现状会导致项目1的停电时间为8 760 h,而项目2为改造老化馈线,维持现状只会导致停电时间仅为9.8 h。应用B/C所提供信息的方法是,寻找收益最大化的项目,就是将所有可用的预算投资在项目1上,从而就选择出项目1方案7。B/C法得出的结果与最小费用法得出的结果是一样的。
综上所述,项目1所有方案的B/C值都很好。这是因为每个方案都包括了能够勉强满足供电义务的方案1,即隐含了其他方案的投资,使得每一种方案都显得收益很高,这实际上掩盖了其他方案的低收益。这种掩盖支出低效率的情况是普遍存在的,不仅出现在基于可靠性规划的本算例中,而且也存在于其他类似的新建馈线的方案中。
4.4 iB/C法的应用
采用iB/C法评估项目1和项目2的部分方案见表4,按照项目各方案的收益增量/成本增量的值从大到小进行了排列。收益增量/成本增量可以用来衡量方案决策的有效性,为选择一个合适的方案而不是一个更便宜的方案提供依据。
根据项目不同方案的iB/C值结果自上而下作图见图2。图2显示了这个例子的帕累托曲线,表明了电力企业的规划人员可以采用效益最佳的方案,曲线上的点是按累计费用与累计收益的比值绘制的。两点之间的曲线斜率可用收益增量/成本增量的值来近似。
在这个例子中,为了最优使用仅有的372万美元,规划人员仅需要在表4中依次从上往下选,直到下一个方案的累积成本超过了这个预算额为止。预算的最优分配过程概要叙述如下。
万美元
1)选择项目1的方案1,每花费1美元平均获得513美元收益,资金使用效率在整个表中是最高的。现在累计成本为225万美元,总收益为115 509.7万美元。
2)再依次选择不同方案进行投资比较。在选择项目1的方案5和项目2的方案2后,现在的累计成本为371.5万美元,总收益为117 212.7万美元,这时的总投资略小于372万美元的预算额。
到了这一步,若再投资升级为列表中的下一个方案(项目1方案6),则总投资将大大超过372万美元的预算额。因此,规划方案的选择过程结束。投资方案的最终决策如下。
对于项目1,选择方案5,投资成本为311.5万美元,所提供的收益为117 065万美元。
对于项目2,选择方案2,投资成本为60万美元,所提供的收益为147.7万美元。
总计,这两个项目的总投资成本为371.5万美元,总收益为117 212.7万美元,平均B/C值为315.51。
在最实际的含义上,这就是本规划问题的最优解。首先,这个决策满足了向新负荷供电的义务,新建了一条馈线向负荷增长区域供电。同样重要的是,该决策的总收益最大,提高了可靠性而降低了运行管理费用。在可选的项目方案中,没有任何一种小于或等于372万美元的资金分配方案能够取得同等收益或同等高iB/C值。该决策获得的总收益为117 212.7万美元,不仅比项目1方案7获得的收益(117 139.2万美元)大,而且比在项目1上投入任意数量的资金所能获得的收益还要多。
综上所述,为什么iB/C法比B/C法评估表现得更出色?虽然项目1的所有方案都有很高的B/C值,而且其任何一个方案的B/C值甚至都远远超过项目2中的所有方案。但是iB/C说明了项目1的方案1勉强能够满足新的最小需求,却有超过500∶1的巨大回报。从最小费用法到iB/C法中的数据可以看出,项目1的方案2仅在方案1的基础上增加了一些能够基本满足需求的内容,却也有122∶1的高回报。项目1其他方案的iB/C值较低,在数量级上与项目2中改造方案一样。这是因为,项目1中除了方案2外,其他方案都与项目2中的方案一样:花钱去提高一条馈线的可靠性,但该馈线的可靠性已经基本满足要求。
5 结论
本文介绍了可靠性规划项目评估的基础知识,4种主要的规划项目评估方法以及其中3种规划项目评估方法的应用实例。这4种评估方法各有特点,但其中只有iB/C法是最适合可靠性规划的评估方法。对于iB/C法,有以下3点主要结论。
1)iB/C值小于1.0意味着无效地使用资金。iB/C法和B/C法评价应用的规则一样:决不对比率小于1的项目投资,因为那意味着方案的收益低于成本。
2)iB/C法能够很好地处理定额预算的问题。如果预算没有给定额度,无约束的iB/C法将会使总费用现值最小化,即利用iB/C法的评估结果就和最小费用法的评估结果一样,其资金分配的方式也一样。
3)iB/C法合理地分配投资预算的同时可以考虑可靠性的影响,即iB/C法可以避免仅投资收益高的新项目而忽略与提高可靠性有关的改造项目。
由本文分析可知,没有一个评估方法是理想的,也没有一种方法是适用于所有的规划项目。因为一些新方法得以发展,传统方法一般就不再适用了,但如果传统方法仍适合当前的形势,那么就应该保留。只有当条件变化已不宜采用传统方法时,改变方法才有意义。
县级电网规划可靠性分析与应用 篇2
关键词：电网规划；可靠性分析；作用；问题；对策
中图分类号：TM715文献标识码：A文章编号：1671-864X（2016）08-0300-01
电网规划应该与地区社会发展、城乡规划、土地规划等工作协同起来，从确保电网长期稳定性上来进行科学规划，降低电网技术性线损等问题。随着县级区域经济及广大用电户的增加，对于电网规划工作提出更高要求，特别是对于传统电网结构中技术落后、薄弱环节突出、供电可靠性不高等问题，应着力从电网规划上，引入科学编制思路，完善电网可靠性评估体系，优化电网规划网路结构，提升电网可靠性。
一、电网规划常见风险问题
电网规划是确保电网工程安全、稳定的基础工作，也是电网建设的基础。针对电网工程常见风险问题，其主要特征表现在四个方面。一是电网规划风险具有结构性，主要与电网项目自身结构及电网工程施工中的时间次第性有关；二是电网规划风险具有叠加性、整体性，由于电网规划中的风险具有多样性，而每一单独风险都会对整个电网规划带来影响，这些不同种类的风险具有彼此叠加的特性；三是电网规划项目风险具有关联性，对于不同风险之间存在相互影响，互为因果的关系，导致电网规划潜在风险突出；四是电网规划项目风险源多，可以是设计风险、冗余度风险、结构风险、融合度风险，也可能是自然因素风险、如风、闪电、地震等。
二、电网规划可靠性分析
对于电网结构可靠性分析，多采用N-1准则，从分析电网N个元件中1个或多个元件发生故障后对供电可靠性的影响。如对各元件故障频率的分析、对各元件故障持续时间的计算，对整个电网结构概率可靠性指标的确立等。在输电网络可靠性分析中，县级主网主要为110KV、35KV等高压配网构成，在规划上以闭环设计，开环运行，尽可能以辐射状结构来解除电磁环网、降低短路容量。另外，在主网结构设计上，导入备用电源和可切换线路，确保主变故障或线路故障后仍可通过开关将负荷进行转移，确保供电稳定。对于电网规划可靠性指标的明确，主要从电网安全性、充裕性上来确保供电连续性、稳定性。如充裕性指标有电力不足频率，电力不足持续时间，电力不足期望值，系统停电指标，系统削减电量指标，严重性指标等。通过引入电网可靠性分析软件，从电网结构稳定性上，对概率可靠性、确定性故障评估、灵敏度分析等，以判断各线路是否存在电压超限、过载等问题。
三、电网规划可靠性主要问题及表现
开展电网规划可靠性分析，主要从电网结构优化与科学规划上，一方面满足用电户的多样化需求，另一方面保障电力稳定、安全与可靠。在开展电网规划可靠性分析中，常见问题表现在三方面。
（一）电网规划基础性工作不完善。
电网规划具有较高的技术性与科学性，在规划方法上，不仅要结合经验，更重要的是对电网结构中各线路、变电站分布进行统合布局，特别是考虑到电网覆盖区域的多样化需求，从信息收集、整理与分析上，要融入技术性研究方法，确保电网结构规划科学、准确、高效。同时，在电网规划上存在整体性不足问题，未能从投资效益率上做好规划成本管理。
（二）电网规划缺乏有效监管。
从电网建设与发展上，要与地区社会、经济相适应，要能够从电网规划长期性，确保对电力需求的预见性规划。但在实际规划上，缺乏对电网规划的重视，未能从电网规划监管上来与区域规划相匹配，导致电网规划与区域发展产生更多矛盾，而影响和制约了电网规划建设的科学性。
四、完善电网规划可靠性的对策
（一）注重基础工作规划，全面收集相关信息。
开展电网规划基础信息收集工作是确保电网规划合理性、有效性的前提，也是完善电网规划的基础工作。充分开展电网规划调研工作，深入到地区经济发展实际，从电网线路、电源点、区域负荷状况等方面进行分析，并从区域产业结构、用电需求量及工业化发展规划等方面，做好电网规划信息的准确性、真实性工作，及时协调和改进电网规划，提升电网规划预测准确性。
（二）注重电网规划与社会、生态的融合。
电网规划工作要考虑社会性问题，以及对生态环境的影响，要从电网规划可靠性、科学性、合理性上，推进区域经济、社会可持续发展。强调电网规划技术性、经济性指标的融合，要从总体规划上协同好电网规划、社会发展、生态保护等工作，全面考虑各电网关键点的布局，解决好电网规划与城乡规划的发展问题，减少影响电网稳定的不确定性因素。
（三）开展电网规划项目风险评估。
根据电网规划项目可能风险，从系统运行风险、结构风险、新增投资等效益分析中，对各关键点进行技术性评价和预测，如在运行可靠性上主要以供电可靠率、线损率进行评定。对于电网性能分析主要针对电厂电能容量、电网输配扩容规划等方面来确保长远性、整体性。引入数学分析法，结合粗糙集理论，构建电网规划评估模型，对不同风险要素进行关联性评估，降低整个电网规划项目风险指数。
参考文献：
[1]胡列翔，徐谦，郑晓，兰洲，王蕾.基于高可靠性的各级电网协调规划研究[J].华东电力.2013（09）.
