CN102570450B - 一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，属于电力系统模拟与计算领域。本发明充分考虑了不同电压等级电网之间相互的影响，可用于计算不同电网结构方式下的系统可靠性指标，为运行和规划人员提供了一个较为直观的衡量系统安全稳定性的指标，通过指标可以定量的比较不同电网结构下系统的性能，发现电网的薄弱环节，用于提高电网规划的水平、优化电网结构，具有较好的实际指导意义和应用价值。

Description

一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法

技术领域

本发明属于电力系统模拟与计算领域，具体涉及一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法。

背景技术

随着现代电力系统规模日益扩大和复杂化，以及用户对电能质量要求的不断提高，特别是中国国内和国外的几次大停电事故的发生，电力系统安全可靠性引起了人们高度的重视。

可靠性就其定义而言，是指元件、设备、系统等在规定的条件下和预定的时间内，完成其预定功能的概率。可靠性研究的目的是对系统的长期规划和近期运行的可靠性水平进行预测和估计。

进行高压系统的可靠性评估，可以通过一定的拓扑分析程序，直接分析每条出线与源点的连接情况，找出引发停电的事件，然后评估该事件发生时的可靠性指标，这就是最小割集算法。

图论拓扑分析中常用到的概念分别解释如下：

(1)图：图是节点和弧的集合，由无向弧构成的图称为无向图；由有向弧构成的图称为有向图。

(2)路集：连接任意两节点间有向弧组成的弧的集合，称为这两个节点间的一条路，或称道路；由输入节点到输出节点的所有路的集合，称为路集。

(3)最小路：如果一条路中移去任意一条弧后就不再构成路，则称这条路为最小路；由最小路构成的集合称为最小路集。

(4)割集：割集是网络中由弧构成的一个集合，若这些弧失效，则导致网络由起点到终点的有向路径全部失效。

(5)最小割集：如果从一个割集中任意移去一条弧后就不再是割集，则称这个割集为最小割集。

在基于连通性的算法中，首先将主接线拓扑化，找出变电站到源点的最小路，然后结合一定的准则，求出系统正常工作的所有情况，也就是正常工作的通路集。将通路集中所有通路不交化后，就可以得到系统正常工作的拓扑表达式，根据这个拓扑表达式就可以分析出在给定的准则下系统的可靠性指标。

最小割集算法也是通过拓扑分析，搜索出变电站到源点的最小路，但并不去求系统正常的情况，而是通过对这些最小路进行数学处理，得到影响变电站到源点的故障集合。从图论上理解，这个故障集合就是变电站到源点的最小割集，它与偶发事故枚举法中所提到的停运事故的特性有很好的相近之处，也就是低阶割集事件不会出现在高阶割集事件中，而且这些事件就是偶发事故枚举法中提到的对系统可靠性影响最大的停运事件组合。

同样给出了可靠性准则(判据)后，从故障集合中提取不满足该准则的停运事件，通过对这些事件进行后果分析，就可以得到系统的可靠性指标。

基于最小割集法的偶发事故枚举法的流程如附图1所示。

最小割集算法是系统可靠性评估的一个核心部分，它的基本思想就是通过将电气接线图转化为拓扑分析图，再分析变电站到源点的连通情况。以下这个例子给出了它的基本步骤。附图2是一个典型的环网结构，有N1、N2和N3共3条母线，14、15和16共3条输电线，6、7、8、9、10、11、12和13共8台断路器，4和5一共2台变压器，N1是源点，N2和N3是变电站。

用支路形式描述附图2的电气接线图如附图3所示，支路由元件组成，反映了主接线的拓扑连接，如支路①包括源点N1和变电站N2间所有元件，支路②包括源点N1和变电站N3之间的所有元件，依此类推。推导变电站N2到电源点N1的最小割集可按如下步骤进行：

a.搜索变电站到源点所有的最小路，即源点到变电站的通路，在该通路中移去任一条支路，将导致变电站到源点断开；

b.用矩阵来描述最小路，行表示最小路，列表示支路号，1表示最小路通过该支路，0表示不通过。变电站N2的最小路矩阵如下式所示；

$\begin{array}{c}\begin{array}{ccc}I& \mathrm{II}& \mathrm{III}\end{array}\\ \left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& 1& 1\end{array}\right]\end{array}$

