CN103914788B - 电网多环节系统的可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网多环节系统的可靠性评估方法，通过负荷‑电源可靠性等值来量化输电网对配电网可靠性的影响，突破了传统配电网可靠性假设电源完全可靠的局限，计算结果符合电网工程实际；且本方法以回路为输电网可靠性评估的基本单位，进一步形成预想事故集，不仅有助于大幅减少预想事故集中系统状态数，而且有利于可靠性工程数据统计分析。本方法可用于分析可靠性指标对输电网/配电网相关可靠性参数及其增强性措施的灵敏度，从而进一步指导供电企业的规划、运行与维护工作。

Description

电网多环节系统的可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种电网多环节系统的可靠性评估方法。

背景技术

电力系统完成电能输送需要经过发电、输电、配电等几个子系统，每个子系统作为一个环节参与电能输送，使得电网成为一个多环节系统。根据“统一调度、分级管理”原则，电网可被划分为省级电网、地级电网和配电网三个层次。电力系统网络结构、一次设备、二次系统、运行特性和控制行为直接影响供电能力和供电质量，其系统可靠性由电源向负荷逐级传递，经过省级电网、地级电网和中压配电网，最终通过供电可靠性指标来表征。可见，电网多环节系统可靠性不仅与配电网电网的拓扑结构、电气参数、设备可靠性参数相关，也与上级输电网可靠性紧密相关。

可靠性评估一般有模拟法和解析法两种分类。模拟法是基于蒙特卡洛模拟法对可靠性评估涉及的随机变量都采用抽样技术求取可靠性指标的概率分布，速度慢、耗时严重、收敛性能差；解析法具有物理概念清晰，计算速度快，结果精确的优点。传统配电网可靠性评估则隐式假设其电源绝对可靠（可用率为100%），即忽略上级输电网可靠性对配网可靠性的影响。而事实情况是输电网与配电网间的可靠性联系紧密且不可分割。假设配电网电源绝对可靠势必造成系统可靠性指标评估较为乐观。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供一种考虑电网多环节系统的可靠性评估方法，采用的方案如下。

一种电网多环节系统的可靠性评估方法，包括步骤：

建立基于回路的输电网可靠性评估模型；

采用状态枚举法对输电网预想故障的概率进行计算；

通过负荷削减的方式对线路过载或电压越限的输电网预想故障状态进行校正；

计算作为配电网电源点的输电网目标负荷点的可靠性指标；

将输电网目标负荷点的可靠性指标等值为配电网电源点的可靠性指标；

对配电网作馈线分区建模；

枚举配电网最小隔离区的预想故障；

计算配电网最小隔离区的可靠性指标；

根据配电网最小隔离区的可靠性指标计算配电网的可靠性指标。

本发明的电网多环节系统的可靠性评估方法，通过负荷-电源可靠性等值来量化输电网对配电网可靠性的影响，突破了传统配电网可靠性假设完全可靠的局限，计算结果符合电网工程实际；且本方法以回路为输电网可靠性评估的基本单位，进一步形成预想事故集，不仅有助于大幅减少预想事故集中系统状态数，而且有利于可靠性工程数据统计分析。本方法可用于分析可靠性指标对输电网/配电网相关可靠性参数及其增强性措施的灵敏度，从而进一步指导供电企业的规划、运行与维护工作。

附图说明

图1为本发明电网多环节系统的可靠性评估方法的流程示意图；

图2为本发明所用的IEEE-RTS79输电网系统；

图3为本发明所用的IEEE-RBTS BUS6配电网系统。

具体实施方式

本发明从映射的角度，将输电网与配电网作为有机联系的整体，通过多环节系统之间的可靠性等值，客观定量评估系统可靠性指标。既可以通过快速的方法，评估输电网中与配网最直接相关的负荷节点的指标，又可以从整体全面去研究影响供电可靠性的相关因素，为电网的规划、运行及检修工作提供宏观参考。

输电网元件数目众多、拓扑联系复杂，元件间的联系可用串并联关系逐步简化，为此引入“回路”概念划分元件、简化网络，建立基于回路的输电网可靠性模型。采用状态枚举法，对可能发生的故障状态进行枚举，通过拓扑分析与潮流计算，检验电网运行安全性约束是否满足，并以最优负荷削减模型计算非正常运行或故障状态下的负荷削减量。枚举结束后，算得目标负荷点的可靠性指标：年均负荷削减频率λ_L、年均负荷削减时间γ_L。

