قابلیت اطمینان در سیستم‌های قدرت

فصل اوّل: مقدمه – مفاهیم اولیه

1-1- مفهوم قابلیت اطمینان ......................................................................................................... 1
1-2- تقسیم‌بندی سیستم‌ها بر اساس هدف ساخت ...................................................................... 2
1-2-1- سیستم‌های با عملکرد خاص (تعمیرناپذیر) ............................................................... 2
1-2-2- سیستم‌های با عملکرد پیوسته (تعمیرپذیر) ............................................................... 2
1-3- ارزیابی عملکرد سیستم‌ها .................................................................................................... 3
1-4- روش‌های ارزیابی قابلیت اطمینان ........................................................................................ 4
1-4-1- روش تحلیلی ............................................................................................................ 4
1-4-2- روش شبیه‌سازی ....................................................................................................... 5
1-5- بهبود قابلیت اطمینان ............................................................................................................ 5
1-6- هزینه و ارزش قابلیت اطمینان ............................................................................................. 6
1-7- مفاهیم کفایت و امنیت ......................................................................................................... 9
1-8- منابع و مآخذ ..................................................................................................................... 10
فصل دوّم: مبانی ریاضی قابلیت اطمینان (احتمال)

2-1- مقدّمه ................................................................................................................................. 11
2-2- مفاهیم احتمال مجموعه‌ها .................................................................................................. 12
2-2-1- ترتیب ..................................................................................................................... 13
2-2-2- ترکیب .................................................................................................................... 15
2-2-3- قواعد مجموعه‌ها .................................................................................................... 16
2-2-4- احتمال شرطی ........................................................................................................ 16
2-2-5- قضیۀ بیز ................................................................................................................. 21
2-3- متغیر تصادفی ...................................................................................................................... 24
2-3-1- انواع متغیرهای تصادفی .......................................................................................... 26
2-3-2- تعاریف و خصوصیات توابع مربوط به متغیر تصادفی گسسته ............................... 26
2-3-3- تعاریف و خصوصیات توابع مربوط به متغیر تصادفی پیوسته ................................ 30
2-3-4- امید ریاضی (مقدار مورد انتظار ) ........................................................................... 32
2-3-5- ممان دوم یا واریانس .............................................................................................. 33
2-3-6- انواع توزیع‌های احتمالی ......................................................................................... 34
2-4- توزیع دو‌جمله‌ای و کاربرد آن ..................................................................................... 35
2-4-1- مقدمه ...................................................................................................................... 35
2-4-2- آزمایش برنولی ....................................................................................................... 35
2-4-3- معنای p و q در عضوهای سیستم قدرت ............................................................... 39
2-5- سؤالات مروری ................................................................................................................. 44
2-6- منابع و مآخذ ..................................................................................................................... 44
فصل سوّم: ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم‌ها: روش‌‌های پایه

3-1- مقدّمه ................................................................................................................................. 47
3-2- ارزیابی قابلیت اطمینان در سیستم‌های ساده ...................................................................... 49
3-2-1- سیستم‌های سری .................................................................................................... 49
3-2-2- سیستم‌های موازی .................................................................................................. 50
3-2-3- سیستم‌های ترکیبی سری و موازی ......................................................................... 51
3-2-4- سیستم‌های مازاد جزئی .......................................................................................... 53
3-2-5- سیستم‌های با عضو آماده به‌کار ............................................................................... 56
3-2-6- سیستم با حالت خطای چندگانه ............................................................................. 60
3-3- ارزیابی قابلیت اطمینان در سیستم‌های پیچیده ................................................................... 62
3-3-1- روش احتمال شرطی .............................................................................................. 62
3-3-2- روش تحلیل مجموعه‌های انقطاع ........................................................................... 65
3-3-3- روش تحلیل مجموعه‌های اتصال ........................................................................... 76
3-3-4- روش درخت رویداد .............................................................................................. 79
3-3-5- روش درخت خطا .................................................................................................. 93
3-4- سؤالات مروری ............................................................................................................... 101
3-5- منابع و مآخذ ................................................................................................................... 106
فصل چهارم: ارزیابی قابلیت اطمینان تجهیزات منفرد

4-1- مقدّمه ............................................................................................................................... 107
4-2- نسبت انتقال (نرخ خرابی و نرخ تعمیر) .......................................................................... 109
4-3- تابع توزیع نمایی ............................................................................................................. 112
4-4- منحنی وان حمامی .......................................................................................................... 116
4-5- کاربرد توزیع نمایی ......................................................................................................... 118
4-6- کاربرد توزیع پوآسون ...................................................................................................... 121
4-7- سؤالات مروری ............................................................................................................... 125
4-8- منابع و مآخذ ................................................................................................................... 128

فصل پنجم: ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم‌ها: روش استفاده از توزیع‌های احتمال