c.式中如果某一列全为1，则该列对应的支路为一阶割集，环网结构不存在一阶割集；

d.将上式中任两列进行逻辑加，如果结果列全为1，则这两列对应的支路形成二阶割集，同时排除包含一阶割集支路的二阶割集。变电站N2的二阶割集有I、II；I、III；

e.同理，可以求得三阶以上的割集，直到计算要求的割集阶数，割集的最高阶数不大于最小路的条数。

用每条支路对应的元件替换割集中的支路，得到元件形式的最小割集。支路①、②为二阶割集，则将各自对应的元件进行组合，如元件6、7；8、9；14、15；6、9；6、15；8、7；8、15；14、7；14、9就是二阶最小割集。

传统的可靠性指标计算往往不能考虑输电网中电磁环网的影响，不能计算不同电网结构方式下的系统可靠性指标，不能反映系统具体的实际情况。

发明内容

本发明提供一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，充分考虑了不同电压等级电网之间相互的影响，可用于计算不同电网结构方式下的系统可靠性指标，为运行和规划人员提供了一个较为直观的衡量系统安全稳定性的指标，通过指标可以定量的比较不同电网结构下系统的性能，发现电网的薄弱环节，用于提高电网规划的水平、优化电网结构，具有较好的实际指导意义和应用价值。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，所述方法包括以下步骤：

(1)建立电网可靠性评估的拓扑分析模型，并整理可靠性评估参数；

(2)对变电站分类；

(3)划分进行可靠性评估变电站所述的电压等级；

(4)进行可靠性指标计算并记录计算结果；

(5)判断是否计算完所有进行可靠性评估站点的可靠性指标；若是则执行步骤6，若否则返回步骤(4)；

(6)整理计算结果，并分析系统的性能。

所述可靠性评估参数包括故障率λ、故障平均修复时间r和系统的不可用率U。

所述变电站分为高电压等级变电站和低电压等级变电站。

所述高电压等级变电站分为独立供区高压站和联合供区高压站。

所述高电压等级变电站分为独立供区高压站和联合供区高压站的划分规则包括：从所需分类的高电压等级变电站的低压侧搜索相连回路，直至最初的低压侧母线或没有任何可继续向下搜索的回路为止；在搜索过程中若没有搜索到任何其他高电压等级变电站的低压侧母线，则认为该高电压等级变电站为独立供区高压站，若有其他高电压等级变电站的低压侧母线回路，则认为该高电压等级变电站为联合区高压站。

用电网可靠性评估的拓扑分析及串并联计算的公式计算得到所述独立供区高压站的可靠性指标。

所述联合区高压站的可靠性指标在计算时需考虑高电压等级电网和低电压电磁环网两方面的指标，所述高电压等级电网指标的计算方法与所述独立供区高压站的可靠性指标计算方法一致；所述低压电磁环网指标的计算则以所需计算的高电压等级变电站为负荷点，相邻高电压等级变电站为电源点，采用割集法进行计算；再对所述高电压等级电网和低电压电磁环网两方面的指标进行所述串并联计算，即可得到联合区高压站的可靠性指标。

所述低电压等级变电站分为独立供区低压站和联合供区低压站。

计算所述独立供区低压站的可靠性指标分为以下步骤：

a.计算所述独立供区高压站的可靠性指标；

b.以所述独立供区低压站为负荷点，所述独立供区高压站为电源点，通过割集法计算得到所述独立供区低压站的可靠性初步指标；

c.对可靠性初步指标与所述独立供区高压站可靠性指标进行串并联计算得到所述独立供区低压站的可靠性指标。

计算所述联合供区低压站的可靠性指标分为以下步骤：

a.计算所述联合供区高压站的可靠性指标；

b.以所述联合供区低压站为负荷点，所述联合供区高压站为电源点，通过割集法计算得到所述联合供区低压站的可靠性初步指标；

c.对可靠性初步指标与所述联合供区高压站可靠性指标进行串并联计算得到所述联合供区低压站的可靠性指标。

所述串并联计算按照以下计算公式进行计算：

A.串并联等值计算公式如下：

${\mathrm{\λ}}_s={\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i---\left(1\right)$

