CN106570779A - 一种直流配电网可靠性分析的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种直流配电网可靠性分析的方法，包括获取直流配电网的网络拓扑结构，网络拓扑结构包括多个电源点、至少一负荷点以及多个元件；确定各负荷点分别对应满足筛选条件的元件，并根据满足筛选条件元件的预设可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标；判断网络拓扑结构中是否存在分布式电源点；否，则根据各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标；是，则确定分布式电源点成功切换运行时的概率，并通过该概率修正各负荷点的可靠性指标，且根据修正后的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标。实施本发明，能够针对不同设备性能对配电网可靠性的影响进行分析，并能够更加准确地计算含分布式电源的直流配电网的可靠性。

Description

一种直流配电网可靠性分析的方法及系统

技术领域

本发明涉及配电网技术领域，尤其涉及一种直流配电网可靠性分析的方法及系统。

背景技术

近年来，随着电力电子技术的不断发展，直流配电技术广泛应用于城市配电网中，其相对于交流配网来说，能带来许多技术和经济上的优势，比如节省了分布式电源和直流负载接入的换流环节，减少了设备投资和换流损耗；减小了因传输无功带来的线路损耗和电压降落，提高了供电容量和供电半径；为敏感负荷专线供电，有效提高用户侧电能质量等等。因此，直流配电网成为了城市配电网发展的重要技术方向，可靠性分析也成为了直流配电网重要评估手段。

然而，现有配电网可靠性评价方法中，常用的FEMA、网络等值法、最小路法、最小割集法以及蒙特卡罗法等，只能针对辐射状的交流配电网，不能直接用于直流配电网的可靠性评价，主要原因在于：与交流配电网常用单电源辐射状拓扑结构不同，由于直流配电网中不存在电磁环网和多电源间的同步问题，因此可接入多个电源，形成的拓扑结构更为复杂；同时由于接入的多个电源中存在高渗透率的分布式电源和波动性较大的分布式电源，对可靠性分析影响较大，因此需进一步分析。

因此，亟需一种直流配电网可靠性分析的方法，能够针对不同设备性能对配电网可靠性的影响进行分析，并能够更加准确地计算含分布式电源的直流配电网的可靠性。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种直流配电网可靠性分析的方法及系统，能够针对不同设备性能对配电网可靠性的影响进行分析，并能够更加准确地计算含分布式电源的直流配电网的可靠性。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种直流配电网可靠性分析的方法，所述方法包括：

a、获取直流配电网的网络拓扑结构，所述网络拓扑结构包括多个电源点、至少一负荷点以及多个元件；

b、确定各负荷点分别对应满足筛选条件的元件，并根据所述满足筛选条件元件的预设可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标；

c、判断所述网络拓扑结构中是否存在分布式电源点；

d、如果否，则根据所述计算出的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标；

e、如果是，则确定所述分布式电源点成功切换运行时的概率，并通过所述分布式电源点成功切换运行时的概率修正所述计算出的各负荷点的可靠性指标，且进一步根据所述修正后的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标。

其中，所述步骤b包括：

b1、将所述网络拓扑结构中除分布式电源点之外的各电源点均作为首节点，以及将各负荷点均作为末节点，采用预设的最小路法得到除分布式电源点之外各电源点分别至各负荷点的最小路径；

b2、采用预设的最小割集法，确定各负荷点的最小一阶割集和最小二阶割集；其中，每一负荷点的最小一阶割集均只包括一个元件；每一负荷点的最小二阶割集均只包括两个元件；

b3、获取各负荷点中最小一阶割集和最小二阶割集各自所含元件预设的可靠性参数值，并根据所述获取到的各负荷点中最小一阶割集和最小二阶割集各自所含元件预设的可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标。

其中，所述步骤b2包括：

将最小路径作为行向量以及将所述网络拓扑结构中所有元件作为列向量，筛选出同一负荷点的最小路径，并将所筛选出同一负荷点中每一最小路径所包含元件对应的列向量值设为1及其所不包含元件对应的列向量值设为0，得到各负荷点的最小路矩阵；

