国外电网规划可靠性准则综述

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中国电力科学研究院

# n- Y& r/ J2 j" {/ V1 N作者：孙渝江 周平 周家启
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0 c- X# F7 u( t: |: a4 L   电力系统的可靠性要从规划开始。世界各国都有适用于本国情况的电网规划标准，用以解决规划、设计中出现的问题。在俄罗斯称为电力系统稳定导则，在美国称为可靠性标准，在英国称为安全导则。尽管名称不同，但都是为规划一个可靠的电力系统提出基本要求。
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   从最近收集到的，包括俄罗斯、北美电力可靠性协会、美国九大电力系统、北欧、挪威、芬兰、西欧、比利时、法国、意大利、荷兰、英国等二十多个国家和地区的可靠性准则来看，现行电网规划准则基本上还是以确定性准则为主的，即采用技术条款和事件校验的方法来评价输电网的可靠性。尽管各国都在积极地进行概率可靠性的研究，但尚未见到将概率纳入电网规划准则之中的（尤其是互联电网安全度方面）。

' a, b% F- ]' m0 }   即使都采用确定性准则来校核电网，但因为各国具体电网情况的不同、在制订准则时考虑问题出发点的不同，其思路和侧重点也就不同。下面分别就欧洲、北美、俄罗斯三大区的可靠性准则的特点进行叙述。
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7 a* a  @. `! T+ L& }. N3 `. Z& R' Q5 n   一、欧洲

   欧洲各国的电网普遍具有跨度小，输电线路短和稳定裕度大的特征。因此，在制订准则时，电力系统的稳定问题并未特别强调。规划时更多考虑的是系统的其它特性，稳定问题只在各国电网互联运行时被着重考虑。

   1.北欧电网（NORDEL）

   北欧电网（NORDEL）包括芬兰、瑞典、挪威和丹麦东部电网。北欧可靠性准则的主要目的是确保这些国家互联主网的可靠性水平。在准则中规定对系统进行两类事件校核：
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  s9 r1 j3 K! ^! U0 X5 ]   第一类：联合电力系统在发生常见的元件单一故障时，应保证供电的连续性。比如，失去任一发电机组、输电线、变压器、母线段等。
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   这些标准属于设计标准。

" P9 Q' D; |. ^: V   第二类：为了考察系统的优劣，应对其进行更严重的故障检测，并考虑在一旦发生这些故障时采取的措施。比如失去一个发电厂、失去一个输电走廊的全部线路、失去同塔的两回线路、线路三相永久故障一侧断路器拒动、线路三相永久故障重合不成功再断开等。

9 ]" O( z9 c% F& U. t* ]6 ^  F   这部分的标准属于校核标准的内容。

$ ?0 K1 h- E; j% C9 r4 o   北欧互联网中，在规划标准方面比较有特点的有挪威和芬兰两个国家。

0 U: S5 O/ U: i# e   挪威是北欧互联网中的一部分。其电力系统几乎100%是水利发电，大大小小的水电站遍布全国，输电线路都比较短，因此，稳定性不是其考虑的重点。其规划准则主要考虑的是如何降低发电和供电中的社会经济成本。由于目前还没有成熟的、能够直接在实际系统中应用的计算工具，挪威系统的可靠性准则并未采用成本-效益的分析方法直接计算系统可靠性，而是完全以上述提到的北欧互联网的两类事件校核，作为本国电网规划的标准。

   北欧电网的另一个成员国芬兰，其电网中暂时性功率缺额的85%需要来自北欧其它国家的电网，因此，对互联系统联络线及芬兰电网本身的要求是必须有能力传输这一额外的功率。其电网规划准则侧重于保证系统在最常见的扰动发生时能保持与其它互联系统的并列运行。目前芬兰系统采用的规划标准是在发生下面的故障时，系统不失稳，且不发生永久性过负荷：最大的发电机组突然退出时任一网络元件突然断电；任一输电线三相故障，自动重合闸重合成功；任一发电站或变电站母线三相故障，联接于该母线的所有元件都断电。

