CN106339803A - 一种考虑通信失效的配电网风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑通信失效的配电网风险评估方法，包括(1)将配电网线路i故障后的供电恢复过程划分为多个受通信失效影响的供电恢复子任务，并将每一个子任务抽象为一个输入‑输出系统；(2)构建各个子任务的状态集，并计算各个子任务状态的概率；(3)构建供电恢复系统状态集，并计算各个供电恢复系统状态的概率以及该状态下恢复容量；(4)计算线路i故障后的电力不足期望值；(5)计算配电网风险评价指标。本发明提出的风险指标中，各条配电网线路的故障率体现了配电网物理系统风险对风险指标的影响；而配电网中各条线路故障后的电力不足期望值与通信链路的可靠性相关，体现了配电网信息系统风险对风险指标的影响。

Description

一种考虑通信失效的配电网风险评估方法

技术领域

本发明属于电网规划领域，并涉及电力系统风险评估领域

背景技术

配电网的通信系统可由光纤通信、同轴电缆通信、载波通信、无线通信等不同通信介质组建而成，而各种通信介质在实际应用中均会出现不同程度的网络时延、数据丢包、数据误码等通信失效的情况，导致配电网供电恢复系统工作异常。虽然在通信领域已有重发法、冗余法、前向纠错法等通信失效后的数据修复方法，但是一方面实现这些方法的软硬件开销较大，另一方面即使采用这些方法依然不能完全保证通信过程完全有效。

当配电网发生故障时，配电网供电恢复系统可以切除故障线路，实现配电网重构，从而尽可能降低故障对配电网可靠性带来的影响。配电网供电恢复系统架构包括集中式和分布式两类，其中任何一种实现方式都依赖于通信系统进行数据采集和远动控制，当通信失效时，必然会对配电网供电恢复的效果产生影响。

定量分析配电网供电恢复系统的有效性的方法包括解析法和模拟法两类。解析法基于元件可靠性模型，通过对配电网系统故障进行枚举实现；模拟法主要借助蒙特卡洛模拟进行配电网风险评估，通过反复抽取配电网系统元件的状态，计算待求参数的数字特征作为其近似解。然而，现有的方法仅考虑了电力系统元件失效，而忽略了通信系统失效对配电网供电可靠性的影响。为分析通信系统失效情况下的配电网风险，应在已有配电网风险评估方法的基础上，考虑通信系统的状态以及不同失效状态对供电恢复系统的影响。

发明内容

针对现有技术，本发明提供一种考虑通信失效的配电网风险评估方法，该方法将整个供电恢复过程分解为多个包含输入和输出的子任务，当通信系统失效时，依赖于失效通信链路的子任务将输出无效值，进而影响供电恢复的效果。通过计算不同供电恢复系统失效状态下的负荷缺额、恢复容量以及各个状态的概率，可以得到供电恢复后的电力不足期望值，并据此构建配电网风险评价指标。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种考虑通信失效的配电网风险评估方法，包括以下步骤：

步骤一、选取一条配电网线路作为故障线路i，并将该线路i故障后的供电恢复过程划分为多个受通信失效影响的供电恢复子任务，并将每一个子任务抽象为一个输入-输出系统，其中的输入-输出表达式定义为：

式(1)中，u_k为子任务k的输入向量；y_k为子任务k的输出向量；g_k(u_k)为通信系统正常时子任务k的输入输出关系；

步骤二、构建各个子任务的状态集，并计算各个状态的概率：

定义各供电恢复子任务的状态为

s_t,k∈G_t,k＝{0,1}

(2)

式(2)中，G_t,k为子任务k的状态集；s_t,k为供电恢复过程中子任务k的状态，其中s_t,k＝1表示该子任务k正常完成，s_t,k＝0表示该子任务k失效；

供电恢复子任务状态与执行该子任务过程中每一次数据传输过程状态之间的关系为：

式(3)中，L_k为完成子任务k过程中的数据传输过程集；s_c,i为子任务k中第i次数据传输过程的状态，其中s_c,i＝1表示数据传输正常，反之s_c,i＝0；

子任务k中第i次数据传输正常完成的概率为

P(s_c,i＝1)＝1-α_i

(4)