获取各负荷点最小路矩阵中列向量值均为1对应的元件，分别形成各负荷点的最小一阶割集；

获取各负荷点最小路矩阵中列向量值不全为1的元件，并将属于同一负荷点最小路矩阵中所获取到的列向量值不全为1的元件两两之间进行或运算，筛选出属于同一负荷点最小路矩阵中至少一组进行或运算后值全部为1对应的两元件，且进一步将属于同一负荷点最小路矩阵中所筛选出的元件形成其对应的最小二阶割集。

其中，所述步骤b3包括：

确定元件预设的可靠性参数为故障率和修复时间；

将属于同一负荷点中最小二阶割集所含元件的故障率通过公式λ_b＝λ₁.λ₂...λ_n.(r₁+r₂...+r_n)计算获得，并将属于同一负荷点中最小二阶割集所含元件的修复时间通过公式U_b＝λ₁.λ₂...λ_n.r₁.r₂...r_n计算获得；其中，λ₁.λ₂...λ_n分别为同一负荷点中最小二阶割集所含各元件的年平均停电率；r₁.r₂...r_n分别为同一负荷点中最小二阶割集所含各元件的平均停电持续时间；

累加同一负荷点中最小一阶割集所含元件的各故障率和最小二阶割集计算获得的故障率，以及累加同一负荷点中最小一阶割集所含元件的各修复时间和最小二阶割集计算获得的修复时间，并将所述同一负荷点累加后的故障率和修复时间作为其对应的可靠性指标输出。

其中，所述步骤e中的“确定所述分布式电源点成功切换运行时的概率”通过卷积计算所述分布式电源点的出力概率密度和直流配电网的负荷概率密度而获得。

其中，所述直流配电网的可靠性指标包括系统平均停电频率指标、系统平均停电持续时间指标、用户平均停电持续时间指标、平均供电可用率和系统缺供电指标。

本发明实施例还提供了一种直流配电网可靠性分析的系统，所述系统包括：

网络拓扑结构获取单元，用于获取直流配电网的网络拓扑结构，所述网络拓扑结构包括多个电源点、至少一负荷点以及多个元件；

负荷点可靠性指标计算单元，用于确定各负荷点分别对应满足筛选条件的元件，并根据所述满足筛选条件元件的预设可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标；

判断单元，用于判断所述网络拓扑结构中是否存在分布式电源点；

第一计算单元，用于根据所述计算出的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标；

第二计算单元，用于确定所述分布式电源点成功切换运行时的概率，并通过所述分布式电源点成功切换运行时的概率修正所述计算出的各负荷点的可靠性指标，且进一步根据所述修正后的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于使用最小割集法筛选出满足条件的元件对直流配电网可靠性进行计算，其模型准确、原理简单，且便于针对不同设备性能对配电网可靠性的影响进行分析，能直观地求解出各负荷点的供电路径，方便地找到导致负荷点失效的故障模式。此外，通过计算含有分布式电源点成功切换运行时的概率，修正各负荷点的可靠性指标，能够更加准确地计算含分布式电源的直流配电系统的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1为本发明实施例提供的直流配电网可靠性分析的方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的直流配电网可靠性分析的方法的应用场景图；

图3为本发明实施例提供的直流配电网可靠性分析的系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，为本发明实施例中，提供的一种直流配电网可靠性分析的方法，所述方法包括：

步骤S1、获取直流配电网的网络拓扑结构，所述网络拓扑结构包括多个电源点、至少一负荷点以及多个元件；

具体过程为，直流配电网的网络拓扑结构中具有多个电源点、至少一负荷点以及多个元件；其中，在该网络拓扑结构中，能够准确反映出各元件的编号、类型及其对应的预设的可靠性参数，各负荷点的容量和类型，以及各电源点的容量和类型。

步骤S2、确定各负荷点分别对应满足筛选条件的元件，并根据所述满足筛选条件元件的预设可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标；

具体过程为，包括步骤S21、将网络拓扑结构中除分布式电源点之外的各电源点均作为首节点，以及将各负荷点均作为末节点，采用预设的最小路法得到除分布式电源点之外各电源点分别至各负荷点的最小路径；