可靠性规划 篇3
相对于传统的基于预想事故的规划方法,《参考手册》中所论述的基于可靠性的规划方法,是当前国际上先进的配电网规划方法。本系列讲座重点讲述两个问题:一是如何在投资尽可能低或在给定投资额度的条件下,在规划阶段获得尽可能高可靠性;二是如何在给定的可靠性目标下,尽可能减少投资。
本讲座为系列讲座的开篇,主要介绍三部分的内容:传统规划的基本思路和不足、基于可靠性的配电网规划的必要性、基于可靠性的配电网规划的基本理念,力求为本系列讲座提供方向性、引导性的作用。
1 传统规划方法的基本思路和不足
传统的基于预想事故的规划方法,是一种基于导则的规划方法,即基于预想事故或基于“N-1”安全准则的规划方法。在该方法中规划人员以个案为基础来研究整个系统,根据备选规划方案逐个退出系统中的某个元件,评估该元件退出后是否满足特定的准则,并以此完成系统的可靠性设计工作,其前提条件为隐含或间接地假定系统满足导则中的准则要求。
基于“N-X”的预想事故规划理念广泛地应用在输电层、高压配电层和变电站层的规划,其基本准则是不能因为系统中的停运设备被隔离而造成停电。这就要求在事故状态下,系统必须具有可切换的手段,从而为系统故障段以外的所有部分继续供电。为迅速恢复供电,这需要开关设备快速动作,而靠人工将故障线路切换到备用线路,可能需要0.5~1h的时间。由于配电系统中广泛使用人工切换操作和辐射状系统设计,因此常需要对基于预想事故规划方案进行调整。但是无论在什么情况下,系统运行准则要求系统在任何“N-1”状态下都不能偏离正常的运行标准。
传统的基于预想事故的规划方法中,在某个元件退出系统的条件下,可使用分析工具(潮流、稳定)来判断是其过负荷或者低电压或其他不可接受的故障原因。虽然该方法工作量可能非常大,但只需要简单地反复计算即可完成,并且只需使用输配电系统设计所需要的标准设计工具。
传统的基于预想事故的规划方法的优点,在于可以直接使用标准化、序列化的计算模块,并将“提供可靠性”的问题分成许多小的研究部分,每一部分都针对系统的某一个元件。因此,基于预想事故的规划方法非常适用于制定运行规划(为解决预想事故而做具体的决定并做好准备)。
然而,传统的基于预想事故的规划方法有两个非常明显的缺点:①如果规划人员主要关注降低费用或预算有限方面的问题,那么这种规划方法不是特别有效;②尽管这种规划方法列举并解决了每种可能的单个设备的停运情况(或者“N-2”规划中的双设备停运情况),但是在设备负载率(峰荷/容量,用于高压配电线路与变电站变压器)高于常规水平的情况下,就不能确保规划系统本层级的可靠性水平(因为该方法未能考虑层级之间的负荷转移情况)。
实现可靠性的传统方法,主要通过在设计中采用严格的准则来构建系统应对事故的能力。很多企业在规划中都应用了事故优先排序法。该方法根据事故的危险程度和成本效益的大小对事故进行排序,从而减少支出。当今先进的电力企业,主要是通过“设置性能目标和重点,并实施以可靠性为中心的规划和运行”的方法来实现其可靠性。虽然这两种方式均能获得良好的可靠性,但只有后者才能以尽可能低的费用获得较高的可靠性。
2 基于可靠性配电网规划的必要性
随着电力企业对供电可靠性量测和管理能力的不断提高,以及社会对供电可靠性需求和价值认识的日益提高,电力行业越来越关注和重视供电可靠性。为了设计高效经济的配电系统,需要对供电负荷、供电可靠性、总投资费用这3个主要因素进行平衡。对供电可靠性,规划人员必须考虑系统平均停电频率(SAIFI)、系统平均停电持续时间(SAIDI)和短时停电频率(MAIFI)3个方面,另外要考虑的重要因素是“停运影响程度”,它反映了1个元件停运会造成多少客户停电,面对电力行业所发生的这些深刻变化,我国当前仍采用的基于预想事故(即基于“N-1”准则)的传统规划方法应该被基于可靠性的规划方法所取代。
我国配电网未来20 a的规模将是现在的2倍以上,我国配电网究竟是继续以现有的高损耗、低可靠性模式,还是采用新的模式发展,是必须认真研究的问题。
发达国家目前负荷年增长率较低(<1%)、供电可靠性较高(其年户均停电时间低于1h),电网发展进入了成熟阶段,因此要求电网的投资尽可能延缓、户均单位停电时间的投资尽可能低。这也是发达国家开展智能电网研究的社会和经济基础。
我国现在的年户均停电时间高于9 h,只有北京、上海的中心城区才达到2 h以内。停电9 h的电网是不可能比停电1 h的电网更坚强可靠的。为了达到输电网安全、配电网可靠的坚强智能电网建设目标,我国从现在开始,如果不从电网规划技术上进行变革性的考虑,仅靠一些电网自动化、智能化技术的发展是很难超越发达国家的电网可靠性水平的,且不论我国电网建设的投入产出是否有较好的边际成本效益。因此,我国配电网规划有必要采用基于可靠性的规划思路与方法,应该从电力设备寿命长达50 a的特点出发,对未来增长趋势进行预测,进行近、中、远期规划,以满足电网损耗越来越低、可靠性越来越高的要求。这些理念与我国可持续发展、节能减排的目标是一致的。
对电网规划人员而言,规划阶段如何考虑实现确定性的可靠性目标是新的技术挑战——在投资尽可能低或在给定投资额度的条件下获得尽可能高可靠性;或者在给定的可靠性目标下尽可能减少投资,这意味着规划人员在降低成本方面将面临着前所未有的挑战。
3 基于可靠性的配电网规划的基本理念
基于可靠性的规划是一种更现代的规划手段,实践证明,它对可靠性的投资客实现投资成本最大化。在系统负载率高、事故裕度小的条件下,通过精心、合理的规划设计,采用网络结构和网络互联的灵活性,同样可以实现高可靠性水平。这一基本理念可从本系列讲座其余5讲的主要观点中予以体现。
讲座二的主要观点。基于可靠性的规划是一种以定量的性能指标为目标的规划方法。规划人员参照某个目标(配电层的可靠性或输电层的安全性)对系统进行评估,然后判断系统能否实现既定目标,识别缺陷及分析原因,并按照主次、轻重对缺陷排序,安排对应的项目,最后根据边际成本效益分析对项目进行排序,确定最好的规划方案,使系统达到性能目标。这体现了可靠性与支出之间相互平衡的问题是基于可靠性的配电规划的基础。
讲座三的主要观点。供电企业降低费用(有时远低于传统的支出水平)是时代的要求。实现电力系统的可靠性有3种方式:第一种是传统方式;第二种是基于可靠性的规划,它可按具体的可靠性目标来设计电力系统,在概念上非常类似于设计一个电力系统以实现足够的电压性能,该方式需要新的工具和规划方法;第三种方式是一个过渡或“折中”方式,其优点在于,可以适用于大部分传统的规划过程,可以使用传统的规划工具、数据和技术,只需通过少量简单加法就能对其进行增加和修改。
讲座四的主要观点。对于馈线系统规划,规划人员必须考虑4个重要方面的问题:网络结构、备用容量、线路分段和切换时间,并需对它们之间的相互影响进行预测,做到合理配置,从而为馈线系统制订出合理的分段与切换的组合方案,规划出具有不同层级相互支持能力的“坚强”馈线系统。坚强馈线系统的真正价值大多体现在变电站层和高压配电层,通过馈线系统将负荷转移到相邻的变电站,使得变电站内变压器有较高的负载率,因此可为电力系统带来较大的节约。
讲座五的主要观点。基于计算程序的可靠性评价是一种较新的配电规划方法,但随着电力行业的竞争日益激烈,客户服务质量的重要性日趋显著,这种评价方法极有可能会像潮流分析一样成为普遍采用的方法。配电可靠性评估常用的方法有4种,分别是网络建模法、马尔可夫建模法、分析模拟法和蒙特卡罗模拟法。这4种方法进行可靠性分析的理论依据是不同的,它们分别采用不同的方法评估系统的可靠性。
讲座六的主要观点。在系统的两个或多个地区、区域之间或客户层之间“可靠性价格”存在差异的情况下,在区域、地区或客户组之间的支出、预期可靠性和成本效益这3个因素中至少有一个是不可能公平的,这一点无法避免,应根据企业的具体情况来决定。电力企业可以做出计划决策,使预期支出或预期可靠性公平,但不能使它们同时公平。有的电力企业采取综合平衡3个因素的折中办法;有的电力企业则尽可能降低费用,这可能造成支出和可靠性水平不公平。