$U_s={\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i{r}_i---\left(2\right)$

$r_i=\frac{U_s}{{\mathrm{\λ}}_s}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i{r}_i}{{\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i}---\left(3\right)$

其中，λ_i表示元件i的故障率，λ_s表示系统的故障率；U_s表示系统的不可用率，r_i表示元件i的故障平均修复时间；

B.两个元件并联计算公式如下：

λ_p＝λ₁λ₂(r₁+r₂)    (4)

$r_p=\frac{r_1{r}_2}{r_1+r_2}---\left(5\right)$

当λ_ir_i＜＜1时，U_p＝λ_pr_p≈λ₁λ₂r₁r₂    (6)

其中，λ₁表示元件1的故障率，λ₂表示元件2的故障率，r₁表示元件1的故障平均修复时间，r₂表示元件2的故障平均修复时间，r_p表示元件1和2并联的故障平均修复时间，λ_p表示元件1和2并联的故障率，U_p表示元件1和2并联的不可用率；

C.两个元件共模故障率为λ₁₂，λ₁₂＝α*max(λ₁，λ₂)    (7)

两个元件共模故障平均修复时间为r₁₂，r₁₂＝β*max(r₁，r₂)    (8)

系统的共模故障率为λ_pp，λ_pp＝λ₁λ₂(r₁+r₂)+λ₁₂    (9)

系统的共模故障平均修复时间为r_pp， $r_{\mathrm{pp}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2{r}_1{r}_2+{\mathrm{\λ}}_{12}{r}_{12}}{r_{12}}---\left(10\right)$

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：充分考虑了不同电压等级电网之间相互的影响，可用于计算不同电网结构方式下的系统可靠性指标，为运行和规划人员提供了一个较为直观的衡量系统安全稳定性的指标，通过指标可以定量的比较不同电网结构下系统的性能，发现电网的薄弱环节，用于提高电网规划的水平、优化电网结构，具有很好的可计算性和广泛适应性，可以方便的计算各种电网中系统的可靠性，具有较好的实际指导意义和应用价值。

附图说明

图1是基于最小割集法的偶发事故枚举法的流程图；

图2是高压环网结构图；

图3是拓扑分析图；

图4是电网静态可靠性评估方法流程图；

图5是IEEE_RTS79系统接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图4，一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，所述方法包括以下步骤：

(1)建立电网可靠性评估的拓扑分析模型，并整理可靠性评估参数；

(2)对变电站分类；

(3)划分进行可靠性评估变电站所述的电压等级；

(4)进行可靠性指标计算并记录计算结果；

(5)判断是否计算完所有进行可靠性评估站点的可靠性指标；若是则执行步骤6，若否则返回步骤(4)；

(6)整理计算结果，并分析在特定故障下对系统造成的影响，确定系统可能存在的薄弱区域，衡量整个系统的安全性，根据量化的可靠性指标优化电网结构。

所述可靠性评估参数包括故障率λ、故障平均修复时间r和系统的不可用率U。

所述变电站分为高电压等级变电站和低电压等级变电站。

所述高电压等级变电站分为独立供区高压站和联合供区高压站。

所述高电压等级变电站分为独立供区高压站和联合供区高压站的划分规则包括：从所需分类的高电压等级变电站的低压侧搜索相连回路，直至最初的低压侧母线或没有任何可继续向下搜索的回路为止；在搜索过程中若没有搜索到任何其他高电压等级变电站的低压侧母线，则认为该高电压等级变电站为独立供区高压站，若有其他高电压等级变电站的低压侧母线回路，则认为该高电压等级变电站为联合区高压站。

用电网可靠性评估的拓扑分析及串并联计算的公式计算得到所述独立供区高压站的可靠性指标。

所述联合区高压站的可靠性指标在计算时需考虑高电压等级电网和低电压电磁环网两方面的指标，所述高电压等级电网指标的计算方法与所述独立供区高压站的可靠性指标计算方法一致；所述低压电磁环网指标的计算则以所需计算的高电压等级变电站为负荷点，相邻高电压等级变电站为电源点，采用割集法进行计算；再对所述高电压等级电网和低电压电磁环网两方面的指标进行所述串并联计算，即可得到联合区高压站的可靠性指标。

