CN107958329A - 一种供电可靠性的评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种供电可靠性的评估方法及系统。配电网网架结构对可靠性指标的影响归结为三类：环节、联络、相互影响，现有的可靠性评估算法并不能从这三方面对可靠性指标的影响进行量化分析。本发明的评估方法包括矩阵构建、模型建立和指标计算；所述的矩阵构建用于生成配电网网架的拓扑结构矩阵；所述的模型建立利用所述的拓扑结构矩阵建立可靠性指标的计算模型；所述的指标计算单元利用可靠性指标的计算模型计算得到可靠性指标，并将联络、环节及相互影响对可靠性的影响分别进行量化表示。本发明实现了配电网用户可靠性分析和系统可靠性分析的量化指标，同时也体现了“环节、联络、相互影响”三个方面对可靠性指标的影响。

Description

一种供电可靠性的评估方法及系统

技术领域

本发明涉及供电可靠性评估领域，具体地说是一种通过网络拓扑结构构建矩阵计算供电可靠性的评估方法及系统。

背景技术

现有可靠性指标量化计算的方法主要有两大类：解析法和模拟法。解析法以元件可靠性为基础，以枚举系统状态的方式实现。模拟法是一种试验的方法，采用随机抽样的方式进行统计计算，计算精度依赖于抽样次数。

对于复杂的网络，传统的可靠性评估算法存在计算时间较长的问题。而现有的可靠性评估算法主要侧重于对可靠性计算时长的优化，而网架结构对可靠性指标的影响归结为三类：环节、联络、相互影响，现有的可靠性评估算法并不能从这三方面对可靠性指标的影响进行量化分析，所以现有的可靠性评估算法在进行网络优化时，并不能从理论上找出其薄弱环节，也就没有明确的理论支持其优化的方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种通过网络拓扑结构构建矩阵计算供电可靠性的评估方法，以帮助配电网规划者找到网络中的薄弱环节，便于日后的网络结构优化。

为此，本发明采用如下的技术方案：包括矩阵构建、模型建立和指标计算；

所述的矩阵构建用于生成配电网网架的拓扑结构矩阵；

所述的模型建立利用所述的拓扑结构矩阵建立可靠性指标的计算模型；

所述的指标计算单元利用可靠性指标的计算模型计算得到可靠性指标，并将联络、环节及相互影响对可靠性的影响分别进行量化表示。

作为上述技术方案的补充，所述的供电可靠性的评估方法包括如下步骤：参数设置，元件等效；确定构建母线出线端的主干线与分支线；分别编号，构建分支线、主干线网络拓扑矩阵；分别计算各分支线的停电时间与停电用户数；将各分支线等效至与主干线对应的分电源点，计算主干线的停电时间与停电用户数；合计系统的总停电时间和总停电用户数；计算可靠性指标。

作为上述技术方案的补充，所述的矩阵构建，包括：

1)确定网络的主干线、分支线、次级分支线，并依次单独列出，分支线等效为串联在主干线节点的负荷元件，次级分支线等效为串联在分支线节点的负荷元件，依此类推；

2)编号：主干线与分支线编号方式一致，电源点(分电源点)编号为0，第一个负荷点编号为1，依次编号，以电源点(分电源点)出线为始，对所有线路逐一编号为L₁、L₂…；

3)列写矩阵：从最低一级分支线开始列写矩阵，矩阵形式一致，矩阵的行按照待分析电源点(分电源点)、分支线、联络电源、联络线路、开关位置的顺序排列，矩阵的列按照待分析电源点(分电源点)、主干线、联络电源、联络线路的顺序排列。

作为上述技术方案的补充，所述的电源点或分电源点记为2，主干线元件记为1，且线路两端有开关则记为1，没有则记为0，负荷元件在与主干线路相接的位置记1，联络电源与主干线某一节点相连，则矩阵中记为1；

所述配电网网架的拓扑结构矩阵如下：

作为上述技术方案的补充，所述的模型建立，对于上述构建的矩阵，取四个分块矩阵运用于模型构建，包括：

1)第一个分块矩阵为主干线矩阵，记为A_主，则求出主干线故障率矩阵：

其中，矩阵λ_主对应主干线每段线路的等效故障率，计算公式如下：

λ_i＝∑λ_开+λ_l，

U_i＝∑λ_开·r_开+λ_l·r_l，

上式中，λ_开、λ_l分别表示开关、线路设备的故障率，λ_i表示第i段线路的等效故障率，r_开、r_l分别表示开关、线路设备的故障修复时间，U_i表示第i段线路的等效停电时间，r_i表示第i段线路的等效故障修复时间；