随着配电系统中储能系统、分布式发电和自动化这3类技术的广泛应用,配电系统具有了为市场提供差异化可靠性选择的可能。所有这些技术资源,特别是分布式发电,可以从两个角度来考虑:①这个市场为分布式发电的发展创造机会;②分布式发电提供了可以很容易地调整不同的可靠性与费用的组合方式,这迫使电力企业以可靠性为基础开展竞争。
4 结语
1) 发达国家在负荷增长相当平缓且电网发展成熟的阶段追求电网投资尽可能延缓,供电可靠性尽可能高,这是国际上进行电网智能化的社会基础。我国有必要采用基于可靠性的规划思路和方法进行配电网的规划。
2) 基于预想事故的规划是一种基于导则的规划方法。它以个案为基础来研究整个系统,根据备选规划方案逐个退出系统中的某个元件,评估该元件退出后是否满足特定的准则,并以此完成系统的可靠性设计工作,其前提条件为隐含或间接地假定系统满足导则中的准则要求。
3) 基于可靠性的规划是一种以定量的性能指标为目标的规划方法。规划人员参照某个目标(配电层的可靠性或输电层的安全性)对系统进行评估,然后判断系统能否实现既定目标,识别缺陷及分析原因,并按照主次、轻重对缺陷排序,安排对应的项目,最后根据边际成本效益分析对项目进行排序,确定最好的规划方案,使系统达到性能目标。
4) 为了提高电网的可靠性水平,规划人员需要从传统的基于预想事故的规划方法转变到基于可靠性的规划方法,后者对规划人员的技能和素质要求更高。优秀的规划人员往往能够同时掌握和使用这两种规划方法。
收修改稿日期:2011年1月
可靠性规划 篇4
[关键词]县级供电企业；提高供电可靠性；规划；管理措施
县级供电企业作为县域电网的重要组成部分，其供电可靠性对县级区域的供电质量具有直接的影响，但是县级供电企业的可靠性管理还存在基础管理薄弱、可靠性指标管理不完善等问题，严重的影响了县级供电企业的供电可靠性，对县级供电企业以及整个地区经济的发展都具有不利的影响。因此，强化县级供电企业提高供电可靠性的规划，然后采取有效的提高供电可靠性的管理措施，有目标、有计划、有步骤的展开提高供电可靠性的工作，实现供电可靠性的有效提升。
一、县级供电企业供电可靠性管理的现状分析
1.供电可靠性基础管理相对薄弱。目前，许多县级供电企业供电可靠性基础相对薄弱，并没有创建可靠性管理体系，并没有形成标准的管理和控制机制，并且电网的基础设备资料也不完善，主要是由于电网的台账资料不完善，而验收管理又流于形式，导致电网资料不能够及时的更新，设施以及设备运行管理不到位，当设备出现问题时不能及时的采取有效的措施进行处理，导致故障影响的范围进一步的扩大，严重的影响了县级供电企业的供电可靠性。
2.供电可靠性指标管理不完善。县级供电企业提高供电可靠性管理，必须根据供电可靠性指标进行管理，但是，一方面由于县级供电可靠性指标不健全，另一方面是县级供电企业通常没有形成相应有效的指标管理体系，导致县级供电企业出现可靠性指标统计不准确、不全面；停电范围、停电原因、停电时间等数据不准确；更新管理不及时、数据图实不符等问题，这对县级供电企业提高供电可靠性具有非常不利的影响。
二、县级供电企业提高供电可靠性的规划目标、原则和步骤
1.县级供电企业提高供电可靠性的目标与原则。县级供电企业提高供电可靠性规划的目标是通过采用电网的先进管理措施和技术技术，不断的提高整个县级供电企业供电可靠性，在管理和技术上提高一个台阶，以此提高整个县级电网的先进水平，以此推动县级地区的快速发展。县级供电企业提供供电可靠性的规划原则主要包括以下方面：首先以技术经济性、措施切实可行、指标先进合理为主要原则，根据县级供电企业的实际状况，提出能够满足当地未来几年电力用户发展需求的供电可靠性发展规划目标；其次，严格保证县级供电企业可靠性数据的严肃性、权威性以及正确性的规划原则，充分的发挥可靠性数据对县级供电企业实际生产的指导作用，为县级供电企业的运行和发展奠定坚实的基础；再者，坚持技术先进原则，县级供电企业想要提高供电可靠性，应该根据地区的发展状况，实时的引进先进的技术和设备，强化管理，以此提高供电的可靠性。
2.县级供电企业提高供电可靠性的规划步骤。县级供电企业提供供电可靠性的规划步骤主要分为四个方面，其具体的规划步骤表现为：其一，根据县级供电企业以及当地电网的现状，确定切合实际的供电可靠性目标，然后根据既定的供电可靠性目标采取各种管理措施和技术措施提高供电可靠性；其二，调查和收集该县所在省所有供电可靠性的历史资料，经过整理和分析，总结出影响县级供电企业供电可靠性的原因，然后分析县级供电企业供电可靠性发展的方向；其三，创建供电可靠性指标预测模型，确定正确、的可靠性预测方法，以该县以及所属省所有其他电网运行的历史数据，以此为基础总结出在现有条件下，供电企业供电可靠性未来的发展变化趋势，创建多种数据模型预测该县域未来几年可靠性指标，获得在既定条件下，未来几年中可靠性指标可能发展的方向，以此为县域供电企业提高供电可靠性的规划提供相应的方案；其四，根据预测的供电可靠性方案，然后参考县级供电企业提高供电可靠性的目标与原则，制定符合该县级供电企业提高供电可靠性的原则，然后综合考虑自身的管理水平、技术水平以及未来的发展趋势，在供电可靠性指标预测值的基础上，采取提高供电可靠性的有效措施提高县级供电企业的供电可靠性。
三、提高縣级供电企业供电可靠性的管理措施
1.强化县级供电企业的组织管理。根据市供电企业瞎打的供电可靠性指标，强化对影响供电可靠性指标的管理工作。在每年的年初，合理分解和组织检查计划，对各个部门签订具体的管理责任书，根据工作性质以及年度计入，加入供电可靠性管理指标，然后始终坚持“事故原因不查明不放过、故障未彻底清楚不放手”的原则，然后根据相关部门提高检修质量的要求，对县级供各个供电所、变电站、变电检查工作区等制定严格、合理的检修计划，将临时停电时间、停电次数和责任单位的绩效挂钩，以此提高责任单位所有工作人员的工作积极性和主动性，努力做到超前控制，尽可能的降低停电的时间与次数，提高供电的可靠性和稳定性。
2.强化县级供电企业的技术管理。随着科学技术的快速发展，各种先进的技术被应用在各个领域中，对推动企业以及社会的发展提供了很大的便利。因此，县级供电企业想要提高供电可靠性，势必应该强化技术管理，通过不断的引进先进的技术管理措施，然后引进相应的配套设备，例如引进自动化技术以及相应的自动化设备，由于自动化设备具有无油化、自动化、免维护、智能化等方面的有点，这些设备在县级供电企业管理中的应用，能够显著的提高设备的使用率，提高供电的可靠性，并且还能够节约大量的资源和成本。因此，县级供电企业应该不断的引进先进的科学技术和设备，并强化技术管理，以此提高技术和装备水平，进而提高供电的可靠性。
3.强化县级供电企业的人才管理。人才是县级供电企业的第一生产力，人员的综合素质对提高县级供电企业供电可靠性至关重要。因此，县级供电企业应该强化人才管理，定期或者不定期的对所有的人员进行培训和教育，以此提高人员的综合素质，为县级供电企业供电可靠性的提高提供可靠的技术保障，增强县级供电企业发展的软实力。
4.强化县级供电企业的考核管理。强化县级供电企业的考核管理，是保证提高供电可靠性的所有管理措施得以贯彻落实的重要保障。在签订目标管理责任书时，将供电可靠性管理纳入到考核的内容中，对调度运行中心、工作部、技术部等进行考核。根据县级供电企业的实际状况，制定相应的考核目标，要求各施工单位、检修部门合理的安排检修目标、检修计划，然后严格的按照既定的检修目标和计划进行检修，对于超出标准检修计划时间的，应该予以一定的处罚，如检修施工每超出一次规定的时间，则罚施工单位和检修单位负责人20元，起到相应警示的作用，以此保证县级供电企业制定的提高供电可靠性管理措施能够真正的贯彻落实到实处。
四、结语
总而言之，影响县级供电企业供电可靠性的因素有许多，县级供电企业想要提高供电的可靠性，就应该正确的认识到自身存在的问题，然后合理的规划提高供电可靠性的目标、原则以及实施步骤，然后采取相应的管理措施，进一步提高供电的可靠性。
参考文献：
[1]张家红.县级供电企业提高供电可靠性的方法[J].云南电力技术，2011（4）.
