CN108985627B - 一种综合考虑灾害和人因的电力系统可靠性评估算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合考虑灾害和人因的电力系统可靠性评估算法。第一步：将该电力系统的输电线路分为四类，针对不同类的电力系统的输电线路，考虑人因操作和灾害对线路可靠度的影响计算可靠度，综合整个电力系统中各种输电线路的可靠度，包括四类输电线路和电力系统其他设备，计算得到整个电力系统的可靠度，包括可靠性评估指标电力不足时间概率和电量不足期望值。本发明将外界因素对电力系统的影响细化到对输电线路的影响，将灾害因素和人为因素的影响结合考虑，完善了电力系统可靠性分析，使计算结果更加符合实际。

Description

一种综合考虑灾害和人因的电力系统可靠性评估算法

技术领域

本发明属于考虑多重因素共同作用的电力系统可靠性评估领域，具体涉及了一种综合考虑灾害和人因的电力系统可靠性评估算法。

背景技术

可靠性技术是在第二次世界大战后首先从航天工业和电子工业发展起来的，电力系统的任务是向用户提供源源不断、质量合格的电能。由于电力系统各种设备，包括分布式电源、变压器、输电线路、断路器等一次设备及与之配套的二次设备，都会发生不同类型的故障，从而影响电力系统正常运行和对用户正常供电。电力系统故障，对电力企业、用户和国民经济某些环节，都会造成不同程度的经济损失。随着社会现代化进程的加快，生产和生活对分布式电源的依赖性也越来越大，而停电造成的损失也日益增大。因此，要求电力系统应有很高的可靠性。

自然灾害会对电力系统的可靠性产生很大的影响，大风，山火和覆冰是最常见的三大灾害。冰雪灾害会引起绝缘子覆冰闪络、导地线断线、杆塔倒塌等一系列事故，严重影响电力系统的安全稳定运行。1998年1月，加拿大发生了长达一周的冰灾，该灾难造成了100万用户的停电。2008年1月，中国南方先后出现4次大范围雨雪天气，电网覆冰严重，电力线路多次发生断线倒塔事故。湖南省33条550kV线路有14条发生倒塔，断线多达150余处，直接经济损失高达10亿元。因此，研究覆冰下的电网风险评估方法，准确评估覆冰下电网所面临的风险，对中国电力系统安全稳定运行有着重要的意义。

除了自然灾害以外，人因也是影响电力系统的可靠性。随着电力设备智能化程度与可靠性的提高，人的不安全行为或人因失误成为影响电力系统安全可靠运行的重要因素。国内外大量的调查统计表明，由人的不安全行为导致的事故占事故总数的70％-90％。所以，人为因素也是电力系统可靠性分析需要考虑的因素之一。

目前的可靠性分析算法主要集中于考虑单一因素作用下的电力系统可靠性分析，即只考虑灾害的因素或者只考虑人因的可靠性分析。并没有研究将两者结合考虑，即既考虑灾害因素，又考虑人因的电力系统可靠性分析。

现有技术的缺点总结如下：

现有技术缺点1：传统的电力系统可靠性预测只单一考虑灾害因素的影响，而没有考虑多因素作用下的可靠性分析。

现有技术缺点2：传统的电力系统可靠性预测只单一考虑人为因素的影响，而没有考虑多因素作用下的可靠性分析。

现有技术缺点3：传统的可靠性往往是从整体上对灾害因素进行分析，即考虑灾害对整个电力系统中的设备的影响，但是实际情况中，对整个电力系统而言，输电线路是受到灾害影响最重的地方，尤其是在覆冰和大风灾害的情况下。

现有技术缺点4：传统的对电力系统人因的分析，往往集中在变电站上，但是人因操作中最常见的操作是断路器的开合，而断路器的开合是对输电线路影响最大的操作，所以考虑人因的电力系统的可靠性分析应以输电线路为主体进行考虑。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种综合考虑灾害和人因的电力系统可靠性评估算法，综合考虑灾害因素和人为因素的电力系统可靠性。