2)第二个为分支线矩阵，记为A_分，每一条分支线与主干线都简化为相同的形式，即写成相同的矩阵形式进行可靠性计算，若有多级分支线，则逐级列写矩阵、分别计算，最后将该分支线等效至主干线，则等效用户数为该分支线用户数的累加，且计算得到各等效负荷点的R_分i、U_分i，最后对于每一条分支线都计算其可靠性后得到R_分、U_分：

3)第三个为联络矩阵，记为C_联，进行可靠性计算时记录联络开关与线路相连接的线路编号为a；

4)第四个为线路开关矩阵，记为D_开，该矩阵中两行元素分别表示该线路的入、出线端是否有开关，将两行元素相加生成矩阵D_合，即线路两端均有开关时D_合，i＝2，只有一个开关时D_合，i＝1，没有开关时D_合，i＝0。

作为上述技术方案的补充，网架主干线共分为M段线路，则有M个等效负荷点，断路器完全可靠开断，每个等效负荷点有N_i个用户；单联络网络结构计算第m个负荷点的停电时间时，L_h指的是检索第m个负荷点上游的最后一个分段开关所在的线路，且h≤a，即该开关的位置在联络开关上游，将线路开关位置D(2,h)代入计算公式；L_j指的是检索第m个负荷点下游的第一个分段开关所在的线路，将线路开关位置D(1,j)代入计算公式；

利用所形成的拓扑矩阵计算停电时间、停电用户数的公式如下：

上述各式中，B_主，ii、B_主，hh、B_主，jj分别表示主干线故障率矩阵中对角线第i、h、j个元素，即第i、h、j段线路的等效故障修复率，t_b、t_c分别表示分段开关、联络开关的操作时间，r_i、r_h、r_j分别表示第i、h、j段线路的等效故障修复时间，R_分，mm、U_分，mm分别表示第m条分支线的停电时间与停电用户数，R_主、U_主分别表示主干线的停电时间与停电用户数。

作为上述技术方案的补充，所述的指标计算，包括：

根据上述停电时间R_总、停电用户数U_总的公式，得出可靠性指标的计算公式如下：

式中，SAIDI指的是系统平均停电时间指标，SAIFI指的是系统平均停电频率指标，CAIDI指的是用户平均停电持续时间指标，ASAI指的是平均供电可用率指标。

作为上述技术方案的补充，

联络对可靠性的影响公式为：

环节对可靠性的影响公式为：

相互影响对可靠性的影响公式为：

本发明的另一目的是提供一种供电可靠性的评估系统，包括：

矩阵构建单元：用于生成配电网网架的拓扑结构矩阵；

模型建立单元：利用所述的拓扑结构矩阵建立可靠性指标的计算模型；

指标计算单元：利用可靠性指标的计算模型计算得到可靠性指标，并将联络、环节及相互影响对可靠性的影响分别进行量化表示。

采用本发明进行复杂配电网评估，具有很强的可操作性和实施性，且可以将“环节、联络、相互影响”对可靠性指标的影响进行量化分析，帮助配电网规划者找到网络中的薄弱环节，便于日后的网络结构优化。

本发明将网络结构与可靠性评估相结合，运用了等效、矩阵构建的思想，简化了元件检索的时间，实现了配电网用户可靠性分析和系统可靠性分析的量化指标，同时也体现了“环节、联络、相互影响”三个方面对可靠性指标的影响。

附图说明

图1为本发明求取可靠性指标的流程图；

图2为某地区配电网线路图；

图3为经本发明简化后的编号图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种供电可靠性的评估方法，包括矩阵构建、模型建立和指标计算；所述的矩阵构建用于生成配电网网架的拓扑结构矩阵；所述的模型建立利用所述的拓扑结构矩阵建立可靠性指标的计算模型；所述的指标计算单元利用可靠性指标的计算模型计算得到可靠性指标，并将联络、环节及相互影响对可靠性的影响分别进行量化表示。