具体为，确定网络拓扑结构的首末节点，从首节点(即直流配电网的主电源)出发，采用深度优先搜索的方式到达末节点，从而得到各个电源点到所求负荷点的最小路径，即采用最小路径法。应当说明的是，主电源不包括分布式电源。

步骤S22、采用预设的最小割集法，确定各负荷点的最小一阶割集和最小二阶割集；其中，每一负荷点的最小一阶割集均只包括一个元件；每一负荷点的最小二阶割集均只包括两个元件；

具体为，将最小路径作为行向量以及将网络拓扑结构中所有元件作为列向量，筛选出同一负荷点的最小路径，并将所筛选出同一负荷点中每一最小路径所包含元件对应的列向量值设为1及其所不包含元件对应的列向量值设为0，得到各负荷点的最小路矩阵；

获取各负荷点最小路矩阵中列向量值均为1对应的元件，分别形成各负荷点的最小一阶割集；

获取各负荷点最小路矩阵中列向量值不全为1的元件，并将属于同一负荷点最小路矩阵中所获取到的列向量值不全为1的元件两两之间进行或运算，筛选出属于同一负荷点最小路矩阵中至少一组进行或运算后值全部为1对应的两元件，且进一步将属于同一负荷点最小路矩阵中所筛选出的元件形成其对应的最小二阶割集。

步骤S23、获取各负荷点中最小一阶割集和最小二阶割集各自所含元件预设的可靠性参数值，并根据获取到的各负荷点中最小一阶割集和最小二阶割集各自所含元件预设的可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标。

具体为，确定元件预设的可靠性参数为故障率和修复时间；

将属于同一负荷点中最小二阶割集所含元件的故障率通过公式(1)计算获得：

λ_b＝λ₁.λ₂...λ_n.(r₁+r₂...+r_n) (1)，

并将属于同一负荷点中最小二阶割集所含元件的修复时间通过公式(2)计算获得：

U_b＝λ₁.λ₂...λ_n.r₁.r₂...r_n (2)；

式(1)和(2)中，λ₁.λ₂...λ_n分别为同一负荷点中最小二阶割集所含各元件的年平均停电率；r₁.r₂...r_n分别为同一负荷点中最小二阶割集所含各元件的平均停电持续时间；

累加同一负荷点中最小一阶割集所含元件的各故障率和最小二阶割集计算获得的故障率，以及累加同一负荷点中最小一阶割集所含元件的各修复时间和最小二阶割集计算获得的修复时间，并将同一负荷点累加后的故障率和修复时间作为其对应的可靠性指标输出。

即，在最小二阶割集中各元件采用并联方式计算，各割集之间采用串接方式计算。

步骤S3、判断所述网络拓扑结构中是否存在分布式电源点；如果否，则执行步骤S4；如果是，则跳转至步骤S5；

步骤S4、根据所述计算出的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标；

具体过程为，根据各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标，即系统平均停电频率指标、系统平均停电持续时间指标、用户平均停电持续时间指标、平均供电可用率和系统缺供电指标

步骤S5、确定所述分布式电源点成功切换运行时的概率，并通过所述分布式电源点成功切换运行时的概率修正所述计算出的各负荷点的可靠性指标，且进一步根据所述修正后的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标。

具体过程为，使用式(3)描述风速的概率密度函数，结合风机的出力模型得出风机出力的概率密度函数。

式(3)中：v为实际风速，c为尺度参数，代表平均风速，k为形状参数，代表概率分布的离散程度。

同样，使用式(4)描述光伏发电系统输出功率的概率密度函数：

式(3)中，PV为光伏阵列输出功率，PVG为光伏阵列的最大输出功率，α、β为光照强度beta分布的形状参数。其中，

直流配电网的负荷波动采用正态分布来描述，得到负荷的概率密度函数为：

式(5)中，u、σ分别为负荷的平均容量与标准差。

因此，分布式电源点成功切换运行时，需要分布式电源的输出功率大于负荷总容量的概率，即微电网成功切换到孤网运行方式的概率，可以通过卷积计算所述分布式电源点的出力概率密度和直流配电网的负荷概率密度而获得。

