CN110276532B - 一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法，具体涉及配电网可靠性计算领域，包括以下步骤：S1、网络薄弱环节辨识；S2、配电网的针对性改造升级；S3、配电网络拓扑数据结构设计；S4、基于最小割集算法和虚拟节点模型的可靠性评估。本发明通过提出了馈线域、虚拟节点的概念，通过对配电网开关元件的操作特点实现网络分域并完成对负荷分支的分块处理，确定虚拟节点的位置，从而将整个配电网简化为只有几个开关元件和主馈线等组成的等价简化网络。以简化后的主网作为分析对象，求取割集信息，在虚拟节点的可靠性指标的基础上，去计算各虚拟节点所接的负荷分支指标可以大幅减少分析的工作量，提高可靠性评估的效率。

Description

一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法
技术领域
本发明涉及配电网可靠性计算技术领域，更具体地说，本发明涉及一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法。
背景技术
可靠性是规划、设计、基建、施工、设备选型、生产运行、供电服务等方面的质量和管理水平的综合体现。配电网可靠性评估是配电网合理规划与运行的前提，必须建立合适的可靠性评估模型和指标体系，作为可靠性评估的基础和定量表达。所建立的模型应能反映配电网的拓扑结构、元件状态、运行模式及对用户的失效影响，而指标应是科学地衡量各故障事件的尺度。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的实施例提供一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法，通过提出了馈线域、虚拟节点的概念，通过对配电网开关元件的操作特点实现网络分域并完成对负荷分支的分块处理，确定虚拟节点的位置，从而将整个配电网简化为只有几个开关元件和主馈线等组成的等价简化网络，以简化后的主网作为分析对象，求取割集信息，在虚拟节点的可靠性指标的基础上，去计算各虚拟节点所接的负荷分支指标可以大幅减少分析的工作量，提高可靠性评估的效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法，包括以下步骤：
S1、网络薄弱环节辨识；通过对配电系统可靠性指标进行计算与分析，找出配电网系统中的薄弱环节；
S2、配电网的针对性改造升级；在步骤S1可靠性评估结果的基础上，就配电网中的各个网络薄弱环节进行改造，确定重要负荷用户的可靠性指标，对于平均年停电时间过长和平均复电时间差的线路进行针对性的网络升级，具体改造升级步骤如下：
S2.1、在配电网系统中增设隔离开关，加装供电线路，以馈线区为分析对象，在传统馈线区的定义基础上，定义馈线域，在馈线域内定义负荷分支；
S2.2、在馈线域和负荷分支的基础上，定义虚拟节点为各个馈线域的末端节点，将馈线域内的所有负荷分支合并，作为负荷块处理，并将负荷块接于其所属馈线域的虚拟节点上，此时系统可靠性的分析可以转变为先对虚拟节点处的可靠性进行分析，各个负荷点的可靠性是在虚拟节点可靠性的基础上，串联上本分支线路的可靠性；
S3、配电网络拓扑数据结构设计；基于Pandapower的Pandapower开源库将配电网的图形数据转化成可用于编程分析的数据结构；根据cimtopp模块和loadmerge模块，通过读入配电网CIM模型的.xml文件直接生成pandapower的数据对象，并完成负荷分支的合并功能，实现网络的简化；
S4、基于最小割集算法和虚拟节点模型的可靠性评估：
S4.1、基于最小割集算法的可靠性计算，建立串联和并联两种最简单的模型，找到导致配电网负荷点失效的故障模式；
对于串联系统，任何一个元件故障都会使系统失效，因此系统的故障率和停运时间计算公式如下：
Figure GDA0002820477230000021
Figure GDA0002820477230000022
上式中，λi为元件i的故障率；ri为元件i的修复时间；
对于并联系统，系统中单个元件的故障并不会使系统失效，只有当所有并联支路均因故障无法导通，才会使系统失效，其故障率和停运时间由上述两个公式计算得到：
λs＝∏λiri·(∑1/ri)
Us＝∏λiri
上式中，λi为元件i的故障率；ri为元件i的修复时间；
根据上面给出的串并联系统的计算公式即可得到配电网络节点的可靠性指标，当系统中的负荷点存在二阶割集或三阶割集时，对二阶割集的计划检修进行分析，二阶割集因计划检修导致的故障率λpm和故障时间Upm的计算方式如下：
λpm＝λ"1(λ2r1)+λ"2(λ1r2)
Figure GDA0002820477230000031
其中，λ"1为元件i的检修停运率；r"1为元件i的检修停运时间；
将原本对所有负荷的最小割集求取缩减为对几个虚拟节点的割集求取；
S4.2、基于前推回代的虚拟节点的可靠性分析，包括以下步骤：
按电压等级对网络分级分层处理，将各电压等级的网络分为母线层及馈线层，当待分析的配电网存在不同电压等级的功率交换关系时，可先对配电网各层网络进行单独分析，逐层得到可靠性指标，再根据连接关系进行最后的计算。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S1中，配电网可靠性指标包括负荷侧指标和系统侧指标如下：
(1)负荷侧可靠性指标用于评估系统中各个负荷点的可靠程度，常用的负荷点可靠性指标包括：
1)平均故障停运率λ
