計算機系統可靠性
[拼音]：dianlixitong
[英文]：power system
由發電、輸電、變電、配電和用電等環節組成的電能生產與消費系統。它的功能是將自然界的一次能源通過發電動力裝置轉化成電能，再經輸電、變電和配電將電能供應到各使用者。為實現這一功能，電力系統在各個環節和不同層次還具有相應的資訊與控制系統，對電能的生產過程進行測量、調節、控制、保護、通訊和排程，以保證使用者獲得安全、經濟、優質的電能(圖1)。
電力系統的出現，使電能得到廣泛應用，推動了社會生產各個領域的變化，開創了電力時代，出現了近代史上的第二次技術革命。20世紀以來，電力系統的大發展使動力資源得到更充分的開發，工業佈局也更為合理，使電能的應用不僅深刻地影響著社會物質生產的各個側面，也越來越廣地滲透到人類日常生活的各個層面。電力系統的發展程度和技術水準已成為各國經濟發展水平的標誌之一。
發展簡況
最早的電力系統是簡單的住戶式供電系統，由小容量發電機單獨向燈塔、輪船、車間等照明供電。白熾燈的發明，使電能的應用進入千家萬戶，從而出現了中心電站式供電系統，如1882年T.A.愛迪生在紐約主持建造了珍珠街電站。它裝有6臺直流發電機，總容量為900馬力（約670千瓦），用110伏電壓供給電燈照明（開始時，近1300盞燈）。19世紀90年代初，三相交流輸電研究成功，隨之，三相感應電動機及交流功率表也先後研製成功，推動了電力系統的發展。1895年在美國尼亞加拉建成了複合電力系統，這是早期交流電力系統的代表。它裝有單機容量為5000馬力的交流水力發電機，用二相制交流2.2千伏向地區負荷供電，又用三相制交流11千伏輸電線路與巴伐洛電站相連，還使用了變壓器和交直流變換器將交流電變為100～230伏直流電，供應照明、化工、動力等負荷。尼亞加拉電力系統的成功，結束了長達10年的關於直流輸電（以愛迪生為代表）與交流輸電（以G.威斯汀豪斯為代表）方案之爭。交流電力系統可以提高輸電電壓，增加裝機容量，延長輸電距離，節省導線材料，具有無可爭辯的優越性。交流輸電地位的確定，成為電力系統大發展的新起點。
進入20世紀後，人們普遍認識到擴大電力系統規模可以在能源開發、工業佈局、負荷調整、安全與經濟執行等方面帶來顯著的社會經濟效益。於是，以電力負荷的增長、發電機單機容量的增大和輸電電壓的提高為基礎，電力系統的規模迅速發展。發達國家的動力、冶煉、化工、輕工、生活用電等電力總負荷平均每10年增加一倍。70年代，火力發電的單機容量已達到130萬千瓦，水力發電的單機容量達73萬千瓦，核電站的最大單堆電功率達 130萬千瓦。輸電電壓等級的提高是擴大電力系統規模的主要技術手段和必然途徑。從20世紀初開始出現110千伏輸電電壓，到80年代許多國家普遍建立了500～765千伏超高壓輸電的電力系統。1150千伏和 1500千伏特高壓輸電也已進入試驗或試執行階段。50年代以來，電力電子技術的進步，使直流輸電技術獲得新生，實現了高壓和超高壓直流輸電，配合交流輸電組成交直流混合系統，改進了電力傳輸和系統互聯的功能。
經過一個多世紀的發展，許多國家都建成了總裝機容量數億千瓦的區域性大電力系統，並且在本國或跨國間互聯，例如英、法、德、意電力系統互聯，加拿大與美國電力系統互聯，蘇聯與東歐國家電力系統互聯等。蘇聯還在全國範圍建立起統一電力系統，東西延伸7000公里，南北延伸3000公里，覆蓋了大約1000萬平方公里的領土。從19世紀80年代的住戶電站到20世紀80年代的聯合電力系統，電力系統已經成為現代社會的能源動脈和基礎產業，並且仍在繼續發展和提高。
