CN105427195A - 一种输配电一体化可靠性指标计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种输配电一体化可靠性指标计算方法,包括以下步骤:输电设备可靠性建模;蒙特卡洛系统状态抽取;最大输电能力(TTC)计算;输电网负荷点可靠性指标;负荷-电源可靠性等值;系统可靠性指标计算。本发明有益的效果是:本发明技术方案构建输配电一体化可靠性指标模型,综合考虑输电网和配电网可靠性指标,从电源指向负荷,全面量化输电网的可靠性水平对配电网可靠性的影响,可以找出系统薄弱点,形成一套完整的输配电一体化可靠性评估体系,为电网安全运行、规划发展提供可靠的参考依据。
Description
技术领域
本发明涉及电网供电可靠性技术领域,尤其是一种输配电一体化可靠性指标计算方法。
背景技术
配电网从输电网接受电能,通过配电设施就地分配或者按照电压等级逐级分配给用户,而其有不同的电压等级、负荷种类繁杂、供电方式和接线方式的特殊性都使得配电网供电变得更加复杂。而目前对配电网供电可靠性的评估中,一般都没有考虑输电系统故障对于配电网可靠性的影响,这显然是不正确的;而输电网由于没有和用户直接相连,对其可靠性的分析并不能提供具体负荷点处的可靠性指标。这些都导致目前的电网可靠性指标评估系统的不准确和不完整。
随着电力系统的发展,电网逐渐演变成多环节综合作用的复杂电力网络,任何一个环节发生故障,都有可能造成事故的扩大,引起大面积停电事故,造成重大损失。供电可靠性不再只受配电系统的影响,输电系统对其影响同样很大,有必要建立基于输配电一体化的综合可靠性指标,全面、更加准确地评估供电可靠性。
输配电一体化系统的可靠性指标的建立,就是把输、配电系统作为一个整体,考虑其对用户可靠性的影响,因而能够更加真实的反映输、配电系统对用户供电的可靠程度。输配电一体化的可靠性指标就是在配电侧进行可靠性计算时,同样采用输电侧的可靠性指标,使得输配电的可靠性指标成为一个统一完整的指标,对于提高整个电网可靠性管理的水平具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决上述现有技术的缺点,提供一种可对整个电网可靠性统一管理的输配电一体化可靠性指标计算方法。
本发明解决其技术问题采用的技术方案:这种输配电一体化可靠性指标计算方法,包括以下步骤:
(1)输电设备可靠性建模:建立包括断路器、变压器、线路、母线在内的输电设备可靠性模型,此步分析系统可靠性的基础;
(2)蒙特卡洛系统状态抽取:从发电机、输电线路、节点负荷这三类设备的概率分布函数中抽取样本,代表系统的状态,再进行状态估计,判断是否解列,再根据运行状态采取消减负荷等措施排除系统故障;
(3)最大输电能力(TTC)计算:基于蒙特卡洛法和灵敏度分析法,在状态估计排除系统故障后,计算TTC;对每次状态估计的TTC结果进行统计,得到系统的TTC指标;
(4)输电网负荷点可靠性指标:输电网与配电网之间通过若干节点连接,输电网中的负荷节点可靠性指标需要以故障率和平均停运时间的形式传达到下级电网;
(5)负荷-电源可靠性等值:根据输电网末端的负荷节点是配电网的电源节点这一特点,按照等值原则进行负荷-电源模型等值;
(6)系统可靠性指标计算:以负荷节点的年均负荷削减频率和切负荷平均持续时间作为输配网间传递的可靠性指标,将电网可靠性指标赋予输配电一体化新的内涵;
(7)系统可靠性指标修正输出:将得到的输配电一体化可靠性指标输采用基于电压暂降的方法修正,考虑到了配电网不同负荷类型的影响,从而得到更加精确完善的指标。
本发明有益的效果是:本发明技术方案构建输配电一体化可靠性指标模型,综合考虑输电网和配电网可靠性指标,从电源指向负荷,全面量化输电网的可靠性水平对配电网可靠性的影响,可以找出系统薄弱点,形成一套完整的输配电一体化可靠性评估体系,为电网安全运行、规划发展提供可靠的参考依据。
附图说明
图1是本发明的流程图;
图2是电压降落与状态持续时间的关系图;
图3是本发明采用的算例输电网结构图;