式(4)中，α_i为第i次数据传输所依赖通信链路的丢包率；

定义事件A_k和分别表示子任务k完成事件s_t,k＝1和失效事件s_t,k＝0，其发生的概率分别为：

$P(s_{t,k}=1)=P\left(A_k\right)=\underset{i\∈L_k}{\Π}(1-{\mathrm{\α}}_i)---\left(5\right)$

$P(s_{t,k}=0)=P\left(\stackrel{\‾}{A_k}\right)=1-P\left(A_k\right)---\left(6\right)$

步骤三、根据步骤二建立的子任务状态集，构建供电恢复系统状态集G：

对于包含n个子任务的供电恢复过程，定义供电恢复系统状态空间G为供电恢复过程中各个子任务状态空间的笛卡尔积，即：

G＝G_t,1×G_t,2×…×G_t,n

(7)

其中，每一个供电恢复系统状态表示为：

s_i＝(s_t,1,s_t,2,…,s_t,n)∈G

(8)

式(8)中，s_t,1～s_t,n分别为供电恢复过程中n个子任务状态；

步骤四、计算各个供电恢复系统状态的概率P(s_d,i)以及不同状态下的恢复容量C_rec(s_d,i)：

计算各个供电恢复系统状态出现的概率P(s_i)，设在状态s_i下其中m个子任务正常完成，而其余的n-m个子任务失效，则状态s_i的概率为：

$P\left(s_i\right)=P(A_1...A_m\stackrel{\‾}{A_{m+1}}...\stackrel{\‾}{A_n})---\left(9\right)$

式(9)中，A₁～A_m分别为状态s_i下的m个子任务完成事件；分别为状态s_i下的n-m个子任务失效事件；

设：对于各个子任务中数据通信过程之间的相互影响忽略不计，各个子任务完成事件和失效事件之间相互独立，式(9)转化为

$P\left(s_i\right)=P\left(A_1\right)...P\left(A_m\right)P\left(\stackrel{\‾}{A_{m+1}}\right)...P\left(\stackrel{\‾}{A_n}\right)---\left(10\right)$

在状态s_i下，供电恢复容量C_rec(s_i)与故障后配电网系统状态x_d之间的关系如下：

C_rec(s_i)＝f_rec,i(x_d)

(11)

在考虑通信失效情况下的供电恢复容量期望值的计算表达式为：

$E\[C_{rec}\]=\underset{i\∈G}{\Σ}{C}_{rec}\left(s_i\right)P\left(s_i\right)---\left(12\right)$

步骤五、根据线路i故障后的负荷缺额以及步骤四计算得到的各个状态下的恢复容量，计算配电网中线路i故障后的电力不足期望值ELOL(s_d,i)：

ELOL(s_d,i)＝E[C_lack|s_d,i]-E[C_rec|s_d,i]

(13)

式(13)中，E[C_lack|s_d,i]为线路i故障导致的恢复区内负荷缺额期望值；E[C_rec|s_d,i]为线路i故障后，考虑通信失效情况下的供电恢复容量期望值，

步骤六、重复步骤一至步骤五，分别计算各条线路故障后的电力不足期望值；

步骤七、根据步骤六中得到的各条配电网线路故障后的电力不足期望值，计算配电网风险评价指标R：

$R=\underset{i\∈L_d}{\Σ}P\left(s_{d,i}\right)ELOL\left(s_{d,i}\right)---\left(14\right)$

式(14)中，L_d为配电网线路集；P(s_d,i)为配电网线路i故障率，

$P\left(s_{d,i}\right)=\frac{n_i}{\underset{k\∈L_d}{\Σ}{n}_k}---\left(15\right)$

式(15)中，n_i为统计时间段内线路i的停电次数。

进一步讲，步骤一中，多个受通信失效影响的子任务至少包括数据读取子任务、数据分析子任务、路径搜寻子任务和控制操作子任务。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