中國的電力系統從50年代以來迅速發展。到1991年底，電力系統裝機容量為14600萬千瓦，年發電量為6750億千瓦時，均居世界第4位；220千伏輸電線路達46056公里，330千伏輸電線路3817公里。裝機容量超過1500萬千瓦以上的有東北、華北、華東、華中等 4個大區的電力系統。各大區電力系統之間已開始互聯，逐步形成全國範圍的聯合電力系統。全國各級排程中，已經有約60個程度不同地建立了電力系統監控系統，其中投入執行的線上計算機約70臺，省級排程管轄的遠動裝置約1200臺。此外，1989年中國臺灣省電力系統的裝機容量達1659萬千瓦，年發電量769億千瓦時，345千伏輸電線路1192公里。
系統構成
電力系統的主體結構有電源（水電站、火電廠、核電站等發電廠），變電所（升壓變電所、負荷中心變電所等），輸電、配電線路和負荷中心。各電源點還互相聯接以實現不同地區之間的電能交換和調節，從而提高供電的安全性和經濟性。輸電線路與變電所構成的網路通常稱電力網路。電力系統的資訊與控制系統由各種檢測裝置、通訊裝置、安全保護裝置、自動控制裝置以及監控自動化、排程自動化系統組成。電力系統的結構應保證在先進的技術裝備和高經濟效益的基礎上，實現電能生產與消費的合理協調。其典型結構如圖2。
根據電力系統中裝機容量與用電負荷的大小，以及電源點與負荷中心的相對位置，電力系統常採用不同電壓等級輸電（如高壓輸電或超高壓輸電），以求得最佳的技術經濟效益。根據電流的特徵，電力系統的輸電方式還分為交流輸電和直流輸電。交流輸電應用最廣。直流輸電是將交流發電機發出的電能經過整流後採用直流電傳輸。
由於自然資源分佈與經濟發展水平等條件限制，電源點與負荷中心多處於不同地區。由於電能目前還無法大量儲存，輸電過程本質上又是以光速進行，電能生產必須時刻保持與消費平衡。因此，電能的集中開發與分散使用，以及電能的連續供應與負荷的隨機變化，就成為制約電力系統結構和執行的根本特點。
系統執行
指系統的所有組成環節都處於執行其功能的狀態。電力系統的基本要求是保證安全可靠地向用戶供應質量合格、價格便宜的電能。所謂質量合格，就是指電壓、頻率、正弦波形這 3個主要參量都必須處於規定的範圍內。電力系統的規劃、設計和工程實施雖為實現上述要求提供了必要的物質條件，但最終的實現則決定於電力系統的執行。實踐表明，具有良好物質條件的電力系統也會因執行失誤造成嚴重的後果。例如，1977年7月13日，美國紐約市的電力系統遭受雷擊，由於保護裝置未能正確動作，排程中心掌握實時資訊不足等原因，致使事故擴大，造成系統瓦解，全市停電。事故發生及處理前後延續25小時，影響到900萬居民供電。 據美國能源部最保守的估計，這一事故造成的直接和間接損失達3.5億美元。60～70年代，世界範圍內多次發生大規模停電事故，促使人們更加關注提高電力系統的執行質量，完善排程自動化水平。
電力系統的執行常用執行狀態來描述，主要分為正常狀態和異常狀態。正常狀態又分為安全狀態和警戒狀態，異常狀態又分為緊急狀態和恢復狀態。電力系統執行包括了所有這些狀態及其相互間的轉移(圖3)。
各種執行狀態之間的轉移，需通過控制手段來實現，如預防性控制，校正控制和穩定控制，緊急控制，恢復控制等。這些統稱為安全控制。
電力系統在保證電能質量、安全可靠供電的前提下，還應實現經濟執行，即努力調整負荷曲線，提高裝置利用率，合理利用各種動力資源，降低煤耗、廠用電和網路損耗，以取得最佳經濟效益。