[2]金小银.县级供电企业提高供电可靠性措施探讨[J].机电信息，2013（21）.
县城电网规划可靠性评估实例分析 篇5
近年来, 随着电网建设的不断改造, 县级供电网的可靠性已得到了初步改善, 但是由于目前县级电网的投资规模小, 很难满足负荷快速增长的需求, 在供电可靠性方面仍然存在不少问题。因此, 在电网规划工作中, 应通过对完成的规划编制方案进行评估。找出影响供电可靠性的因素和方案中的不足, 有针对性的加以修改, 使规划中的电网在网络结构上更为合理。
1. 县级电网的可靠性分析
1.1. N-1+1准则
可靠性评估准则主要包括确定性准则和概率性准则。前者即输电网中常采用的N-1或多重故障分析, 该方法主要分析电力系统N个元件中的1个或多个元件故障后系统能够保持正常供电的情况。在确定性分析的基础上, 给出各元件的故障频率和故障持续时间, 就可以进行概率可靠性分析, 得到系统的概率可靠性指标。
输电网中采用N-1或多重故障准则进行可靠性分析, 主要是输电网闭环设计、闭环运行的特点所决定的。而县级电网的主网架主要由110k V及35k V高压配电网络构成, 高压配电网通常为闭环设计、开环运行, 即实际运行中尽可能呈辐射状分片供电, 以解除电磁环网和降低短路容量。因此县级电网在运行中存在备用电源和可切换线路, 这使得电网中有1条线路或1台主变故障时, 可以通过投入联络线路, 或通过开关切换将负荷转移到另1条线路或另1台主变, 以保证对负荷的正常供电。因此, 考虑到县级电网的这一特点, 在进行县级电网的可靠性分析时, 不能采用N-1准则, 而应该采用N-1+1准则, 即当1条线路或1台主变故障切除时, 需要投入相关的联络线路或联络开关, 以保证对负荷的正常供电。
在利用N-1+1准则进行可靠性分析时, 还要考虑在出现过负荷、过/低电压等不正常运行状态情况下的校正措施。当出现线路或主变过负荷时, 应采取缩减相关负荷的措施, 以确保线路或主变负荷在允许范围内;当出现过电压或低电压时, 通过调整主变分接头或投切电容器等措施保证母线电压在允许范围内。
1.2. 采用的可靠性指标
电力系统可靠性评估包括充裕性和安全性两方面, 前者是指系统维持连续供给用户电力需求和电能量的能力;后者是指系统承受突发扰动的能力。县级电网的可靠性分析主要是进行充裕性评估, 参考输电系统的充裕性评估指标, 选取以下几个常用的可靠性指标。
1) 电力不足频率LOLF (Loss of Load Frequency) :每年平均故障次数, 次/年。
2) 电力不足持续时间LOLE (Loss of Load Expected) :每年发生切负荷故障的时间, h/a。
3) 电力不足期望值EDNS (Expected Demand not Supplied) :每年缺多少电力, MW/a。
4) 电量不足期望值EENS (Expected Energy not Supplied) :每年缺多少电量, MW·h/a。
5) 系统停电指标BPII (Bulk Power Interruption Index) :等于电力不足期望与最大负荷之比, MW/MW×a-1。
6) 系统削减电量指标BECI (Bulk Power/Energy Curtailment Index) :等于电量不足期望与最大负荷之比, MW·h/MW×a-1。
7) 严重性指标SI (Severity Index) (系统分) :1个系统分相当于最大负荷时系统全停1min。
1.3. 可靠性分析软件
TPLAN是由PTI开发的用于电网可靠性评估的分析软件包, 是国际上可靠性分析方面较为权威的软件, 主要功能包括确定性故障分析、概率可靠性评估、校正策略研究、灵敏度分析等。TPLAN采用解析法进行可靠性评估, 即将系统可能出现的运行状态全部列出, TPLAN对全部运行状态按序排列, 逐一进行潮流计算, 判断是否出现线路过载、电压越限、孤立节点等故障, 并计算出各节点的切负荷量和各状态出现的概率, 通过累加得到系统的可靠性指标。目前该软件在国内一些电网包括南方电网都有应用。本文利用TPLAN进行县级电网规划的可靠性评估。
2.应用分析
本文对某县级电网 (简称A县) 的2010年规划方案进行了可靠性评估。A县电网概况见表1, 其中2008年电网同2005年相比, 网络结构没有变化, 仅根据负荷增长改造了1台110k V主变、新增了几台35k V主变, 而2010年规划网络新建了多个变电站和多条线路, 加强了网络结构。由于缺乏相关统计数据, 在参考有关文献资料的基础上, 采用如下线路和主变的可靠性计算参数:
1) 110k V线路故障率取0.14次/100km·a, 故障修复时间取4h/次;110k V主变故障率取1.7次/100台·年, 故障修复时间取3h/次。
2) 35k V线路故障率取0.14次/100km·a, 故障修复时间取6h/次;35k V主变故障率取4次/100台·年, 故障修复时间取5h/次。
A县电网2010年规划方案的可靠性评估结果见表2。为了对比分析, 表2同时给出了2005年和2008年电网可靠性评估的结果。其中整体一栏包括110k V和35k V网络的整体可靠性评估结果, 35k V一栏仅包含35k V网络的可靠性评估结果。
从表2给出的结果可以看出:
a.2008年电网由于增加了主变数量, 减少了只有单台主变的变电站数量, 因而同2005年相比电力不足频率和持续时间指标有所降低, 但由于网络结构并没有增强, 因此电力不足和电量不足指标有所上升。这表明, 随着负荷增长, 要保持或提高电网可靠性水平, 仅通过增加主变来满足负荷增长的容量需求是不够的, 还需要进一步加强电网结构。
b.35k V网络的可靠性对整体可靠性指标中电力不足频率LOLF和电力不足持续时间LOLE两个指标影响较大, 这主要是由于35k V网络元件数量多, 而网络结构相对较薄弱, 因此发生故障的频率和时间也较多。要提高这两个指标, 应优先加强35k V网络结构。
c.110k V网络的可靠性对整体可靠性指标中电力不足期望值EDNS和电量不足期望值EENS指标影响较大, 这主要是由于110k V网络中元件故障的影响面更大, 容易造成更多的负荷和电量损失。
d.由于系统停电指标BPII、系统削减电量指标BECI和严重性指标SI三个指标和电力不足期望值EDNS和电量不足期望值EENS两个指标密切相关, 要提高这3个指标, 应优先加强110k V网络结构。
e.与2005年和2008年相比, 2010年规划网络的可靠性指标有了很大改善, 表明规划方案很好地提高了电网的可靠性水平。
f.由于采用N-1+1准则, 电网中可提供负荷转移的联络线路, 以及变电站内的主变数量对电网的可靠性水平有重要影响。电网中存在的只有单条线路供电的变电站, 或者只有单台主变的变电站等网络结构, 都会降低电网的整体可靠性水平。
g.表2中给出了系统整体的可靠性指标, 可靠性评估中还可以得到各元件的可靠性指标 (因篇幅限制未列出) , 利用这些指标, 可以分析各条线路或主变对系统可靠性的影响, 进而发现系统中影响可靠性水平的薄弱环节。需要说明的是, 由于缺乏统计数据, 在计算中选取的元件可靠性参数不一定符合A县电网的实际情况, 因此表2中的结果仅适用于A县电网可靠性变化趋势的纵向比较, 而不适用于不同县级电网的横向对比分析。由于元件可靠性参数会对可靠性分析结果造成很大影响, 因此应重视县级电网可靠性参数的统计工作, 这样既得到更准确的可靠性计算和分析结果, 还可以开展不同县级电网可靠性的对比分析工作, 从而进一步提高电网的可靠性水平。
总的来说, 从以上实际算例分析可以看出, 通过对县级电网可靠性评估, 可以定量地分析规划方案对可靠性水平的提升作用, 从而有利于提高县级电网可靠性的管理和决策水平。
结语
本文对县级城市电网规划可靠性评估的方法通过算例表明, 开展县级城市电网规划的可靠性评估工作, 对提高县级电网可靠性的管理和决策水平有着非常重要的意义
摘要：电网规划中网络结构的合理性是提高供电可靠性的首要保障。本文作者首先分析了县级城市电网的可靠性, 同时结合某县城电网规划实例, 主要就应用TPLAN软件对该县城电网规划的可靠性评估进行了分析。
关键词：县级城市,电网规划
参考文献
[1]郑望其, 程林, 孙元章.2005年南方电网可靠性充裕度评估[J].电网技术, 2004.