5-1- مقدّمه ............................................................................................................................... 129
5-2- سیستم سری با توزیع نمایی ............................................................................................ 130
5-3- سیستم موازی با توزیع نمایی .......................................................................................... 132
5-4- سیستم‌های با عضوهای مازاد .......................................................................................... 134
5-5- میانگین زمان تا از کار افتادن سیستم (MTTF) ............................................................... 135
5-6- سیستم‌های با عضو آماده به‌کار ........................................................................................ 139
5-6-1- کلیدزنی بدون نقص ............................................................................................. 139
5-6-2- کلیدزنی ناقص ..................................................................................................... 141
5-6-3- سیستم‌های با n عضو آماده به‌کار ......................................................................... 142
5-7- سؤالات مروری ............................................................................................................... 144
5-8- منابع و مآخذ ................................................................................................................... 146

فصل ششم: ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم‌ها: روش استفاده از مدل مارکوف

6-1- مقدّمه ............................................................................................................................... 147
6-2- زنجیرۀ گسستۀ مارکوف .................................................................................................. 148
6-2-1- مدل‌سازی زنجیرۀ مارکوف ................................................................................ 149
6-2-2- ماتریس احتمال گذار حالت تصادفی ................................................................... 153
6-2-3- ارزیابی مقادیر حدی حالت‌ها .............................................................................. 155
6-2-4- حالت ماندگار با وجود حالت جاذب ................................................................... 157
6-3- فرآیندهای پیوستۀ مارکوف .............................................................................................. 164
6-3-1- مدل‌سازی فرآیند مارکوف پیوسته ........................................................................ 165
6-3-2- ارزیابی احتمال حالت‌ها بر حسب زمان ............................................................... 167
6-3-3- ارزیابی مقادیر حدی حالت‌ها .............................................................................. 169
6-3-4- مدت زمان تا خرابی و مدت زمان تا تعمیر .......................................................... 170
6-3-5- دیاگرام فضای حالت برای دو عضو ..................................................................... 171
6-3-6- دیاگرام فضای حالت برای دو عضو مشابه ........................................................... 173
6-3-7- دیاگرام فضای حالت سیستم‌های با عضو آماده به‌کار ........................................... 175
6-3-8- دیاگرام فضای حالت برای سه عضو تعمیرپذیر ................................................... 178
6-3-9- میانگین تا زمان خرابی و تا زمان تعمیر دو عضو مشابه ....................................... 180
6-4- اثر عضوهای ذخیره در مدل مارکوف .............................................................................. 184
6-4-1- سیستم با یک عضو و بدون عضو ذخیره ............................................................. 186
6-4-2- سیستم با یک عضو اصلی و یک عضو ذخیرۀ مشابه ............................................ 187
6-4-3- سیستم با یک عضو و دو عضو ذخیرۀ مشابه ....................................................... 190
6-4-4- سیستم با دو عضو مشابه و یک عضو ذخیره ....................................................... 191
6-4-5- تعیین تعداد عضوهای ذخیره با استفاده از فرآیند پوآسون ................................... 192
6-5- سؤالات مروری ............................................................................................................... 193
6-6- منابع و مآخذ ................................................................................................................... 198
فصل هفتم: ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم‌ها: روش‌های فرکانس و دورۀ زمانی

7-1- مقدّمه ............................................................................................................................... 199
7-2- مفاهیم فرکانس ................................................................................................................ 200
7-3- مفهوم فرکانس در سیستم‌های چند حالته ........................................................................ 203
7-4- مدت زمان میانگین در هر حالت ..................................................................................... 206
7-5- استفاده از حالت‌های تجمیع شده در محاسبۀ فرکانس .................................................... 208
7-6- محاسبۀ مقادیر حدی با استفاده از روش موازنۀ فرکانس ................................................. 214
7-7- مفاهیم فرکانس و دورۀ زمانی برای سیستم با عضوهای ذخیره ....................................... 216
7-7-1- فرکانس و دورۀ زمانی برای سیستم با یک عضو اصلی و بدون عضو ذخیره ....... 216
7-7-2- فرکانس و دورۀ زمانی برای سیستم با یک عضو اصلی با عضو ذخیرۀ مشابه ...... 218
7-8- سؤالات مروری ............................................................................................................... 221
7-9- منابع و مآخذ ................................................................................................................... 224
فصل هشتم: ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم‌ها: معادل‌سازی سیستم‌ها در شرایط مختلف

8-1- مقدّمه ............................................................................................................................... 225

8-2- لزوم معادل‌سازی سیستم‌ها .............................................................................................. 226
8-3- معادل‌سازی براساس روش کاهش شبکه ........................................................................ 228
8-3-1- معادل‌سازی عضوهای سری ................................................................................. 229
8-3-2- معادل‌سازی دو عضو موازی ................................................................................ 231
8-4- معادل‌سازی براساس روش کوچکترین مجموعۀ انقطاع .................................................. 236
8-5- معادل‌سازی سیستم‌ها با وجود شرایط آب و هوایی ........................................................ 241
8-6- تأثیر فرآیند سرویس و نگهداری در معادل‌سازی سیستم‌ها ............................................. 251
8-7- سؤالات مروری ............................................................................................................... 259
8-8- منابع و مآخذ ................................................................................................................ 261
فصل نهم: ارزیابی قابلیت اطمینان سیستم‌های تولید نیروگاهی