如图1所示，所述供电可靠性的评估方法包括如下步骤：参数设置，元件等效；确定构建母线出线端的主干线与分支线；分别编号，构建分支线、主干线网络拓扑矩阵；分别计算各分支线的停电时间与停电用户数；将各分支线等效至与主干线对应的分电源点，计算主干线的停电时间与停电用户数；合计系统的总停电时间和总停电用户数；计算可靠性指标。

一、所述的矩阵构建，包括：

1)确定网络的主干线、分支线、次级分支线，并依次单独列出，分支线等效为串联在主干线节点的负荷元件，次级分支线等效为串联在分支线节点的负荷元件，依此类推；

2)编号：主干线与分支线编号方式一致，电源点(分电源点)编号为0，第一个负荷点编号为1，依次编号，以电源点(分电源点)出线为始，对所有线路逐一编号为L₁、L₂…；

3)列写矩阵：从最低一级分支线开始列写矩阵，矩阵形式一致，矩阵的行按照待分析电源点(分电源点)、分支线、联络电源、联络线路、开关位置的顺序排列，矩阵的列按照待分析电源点(分电源点)、主干线、联络电源、联络线路的顺序排列。

所述的电源点或分电源点记为2，主干线元件记为1，且线路两端有开关则记为1，没有则记为0，负荷元件在与主干线路相接的位置记1，联络电源与主干线某一节点相连，则矩阵中记为1；

所述配电网网架的拓扑结构矩阵如下：

二、所述的模型建立，对于上述构建的矩阵，取四个分块矩阵运用于模型构建，包括：

1)第一个分块矩阵为主干线矩阵，记为A_主，则求出主干线故障率矩阵：

其中，矩阵λ_主对应主干线每段线路的等效故障率，计算公式如下：

λ_i＝∑λ_开+λ_l，

U_i＝∑λ_开·r_开+λ_l·r_l，

上式中，λ_开、λ_l分别表示开关、线路设备的故障率，λ_i表示第i段线路的等效故障率，r_开、r_l分别表示开关、线路设备的故障修复时间，U_i表示第i段线路的等效停电时间，r_i表示第i段线路的等效故障修复时间；

2)第二个为分支线矩阵，记为A_分，每一条分支线与主干线都简化为相同的形式，即写成相同的矩阵形式进行可靠性计算，若有多级分支线，则逐级列写矩阵、分别计算，最后将该分支线等效至主干线，则等效用户数为该分支线用户数的累加，且计算得到各等效负荷点的R_分i、U_分i，最后对于每一条分支线都计算其可靠性后得到R_分、U_分：

3)第三个为联络矩阵，记为C_联，进行可靠性计算时记录联络开关与线路相连接的线路编号为a；

4)第四个为线路开关矩阵，记为D_开，该矩阵中两行元素分别表示该线路的入、出线端是否有开关，将两行元素相加生成矩阵D_合，即线路两端均有开关时D_合，i＝2，只有一个开关时D_合，i＝1，没有开关时D_合，i＝0。

网架主干线共分为M段线路，则有M个等效负荷点，断路器完全可靠开断，每个等效负荷点有N_i个用户；单联络网络结构计算第m个负荷点的停电时间时，L_h指的是检索第m个负荷点上游的最后一个分段开关所在的线路，且h≤a，即该开关的位置在联络开关上游，将线路开关位置D(2,h)代入计算公式；L_j指的是检索第m个负荷点下游的第一个分段开关所在的线路，将线路开关位置D(1,j)代入计算公式；

利用所形成的拓扑矩阵计算停电时间、停电用户数的公式如下：

上述各式中，B_主，ii、B_主，hh、B_主，jj分别表示主干线故障率矩阵中对角线第i、h、j个元素，即第i、h、j段线路的等效故障修复率，t_b、t_c分别表示分段开关、联络开关的操作时间，r_i、r_h、r_j分别表示第i、h、j段线路的等效故障修复时间，R_分，mm、U_分，mm分别表示第m条分支线的停电时间与停电用户数，R_主、U_主分别表示主干线的停电时间与停电用户数。