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可靠性规划 篇6
一、配电网相关简述
1配网关于供电可靠性的要求
基于配网的实际作用, 所以配网首先在设计上就要突出供电的可靠性, 这个要求是最基本的, 在设计上要将设备进行分段设计, 采用的是中性点不接地的系统, 以防止其在运行工作的过程中出现问题或者故障, 这样的举措可以从根本上防止问题的出现。关于供电可靠性在配网中的要求, 主要是设备运行的可靠性以及系统运行的可靠性, 通过统筹规划以及技术改造, 对在供电过程中可能影响供电可靠性的因素进行消除, 以达到减少停电范围停电次数的目的, 使配网的工作效率得到提升, 除此之外, 还要对配网进行可靠性的评估, 对结果进行统计, 以为之后电网的规划和改造提供参考依据。
2影响配网供电可靠性的主要因素
影响配网能否有较大供电可靠性的因素诸多, 总结而言, 主要因素大致如下:配网的自动化水平、管理水平以及技术水平的整体不先进;配网设备的设计以及制造缺陷;配网的结构不合理;配网负荷中的电源容量以及设备性能的不足;维护管理水平较低;配网周边环境的影响等。
3配网规划改造的必要性
近些年来, 经济发展的速度超乎人们的想象, 这使得广大人民的生活追平有了很大的提升, 在人们的生活中不断地增加了许多新的家用电器, 而且经济的飞速发展给生产带来了便利, 社会对于电力的需求越来越大, 以上的情况都是给电力的供应带来了巨大的挑战, 增加了供电的负担。所以, 为了使人民的生活以及生产得以正产的进行, 为了实现更大的经济价值, 有必要对配网进行规划以及改造。除此之外, 我国配网大多是在改革开放时期以及第一轮配网改造时架设的, 现在来说, 当时的设计起点有点低, 虽然也进行了一定程度的完善以及健全, 但是当时经济水平以及技术水平的限制难免会使得配网的要求达不到现在的标准, 而且配网中的一些设备有老旧的情况, 有些期间的绝缘水平有所下降, 者械斗影响着供电的可靠性。所以很有必要对配网进行规划和改造, 提高配网的供电可靠性, 保证人民的生活生产的正常进行。
二、对配网的管理措施
1提高配网供电可靠性的具体方法
要达到提升配网供电可靠性的目的, 需要全面考虑电力系统的特性, 降低配网的损耗, 统筹规划, 一般采用分层分区的技术手段进行处理, 确定设备的最优运行状态, 使得全网的无功补偿分布更加合理, 不公分层更加平衡, 最终达到最优无功流动, 获取最大的效率以及效益。除以上述内容之外, 为了提升配网的供电可靠性还要将强对线路设备的巡视, 加强进行环网电路改造等。另外还要加强对配网的可靠性管理, 对供电模式做出整改, 优化配网, 完善结构, 经常性的最配网的各种设备进行质检维修, 减少故障的发生, 要确保配网的负荷在合理的范围之内, 减少超负荷对配网设备的损害, 实现自动化管理加强自动化对单相接地故障的判断能力, 以此使得供电的可靠性有所提升。
2配网供电可靠性的具体管理措施
在配网可靠性的管理上, 具体措施有很多:首先要制定统一的配网建设以及改造技术的标准, 以避免出现配网线路与供电区域负荷的密度不对应的情况;在设计控制标准时, 要本着科学合理的原则, 使得配电变压器装接容量与开放容量的标准统一;其次就是改造配网, 在实施改造时, 要靠近电负荷中心, 减少线路的距离;更换高耗能设备的频率要高, 以达到减少损耗的目的, 使得电压质量有所提升, 在线损管理上的各个方面要全面考虑, 建立健全;改造时采用节能型, 低损耗型的设备, 并根据实际的配网运行环境, 有必要时选用秘封、智能型的设备;在配网更换新设备之后, 对新设备应使用移机免维护负荷开关, 这个手段可以增强免维护、有可判断的断开点、过故障的能力;使用真空断路器, 这样的举措可以使得故障得以隔离, 同时开关的寿命也能延长。
三、配网规划以及改造
1配网规划包含的内容
现在的电网建设正朝智能的方向发展, 而对于配网的规划和改造是最为关键的一步, 为了提升供电可靠性以及供电效率, 在对配网改造时, 要对配网的覆盖范围进行规划, 系统的对其网建以及目标进行规划, 根据本地区的实际需求, 解决问题, 增强配网网架。与此同时, 还要兼顾负荷以及电源的接入需求, 令电网具备各类分布式电源接入以及各类负荷送出的适应能力, 使其具有多样化服务的水准, 能满足本地电网负荷的发展要求。此外, 还要对配网自动化通信系统进行统一的规划并且分步实施, 合理的对区域的通信网络做出规划, 并且在同期建设电通信网, 在改造配电线路时, 应优先选取那些传输速度较快的介质, 还可以利用现有的配电甘露以及电力管道实现快速不忘, 以满足自动化业务对通信带宽的要求。规划内容主要包括配置主干线路、无功补偿规划、电缆通道规划以及配电可靠性估计等方面。图1为某地配网规划图。
2配网改造包含的内容
在进行配网改造时, 重点就是对不能满足运行设备的设备进行改造, 对其进行技术改造。首先要对现有设备进行评价, 在掌握评价结果的基础上, 有计划有针对性的对超过使用寿命或者对接近使用寿命的设备进行更换。在对配电线路进行改造时, 主要是进行绝缘化改造, 多采用节能型的线路设备。图2为配网改造的现场。
为了使电力企业的供电可靠性有一个较大幅度的提高, 还要综合的考量供电设备的容量、线路的耐热度和承载能力, 然后对其进行有针对性的改造, 使其增容、加大承载力和耐热性, 这样就可以提高配网的供电能力。另外, 还要优化电力配送电力的通道, 加大对节能减排的投入力度, 重点对高损耗的设备进行更新换代, 对无功设备进行改造, 对无功补偿设备进行合理的配置, 使配网的电压合格率有所提升。对于现有的配网自动化系统、调度自动化系统以及负荷管理系统等, 要对其进行进一步的完善;对于输变电设备的状态检测系统进行建设;对线路在线检测技术进行推广。
3配网改造以及规划的意义
通过上述的手段以及措施, 对配网进行规划改造, 全面提高配网的安全性, 稳定性以及可靠性, 根据负荷的增长趋势以及分布情况, 建设电源站点, 集中力量解决某些区域供电不足的问题, 满足供电需求;进一步降低配网的损耗, 优化配网的结构, 提高供电质量以及供电可靠性, 满足人们日常生活用电以及企业生产工作用电的需求;强化中压配网的建设, 缩短配网的供电半径, 提高线路中的分段比例, 使高负荷转供能力有所提升, 同时使设备抵抗自然灾害的能力更强, 以防出现外力破坏的情况。此外, 对配网进行规划和改造对于电力企业的经济效益也有所联系, 降低网损就是降低了运行成本, 直接的带来了节电效应, 另一方面, 供电能力增强之后售电量大大增多, 这就使得电力企业的经济效益增加很多;另外供电可靠性有了提升, 停电用户的数量减少, 就延长了供电的时间, 这也是增加售电量的体现之一;提高供电质量, 使得电压的合格率大大提高, 供电企业产品质量也相应的提高, 这也会给供电企业带来一部分经济效益。因此, 供电企业对配网进行改造以及规划很有必要, 而且具有重要的现实意义。
结语
在整个电网中, 配电网是最为重要的一个组成部分, 同时配网也是规模最大的一个组成部分。配电网是电力系统中的供电能力、供电可靠性以及电能质量这些重要指标的最终体现。如果配网由于受到故障的影响而造成停电的结果, 影响了正常供电, 这会给社会带来很大的损失, 因此要重视配网的规划以及改造, 使供电可靠性得到提升, 让人们的生产以及生活质量有所提升。
摘要：配电网是电网的重要组成部分, 在整个电网中发挥着极为重要的作用, 所以就对配电网的可靠性有着很高的要求。但是在实际的情况下, 影响配网供电可靠性的因素诸多, 在管理中又有着许多问题。本文主要阐述了影响配网供电可靠性的因素, 并对管理中的一些措施进行了描述, 对配网规划改造和提升供电可靠性的影响以及意义进行了分析。
关键词：配电网,改造规划,供电可靠性
参考文献
[1]谭琨.配网规划和改造对提高供电可靠性的研究[J].技术与市场, 2012 (12) .
[2]朱毅.探析借助配网规划和改造提升供电可靠性[J].企业技术开发, 2013 (08) .