图4是本发明采用的算例配电网结构图;
图5是输配电一体化可靠性指标计算结果;
图6是不考虑输电网影响的配电网可靠性指标计算结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明:
如图所示,这种输配电一体化可靠性指标计算方法,包括以下步骤:
(1)输电设备可靠性建模:建立包括断路器、变压器、线路、母线在内的输电设备可靠性模型,此步分析系统可靠性的基础;
(2)蒙特卡洛系统状态抽取:从发电机、输电线路、节点负荷这三类设备的概率分布函数中抽取样本,代表系统的状态,再进行状态估计,判断是否解列,再根据运行状态采取消减负荷等措施排除系统故障;
(3)最大输电能力(TTC)计算:基于蒙特卡洛法和灵敏度分析法,在状态估计排除系统故障后,计算TTC;对每次状态估计的TTC结果进行统计,得到系统的TTC指标;
(4)输电网负荷点可靠性指标:输电网与配电网之间通过若干节点连接,输电网中的负荷节点可靠性指标需要以故障率和平均停运时间的形式传达到下级电网;
(5)负荷-电源可靠性等值:根据输电网末端的负荷节点是配电网的电源节点这一特点,按照等值原则进行负荷-电源模型等值;
(6)系统可靠性指标计算:以负荷节点的年均负荷削减频率和切负荷平均持续时间作为输配网间传递的可靠性指标,将电网可靠性指标赋予输配电一体化新的内涵。
(7)系统可靠性指标修正输出:将得到的输配电一体化可靠性指标输采用基于电压暂降的方法修正,考虑到了配电网不同负荷类型的影响,从而得到更加精确完善的指标。
S1、开始
启动一种输配电一体化可靠性指标计算方法程序
S2、输电设备可靠性建模
输电系统包括很多电气设备:变压器、线路、母线、断路器等,这些设备特性不同,对整个电力系统和对于配电网可靠性的影响也是不同的。分析各个电气设备的故障引起的后果,建立其可靠性模型是建立准确的输配电一体化可靠性指标的基础。
1)变压器及线路可靠性模型
变压器与线路是输配电一体化系统中重要的电能输电设备,设备的稳态状态概率模型是:
其中,PN、PM、PR分别为变压器或线路处于正常状态、检修状态、恢复状态的概率;λm、λr分别为变压器或线路的故障率;μm、μr分别为变压器或线路的恢复率。
2)母线可靠性模型
母线在变电站中的作用是电能的汇集和分配,是联系输配电系统的中间环节,所以对于可靠性指标的建立有着重要作用。在所有的故障类型中,母线短路故障会引起多个断路器动作,甚至造成停电发生;发生故障时会采取倒闸操作倒负荷进行负荷转移,所以母线的可靠性模式考虑的状态五种:母线短路故障状态、倒闸暂时性故障状态、检修状态、正常状态、恢复状态。
母线的稳态状态概率模型为:
其中,PN、PM、PR、PT、PS分别为母线处于正常状态、检修状态、恢复状态、倒闸暂时故障状态、母线短路故障状态的概率;λm、λt、λr、λs为母线的故障率;μm、μr、μsr为母线恢复率,μtr为母线负荷转移率。
3)断路器可靠性模型
断路器的操作会改变系统的拓扑结构,对于输配电一体化系统的运行状态有着重要作用。除了正常和检修状态外,断路器故障状态还可以分为一般性故障、活动性故障和扩大性故障,后两者都引起了其他设备故障,尤其是扩大性故障考虑到继电保护动作的影响。
断路器的稳态状态概率模型是:
其中,PN、PM、Pp、PA、PE分别为断路器处于正常状态、检修状态、一般性故障状态、活动性故障状态、扩大性故障状态的概率;λm、λp、λa、λe为断路器的故障率;μm、μp、μap、μep为断路器的恢复率或转移率。
S3、蒙特卡洛系统状态抽取
鉴于传统的的可靠性分析方法,系能预想一些简单的故障类型事故,而不能给出事故发生的可能性,而基于蒙特卡洛的可靠性评估方法,利用随机变量的数学模型和统计方法,对所涉及的电气设备的概率分布函数中随机抽取样本,代表系统的状态,然后再对产生的状态进行评估,排除系统故障,方便下一步计算。