配电网可靠性评估方法基于区域可达性分析，将可靠性评估转化为配电区域与电源点的连通性问题，通过可达性矩阵分析实现配电网分区和故障后果模式判定。配电网可靠性不仅与本级的网络拓扑和元件配置有关，还与作为电源的输电网可靠性紧密联系。为量化输电网对配电网可靠性指标的影响，又考虑到由于变电站出线都配置有断路器可形成仅含电源的最小隔离区。最小隔离区是配电网可靠性评估的基本单位，其参数包括平均故障率λ、年均故障时间γ，这与负荷点可靠性指标完全吻合，实现负荷-电源可靠性等值。因此将输电网负荷节点的λ、γ指标作为输入参数传递至配电网可靠性评估，实现电网多环节系统可靠性评估。

为了实现本发明的目的，采用的技术方案如图1所示，包括以下步骤：

步骤s101、建立基于回路的输电网可靠性评估模型；

步骤s102、采用状态枚举法对输电网预想故障的概率进行计算；

步骤s103、通过负荷削减的方式对线路过载或电压越限的输电网预想故障状态进行校正；

步骤s104、计算作为配电网电源点的输电网目标负荷点的可靠性指标；

步骤s105、将输电网目标负荷点的可靠性指标等值为配电网电源点的可靠性指标；

步骤s106、对配电网作馈线分区建模；

步骤s107、枚举配电网最小隔离区的预想故障；

步骤s108、计算配电网最小隔离区的可靠性指标；

步骤s109、根据配电网最小隔离区的可靠性指标计算配电网的可靠性指标。

下面对以上步骤进行展开详述。

(1)读取输电网的原始数据，建立基于回路的输电网可靠性模型

把连接两个或更多的传输终端、变电站、或者是系统输电节点之间的设备组定义为回路，具有在特定容量范围内将电能从一端传输到另一端，为系统提供操作可变的连接以及故障情况下自动将本身与系统隔离的功能。以回路的形式对元件进行划分，其中包括母线回路、变电回路和输电回路。各类回路的划分原则如下：

1)母线回路：同一变电站内，以断路器和隔离开关连接的同一电压等级中的所有母线、母联、分段、旁路、旁联的所有设备及与母线直接相连的隔离开关。若变电站内同一电压等级不同母线之间没有任何电气联系，则划为不同母线回路。

2)变电回路：变压器本体及其与各侧母线回路连接点以内的设备（不含母线侧隔离开关）。线路变压器组按变电回路统计。

3)输电回路：输电回路本体及其各侧所接变电站母线回路连接点以内的设备（不含母线侧隔离开关）。

由于回路中某一设备发生故障，都会造成回路功能整体或部分失效（停运），以各类型回路作为基本单元，当回路功能部分丧失时，应计算回路停运事件折算系数α。

变电回路和输电回路任意侧停运时，其折算系数如下：

折算系数=实际停运侧数/（总侧数-1）

总侧数：三绕组变压器为3，包含T接线的输电回路和线变组变电回路为连接变电站数。

母线回路折算系数：

折算系数=因母线回路原因造成的所连接失效回路数/母线回路的连接回路数。

通过下式计算每个基本回路单元可靠性参数：

式中，λ_k和γ_k分别表示回路k的平均故障率和平均故障停运时间；λ_i和γ_i表示回路中元件i的平均故障率和平均故障停运时间；α_k为回路k停运事件折算系数，若为整体失效，则值为1；N_el表示回路k的元件数量。

(2)采用状态枚举法对预想故障事件概率进行计算，并分析预想事故后果。状态枚举法基于下面的展开式：

(PF₁+PP₁+1-PF₁-PP₁)(PF₂+PP₂+1-PF₂-PP₂)…(PF_n+PP_n+1-PF_n-PP_n)