负荷点平均故障率停运率是指一定时间内(通常为一年)负荷点停运率的期望值，单位为次/年，各负荷点λ的大小代表该负荷点的可靠程序，λ越大则供电越不可靠；
2)平均年停运时间U
负荷点平均年停运时间是一年内负荷点停运持续时间的期望，单位为h/年；
3)平均停运持续时间r
负荷点平均停运持续时间是负荷点平均每次停运所持续的时间，单位为h/次；在有备用电源、备用元件可以切换的时候，停电时间较短，r值较小，
Figure GDA0002820477230000041
4)平均停运负荷
平均停运负荷是负荷点停运负荷的期望值，当负荷点停运时间为全部失去连续性事件时，L即为负荷点母线的平均负荷，由下式计算得到：L＝Lpf，式中，Lp为负荷点的峰值负荷，f为负荷点的负荷率；
5)平均电量不足指标
负荷点的平均电量不足是指一定时间内(通常为一年)负荷点缺供电量的期望值，计算公式如下：E＝LU；
(2)系统可靠性指标用来描述整个系统的可靠程度，一般可由负荷点的可靠性指标计算得到：
1)系统平均停电频率
它是指每个由系统供电的用户在单位时间内的停电次数，可用一年中用户停电的积累次数除以系统所供的总用户数来估计；
Figure GDA0002820477230000042
式中，λi为负荷点i的平均停运率，Ni为负荷点i的用户数；
2)系统平均停电持续时间
Figure GDA0002820477230000051
式中，Ui为负荷点i的平均停运时间；
3)用户平均停电频率
Figure GDA0002820477230000052
式中，Mi为负荷点i的受故障影响用户数，即故障停电用户数；
4)用户平均停电持续时间
Figure GDA0002820477230000053
5)平均供电可用率
Figure GDA0002820477230000054
ASAI又被称为供电可靠性，通常所说的“几个9”即为该指标的数值；
6)缺供电量
Figure GDA0002820477230000055
在一个优选地实施方式中，所述步骤S2.1中，在传统馈线区的定义基础上，定义馈线域为：具有唯一共同入口开关元件，但是不含该开关的元件集合，即馈线集合，并规定该开关元件必须为可操作自动或手动开关，即开关类型为断路器、隔离开关或负荷开关，不包括具有保护作用但无法操作的熔断器；同时定义入口开关为熔断器的元件集合为负荷分支，另外将入口作为线路，且线路分支上接有负荷的也作为负荷分支考虑。
在一个优选地实施方式中，所述S3中，具体转化步骤包括：
S3.1、Pandapower集成了NetworkX和igraph，根据pandapower中电气元件参数的定义和数据结构设计原则，对配电网络进行节点编号，并将网络对应的节点信息、负荷信息、开关信息、电源点、备用电源点这些网络信息存入数据表中，得到配电网信息等价数据表；
S3.2、在配电网拓扑等价数据表的基础上，通过调用pandapower.from_excel函数即可得到pandapower的数据对象net，然后调用pandapower.topology.create_nxgraph(net)函数，得到网络的拓扑图。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S4.2中，具体的算法流程如下：
S4.2.1、根据步骤S3.1虚拟节点定义和负荷划分方法进行网络重构，以可操作开关元件为搜索条件，确定馈线域、负荷分支，在此基础上按潮流方向，提取馈线域的末端节点设为虚拟节点，并假定负荷块接于虚拟节点上；根据电源点和虚拟节点，只取主馈线及分支馈线的线路和开关元件，舍去负荷块，重构出网络子图；
S4.2.2、计算各部分的可靠性初值：利用最小割集算法求取每个馈线域的中间割集，并按照元件、割集的串并联公式计算出中间割集的可靠性；同理，计算出负荷块中各负荷支路的可靠性；
S4.2.3、更新中间割集的可靠性，判断负荷块中的负荷分支首端是否连有熔断器，若没有需要更新中间割集的可靠性，对于这些支路以串联方式考虑，并记K＝1，否则K＝0，将最后的中间割集可靠性赋给虚拟节点初值；
S4.2.4、前推，修正虚拟节点可靠性：以中间割集首端元件是否为保护元件为判断标准，自下而上，修正虚拟节点的可靠性指标；
S4.2.5、回代，确定虚拟节点可靠性：顺着潮流方向，自上而下，按计算原则确定虚拟节点可靠性指标的最终值；可靠性计算，当K＝0，各负荷块中的负荷分支均以所接虚拟节点可靠性指标的最终值进行求解，以串联系统的公式求解各负荷的可靠性指标；当K≠0，首端非熔断器的负荷分支的可靠性为所接虚拟节点可靠性指标的最终值。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S4.2.4中，修正原则为：根据串联系统可靠性公式，对入口元件和当前馈线域虚拟节点的可靠性进行计算，并将结果作为节点的指标修正值；从当前割集的虚拟节点开始逐级向上修正前方虚拟节点的可靠性，直至前溯到保护元件；故障时间的计算：隔离故障通过开关操作使得部分馈线域恢复供电的过程。
在一个优选地实施方式中，所述步骤S4.2.5中，对回代过程的分析等价于上级电源的故障对下级负荷影响的分析。
本发明的技术效果和优点：
1、本发明通过提出了馈线域、虚拟节点的概念，通过对配电网开关元件的操作特点实现网络分域并完成对负荷分支的分块处理，确定虚拟节点的位置，从而将整个配电网简化为只有几个开关元件和主馈线等组成的等价简化网络。以简化后的主网作为分析对象，求取割集信息，在虚拟节点的可靠性指标的基础上，去计算各虚拟节点所接的负荷分支指标可以大幅减少分析的工作量，提高可靠性评估的效率。