安全狀態
指電力系統的頻率、各點的電壓、各元件的負荷均處於規定的允許值範圍，並且，當系統由於負荷變動或出現故障而引起擾動時，仍不致脫離正常執行狀態。由於電能的發、輸、用在任何瞬間都必須保證平衡，而用電負荷又是隨時變化的，因此，安全狀態實際上是一種動態平衡，必須通過正常的調整控制（包括頻率和電壓──即有功和無功調整）才能得以保持。
警戒狀態
指系統整體仍處於安全規定的範圍，但個別元件或區域性網路的執行引數已臨近安全範圍的閾值。一旦發生擾動，就會使系統脫離正常狀態而進入緊急狀態。處於警戒狀態時，應採取預防控制措施使之返回安全狀態。
緊急狀態
指正常狀態的電力系統受到擾動後，一些快速的保護和控制已經起作用，但系統中某些樞紐點的電壓仍偏移，超過了允許範圍；或某些元件的負荷超過了安全限制，使系統處於危機狀況。緊急狀態下的電力系統，應儘快採用各種校正控制和穩定控制措施，使系統恢復到正常狀態。如果無效，就應按照對使用者影響最小的原則，採取緊急控制措施，使系統進入恢復狀態。這類措施包括使系統解列（即整個系統分解為若干區域性系統，其中某些區域性系統不能正常供電）和切除部分負荷（此時系統尚未解列，但不能滿足全部負荷要求，只得去掉部分負荷）。在這種情況下再採取恢復控制措施，使系統返回正常執行狀態。
系統排程
電力系統需要依靠統一的排程指揮系統以實現正常調整與經濟執行，以及進行安全控制、預防和處理事故等。根據電力系統的規模，排程指揮系統多是分層次建立，既分工負責，又統一指揮、協調，並採用各種自動化裝置，建立自動化排程系統。
系統規劃
電能是二次能源。電力系統的發展既要考慮一次能源的資源條件，又要考慮電能需求的狀況和有關的物質技術裝備等條件，以及與之相關的經濟條件和指標。在社會總能源的消耗中，電能所佔比例始終呈增長趨勢。資訊化社會的發展更增加了對電能的依賴程度。以美國為例，1920～1970年期間，電能佔能源總消耗的比例由11％上升到26％，90年代將超過40％。為滿足使用者對電能不斷增長的需要，必須在科學規劃的基礎上發展電力系統。電力系統的建設不僅需要大量投資，而且需要較長時間。電能供應不足或供電不可靠都會影響國民經濟的發展，甚至造成嚴重的經濟損失；發電和輸、配電能力過剩又意味著電力投資效益降低，從而影響發電成本。因此，必須進行電力系統的全面規劃，以提高發展電力系統的預見性和科學性。
制定電力系統規劃首先必須依據國民經濟發展的趨勢（或計劃），做好電力負荷預測及一次能源開發佈局，然後再綜合考慮可靠性與經濟性的要求，分別作出電源發展規劃、電力網路規劃和配電規劃。
在電力系統規劃中，需綜合考慮可靠性與經濟性，以取得合理的投資平衡。對電源裝置，可靠性指標主要是考慮裝置受迫停運率、水電站枯水情況下電力不足概率和電能不足期望值；對輸、變電裝置，可靠性指標主要是平均停電頻率、停電規模和平均停電持續時間。大容量機組的單位容量造價較低，電網互聯可減少總的備用容量。這些都是提高電力系統經濟性需首先考慮的問題。
電力系統是一個龐大而複雜的大系統，它的規劃問題還需要在時間上展開，從多種可行方案中進行優選。這是一個多約束條件的具有整數變數的非線性問題，遠非人工計算所能及。60年代以來出現的系統工程理論，以及計算技術的發展，為電力系統規劃提供了有力的工具。
負荷預測