可靠性规划 篇7
电网停电事故绝大部分是由配电网引起的,配电网的可靠性是供电企业考核的重要指标之一。因此,提出一套适用于实际配电网的可靠性评估算法是非常必要的。
配电网的可靠性理论计算和评估主要有蒙特卡洛(Monte Carlo)模拟法和解析法两大类方法。目前解析法主要有基于故障后果分析法的改进算法:最小路法[1]和改进的故障后果分析法[2,3];此外,文献[4-5]提出了可靠性指标递归方法;文献[6]提出了容量约束在可靠性评估中的应用;文献[7-9]考虑了开关故障对可靠性的影响;随着智能电网的发展,考虑分布式电源的可靠性评估[9,10,11]也随之出现。
然而,上述算法均是对运行中的配电网进行可靠性评估,并不适用于规划配电网的可靠性评估。对规划网架的可靠性评估有利于指导供电企业的配电网建设以及改善网架结构。
考虑到规划配电网存在用户信息不全、配电网具体结构不清晰等特点,本文首先对规划网架进行简化假设,在此基础上提出了一种适用于规划配电网的可靠性评估算法。
1 可靠性算法原理分析
1.1 配电网网络简化和假设条件
传统的配电网可靠性评估需要对各种元件进行故障枚举,包括开关、配变、线路等。本文对配电网网络元件进行组合,以减少枚举元件数量。如图1所示,F1和F2表示馈线编号,T表示变压器,S表示负荷开关,N/O表示常开负荷开关,L表示电缆线路。图1的方框组合了一个电房的负荷开关及熔断器,大幅减少了元件数量。
本文规定:馈线断路器QF1到联络线之间的任何一个电房组合称为一个主干段,如图1的电房1、电房2和电房3;主干电房与电房之间连接线路也称为一个主干段,如线路L1、L2和L3。所有主干段串联构成了主干线。主干段引出的电缆线路和电房称为分支线,如线路L4和电房4称为一个分支线。
对其中一个电房进行分析,如电房1组合了负荷开关S1、S2和3个熔断器,则电房1的故障率λi(单位:次/a)和故障修复时间ti(单位:h/次)为:
其中,λk、λr和λb分别为开关、熔断器和配变的故障率;tk、tr和tb分别为开关、熔断器和配变的故障修复时间;p为配变熔断器的正确动作率。
经上述处理,可靠性计算中无需对每个负荷开关进行故障枚举,而只需枚举组合电房及电缆线路。
一回馈线中,假设主干线的电缆段数(k)和主干线的电房数之和为m。对于开关组合的电房,故障率λi和故障修复时间ti根据组合电房开关数通过式(1)计算,对于电缆线路,λi和ti计算如下:
其中,λL、tL、Lg分别表示电缆线路故障率、修复时间和主干线的长度。
尽管作了上述简化,在规划配电网中,仍然不能获得每个负荷点具体配变台数和用户数,也不能获得每段主干线的具体长度,而只能大概估计馈线总的配变用户情况和主干线总长度。
因此,本文在可靠性评估中假设规划配电网有以下特点:
a.馈线各主干段的配变台数和容量相同,用户数也相同;
b.馈线各主干段的电缆长度相同;
c.多级分支简化为一级分支,分支线和主干段的用户分布平均。
上述假设的合理性和正确性将在后文的误差分析中进行验证。
1.2 转供率计算方法
严格意义上,一回馈线可以供电的负荷需要经过潮流计算确定。但是,一方面,即使在运行的配电网目前也难以掌握每台配变的负荷曲线,也就难以获得配网潮流计算需要的基础负荷分布,因此只能按配变平均功率因数和平均负载率来粗略估算每个配电点的负荷;另一方面,开环运行的配电网源流关系清晰,潮流计算只不过补充了因网损带来的附加电流信息。考虑到配电网馈线的最大允许电流设定值本身留有一定的裕度,因此忽略网损对评估馈线的可供电负荷影响。
为此,本文采用以下方法直接估计每回馈线允许的挂接配变容量,并以此表示馈线可供电负荷:
a.根据馈线截面和型号确定允许最大电流Imax;
b.根据统计值确定配变平均负载率,记为γ,一般取值为0.85~0.95;
c.根据统计值确定馈线上用电负荷的同时率,记为α,一般取值为0.7~0.9。
则馈线挂接的配变容量之和S必须满足:
如果馈线实际挂接的配变容量为ST鄱,则它可以转接其他联络线的配变容量称为馈线的可转供容量,记为Szg。
可靠性算法采用故障枚举的思路,逐段评估每个馈线段故障造成的用户停电范围和停电时间。对于一个制定的故障段,显然其上游区段的全部用户均可在故障段隔离之后,通过馈线首端重合闸来恢复供电,不需要经联络馈线转供。令其下游区段的配变容量为Sx,则馈线联络线可转供负荷需要通过比较Szg与Sx来确定。本文定义转供率ρi为:
ρi取值范围为[0,1]。如果ρi>1,则取值为1。
1.3 基于故障枚举的可靠性指标形成
由于10 kV配电网采用环网接线、开环运行方式,运行时每回10 kV馈线的有功功率流向均为从电源点到末端的树状放射式结构。当不计出线断路器不正常故障在变电站10 kV母线引起的事故放大时,各回10 kV馈线的运行是彼此独立的,其停电时户数和停运容量等指标都可以直接叠加形成整个系统的可靠性指标。
基于前文配电网网络化简和假设,得出每个主干段i的故障率λi和修复时间ti后,还需给定电网的评估转供电操作时间tz和平均故障隔离时间tG。
则对任一回馈线,故障引起的用户停电时户数nSH和停电损失电量Q可按主干线故障、分支线故障、配变故障分别计算如下。
a.主干线故障:
其中,Ni鄱为主干段i的用户和接入从属于该主干段的支线上的用户之和;Si鄱为主干段i的配变容量和接入从属于该主干段的支线上的配变容量之和;ρi为馈线转供率;γ为配变平均负载率;m为馈线主干段数。
b.分支线故障:
其中,N为馈线上的总用户数;Ni和Si分别为第i段分支线上的用户数和配变容量;f为馈线分支线数目;S为馈线挂接配变容量之和;λL、tL、Lf分别为电缆线路故障率、修复时间和一个分支线长度。
c.配变故障:
其中,SN为单台配变的容量;p为配变熔断器正确动作率;k为馈线配变台数。
上述三部分之和即为一回馈线的停电总时户数和总电量。
系统所有馈线之和为全系统的停电时户数和损失电量。则系统可靠性指标如下。
系统平均停电次数指标:
系统平均停电持续时间指标:
系统供电可靠率指标:
RS=1-SAIDI/8 760
用户平均停电缺供电量:
其中,j为馈线序号;Nj为馈线j的用户数。
1.4 假设条件误差分析
第1.1节提出了规划配电网的假设条件,对负荷和线路段作了均匀化假设,实际配电网馈线并不服从均匀分布,因此有必要对相关假设进行验证。
假设1:馈线各主干段的配变台数和容量相同,用户数也相同。
图2(a)、(b)、(c)分别给出了主干段负荷均匀分布、集中在首端、集中在末端3种情况,其中(a)是规划网架的假设条件的要求。计算3种情况的馈线的平均停电时间次数指标SAIDI结果分别为0.412、0.408和0.416,(b)、(c)与(a)的相对误差仅1.06%,证明此假设可以适应可靠性指标评估。
假设2:馈线各主干段的电缆长度相同。
如图3所示,(a)给出了各主干段电缆长度相同情况,而(b)和(c)分别给出了主干线电缆长度首段较长以及末段较长的2种情况。计算3种情况的馈线的平均停电时间次数指标SAIDI结果分别为0.412、0.415和0.410,(a)与(b)相对误差仅0.61%,与(c)相对误差也是0.61%,证明该假设是合理的。
假设3:多级分支简化为一级分支,分支线和主干段的用户分布均匀。
在规划配电网中,并不能清晰获得馈线多级分支的级数和具体负荷情况,因此本文算法只考虑一级分支的情况,并对多级分支简化到一级分支进行误差分析。
图4中(a)是规划网架假设条件的要求,(b)包含多级分支,简化之后如(a)所示,即多级分支简化为一级分支,具体的误差将在算例中验证。
2 可靠性计算数据结构介绍
根据可靠性计算要求,本文数据结构的基本的数据表包括4个部分。
a.根据大量历史数据统计以及广东某市区实际配电网运行情况,分析得出配电网基本元件的故障率和故障修复时间如表1所示。该配电网故障参数表用于存储电缆、架空线路、配变、断路器、负荷开关、熔断器等元件的故障率λ和故障修复时间t。
b.配电网管理参数与供电局管理水平以及配电网自动化实施情况有关,表2是在参考广东某地区供电局实际情况基础上给出的推荐值。该配电网管理参数表用于存储转供电操作时间tZ、故障隔离时间tG以及熔断器正确动作率p。
c.公用馈线信息表用于存储规划配电网架的基本馈线信息。根据上述可靠性算法基本原理,公用馈线信息表包括:馈线基本信息,含馈线的编号、馈线所属变电站、馈线所属的分区名称;馈线用户信息,含馈线配变台数、馈线的配变容量、馈线用户数;馈线10 k V设备信息,含馈线主干线长度Lg、馈线总长度Lz、主干线的线路型号、馈线主干线电房数;馈线网架结构信息,含主联络线编号、主联络线编号接入馈线的位置、分支线数目、分支线分布在主干段的位置。
