CN109494728A - 一种配电终端选址选型方法 - Google Patents
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Abstract
一种配电终端选址选型方法，包括以下步骤：A、对单个配电终端的运行状态进行分析，利用马尔科夫链理论求解配电终端各运行状态下的平稳概率；B、对配电网不同通信组网模式分别进行通信可靠性的计算；C、对不同的供电区域，以最高建设成本投入和通信可靠性为约束条件，以配电网差异化建设情况下停电损失成本和建设成本之和最小为优化目标，建立配电终端动态选型模型，确定不同类型配电终端的配置数量；D、对供电区域进行节点重要度排序，确定各供电区域配电终端的安装位置。本设计根据不同组网模式下的通信可靠性，能够综合考虑投资成本和供电可靠性的双重约束，结合节点重要度排序完成任意拓扑的配电终端规划布局，现场实用性高。
Description
技术领域
本发明涉及配电自动化领域，尤其涉及一种配电终端选址选型方法，主要适用于根据不同组网模式下的通信可靠性，实现配电终端的优化布局。
背景技术
随着国家经济和电力行业的不断发展，配电网用户对供电可靠性的需求越来越高。配电自动化作为智能电网的关键环节，是保障配网安全运行、增强配网管理水平和提高配电网可靠性的有效途径。伴随智能电网概念的持续深入，配电自动化在配电网络排除故障、配网结构自愈、配电网络投资利用率方面发挥着越来越重要的作用。
配电终端作为配电自动化系统的基础单元，可以实现快速定位并隔离故障，实现负荷转供，在实际中应用广泛。配电终端主要包含具备遥控、遥信、遥测功能的三遥终端与具备遥信和遥测功能的二遥终端，三遥终端相较二遥终端多了遥控功能，减少了人工隔离时间，可以更加有效地减少用户停电时间，但需附加电动操作装置，因此人工造价更高。尽管它们对于供电可靠性的提升都有帮助，但在不同的配置方案下，供电可靠性的提升也有所不同。因此在实际电网规划问题中，如何在有限投资内获得最佳的可靠性提升，是目前配电网面临的较大挑战。
目前固有的配电终端配置方法主要从投入产出比、投资成本以及供电可靠性等角度对配电终端进行选址选型，而并未考虑配电网的通信可靠性。事实上，通信组网在配网规划中占据重要的角色，因为目前配电通信组网的主流技术包含以太网无源光网络(EPON)、无线专网、以太网交换机以及中压载波技术，它们包含星形、树形及环形组网等不同的网络架构方法，不同组网模式的投资、可靠性与整个配电网的互相耦合，无法隔离，建设通信组网的优劣直接关系到组网效率和终端联络的可靠性，进而影响到整个智能配电网的供电可靠性。因此，不同组网方案对通信质量、通信效益以及运行维护管理都有较大影响。所以现阶段的配电终端优化布局需要考虑配电网通信组网的建设因素，在投资成本和供电可靠性双重角度下对配电终端进行合理的选址选型，获得最优的供电可靠性提升效果。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的配电终端选址选型并未考虑配电网通信可靠性的缺陷与问题，提供一种根据不同组网模式下的通信可靠性实现配电终端优化布局的配电终端选址选型方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种配电终端选址选型方法，该方法包括以下步骤：
A、对单个配电终端的运行状态进行分析，利用马尔科夫链理论建立配电终端的运行状态转移模型，并求解配电终端各运行状态下的平稳概率；
B、对配电网不同通信组网模式分别进行通信可靠性的计算；
C、对不同的供电区域，以最高建设成本投入和通信可靠性为约束条件，以配电网差异化建设情况下停电损失成本和建设成本之和最小为优化目标，建立配电终端动态选型模型，确定不同类型配电终端的配置数量；
D、对供电区域进行节点重要度排序，确定各供电区域配电终端的安装位置。
步骤A中，所述运行状态分析过程包括：对于单个配电终端在计及通信链路失效的情况下，对配电终端二次保护设备和其对应的一次馈线进行运行状态分析，共列举了九种不同的运行状态，其中把二次保护设备和一次馈线均处于正常状态时视为配电终端稳态运行状态，配电终端的九种运行状态分别为：
状态1：一次馈线和配电终端均处于正常工作状态；
状态2：一次馈线被停用，配电终端处于检修状态；
状态3：一次馈线正常，配电终端的拒动失效状态不可自检；
状态4：一次馈线正常，配电终端的拒动失效状态可自检，并报警闭锁；
状态5：配电终端的自检误动失效状态不可检，一次馈线发生误动；
状态6：一次馈线正常，配电终端的误动失效可自检，并报警闭锁；
状态7：一次馈线发生故障，配电终端拒动，故障范围扩大；
状态8：一次馈线正常，配电终端处于通信链路失效状态；
状态9：一次馈线发生故障，配电终端因为链路失效而拒动，故障范围扩大。
在运行状态分析过程中有如下假设：
假设1：二次保护装置的各种故障不会同时发生；
假设2：运行状态转移过程中只考虑一阶情况；