式中，n是输电网中的元件总数；PF_i是元件i的不可用率；PP_i元件i处于降额状态的概率。

系统状态的概率按下式计算：

式中，n_d和n_r分别是在系统状态s中的不可用（停运状态）元件数和部分可用（降额状态）元件数。

如果出现系统问题，通过以负荷削减总量最小为目标函数、各种运行安全性为约束条件的校正措施控制模型方法对发电进行重新调度，消除系统约束违限（线路过载或电压越限），计算所选择状态下需要削减的负荷量。如果负荷削减不为零，则选择的状态是一个失效状态，记录系统失效状态的概率和负荷削减量，其抽象模型可表示为

min C(u)

s.t.g(x,u)＝0 (4)

h(x,u)≤0

式中，x为输电网状态变量组成的向量，u为输电网控制变量组成的向量，C(·)为控制目标，g(·)为等式约束，h(·)为不等式约束。

(3)计算负荷点L的年均负荷削减频率λ_L、年均负荷削减时间γ_L。对预想事故状态集合中的所有状态都评估完毕后，可确定负荷点切负荷频率和年切负荷时间。

年均负荷削减频率可表示为

式中，f_i为从预想故障状态i经一次状态转移到达非故障状态的转移频率，单位为次/年，F为负荷点L削减的系统状态集合。

年均负荷削减时间可表示为

式中，F为负荷点L削减的预想故障状态集合；p_i为负荷点L削减的预想故障状态i的概率。

(4)读取配网的原始数据，以开关装置（如断路器、熔断器、隔离开关、联络开关等）为边界将网络划分为若干个最小隔离区，再以自动开关装置（如断路器、熔断器等）为边界将已划分后的网络合并为若干自动隔离区。可知，每个自动隔离区包含一个或者多个最小隔离区，取决于最小隔离区的边界开关的性质。

(5)对于最小隔离区，其内部不再包含开关，故障模式后果相同，是可靠性评估的基本单位，其可靠性参数可采用可靠性串联模型求解，即：

式中，λ_l和γ_l分别表示区块l的平均故障率和平均故障停运时间；λ_i和γ_i表示区块中元件i的平均故障率和平均故障停运时间；N_el表示区块l的元件数量；

(6)配电网电源节点是输电网负荷节点，由于变电站出线都配置有断路器可形成仅含电源的最小隔离区，也是自动隔离区。该隔离区的可靠性参数年均切负荷削减频率和年均负荷削减时间与配网可靠性评估所用的平均故障率λ_s和平均故障时间γ_s意义是相通的，即完成了负荷-电源等值。

(7)将配电网作馈线分区建模。按照配网故障处理的过程，根据各最小隔离区与电源的连接关系将各最小隔离区分为四类：①故障发生后，不受故障影响而与主电源保持连接的区域记为A类区域，其余待定；②故障发生后与主电源失去连接，后在手动操作隔离开关隔离故障区域之后恢复与主电源之间连接的区域记为B类，其内负荷的停运时间等于隔离开关的操作时间，记为t_b；③故障发生后与主电源失去连接，后在故障隔离之后，通过联络开关与备用电源连接而恢复通电的区域记为C类，其内负荷的停运时间等于联络开关操作时间，记为t_c；④直到故障排除后，才恢复供电的区域记为D类区域，其内负荷的停运时间等于故障的修复时间，记为t_d；

(8)利用可达性矩阵对配网的可靠性进行评估。①选定最小隔离区i，断开其所属的大区域的边界开关（对应于自动开关装置的断开），按无向图邻接矩阵的形成方法形成此时的邻接矩阵A_il；②根据二元关系传递闭包的Warshall算法形成其可达矩阵R_il，根据可达矩阵可以获得各最小隔离区之间的连接关系，此时与主电源连接的区域为A类区域，其他待定。③判断该最小隔离区i是否独立成为一个大区域。若是，则待定区域中，与备用电源连接的区域为C类区域，其他的为D类区域，转步骤⑥；若非，转步骤④；④断开最小隔离区i的边界开关，并形成此时的邻接矩阵A_is；⑤根据Warshall算法形成其可达矩阵R_is，根据可达矩阵获得连接关系，此时待定区域中与主电源连接的区域为B类区域，与备用电源连接的为C类区域，其他的则为D类区域，转步骤⑥；⑥i=i+1，直到所有最小隔离区枚举结束，计算指标；

基于以上分析，最小隔离区i的平均停运率、年平均停运时间，平均每次停运时间分别为：

γ_si＝U_siλ_si (12)