2、此外，本发明还给出了基于pandapower开源库对配电网网络拓扑信息进行转换的流程，可以通过编写和读取pandas数据表获取等价的配电网络元件信息，而且基于编程方法完成了对负荷的分块处理，缩短了传统的基于元件数据编码的网络结构转化过程的时间，同时也为基于图结构分析的最小割集算法提供了支撑。最后，利用基于负荷分块的配电网可靠性评估方法对经典的IEEE RBTS BUS6系统进行了计算和结果对比，验证了本发明方法的正确性。本发明所介绍的基于负荷分块和最小割集算法的可靠性评估技术将是可靠性计算的基础。
附图说明
图1为本发明实施例1的算法整体流程图。
图2为本发明实施例1的配电网可靠性指标分类图。
图3为本发明实施例1的简单辐射型配电网络图。
图4为本发明实施例1的网络划分概念的应用图。
图5为本发明实施例1的负荷分块及虚拟节点概念的应用图。
图6为本发明实施例1的配电网络拓扑数据转换过程。
图7为本发明实施例1的CIM数据转换流程图。
图8为本发明实施例1的简单串联系统和简单并联系统图。
图9为本发明实施例1的简单配电网络图。
图10为本发明实施例1的网络子图。
图11为本发明实施例1的虚拟节点可靠性指标计算示意图。
图12为本发明实施例2的RBTS BUS6系统图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法，包括以下步骤：
S1、网络薄弱环节辨识；
配电系统可靠性指标是衡量系统可靠性的重要标准和依据，是配电系统进行历史的和未来的评价的基础和基本出发点。配电系统可靠性指标的建立必须满足如下基本原则：
(1)可靠性指标需能够反映配电系统及其设备的结构、特性、运行状况以及对用户的影响，并能作为衡量各相关因素的尺度；
(2)可靠性指标需由配电系统运行的历史数据计算得到；
(3)可靠性指标应能由配电系统可靠性算法，从元件数据中计算得来。
按照评估对象的不同，配电网可靠性指标可分为负荷侧指标和系统侧指标，具体见图2。
通过对配电系统可靠性指标进行计算与分析，找出配电网系统中的薄弱环节，配电网可靠性指标包括负荷侧指标和系统侧指标如下：
(1)负荷侧可靠性指标用于评估系统中各个负荷点的可靠程度，常用的负荷点可靠性指标包括：
1)平均故障停运率λ
负荷点平均故障率停运率是指一定时间内(通常为一年)负荷点停运率的期望值，单位为次/年，各负荷点λ的大小代表该负荷点的可靠程序，λ越大则供电越不可靠；
2)平均年停运时间U
负荷点平均年停运时间是一年内负荷点停运持续时间的期望，单位为h/年；
3)平均停运持续时间r
负荷点平均停运持续时间是负荷点平均每次停运所持续的时间，单位为h/次；在有备用电源、备用元件可以切换的时候，停电时间较短，r值较小，
Figure GDA0002820477230000091
4)平均停运负荷
平均停运负荷是负荷点停运负荷的期望值，当负荷点停运时间为全部失去连续性事件时，L即为负荷点母线的平均负荷，由下式计算得到：L＝Lpf，式中，Lp为负荷点的峰值负荷，f为负荷点的负荷率；
5)平均电量不足指标
负荷点的平均电量不足是指一定时间内(通常为一年)负荷点缺供电量的期望值，计算公式如下：E＝LU；
(2)系统可靠性指标用来描述整个系统的可靠程度，一般可由负荷点的可靠性指标计算得到：
1)系统平均停电频率
它是指每个由系统供电的用户在单位时间内的停电次数，可用一年中用户停电的积累次数除以系统所供的总用户数来估计；
Figure GDA0002820477230000101
式中，λi为负荷点i的平均停运率，Ni为负荷点i的用户数；
2)系统平均停电持续时间
Figure GDA0002820477230000102
式中，Ui为负荷点i的平均停运时间；
3)用户平均停电频率
Figure GDA0002820477230000103
式中，Mi为负荷点i的受故障影响用户数，即故障停电用户数；
4)用户平均停电持续时间
Figure GDA0002820477230000111
5)平均供电可用率
Figure GDA0002820477230000112
ASAI又被称为供电可靠性，通常所说的“几个9”即为该指标的数值；
6)缺供电量
Figure GDA0002820477230000113
通过对可靠性指标的计算与分析，可以找出系统中的薄弱环节，从而有针对性地给出提高可靠性的解决方案；
S2、配电网的针对性改造升级；
配电网设备均处于电网的末端，当设备发生故障停运时，虽然影响范围小，一般不会对大电网的稳定造成影响，但会直接造成供电用户的失电，此外配电系统具有元件多、结构繁杂的特点，如何快速准确地进行配电系统可靠性评估已成为十分重要的问题。
图3为典型的配电网络结构，包含的元件有：主馈线段L1、L3、L5、L7、L9、L11；分支馈线段L2、L4、L6、L8、L10、L12；T1、T2、T3、T4、T5、T6为与负荷点相连的配电变压器；主电源为上级变电站的低压母线；馈线首端通过断路器CB与母线相连，作为出线；隔离开关DS1、DS2、DS3、DS4，其中前三个为常闭状态，作为连接各馈线段的分段开关，而馈线末端的DS4为常开状态，作为网络中的联络开关，与备用电源相连；熔断器F1、F2、F3、F4、F5、F6，分别位于分支馈线的首端，当分支线发生故障时可快速断开，以保护其他负荷不受到该线路故障的影响；
在配电网络中，当主馈线段L5发生故障时，由于继电保护的作用，首端的出口断路器CB先跳开，此时整条馈线都得不到电源供应，失去所有负载。接下来将进行故障定位，当确定故障点L5后，通过打开隔离开关DS1和DS2，可以隔离故障。然后重新闭合断路器以恢复对配变T1和T2的供电，同时联络开关DS4闭合，为负荷点3、4提供备用电源。最后，当馈线段L5的故障修复后，再通过对各个开关的操作即可以恢复至故障前的供电状态。但是，假设整条线路只有出口断路器CB和联络开关，则在L5故障时，由于无法隔离故障点，出口断路器CB在故障修复前不能闭合，也无法将故障点后的负载转移至备用电源。由此，可以证明，开关的配置是配电系统可靠性分析过程中的主要考虑因素。