假设3：当一次馈线处于故障时不会发生保护系统故障；
假设4：所有故障相互独立，保护系统故障与一次馈线故障相互独立。
对于拥有n种运行状态的配电终端，各运行状态之间的时变概率构成时变概率矩阵P(Δt)：
其中，pij(Δt)是配电终端运行过程中初始状态处于状态i的条件下在Δt期间内转移至状态j的概率，方阵P(Δt)中元素均为非负值，且矩阵P(Δt)中各行元素之和均为1；
若连续时间齐次马尔科夫链具有有限空间I，则其转移密度可构成状态转移密度矩阵A：
其中，I为单位矩阵，A矩阵中各行元素之和均为零，元素qij为从状态i转移到状态j的概率密度，对角线元素为非正数，其余元素Aij≥0；
建立可计算出配电终端各运行状态下平稳概率的模型：
其中，P＝[p1 p2 …… pn]为配电终端各运行状态下的平稳概率；
求解的矩阵表达形式为：
其中，In为n阶单位矩阵；
结合图2所示的配电终端九状态空间转移图，构建转移矩阵A如下：
其中，Z＝Q+λj+λw+λ1+λx，c′＝1-c，μp为配电终端的修复率，μ1为对应馈线的修复率，μop1为检修人员到维修现场平均时间的倒数，λ1为被保护馈线的故障率，λj为配电终端的拒动概率，λw为配电终端的误动概率，λx为配电终端通信的链路失效概率，C为配电终端的自检成功概率，Q为定期检修间隔时间的倒数，矩阵A中所有配电终端参数将随着配电终端之间的通信网络系统运行历史参数的增加动态变化。
步骤B中，所述配电终端包括二遥配电终端与三遥配电终端；
所述三遥配电终端的通信方式为光纤通信方式，通信平台为EPON系统，EPON系统在配电网中的组网模式有星形组网模式、树形组网模式、单环形组网模式、人工蛛网组网模式；
星形组网模式Ga全端可靠性为：
其中，pg为配电终端保持正常运行状态的概率；
树形组网模式Gb全端可靠性为：
单环形组网模式Gc全端可靠性为：
人工蛛网组网模式Gd全端可靠性为：
所述二遥配电终端通信方式以3G技术为基础的无线公用网络，二遥配电终端的组网模式有星形组网模式；
二遥配电终端的星形组网模式Ga全端可靠性为：
步骤C中，所述配电网停电损失成本Eloss为：
Eloss＝Em+Ew+Ej；
所述通信链路失效损失成本Em为：
Em＝Lmf·(1-RALL)；
其中，Lmf为链路失效检修一次的综合费用，RALL为链路维持正常的概率；
所述一次馈线误动损失成本Ew为：
Ew＝Lwf+Lwt·twPw；
其中，Lwf为一次馈线误动产生的维修成本，Lwt为终端装置在电力系统发生故障时误动单位时间经济损失费用，tw为终端装置在电力系统发生故障后误动恢复时间，Pw为故障后终端装置误动引起停电的负荷量；
所述配电终端拒动损失成本Ej为：
Ej＝Ljf+Ljt·tj·Pj；
其中，Ljf为一次馈线拒动产生的维修成本，Ljt为终端装置在电力系统发生故障时拒动单位时间经济损失费用，tj为终端装置在电力系统发生故障后拒动恢复时间，Pj为故障后终端装置拒动引起停电的负荷量。
所述tw和tj通过以下方法得到：在考虑上级供电区域安装不同类型配电终端的情况下，分类计算误动故障时间和拒动故障时间，最后相加得到tw和tj。
步骤C中，所述配电终端建设成本包括配电终端配置成本和通信成本，假设配电网中的配电终端配置有n个，则所需的配电终端配置成本Ccon为：
Ccon＝n·λ·Pc2+n(1-λ)Pc3；
其中，pc2为二遥配电终端的单位配置成本，pc3为三遥配电终端的单位配置成本，λ为配置二遥配电终端的概率；
所述通信成本来自于链路建设中使用光纤的费用，通过铺设光纤进行组网，产生了光纤建造成本Cgua为：
Cgua＝L·Ps；
其中，L为配电通信组网链路数量，Ps为单位数量链路铺设光纤单价；
所述配电终端建设成本Can为：
Can＝Ccon+Cgua；
所述优化目标CA为：
CA＝Eloss+Can；
确定二遥配电终端的配置数量为nλ个，三遥配电终端的配置数量为n(1-λ)个。
步骤D中，所述节点重要度通过对供电区域的结构重要度和负荷重要度进行加权处理求和得到，对节点重要度最高的位置选择安装三遥配电终端，对节点重要度最低的位置选择安装二遥配电终端；
所述节点重要度的计算公式为：
NIi(t)＝α·pi(t)+β·qi；
其中，NIi(t)为节点重要度，pi(t)为负荷重要度，qi为结构重要度，α为负荷重要度权重因子，β为结构重要度权重因子；
所述负荷重要度pi(t)的计算公式为：
其中，为时刻t在节点i和节点j之间流通的传输功率之和，为配电网全部传输功率之和；
所述结构重要度qi的计算公式为：
其中，ci为配电网经过节点i的最短路径数。
为了便于对比不同节点的重要度，将各节点重要度通过下式进行处理：