9-1- مقدّمه ............................................................................................................................... 263
9-2- مرور مختصری بر توزیع دو جمله‌ای .............................................................................. 264
9-3- ارزیابی قابلیت اطمینان در ظرفیت تولید نیروگاه ............................................................. 264
9-3-1- محاسبۀ نرخ خروج اجباری ................................................................................. 265
9-3-2- ارزیابی قابلیت اطمینان واحدهای تولیدی با FOR های مشابه ............................. 265
9-3-3- ارزیابی قابلیت اطمینان واحدهای نیروگاهی با FOR های متفاوت ...................... 273
9-4- اثر درصد ذخیره بر ظرفیت تولید نیروگاهی .................................................................... 275
9-4-1- روش احتمالاتی ................................................................................................... 276
9-4-2- روش غیراحتمالاتی .............................................................................................. 278
9-4-3- روند توسعۀ واحدهای تولیدی براساس ریسک ................................................... 283
9-5- شاخص‌های احتمالاتی تأمین بار شبکه براساس واحدهای تولیدی ................................ 285
9-5-1- شاخص احتمال از دست دادن بار (LOLP) ........................................................ 287
9-5-2- شاخص امید ریاضی از دست دادن بار (LOLE) ................................................. 290
9-5-3- شاخص امید ریاضی از دست دادن انرژی (LOEE) ............................................ 296
9-6- ارزیابی ظرفیت تولید براساس روش‌های فرکانس و دورۀ زمانی .................................... 298
9-6-1- مدل واحد تولیدی به‌کار گرفته شده ................................................................... 298
9-6-2- مدل تولیدی براساس روش پایه‌ای ...................................................................... 299
9-6-3- مدل تولیدی براساس الگوریتم بازگشتی .............................................................. 304
9-7- سؤالات مروری ............................................................................................................... 310
9-8- منابع و مآخذ ................................................................................................................... 312
فصل دهم: ارزیابی قابلیت اطمینان پست‌ها و سیستم‌های انتقال

10-1- مقدّمه ............................................................................................................................ 313
10-2- ارزیابی قابلیت اطمینان پست‌های سیستم انتقال ............................................................ 314
10-2-1- طرح شینه‌بندی منفرد (سیستم I) ....................................................................... 314
10-2-2- طرح شینه‌بندی دوبل و بریکر دوبل (سیستم II) ............................................... 315
10-2-3- طرح شینه‌بندی یک و نیم بریکری (سیستم III) ................................................ 318
10-2-4- طرح شینه‌بندی حلقوی (سیستم IV) ................................................................. 320
10-3- طرح‌های ترکیبی شینه‌بندی پست‌ها و خطوط انتقال ..................................................... 325
10-4- سؤالات مروری ............................................................................................................. 332
10-5- منابع و مآخذ ................................................................................................................. 334
فصل یازدهم: ارزیابی قابلیت اطمینان شبکه‌های توزیع

11-1- مقدّمه ............................................................................................................................ 335
11-2- روش‌های ارزیابی قابلیت اطمینان شبکه‌های توزیع ...................................................... 336
11-3- روش‌های متداول در ارزیابی قابلیت اطمینان شبکه‌های توزیع ..................................... 339
11-4- ارزیابی ظرفیت تولید براساس روش‌های فرکانس و دورۀ زمانی .................................. 346
11-4-1- شاخص‌های قطع برق مبتنی بر مشترک ............................................................. 346
11-4-2- شاخص‌های قطع برق مبتنی بر بار و انرژی ....................................................... 349
11-5- پیش‌بینی شبکه‌های توزیع براساس شاخص‌های قطع برق ............................................ 354
11-6- سؤالات مروری ............................................................................................................. 356
11-7- منابع و مآخذ ................................................................................................................. 358
فصل دوازدهم: شبیه‌سازی مونت کارلو

12-1- مقدّمه ............................................................................................................................ 359
12-2- تولید اعداد تصادفی ....................................................................................................... 360
12-3- انواع روش‌های شبیه‌سازی ............................................................................................ 362
12-4- روش شبیه‌سازی غیرمتوالی ........................................................................................... 362
12-4-1- روش احتمال تناسبی ......................................................................................... 363
12-4-2- روش تابع توزیع احتمال تجمعی ....................................................................... 364
12-4-3- مراحل اجرایی روش غیرمتوالی در سیستم‌های قدرت ...................................... 366
12-4-4- معیار همگرایی در روش غیرمتوالی ................................................................... 369
12-5- روش شبیه‌سازی متوالی ................................................................................................ 370
12-5-1- روش بازۀ زمانی ثابت ........................................................................................ 371
12-5-2- روش رویداد بعدی ............................................................................................ 373
12-5-3- معیار همگرایی در روش متوالی ......................................................................... 380
12-5-4- حالت‌های کاربردی ............................................................................................ 381
12-6- سؤالات مروری ............................................................................................................. 387
12-7- منابع و مآخذ ................................................................................................................. 388