考虑3类元件的不确定性因素,发电机随机故障、输电线路随机故障、节点负荷的随机波动。对于发电机和线路,认为这两类元件仅有运行和故障两种状态,其概率分布函数服从两点分布。对于负荷,认为各节点负荷的波动服从正太分布,即参数μi是该分布的数学期望,一般为节点i的负荷预测值;σi参数是该分布的方差,它描述了节点i的负荷实际值wi偏离预测值μi的程度,一般根据具体的输电系统给出其经验值。
随机抽取各元件当前状态持续时间,累加各元件持续时间,当抽取样本足够大时,从而确定各元件状态。接着再通过对每一个不同系统状态的分析,计算风险指标,从而排除输电系统故障。下面是三个风险指标:
Pf、Ff、Df分别为失效概率、频率和平均持续时间;Ddk是第k个停运状态的持续时间;Duj是第j个运行状态的持续时间;Mdn、Mup分别为在一定时间内系统失效和运行状态出现的次数。
根据状态和风险指标,判断系统是否解列,如果解列,则会生成子系统;再判断系统的供电能力。
S4、最大输电能力(TTC)计算
进行最大供电能力的计算,从而判断系统是否需要消减负荷。
基于有功潮流对节点注入有功的灵敏度关系,提出了应用灵敏度法分析节点。由直流潮流方程可知节点功率注入量与支路潮流间的灵敏度关系式为:
ΔL=SΔP(5)
S'=BLAB-1(6)
式中:ΔL是支路有功潮流变化量构成的向量,b×1阶;ΔP是节点注入有功变化量构成的向量(包括平衡节点的有功变化量),n×1阶;BL是由支路导纳组成的对角矩阵,b×b阶,B是由节点导纳矩阵虚部构成的方阵,(n-1)×(n-1)阶;A是网络的支路-节点关联矩阵,b×(n-1)阶;S'是灵敏度矩阵,b×(n-1)阶,它描述了线路潮流与节点(不包括平衡节点)注入功率间的关系;S是S'的扩展矩阵,b×n阶,其中与平衡节点对应的那列元素均为0;b为系统支路数;n为节点数。
利用灵敏度分析法,可以解决TTC计算中所遇到的如下问题:①进行系统状态校正;②系统其他节点注入功率不变情况下,计算指定节点间的可用传输能力;③系统发电机出力调整情况下,计算指定节点间的可用传输能力。
设CTTC(x)为对给定状态x下输电系统两节点间的TTC。根据概率理论,CTTC(x)的期望值方差估计值和方差系数β分别为:
式中:xi是第i次状态取样值;N是总的状态取样次数;CTTC(x)是xi状态下的TTC值。
通常,方差系数β表示蒙特卡洛模拟法估计的计算误差。可以看到,蒙特卡洛模拟法的计算量(取样次数)几乎不受系统规模或复杂程度的影响,因此,该方法能高效地处理各种复杂因素,非常适合输配电一体化系统的TTC计算。
如果得出的TTC指标判断系统供电能力充足,则进行下一步计算;若供电不足,或者判断输电线路越限,则采取平均消减负荷措施,从而排除故障,保证其他部分的正常供电,从而可以得到准确的可靠性指标。
S5、输电网负荷点可靠性指标
排除系统故障,确保系统的供电能力后,建立输电网各负荷点可靠性指标。这是负荷等值的前提。
输电网中的负荷节点作为下一级电网的电源节点,其可靠性指标同样需要以故障率和平均停电时间的形式传递到下级电网。因此,以负荷节点的年均负荷削减频率λ(次/年)和切负荷平均持续时间r(小时/次)作为输配网间传递的可靠性指标。
当故障发生,主要是指输配电系统的线路、变压器、和断路器发生故障,可以将节点故障分为四个类型:①正常节点,该节点不受故障发生的影响;②故障时间是隔离故障的时间的节点;③故障时间为隔离操作加切换操作的时间的节点;④故障时间为元件恢复时间的节点。
所以,根据不同的故障类型,节点的可靠性指标也是不同的。
S6、负荷-电源可靠性等值
输电网与配电网之间通过若干节点连接,即输电网末端的负荷节点是配电网的电源节点,处于配电网的始端。在输配电一体化系统评估的过程中,利用这一特点,进行负荷-电源模型等值。等值原则包括三个方面:等值前后节点的可用率A相同,等值前后节点的年均故障率λ相同,等值前后节点的平均每次停运时间γ相同。
输电网环节可靠性评估中得到负荷节点的年均切负荷频率λL和切负荷平均持续时间γL指标,这两个指标意义等同于节点的平均故障率λ、平均停运时间γ。在配电网的评估中,由于变电站出线都配置有断路器,各个电源节点可形成仅含该电源的最小隔离区,也是自动隔离区。该隔离区的平均故障率λs和平均故障时间γs可以根据负荷-电源模型等值的原则,直接得到。