同时考虑了配电网物理部分和信息部分风险对配电网供电可靠性的影响；提出的风险指标将配电网风险分解为两个相互独立的部分，其中P(s_d,i)仅与配电网各条线路的可靠性相关，体现了配电网物理系统风险对风险指标的影响；在线路i发生故障的条件下，ELOL(s_d,i)仅与各条通信链路的可靠性相关，体现了配电网信息系统风险对风险指标的影响。

附图说明

图1是本发明提供的供电恢复子任务分解示意图，图中虚线方框表示受通信失效影响的子任务，实线方框表示不受通信失效影响的子任务；

图2是测试配电网接线图，图中负荷和电源旁的数字表示其容量，括号中数字为线路的最大传输容量；

图3是测试配电网的供电恢复系统架构示意图，图中，每一个节点表示一个供电恢复母线代理，每一条边表示一条通信链路，实线表示采用SDH光纤技术组网，虚线表示采用PLC电力线载波技术组网。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施算例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

图2配电网系统包括2个变电站，14条母线，16条输电线路，44个开关，4个DG和8个负荷，各条输电线路的故障率P(s_d,i)如表1所示。配电网多代理供电恢复系统配置如图3所示，其中通信链路CL1～CL4以及CL13采用SDH光纤技术组网，其丢包率为0.163％；其余通信链路采用PLC电力线载波技术组网，其丢包率为1.01％。

表1各条输电线路的故障率

本发明提供一种考虑通信失效的配电网风险评估方法，其实施流程详细说明如下：

步骤一、选取配电网线路1作为故障线路，并将线路1故障后的供电恢复过程划分为10个受通信失效影响的供电恢复子任务，如图1所示，其中包括：

(1)五个数据读取子任务，分别读取BA5、BA7、BA8、BA11和BA12上的负荷与分布式电源数据。抽象为输入-输出系统后，其输入-输出表达式为

式中，p′_i＝(P′_load,i,P′_DG,i)为Re区内第i个BA所掌握的负荷大小和分布式电源出力；

p_i＝(P_load,i,P_DG,i)为RD-BA接收到的负荷大小和分布式电源出力数据。

(2)一个数据分析子任务，根据五个数据读取子任务读取到的数据判定是否开启供电恢复路径搜寻。抽象为输入-输出系统后，其输入-输出表达式为

式中，p＝{p₁…p_n}为n个数据读取子任务输出构成的集合；m_s为供电恢复路径搜寻开启标记，其中m_s＝1表示开启供电恢复路径搜寻过程，反之m_s＝0。

(3)两个路径搜索子任务，分别搜寻供电恢复路径{AC3,AC6,AC15,AC7,AC4,AC2}和{AC13,AC2}。抽象为输入-输出系统后，其输入-输出表达式为

式中，m_s为供电恢复路径搜寻开启标记，是步骤1中数据分析子任务的输出；p′_r,i为第i条供电恢复路径可以引入的恢复容量，p_r,i为RD-BA读取到的恢复容量。

(4)一个路径选取子任务，从路径搜寻结果中选取一条最优的供电恢复路径。抽象为输入-输出系统后，其输入-输出表达式为

$C_{opt}=f_4\left(p_r\right)=\underset{i\∈p_r}{\max }{p}_{r,i}$

式中，p_r＝{p_r,1…p_r,n}为n个路径搜寻子任务输出构成的集合，C_opt为最优供电恢复路径可以引入的恢复容量。

(5)一个供电恢复操作子任务，闭合供电恢复路径上的联络开关。抽象为输入-输出系统后，其输入-输出表达式为

式中，C_lack为Re区内负荷缺额；C_opt为最优供电恢复路径可以引入的供电恢复容量，是步骤2中路径选取子任务的输出；C_rec为通过供电恢复操作实际引入的恢复容量。

步骤二、构建各个子任务的状态集，并计算各个状态的概率：

定义各供电恢复子任务的状态为

s_t,k∈G_t,k＝{0,1}

(2)