" |/ J+ c: c) c. {   2.西欧联合电力系统

   西欧联合电力系统包括法、德、意、比、瑞（士）、西（班牙）等国的电力系统，其输电协调委员会（UCPTE）确定的安全准则中有关输电部分的主要内容有：为处理大扰动下或联络线过负荷，对联络线实行双边管理，采用的措施包括切负荷和电网解列；预定解列国家电网的地点和准则由双方确定；对于互联环路，（n-1）准则在任何时候都应遵守；为处理母线故障，最重要的开关站应双母线运行；关于国家电网运行的准则是国家各公司或国内独立公司的职责，（n-1）准则被认为是普遍有效的。

   在西欧各国电力系统采用的可靠性准则中，属意大利的最与众不同。
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  E- Q, K$ F! o7 P) W' s   意大利在电网规划中使用成本经济-效益法。通过计算风险指数，对系统进行可靠性评估。其具体步骤是：

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   意大利在电网规划中还考虑了以下一些具体的经济指标：高成本电站投入引起的额外投资、增加旋转备用的额外投资、低频减载引起的经济损失。将这些成本以其发生的概率作为自身的权系数，加权计算可得到总的投资，作为方案比较的依据。
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9 \3 @4 T% t  R   二、北美
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   美国的电力系统和加拿大的部分电力系统共组成9个联合电力系统，其联营地区及组织名称（英文缩写）分别为：东北区（NPCC）、大西洋中区（MAAC）、东南区（SERC）、东部中区（ECAR）、中部（MAIN）、中部大陆（MAPP）、西南区（SPP）、德克萨斯州（ERCOT）和西部（WSCC）。其统一管理机构为北美电力可靠性协会（NERC）。
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   北美电力可靠性协会在1997年颁布了《NERC规划标准》。该标准是从大电网可靠性的观点，对规划的互联大电网提出基本要求。在确定大电网系统的可靠性时使用以下两个术语：
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   充裕性——电力系统提供总的负荷和用户电量需求的能力，考虑预期的和适度的未预期的系统元件故障。
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* ~8 k. C% Z  k1 g7 W   安全性——系统抵制突发干扰的能力，例如短路故障或未预知的系统元件断开。
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5 I- s" z8 @5 a6 K7 q6 n/ f   规划的主要目标是：系统在受到发生概率较高的事故干扰时，能够保持规划的负荷需求和预期的输电水平；在发生严重的、但有较小发生概率的事故时，避免系统崩溃。
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; m' W( J  ^( h( v% z: q   该准则详细考虑了影响系统可靠性的各个方面，并针对每个方面提出了具体的标准，以及相关的校核措施和规程。全文共分为四个部分：系统的充裕度和安全度；系统模型数据的要求；系统的保护和控制；系统的恢复。
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( w* X( G$ [2 k1 U   （1）在第一部分中对输电系统提出标准。将需要校核的干扰分为A、B、C、D四个等级，并对每一级干扰下系统应有的状态和应采取的措施进行规定。A级规定系统在所有设备运行时应保持在正常的热容量极限、电压极限和稳定极限范围内；B级规定在发生单一元件故障（发电机、输电线路、变压器单相或三相故障并正常切除；无故障任一元件切除；直流单极故障正常切除）时系统应运行在正常和紧急设备热容量或电压极限范围；C级规定在发生两个或更多元件故障（上述B级单一元件故障的类型叠加；直流双极停运正常切除；同杆并架双回路故障；任一发电机、输电线路、变压器、母线段单相故障，延迟切除）时系统允许计划外切机或切负荷；D级规定在发生多个元件停运或连锁事故引发的严重事件（任一发电机、输电线路、变压器、母线段三相故障，延迟切除；开关三相故障，正常切除；三条或更多的同杆并架线路跳开；失去同一走廊所有线路；失去一个变电站或交换站；失去一个发电厂；失去一个重要负荷中心；一个冗余度很大的专门保护系统在需要动作时发生事故或误动；严重功率摆动的不良影响或由于其它相邻系统内的干扰引起的振荡）时应考虑风险度和后果，并通过操作阻碍这些事件的发展。