为了进一步分析各元件故障对整个系统的影响，列出网络中的故障状态如下表所示，其中初始动作开关为故障发生瞬间的动作开关，后续动作开关为确定故障点后的动作开关，这里假定熔断器为100％可靠，即不考虑其故障；
故障状态分析表
Figure GDA0002820477230000121
Figure GDA0002820477230000131
由上表可以看出，位于同一开关后的元件故障产生的影响相同，基于这一发现，有学者提出了馈线区的概念：具有共同入口元件的元件集合，入口元件为开关或保护装置，且每一馈线区只包括一个开关或保护装置。当馈线区内的元件故障，同一馈线区内的其他元件也会失电，以馈线区为分析对象，可以达到简化配电系统故障模式分析的目的。根据馈线区的定义，有DS1、L5和L7为同一馈线区，当该馈线区内除入口开关外的元件故障时，具有相同的开关动作方式，故障的影响范围也相同，但是当入口元件DS1故障时，其与L5或L7故障时导致的导致的停电范围是有区别的，因此馈线区无法统一区内故障对区外产生的影响；
在步骤S1可靠性评估结果的基础上，就配电网中的各个网络薄弱环节进行改造，确定重要负荷用户的可靠性指标，对于平均年停电时间过长和平均复电时间差的线路进行针对性的网络升级，具体改造升级步骤如下：
S2.1、在配电网系统中增设隔离开关，加装供电线路，以馈线区为分析对象，在传统馈线区的定义基础上，定义馈线域，在馈线域内定义负荷分支；
综上，本发明在文献[1]给出的传统馈线区的定义基础上，定义馈线域为：具有唯一共同入口开关元件，但是不含该开关的元件集合，即馈线集合，并规定该开关元件必须为可操作自动或手动开关，即开关类型为断路器、隔离开关或负荷开关，不包括具有保护作用但无法操作的熔断器；同时定义入口开关为熔断器的元件集合为负荷分支，另外将入口作为线路，且线路分支上接有负荷的也作为负荷分支考虑，但是遇到这类分支需要对馈线域的可靠性进行修正，具体分析方法将在下一节中给出，按照上述定义，得到馈线分域及负荷分支示意图，如图4所示；
S2.2、在馈线域和负荷分支的基础上，定义虚拟节点为各个馈线域的末端节点，将馈线域内的所有负荷分支合并，作为负荷块处理，并将负荷块接于其所属馈线域的虚拟节点上，由于熔断器的保护作用使得区域内的负荷分支故障不会对外产生影响，所以负荷块内的负荷分支不会互相影响，就相当于并联在虚拟节点处；
这里解释说明负荷分块和虚拟节点设定的原理，以图4为例，已知馈线域1内的L1和L3故障，都将导致负荷分支1和2失电且无法转备用，所以由LP1和LP2组成的负荷块需要接在线路L3和DS1的连接处5(也即虚拟节点处)，才能保证计算得到的虚拟节点处可靠性可以等价为LP1和LP2两者在分支处的可靠性。若接在连接处4上，则缺少对L3故障的考虑。根据本发明给出的对负荷分块方式和虚拟节点的定义，图4系统可以被划分成4个负荷块，同时得到4个虚拟节点，如图5所示，虚拟节点1、2、3、4相当于原来的节点5、12、16、20；
因此系统可靠性的分析可以转变为先对虚拟节点处的可靠性进行分析，各个负荷点的可靠性是在虚拟节点可靠性的基础上，串联上本分支线路的可靠性，通过负荷分块和建立虚拟节点简化待分析网络，加快可靠性的计算速度；
S3、配电网络拓扑数据结构设计；
配电网CIM数据或单线图均无法直接用于可靠性分析，必须将配电网的图形数据转化成可用于编程分析的数据结构。等价配电网络拓扑数据设计方法多为链表方式和数据编码方式两种。前者针对网络的节点类型进行分析，以指针链表的形式存储节点-节点(父-子)和节点-支路的连接关系，形成节点树状链表，反映网络的连接关系。在基于网络简化的可靠性分析过程中，文献[2]根据馈线分区原则，分别就馈线区、负荷和元件构建了三类数据结构，包括编号、编码等字段信息，其中编码方式包含间隔号——标识该馈线区所属的总馈线、层号——标识其属于馈线区的第几层、连接关系——表明该馈线区域上层的连接关系、支路序号和级号等体现各个部分在网络中的位置及关系。因此数据编码方式虽然能完整体现网络拓扑结构，但在编码过程中的工作量是极大的，更适用于简单配电网络的编码，对于复杂配电系统不太实用。综上所述，在大规模配电系统可靠性分析中现有的方法在网络数据转换过程中均比较耗时。因此，本发明借助基于Python的Pandapower开源库实现配电网络拓扑等价数据结构的设计，简化网络的生成过程。
Pandapower是结合了Pandas数据分析库和Pypower功率潮流求解器的一个易于电力系统分析和网络优化的计算程序开源库。其是由卡塞尔大学的能源管理及电力系统运行研究小组和专注于风能及能源技术的弗劳恩霍夫研究所配电系统运行部门联合开发的用于电力系统建模及分析的开源库。Pandapower是基于元件的网络计算工具，为线路、两相变压器、三相变压器、节点-节点开关、节点-线路开关、同步发电机、外部电网连接、直流线路等电力系统模型提供了灵活的数据结构，十分适用于本发明网络拓扑的等价模型转换的功能需求。目前Pandapower已支持复杂电力系统模型的建模、潮流分析、最优潮流分析、状态估计、基于IEC60909的短路计算以及电力网络图中的拓扑搜索等分析功能，并提供了相应的接口；
在Pandapower的数据结构中，任何数据类型的变量均能存储在pandas的数据帧中，电气参数(integer/float)可以和名称(strings)、状态变量(boolean)等存储在一起，而且变量可以通过名称来访问，而不是按矩阵的列数访问。由于所有的信息都存储在pandas的表中，因此所有pandas的内在方法都可以用来访问、查询、遍历、和可视化等。