式(2)中，G_t,k为子任务k的状态集；s_t,k为供电恢复过程中子任务k的状态，其中s_t,k＝1表示该子任务k正常完成，s_t,k＝0表示该子任务k失效；

供电恢复子任务状态与执行该子任务过程中每一次数据传输过程状态之间的关系为：

式(3)中，L_k为完成子任务k过程中的数据传输过程集；s_c,i为子任务k中第i次数据传输过程的状态，其中s_c,i＝1表示数据传输正常，反之s_c,i＝0；

子任务k中第i次数据传输正常完成的概率为

P(s_c,i＝1)＝1-α_i

(4)

式(4)中，α_i为第i次数据传输所依赖通信链路的丢包率；

定义事件A_k和分别表示子任务k完成事件s_t,k＝1和失效事件s_t,k＝0。对于步骤一中定义的五个数据读取子任务，其正常完成的概率分别为

$\begin{array}{c}P\left(A_1\right)={(1-{\mathrm{\α}}_3)}^2\\ P\left(A_2\right)={(1-{\mathrm{\α}}_3)}^2{(1-{\mathrm{\α}}_5)}^2\\ P\left(A_3\right)={(1-{\mathrm{\α}}_3)}^2{(1-{\mathrm{\α}}_6)}^2\\ P\left(A_4\right)={(1-{\mathrm{\α}}_3)}^2{(1-{\mathrm{\α}}_6)}^2{(1-{\mathrm{\α}}_9)}^2\\ P\left(A_5\right)={(1-{\mathrm{\α}}_3)}^2{(1-{\mathrm{\α}}_6)}^2{(1-{\mathrm{\α}}_{10})}^2\end{array}---\left(5\right)$

式中，α_i为通信链路i的丢包率。

对于步骤一中定义的两个供电恢复路径搜寻子任务，其正常完成的概率分别为

$P\left(A_6\right)=\underset{i\∈\{2,13\}}{\Σ}{(1-{\mathrm{\α}}_i)}^2$

$P\left(A_7\right)=\underset{i\∈\{2,3,4,6,7,15\}}{\Σ}{(1-{\mathrm{\α}}_i)}^2$

对于步骤一中定义的供电恢复操作子任务，其正常完成的概率为

P(A₈)＝(1-α₃)(1-α₆)

步骤一中定义的数据分析子任务和路径选取子任务不受通信失效影响，其正常完成的概率为100％。

对于子任务k，其失效的概率为

$P\left(\stackrel{\‾}{A_k}\right)=1-P\left(A_k\right)---\left(6\right)$

步骤三、根据步骤二建立的子任务状态集，构建供电恢复系统状态集G：

对于包含8个子任务的供电恢复过程，定义供电恢复系统状态空间G为供电恢复过程中各个子任务状态空间的笛卡尔积，即：

G＝G_t,1×G_t,2×…×G_t,8

(7)

其中，每一个供电恢复系统状态表示为：

s_i＝(s_t,1,s_t,2,…,s_t,8)∈G

(8)

式(8)中，s_t,1～s_t,8分别为供电恢复过程中8个子任务状态；

步骤四、计算各个供电恢复系统状态的概率P(s_d,i)以及不同状态下的恢复容量C_rec(s_d,i)：

以状态s_i＝(1,1,1,1,1,0,1,1)为例，计算供电恢复系统状态s_i出现的概率P(s_i)，则状态s_i的概率为：

$P\left(s_i\right)=P(A_1...A_5\stackrel{\‾}{A_6}{A}_7{A}_8)---\left(9\right)$

式(9)中，A₁～A₅以及A₇～A₈分别为状态s_i下的7个子任务完成事件；为状态s_i下的子任务失效事件；

设：对于各个子任务中数据通信过程之间的相互影响忽略不计，各个子任务完成事件和失效事件之间相互独立，式(9)转化为

$P\left(s_i\right)=P\left(A_1\right)...P\left(A_5\right)P\left(\stackrel{\‾}{A_6}\right)P\left(A_7\right)P\left(A_8\right)---\left(10\right)$