' u! [4 \1 V* i4 Q6 _( y   可以看出，A级和B级属于设计标准，C级和D级属于校核标准。

   在此部分还考虑区域可靠性准则与整网可靠性准则的关系、系统的无功补偿、新设备联入系统的问题、电力的经济交换，以及对干扰的监控等。
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   （2）第二部分主要对系统的模型数据提出要求。因为，对系统的正确模拟是评估互联输电系统可靠性的第一步。适时地更新系统模拟数据，详实地模拟联网系统元件的行为，对正确地规划是很有意义的。这些数据包括系统数据、发电设备数据、设备额定值、实际的和预测的负荷、动态的负荷特性。准则强调数据的不断完善和更新，并规定数据的收集、统计形式。
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$ K" s& F! R7 Z   （3）第三部分内容主要针对控制和保护系统的作用问题。准则指出，保护系统的设计是为了自动将元件从系统分离出来，避免事故；使设备免受电压、电流或频率过载的损坏。控制系统是为了自动调节系统参数（电压、设备负载等），使其维持在预定的界限内；使设备分离或联入系统以保持整个大电力系统的完整性。可以看出，保护和控制系统对互联系统的可靠运行是至关重要的。

   本章的内容分别从输电保护系统、输电控制系统、发电保护和控制系统、低频减负荷系统、低压减负荷系统、专门保护系统五方面阐述。主要要求这些系统应有适当的冗余度，动作的准确性；考虑发生误动和拒动时互联系统的状态，特别强调各种保护和控制系统之间动作的协调性。
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- m6 N7 y+ P+ _; ?, Y6 f   （4）第四部分内容主要考虑万一发生大面积停电后，系统如何尽快恢复的问题。这些标准、校核和导则涉及整个系统恢复计划中的两个方面：系统的启动能力和负荷的自动恢复。要求系统应有足够的黑启动发电机；适当使用负荷的自动恢复，并注意与其他区域恢复动作的协调性。

) ~( N- T" a2 c. O/ K   除了NERC制订的规划标准外，美国九个联合电网都有自己制订的规划准则。限于篇幅的关系，本文不作一一介绍，仅以西部区（WSCC）可靠性准则为例。

5 s; y7 a* k3 C" l( j8 o9 z, M$ M   WSCC电力系统的特点是供电面积大，负荷密度小且分散。其可靠性分委员会拟订的可靠性准则包括四个章节：第一章《传输系统规划可靠性准则》；第二章《供电设计准则》；第三章《最小运行可靠性准则》；第四章《规划和运行准则中有关术语的定义》。与电网规划关系密切的是准则中第一章的内容。
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8 C4 n8 W5 i4 R& k" N: j# Z   此章节主要针对互联系统之间在规划中需要共同遵守的可靠性原则。对输电系统制订有充裕度准则和安全度准则。充裕度准则主要考虑各子系统的独立供电、独立满足各自对无功和电压控制的需求、完成合同规定送电、不产生环流等方面。安全度准则主要考虑某一子系统内的扰动对其它系统影响的问题以及解列条件的设定。另外，对传输系统的多重故障和直流系统故障也有相关的规定。

$ C& q" ~8 n$ Z( _* d1 M" m6 R  {$ F6 C) J   应该说明的是，尽管九个系统的可靠性准则内容不完全相同，但制订准则的思路和基础却大同小异。各系统的规划准则拥有共同的目标，即在发生出现机率较高的单一故障时保证对用户电力的连续供给；发生严重的、出现机率较低的故障时，防止系统大面积的崩溃。

1 U% l2 P( p, u5 k" ?: C   为了达到此目标，各系统在准则中均列举了规划中应该考虑的普通干扰（在其作用下系统不损失负荷）和严重干扰（在其作用下系统不崩溃）。但准则承认：对每一个用户和每一个地区100%供电是不可能的。可靠性准则应该主要是作为检验系统能经得住全部可以预见的或不可立即预见的故障的强度，而不是包括各种可能发生的干扰的详细清单。因此，可靠性准则的选择，不是根据系统已检验过的事故是不是可能发生的，而是根据它是不是构成一个现实的有效的方法以校核系统。考虑严重故障也并不是完全根据其发生概率的水平而定，而是用来研究系统是否有承受合理的干扰的能力。这些是各系统进行事故选择时共同使用的原则。
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8 W7 {, y# q( Z5 h* c: g3 U& x   三、俄罗斯