其中S_B、S_C、S_D分别为使得最小隔离区i成为B类、C类、D类区域的最小隔离区的集合。

(9)根据最小隔离区的负荷数N_si、停运频率λ_si和停运时间U_si，可获得配网的可靠性指标：

ASUI＝1-ASAI (16)

ENSI＝∑L_siU_si (17)

式中，SAIFI为配电网平均停电频率指标，SAIDI为配电网平均停电持续时间指标，ASAI为平均供电可用率，ASUI为平均供电不可用率指标，ENSI为配电网缺供电量指标，L_si为区域负荷功率。

与现有技术相比，本发明具有以下的优点与效果：

第一、本发明所提出的电网多环节系统可靠性评估方法具有实现简洁、概念清晰、效率高等优势。

第二，本发明通过负荷-电源可靠性等值能量化输电网对配电网可靠性的影响，突破了传统配电网可靠性假设完全可靠的局限，计算结果符合电网工程实际。

第三、本发明以回路为输电网可靠性评估的基本单位，进一步形成预想事故集，不仅有助于大幅减少预想事故集中系统状态数，而且有利于可靠性工程数据统计分析。

第四、本发明可用于分析可靠性指标对输电网/配电网相关可靠性参数及其增强性措施的灵敏度，从而进一步指导供电企业的规划、运行与维护工作。

下面结合实施例及相关数据对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

采用Visual C++2010编写基于网络等值的电网多环节系统可靠性评估方法。

下面结合测试系统对本方法作进一步的详细说明。

实施例一

如图2所示，为本实例所使用的输电网图，该电网含两种不同电压等级节点24个，其中230kV节点10个，138kV节点14个，并配置有230kV变压器5台，230kV线路21回，138kV线路10回，138kV电缆2回。

如图3所示，为本实例所使用的配网图，该配网在IEEE-RBTS BUS6馈线基础上，在每个负荷点配电变压器均装有熔断器，每段线路上都配有分段开关。即该系统具有40个负荷节点，熔断器38个，配电变压器38台，断路器11台，隔离开关15台，联络开关1台。

设线路的故障率是0.05次/（年·km），修复时间为8h；变压器故障率为0.015次/（年·台），修复时间为48h；隔离开关的操作时间t_b为0.5h；联络开关的倒闸时间t_c为1.0h；假设熔断器都能100%可靠熔断。

如图1所示，基于网络等值的电网多环节系统的可靠性评估流程图，其控制的具体流程如下：

1)首先对图2所示的输电网用状态枚举的方法，计算系统可靠性指标和目标负荷节点的平均故障率λ_L、平均故障时间γ_L，分别见表1和表2，其中表2为负荷削减的节点可靠性指标。

表1输电网可靠性指标

表2输电网负荷点可靠性指标

2)由于本实施例中配网评估用到的是BUS6配网，由表2可得电源母线BUS6的平均故障率为0.0568次/年，平均故障时间为86.6197时/次，考虑到馈线F1与馈线F2之间互为备用电源，对图3所示配网采用可达矩阵方法进行评估，各条馈线指标和系统指标的计算结果如表3所示；

3)为对比，同样计算了不考虑输电网影响的配网可靠性指标，其结果如表4所示；

表3各条馈线和系统的可靠性指标（考虑输电网影响）

表4各条馈线和系统的可靠性指标（不考虑输电网影响）

从表3和表4可以看出：

1)考虑输电网影响的配网各条馈线和系统的可靠性指标较未考虑的都有所下降，这是因为考虑了输电网负荷点作为配电网的电源，电源的不可靠性造成指标下降；

2)考虑到输电网负荷点的平均故障时间较长，配网的涉及到停运时间的可靠性指标如SAIDI、ASAI等所受影响显著；

3)系统可靠性指标与输电网拓扑结构、回路主设备容量、配电网拓扑与回路/设备可靠性参数紧密相关；馈线可靠性指标受输电网影响程度与其电源可靠性有关。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种电网多环节系统的可靠性评估方法，其特征在于，包括步骤：