式(10)中，P(A₁)～P(A₅)分别为供电恢复过程中五个数据读取子任务正常完成的概率；为搜寻{AC13,AC2}的路径搜寻子任务失效的概率；P(A₇)为搜寻{AC3,AC6,AC15,AC7,AC4,AC2}的路径搜寻子任务正常完成的概率；P(A₈)为状态s_i下供电恢复操作子任务正常完成的概率。

状态s_i下，RD-BA读取到的R区内负荷和分布式电源数据为

p＝{(1,2)(1,0)(2,0)(2,1)(1,2)}

此时分布式电源容量不足，因此状态s_i下的供电恢复路径搜寻开启标记为

m_s(s_i)＝1

在状态s_i下，搜寻恢复路径{AC13,AC2}的路径搜索子任务失效，而搜寻供电恢复路径{AC3,AC6,AC15,AC7,AC4,AC2}的路径搜索子任务正常完成，其恢复容量为p_r,2＝3。此时，RD-BA选取的最优路径恢复容量为

C_opt(s)＝3

在状态s_i下，供电恢复操作可以正常完成。此时，供电恢复容量C_rec(s_i)与故障后配电网系统状态x_d之间的关系如下：

C_rec(s_i)＝min(C_lack,C_opt(s_i))＝min(2,3)＝2

(11)

借助相同的方法，可以计算各个供电恢复系统状态的概率以及该状态下的恢复容量。进而可以得到在考虑通信失效情况下的供电恢复容量期望值的计算表达式为：

$E\[C_{rec}|s_{d,1}\]=\underset{i\∈G}{\Σ}{C}_{rec}\left(s_i\right)P\left(s_i\right)=1.9948---\left(12\right)$

步骤五、当线路1发生故障后，Re区内负荷缺额期望值为E[C_lack|s_d,1]＝2。进而根据步骤四计算得到的各个状态下的恢复容量，计算配电网中线路1故障后的电力不足期望值ELOL(s_d,1)：

ELOL(s_d,1)＝E[C_lack|s_d,1]-E[C_rec|s_d,1]＝0.0052

(13)

式(13)中，E[C_lack|s_d,1]为线路1故障导致的恢复区内负荷缺额期望值；E[C_rec|s_d,1]为线路1故障后，考虑通信失效情况下的供电恢复容量期望值，

步骤六、重复步骤一至步骤五，分别计算各条线路故障后的电力不足期望值；其计算结果如表2所示。

表2各条输电线路故障后的电力不足期望值

步骤七、根据步骤六中得到的各条配电网线路故障后的电力不足期望值，计算配电网风险评价指标R：

$R=\underset{i\∈L_d}{\Σ}P\left(s_{d,i}\right)ELOL\left(s_{d,i}\right)=0.3021---\left(14\right)$

式(14)中，L_d为配电网线路集；P(s_d,i)为配电网线路i故障率，

$P\left(s_{d,i}\right)=\frac{n_i}{\underset{k\∈L_d}{\Σ}{n}_k}---\left(15\right)$

式(15)中，n_i为统计时间段内线路i的停电次数。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种考虑通信失效的配电网风险评估方法，包括以下步骤：

步骤一、选取一条配电网线路作为故障线路i，并将该线路i故障后的供电恢复过程划分为多个受通信失效影响的供电恢复子任务，并将每一个子任务抽象为一个输入-输出系统，其中的输入-输出表达式定义为：

式(1)中，u_k为子任务k的输入向量；y_k为子任务k的输出向量；g_k(u_k)为通信系统正常时子任务k的输入输出关系；

步骤二、构建各个子任务的状态集，并计算各个状态的概率：

定义各供电恢复子任务的状态为

s_t,k∈G_t,k＝{0,1} (2)

式(2)中，G_t,k为子任务k的状态集；s_t,k为供电恢复过程中子任务k的状态，其中s_t,k＝1表示该子任务k正常完成，s_t,k＝0表示该子任务k失效；

供电恢复子任务状态与执行该子任务过程中每一次数据传输过程状态之间的关系为：

式(3)中，L_k为完成子任务k过程中的数据传输过程集；s_c,i为子任务k中第i次数据传输过程的状态，其中s_c,i＝1表示数据传输正常，反之s_c,i＝0；

子任务k中第i次数据传输正常完成的概率为

P(s_c,i＝1)＝1-α_i (4)