    俄罗斯（前苏联）在电网规划可靠性准则的制订方面，其思路与西欧、北欧、北美的风格迥异。
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   前苏联在发展和建立电力系统可靠性工作体制中十分重视制订统一的名词术语。在1980年出版的、由科学院通讯院士鲁津科主编的《动力工程系统的可靠性 · 术语》汇集中，对动力工程设施可靠性概念以及与其相关的术语做了详细的阐述。认为可靠性是一个综合的属性，它可能由以下属性组合而成：不间断性、寿命、可维修性、可保存性、保持稳定性、工况的可控性、生存力、安全性。对于电力系统来说，其可靠性主要是指系统的保持稳定性和生存力。

   对保持稳定性的定义是设施在某段时间里连续保持稳定的属性。对生存力的定义是设施抗干扰，使干扰不致连续发展导致大面积损失负荷的属性。
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0 i3 c5 ]) `9 x( f   俄罗斯电力系统的安全准则规定于《电力系统稳定导则》、《电气装置规程》、《电力系统发展设计导则和规定》等文献中。
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$ X8 v2 p3 F; A, D( i) M   系统的安全运行基于《电力系统稳定导则》。其主要内容包括四个部分：总则、基本概念、对电力系统稳定性的要求、系统完成稳定要求情况的计算校核。
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1 q! a1 x, n' A& v: R   在总则中规定，该导则的主要目标是建立能保证电力系统和互联系统稳定运行的标准，并且要求各设计和施工单位必须遵守。
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) @# t0 Y- I) H6 Z   第二部分给出了电力系统、联络线、断面、系统接线方式、运行方式、断面有功静态稳定裕度、负荷点电压裕度、正常潮流、强制潮流、加重型潮流等的定义。并将系统的典型干扰规范化，分成Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ三组。

   第Ⅰ组干扰包括：
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   (1)切除500kV（对4于核电站联络线为750kV）或较低电压的线路元件；

- h/ J, c# {$ Y* _9 I   (2)任何电压级别的线路元件的单相短路故障，重合闸成功；

   (3)500kV（对于核电站联络线为750kV）或较低电压线路元件的单相短路故障，重合闸不成功；   

# V7 O; p2 f: u0 V( M3 f6 \   (4)除不多于一台发电机或机组的功率（系统中为数不多的几台最大功率机组除外）；

   第Ⅱ组干扰包括：
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# d4 X1 O* b% _0 P4 o3 N6 h. e, l   (1)750kV或以上电压线路元件；

   (2)750kV或较高电压线路元件的单相短路故障，重合闸不成功；

& D  b, w2 m: `# L& v7 I' k1 i  m   (3)500kV或较低电压线路元件的多相短路故障，重合闸成功或不成功；
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   (4)110-220kV线路元件单相短路，开关拒动，开关失灵保护动作；

. u( d) M" u  e0 b! O' z   (5)切机数量不少于一台发电机或发电机功率，但不多于系统中最大发电机组的功率或核电站同一反应堆的两台发电机功率之和。

% X6 ]  z/ D  B! D7 g) ?/ a   第Ⅲ组干扰包括：
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$ C" ^. i8 T7 k' {8 y. P   (1)750kV或较高电压线路元件的多相短路故障，重合闸成功或不成功；
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   (2)330kV或较高电压线路元件单相短路，开关拒动，开关失灵保护动作；

   (3)110kV或较高电压线路元件多相短路，开关拒动，开关失灵保护动作；
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( s  [* l! H6 |) o, j# A; H+ q/ l0 f   (4)切机数量不少于第Ⅱ组中对切机容量的规定，但不多于同一分段母线的功率或者电站同一电压配电设备功率，或者50%的电站功率。

   第三部分对电力系统的稳定提出要求。
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   规定系统在正常潮流和加重型潮流条件下断面最小有功静稳裕度为20%，负荷点电压最小裕度为15%。加重型潮流是指在最大负荷和最小负荷运行方式下，发电站主要设备检修搭配不利时的潮流，并且规定这种运行方式的持续期不应超过一年的10%。
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' @& ~8 i8 `0 K+ Y( l5 j   对系统抗干扰能力的要求是这样规定的：设计中在正常方式接线图和正常潮流下，500kV及以下的线路在Ⅰ组干扰下应该保持稳定，不用采取反故障自动保护措施。