d.可靠性评估结果表用于存储各回馈线可靠性计算结果以及系统可靠性计算结果,存储的指标包括:馈线/系统的用户数、馈线/系统的平均停电次数SAIFI(单位:次/(户·a))、馈线/系统的平均停电时间SAIDI(单位:h/(户·a))、馈线/系统的平均缺供电量AENS(单位:kW·h/(户·a))、馈线/系统的供电可靠性RS(单位:%)。
3 算例系统分析
为了验证本文对规划配电网的简化假设的合理性以及算法的正确性,选取广东某市区的3回馈线结构进行计算,如图5所示。
3回馈线的基本信息如表3和表4所示。
各回馈线的联络信息和分支线信息可以从图5中看出。
运用本文对算例的网架进行简化假设,利用本文算法得出系统的平均停电次数SAIFI、系统的平均停电时间SAIDI、系统的平均缺供电量AENS、系统的供电可靠性RS,并与不作简化假设的精确网架计算结果进行对比,结果如表5所示。
其中精确网架是指不对配电网结构进行简化,采用故障后果分析法对配电网进行可靠性评估,具体方法参见文献[3]。
由表5看出,虽然本文对规划配电网结构作了3种假设,简化了可靠性计算需要的基础数据,但是计算结果与精确算法的计算结果相近。系统的平均停电次数SAIFI和系统的平均停电时间SAIDI误差在3%之内,系统的平均缺供电量AENS误差在4%之内,并且供电可靠性RS误差在小数点4位之后,几乎没有误差。所有误差均在5%之内,对于规划配电网,这个误差在允许范围内。
4 结论
目前配电网可靠性评估主要是针对运行中的电网,对于规划配电网,并没有有效的评估方法。本文提出了一种规划配电网可靠性评估算法。
a.针对规划配电网数据不完善特点,对规划配电网进行简化假设,假设馈线的负荷均匀分布并且各个主干长度相同,并对简化网架进行误差分析。考虑到故障后负荷转供问题,提出了转供率计算方法。最后把配电网馈线分为主干线、分支线和配变三部分,分析各个部分对可靠性指标贡献,由此推导出馈线可靠性指标,再由馈线可靠性指标计算系统可靠性。
b.分析了规划配电网可靠性计算需要的数据结构,包括可靠性计算基础参数、配电网公用馈线信息表和可靠性计算结果表。
算例表明本文对规划配电假设的合理性和算法的可行性,该算法可以运用于实际大规模规划配电网的可靠性评估。
摘要：首先对配电网馈线的负荷和长度进行简化假设,并定义了主干线和分支线;在考虑馈线配变容量约束的基础上,提出了转供率计算方法;把配电网馈线分为主干线、分支线和配变,并由此推导出配电网馈线可靠性指标,利用馈线可靠性指标形成配电系统可靠性指标,另外对网架假设进行误差分析。最后分析了规划配电网可靠性评估需要的数据结构;算例证明了对规划配电网假设和该算法的有效性和可行性。
关键词：配电,可靠性,误差分析,规划配电网,主干线,分支线,转供率
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可靠性规划 篇8
动态规划是一种数学方法, 属于运筹学的一个分支, 其目的是使多阶段决策过程最优化。动态规划的方法广泛应用于经济管理、工程技术、生产调度、最优控制和工农业生产及军事等方面。动态规划是一种重要的决策方法, 可以用来解决装载和排序、最短路线、最优路径、设备更新、资源分配、库存管理、生产过程最优控制等问题。许多问题常常用线性规划或非线性规划来解决, 但仍不如用动态规划更行之有效。
装备的可靠性既是确定维修需求的依据, 又是维修工作的归宿, 维修工作必须围绕可靠性的需求来做, 一切维修活动, 归根到底都是为了保持、恢复、提高装备的可靠性[1]。制定在一定的经济范围内保障装备的可靠性最高的装备改装方案, 用动态规划来解决有效很多。
1 动态规划的方法介绍
1.1 动态规划的基本思想
动态规划的核心是最优化原理, 具有如下性质:无论过去的状态和决策如何, 对前面一系列决策所形成的目前状态而言, 余下的决策必须构成最优策略[2]。运用该原理, 就可以将多阶段决策问题的求解过程看作一个连续的递推过程, 由后向前逐步推算, 求解问题时, 各状态前面的状态和策略, 对后面的子问题来说, 只不过相当于其初始条件, 并不影响后面的最优决策[3]。
1.2 动态规划的基本概念
(1) 阶段。阶段是指为了便于按一定的次序去求解, 而把问题的过程恰当地分为若干个相互联系的阶段, 人们常用符号k表示阶段变量, 阶段变量指描述阶段的变量。
(2) 状态。状态表示每个阶段开始所处的自然状况或客观条件, 它描述了研究问题过程的状况。描述过程状态的变量称为状态变量, 常用sk表示第k阶段的状态变量。
(3) 决策。决策表示当过程处于某一阶段的某个状态时, 可以作出不同的决定, 从而确定下一阶段的状态, 这种决定称为决策。常用uk (sk) 表示第k阶段当状态处于sk时的决策变量, 它是状态变量的函数。在实际问题中, 决策变量的取值往往限制在某一范围内, 此范围称为允许决策集合, 常用Dk (sk) 表示第k阶段从状态sk出发的允许决策集合, 显然有uk (sk) ∈Dk (sk) 。
(4) 策略。策略是一个按顺序排列的决策组成的集合。由过程的第k阶段开始到终止状态为止的过程, 称为问题的k子过程。由每段的决策按顺序排列组成的决策函数序列{uk (sk) , …, un (sn) }称为k子过程策略, 简称子策略, 记为pk, n (sk) , 即pk, n (sk) ={uk (sk) , uk+1 (sk+1) , …, un (sn) }
(5) 状态转移方程。状态转移方程是确定过程由一个状态转移到另一个状态的演变过程。若给定第k阶段状态变量sk的值, 如果该段的决策变量uk一经确定, 第k+1阶段的状态变量sk+1的值也就完全确定。即sk+1的值随sk和uk的值变化而变化, 这种对应关系可以记为
上式称为状态转移方程, Tk称为状态转移函数[4]。
(6) 指标函数和最优值函数。指标函数是用来衡量所实现过程优劣的一种数量指标, 它是定义在全过程和所有后部子过程上确定的数量函数, 常用Vk, n表示[5], 即
对于要构成动态规划模型的指标函数, Vk, n可以表示为sk、uk、Vk+1, n的函数, 满足以下递推关系Vk, n (sk, uk, sk+1, …, sn+1) =φk[sk, uk, Vk+1, n (sk+1, …, sn+1) ]
常见的指标函数有如下两种:
1) 过程和它的任一子过程的指标是它所包含的各阶段的指标的和, 即
其中vj (sj, uj) 表示第j阶段的阶段指标[6], 则上式又可以记为
2) 过程和它的任一子过程的指标是它所包含的各阶段的指标的乘积[7], 即
这时就可写成
指标函数的最优值, 称为最优值函数, 记为fk (sk) [8]。它表示从第k阶段的状态开始到第n阶段的终止状态的过程, 采用最优策略所得到的指标函数值, 记
其中“opt”可根据题意取min或max[9]。
1.3 动态规划的基本方程设指标函数是取各阶段指标的乘积的形式, 那么动态规划的基本方程为
边界条件为fn+1 (sn+1) =1[10]。
其中n表示计划的阶段总数, k表示阶段变量, fk+1 (sk+1) 表示从第k+1阶段到第n阶段采取最优策略所得到的指标函数值[11], vk (sk, uk) 表示第k阶段的阶段指标, fk (sk) 表示从第k阶段到第n阶段采取最优策略得到的指标函数值, “opt”在装备更新问题中取max[12]。
2 实例求解
某航空装备由3型部附件D1、D2、D3 (每型各1个) 构成, 3型部附件间的可靠性功能关系为串联关系, 即有一型部附件出现故障该型装备即出现故障, 无法正常使用。3型部附件使用到时间t的可靠度Ri (t) (i=1, 2, 3) 分别为0.6、0.7、0.5。为提高该型装备的可靠性, 拟对其进行加改装, 每型部附件加装备用部附件 (同型部附件间构成并联关系) 。受重量、加改装空间等的制约, 每一型部附件最多只能加装3个备用部附件, 3型部附件的单个加改装费用Ci (i=1, 2, 3) 分别为15万元、30万元、25万元。现要求加改装总费用不超过120万元, 试制定加改装方案, 使得该型装备使用到时间t的可靠度最高。
根据题意, 本问题为一个3阶段的决策问题。设阶段k=1, 2, 3, 每个阶段解决一个部附件应加装备用部附件的数量;状态变量sk表示第k阶段可以使用的改装经费;决策变量uk表示第k阶段加装的备用部附件数量。状态转移方程为sk+1=sk-ukck
下面用顺序法求解。
(1) 当k=1时, s1=120。
(2) 当k=2时, s2=120, 105, 90, 75。
(3) 当k=3时, s3=120, 105, 90, 75, 60, 45, 30, 15, 0。
同理解得
f3 (105) =f3 (90) =f3 (75) =0.9375
f3 (60) =0.875, f3 (45) =f3 (30) =0.75