所述低电压等级变电站分为独立供区低压站和联合供区低压站。

计算所述独立供区低压站的可靠性指标分为以下步骤：

a.计算所述独立供区高压站的可靠性指标；

b.以所述独立供区低压站为负荷点，所述独立供区高压站为电源点，通过割集法计算得到所述独立供区低压站的可靠性初步指标；

c.对可靠性初步指标与所述独立供区高压站可靠性指标进行串并联计算得到所述独立供区低压站的可靠性指标。

计算所述联合供区低压站的可靠性指标分为以下步骤：

a.计算所述联合供区高压站的可靠性指标；

b.以所述联合供区低压站为负荷点，所述联合供区高压站为电源点，通过割集法计算得到所述联合供区低压站的可靠性初步指标；

c.对可靠性初步指标与所述联合供区高压站可靠性指标进行串并联计算得到所述联合供区低压站的可靠性指标。

所述串并联计算按照以下计算公式进行计算：

A.串并联等值计算公式如下：

${\mathrm{\λ}}_s={\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i---\left(1\right)$

$U_s={\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i{r}_i---\left(2\right)$

$r_i=\frac{U_s}{{\mathrm{\λ}}_s}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i{r}_i}{{\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i}---\left(3\right)$

其中，λ_i表示元件i的故障率，λ_s表示系统的故障率；U_s表示系统的不可用率，r_i表示元件i的故障平均修复时间；

B.两个元件并联计算公式如下：

λ_p＝λ₁λ₂(r₁+r₂)    (4)

$r_p=\frac{r_1{r}_2}{r_1+r_2}---\left(5\right)$

当λ_ir_i＜＜1时，U_p＝λ_pr_p≈λ₁λ₂r₁r₂    (6)

其中，λ₁表示元件1的故障率，λ₂表示元件2的故障率，r₁表示元件1的故障平均修复时间，r₂表示元件2的故障平均修复时间，r_p表示元件1和2并联的故障平均修复时间，λ_p表示元件1和2并联的故障率，U_p表示元件1和2并联的不可用率；

C.两个元件共模故障率为λ₁₂，λ₁₂＝α*max(λ₁，λ₂)    (7)

两个元件共模故障平均修复时间为r₁₂，r₁₂＝β*max(r₁，r₂)    (8)

系统的共模故障率为λ_pp，λ_pp＝λ₁λ₂(r₁+r₂)+λ₁₂    (9)

系统的共模故障平均修复时间为r_pp， $r_{\mathrm{pp}}=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2{r}_1{r}_2+{\mathrm{\λ}}_{12}{r}_{12}}{r_{12}}---\left(10\right)$

对于双重以上故障，按二重故障公式先求出等效元件可靠性参数，再计算二重以上故障的故障率及修复时间。

采用IEEE_RTS79系统作为实验系统，该系统共有24个节点，10台发电机机组，包含有220kV、110kV这两层电压等级。从图中可以看出不同的电压等级区域，根据考虑电磁环网的大电网静态可靠性评估方法计算得到各点可靠性如下表1所示。

表1IEEE_RTS79系统可靠性计算结果

通过以上计算结果可分析系统中的薄弱环节，调整电网结构。

考虑电磁环网的大电网静态可靠性评估方法计算比较方便，概念清晰，在实际电网中得到了应用和验证。

最后应该当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者同等替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

（1）建立电网可靠性评估的拓扑分析模型，并整理可靠性评估参数；

（2）对变电站分类；

所述变电站分为高电压等级变电站和低电压等级变电站；

所述高电压等级变电站分为独立供区高压站和联合供区高压站；所述高电压等级变电站分为独立供区高压站和联合供区高压站的划分规则包括：从所需分类的高电压等级变电站的低压侧搜索相连回路，直至最初的低压侧母线或没有任何可继续向下搜索的回路为止；在搜索过程中若没有搜索到任何其他高电压等级变电站的低压侧母线，则认为该高电压等级变电站为独立供区高压站，若有其他高电压等级变电站的低压侧母线回路，则认为该高电压等级变电站为联合区高压站；