其中，为归一化的节点重要度，NIi(t)为节点重要度，为所有节点重要度之和。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明一种配电终端选址选型方法通过建立基于通信装置的九状态转移模型，利用马尔科夫概率算法对不同组网模式下的全端通信可靠性作出比较，在此基础上通过对不同组网模式下的配电终端投资成本和停电损失成本的综合建模，提出一种兼顾经济性和可靠性的优化布局方法，确定配置二遥配电终端和三遥配电终端的最优数量分配，并引入节点重要度理论，对配网模型各节点进行重要度排序从而确定各供电区域的配电终端安装类型，现场实用性高。
附图说明
图1是本发明一种配电终端选址选型方法的流程图。
图2是本发明的实施例中的配电终端九状态空间转移图。
图3是本发明的实施例中的六个三遥配电终端的不同组网模式图。
图4是本发明的实施例中的一个简单配电区域示意图。
图5是本发明的实施例中的IEEE RBTS-BUS2电网模型图。
图6是本发明的实施例中的配电终端稳态概率变化图。
图7是本发明的实施例中的不同组网全端可靠性对比图。
图8是本发明的实施例中的不同组网综合成本对比图。
图9是本发明的实施例中的两种组网模式下配电终端配置图。
图2中：L为配电终端对应的一次馈线，T为馈线处于停运状态，P为配电终端，S为配电终端处于正常状态，W为配电终端/馈线处于误动状态，J为配电终端/馈线处于拒动状态，CW为配电终端的可自检误动功能失效，CJ为配电终端的可自检拒动功能失效，R为配电终端处于检修状态，X为配电终端处于通信链路失效状态，μp为配电终端的修复率，μ1为对应馈线的修复率，μop1为检修人员到维修现场平均时间的倒数，λ1为被保护馈线的故障率，λj为配电终端的拒动概率，λw为配电终端的误动概率，λx为配电终端通信的链路失效概率，C为配电终端的自检成功概率，Q为定期检修间隔时间的倒数。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1至图9，一种配电终端选址选型方法，该方法包括以下步骤：
A、对单个配电终端的运行状态进行分析，利用马尔科夫链理论建立配电终端的运行状态转移模型，并求解配电终端各运行状态下的平稳概率；
B、对配电网不同通信组网模式分别进行通信可靠性的计算；
C、对不同的供电区域，以最高建设成本投入和通信可靠性为约束条件，以配电网差异化建设情况下停电损失成本和建设成本之和最小为优化目标，建立配电终端动态选型模型，确定不同类型配电终端的配置数量；
D、对供电区域进行节点重要度排序，确定各供电区域配电终端的安装位置。
步骤A中，所述运行状态分析过程包括：对于单个配电终端在计及通信链路失效的情况下，对配电终端二次保护设备和其对应的一次馈线进行运行状态分析，共列举了九种不同的运行状态，其中把二次保护设备和一次馈线均处于正常状态时视为配电终端稳态运行状态，配电终端的九种运行状态分别为：
状态1：一次馈线和配电终端均处于正常工作状态；
状态2：一次馈线被停用，配电终端处于检修状态；
状态3：一次馈线正常，配电终端的拒动失效状态不可自检；
状态4：一次馈线正常，配电终端的拒动失效状态可自检，并报警闭锁；
状态5：配电终端的自检误动失效状态不可检，一次馈线发生误动；
状态6：一次馈线正常，配电终端的误动失效可自检，并报警闭锁；
状态7：一次馈线发生故障，配电终端拒动，故障范围扩大；
状态8：一次馈线正常，配电终端处于通信链路失效状态；
状态9：一次馈线发生故障，配电终端因为链路失效而拒动，故障范围扩大。
在运行状态分析过程中有如下假设：
假设1：二次保护装置的各种故障不会同时发生；
假设2：运行状态转移过程中只考虑一阶情况；
假设3：当一次馈线处于故障时不会发生保护系统故障；
假设4：所有故障相互独立，保护系统故障与一次馈线故障相互独立。
对于拥有n种运行状态的配电终端，各运行状态之间的时变概率构成时变概率矩阵P(Δt)：
其中，pij(Δt)是配电终端运行过程中初始状态处于状态i的条件下在Δt期间内转移至状态j的概率，方阵P(Δt)中元素均为非负值，且矩阵P(Δt)中各行元素之和均为1；
若连续时间齐次马尔科夫链具有有限空间I，则其转移密度可构成状态转移密度矩阵A：
其中，I为单位矩阵，A矩阵中各行元素之和均为零，元素qij为从状态i转移到状态j的概率密度，对角线元素为非正数，其余元素Aij≥0；
建立可计算出配电终端各运行状态下平稳概率的模型：
其中，P＝[p1 p2 …… pn]为配电终端各运行状态下的平稳概率；
求解的矩阵表达形式为：
其中，In为n阶单位矩阵；
结合图2所示的配电终端九状态空间转移图，构建转移矩阵A如下：
其中，Z＝Q+λj+λw+λ1+λx，c′＝1-c，μp为配电终端的修复率，μ1为对应馈线的修复率，μop1为检修人员到维修现场平均时间的倒数，λ1为被保护馈线的故障率，λj为配电终端的拒动概率，λw为配电终端的误动概率，λx为配电终端通信的链路失效概率，C为配电终端的自检成功概率，Q为定期检修间隔时间的倒数，矩阵A中所有配电终端参数将随着配电终端之间的通信网络系统运行历史参数的增加动态变化。
步骤B中，所述配电终端包括二遥配电终端与三遥配电终端；