本发明是将考虑灾害的电力系统可靠性评估和考虑人因的电力系统可靠性评估相结合，先考虑受到灾害影响的输电线路的可靠度变化情况，其次在考虑了灾害影响的输电线路上考虑人为因素的影响，从而得到既考虑了灾害，又考虑的人因的输电线路的可靠度，最后基于该输电线路，求得整个电力系统的可靠性。

如图1所示，本发明采用的技术方案包括如下步骤：

第一步：将该电力系统的输电线路分为四类，分别为只受到灾害影响的输电线路、只受到人因影响的输电线路、未受到影响的输电线路以及既受到灾害影响、又受到人因影响的输电线路；

本发明中的四类输电线路是：

第一类是只受到灾害影响的输电线路，其可靠度相比初始的可靠度改变，要考虑灾害的影响；

第二类是只受到人因影响的输电线路，其可靠度相比初始的可靠度改变，要考虑人因的影响；

第三类是既受到灾害影响、又受到人因影响的输电线路，其可靠度相比初始的可靠度改变，既考虑人因的影响又考虑灾害的影响；

第四类是未受到任何外来影响的输电线路，其可靠度相比初始的可靠度保持不变。

针对电力系统中除了输电线路以外的其他电力系统设备，其可靠度和第四类输电线路一样相比初始的可靠度保持不变。由于第四类的输电线路和其他电力系统设备的可靠度保持不变，所以该可靠度可以直接应用到第五步的电力系统可靠性计算中。

四类输电线路和其他电力系统设备均设有初始的可靠度。

第二步：针对只受到灾害影响的输电线路，考虑灾害对线路可靠度的影响计算可靠度；

第三步：针对只受到人因影响的输电线路，采用认知可靠性与差错分析方法(CREAM)对各种可能的人因操作进行量化分析计算获得可靠度；

第四步：针对既受到灾害影响、又受到人因影响的输电线路，通过可靠性整合函数将只受到灾害影响的输电线路的可靠度和只受到人因影响的输电线路的可靠度相结合，计算得到同时考虑灾害和人因的可靠度；

第五步：综合整个电力系统中各种输电线路的可靠度，包括四类输电线路和电力系统其他设备，计算得到整个电力系统的可靠度，包括可靠性评估指标电力不足时间概率(LOLP)和电量不足期望值(EENS)。

本发明中所述的电力系统是指包含有发电机、升压变压器、降压变压器、母线和输电线路等设备的交流系统。

所述的电力系统其他设备是指电力系统中除了输电线路以外的发电机、变压器和母线等基本电力系统设备。

所述第二步具体为：

在固定时间段[t,t+△t]下，△t表示时间间隔，输电线路的可靠度R(△t)为：

R(△t)＝e^-λ·△t

针对只受到灾害影响的输电线路，在t时刻下输电线路的可靠度R(t)计算为：

其中，t表示时刻，e表示常数，λ表示灾害作用下的输电线路故障率。

所述第三步具体为：针对只受到人因影响的输电线路，采用认知可靠性与差错分析方法(CREAM)对输电线路的不同人因操作进行量化分析处理获得每种人因操作下输电线路的失误概率HEP，进而计算获得人为因素下的线路可靠度为1-HEP，即1减去失误概率HEP。

本发明将人因操作分为三类，针对既受到灾害影响又受到人因影响的输电线路，根据不同人因操作和灾害影响进行不同结合：

第一类人因操作为对受到灾害影响的线路可靠度不起作用的人因操作：若线路受到灾害后，发生线路断裂，杆塔倒塌等一系列断开电力系统正常传输过程的现象，则人因操作对该受到灾害的输电线路将没有任何影响。

第二类人因操作为对作用超过固定时长后才能对受到灾害影响的线路可靠度起作用的人因操作：输电线路在一段时间内同时承受灾害影响和人因操作影响，即在承受完灾害影响后，在承受人因操作影响的前一段时间t1内，输电线路不会改变灾害影响后的线路可靠度，只有当人因操作作用超过一定时长t1后，输电线路的可靠度才会再次发生改变。