是制訂電力系統規劃的重要基礎。它要求預先估算規劃期間各年需要的總電能和最大負荷，並預測各負荷點的地理位置。預測方法有按照地區、用途（工業、農業、交通、市政、民用等）累計的方法和巨集觀估算方法。後者就是考慮電力負荷與國民生產總值的關係，電力負荷增長率與經濟增長率的關係，按時間序列由歷史資料估算出規劃期間電力負荷的增長。由於負荷預測中不確定因素很多，因此，往往需採用多種方法互相校核，最後由規劃者作出決策。
能源佈局
可用於發電的一次能源主要有河流的水力、化石燃料(煤、石油、天然氣)和核燃料等。一次能源的規劃決定於各種能源的儲量及開發條件。水力資源屬再生能源，一般講具有發電成本低的特點，但建造週期長。水力資源和大型水利樞紐的開發方案是發電、灌溉、航運、水土保持及生態環境效益綜合平衡的結果。許多國家的電力系統在發展初期是優先發展水電，形成“水主火從”的局面。20世紀50年代末，發達國家中條件較好的水力資源已經充分開發，逐漸轉為“火主水從”的局面。在火電開發中，以煤為燃料佔主要地位。發達國家用於發電的煤炭約佔煤炭總消費量的50％以上。利用天然氣和石油為燃料的火電廠也佔一定比例。70年代世界性石油危機後，以核燃料為動力的發電站得到了較快的發展。
電源規劃
主要是根據各種發電方式的特性和資源條件，決定增加何種形式的電站(水電、火電、核電等)，以及發電機組的容量與臺數。承擔基荷為主的電站，因其利用率較高，宜選用適合長期執行的高效率機組，如核電機組和大容量、高參數火電機組等，以降低燃料費用。承擔峰荷為主的電站，因其年利用率低，宜選用啟動時間短、能適應負荷變化而投資較低的機組，如燃汽輪機組等。至於水電機組，在豐水期應儘量滿發，承擔系統基荷；在枯水期因水量有限而帶峰荷。
由於水電機組的造價僅佔水電站總投資的一小部分，近年來多傾向於在水電站中適當增加超過保證出力的裝機容量（即加大裝機容量的逾量），以避免棄水或減少棄水。對有條件的水電站，世界各國均致力發展抽水蓄能機組，即系統低谷負荷時，利用火電廠的多餘電能進行抽水蓄能；當系統高峰負荷時，再利用抽蓄的水能發電。儘管抽水-蓄能-發電的總效率僅2/3，但從總體考慮，安裝抽水蓄能機組比建造調峰機組還是經濟，尤其對調峰容量不足的系統更是如此。
電網規劃
在已確定的電源點和負荷點的前提下，合理選擇輸電電壓等級，確定網路結構及輸電線路的輸送容量，然後對系統的穩定性、可靠性和無功平衡等進行校核。
配電規劃
確定配電變電站的容量和位置、配電網路結構、配電線路導線截面選擇、電壓水平與無功補償措施，以及可靠性校驗等。
資訊與控制
電力系統中的資訊與控制子系統是實現電力系統資訊傳遞的神經網路。它使電力系統具有可觀測性與可控性，從而保證電能生產與消費過程的正常進行，以及在事故狀態下的緊急處理。從電力系統誕生之日起，資訊與控制子系統就是電力系統必不可少的組成部分，它在不同水平上的完善和發展，才使電能的廣泛應用成為現實。
電力系統資訊與控制子系統的進步，保證了電能質量，提高了電力系統安全執行水平，改善了勞動條件，提高了勞動生產率，還為電力系統的經營決策提供有力支援，從概念上、方法上對電力系統執行分析和經營管理賦予新的內容。
功能
資訊與控制子系統的作用主要在保證電力系統安全、穩定、經濟地執行。它執行以下 3項任務。
（1）正常執行狀態的監測、記錄，正常操作與調整(自動維持頻率和電壓等)；
（2）異常狀態及事故狀態下的報警、保護、緊急控制及事故記錄；
（3）執行管理，進行短期負荷預測，制定發電計劃，實現經濟排程等。
組成與執行
20世紀50年代以來，隨著通訊技術與控制理論的發展，以及電子計算機和微電子技術的應用，電力系統的資訊與控制逐步向以計算機網路為標誌的綜合排程自動化方向發展。電力系統排程自動化計算機系統的基本組成如圖4。