所述三遥配电终端的通信方式为光纤通信方式，通信平台为EPON系统，EPON系统在配电网中的组网模式有星形组网模式、树形组网模式、单环形组网模式、人工蛛网组网模式；
星形组网模式Ga全端可靠性为：
其中，pg为配电终端保持正常运行状态的概率；
树形组网模式Gb全端可靠性为：
单环形组网模式Gc全端可靠性为：
人工蛛网组网模式Gd全端可靠性为：
所述二遥配电终端通信方式以3G技术为基础的无线公用网络，二遥配电终端的组网模式有星形组网模式；
二遥配电终端的星形组网模式Ga全端可靠性为：
步骤C中，所述配电网停电损失成本Eloss为：
Eloss＝Em+Ew+Ej；
所述通信链路失效损失成本Em为：
Em＝Lmf(1-RALL)；
其中，Lmf为链路失效检修一次的综合费用，RALL为链路维持正常的概率；
所述一次馈线误动损失成本Ew为：
Ew＝Lwf+Lwt·twPw；
其中，Lwf为一次馈线误动产生的维修成本，Lwt为终端装置在电力系统发生故障时误动单位时间经济损失费用，tw为终端装置在电力系统发生故障后误动恢复时间，Pw为故障后终端装置误动引起停电的负荷量；
所述配电终端拒动损失成本Ej为：
Ej＝Ljf+Ljt·tj·Pj；
其中，Ljf为一次馈线拒动产生的维修成本，Ljt为终端装置在电力系统发生故障时拒动单位时间经济损失费用，tj为终端装置在电力系统发生故障后拒动恢复时间，Pj为故障后终端装置拒动引起停电的负荷量。
所述tw和tj通过以下方法得到：在考虑上级供电区域安装不同类型配电终端的情况下，分类计算误动故障时间和拒动故障时间，最后相加得到tw和tj。
步骤C中，所述配电终端建设成本包括配电终端配置成本和通信成本，假设配电网中的配电终端配置有n个，则所需的配电终端配置成本Ccon为：
Ccon＝n·λ·Pc2+n(1-λ)Pc3；
其中，pc2为二遥配电终端的单位配置成本，pc3为三遥配电终端的单位配置成本，λ为配置二遥配电终端的概率；
所述通信成本来自于链路建设中使用光纤的费用，通过铺设光纤进行组网，产生了光纤建造成本Cgua为：
Cgua＝L·Ps；
其中，L为配电通信组网链路数量，Ps为单位数量链路铺设光纤单价；
所述配电终端建设成本Can为：
Can＝Ccon+Cgua；
所述优化目标CA为：
CA＝Eloss+Can；
确定二遥配电终端的配置数量为nλ个，三遥配电终端的配置数量为n(1-λ)个。
步骤D中，所述节点重要度通过对供电区域的结构重要度和负荷重要度进行加权处理求和得到，对节点重要度最高的位置选择安装三遥配电终端，对节点重要度最低的位置选择安装二遥配电终端；
所述节点重要度的计算公式为：
NIi(t)＝α·pi(t)+β·qi；
其中，NIi(t)为节点重要度，pi(t)为负荷重要度，qi为结构重要度，α为负荷重要度权重因子，β为结构重要度权重因子；
所述负荷重要度pi(t)的计算公式为：
其中，为时刻t在节点i和节点j之间流通的传输功率之和，为配电网全部传输功率之和；
所述结构重要度qi的计算公式为：
其中，ci为配电网经过节点i的最短路径数。
为了便于对比不同节点的重要度，将各节点重要度通过下式进行处理：
其中，为归一化的节点重要度，NIi(t)为节点重要度，为所有节点重要度之和。
本发明的原理说明如下：
本设计提供了一种考虑通信可靠性的配电终端选址选型方法，能够针对不同组网模式计算相关通信可靠性，实现配电终端的优化布局。具体方案包括：通过建立基于通信装置的九状态转移模型，利用马尔科夫概率算法对不同组网模式下的全端通信可靠性作出比较，在此基础上通过对不同组网模式下的配电终端投资成本和停电损失成本的综合建模，提出了一种兼顾经济性和可靠性的优化布局方法，确定配置二遥配电终端和三遥配电终端的最优数量分配，并引入了节点重要度理论，对配网模型各节点进行重要度排序从而确定各供电区域的配电终端安装类型，本设计用于对配网结构规划布局，且现场实用性高。
配电终端在运行过程中随着运行时间的增加将可能从正常运转状态转移到各种故障状态，而配电终端是具备可修复性的，经过一定手段能够返回至正常状态；本设计主要考虑配电终端硬件、一次系统馈线和配电终端通信链路对系统的影响并且利用状态空间法建立配电终端和馈线的状态转移模型。
九种工作状态为配电终端的几种主要工作状态并且广泛存在于现场运行终端中；电网中各类事件包括：馈线发生故障、潮流转移导致的线路过载、配电终端保护定值设置不合理、终端装置故障(如装置接触不良，元件老化)、装置通信链路故障等；上述事件均能引起终端运行状态变化。
配电终端装置属于可修复系统，终端的运行状态会随着时间的推移而发生转移，其状态转移过程可视为马尔科夫过程，因此，本设计将基于齐次连续时间马尔科夫链理论构建配电终端的状态转移模型。
在配电终端各种运行状态中导致经济损失的主要是配电终端工作不正常导致的一次馈线误动、拒动和通信网络崩溃这三种情况；对于处于需要通过周期性检查才能发现的隐性故障其导致的经济损失基本可以忽略不计。
误动状态：馈线误动至恢复正常导致的经济损失计算，应考虑与馈线误动恢复时间成正比例增加的损失。