（3）划分进行可靠性评估变电站的电压等级；

（4）进行可靠性指标计算并记录计算结果；

（5）判断是否计算完所有进行可靠性评估站点的可靠性指标；若是则执行步骤6，若否则返回步骤（4）；

（6）整理计算结果，并分析系统的性能。

2.根据权利要求1所述的一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，其特征在于：所述可靠性评估参数包括故障率λ、故障平均修复时间r和系统的不可用率U。

3.根据权利要求1所述的一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，其特征在于：用电网可靠性评估的拓扑分析及串并联计算的公式计算得到所述独立供区高压站的可靠性指标；

所述串并联计算按照以下计算公式进行计算：

A.串并联等值计算公式如下：

${\mathrm{\λ}}_s={\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i---\left(1\right)$

$U_s={\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i{r}_i---\left(2\right)$

$r_i=\frac{U_s}{{\mathrm{\λ}}_s}=\frac{{\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i{r}_i}{{\mathrm{\Σ}}_i^n{\mathrm{\λ}}_i}---\left(3\right)$

其中，λ_i表示元件i的故障率，λ_s表示系统的故障率； U_s表示系统的不可用率，r_i表示元件i的故障平均修复时间；

B.两个元件并联计算公式如下：

λ_p=λ₁λ₂(r₁+r₂)    （4）

$r_p=\frac{r_1{r}_2}{r_1+r_2}---\left(5\right)$

当λ_ir_i<<1时，U_p=λ_pr_p≈λ₁λ₂r₁r₂     (6)

其中，λ₁表示元件1的故障率，λ₂表示元件2的故障率，r₁表示元件1的故障平均修复时间，r₂表示元件2的故障平均修复时间，r_p表示元件1和2并联的故障平均修复时间，λ_p表示元件1和2并联的故障率，U_p表示元件1和2并联的不可用率；

C.两个元件共模故障率为λ₁₂，λ₁₂=α*max (λ₁，λ₂)       （7）

两个元件共模故障平均修复时间为r₁₂，r₁₂=β*max (r₁，r₂)   (8)

系统的共模故障率为λ_pp，λ_pp=λ₁λ₂(r₁+r₂)+λ₁₂    (9)

系统的共模故障平均修复时间为r_pp， $r_{\mathrm{pp}}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_1{\mathrm{\&lambda;}}_2{r}_1{r}_2+{\mathrm{\&lambda;}}_{12}{r}_{12}}{r_{12}}---\left(10\right).$

4.根据权利要求3所述的一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，其特征在于：所述联合区高压站的可靠性指标在计算时需考虑高电压等级电网和低电压电磁环网两方面的指标，所述高电压等级电网指标的计算方法与所述独立供区高压站的可靠性指标计算方法一致；所述低压电磁环网指标的计算则以所需计算的高电压等级变电站为负荷点，相邻高电压等级变电站为电源点，采用割集法进行计算；再对所述高电压等级电网和低电压电磁环网两方面的指标进行所述串并联计算，即可得到联合区高压站的可靠性指标。

5.根据权利要求3所述的一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，其特征在于：所述低电压等级变电站分为独立供区低压站和联合供区低压站。

6.根据权利要求5所述的一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，其特征在于：计算所述独立供区低压站的可靠性指标分为以下步骤：

a.计算所述独立供区高压站的可靠性指标；

b.以所述独立供区低压站为负荷点，所述独立供区高压站为电源点，通过割集法计算得到所述独立供区低压站的可靠性初步指标；

c.对可靠性初步指标与所述独立供区高压站可靠性指标进行串并联计算得到所述独立供区低压站的可靠性指标。

7.根据权利要求5所述的一种适用于复杂电网的静态可靠性评估方法，其特征在于：计算所述联合供区低压站的可靠性指标分为以下步骤：

a.计算所述联合供区高压站的可靠性指标；

b.以所述联合供区低压站为负荷点，所述联合供区高压站为电源点，通过割集法计算得到所述联合供区低压站的可靠性初步指标；

c.对可靠性初步指标与所述联合供区高压站可靠性指标进行串并联计算得到所述联合供区低压站的可靠性指标。

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