可靠性评价方法在炼化企业电网中的应用

张 涌，李 琼，钱志红，李志远，刘维功，时振堂

(1.中国石化能源管理与环境保护部，北京 100728 2.中国石化大连石油化工研究院，辽宁大连 116041 3.中国石化生产经营管理部，北京 100728)

可靠性是指元件、设备、系统等在规定的条件下和预定的时间内，完成其规定功能的概率。电力系统可靠性包括两方面的内容：即充裕度和安全性。前者表征了电网的稳态性能，后者是指电力系统在事故状态下的安全性和避免连锁反应而不会引起失控和大面积停电的能力，表征了电力系统的动态性能。电力系统可靠性技术用于电网规划、设计、运行、优化等环节，通过可靠性评估，计算目标电网的可靠性程度，发现薄弱之处，采取强化措施。另外，企业可参考可靠性评估结果，选择电力网络最优配置方案。

1 电力系统可靠性研究现状

英国是首个研究电力可靠性的国家，1882年制定了第一个电气设备安全条例——Code of Safe Electrical Installation Practice。美国的相关研究工作开始于上世纪60年代，经过20年的调研及研究，1980年制定了配电系统可靠性的行业推荐标准——IEEEstd-493-1980,Recommended Practice for the Design of Reliable Industrial and Commercial Power Systems。标准涉及工业和商业配电可靠性相关信息如可靠性概念、数据、评估基础、分析举例以及对现运行系统评估及改善措施等。

目前，世界各国已建立了完善的电力系统可靠性评价体系。Morar D等人在文献[1]中主要釆用解析法分析了变电站设备升级或更换时对电力系统的影响，Arifujjaman M等在文献[2]中考虑了新能源发电的介入对原电网稳定性的影响，为了提高可靠性，制定了配网改善方案。

国内对电力可靠性的研究始于上世纪六七十年代，随着技术发展与人民生活与生产需求扩大，国内电网日益壮大，结构越发复杂，用电种类复杂现象愈加显现，公用电网不断加大对电源点的建设以及主干网输电可靠性的重视程度，不断深入研究可靠性计算方法，利用统计数据，计算可靠性评价指标，用以指导电网的设计、规划、优化以及运行等各个环节。

石化工业生产流程复杂，连续性强，每一环节都离不开电力驱动，对电能质量要求高。然而近年来，石化行业发生了多起大面积停电事故，损失巨大。据美国能源部统计，2009年至2013年美国炼化企业发生大面积停电事故470起/年，大型炼化企业经济损失高达6.8万美元/天[3]。这充分说明了电力可靠性对炼化企业的生产至关重要。

目前多数可靠性分析技术的研究主要针对公用电网，炼化企业电网可靠性评价的研究较少。

2 炼化企业电网与公用电网可靠性评估比较

2.1 炼化企业电力可靠性评估现状

炼化企业可靠性评估内容和评价手段主要依靠静态和暂态两方面的安全分析，具体如图1所示[4]。张军梁在文献[5]中对主网结构以及运行方式作出可靠性评价，评价基于故障树理论，提及了全寿命周期成本(LCC)设备管理的概念[6,7]，这是一种考虑可靠性及寿命管理概念的经济学管理方法，此方法还有待完善。褚晓平从电网结构、设备运行状况、故障分析以及电网静态稳定和动态稳定等方面分析了广石化电网的可靠性，并以此为基础提出优化方案[8]。张磊在文献[9]中使用贝叶斯网络及熵权-层次分析法对克拉玛依石化公司电网进行可靠性分析，开发了MATLAB与炼化企业电力系统安全节能优化平台的接口程序，提出改善措施，并参与制定了《炼化企业电力系统安全运行技术导则》。

目前，炼化企业可靠性评价多数依靠电力仿真技术，以静态稳定和动态稳定性能作为电网可靠性评价依据，是炼化企业电网可靠性主要评价手段。

2.2 公用电网可靠性

国内对供电可靠性管理的研究工作已持续几十年，公用电网主要依靠分类别、长周期、多地区的故障统计数据，集中处理后运用于可靠性评价指标的概率计算，由于地区差异、设备差异以及各种不确定因素，这种概率只能是期望值，不能直接确定指定时间内故障发生真实次数。公用电网对电力系统可靠性的研究及考核主要集中于发电和输配侧，这是由其运营范围决定的，因此在计算和考评过程中常常忽略电网波动对企业用户的影响，从而对可靠性的定义范围和分析方法与炼化企业有所不同。

图1 炼化企业电力系统可靠性研究内容

公用电网的可靠性管理工作开展已久，相关单位及高校对可靠性的分析方法进行了较为深入且多样化的研究。国内研究以传统的蒙特卡洛法、故障树法等作为基础，引入现代科学理论，发展了多种新型计算方法，适用于不同电网，如人工神经网络法[10]、模糊数学法[11-13]等。

2.3 炼化企业与公用电网可靠性评价比较

炼化企业可靠性评估内容与公用电网的不同在于炼化企业作为电力用户，更加关注供电的可靠性和连续性，瞬时的电压波动和频率波动，都可能造成生产流程的中断事故，危及人身安全及财产损失，甚至次生严重的安全环保事故，带来严重的负面社会影响、政治影响及环境影响。因此，炼化企业电力可靠性的评价技术和评价标准应与公用电网有所区别。

