CN104809661A - 一种考虑机会维修策略的配电网供电可靠性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种考虑机会维修策略的配电网供电可靠性评价方法。其步骤为：1配电网元件的故障率和可靠度建模；2分析配电网的所有维修模式，记录每种维修模式对各负荷点的停电影响，形成报表；3设定初始化仿真数据；4产生 个区间内均匀分布的随机数，根据每个元件状态模型中的故障率参数求得个无故障运行时间；5找出最小的无故障运行时间；6 计算时刻各元件的可靠度；7若，执行第八步；若，对元件进行故障维修或对元件进行预防性维修；8仿真步数加1，即；若，可靠度时钟，转第四步继续仿真；若

Description

一种考虑机会维修策略的配电网供电可靠性评价方法

技术领域

本发明涉及一种考虑机会维修策略的配电网供电可靠性计评价方法。

背景技术

配电系统是电力系统向用户供应电能和分配电能的重要环节，随着用户对供电质量要求的提高，配电系统的可靠性问题越来越受到人们的重视。合理地安排维修计划不仅可以降低维修成本，还可以大大提高配电网的供电可靠性。目前，配电网的维修理论得到了迅速的发展，除了传统的故障维修、定期维修以外，还有优化维修、状态维修等。

然而，配电网可靠性计算方法的研究相对比较滞后，现有方法无法更多考虑维修策略的影响。

目前现有技术中有一种基于状态持续时间抽样的序贯蒙特卡洛法，其实现过程为：根据配电系统中各个元件的可靠性参数（这些参数一般从历史数据中得来），通过产生随机数的方式来模拟单个元件失效状态的变化序列，进而按照时间顺序，分析元件故障对系统可靠性的影响，最后通过多年的故障情况统计，计算系统可靠性指标的均值。

现有的配电网供电可靠性计算方法主要分为Monte Carlo模拟法和解析法，解析法有故障模式影响分析法、网络等值法、最小路法和状态空间法等。这些方法大多只考虑了元件故障对负荷点的停电影响，无法考虑预防性维修、机会维修等影响因素。因此对于采用机会维修策略的配电网，用以往的可靠性评估方法计算得到的可靠性指标不合理。

发明内容

本发明的发明目的就在于针对现有技术的缺陷，在充分考虑配电网机会维修策略影响因素的基础上，采用序贯蒙特卡洛法、元件的时变可靠度、机会区域识别等技术手段，提出了考虑机会维修策略的配电网供电可靠性评价方法，旨在精确评估机会维修策略对配电网供电可靠性的影响。

本发明的技术方案为：本发明一种考虑机会维修策略的配电网供电可靠性计算方法，其步骤如下:

第一步：配电网元件的故障率和可靠度建模：

构成配电系统的各电气元件的故障率主要受老化、预防性维修以及工作环境等因素的影响；这里只考虑老化对元件故障率的影响，采用参数                                                时的威布尔分布来描述，元件的故障率函数可表示为

                                          式(1)

式中，为部件的特征寿命参数，为部件的形状参数；当时，故障率函数随着运行时间的增加而增加。

可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率；它是时间的函数，记作，也称为可靠度函数；元件可靠度和其故障率之间的关系为

                                      式(2)

第二步： 分析配电网的所有维修模式，记录每种维修模式对各负荷点的停电影响，形成报表形式：

（1）明确配电网的机会区域，发生故障后或预防性维修后配电网划分为以下几类区域：

1)故障区域——A类：故障元件或达到预防性维修役龄的元件所在区域；

2)后向区域——B类：位于故障区域下游的区域；根据是否存在与其它馈线的联络，后向区域又分为B1类区域和B2类区域；B1类区域内存在与其它馈线的联络，故障发生后可切换到备用电源；B2类区域内不存在与其它馈线的联络；

3)前向区域——C类：位于故障区域上游，故障隔离后能够与母线构成连通；

4)无影响区域——D类：除去A、B、C类区域以外的区域；该区域内的负荷不受故障元件的影响，因此不停电；

（2）将A类、B2类区域称为“机会区域”，用表示；对机会区域内达到维修条件的元件进行机会维修，不会增加新的停电区域；

（3）用和分别表示元件的机会维修可靠度和预防性维修可靠度，且；和将元件的可靠度划分为三个区间，故障维修区间、机会更换区间以及预防性更换区间，用表示某一时刻元件的可靠度，则配电网的机会维修策略描述如下：