Pandapower集成了NetworkX，是一个用Python语言开发的图论与复杂网络建模工具，内置了常用的图论算法与复杂网络分析算法，包括深度优先搜索(DepthFirstSearch，DFS)、广度优先搜索(BreadthFirstSearch，BFS)、最短路法、最小生成树法等。利用NetworkX，还可以在原图的基础上，生成nbunch节点的subgraph子图，将原图转换为有向图或无向图。与NetworkX类似，igraph也是一个Python的图对象处理模块，但它有比NetworkX更强大的图处理功能，可以完成顶点和边的中间状态计算，也能实现google’sPageRank等复杂分析。
为了实现快速拓扑搜索和对复杂图形的操作，Pandapower提供了图形转换接口，可以将Pandapower的网络转换成NetworkX的Multigraphs以及igraph的Graph对象，因此，所有的NetworkX算法和igraph中部分面向图形搜索的方法均可用于对Pandapower网络图的分析。
点和边是构成图的组成元素，对于配电网络而言，也可以将其看成由带属性的节点和边组成的图。从上一小节的分析中，已知Pandapower可以将电气参数或其他文本结构的属性一齐存入pandas的数据表中，而且Pandapower拥有强大的拓扑搜索功能和可扩展性，结合后续配电网可靠性评估中的图形分析需求，本发明基于Pandapower完成配电网拓扑的转化；
S3.1、根据pandapower中电气元件参数的定义和数据结构设计原则，对配电网络进行节点编号，并将网络对应的节点信息(编号、名称、电压等级等)、负荷信息(编号、名称、负荷大小等)、开关信息(开关首末节点编号、开关类型、开关状态等)、电源点(编号、额定电压、状态等)、备用电源点(编号、额定电压、状态等)等网络信息存入数据表中，得到配电网信息等价数据表，配电网络拓扑数据转换过程如图6所示；
在配电网拓扑等价数据表的基础上，通过调用pandapower.from_excel函数即可得到pandapower的数据对象net，然后调用pandapower.topology.create_nxgraph(net)函数，得到网络的拓扑图，基于pandapower的配电网拓扑转换过程如图7所示。
S3.2、利用cimtopp模块和loadmerge模块，可以通过读入配电网CIM模型的.xml文件直接生成pandapower的数据对象，并能够完成负荷分支的合并功能，实现网络的简化，其部分转换结果如图6所示；后续对配电网络的可靠性分析就基于pandapower的拓扑等价转换和网络简化上实现。
S4、基于最小割集算法和虚拟节点模型的可靠性评估：
S4.1、基于最小割集算法的可靠性计算，建立串联和并联两种最简单的模型，找到导致配电网负荷点失效的故障模式；
根据系统工程中的割集理论，利用最小割集算法可以找到导致配电网负荷点失效的故障模式；
对于图8所示的串联系统，任何一个元件故障都会使系统失效，因此系统的故障率和停运时间计算公式如下：
Figure GDA0002820477230000171
Figure GDA0002820477230000172
上式中，λi为元件i的故障率；ri为元件i的修复时间；
对于图8所示的并联系统，系统中单个元件的故障并不会使系统失效，只有当所有并联支路均因故障无法导通，才会使系统失效，其故障率和停运时间由上述两个公式计算得到：
λs＝∏λiri·(∑1/ri)
Us＝∏λiri
上式中，λi为元件i的故障率；ri为元件i的修复时间；
在图9所示的简单网络中，节点0到节点3的最小割集为4个二阶割集，每个割集内的元件为并联关系，割集间的连接关系为串联关系，根据上面给出的串并联系统的计算公式即可得到节点3的可靠性指标。当系统中的负荷点存在二阶割集时，还需考虑元件计划检修时对可靠性的影响：既当割集内的一个元件正在进行计划检修，而另一个元件发生故障，导致负荷点失效。同理，对于三阶及以上的割集也会有类似的情况存在，但由于高阶割集引起的故障率极低，通常不予考虑。所以只需对二阶割集的计划检修进行分析就可以满足工程应用的要求，二阶割集因计划检修导致的故障率λpm和故障时间Upm的计算方式如下：
λpm＝λ"1(λ2r1)+λ"2(λ1r2)
Figure GDA0002820477230000181
其中，λ"1为元件i的检修停运率；r"1为元件i的检修停运时间；
通常而言，复杂的配电网络均可以被转化成简单的串并联模型。而且配电网多为闭环设计开环运行，因此对负荷点而言，从电源点到负荷点的通道往往只有一条，一旦通道中的任意元件停运，负荷点就不能连续供电，即通道中的所有元件组成该负荷点的最小割集；
因此，根据最小割集的定义、算法原理以及配电网的运行特点，可以证明馈线域内的负荷可靠性可以等价为虚拟节点处的可靠性串联上负荷分支的可靠性。这样，原本对所有负荷的最小割集求取就可以缩减为对几个虚拟节点的割集求取，又因为配电网络中的开关数量一般远小于负荷数，尤其是在大型配电网中，所以本发明提出的方法可以大大减少计算量。
S4.2、基于前推回代的虚拟节点的可靠性分析
依据配电网络的电压等级、供电路径和联络关系可以对网络进行分级分层处理，将各电压等级的网络分为母线层及馈线层，由于母线出口断路器的存在，当配电网下层故障时可通过开关操作隔离故障，不会对上层网络产生影响；而上层网络故障时，下层会失去电源，因此当待分析的配电网存在不同电压等级的功率交换关系时，可先对配电网各层网络进行单独分析，逐层得到可靠性指标，再根据连接关系进行最后的计算。具体的算法流程如图1所示；
