CN103633647B

CN103633647B - 一种基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法

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Publication number: CN103633647B
Application number: CN201310651698.9A
Authority: CN
Inventors: 雷俊哲; 芦晶晶; 朱全胜; 孙璐; 郝元钊; 李勤新; 高昆; 尚康良
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI; Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Co Ltd
Priority date: 2013-12-05
Filing date: 2013-12-05
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2033-12-05
Also published as: CN103633647A

Abstract

本发明提供一种基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，包括以下步骤：确定电网拓扑的输入数据；形成电网拓扑的最小路集矩阵；输出电网拓扑的最小割集；由最小割集计算电力系统可靠度。本发明提供一种基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，考虑了隔离开关、母线等元件故障引起的扩大型故障情况，自动搜索形成扩大型故障失效表；并可处理多个源/汇、并联支路以及源汇重合的情况；可根据实际情况对程序进行配置，求取系统的支路割集、节点割集以及支路节点混合割集；并可处理扩大型故障支路对系统的影响。

Description

一种基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法

技术领域

本发明涉及一种计算方法，具体涉及一种基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法。

背景技术

电力系统可靠性是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户供应电力和电能能力的度量。包括充裕度和安全性两个方面。

可靠性计算需要两个关键过程：第一是选择系统状态并计算状态概率；第二是针对选择的状态所引起的系统问题及其校正措施进行分析。

一般通过状态枚举法和蒙特卡罗模拟法选择电力系统的状态；

状态枚举法包括网络分析法和故障状态树分析法；

网络分析法最主要的特点是概念简单、计算容易，适用于规模较小、元件较少、元件只有工作和故障两个状态的系统可靠性计算。缺点是不能模拟较为复杂的运行状态，如多状态元件、相关故障、共模故障等，只能给出系统的部分简单指标。当系统较大时，计算量很大。

故障树分析法的优点是提供了一种系统的方法来阐明各元件和子系统级故障间的因果关系，迅速发现系统中最重要的故障和薄弱环节。但由于故障树分析法只能评估系统故障与否，所得的可靠性指标有限。

元件的共模失效是指当某个元件故障时，除了它自身要退出运行外，还会引起其它元件退出运行。例如附图2中，当母线6故障时，为了将故障母线隔离，必须将与母线相连的断路器3，16，19断开，这必然会影响系统的出线回路。

元件的共模失效的后果就是元件的相关故障，这部分故障对系统故障影响很大，甚至会使故障扩大化，这在许多基于连通性的可靠性分析中都没有考虑。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，考虑了隔离开关、母线等元件故障引起的扩大型故障情况，自动搜索形成扩大型故障失效表；并可处理多个源/汇、并联支路以及源汇重合的情况；可根据实际情况对程序进行配置，求取系统的支路割集、节点割集以及支路节点混合割集；并可处理扩大型故障支路对系统的影响。

为了实现上述发明目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定电网拓扑的输入数据；

步骤2：形成电网拓扑的最小路集矩阵；

步骤3：输出电网拓扑的最小割集；

步骤4：由最小割集计算电力系统可靠度。

所述步骤1中的输入数据包括描述文件BCRE.B0、母线数据文件BCRE.B1、断路器和隔离开关数据文件BCRE.B2、电流互感器数据文件BCRE.B3、电压互感器数据文件BCRE.B4以及避雷器数据文件BCRE.B5，所述母线数据文件BCRE.B1包括物理母线和节点。

由所述输入数据得到该电网拓扑的支路数、节点数、源数目、汇数目、支路首节点数组、末节点数组、源节点数组和汇节点数组。

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：根据输入数据生成支路-节点连接关系；

所述支路-节点连接关系包括每个汇聚节点的所有最小路集数、每个汇聚节点的节点最小路集矩阵以及支路最小路集矩阵；

步骤2-2：指定源点IS=1开始进行搜索，搜索到该源点到所有汇聚节点的最小路，然后进行下个源点的搜索，直到所有源点都搜索完毕；

步骤2-3：由步骤2-2得到的结果，输出电网拓扑的最小路集矩阵。

所述步骤2-2中，通过深度优先搜索法进行最小路集的搜索过程为：

假设初始状态时，电网拓扑图中所有节点未曾被访问，则首先访问源点v，并将其标记为已访问过，然后依次从v出发搜索v的每个邻接点w；若w未曾访问过，则以w为新的源点继续进行深度优先遍历，直至电网拓扑图中所有和源点v有路径相通的顶点均已被访问为止；若此时电网拓扑图中仍有未访问的顶点，则另选尚未访问的顶点作为新的源点重复上述过程，直至电网拓扑图中所有顶点均已被访问为止。