三、所述的指标计算，包括：

根据上述停电时间R_总、停电用户数U_总的公式，得出可靠性指标的计算公式如下：

式中，SAIDI指的是系统平均停电时间指标，SAIFI指的是系统平均停电频率指标，CAIDI指的是用户平均停电持续时间指标，ASAI指的是平均供电可用率指标。

联络对可靠性的影响公式为：

环节对可靠性的影响公式为：

相互影响对可靠性的影响公式为：

实施例2

本实施例提供一种供电可靠性的评估系统，包括：

矩阵构建单元：用于生成配电网网架的拓扑结构矩阵；

模型建立单元：利用所述的拓扑结构矩阵建立可靠性指标的计算模型；

指标计算单元：利用可靠性指标的计算模型计算得到可靠性指标，并将联络、环节及相互影响对可靠性的影响分别进行量化表示。

应用例

如图2所示的配电网线路图，采用本发明分析其网架结构，确定主干线与分支线之后，并将分支线与主干线单独列出、编号，如图3所示，则所列写的矩阵为：

假设一个负荷点用户为1，平均故障转供时间为0.5h，设备故障率如下表所示：

元件类型	故障率/(次/a)	单次故障时间/(h/次)
			架空线	0.05	4
电缆	0.015	7
			断路器	0.0025	3
变压器	0.0035	4
			隔离开关	0.0025	1

对于分支线A、D：

λ₁＝0.0025+0.05×0.4＝0.0225(次/a)，则B_主＝[0.0225]，

U₁＝0.0025×1+0.05×0.4×4＝0.0825(h/a)，

同理可得分支线B：

分支线C：

则R_分A＝R_分D＝0.0225×3.667＝0.0825(h)，U_分A＝U_分D＝0.0225(户)；

R_分B＝2×(0.0225×3.667+0.0225×3.889)＝0.34(h)，U_分B＝2×2×0.0225＝0.09(户)；

R_分C＝0.0225×3.667+0.0225×0.5+0.0225×3.667×2＝0.25875(h)，

U_分B＝2×2×0.0225＝0.09(户)。

对于主干线，

λ₁＝0.0025+0.05×0.4＝0.0225(次/a)，U₁＝0.0025×3+0.05×0.4×4＝0.0875(h/a)，

λ₂＝λ₄＝0.05×0.4＝0.02(次/a)，r₂＝r₄＝4(h/次)；

λ₃＝0.0025×2+0.05×0.4＝0.025(次/a)，U₃＝0.0025×3×2+0.05×0.4×4＝0.095(h/a)，

R_主＝[0.0225×3.889+0.02×4+(0.025+0.02)×0.5]

+[0.0225×3.889+0.02×4+(0.025+0.02)×0.5]×2

+[(0.0225+0.02+0.025)×0.5+0.02×4]×2

+[(0.0225+0.02+0.025)×0.5+0.02×4]＝1.18125(h)，

则R_总＝1.18125+0.0825×2+0.34+0.25875＝1.945(h)，

U_主＝6×(0.0225+0.02×2+0.025)＝0.525(次)，

则U_总＝0.525+0.0225×2+0.09×2＝0.75(次)。

计算可靠性指标：

六个负荷点分别求取R¹、R²、R³，如下表，可以看出每个负荷点三个方面的影响：

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种供电可靠性的评估方法，其特征在于，包括矩阵构建、模型建立和指标计算；

所述的矩阵构建用于生成配电网网架的拓扑结构矩阵；

所述的模型建立利用所述的拓扑结构矩阵建立可靠性指标的计算模型；

所述的指标计算单元利用可靠性指标的计算模型计算得到可靠性指标，并将联络、环节及相互影响对可靠性的影响分别进行量化表示。

2.根据权利要求1所述的供电可靠性的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：参数设置，元件等效；确定构建母线出线端的主干线与分支线；分别编号，构建分支线、主干线网络拓扑矩阵；分别计算各分支线的停电时间与停电用户数；将各分支线等效至与主干线对应的分电源点，计算主干线的停电时间与停电用户数；合计系统的总停电时间和总停电用户数；计算可靠性指标。

3.根据权利要求1所述的供电可靠性的评估方法，其特征在于，所述的矩阵构建，包括：

1)确定网络的主干线、分支线、次级分支线，并依次单独列出，分支线等效为串联在主干线节点的负荷元件，次级分支线等效为串联在分支线节点的负荷元件，依此类推；

2)编号：主干线与分支线编号方式一致，电源点或分电源点编号为0，第一个负荷点编号为1，依次编号，以电源点或分电源点出线为始，对所有线路逐一编号为L₁、L₂…；

3)列写矩阵：从最低一级分支线开始列写矩阵，矩阵形式一致，矩阵的行按照待分析电源点或分电源点、分支线、联络电源、联络线路、开关位置的顺序排列，矩阵的列按照待分析电源点或分电源点、主干线、联络电源、联络线路的顺序排列。