1) 若，元件发生故障时对其进行维修；

2) 若，对元件进行预防性维修；

3) 若，元件发生故障时对其进行故障维修，或者此时如有其他元件进行维修且元件包含在机会区域内，则对元件进行机会维修；

第三步：设定初始化仿真数据，包括：

仿真年限和仿真步长，计算仿真步数；

各元件故障率函数的参数和；

机会维修可靠度和预防性维修可靠度；

初始化模拟时钟、和。

运行状态时钟：模拟各个元件的运行状态，通过产生随机数交替得到向前推进，各元件的同步；

可靠度时钟：模拟各个元件的可靠度随时间的变化情况，元件的可靠度时钟表示为，以仿真步长向前推进；各元件的异步，当有元件被修复时其可靠度时钟归零，重新计时；

系统运行时钟,以仿真步长向前推进，用于协调和，解决两者不同步推进的问题；

第四步：产生个区间内均匀分布的随机数，根据每个元件状态模型中的故障率参数求得个无故障运行时间；

                                         式(3)

式中，和分别表示元件的故障率和修复率参数，和均为间均匀分布的随机数；

第五步：找出最小的；系统运行时钟，其中k为仿真步数，且；

第六步： 计算时刻各元件的可靠度，元件在时刻的可靠度为；

第七步： 若，执行步骤八；若，对元件进行故障维修或对元件进行预防性维修；

   确定机会区域，找出内可靠度落入机会维修区间的元件

   若内有个元件的可靠度落入机会维修区间内，则对这个元件进行机会维修；

   对于要维修的个元件：

.产生个随机数，根据修复率参数求得各自的修复时间；

.产生个随机数，根据失效率参数求得各元件新的运行时间，修正相关元件的运行时间；

.将已维修元件的可靠度时钟归零；

   查找维修模式影响表，记录失电负荷点的停电次数、停电时间、缺供电量等信息；

第八步：仿真步数加1，即；若，可靠度时钟，转步骤四继续仿真；若，转步骤九；

第九步：模拟过程结束，按式(4)至式(11)计算配电网的可靠性指标：

1) 负荷点的可靠性指标：

年平均故障率                       式(4)

年平均停电时间                   式(5)

2) 系统可靠性指标：

 系统平均停电频率指标(system average interruption frequency index，SAIFI)

                        式(6)

式中，为负荷点的年平均故障率，为负荷点的用户数，SAIFI的单位为次/户·年。

 系统平均停电持续时间指标(system average interruption duration index，SAIDI)

                 式(7)

式中，为负荷点的年平均停电时间，SAIDI的单位为h/户·年。

 用户平均停电持续时间指标(customer average interruption duration index，CAIDI)

                 式(8)

CAIDI的单位为h/次或min/次。且CAIDI与SAIDI、SAIFI之间的关系为

                                      式(9)

 平均供电可用度指标(average service availability index，ASAI)

  式(10)

ASAI可以通过SAIDI直接计算得到，其单位为%。

 系统总电量不足指标(energy not supplied，ENS)

                    式(11)

式中为接入负荷点的平均负荷。

在计算机会维修策略下的配电网可靠性中，维修方式模拟可用以下方法：

采用基于状态持续时间抽样的序贯蒙特卡洛法模拟配电网中各元件的运行状态（故障/正常运行），其基本原理是：根据配电网中各个元件的可靠性参数，通过产生随机数的方式来模拟单个元件失效状态的变化序列，进而按照时间顺序，分析元件故障对系统可靠性的影响。

用元件的可靠度函数来模拟元件寿命的变化情况，通过分析各元件的可靠度随时间的变化情况来确定需要进行预防性维修的元件。

当有元件需要进行故障维修或预防性维修时，确定配网中的机会区域，查找内可靠度落入机会维修区间的元件，并对其进行机会维修。

本发明的有益效果为：

在智能配电网的背景下，经常是多种维修方式同时存在，而不仅仅只有故障维修。针对此情况，本发明提出了考虑机会维修策略的配电网供电可靠性评价方法，可以同时考虑三种维修方式：故障维修、预防性维修和机会维修。