具体的算法流程如下：
S4.2.1、根据步骤S3.1虚拟节点定义和负荷划分方法进行网络重构，以可操作开关元件(断路器CB、隔离开关DS和负荷开关LBS)为搜索条件，确定馈线域、负荷分支，在此基础上按潮流方向，提取馈线域的末端节点设为虚拟节点，并假定负荷块接于虚拟节点上；根据电源点和虚拟节点，只取主馈线及分支馈线的线路和开关元件，舍去负荷块，重构出网络子图，以图3为例，其子图如图10所示：
S4.2.2、计算各部分的可靠性初值：利用最小割集算法求取每个馈线域的中间割集，并按照元件、割集的串并联公式计算出中间割集的可靠性λg、Ug；同理，计算出负荷块中各负荷支路的可靠性λLB、ULB；
S4.2.3、更新中间割集的可靠性，并将更新后的可靠性赋给相应馈线域的虚拟节点λN、UN：当负荷块中存在某负荷分支首端没有熔断器的情况时，则该分支故障时由于缺少保护元件，将引起馈线域前方的开关元件动作，导致负荷块内的其他负荷失电，若此时直接将步骤S4.2.2中的中间割集可靠性赋给虚拟节点，会影响其他负荷点的可靠性计算，因此必须要判断各负荷分支的首端元件，若未接熔断器，则以串联该分支的方式去更新中间割集的可靠性，同时令标记变量K＝1，反之令K＝0；
S4.2.4、前推，修正虚拟节点可靠性：以中间割集首端元件是否为保护元件为判断标准，自下而上，修正虚拟节点的可靠性指标，由前述分析，已知当馈线域前的入口元件非断路器或熔断器(具有保护作用的自动开关)时，该馈线域的故障会导致其逆潮流方向遇到的第一个保护元件动作，使得中间的其他馈线域均失电，这就是设备故障共同模式的影响；但是当该馈线域前的元件为带保护的自动开关时，就可以在故障瞬间隔离故障，不影响前面的电路供电，因此需要从后往前，即逆着潮流方向逐一修正虚拟节点的可靠性，修正原则见表1；
表1虚拟节点可靠性修正原则
Figure GDA0002820477230000201
S4.2.5、回代，确定虚拟节点可靠性λFA、UFA：顺着潮流方向，对于后面的中间割集，若首端为非保护元件，其虚拟节点的可靠性指标取当前割集的可靠性指标终值和前向所有开关和修正前割集(直到首端为保护元件的割集)的指标之和，从而避免重复考虑设备共同模式的影响。这里，结合图10的网络子图，对虚拟节点可靠性的前推回代流程进行具体的分析，其流程如图11所示；可靠性计算，当K＝0，各负荷块中的负荷分支均以所接虚拟节点可靠性指标的最终值进行求解，以串联系统的公式求解各负荷的可靠性指标；当K≠0，首端非熔断器的负荷分支的可靠性为所接虚拟节点可靠性指标的最终值；
假设四个馈线域虚拟节点的故障率和故障时间初值分别为λNi、UNi，从线路末端开始逆着潮流方向修正前方虚拟节点的可靠性，对于馈线域3来说，当馈线域4故障，则馈线域3会失电，但是在经过故障定位和操作开关DS3打开后，馈线域3可以恢复供电，但若DS3故障，则为了隔离故障，DS2将打开，馈线域3失去电源且得等到DS3的故障被修复之后才能恢复供电，因此修正后的虚拟节点3的故障率和故障时间λ’N3、U’N3；
λ’N3＝λN3+λDS3+λN4
U’N3＝UN3+UDS3+λN4S
其中：S为手动开关(隔离开关、联络开关)的操作时间，这里假定所有的手动开关的动作时间均为1h，且当需要操作多个手动开关时，认为各个手动开关之间能够同步动作。因此，在开关同步动作的情况下，故障隔离时间和故障隔离及负荷转移时间均为1h。
对于前推过程的考虑，也就是基于末端故障对前部的影响，涉及的是故障隔离操作。按照前述分析过程，同理地，得到各虚拟节点可靠性如下式：
λ’N2＝λN2+λDS2+λ’N3
U’N2＝UN2+UDS2+λ’N3S
λ’N1＝λN1+λDS1+λ’N2
U’N1＝UN1+UDS1+λ’N2S
在前溯到保护元件后，对该线路的馈线域虚拟节点的可靠性修正过程结束。当所有馈线域的前推过程均结束后，从电源点起，沿着潮流方向向下确定所有虚拟节点的可靠性终值。
实际上对回代过程的分析可等价于上级电源的故障对下级负荷影响的分析，因此需要分两种情况考虑：无备用电源和有备用电源。现在就两种情况分别展开分析：
1)无备用电源
在无备用电源的情况下，顺着潮流方向，在前部的元件或馈线域故障都会导致后方馈线域失电，从而导致馈线域内的负荷也失电，因此可直接将在待计算馈线域前部的元件按串联系统公式计算得到虚拟节点可靠性终值，需要注意的是这里取的前部元件的可靠性指标均为修正前的指标，各虚拟节点可靠性计算公式如下：
λVN1＝λCB+λ’N1
UVN1＝UCB+U’N1
λVN2＝λCB+λN1+λDS1+λ’N2
UVN2＝UCB+UN1+UDS1+U’N2
λVN3＝λCB+λN1+…+λDS2+λ’N3
UVN3＝UCB+UN1+…+UDS2+U’N3
λVN4＝λCB+λN1+…+λDS3+λ’N4
UVN4＝UCB+UN1+…+UDS3+U’N4
不难发现，在同一保护元件入口内的虚拟节点故障率是相同的，而故障时间则由于开关操作存在明显的不同，末端的故障时间要明显高于首端，这符合实际的电网运行情况；
2)有备用电源
在有备用电源的情况下，当前部发生故障时，若存在隔离开关等可以使电路存在明显分隔点的元件，可以通过对这些元件的操作使得后部电路转接至备用电源，从而恢复供电。这里假设备用电源、线路等的容量充足，且满足电能质量约束条件，则有各虚拟节点的停电时间如下列公式，故障率与无备用的情况相同；
UVN1＝UCB+U’N1
UVN2＝(λCB+λN1)S+UDS1+U’N2
UVN3＝(λCB+…+λN2)S+UDS2+U’N3