由被控端（發電廠、變電所）採集各種執行資訊（包括開關量、模擬量和數字量），經轉換後由通道（資料傳輸系統）傳送到排程端，再由排程端計算機接受資料，經過處理後，或進行顯示監測，或進行記錄製表，或作出控制決策，再由通道傳送到被控端進行操作、控制。由於電力系統結構複雜，地域廣闊，一般採用分級、分層排程控制。圖5是一個二層控制系統的示例。
研究與開發
電力系統的發展是研究開發與生產實踐相互推動、密切結合的過程，是電工理論、電工技術以及有關科學技術和材料、工藝、製造等共同進步的集中反映。電力系統的研究與開發，還在不同程度上直接或間接地對於資訊、控制和系統理論以及計算技術起了推動作用。反過來，這些科學技術的進步又推動著電力系統現代化水平的日益提高。
從19世紀末到20世紀20、30年代，交流電路的理論、三相交流輸電理論、分析三相交流系統的不平衡執行狀態的對稱分量法、電力系統潮流計算、短路電流計算、同步電機振盪過程和電力系統穩定性分析、流動波理論和電力系統過電壓分析等均已成熟，形成了電力系統分析的理論基礎。隨著系統規模的增大，人工計算已經遠遠不能適應要求，從而促進了專用模擬計算工具的研製。20世紀20年代，美國麻省理工學院電機系首次研製成功機械式模擬計算機──微分儀，後來改進成為電子管、繼電器式模擬計算機，以後又研製成直流計算臺和網路分析儀，成為電力系統研究的有力工具。50年代以來，電子計算機技術的發展和應用，使大規模電力系統的精確、快速計算得以實現，從而使電力系統分析的理論和方法進入一個嶄新的階段。
在電力系統的主體結構方面，燃料、動力、發電、輸變電、負荷等各個環節的研究開發，大大提高了電力系統的整體功能。高電壓技術的進步，各種超高壓輸變電裝置的研製成功，電暈放電與長間隙放電特性的研究等，為實現超高壓輸電奠定了基礎。新型超高壓、大容量斷路器以及氣體絕緣全封閉式組合電器，其額定切斷電流已達100千安， 全開斷時間由早期的數十個工頻周波縮短到1～2個周波，大大提高了對電網的控制能力，並且降低了過電壓水平。依靠電力電子技術的進步實現了超高壓直流輸電。由電力電子器件組成的各種動力負荷，為節約用電提供了新的技術裝備。
超導電技術的成就展示了電力系統的新前景。30萬千瓦超導發電機已經投入試執行，並且還繼續研製容量為百萬千瓦級的超導發電機。超導材料效能的改進會使超導輸電成為可能。利用超導線圈可研製超導儲能裝置。動力蓄電池和燃料電池等新型電源裝置均已有千瓦級的產品處於試執行階段，並正逐步進入工業應用，這些研究課題有可能實現電能儲存和建立分散、獨立的電源，從而引起電力系統的重大變革。
在各工業部門中，電力系統是規模最大、層次很複雜、實時性要求嚴格的實體系統。無論是系統規劃和基本建設，還是系統執行和經營管理，都為系統工程、資訊與控制的理論和技術的應用開拓了廣闊的園地，並促進了這些理論、技術的發展。針對電力系統的特點，60年代以來在電力系統執行的安全分析與管理中，在電力系統規劃和設計中，都廣泛引入了系統工程方法，包括可靠性分析及各種優化方法。電子技術、計算機技術和資訊科技的進步，使電力系統監控與排程自動化發展到一個新的階段，並在理論上和技術上繼續提出新的研究課題。
參考書目
W.D.Stevenson， Elements of Power System Analysis，McGraw-Hill Book Company，NewYork，1982.
陳珩著：《電力系統》，電力工業出版社，北京，1982。