本发明提出可靠性评价方法，除了用序贯蒙特卡洛法模拟元件运行状态以外，还用元件的可靠度函数来模拟元件寿命的变化情况，给出了检测机会区域内获得维修机会的元件的方法。和现有的配电网可靠性评价方法相比，本发明提出的方法考虑的影响因素更加全面，可以准确评估预防性维修、机会维修对配电网可靠性的影响。通过对采用机会维修策略的IEEE RBTS BUS6系统的仿真分析可以发现，与本发明提出的可靠性评价方法相比，传统方法计算得到的维修次数的误差高达30%，可靠性指标SAIFI和SAIDI的误差分别接近15%和10%。由此可见，对于采用机会维修策略的配电网而言，传统可靠性评价方法由于其无法考虑多种维修策略导致误差较大，本发明提出的评价方法更加合理。

附图说明

图1为本发明中所述元件可靠度区间划分示意图；

图2为本发明中所述配电网的机会维修策略示意图；

图3为本发明实施例中所述IEEE RBTS BUS6系统接线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细说明：

以IEEE RBTS BUS6系统为例进行分析，系统接线图如图3所示，包括1条10 kV母线和4条馈线出线（F1、F2、F3、F4）。馈线F1与F2相互联络。系统中共有馈线段64条、配电变压器38台、负荷点40个。采用本发明提出的方法对IEEE RBTS BUS6系统进行可靠性计算，通过分析计算结果验证本发明的有效性。

首先，确定各元件的可靠度模型，包括馈线段、配变以及开关设备等。根据各类元件的特性选取合适的形状参数，根据各元件的统计故障率求取其特征寿命参数，结合式(1)、式(2)得到各元件的可靠度模型：如F1上的馈线段1，其形状参数，特征寿命参数年，则馈线段1的可靠度模型为；F3上的隔离开关，其形状参数，特征寿命参数年，其可靠度模型为)。

然后，分析各个元件故障后的机会区域，以便在仿真分析时检测可靠度落入机会维修区间的元件是否在机会区域。以F1上的元件馈线段6需要维修为例，按照本发明提出的机会维修区域的划分方法，落入机会维修区域的元件为馈线段5和连接LP3的配变。若F4上的元件馈线段39需要维修，则F4上的所有其他元件落入机会维修区域。需要找出维修所有元件时各自对应的机会维修区域。

之后，采用本发明提出的方法对图3所示的配电系统（IEEE RBTS BUS6）进行可靠性计算。设定仿真年限Y=2000年，步长H=10/365年，预防性维修可靠度阈值R_p取=0.8，机会维修可靠度阈值R_o取=0.85，馈线段、配变和开关设备的故障率分别取0.065、0.013和0.06。表1给出了不同维修策略下的维修次数，表2给出了不同维修策略下的可靠性指标计算结果。

表1  不同维修策略下的维修次数

表2  不同维修策略下的配电网可靠性指标

维修策略	SAIFI(次/户·年)	SAIDI(h/户·年)	ENS(MWh/年)	ASAI
					故障维修	1.502692	4.809664	111936.1	0.999451
机会维修	1.320476	4.433143	116452.7	0.999494

从表1可以看出，机会维修策略下的故障维修次数大幅度的减少，而且总维修次数较前两种维修方式有较大幅度的减少。从表2可以看出，机会维修策略下的各项指标都有所改善。本发明方法的仿真结果较真实的体现了机会维修策略对配电网可靠性的影响，验证了本发明的有效性。

Claims (1)

1.一种考虑机会维修策略的配电网供电可靠性评价方法，其特征在于该方法的步骤为：

第一步：配电网元件的故障率和可靠度建模：

构成配电系统的各电气元件的故障率主要受老化、预防性维修以及工作环境等因素的影响；这里只考虑老化对元件故障率的影响，采用参数                                                时的威布尔分布来描述，元件的故障率函数可表示为

                                         式(1)

式中，为部件的特征寿命参数，为部件的形状参数；当时，故障率函数随着运行时间的增加而增加；

可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率；它是时间的函数，记作，也称为可靠度函数；元件可靠度和其故障率之间的关系为

                                    式(2)