   除此之外，在正常方式接线图和正常潮流下对系统进行Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ组干扰校核，考虑反故障自动保护措施。
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   在检修方式接线图和正常潮流下对系统进行Ⅰ、Ⅱ组干扰校核，考虑反故障自动保护措施。

* l* @" ^; f4 K' O; D5 V   在正常方式接线图和加重潮流下对系统进行Ⅰ、Ⅱ组干扰校核，考虑反故障自动保护措施。
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. V4 z. |: B8 k' m- R, o   在检修方式接线图和加重潮流下对系统进行Ⅰ组干扰校核，考虑反故障自动保护措施。

. A2 `* f2 X; a( p: x7 ?/ w   在进行以上干扰校核时，系统不仅要保持暂态稳定，同时要满足故障后运行方式下最小有功静稳裕度为8%、负荷点电压最小裕度为10%的要求。

3 y' b' z3 e/ i1 n. ?) ~) w; n( p& X   第四部分为如何进行系统稳定校核提供方法和模型。
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, A( F- Y/ Y, c7 N   另外，俄罗斯对系统备用容量、系统联络线和断面传输能力也有相关的规定。在《电力系统发展设计导则和规定》中还引入了一些衡量电力系统可靠性的概率性指标。这些指标都是在电网多年运行的经验基础上通过统计得出的，多用于电网方案比较。

/ i8 o, N& B2 Z: x; ]* F& }- d   四、结束语

5 E5 s" Z7 p# C2 W2 u8 ^0 G% r; B2 T2 }   综上所述，可以看出，俄罗斯在制订可靠性准则时主要突出系统的稳定问题。为了确保系统的可靠性，除了规定事故前、后运行方式下断面的最小静稳定裕度、负荷点电压最小裕度外，规划的重点放在规范化干扰下系统反事故自动装置的设计上。这是因为俄罗斯电网的跨度很大，通过加强电网来提高安全度的方式有时候是不现实的，因此其主要的手段是加强系统的反事故保护措施。其原理是通过对特定的（即规范化的）事故的动态稳定性的初步计算，选择和协调反事故自动化的措施（如切机或降低发电机出力、切负荷、切电抗器等），使系统成功地过渡到事故后方式。
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+ e6 G0 J; o) c   欧美各国在制订可靠性准则时主要考虑互联系统的充裕度和安全度，其目的是使系统在较可能发生的事故时不损失负荷，保证连续供电；在较不可能发生的事故时，将全停概率减少到最小，即这些事故应不引起系统的连锁反应和崩溃。其设计侧重于选用可靠性高的元件，提高系统的备用和输电线路的容量，使系统具有很高的冗余度，满足系统持续供电的要求。只有在发生较严重干扰时，采取紧急状态控制措施，防止断电范围的扩大。比如，使用自动解列装置、发电机快速跳闸、自动快速减负荷等。

: u7 U: ~. C, |3 r   尽管看问题的侧重点和思路不同，但他们的总目标和采取的策略基本相同。即为了保证电网的安全运行，首先可以通过提高元件可靠性、提高系统的备用和输电线路的容量达到。但仅仅这一措施是不够的，还需要考虑紧急情况下的保护措施。只有组成一个严谨的、纵深的防线，才能阻止事故的蔓延，全面提高系统的可靠性。

caballo

周家启教授是我国电力系统可靠性领域的最权威的专家

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这篇文章写的相当的不错

caballo

电力工业发展需要先进可靠的装备

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【标题】 国外电网规划可靠性准则综述
【作者】 李晨光,郭剑波,张东霞
【关键词】 电网规划;;可靠性;;稳定性;;准则
【机构】 中国电力科学研究院!北京 清河 100085,中国电力科学研究院!北京 清河 100085,中国电力科学研究院!北京 清河 100085
3 F# s2 g2 q% _8 E: K【英文篇名】 Planning Reliability Criteria for Power Systems in Foreign Countries  
. v; f7 I, Q( T& h【中文刊名】 中国电力
【年】 2000
- n0 Y4 }9 }; q4 W. F6 Q【期】 10

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顶一个，中国采用什么原则呢？

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中国设备故障率如何确定?系统可靠性如何定义？

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