所述步骤3包括以下步骤：

步骤3-1：设置计算的割集阶数以及计算割集类型，所述割集类型包括点割、支路割或混合割；

步骤3-2：从指定的汇聚节点IR=1开始，生成该汇聚节点的最小路集矩阵，根据割集类型，确定最小路集矩阵的搜索范围；

步骤3-3：由电网拓扑最小路集信息以及割集阶数、割集类型设置参数形成各阶割集；割集阶数取实际割集阶数和规模n的最小值，其中，若只计算点割，n为节点数；若只计算支路割，n为支路数；若计算混合割集，n为节点数和支路数之和；

电网拓扑的最小割集包括每个汇聚节点的所有最小割集数和每个汇聚合节点的最小割集矩阵；

步骤3-4：对所有的汇聚节点重复步骤3-2和步骤3-3，直到所有汇聚节点搜索完毕，并输出该电网拓扑的所有最小割集。

所述步骤4中，设输出的电网拓扑的最小割集为L个，则最小割集的集合C表示为：

C＝C₁∪C₂∪…∪C_L（1）

于是，电力系统的不可靠度表示为：

Q_{s} = P {C_{1} \cup C_{2} \cup . . . \cup C_{L}} = Σ_{i = 1}^{L} P {C_{i}} - Σ_{i < j = 2}^{L} P {C_{i} \cap C_{j}} + . . . {(- 1)}^{L - 1} P {C_{i} \cap C_{j} \cap . . . \cap C_{L}} - - - (2)

其中，Q_s为电力系统的不可靠度，i,j∈L；

且电力系统的不可靠度Q_s满足：

Σ_{i = 1}^{L} P {C_{i}} - Σ_{i < j = 2}^{L} P {C_{i} \cap C_{j}} \leq Q_{s} \leq Σ_{i = 1}^{L} P {C_{i}}

其中，为电力系统的不可靠度上界，为电力系统的不可靠度下界，取电力系统的不可靠度上界作为电力系统的不可靠度；

电力系统的可靠度为：

P_s＝1-Q_s（4）

其中，P_s为电力系统的可靠度。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、考虑了隔离开关、母线等元件故障引起的扩大型故障情况，自动搜索形成扩大型故障失效表；并可处理多个源/汇、并联支路以及源汇重合的情况；

2、可以计算任意接线形式的回路，不仅可以分析各种现有的典型接线方式，也可以分析设计人员独创的新型接线方式；

3、可处理多个源/汇、并联支路以及源汇重合的情况；

4、可根据实际情况对程序进行配置，求取系统的支路割集、节点割集以及支路节点混合割集；

5、可选择计算任意阶割集，并可处理扩大型故障支路对系统的影响。

附图说明

图1是基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法流程图；

图2是共模故障接线实例图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

步骤1：确定电网拓扑的输入数据；

步骤2：形成电网拓扑的最小路集矩阵；

步骤3：输出电网拓扑的最小割集；

步骤4：由最小割集计算电力系统可靠度。

A.描述文件BCRE.B0

（1）文件内容：

NUMB，VB，ITYPE，Mark_TB，NB，NBR，NCT，NPT，NA，Name（每个母线回路占一行，全部读完确定母线回路总数）

（2）文件格式如表1：

表1

数据项	类型及长度	说明
			NUMB	N(6)	母线回路编号
VB	N(6)	母线回路电压等级
			ITYPE	N(6)	母线回路接线方式
Mark_TB	N(4)	带旁路标识(0,不带；1,带)
			NB	N(6)	母线总个数（>0有）
NBR	N(6)	断路器+隔离开关总个数>0有

NCT	N(6)	CT总个数>0有
			NPT	N(6)	PT总个数>0有
NA	N(6)	避雷器总个数>0有
			Name	C(128)	母线回路名（标识）