第二步： 分析配电网的所有维修模式，记录每种维修模式对各负荷点的停电影响，形成报表形式：

（1）明确配电网的机会区域，发生故障后或预防性维修后配电网划分为以下几类区域：

1)故障区域——A类：故障元件或达到预防性维修役龄的元件所在区域；

2)后向区域——B类：位于故障区域下游的区域；根据是否存在与其它馈线的联络，后向区域又分为B1类区域和B2类区域；B1类区域内存在与其它馈线的联络，故障发生后可切换到备用电源；B2类区域内不存在与其它馈线的联络；

3)前向区域——C类：位于故障区域上游，故障隔离后能够与母线构成连通；

4)无影响区域——D类：除去A、B、C类区域以外的区域；该区域内的负荷不受故障元件的影响，因此不停电；

（2）将A类、B2类区域称为“机会区域”，用表示；对机会区域内达到维修条件的元件进行机会维修，不会增加新的停电区域；

（3）用和分别表示元件的机会维修可靠度和预防性维修可靠度，且；和将元件的可靠度划分为三个区间，故障维修区间、机会维修区间以及预防性维修区间，用表示某一时刻元件的可靠度，则配电网的机会维修策略描述如下：

1) 若，元件发生故障时对其进行维修；

2) 若，对元件进行预防性维修；

3) 若，元件发生故障时对其进行故障维修，或者此时如有其他元件进行维修且元件包含在机会区域内，则对元件进行机会维修；

第三步：设定初始化仿真数据，包括：

仿真年限和仿真步长，计算仿真步数；

各元件故障率函数的参数和；

机会维修可靠度和预防性维修可靠度；

初始化模拟时钟、和；

运行状态时钟：模拟各个元件的运行状态，通过产生随机数交替得到和向前推进，各元件的同步；

可靠度时钟：模拟各个元件的可靠度随时间的变化情况，元件的可靠度时钟表示为，以仿真步长向前推进；各元件的异步，当有元件被修复时其可靠度时钟归零，重新计时；

系统运行时钟,以仿真步长向前推进，用于协调和，解决两者不同步推进的问题；

第四步 产生个区间内均匀分布的随机数，根据每个元件状态模型中的故障率参数求得个无故障运行时间；元件的无故障运行时间和修复时间由下式计算得到

                                       式(3)

式中，和分别表示元件的故障率和修复率参数，和均为间均匀分布的随机数；

第五步：找出最小的；系统运行时钟，其中k为仿真步数，且；

第六步： 计算时刻各元件的可靠度，元件在时刻的可靠度为；

第七步： 若，执行第八步；若，对元件进行故障维修或对元件进行预防性维修；

   确定机会区域，找出内可靠度落入机会维修区间的元件

   若内有个元件的可靠度落入机会维修区间内，则对这个元件进行机会维修；

   对于要维修的个元件：

.产生个随机数，根据修复率参数求得各自的修复时间；

.产生个随机数，根据失效率参数求得各元件新的运行时间，修正相关元件的运行时间；

.将已维修元件的可靠度时钟归零；

   查找维修模式影响表，记录失电负荷点的停电次数、停电时间、缺供电量等信息；

第八步：仿真步数加1，即；若，可靠度时钟，转第四步继续仿真；若，转第九步；

第九步：模拟过程结束，按式(4)至式(11)计算配电网的可靠性指标：

1) 负荷点的可靠性指标：

年平均故障率                      式(4)

年平均停电时间                  式(5)

2) 系统可靠性指标：

 系统平均停电频率指标(system average interruption frequency index，SAIFI)

                       式(6)

式中，为负荷点的年平均故障率，为负荷点的用户数，SAIFI的单位为次/户·年；

 系统平均停电持续时间指标(system average interruption duration index，SAIDI)

                式(7)

式中，为负荷点的年平均停电时间，SAIDI的单位为h/户·年；

 用户平均停电持续时间指标(customer average interruption duration index，CAIDI)

                式(8)

CAIDI的单位为h/次或min/次；

且CAIDI与SAIDI、SAIFI之间的关系为

                                     式(9)

 平均供电可用度指标(average service availability index，ASAI)

  式(10)

ASAI可以通过SAIDI直接计算得到，其单位为%；

 系统总电量不足指标(energy not supplied，ENS)

                   式(11)

式中为接入负荷点的平均负荷。