拒动状态：装置拒动至恢复正常导致的经济损失计算，应考虑与装置拒动恢复时间成正比例增加的损失。
通信网络崩溃：链路失效检修至恢复正常导致的经济损失计算，应考虑检修的综合费用与链路失效概率。
三遥配电终端具备遥控功能，其配置成本比二遥配电终端较高，二遥配电终端不具备遥控功能需要运维人员到现场就地分合开关，可靠性低于三遥配电终端；在计算配网终端综合建设成本时，主要考虑配电终端配置成本和通信成本。
在进行考虑通信可靠性的配电终端规划的时候需同时兼顾配电终端建设成本和综合停电损失，因此本设计的优化目标函数为二者之和CA。
在确定二遥配电终端和三遥配电终端配置数量之后，要对供电区域进行节点重要度排序以此来确定终端安装的位置；本设计在配电网络拓扑中把各个配电终端视为网络拓扑中的节点；配电网为复杂网络系统，因为配电终端安装的位置和对应的供电区域负荷不尽相同，所以配电网为有权网络，有权网络能够描述节点之间的连接存在的不同程度的强弱，更为完整地表达复杂网络的结构；根据以上理论，本设计对电网有权网络模型中的节点重要度(Node Importance,NI)做出了以下定义：
NIi(t)＝α·pi(t)+β·qi。
实施例：
本设计以典型的IEEE RBTS BUS2电网模型为例，该网络拓扑包含4条主线，36条馈线和22个负荷点，按照主最小路法的思想，将该配网拓扑划分为14个区域，其中4个分区已安装断路器，剩余10个分区每个区域选择安装二遥配电终端或者三遥配电终端，配网模型如图5所示。
参见图1，一种配电终端选址选型方法，该方法包括以下步骤：
A、对单个配电终端的运行状态进行分析，利用马尔科夫链理论建立配电终端的运行状态转移模型，并求解配电终端各运行状态下的平稳概率；
所述运行状态分析过程包括：对于单个配电终端在计及通信链路失效的情况下，对配电终端二次保护设备和其对应的一次馈线进行运行状态分析，共列举了九种不同的运行状态，其中把二次保护设备和一次馈线均处于正常状态时视为配电终端稳态运行状态，配电终端的九种运行状态分别为：
状态1：一次馈线和配电终端均处于正常工作状态；
状态2：一次馈线被停用，配电终端处于检修状态；
状态3：一次馈线正常，配电终端的拒动失效状态不可自检；
状态4：一次馈线正常，配电终端的拒动失效状态可自检，并报警闭锁；
状态5：配电终端的自检误动失效状态不可检，一次馈线发生误动；
状态6：一次馈线正常，配电终端的误动失效可自检，并报警闭锁；
状态7：一次馈线发生故障，配电终端拒动，故障范围扩大；
状态8：一次馈线正常，配电终端处于通信链路失效状态；
状态9：一次馈线发生故障，配电终端因为链路失效而拒动，故障范围扩大；
在运行状态分析过程中有如下假设：
假设1：二次保护装置的各种故障不会同时发生；
假设2：运行状态转移过程中只考虑一阶情况；
假设3：当一次馈线处于故障时不会发生保护系统故障；
假设4：所有故障相互独立，保护系统故障与一次馈线故障相互独立；
对于拥有n种运行状态的配电终端，各运行状态之间的时变概率构成时变概率矩阵P(Δt)：
其中，pij(Δt)是配电终端运行过程中初始状态处于状态i的条件下在Δt期间内转移至状态j的概率，方阵P(Δt)中元素均为非负值，且矩阵P(Δt)中各行元素之和均为1；
若连续时间齐次马尔科夫链具有有限空间I，则其转移密度可构成状态转移密度矩阵A：
其中，I为单位矩阵，A矩阵中各行元素之和均为零，元素qij为从状态i转移到状态j的概率密度，对角线元素为非正数，其余元素Aij≥0；
建立可计算出配电终端各运行状态下平稳概率的模型：
其中，P＝[p1 p2 …… pn]为配电终端各运行状态下的平稳概率；
求解的矩阵表达形式为：
其中，In为n阶单位矩阵；
由上述四个公式的理论基础再结合图2所示的配电终端九状态空间转移图，构建转移矩阵A如下：
其中，Z＝Q+λj+λw+λ1+λx，c′＝1-c，μp为配电终端的修复率，μ1为对应馈线的修复率，μop1为检修人员到维修现场平均时间的倒数，λ1为被保护馈线的故障率，λj为配电终端的拒动概率，λw为配电终端的误动概率，λx为配电终端通信的链路失效概率，C为配电终端的自检成功概率，Q为定期检修间隔时间的倒数，矩阵A中所有配电终端参数将随着配电终端之间的通信网络系统运行历史参数的增加动态变化。
针对三遥配电终端和二遥配电终端进行稳态概率的运算，参考500kV线路中的继电保护系统基本数据和历史运行数据，参数如表1所示；
表1配电终端相关参数
输入数据后得到配电终端保持稳定状态的时变概率pg的仿真结果如图6所示。
B、对配电网不同通信组网模式分别进行通信可靠性的计算；
所述配电终端包括二遥配电终端与三遥配电终端；
所述三遥配电终端的通信方式为光纤通信方式，通信平台为EPON系统，EPON系统在配电网中的组网模式有星形组网模式、树形组网模式、单环形组网模式、人工蛛网组网模式；现假设安装装置为6个，对上述各种组网模式进行分析，不同模式组网图例如图3所示；利用网络拓扑的图缩减规则进行因式分解，然后计算各组网模式下全端可靠性RALL和Pg的关系如下：