S7、系统可靠性指标计算
完成各节点处的可靠性指标计算和等之后,即可计算输配电一体化系统的可靠性指标,指标包含下面这些:
1)用户平均停电频率指标(CAIFI)
指每个受停电影响的用户在一年时间内经受的平均停电次数,可以用一年中观察到的用户停电次数除以受停电影响的用户数来估计,单位为次/停电用户·年。每个受停电影响的用户每年只计算次停电,不考虑用户一年中实际经受的一次以上的停电次数。
2)用户平均停电持续停电时间指标(CAIDI)
它是指在一年中被停电的用户经受的平均停电持续时间,可以用一年时间内用户停电持续时问的总和除以该年停电用户总户数求的,单位为小时/停电用户·年
3)系统平均停电频率指标(SAIFI)
它是指系统中运行的用户在一年时间内的平均停电次数,可以用一年内用户停电的累积次数除以配电网供电的总用户数来估计,单位为次/用户·年
4)系统平均停电持续时间指标(SAIDI)
它是指系统中运行的用户在一年时问内经受的平均停电持续时问,可以用一年时间内用户经受的停电持续时间的总和除以该年中由配电网供给的用户总数求得,单位为小时/用户·年。
5)平均供电可用率指标(ASAI)
它是指一年中用户的可用小时数与总的要求供电的小时数之比(%)
6)期望缺供电能量(EENS)
指系统在一年中因停电而造成用户总的电量损失。
其中,λi为故障率;Ni为负荷点i的用户数;Ui为年停电时间;Ni’为负荷点i受停电影响的用户数;8760为年的小时数;La(i)为连接在负荷点i的平均负荷。
7)负荷削减概率(LOLP)
说明的是在评估期间发生削减负荷的可能性有多大,
8)平均瞬时停电频率指标(MAIFI)
S8、系统可靠性修正
对得到的可靠性指标判断收敛精度,如果满足要求,则进行指标的进一步修正,从而将建立的可靠性指标考虑了配电网电压暂降的影响,使得一体化的指标更加完整。
不同类型的负荷受电能质量问题的影响是不同的。对于大多数居民负荷,暂时断电和长时间断电的影响较大,对商业和工业负荷,电压暂降和短时断电是影响最大的问题。评估电压暂降对电能质量影响的关键是,要准确合理地计算电压暂降对各类设备造成的影响。分析用电设备对暂降的敏感度及影响设备敏感度的主要因素,对评估电压暂降对用户的影响及其对供电可靠性的影响等有重要意义。
设备对电压暂降的敏感度是指,在发生不同程度的电压暂降后,设备能承受干扰仍正常工作的能力。这种能力越低,敏感度也就越高。影响设备对电压暂降敏感度的因素是多方面的,主要有:设备本身的特性、电压暂降的的发生特性、设备的运行状态等。根据设备的敏感曲线、电压暂降幅值和持续时间就能判断该设备是否受到电压暂降的影响。
如图2所示,曲线1外部区域A(U>Umax,T<Tmin)为正常运行区;曲线2内部区域C(U<Umin,T>Tmax)为故障运行区;曲线1与曲线2之间的部分为不确定区域,并把不确定区域划分为3个部分Bl、BZ和B3,对于Bl和BZ内设备的电压暂降敏感度分别是离散随机变量持续时间T和幅值U的一维函数,而B3内设备的电压暂降敏感度是由U和T共同决定,是离散随机变量(U、T)的二维函数。
当暂降事件落在区域A中,设备正常运行,即可认为设备的故障概率PA=O;当暂降事件落在区域C中,设备一定停运,则其故障概率Pc=1。曲线l与曲线2之间的部分为不确定区域B。在区域Bl和BZ内设备的电压暂降停运概率分别是离散随机变量T和U的一维函数。显然,当电压暂降发生在Bl中时,变量T在Tmin到Tmax之间变化,相应地设备停运概率分布在(0,1),电压暂降持续时间越长,停运概率越接近1;同样,当电压暂降发生在BZ中时,变量在Umax和Umin间变化,设备停运概率分布在O到1之间,电压暂降幅值越小,停运概率越接近1。因此,两变量一定满足某种累积分布概率函数。若Px(T)和Py(U)分别表示随机变量T和U的概率分布函数,则B3内设备的设备停运概率Pxy(T,U)修正为:Pxy(T,U)=Px(T)×Py(U)。