建立基于回路的输电网可靠性评估模型；

采用状态枚举法对输电网预想故障的概率进行计算；

通过负荷削减的方式对线路过载或电压越限的输电网预想故障状态进行校正；

计算作为配电网电源点的输电网目标负荷点的可靠性指标；

将输电网目标负荷点的可靠性指标等值为配电网电源点的可靠性指标；

对配电网作馈线分区建模；

枚举配电网最小隔离区的预想故障；

计算配电网最小隔离区的可靠性指标；

根据配电网最小隔离区的可靠性指标计算配电网的可靠性指标；

所建立的输电网可靠性评估模型如下：

式中，λ_k和γ_k分别表示回路k的平均故障率和平均故障停运时间；λ_i和γ_i分别表示回路中元件i的平均故障率和平均故障停运时间；α_k为回路k停运事件折算系数；N_el表示回路k的元件数量；

输电网预想故障概率的计算公式如下：

式中，PF_i表示元件i的不可用率；PP_i元件i处于降额状态的概率；n_d和n_r分别表示在预想故障s中的停运状态元件数和降额状态元件数；

输电网目标负荷点L的可靠性指标包括年均负荷削减频率λ_L和年均负荷削减时间γ_L，计算公式如下：

式中，f_i表示从预想故障状态i经一次状态转移到达非故障状态的转移频率，单位为次/年，F表示目标负荷点L削减的预想故障状态集合；p_i表示目标负荷点L削减的预想故障状态的概率；

对配电网作馈线分区建模的过程如下：

按照电网故障处理的过程，根据各最小隔离区与电源的连接关系将各最小隔离区分为四类：

故障发生后，不受故障影响而与主电源保持连接的区域记为A类区域；

故障发生后与主电源失去连接，后在手动操作隔离开关隔离故障区域之后恢复与主电源之间连接的区域记为B类，其内负荷的停运时间等于隔离开关的操作时间，记为t_b；

故障发生后与主电源失去连接，后在故障隔离之后，通过联络开关与备用电源连接而恢复通电的区域记为C类，其内负荷的停运时间等于联络开关操作时间，记为t_c；

直到故障排除后，才恢复供电的区域记为D类区域，其内负荷的停运时间等于故障的修复时间，记为t_d；

所述步骤枚举配电网最小隔离区的预想故障与所述步骤计算配电网最小隔离区的可靠性指标，具体包括：

①选定最小隔离区i，断开其所属的大区域的边界开关，按无向图邻接矩阵的形成方法形成此时的邻接矩阵A_il，所述大区域指自动开关装置形成的区域；

②根据二元关系传递闭包的Warshall算法形成最小隔离区i的可达矩阵R_il，根据可达矩阵可以获得各最小隔离区之间的连接关系，此时与主电源连接的区域为A类区域，其他待定；

③判断该最小隔离区i是否独立成为一个大区域，若非，转步骤④；若是，则待定区域中，与备用电源连接的区域为C类区域，其他的为D类区域，转步骤⑥；

④断开最小隔离区i的边界开关，并形成此时的邻接矩阵A_is；

⑤根据Warshall算法形成最小隔离区i此时的可达矩阵R_is，根据可达矩阵获得连接关系，此时待定区域中与主电源连接的区域为B类区域，与备用电源连接的为C类区域，其他的则为D类区域，转步骤⑥；

⑥i＝i+1，直到所有最小隔离区枚举结束，计算最小隔离区i的平均停运率、年平均停运时间、平均每次停运时间分别为：

γ_si＝U_si/λ_si

γsi＝Usi/λsi

其中，S_B、S_C、S_D分别为使得最小隔离区i成为B类、C类、D类区域的最小隔离区的集合；

配电网的可靠性指标的计算公式如下：

ASUI＝1-ASAI

ENSI＝∑L_siU_si

其中，SAIFI为配电网平均停电频率指标，SAIDI为配电网平均停电持续时间指标，ASAI为平均供电可用率指标，ASUI为平均供电不可用率指标，ENSI为配电网缺供电量指标，L_si为区域负荷功率。

2.根据权利要求1所述的电网多环节系统的可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤通过负荷削减的方式对线路过载或电压越限的输电网预想故障状态进行校正，具体包括：

当输电网预想故障状态的潮流或电压幅值越限时，以负荷削减总量最小为目标函数、各种运行安全性为约束条件重新调度发电。

3.根据权利要求2所述的电网多环节系统的可靠性评估方法，其特征在于

所述的最小隔离区是指配网中由各类开关装置分隔开的支路与节点的组合。