式(4)中，α_i为第i次数据传输所依赖通信链路的丢包率；

定义事件A_k和分别表示子任务k完成事件s_t,k＝1和失效事件s_t,k＝0，其发生的概率分别为：

$P(s_{t,k}=1)=P\left(A_k\right)=\underset{i\∈L_k}{\Π}(1-{\mathrm{\α}}_i)---\left(5\right)$

$P(s_{t,k}=0)=P\left(\stackrel{\‾}{A_k}\right)=1-P\left(A_k\right)---\left(6\right)$

步骤三、根据步骤二建立的子任务状态集，构建供电恢复系统状态集G：

对于包含n个子任务的供电恢复过程，定义供电恢复系统状态空间G为供电恢复过程中各个子任务状态空间的笛卡尔积，即：

G＝G_t,1×G_t,2×…×G_t,n (7)

其中，每一个供电恢复系统状态表示为：

s_i＝(s_t,1,s_t,2,…,s_t,n)∈G (8)

式(8)中，s_t,1～s_t,n分别为供电恢复过程中n个子任务状态；

步骤四、计算各个供电恢复系统状态的概率P(s_d,i)以及不同状态下的恢复容量C_rec(s_d,i)：

计算各个供电恢复系统状态出现的概率P(s_i)，设在状态s_i下其中m个子任务正常完成，而其余的n-m个子任务失效，则状态s_i的概率为：

$P\left(s_i\right)=P(A_1...A_m\stackrel{\‾}{A_{m+1}}...\stackrel{\‾}{A_n})---\left(9\right)$

式(9)中，A₁～A_m分别为状态s_i下的m个子任务完成事件；分别为状态s_i下的n-m个子任务失效事件；

设：对于各个子任务中数据通信过程之间的相互影响忽略不计，各个子任务完成事件和失效事件之间相互独立，式(9)转化为

$P\left(s_i\right)=P\left(A_1\right)...P\left(A_m\right)P\left(\stackrel{\‾}{A_{m+1}}\right)...P\left(\stackrel{\‾}{A_n}\right)---\left(10\right)$

在状态s_i下，供电恢复容量C_rec(s_i)与故障后配电网系统状态x_d之间的关系如下：

C_rec(s_i)＝f_rec,i(x_d) (11)

在考虑通信失效情况下的供电恢复容量期望值的计算表达式为：

$E\[C_{rec}\]=\underset{i\∈G}{\Σ}{C}_{rec}\left(s_i\right)P\left(s_i\right)---\left(12\right)$

步骤五、根据线路i故障后的负荷缺额以及步骤四计算得到的各个状态下的恢复容量，计算配电网中线路i故障后的电力不足期望值ELOL(s_d,i)：

ELOL(s_d,i)＝E[C_lack|s_d,i]-E[C_rec|s_d,i] (13)

式(13)中，E[C_lack|s_d,i]为线路i故障导致的恢复区内负荷缺额期望值；E[C_rec|s_d,i]为线路i故障后，考虑通信失效情况下的供电恢复容量期望值，

步骤六、重复步骤一至步骤五，分别计算各条线路故障后的电力不足期望值；

步骤七、根据步骤六中得到的各条配电网线路故障后的电力不足期望值，计算配电网风险评价指标R：

$R=\underset{i\∈L_d}{\Σ}P\left(s_{d,i}\right)ELOL\left(s_{d,i}\right)---\left(14\right)$

式(14)中，L_d为配电网线路集；P(s_d,i)为配电网线路i故障率，

$P\left(s_{d,i}\right)=\frac{n_i}{\underset{k\∈L_d}{\Σ}{n}_k}---\left(15\right)$

式(15)中，n_i为统计时间段内线路i的停电次数。

2.根据权利要求1所述考虑通信失效的配电网风险评估方法，其特征在于，步骤一中，多个受通信失效影响的子任务至少包括数据读取子任务、数据分析子任务、路径搜寻子任务和控制操作子任务。