此时，通过分布式电源点成功切换运行时的概率修正计算出的各负荷点的可靠性指标，通过公式(6)实现：

式(6)中，λ_L为各负荷点的故障率，U_L为各负荷点的修复时间，P_M为分布式电源点成功切换运行时的概率；P_L为DG到低压母线供电路径的可用率；λ_ac为分布式电源点交流电时的故障率；r_ac为分布式电源点交流电时的修复时间；k_dc为分布式电源点直流电时的故障率；

根据公式(6)修正后的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标，即系统平均停电频率指标、系统平均停电持续时间指标、用户平均停电持续时间指标、平均供电可用率和系统缺供电指标。应当说明的是，各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标为本领域的常用手段，在此不在赘述。

如图2所示，对本发明实施例中一种直流配电网可靠性分析的方法的应用场景做进一步说明：

在图2的拓扑结构中，从系统的主电源点出发，采用深度优先搜索的方式，得到各个电源点到所求负荷点的最小路径，对最小路径中包括的元件置1，不包括的元件置0，即可得到元件的最小路矩阵。此时图2中的拓扑结构，共有5个元件，负荷点LP1存在3条最大供电路径。通过深度优先搜索的方法，可得最小路矩阵为：

对最小路矩阵的每一列进行搜索，当该列为全1列时，则该元件故障，负荷点的所有供电路径均被切断，因此该列对应的元件属于负荷点的最小一阶割集，得到最小一阶割集为{4}，即编号为4的元件。找出负荷点所有一阶割集元件后，将这些元件对应的列从最小路矩阵中删除，可得修正后的最小路矩阵为：

对最小路矩阵任意两列进行或运算，当运算所得新列为全1列时，则两列对应元件组成了负荷点的最小二阶割集，得到最小二阶割集为{3,5}，即包含编号为3的元件和编号为5的元件。

此时，将复杂的网络结构转变为简单的元件串并联关系，计算负荷点LP1的可靠性指标，具体如下：

最小二阶割集中的2个元件是并联关系，可得等效的故障率和修复时间分别为

式(7)中，λ₁、r₁、λ₂、r₂分别为二阶割集中2个元件的故障率和修复时间；

最小二阶割集和最小一阶割集间为串联关系，则负荷点LP1的可靠性指标为：

式(8)中：S为负荷点LP1的最小一阶和最小二阶割集的集合；λ_i、r_i分别为第i个供电割集的等效故障率和修复时间。

根据公式(8)计算得到负荷点LP1可靠性指标后，计算得到直流配电网的系统可靠性指标：系统平均停电频率指标SAIFI，系统平均停电持续时间指标SAIDI，用户平均停电持续时间指标CAIDI，平均供电可用率ASAI和系统缺供电指标ENS。

如图3所示，为本发明实施例中，提供的一种直流配电网可靠性分析的系统，所述系统包括：

网络拓扑结构获取单元210，用于获取直流配电网的网络拓扑结构，所述网络拓扑结构包括多个电源点、至少一负荷点以及多个元件；

负荷点可靠性指标计算单元220，用于确定各负荷点分别对应满足筛选条件的元件，并根据所述满足筛选条件元件的预设可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标；

判断单元230，用于判断所述网络拓扑结构中是否存在分布式电源点；

第一计算单元240，用于根据所述计算出的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标；

第二计算单元250，用于确定所述分布式电源点成功切换运行时的概率，并通过所述分布式电源点成功切换运行时的概率修正所述计算出的各负荷点的可靠性指标，且进一步根据所述修正后的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：

在本发明实施例中，由于使用最小割集法筛选出满足条件的元件对直流配电网可靠性进行计算，其模型准确、原理简单，且便于针对不同设备性能对配电网可靠性的影响进行分析，能直观地求解出各负荷点的供电路径，方便地找到导致负荷点失效的故障模式。此外，通过计算含有分布式电源点成功切换运行时的概率，修正各负荷点的可靠性指标，能够更加准确地计算含分布式电源的直流配电系统的可靠性。