星形组网模式Ga全端可靠性为：
其中，pg为配电终端保持正常运行状态的概率；
树形组网模式Gb全端可靠性为：
单环形组网模式Gc全端可靠性为：
人工蛛网组网模式Gd全端可靠性为：
所述二遥配电终端通信方式以3G技术为基础的无线公用网络，二遥配电终端的组网模式有星形组网模式；
二遥配电终端的星形组网模式Ga全端可靠性为：
针对不同的组网模式分别进行通信链路全端可靠性的计算，针对给定的配电终端及通信相关参数，分别计算星形、树形、单环形、人工蛛网组网的全端稳定性，结果如图7所示；从图7中可以看出，人工蛛网的组网方式的可靠性明显高于其他组网方式；即使在Pg＜0.5链路失效导致的节点失效的概率大幅增加的情况下，人工蛛网的全端可靠性仍远高于其他传统网络结构，表明人工蛛网拓扑结构具有相对较高的通信可靠性；当Pg＝99.93时，计算的各种组网方式全端可靠性如表2所示；
表2不同组网模式下全端可靠性对比
C、对不同的供电区域，以最高建设成本投入和通信可靠性为约束条件，以配电网差异化建设情况下停电损失成本和建设成本之和最小为优化目标，建立配电终端动态选型模型，确定不同类型配电终端的配置数量；
所述配电网停电损失成本Eloss为：
Eloss＝Em+Ew+Ej；
所述通信链路失效损失成本Em为：
Em＝Lmf·(1-RALL)；
其中，Lmf为链路失效检修一次的综合费用，RALL为链路维持正常的概率；
所述一次馈线误动损失成本Ew为：
Ew＝Lwf+Lwt·twPw；
其中，Lwf为一次馈线误动产生的维修成本，Lwt为终端装置在电力系统发生故障时误动单位时间经济损失费用，tw为终端装置在电力系统发生故障后误动恢复时间，Pw为故障后终端装置误动引起停电的负荷量；
所述配电终端拒动损失成本Ej为：
Ej＝Lif+Ljt·tj·Pj；
其中，Ljf为一次馈线拒动产生的维修成本，Ljt为终端装置在电力系统发生故障时拒动单位时间经济损失费用，tj为终端装置在电力系统发生故障后拒动恢复时间，Pj为故障后终端装置拒动引起停电的负荷量；
在考虑上级供电区域安装不同类型配电终端的情况下，分类计算误动故障时间和拒动故障时间，最后相加得到tw和tj，具体方法如下：
以一个简单配电网络为例，如图4所示；假设安装二遥配电终端的概率为λ，则安装三遥配电终端的概率为1-λ，针对C安装的两处配电终端发生通信故障时，分析B区域的停电时间，具体情况如下：
(1)当B处安装二遥配电终端发生故障时，而C处安装的二遥配电终端或三遥配电终端误动时，区域停电时间如下：
tw2＝λ·(1-Pg2)·[·hm2+(1-λ)·hm3]；
其中，Pg2为二遥配电终端保持正常运行状态的概率，hm2为安装二遥配电终端时通信误动恢复时间，hm3为安装三遥配电终端时通信误动恢复时间；
(2)当B处安装三遥配电终端发生故障，而C处安装的二遥配电终端或三遥配电终端误动时，区域停电时间如下：
tw3＝(1-λ)·(1-pg3)·[λ·hm2+(1-λ)·hm3]；
其中，Pg3为三遥配电终端保持正常运行状态的概率；
(3)当B处安装二遥配电终端发生故障，而C处安装的二遥配电终端或三遥配电终端拒动时，区域停电时间如下：
tj2＝λ·(1-pg2)·[λ·hj2+(1-λ)·hj3]；
其中，hj2为安装二遥配电终端时通信拒动恢复时间，hj3为安装三遥配电终端时通信拒动恢复时间；
(4)当B处安装三遥配电终端发生故障，而C处安装的二遥配电终端或三遥配电终端拒动时，区域停电时间如下：
tj3＝(1-λ)·(1-pg3)·[λ·hj2+(1-λ)·hj3]；
因此，考虑所有故障情况后，总的误动故障时间和拒动故障时间如下：
所述配电终端建设成本包括配电终端配置成本和通信成本，假设配电网中的配电终端配置有n个，则所需的配电终端配置成本Ccon为：
Ccon＝n·λ·Pc2+n(1-λ)Pc3；
其中，pc2为二遥配电终端的单位配置成本，pc3为三遥配电终端的单位配置成本，λ为配置二遥配电终端的概率；
所述通信成本来自于链路建设中使用光纤的费用，通过铺设光纤进行组网，产生了光纤建造成本Cgua为：
Cgua＝L·Ps；
其中，L为配电通信组网链路数量，Ps为单位数量链路铺设光纤单价；
所述配电终端建设成本Can为：
Can＝Ccon+Cgua；
所述优化目标CA为：
CA＝Elm，+Can；
确定二遥配电终端的配置数量为nλ个，三遥配电终端的配置数量为n(1-λ)个。
针对配电终端进行停电损失成本和投资成本的综合计算，成本综合计算时使用的配电网相关指标如表3所示；
表3配电网相关指标