f3 (15) =f3 (0) =0.5
反推回去, 解得
f2 (120) =0.91f3 (90) =0.853125
f2 (105) =0.91f3 (75) =0.853125
f2 (90) =0.91f3 (60) =0.79625
f2 (75) =0.7f3 (45) =0.525
进而解得f1 (120) =0.936f2 (90) =0.74529
从而求得u1=2, u2=1, u3=2, 即加装2个D1型备用部附件、1个D2型备用部附件、2个D3型备用部附件。该型航空装备加改装总费用为110万元, 使用到时间t的可靠度为0.74529。
3 应用分析
(1) 假设航空装备技术人员依经验决定加装D1型备用部附件2个、D2型部附件1个、D3型部附件3个。则该型航空装备加改装总费用为135万元, 使用到时间t的可靠度为0.798525。显然, 与动态规划计算出来的结果相比, 可靠度并没有显著增加, 总费用却超出预算很多。
(2) 假设加装D1型备用部附件1个、D2型部附件1个、D3型部附件2个。则该型航空装备加改装总费用为95万元, 使用到时间t的可靠度为0.66885。可见, 与动态规划的方法相比, 费用虽然在预算之内, 但可靠度却明显下降。
综上, 制定在一定经济范围内的提高装备可靠性的加改装方案, 运用动态规划来解决既可以有效提高装备可靠性, 又可以将费用降低到最小。
4 结束语
维修实践表明, 高可靠性和高维修性的航空装备, 既可以延长使用寿命, 又可以减少维修项目和维修次数, 这是从根本上降低维修费用的有效办法。另外, 增加零部件特别是贵重件的可修复性, 即在维修性设计时, 使其具有可调整、可矫正、可局部拆换等性能, 这样既能节约维修费用, 又便于战时修复, 提高航空装备作战效能。动态规划为决策者提供了每个零部件的备用件加装策略, 综合考虑了装备的可靠性和经济性, 使得总效益最大化。
摘要：为了提高航空装备的可靠性, 常常需要对其进行加改装, 即每型部附件加装备用部附件。计算表明, 利用动态规划理论合理安排每型部附件的备用部附件数量, 既可以有效提高装备可靠性, 又能将加改装费用降低到最小。
可靠性规划 篇9
基于架构的软件可靠性评估,软件开发人员在系统设计初期能够预测软件的可靠性。预测的结果若达不到预定目标,软件开发人员往往通过提高系统中某个组件的可靠性,从而使系统整体可靠性达到预期目标。这是一个从上而下,由大到小,从整体到局部,逐步分解的过程。这便是基于架构的软件可靠性分配所要解决的问题。
可靠性分配就是在一定资源约束条件下,将规定的系统可靠度指标,在构成系统的若干分系统之间进行适当的调配,使系统获得最高的可靠度,而花费最少。可靠性分配是在处理一类先有目标、后有方案的问题。由于满足目标要求的方案往往不唯一,因此可靠性分配通常是一类带约束的优化问题[1]。
本文分析了费用与可靠性之间的关系,建立了可靠性—费用模型和可靠性分配最优决策模型,将对软件系统各组件的可靠性最优分配的问题转化为对非线性规划问题的求解,很好地解决了系统可靠性分配问题。
1 系统可靠性分配最优决策
可靠性—费用模型[2]如:
式中β表示软件开发初始成本,α表示复杂度,r表示可靠性,C表示开发费。
在可靠性—费用模型基础上,根据组件之间的关系,可进行可靠性最优决策方面的研究。
根据不同需要可以从两方面进行研究:
(1) 在给定系统可靠性目标条件下,如何分配各个组件的可靠性,使得所花费的费用最小。
对于一个由n个组件组成的软件系统,设给定的系统可靠性目标为Robj,系统可靠性与各组件可靠性的关系为f(r1,r2,…,rn),则可靠性分配模型为:
目标函数:
约束条件:
(2) 在给定系统开发费用前提下如何分配各个组件的可靠性费用,以使得系统可靠性最大。
对于一个由n个组件组成的软件系统,设给定的系统开发费用Cobj,系统可靠性与各组件可靠性的关系为f(r1,r2,…,rn),则可靠性分配模型为:
目标函数:
max{R=f(r1,r2,…,rn)} (4)
约束条件:
本文主要讨论第一种情况。
根据式(1)有:
其中
2 可靠性分配方案
上述公式(2)、(3)、(7)或(6)构成了求解非线性规划问题,本文采用动态规划思想进行求解。
动态规划思想就是将问题分为更小的、相似的子问题,并通过求解子问题产生一个全局最优解。
2.1 算 法
此算法解决系统可靠性分配最优决策的第一方面问题,即对于一个由n个组件组成的软件系统,设给定的系统可靠性目标为Robj,系统可靠性与各组件可靠性的关系为f,如何分配各个组件的可靠性,使得所花费的费用最小。算法描述如下:
(1) 令S表示求解某一阶段的可靠性矩阵[r1, r2,…, rn],T表示成本矩阵[c1, c2,…, cn],δ表示求解步长,Ii表示只有第i个元素为1其余都为0的矩阵单行n列矩阵;
(2) 设S0=[maxr, maxr,…,maxr],其中maxr表示最大可能可靠性值;
(3) 对应S0,根据公式(1)求T0,根据公式(7)求总成本C0,根据函数f,求系统可靠性R0;
(4) if R0<Robjthen 无解;
(5) for i=1 to n(n为组件个数)
Si’=S0 - Ii×δ;
对应Si’,根据函数f求系统可靠性Ri’;根据公式(1)求Ti’,根据公式(7)求总成本Ci’;
找出
(6) 若存在i,且 Ri’≥Robj则:
R0=Ri’ , S0=Si’ , C0=Ci’ , T0=Ti’,转步骤(5);
(7) Ri’<Robj结束。
递推计算最优值是动态规划算法的实施过程。在算法中,每一步都是对各个组件降低相同可靠性数值,选择其中对费用降低影响较大,而可靠性降低较小,且满足系统整体可靠性要求的结果进行下一步优化处理,即满足最优子结构特性,进而得到全局最优解。
2.2 算 例
一个系统由三个相互独立的组件R1、R2、R3组成,任意组件的失效都将导致系统失效设各组件的复杂度分别为0.30、0.72、0.54。为了使花费总量为最小,且系统整体可靠性不低于0.95,则各个组件应该分配多大的可靠性。计算精度为0.01。
根据上述描述,此问题可以表示为:
R=r1×r2×r3≤0.95
C1=-0.30/ln r1
C2=-0.72/ln r2
C3=-0.54/ln r3
求r1、r2、r3, 使C=C1+C2+C3 最小。
Step1 根据可靠性费用函数模型,算出每个组件可靠性从0.95~0.99(增量0.01)的费用,如表1所示。
Step2 按照动态规划思想,先设初始状态为r1= R15=r2= R25=r3= R35=0.99,其中Rij代表对应表1中组件i的第j个取值,如R15代表组件1的第5个取值,即0.99。此时系统费用为:
C=C15+C25+C35=29.85+71.64+53.73=155.22
系统可靠性为:R=0.99×0.99×0.99=0.97
Step3 分别令r1、r2、r3,减去0.01,得到三个新的结果:
1) r1=0.98, r2=0.99, r3=0.99, R=0.96, C=140.22
2) r1=0.99, r2=0.98, r3=0.99, R=0.96, C=119.22
3) r1=0.99, r2=0.99, r3=0.98, R=0.96, C=128.22
选择上述最佳结果,即结果2),继续进行同样操作,得:
1) r1=0.98, r2=0.98, r3=0.99, R=0.95, C=104.22
2) r1=0.99, r2=0.97, r3=0.99, R=0.95, C=107.22
3) r1=0.99, r2=0.98, r3=0.98, R=0.95, C=92.22
选择上述最佳结果,即结果3),继续进行同样操作,所得到的R都小于指定的可靠性目标0.95。所以本例的可靠性分配结果为:
r1=0.99,r2=0.98,r3=0.98
C1=29.85, C2=35.64, C3=26.73
总费用C=92.22。
3 结 论
软件的可靠性分配是保证软件质量的一个重要方法。在软件各个设计阶段,可靠性的合理分配是软件设计顺利进行的保证,也是在资源消耗最低的前提下使软件质量达到最高的必要条件[3]。本文将动态规划思想应用于软件可靠性分配中,把多阶段决策问题变换为一系列互相联系的单阶段问题,逐个加以解决。对于给定的软件架构,该算法实现了在指定系统可靠性目标的条件下的软件可靠性分配。
参考文献
[1]张领,刘艳秋.系统可靠性分配有效方法[J].沈阳工业大学学报,1999,21(2):164-166.
[2]黄宁,陈未如.面向评估的软件可靠性与费用模型的研究[J].佳木斯大学学报:自然科学版,2009,27(1):70-72.