第三类人因操作为任何时候对受到灾害影响的线路可靠度均起作用的人因操作：在灾害或者人因操作的单一作用下，输电线路都会改变原有的线路可靠度，当灾害和人因同时作用时，输电线路的可靠也会发生改变。

本发明中，采用认知可靠性与差错分析方法(CREAM算法)，对人因可靠性进行分析。认知可靠性与差错分析方法分为9类操作模式，每一类操作模式都给予正面、无影响或者负面的影响分析评价。根据不同数量的正面和负面影响的随机组合，定义四类控制模式和相应的人因失误概率区间。每一种人因操作均得到9类操作模式分别的影响分析，即每一种人因操作都在CREAM算法中得到9个正面或负面或无影响的影响评价。基于CREAM算法定义的控制模式与操作模式的关系，从而得到每一种操作模式下的人因失误概率。

本发明中对于输电线路而言，考虑灾害带来的影响再考虑人因失误概率，发生灾害的时间段内没有人因操作。人因操作对可靠性的影响体现在通过人因失误概率降低了原有输电线路的可靠度，而不是通过人因失误概率降低了线路的故障率。

所述第四步具体为：

将人因操作分为三类，第一类人因操作为对受到灾害影响的线路可靠度不起作用的人因操作，第二类人因操作为对作用超过固定时长后才能对受到灾害影响的线路可靠度起作用的人因操作，第三类人因操作为任何时候对受到灾害影响的线路可靠度均起作用的人因操作；针对既受到灾害影响又受到人因影响的输电线路，采用以下公式计算可靠度为：

针对第一类人因操作，采用以下公式计算可靠度R_line-1为：

其中，t表示时刻，e表示常数，λ表示灾害作用下的输电线路故障率；

针对第一类人因操作，采用以下公式计算可靠度R_line-2为：

其中，p表示输电线路承受第而类人因操作影响时间大于固定时间t1的概率；

针对第三类人因操作，采用以下公式计算可靠度R_line-3为：

综合三类人因操作，采用以下公式计算人因操作和灾害影响的输电线路可靠度R_line为：

R_line＝(p1·R_{line-1`</sub>)+(p2·R<sub>line-2`})+(p3·R_line-3`)

其中，p1表示第一类人因操作发生的概率，p2表示第二类人因操作发生的概率，p3表示第三类人因操作发生的概率为p3。

本发明针对根据不同人因操作和灾害影响进行不同结合而计算获得可靠度R_line获得了准确的可靠度计算结果。

所述第五步具体是采用以下：根据四类输电线路的可靠度利用蒙特卡洛算法得到整个电力系统的可靠度，得到电力系统每一种电力输出容量及其产生概率，再采用以下公式计算可靠性评估指标电力不足时间概率LOLP和电力不足期望值EENS：

其中，LOLP表示可靠性评估指标电力不足时间概率，P_i表示电力系统第i种电力输出容量；p_i表示第i种电力输出容量的产生概率p_i；R_j表示在第j个小时电力系统用户侧必需的负荷；

表示第i种电力输出容量小于第j个小时电力系统用户侧必需的负荷R时该电力输出容量的发生概率；

表示第i种电力输出容量小于第j个小时电力系统用户侧必需的负荷R时该电力输出容量的持续时间；

表示电力输出容量小于第j个小时电力系统用户侧必需的负荷R的种类累加，state(P_i<R_j)表示电力输出容量小于第j个小时电力系统用户侧必需的负荷R的种类，

第二个求和为每天24小时负荷变化的累加；

其中，EENS表示电力不足期望值，

表示电力输出容量种类的累加，

为每天24小时负荷变化的累加，

为一年365天天数的累加。

本发明算法从输电线路角度入手进行整个电力系统的可靠性，综合考虑了灾害和人因对输电线路的影响，并最后求得整个电力系统的可靠性，完善了传统可靠性的评估算法。而现有的电力系统可靠性评估通常均针对整个电力系统而设计并计算，本发明特殊地针对输电线路进行可靠性评估，具有非常强的针对性和有效准确性。