4.根据权利要求3所述的供电可靠性的评估方法，其特征在于，所述的电源点或分电源点记为2，主干线元件记为1，且线路两端有开关则记为1，没有则记为0，负荷元件在与主干线路相接的位置记1，联络电源与主干线某一节点相连，则矩阵中记为1；

所述配电网网架的拓扑结构矩阵如下：

5.根据权利要求4所述的供电可靠性的评估方法，其特征在于，所述的模型建立，对于上述构建的矩阵，取四个分块矩阵运用于模型构建，包括：

1)第一个分块矩阵为主干线矩阵，记为A_主，则求出主干线故障率矩阵：

其中，矩阵λ_主对应主干线每段线路的等效故障率，计算公式如下：

λ_i＝∑λ_开+λ_l，

U_i＝∑λ_开·r_开+λ_l·r_l，

<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>&amp;lambda;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mfrac> <mo>,</mo> </mrow>

上式中，λ_开、λ_l分别表示开关、线路设备的故障率，λ_i表示第i段线路的等效故障率，r_开、r_l分别表示开关、线路设备的故障修复时间，U_i表示第i段线路的等效停电时间，r_i表示第i段线路的等效故障修复时间；

2)第二个为分支线矩阵，记为A_分，每一条分支线与主干线都简化为相同的形式，即写成相同的矩阵形式进行可靠性计算，若有多级分支线，则逐级列写矩阵、分别计算，最后将该分支线等效至主干线，则等效用户数为该分支线用户数的累加，且计算得到各等效负荷点的R_分i、U_分i，最后对于每一条分支线都计算其可靠性后得到R_分、U_分：

3)第三个为联络矩阵，记为C_联，进行可靠性计算时记录联络开关与线路相连接的线路编号为a；

4)第四个为线路开关矩阵，记为D_开，该矩阵中两行元素分别表示该线路的入、出线端是否有开关，将两行元素相加生成矩阵D_合，即线路两端均有开关时D_合，i＝2，只有一个开关时D_合，i＝1，没有开关时D_合，i＝0。

6.根据权利要求5所述的供电可靠性的评估方法，其特征在于，

网架主干线共分为M段线路，则有M个等效负荷点，断路器完全可靠开断，每个等效负荷点有N_i个用户；单联络网络结构计算第m个负荷点的停电时间时，L_h指的是检索第m个负荷点上游的最后一个分段开关所在的线路，且h≤a，即该开关的位置在联络开关上游，将线路开关位置D(2,h)代入计算公式；L_j指的是检索第m个负荷点下游的第一个分段开关所在的线路，将线路开关位置D(1,j)代入计算公式；

利用所形成的拓扑矩阵计算停电时间、停电用户数的公式如下：

上述各式中，B_主，ii、B_主，hh、B_主，jj分别表示主干线故障率矩阵中对角线第i、h、j个元素，即第i、h、j段线路的等效故障修复率，t_b、t_c分别表示分段开关、联络开关的操作时间，r_i、r_h、r_j分别表示第i、h、j段线路的等效故障修复时间，R_分，mm、U_分，mm分别表示第m条分支线的停电时间与停电用户数，R_主、U_主分别表示主干线的停电时间与停电用户数。

7.根据权利要求6所述的供电可靠性的评估方法，其特征在于，所述的指标计算，包括：

根据上述停电时间R_总、停电用户数U_总的公式，得出可靠性指标的计算公式如下：

式中，SAIDI指的是系统平均停电时间指标，SAIFI指的是系统平均停电频率指标，CAIDI指的是用户平均停电持续时间指标，ASAI指的是平均供电可用率指标。

8.根据权利要求7所述的供电可靠性的评估方法，其特征在于，

联络对可靠性的影响公式为：

环节对可靠性的影响公式为：

相互影响对可靠性的影响公式为：

9.一种供电可靠性的评估系统，其特征在于，包括：

矩阵构建单元：用于生成配电网网架的拓扑结构矩阵；

模型建立单元：利用所述的拓扑结构矩阵建立可靠性指标的计算模型；

指标计算单元：利用可靠性指标的计算模型计算得到可靠性指标，并将联络、环节及相互影响对可靠性的影响分别进行量化表示。