当需满足供电可靠性ASAI≥99.99％…时，有λ≥0.46，则在供电可靠性和投资金额双重约束下的仿真结果如图8所示；从图8可以看出，为同时兼顾安装配电终端的经济性与供电可靠性，需合理选择安装二遥配电终端概率λ，若λ取值太大，在投资成本小幅下降的情况下会导致停电经济损失大大提升，影响全网供电可靠性，可能无法满足ASAI的要求；若λ取值太小，需要安装大量的三遥配电终端，供电可靠性提升有限的情况下可能导致投资成本超出约束范围；综上所述，安装二遥配电终端的概率λ取值范围为0.2～0.4之间，对于不同的组网模式和λ下，作表如下：
表4不同组网模式下的总费用对比
结合上表可知，在人工蛛网组网模式下，安装二遥配电终端概率最优解在λ＝0.4左右，即二遥配电终端配置数量为4个；在单环形组网模式下，安装二遥配电终端概率最优解在λ＝0.3左右，即二遥配电终端配置数量为3个。
D、对供电区域进行节点重要度排序，确定各供电区域配电终端的安装位置；
所述节点重要度通过对供电区域的结构重要度和负荷重要度进行加权处理求和得到，对节点重要度最高的位置选择安装三遥配电终端，对节点重要度最低的位置选择安装二遥配电终端；
所述节点重要度的计算公式为：
NIi(t)＝α·pi(t)+β·qi；
其中，NIi(t)为节点重要度，pi(t)为负荷重要度，qi为结构重要度，α为负荷重要度权重因子，β为结构重要度权重因子；
所述负荷重要度pi(t)的计算公式为：
其中，为时刻t在节点i和节点j之间流通的传输功率之和，为配电网全部传输功率之和；
所述结构重要度qi的计算公式为：
其中，ci为配电网经过节点i的最短路径数；
为了便于对比不同节点的重要度，将各节点重要度通过下式进行处理：
其中，为归一化的节点重要度，NIi(t)为节点重要度，为所有节点重要度之和。
进行节点重要度的计算，可对该网络拓扑的10个分区计算区域重要度，各分区的重要度如表5所示；
表5 IEEE RBTS-BUS2电网模型分区重要度
如上表5所示，计算得到的区域重要度排序中较为重要的区域一般是交换电能，输送功率的位置，如靠近变电站出线的分区，这些位置若发生故障可能导致全网大规模停电，造成较高的经济损失，所以优先在这些核心区域安装三遥配电终端，而在全网边缘的区域因为不需要承载过多能量交换的工作，在重要度排序位置靠后，一般安装二遥配电终端，其他常规节点按照重要度顺序依次安装三遥配电终端或者二遥配电终端。
如前文所述选择人工蛛网组网类型时，λ＝0.4时，安装二遥配电终端的数目为4，则在{1，5，6，8，2，4}分区安装三遥配电终端，{10，9，3，7}分区安装二遥配电终端；选择环形组网类型时，λ＝0.3时，安装二遥配电终端的数目为3，则在{1，5，6，8，2，4，10}分区安装三遥配电终端，{9，3，7}分区安装二遥配电终端，具体两种组网模式下的安装方案实施如图9所示。
Claims (10)
1.一种配电终端选址选型方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
A、对单个配电终端的运行状态进行分析，利用马尔科夫链理论建立配电终端的运行状态转移模型，并求解配电终端各运行状态下的平稳概率；
B、对配电网不同通信组网模式分别进行通信可靠性的计算；
C、对不同的供电区域，以最高建设成本投入和通信可靠性为约束条件，以配电网差异化建设情况下停电损失成本和建设成本之和最小为优化目标，建立配电终端动态选型模型，确定不同类型配电终端的配置数量；
D、对供电区域进行节点重要度排序，确定各供电区域配电终端的安装位置。
2.根据权利要求1所述的一种配电终端选址选型方法，其特征在于：步骤A中，所述运行状态分析过程包括：对于单个配电终端在计及通信链路失效的情况下，对配电终端二次保护设备和其对应的一次馈线进行运行状态分析，共列举了九种不同的运行状态，其中把二次保护设备和一次馈线均处于正常状态时视为配电终端稳态运行状态，配电终端的九种运行状态分别为：
状态1：一次馈线和配电终端均处于正常工作状态；
状态2：一次馈线被停用，配电终端处于检修状态；
状态3：一次馈线正常，配电终端的拒动失效状态不可自检；
状态4：一次馈线正常，配电终端的拒动失效状态可自检，并报警闭锁；
状态5：配电终端的自检误动失效状态不可检，一次馈线发生误动；
状态6：一次馈线正常，配电终端的误动失效可自检，并报警闭锁；
状态7：一次馈线发生故障，配电终端拒动，故障范围扩大；
状态8：一次馈线正常，配电终端处于通信链路失效状态；
状态9：一次馈线发生故障，配电终端因为链路失效而拒动，故障范围扩大。
3.根据权利要求2所述的一种配电终端选址选型方法，其特征在于：在运行状态分析过程中有如下假设：
假设1：二次保护装置的各种故障不会同时发生；
假设2：运行状态转移过程中只考虑一阶情况；
假设3：当一次馈线处于故障时不会发生保护系统故障；
假设4：所有故障相互独立，保护系统故障与一次馈线故障相互独立。
4.根据权利要求3所述的一种配电终端选址选型方法，其特征在于：对于拥有n种运行状态的配电终端，各运行状态之间的时变概率构成时变概率矩阵P(Δt)：
其中，pij(Δt)是配电终端运行过程中初始状态处于状态i的条件下在Δt期间内转移至状态j的概率，方阵P(Δt)中元素均为非负值，且矩阵P(Δt)中各行元素之和均为1；