本发明通过第一步的设备分类，将电力系统中的设备分为四类，传统的电力系统可靠性分析在考虑外界因素的时候，往往考虑外界因素对整个电力系统的作用，但是灾害因素和人为因素的作用往往集中在输电线路上，所以本发明将外界因素的影响细化，从输电线路的角度考虑该因素对可靠性的影响，使得最终得到的可靠性更加准确。

本发明通过第四步将考虑人因的考虑灾害因素的输电线路进行综合分析，得到综合的线路可靠度，该步骤不再是外界因素的单一考虑，它使得输电线路的可靠度更加准确，使得最后计算得到的电力系统可靠性更加准确。

本发明的有益效果是：

本发明将外界因素对电力系统的影响细化到对输电线路的影响，并通过第五步将这些影响整合成对电力系统的可靠性影响。具体地在输电线路的分析上，将灾害因素和人为因素的影响结合考虑，而不是以外的单一因素分析，完善了电力系统可靠性分析，使计算结果更加符合实际。

本发明将能够准确计算综合考虑灾害因素和人为因素作用下的整个电力系统的可靠性，完善了可靠性评估算法。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是实施例采用的电力系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的实施例及其实施过程如下：

第一步：基于IEEE RTS-79标准系统作为实施例的电力系统结构，如图2所示，原有的输电线路和其他设备参数都采用IEEE RTS-79标准系统的标准参数。

其中认为输电线路11，12和13同时受到了灾害和人因操作的影响，其余线路和设备未受到任何影响。

灾害因素考虑覆冰的作用，人因操作考虑最好的情况，即在CREAM算法中没有任何负面影响，全为正面影响或者无影响的人因操作。

通过CREAM算法，计算得到的该人因操作的HEP值为4.99992*10^-6。

(1)人因操作为第一类人因操作，即对受到灾害影响的线路可靠度不起作用的人因操作：若线路受到灾害后，发生线路断裂，杆塔倒塌等一系列断开电力系统正常传输过程的现象，则人因操作对该受到灾害的输电线路将没有任何影响。

假设在覆冰的灾害因素作用下，电力系统输电线路的故障率为0.4，从而可以得到输电线路11，12和13每一条输电线路的考虑两种外来因素下的可靠度为：

(2)人因操作为第二类人因操作，第二类人因操作：某一输电线路可以在一段时间内同时承受灾害影响和人因操作影响，即在承受完灾害影响后，在承受人因操作影响的前一段时间t1内，输电线路不会改变灾害影响后的线路可靠度，只有当人因操作作用超过一定时长t1后，输电线路的可靠度才会再次发生改变。

假设在覆冰的灾害因素作用下，电力系统输电线路的故障率为0.4，p为0.6，从而可以得到输电线路11，12和13每一条输电线路的考虑两种外来因素下的可靠度为：

(3)人因操作为第三类人因操作，即在灾害或者人因操作的单一作用下，输电线路都会改变原有的线路可靠度，当灾害和人因同时作用时，输电线路的可靠也会发生改变。

假设在覆冰的灾害因素作用下，电力系统输电线路的故障率为0.4，从而可以得到输电线路11，12和13每一条输电线路的考虑两种外来因素下的可靠度为：

(4)从而该条输电线路综合考虑人因操作和灾害影响的可靠度为，假设p1为0.5，p2为0.3，p3为0.2。

最后利用蒙特卡洛算法，综合考虑3条输电线路的可靠度变化情况，得到在该种情况下的，整个电力系统的LOLP和EENS数值。

表1电力系统可靠性分析

由三类人因操作可靠度的比较可知，随着人因操作的不同，电力系统的可靠性也不同，且人为因素带来的影响越大，电力系统的可靠性越差。

本发明将外界因素对电力系统的影响细化到对输电线路的影响，并通过第五步将这些影响整合成对电力系统的可靠性影响。在输电线路的分析上，将灾害因素和人为因素的影响结合考虑，而不是以外的单一因素分析，完善了电力系统可靠性分析，使计算结果更加符合实际。