炼化企业电力系统通常是一个完整的区域电力系统。自备热电站具有一定的电源能力，但调节能力较差，需要联络公用电网，作为补充和备用电源；电力网物理尺寸小，功率密度高，电压等级较多，往往包含了从220 kV至400 V的3～6个电压等级；生产负荷多数为感应电动机，对电能质量要求较高。由于电力系统是一个整体，任何一台设备故障都会影响其他设备，因此炼化企业在进行电力系统可靠性评估时，通常要考虑电力负荷的可靠性。通过对源、网、荷所有元件的静态稳定和暂态稳定计算，分析考核指标，从而评价系统的可靠性，提出优化方案和改进措施。

总的来说，当前炼化企业电力可靠性发展方向应是：研究科学合理的可靠性评价方法及指标，系统地建立电力可靠性评价管理体系，将可靠性分析和考核贯穿于电力系统的规划、设计、运行、优化等环节，制定可靠性评价规程，指导企业完成可靠性管理工作，达到电力系统安全、可靠、经济运行的目标。

3 计算方法

电力系统可靠性取决于电力设备及其接线方式，因此电力系统可靠性评价过程中应理清供电路径，通常将电力系统分为3种类型：串联系统、并联系统及复杂系统[14]。

3.1 串联系统

串联系统是指供电路径中，所有原件接线形式均为串联结构。此类系统可靠度Rs为所有元件可靠度的乘积，如式(1)所示。系统的故障率为所有元件故障率的乘积，如式(2)所示。

RS=R1·R2·…RN

(1)

λS=λ1·λ2·…λN

(2)

此类系统接线简单，但是，单个原件故障将导致整条路径断电。如上述公式所示，由于可靠度小于1，所以系统的可靠度将小于系统中故障率最大的元件，相比于并联系统可靠性较差。

3.2 并联系统

并联系统是指系统内部元件均为并联接线。此类系统的可靠度Rs计算时先计算不可靠度Fs，如式(3)、(4)所示，系统故障率为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，并联系统的可靠度比可靠度最高的元件还要高。系统内某元件故障或检修时，可由与其并联的元件代替运行，保证为负荷持续供电。

3.3 复杂系统

实际情况中，电力系统复杂，不仅有串联结构、并联结构，还会包括环形结构等复杂情况。此类系统不能简单套用串并联系统可靠性计算方法，目前主要计算方法包括两类：解析法和模拟法。其中解析法又包括故障树法、状态空间枚举法等。故障树法首先判断故障发生原因，然后顺着每个原因寻找最初诱因，最后通过逻辑框图形式表示系统故障状态。本文采用状态空间枚举法对指定系统进行分析。

3.4 状态枚举法[15]

状态空间枚举法利用元件正常和故障两种状态，组合成系统的非正常状态，每种正常状态的概率相加即为系统的可靠度，非正常状态概率相加即为系统的不可靠度。

4 算例

图2为某供电系统主网结构，若负荷1和负荷2同时断电，则判断为系统停运。首先判断系统有17个电力元件(除负荷)，如表1所示。

图2 电网结构示意

用a和b分别表示元件正常状态和非正常状态，则系统状态包括217=131 072个。

列出二项式如式(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阶和17阶状态数为1，1阶和14阶状态数为17，2阶和15阶故障状态数为136，以此类推，共计131 072个状态。用1和0分别表示元件的运行和故障，列出所有状态的元件组合，根据元件组合情况将状态分成运行状态和停运状态两类阶数为0的状态没有导致系统停运，定义为运行状态，阶数为1的状态有4种情况导致系统停运，分别为发电机停运(10000000 000000000)、110-I母线停运(01000000000000 000)、母线6-I和6-II停运。

每阶事故状态的概率为：

P=RN-iFi

(6)

式中：N——元件个数；

i——事故元件数；

R——可靠度；

F——不可靠度。

以1阶状态为例，故障率为:

P1=4R16F

(7)

依次计算每阶状态故障率，将所有状态的故障率相加即为系统的不可靠度F，则系统的可靠度为R=1-F。

将此系统分层计算，元件可靠性数据如表2所示。分别求得35 kV母线、6 kV母线的供电可靠度，如表3所示。

表2 元件可靠性数据

表3 可靠度计算结果

由表2可知，电压等级越高的设备供电可靠性越高。另外，炼化企业用电负荷多数为旋转电机，应采取双机备用的工作方式提高可靠性，保证生产装置的持续供电。

图2为单电源系统，在110 kV电压等级处增加一路电源，如图3所示，计算35 kV母线、6 kV母线的供电可靠度，如表4所示。

对比表3和表4结果，双电源电网供电可靠性高于单电源电网，对于可靠性要求较高的炼化企业，应采用两个或以上来自不同区域的供电电源，以提高供电可靠性。

图3 两电源电网结构示意

计算位置可靠率停电时间h/a35-I0.99988530.5035-I’0.99988530.506-I0.99965583.02

5 结论

本文通过应用实例说明了可靠性计算方法在炼化企业电网中的应用。实例计算结果表明：提高企业电网接入电压等级有助于加强电网的可靠性，减少故障发生概率。建议炼化企业采用双回路以上供电电源，低压设备采用双机备用的工作方式来提高机泵和装置的可靠性。

目前对于炼化企业电力系统可靠性的研究较少，尤其是缺乏大量的可靠性数据和可靠性计算方法的验证，建议进一步完善并逐步建立科学系统的炼化企业电力系统可靠性评价体系。

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