具体实施例:
以IEEERTS-79作为本算例的输电网,如图3所示,而配电网如图4所示,该配网在IEEE-RBTSBUS6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。即该系统具有负荷节点40个,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。
设变压器故障率为0.015次/(年·台),平均修复时间为48h;线路故障率是0。05次/(年·km),平均修复时间为8h;联络开关的倒闸操作时间t为1。0h;隔离开关的倒闸操作时间tb为0.5h;假设熔断器都能100%可靠熔断。对于输电网的评估仅考虑变压器和线路故障两种情况,为使输电网中节点BUS6的负荷被削减,对线路1-2的传输容量约束范围缩小为0~20MW。
首先计算输电系统各负荷节点的年均负荷削减频率λL、切负荷平均持续时间γL。为对比,计算了考虑输电网影响的配网可靠性指标和不考虑输电网影响的配网可靠性指标,分别如图5、图6所示。证明了考虑到输电网的影响而形成的输配电一体化指标比只考虑配电网可靠性指标有很大差距,更加全面准确地反映了系统的供电可靠性。
1基于蒙特卡洛法和灵敏度分析法的TTC计算
而基于蒙特卡洛的可靠性评估方法,利用随机变量的数学模型和统计方法,对所涉及的电气设备的概率分布函数中随机抽取样本,代表系统的状态,然后再对产生的状态进行评估,排除系统故障。利用灵敏度的分析方法可以修正蒙特卡洛分析方法的不足,更加准确地计算指定馈线的供电能力。当取样收敛性满足要求时,即可代表系统的状态,从而确定输电网的馈线最大供电能力。
2输电、配电网负荷-电源等值
输电网与配电网之间通过若干节点连接,即输电网末端的负荷节点是配电网的电源节点,处于配电网的始端。在输配电一体化系统评估的过程中,利用这一特点,进行负荷-电源模型等值。建立准确的等值模型,是建立输配电一体化可靠性指标的关键。
3基于电压暂降的系统可靠性指标修正
不同类型的负荷受电能质量问题的影响是不同的。对于大多数居民负荷,暂时断电和长时间断电的影响较大,对商业和工业负荷,电压暂降和短时断电是影响最大的问题。评估电压暂降对电能质量影响的关键是,要准确合理地计算电压暂降对各类设备造成的影响。分析用电设备对暂降的敏感度及影响设备敏感度的主要因素,对评估电压暂降对用户的影响及其对供电可靠性的影响等有重要意义。
除上述实施例外,本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案,均落在本发明要求的保护范围。
Claims (1)
1.一种输配电一体化可靠性指标计算方法,其特征是:包括以下步骤:
(1)输电设备可靠性建模:建立包括断路器、变压器、线路、母线在内的输电设备可靠性模型,此步分析系统可靠性的基础;
(2)蒙特卡洛系统状态抽取:从发电机、输电线路、节点负荷这三类设备的概率分布函数中抽取样本,代表系统的状态,再进行状态估计,判断是否解列,再根据运行状态采取消减负荷等措施排除系统故障;
(3)最大输电能力(TTC)计算:基于蒙特卡洛法和灵敏度分析法,在状态估计排除系统故障后,计算TTC;对每次状态估计的TTC结果进行统计,得到系统的TTC指标;
(4)输电网负荷点可靠性指标:输电网与配电网之间通过若干节点连接,输电网中的负荷节点可靠性指标需要以故障率和平均停运时间的形式传达到下级电网;
(5)负荷-电源可靠性等值:根据输电网末端的负荷节点是配电网的电源节点这一特点,按照等值原则进行负荷-电源模型等值;
(6)系统可靠性指标计算:以负荷节点的年均负荷削减频率和切负荷平均持续时间作为输配网间传递的可靠性指标,将电网可靠性指标赋予输配电一体化新的内涵;
(7)系统可靠性指标修正输出:将得到的输配电一体化可靠性指标输采用基于电压暂降的方法修正,考虑到了配电网不同负荷类型的影响,从而得到更加精确完善的指标。
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