Claims (1)

1.一种综合考虑灾害和人因的电力系统可靠性评估方法，其特征在于：

第一步：将该电力系统的输电线路分为四类，分别为只受到灾害影响的输电线路、只受到人因影响的输电线路、未受到影响的输电线路以及既受到灾害影响、又受到人因影响的输电线路；

所述的电力系统是指包含有发电机、升压变压器、降压变压器、母线和输电线路设备的交流系统；

第二步：针对只受到灾害影响的输电线路，考虑灾害对线路可靠度的影响计算可靠度；

所述第二步具体为：

针对只受到灾害影响的输电线路，在t时刻下输电线路的可靠度R(t)计算为：

其中，t表示时刻，e表示常数，λ表示灾害作用下的输电线路故障率；

第三步：针对只受到人因影响的输电线路，采用认知可靠性与差错分析方法对人因操作进行量化分析计算获得可靠度；

所述第三步具体为：针对只受到人因影响的输电线路，采用认知可靠性与差错分析方法对输电线路的不同人因操作进行量化分析处理获得每种人因操作下输电线路的失误概率HEP，进而计算获得人为因素下的线路可靠度为1-HEP；

第四步：针对既受到灾害影响、又受到人因影响的输电线路，通过可靠性整合函数将只受到灾害影响的输电线路的可靠度和只受到人因影响的输电线路的可靠度相结合，计算得到同时考虑灾害和人因的可靠度；

第五步：综合整个电力系统中各种输电线路的可靠度，包括四类输电线路和电力系统其他设备，计算得到整个电力系统的可靠度，包括可靠性评估指标电力不足时间概率和电量不足期望值；

所述第五步具体是采用以下：根据四类输电线路的可靠度利用蒙特卡洛算法得到整个电力系统的可靠度，再采用以下公式计算可靠性评估指标电力不足时间概率LOLP和电力不足期望值EENS：

其中，LOLP表示可靠性评估指标电力不足时间概率，P_i表示电力系统第i种电力输出容量；p_i表示第i种电力输出容量的产生概率p_i；R_j表示在第j个小时电力系统用户侧必需的负荷；

表示第i种电力输出容量小于第j个小时电力系统用户侧必需的负荷R时该电力输出容量的发生概率；

表示第i种电力输出容量小于第j个小时电力系统用户侧必需的负荷R时该电力输出容量的持续时间；

表示电力输出容量小于第j个小时电力系统用户侧必需的负荷R的种类累加，state(P_i<R_j)表示电力输出容量小于第j个小时电力系统用户侧必需的负荷R的种类，

第二个求和为每天24小时负荷变化的累加；

其中，EENS表示电力不足期望值，

表示电力输出容量种类的累加，

为每天24小时负荷变化的累加，

为一年365天天数的累加；

所述第四步具体为：

将人因操作分为三类，第一类人因操作为对受到灾害影响的线路可靠度不起作用的人因操作，第二类人因操作为对作用超过固定时长后才能对受到灾害影响的线路可靠度起作用的人因操作，第三类人因操作为任何时候对受到灾害影响的线路可靠度均起作用的人因操作；针对既受到灾害影响又受到人因影响的输电线路，采用以下公式计算可靠度为：

针对第一类人因操作，采用以下公式计算可靠度R_line-1为：

其中，t表示时刻，e表示常数，λ表示灾害作用下的输电线路故障率；

针对第二类人因操作，采用以下公式计算可靠度R_line-2为：

其中，p表示输电线路承受第二类人因操作影响时间大于固定时间t1的概率；

针对第三类人因操作，采用以下公式计算可靠度R_line-3为：

综合三类人因操作，采用以下公式计算人因操作和灾害影响的输电线路可靠度R_line为：

R_line＝(p1·R_{line-1`</sub>)+(p2·R<sub>line-2`})+(p3·R_line-3`)

其中，p1表示第一类人因操作发生的概率，p2表示第二类人因操作发生的概率，p3表示第三类人因操作发生的概率为p3。

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