B.母线数据文件BCRE.B1（包括物理母线和节点）

（1）文件内容

第一行（各母线回路中母线（或节点）个数，肯定不为0）：

NB1，NB2，NB3，…，NBn

第二行开始（每个元件占一行）：

NUMB，Mark_B，Mark_T，FORR，FOH，FOT，POR，POH，POT，Name

（2）文件格式（从第二行开始）如表2：

表2

注：若为节点，则6个概率参数值填写0

C.断路器和隔离开关数据文件BCRE.B2

（1）文件内容

第一行（各母线回路中断路器和隔离开关个数，无填0）：

第二行开始（每个元件占一行）：

NUMB，NUM，I_Name，J_name，Ntype，FORR，FOH，FOT，POR，POH，POT，Name

（2）文件格式（第二行开始）如表3：

表3

D.电流互感器数据文件BCRE.B3

（1）文件内容

第一行（各母线回路中CT个数，无CT填0）：

第二行开始（每个元件占一行）：

NUMB，NUM，I_Name，FORR，FOH，FOT，POR，POH，POT，Name

（2）文件格式（从第二行开始）如表4：

表4

数据项	类型及长度	说明
			NUMB	N(6)	所属母线回路编号
NUM	N(6)	编号（不以该字段判断）
			I_Name	N(6)	I侧在B1中的行号
J_Name	N(6)	J侧在B1中的行号
			FORR	F(18,3)	强迫停运率（次/年）
FOH	F(18,3)	强迫停运小时（小时）
			FOT	F(18,3)	强迫停运次数（次）
POR	F(18,3)	计划停运率（次/年）
			POH	F(18,3)	计划停运小时（小时）
POT	F(18,3)	计划停运次数（次）
			Name	C(128)	元件名（标识）

E.电压互感器数据文件BCRE.B4

（1）文件内容

第一行（各母线回路中PT个数，无PT填0）：

第二行开始（每个元件占一行）：

NUMB，NUM，I_Name，FORR，FOH，FOT，POR，POH，POT，Name

（2）文件格式（从第二行开始）如表5：

表5

数据项	类型及长度	说明
			NUMB	N(6)	所属母线回路编号
NUM	N(6)	编号（不以该字段判断）
			I_Name	N(6)	I侧在B1中的行号
FORR	F(18,3)	强迫停运率（次/年）
			FOH	F(18,3)	强迫停运小时（小时）
FOT	F(18,3)	强迫停运次数（次）
			POR	F(18,3)	计划停运率（次/年）
POH	F(18,3)	计划停运小时（小时）
			POT	F(18,3)	计划停运次数（次）

Name

C(128)

元件名（标识）

F.避雷器数据文件BCRE.B5

（1）文件内容

第一行（各母线回路中PT个数，无PT填0）：

第二行开始（每个元件占一行）：

NUMB，NUM，I_Name，FORR，FOH，FOT，POR，POH，POT，Name

（2）文件格式（第二行开始）如表6：

表6

数据项	类型及长度	说明
			NUMB	N(6)	所属母线回路编号
NUM	N(6)	编号（不以该字段判断）
			I_Name	N(6)	I侧在B1中的行号
FORR	F(18,3)	强迫停运率（次/年）
			FOH	F(18,3)	强迫停运小时（小时）
FOT	F(18,3)	强迫停运次数（次）
			POR	F(18,3)	计划停运率（次/年）
POH	F(18,3)	计划停运小时（小时）
			POT	F(18,3)	计划停运次数（次）
Name	C(128)	元件名（标识）

G.可靠性结果BCRE.OUT

（1）文件内容（每个母线回路占一行）

NUMB，PU，PR，PM，Name

（2）文件格式如表7：

表7

数据项	类型及长度	说明
			NUMB	N(6)	母线回路编号
PU	F(12,10)	母线回路综合可靠度
			PR	F(12,10)	只考虑强迫停运的可靠度

PM	F(12,10)	只考虑计划检修的可靠度
			Name	C(128)	母线回路名（标识）

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2-1：根据输入数据生成支路-节点连接关系；

所述步骤2-2中，搜索方法的基本思想是由网络的输入节点开始，将系统的拓扑图遍历一遍，找出全部最小路。图的遍历就是从指定的某个顶点出发，按照一定的搜索方法对图中的所有顶点做一次访问的过程。

根据搜索方法的不同，图的遍历有两种：一种叫做深度优先搜索(DFS,DepthFirstSearch)；另一种叫做广度优先搜索(BFS,BreadthFirstSearch)。两者相比较而言，深度优先搜索占用内存较少，对较大规模电力系统而言，不易产生内存溢出，因此选用深度优先搜索法来完成最小路的搜索工作。

通过深度优先搜索法进行最小路集的搜索过程为：

所述步骤3包括以下步骤：

C＝C₁∪C₂∪…∪C_L（1）

于是，电力系统的不可靠度表示为：

Q_{s} = P {C_{1} \cup C_{2} \cup . . . \cup C_{L}} = Σ_{i = 1}^{L} P {C_{i}} - Σ_{i < j = 2}^{L} P {C_{i} \cap C_{j}} + . . . {(- 1)}^{L - 1} P {C_{i} \cap C_{j} \cap . . . \cap C_{L}} - - - (2)