UVN4＝(λCB+…+λN3)S+UDS3+U’N4
至此，虚拟节点的可靠性计算完毕，各负荷点的可靠性指标可以通过所接虚拟节点与负荷分支的可靠性计算得到。在负荷点可靠性的基础上，可以计算得到馈线域和整个系统的可靠性指标，分析网络中的薄弱环节。
实施例2：
算例分析
为了便于与其他算法的计算结果进行比较，本实施例的算例以常用于可靠性分析的IEEERBTSBUS6系统为基础，系统结构如图12所示。该配电网络含2个电压等级的母线，4条出线，64条馈线段，9个断路器，15个线路分段开关，2个联络开关，40个熔断器，38台配变和40个负荷点。馈线F1、F2、F4含备用电源，其中F1和F2互为备用。可靠性及负荷参数信息参考文献[3]，如图12和以下表2-4所示：
表2馈线段长度
Figure GDA0002820477230000231
表3主要元件可靠性参数
Figure GDA0002820477230000232
Figure GDA0002820477230000241
表注：λ为平均故障率，单位为：次/年，对于线路来说为：次/年·km；r为故障修复时间，单位为：h；rreplace为平均替换时间，单位为：h；λ’为平均故障率，单位为：次/年；r’为故障修复时间，单位为：h。
表4负荷情况
Figure GDA0002820477230000242
按照前述负荷分块和馈线分域下的配电网可靠性计算方法对BUS6系统的各负荷点可靠性和系统可靠性指标进行计算，假定所有故障情况均可满足转供条件。同时为了便于与其他算法进行对比分析，本发明分以下两种情况进行可靠性的分析计算：
情形(1)：按照文献[4]的给定条件，对图10进行改造，认为四条馈线均接在10kV母线上，所有负荷点前均不存在熔断器，并将CB7及其后的两个断路器改为熔断器，可靠性指标及负荷情况均参考该文的给定值，得到计算结果如表5、表6所示；
情形(2)：按本发明给定的可靠性指标及负荷情况，对图10进行分析，并按四条馈线均有备用电源和均无备用电源两种情况计算可靠性指标，结果如表7和表8所示。
比较表5给出的情形(1)的负荷点可靠性计算结果，本发明基于馈线分域、负荷分块的最小割集算法与文献[4]的蒙特卡洛算法计算得到的故障率非常接近，故障时间的分布也基本相同。由表6的系统平均停电时间(SAIDI)也可以看出，当系统存在充足的备用电源时，可以满足转供需求，最大限度地减少受影响区域的停电时间。综上，通过对情形(1)的可靠性分析，可以证明本发明所提算法的有效性和准确性。
表5情形(1)可靠性计算结果
Figure GDA0002820477230000251
Figure GDA0002820477230000261
Figure GDA0002820477230000271
表6情形(1)可靠性计算结果
Figure GDA0002820477230000272
表7情形(2)可靠性计算结果
Figure GDA0002820477230000273
Figure GDA0002820477230000281
Figure GDA0002820477230000291
表8情形(2)系统可靠性指标
Figure GDA0002820477230000292
横向比较表5和表7有备用电源列中，馈线1下的负荷点LP1-LP6的故障率，虽然情形(2)的配电变压器故障率λ＝0.015要比情形(1)所取的故障率0.013要大，但是由于情形(2)中每个负荷分支前均装有熔断器，所以总的故障率要明显低于没有熔断器的情况。分析原因为：负荷点前不配置熔断器时，该负荷分支的故障将使得整个馈线域失电，由于存在不同负荷分支的互相影响，故障率自然会升高。这也说明了合理配置开关能够缩小故障影响范围，减少停电时间，对于系统可靠性来说具有重要作用；
对比表7中有无备用情况下的负荷点故障率和故障时间，可以发现无论系统有无备用电源，负荷的故障率是一样的，而平均故障时间是无备用要明显高于有备用电源的情况。这是因为备用电源只能减少故障情况下系统整体的停电时间，但无法改变故障率，即无法改变负荷的停电次数。
总体来看，本实施例给出的可靠性评估方法已被证明是有效可行的，且能够适用于含备用电源的可靠性分析。从上面给出算例可以看出备用电源的存在可以降低停电时间，而备用电源的容量和转供的约束条件也一定程度地影响着系统的可靠性指标。
本发明引用的文献如下：
【1】赵华.考虑容量及电压约束的配电网可靠性评估前推故障扩散法研究[D]：[硕士学位论文].重庆：重庆大学，2014.
【2】赵洪山，赵航宇.考虑元件故障率变化的配电网可靠性评估[J].电力系统保护与控制，2015，43(11):56-62.
【3】R.N.Allan，R.Billinton，I.Sjarief.A Reliability Test System forEducationalPurposes-basic Distributin System Data and Results[J].IEEETransactions on PowerSystem，1991，6(2)：813-820.
【4】于文鹏，刘东，翁嘉明.含分布式电源的配电网供电恢复模型及改进贪婪算法[J].电力系统自动化.2013(24):23-30.
Y Wenpeng,L Dong,W Jiaming.A Power Restoring Model for DistributionNetwork Containing Distributed Generators and Improved Greedy Algorithm[J].AUTOMATION OF ELECTRIC POWER SYSTEMS.2013(24):23-30.