若连续时间齐次马尔科夫链具有有限空间I，则其转移密度可构成状态转移密度矩阵A：
其中，I为单位矩阵，A矩阵中各行元素之和均为零，元素qij为从状态i转移到状态j的概率密度，对角线元素为非正数，其余元素Aij≥0；
建立可计算出配电终端各运行状态下平稳概率的模型：
其中，P＝[p1 p2……pn]为配电终端各运行状态下的平稳概率；
求解的矩阵表达形式为：
其中，In为n阶单位矩阵；
结合图2所示的配电终端九状态空间转移图，构建转移矩阵A如下：
其中，Z＝Q+λj+λw+λ1+λx，c′＝1-c，μp为配电终端的修复率，μ1为对应馈线的修复率，μop1为检修人员到维修现场平均时间的倒数，λ1为被保护馈线的故障率，λj为配电终端的拒动概率，λw为配电终端的误动概率，λx为配电终端通信的链路失效概率，C为配电终端的自检成功概率，Q为定期检修间隔时间的倒数，矩阵A中所有配电终端参数将随着配电终端之间的通信网络系统运行历史参数的增加动态变化。
5.根据权利要求1所述的一种配电终端选址选型方法，其特征在于：
步骤B中，所述配电终端包括二遥配电终端与三遥配电终端；
所述三遥配电终端的通信方式为光纤通信方式，通信平台为EPON系统，EPON系统在配电网中的组网模式有星形组网模式、树形组网模式、单环形组网模式、人工蛛网组网模式；
星形组网模式Ga全端可靠性为：
其中，pg为配电终端保持正常运行状态的概率；
树形组网模式Gb全端可靠性为：
单环形组网模式Gc全端可靠性为：
人工蛛网组网模式Gd全端可靠性为：
所述二遥配电终端通信方式以3G技术为基础的无线公用网络，二遥配电终端的组网模式有星形组网模式；
二遥配电终端的星形组网模式Ga全端可靠性为：
6.根据权利要求1所述的一种配电终端选址选型方法，其特征在于：步骤C中，所述配电网停电损失成本Eloss为：
Eloss＝Em+Ew+Ej；
所述通信链路失效损失成本Em为：
Em＝Lmf·(1-RALL)；
其中，Lmf为链路失效检修一次的综合费用，RALL为链路维持正常的概率；
所述一次馈线误动损失成本Ew为：
Ew＝Lwf+Lwt·twPw；
其中，Lwf为一次馈线误动产生的维修成本，Lwt为终端装置在电力系统发生故障时误动单位时间经济损失费用，tw为终端装置在电力系统发生故障后误动恢复时间，Pw为故障后终端装置误动引起停电的负荷量；
所述配电终端拒动损失成本Ej为：
Ej＝Ljf+Ljt·tj·Pj；
其中，Ljf为一次馈线拒动产生的维修成本，Ljt为终端装置在电力系统发生故障时拒动单位时间经济损失费用，tj为终端装置在电力系统发生故障后拒动恢复时间，Pj为故障后终端装置拒动引起停电的负荷量。
7.根据权利要求6所述的一种配电终端选址选型方法，其特征在于：所述tw和tj通过以下方法得到：在考虑上级供电区域安装不同类型配电终端的情况下，分类计算误动故障时间和拒动故障时间，最后相加得到tw和tj。
8.根据权利要求6所述的一种配电终端选址选型方法，其特征在于：步骤C中，所述配电终端建设成本包括配电终端配置成本和通信成本，假设配电网中的配电终端配置有n个，则所需的配电终端配置成本Ccon为：
Con＝n·λ·Pc2+n(1-λ)Pc3；
其中，pc2为二遥配电终端的单位配置成本，pc3为三遥配电终端的单位配置成本，λ为配置二遥配电终端的概率；
所述通信成本来自于链路建设中使用光纤的费用，通过铺设光纤进行组网，产生了光纤建造成本Cgua为：
Cgua＝L·Ps；
其中，L为配电通信组网链路数量，Ps为单位数量链路铺设光纤单价；
所述配电终端建设成本Can为：
Can＝Ccon+Cgua；
所述优化目标CA为：
CA＝Eloss+Can；
确定二遥配电终端的配置数量为nλ个，三遥配电终端的配置数量为n(1-λ)个。
9.根据权利要求1所述的一种配电终端选址选型方法，其特征在于：步骤D中，所述节点重要度通过对供电区域的结构重要度和负荷重要度进行加权处理求和得到，对节点重要度最高的位置选择安装三遥配电终端，对节点重要度最低的位置选择安装二遥配电终端；
所述节点重要度的计算公式为：
NIi(t)＝α·pi(t)+β·qi；
其中，NIi(t)为节点重要度，pi(t)为负荷重要度，qi为结构重要度，α为负荷重要度权重因子，β为结构重要度权重因子；
所述负荷重要度pi(t)的计算公式为：
其中，为时刻t在节点i和节点j之间流通的传输功率之和，为配电网全部传输功率之和；
所述结构重要度qi的计算公式为：
其中，ci为配电网经过节点i的最短路径数。
10.根据权利要求9所述的一种配电终端选址选型方法，其特征在于：为了便于对比不同节点的重要度，将各节点重要度通过下式进行处理：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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