其中，Q_s为电力系统的不可靠度，i,j∈L；

且电力系统的不可靠度Q_s满足：

Σ_{i = 1}^{L} P {C_{i}} - Σ_{i < j = 2}^{L} P {C_{i} \cap C_{j}} \leq Q_{s} \leq Σ_{i = 1}^{L} P {C_{i}}

电力系统的可靠度为：

P_s＝1-Q_s（4）

其中，P_s为电力系统的可靠度。

按照上述步骤，我们可以对两个不同的系统或者一个系统的两种不同运行方式进行系统可靠度计算，由得到的数值结果比较两个不同系统或者一个系统的两种不同运行的可靠度大小，从而进一步分析影响系统可靠度的因素，并做出合适的改进。

本发明考虑了如下的元件共同失效模式：

（1）由于母线故障引起的共模失效；

（2）由于断路器故障引起的共模失效；

（3）由于隔离开关故障引起的共模失效。

由于相关故障都是由于断路器隔离故障元件引起的，因此研究元件的共模失效主要是研究与断路器关联的元件故障，这些故障可以通过研究割集算法中求出的停运故障列表来获得。

最后应当说明的是：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，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，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

1.一种基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：确定电网拓扑的输入数据；

步骤2：形成电网拓扑的最小路集矩阵；

步骤3：输出电网拓扑的最小割集；

步骤4：由最小割集计算电力系统可靠度；

所述步骤2包括以下步骤：

步骤2‐1：根据输入数据生成支路‐节点连接关系；

所述支路‐节点连接关系包括每个汇聚节点的所有最小路集数、每个汇聚节点的节点最小路集矩阵以及支路最小路集矩阵；

步骤2‐2：指定源点IS＝1开始进行搜索，搜索到该源点到所有汇聚节点的最小路，然后进行下个源点的搜索，直到所有源点都搜索完毕；

步骤2‐3：由步骤2‐2得到的结果，输出电网拓扑的最小路集矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，其特征在于：所述步骤1中的输入数据包括描述文件BCRE.B0、母线数据文件BCRE.B1、断路器和隔离开关数据文件BCRE.B2、电流互感器数据文件BCRE.B3、电压互感器数据文件BCRE.B4以及避雷器数据文件BCRE.B5，所述母线数据文件BCRE.B1包括物理母线和节点。

3.根据权利要求2所述的基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，其特征在于：由所述输入数据得到该电网拓扑的支路数、节点数、源数目、汇数目、支路首节点数组、末节点数组、源节点数组和汇节点数组。

4.根据权利要求1所述的基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，其特征在于：所述步骤2‐2中，通过深度优先搜索法进行最小路集的搜索过程为：

5.根据权利要求1所述的基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，其特征在于：所述步骤3包括以下步骤：

步骤3‐1：设置计算的割集阶数以及计算割集类型，所述割集类型包括点割、支路割或混合割；

步骤3‐2：从指定的汇聚节点IR＝1开始，生成该汇聚节点的最小路集矩阵，根据割集类型，确定最小路集矩阵的搜索范围；

步骤3‐3：由电网拓扑最小路集信息以及割集阶数、割集类型设置参数形成各阶割集；割集阶数取实际割集阶数和规模n的最小值，其中，若只计算点割，n为节点数；若只计算支路割，n为支路数；若计算混合割集，n为节点数和支路数之和；

步骤3‐4：对所有的汇聚节点重复步骤3‐2和步骤3‐3，直到所有汇聚节点搜索完毕，并输出该电网拓扑的所有最小割集。

6.根据权利要求1所述的基于电网拓扑的电力系统可靠度计算方法，其特征在于：所述步骤4中，设输出的电网拓扑的最小割集为L个，则最小割集的集合C表示为：

C＝C₁∪C₂∪…∪C_L(1)

于是，电力系统的不可靠度表示为：

Q_{s} = P {C_{1} \cup C_{2} \cup ... \cup C_{L}} = Σ_{i = 1}^{L} P {C_{i}} - Σ_{i < j = 2}^{L} P {C_{i} \cap C_{j}} + ... {(- 1)}^{L - 1} P {C_{i} \cap C_{j} \cap ... \cap C_{L}} - - - (2)

其中，Q_s为电力系统的不可靠度，i,j∈L；

且电力系统的不可靠度Q_s满足：

Σ_{i = 1}^{L} P {C_{i}} - Σ_{i < j = 2}^{L} P {C_{i} \cap C_{j}} \leq Q_{s} \leq Σ_{i = 1}^{L} P {C_{i}} - - - (3)

电力系统的可靠度为：

P_s＝1-Q_s(4)

其中，P_s为电力系统的可靠度。