值得注意的是，上述系统实施例中，所包括的各个系统单元只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种直流配电网可靠性分析的方法，其特征在于，所述方法包括：

a、获取直流配电网的网络拓扑结构，所述网络拓扑结构包括多个电源点、至少一负荷点以及多个元件；

b、确定各负荷点分别对应满足筛选条件的元件，并根据所述满足筛选条件元件的预设可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标；

c、判断所述网络拓扑结构中是否存在分布式电源点；

d、如果否，则根据所述计算出的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标；

e、如果是，则确定所述分布式电源点成功切换运行时的概率，并通过所述分布式电源点成功切换运行时的概率修正所述计算出的各负荷点的可靠性指标，且进一步根据所述修正后的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤b包括：

b1、将所述网络拓扑结构中除分布式电源点之外的各电源点均作为首节点，以及将各负荷点均作为末节点，采用预设的最小路法得到除分布式电源点之外各电源点分别至各负荷点的最小路径；

b2、采用预设的最小割集法，确定各负荷点的最小一阶割集和最小二阶割集；其中，每一负荷点的最小一阶割集均只包括一个元件；每一负荷点的最小二阶割集均只包括两个元件；

b3、获取各负荷点中最小一阶割集和最小二阶割集各自所含元件预设的可靠性参数值，并根据所述获取到的各负荷点中最小一阶割集和最小二阶割集各自所含元件预设的可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤b2包括：

将最小路径作为行向量以及将所述网络拓扑结构中所有元件作为列向量，筛选出同一负荷点的最小路径，并将所筛选出同一负荷点中每一最小路径所包含元件对应的列向量值设为1及其所不包含元件对应的列向量值设为0，得到各负荷点的最小路矩阵；

获取各负荷点最小路矩阵中列向量值均为1对应的元件，分别形成各负荷点的最小一阶割集；

获取各负荷点最小路矩阵中列向量值不全为1的元件，并将属于同一负荷点最小路矩阵中所获取到的列向量值不全为1的元件两两之间进行或运算，筛选出属于同一负荷点最小路矩阵中至少一组进行或运算后值全部为1对应的两元件，且进一步将属于同一负荷点最小路矩阵中所筛选出的元件形成其对应的最小二阶割集。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤b3包括：

确定元件预设的可靠性参数为故障率和修复时间；

将属于同一负荷点中最小二阶割集所含元件的故障率通过公式λ_b＝λ₁.λ₂...λ_n.(r₁+r₂...+r_n)计算获得，并将属于同一负荷点中最小二阶割集所含元件的修复时间通过公式U_b＝λ₁.λ₂...λ_n.r₁.r₂...r_n计算获得；其中，λ₁.λ₂...λ_n分别为同一负荷点中最小二阶割集所含各元件的年平均停电率；r₁.r₂...r_n分别为同一负荷点中最小二阶割集所含各元件的平均停电持续时间；

累加同一负荷点中最小一阶割集所含元件的各故障率和最小二阶割集计算获得的故障率，以及累加同一负荷点中最小一阶割集所含元件的各修复时间和最小二阶割集计算获得的修复时间，并将所述同一负荷点累加后的故障率和修复时间作为其对应的可靠性指标输出。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤e中的“确定所述分布式电源点成功切换运行时的概率”通过卷积计算所述分布式电源点的出力概率密度和直流配电网的负荷概率密度而获得。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述直流配电网的可靠性指标包括系统平均停电频率指标、系统平均停电持续时间指标、用户平均停电持续时间指标、平均供电可用率和系统缺供电指标。

7.一种直流配电网可靠性分析的系统，其特征在于，所述系统包括：

网络拓扑结构获取单元，用于获取直流配电网的网络拓扑结构，所述网络拓扑结构包括多个电源点、至少一负荷点以及多个元件；

负荷点可靠性指标计算单元，用于确定各负荷点分别对应满足筛选条件的元件，并根据所述满足筛选条件元件的预设可靠性参数值，计算出各负荷点的可靠性指标；

判断单元，用于判断所述网络拓扑结构中是否存在分布式电源点；

第一计算单元，用于根据所述计算出的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标；

第二计算单元，用于确定所述分布式电源点成功切换运行时的概率，并通过所述分布式电源点成功切换运行时的概率修正所述计算出的各负荷点的可靠性指标，且进一步根据所述修正后的各负荷点的可靠性指标，得到直流配电网的可靠性指标。