最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、网络薄弱环节辨识；通过对配电系统可靠性指标进行计算与分析，找出配电网系统中的薄弱环节；
S2、配电网的针对性改造升级；在步骤S1可靠性评估结果的基础上，就配电网中的各个网络薄弱环节进行改造，确定重要负荷用户的可靠性指标，对于平均年停电时间过长和平均复电时间差的线路进行针对性的网络升级，具体改造升级步骤如下：
S2.1、在配电网系统中增设隔离开关，加装供电线路，以馈线区为分析对象，在传统馈线区的定义基础上，定义馈线域，在馈线域内定义负荷分支；
S2.2、在馈线域和负荷分支的基础上，定义虚拟节点为各个馈线域的末端节点，将馈线域内的所有负荷分支合并，作为负荷块处理，并将负荷块接于其所属馈线域的虚拟节点上，此时系统可靠性的分析可以转变为先对虚拟节点处的可靠性进行分析，各个负荷点的可靠性是在虚拟节点可靠性的基础上，串联上本分支线路的可靠性；
S3、配电网络拓扑数据结构设计；基于Pandapower的Pandapower开源库将配电网的图形数据转化成可用于编程分析的数据结构；根据cimtopp模块和loadmerge模块，通过读入配电网CIM模型的.xml文件直接生成pandapower的数据对象，并完成负荷分支的合并功能，实现网络的简化；
S4、基于最小割集算法和虚拟节点模型的可靠性评估：
S4.1、基于最小割集算法的可靠性计算，建立串联和并联两种最简单的模型，找到导致配电网负荷点失效的故障模式；
对于串联系统，任何一个元件故障都会使系统失效，因此系统的故障率和停运时间计算公式如下：
Figure FDA0002820477220000021
Figure FDA0002820477220000022
上式中，λi为元件i的故障率；ri为元件i的修复时间；
对于并联系统，系统中单个元件的故障并不会使系统失效，只有当所有并联支路均因故障无法导通，才会使系统失效，其故障率和停运时间由以下两个公式计算得到：
Figure FDA0002820477220000023
Us＝Πλiri
上式中，λi为元件i的故障率；ri为元件i的修复时间；
根据上面给出的串并联系统的计算公式即可得到配电网络节点的可靠性指标，当系统中的负荷点存在二阶割集或三阶割集时，对二阶割集的计划检修进行分析，二阶割集因计划检修导致的故障率λpm和故障时间Upm的计算方式如下：
Figure FDA0002820477220000024
Figure FDA0002820477220000025
其中，λ"1为元件1的检修停运率；r1"为元件1的检修停运时间；λ"2为元件2的检修停运率；r"2为元件2的检修停运时间；λ1为元件1的故障率；λ2为元件2的故障率；r1为元件1的修复时间；r2为元件2的修复时间；
将原本对所有负荷的最小割集求取缩减为对几个虚拟节点的割集求取；
S4.2、基于前推回代的虚拟节点的可靠性分析，包括以下步骤：
按电压等级对网络分级分层处理，将各电压等级的网络分为母线层及馈线层，当待分析的配电网存在不同电压等级的功率交换关系时，可先对配电网各层网络进行单独分析，逐层得到可靠性指标，再根据连接关系进行最后的计算；
步骤S1中，配电网可靠性指标包括负荷侧指标和系统侧指标如下：
(1)负荷侧可靠性指标用于评估系统中各个负荷点的可靠程度，常用的负荷点可靠性指标包括：
1)平均故障停运率λ
负荷点平均故障率停运率是指一定时间内负荷点停运率的期望值，单位为次/年，各负荷点λ的大小代表该负荷点的可靠程度，λ越大则供电越不可靠；
2)平均年停运时间U
负荷点平均年停运时间是一年内负荷点停运持续时间的期望，单位为h/年；
3)平均停运持续时间r
负荷点平均停运持续时间是负荷点平均每次停运所持续的时间，单位为h/次；在有备用电源、备用元件可以切换的时候，停电时间较短，r值较小，
Figure FDA0002820477220000031
4)平均停运负荷
平均停运负荷是负荷点停运负荷的期望值，当负荷点停运时间为全部失去连续性事件时，L即为负荷点母线的平均负荷，由下式计算得到：L＝Lpf，式中，Lp为负荷点的峰值负荷，f为负荷点的负荷率；
5)平均电量不足指标
负荷点的平均电量不足是指一定时间内负荷点缺供电量的期望值，计算公式如下：E＝LU；
(2)系统可靠性指标用来描述整个系统的可靠程度，一般可由负荷点的可靠性指标计算得到：
1)系统平均停电频率
它是指每个由系统供电的用户在单位时间内的停电次数，可用一年中用户停电的积累次数除以系统所供的总用户数来估计；
Figure FDA0002820477220000041
式中，λi为元件i的故障率，Ni为负荷点i的用户数；
2)系统平均停电持续时间
Figure FDA0002820477220000042
式中，Ui为负荷点i的平均停运时间；
3)用户平均停电频率
Figure FDA0002820477220000043
式中，Mi为负荷点i的受故障影响用户数，即故障停电用户数；
4)用户平均停电持续时间
Figure FDA0002820477220000044
5)平均供电可用率
Figure FDA0002820477220000051
6)缺供电量
Figure FDA0002820477220000052
Li为负荷点i母线的平均负荷；
步骤S2.1中，在传统馈线区的定义基础上，定义馈线域为：具有唯一共同入口开关元件，但是不含该开关的元件集合，即馈线集合，并规定该开关元件必须为可操作自动或手动开关，即开关类型为断路器、隔离开关或负荷开关，不包括具有保护作用但无法操作的熔断器；同时定义入口开关为熔断器的元件集合为负荷分支，另外将入口作为线路，且线路分支上接有负荷的也作为负荷分支考虑；
S3中，具体转化步骤包括：
S3.1、Pandapower集成了NetworkX和igraph，根据pandapower中电气元件参数的定义和数据结构设计原则，对配电网络进行节点编号，并将网络对应的节点信息、负荷信息、开关信息、电源点、备用电源点这些网络信息存入数据表中，得到配电网信息等价数据表；
S3.2、在配电网拓扑等价数据表的基础上，通过调用pandapower.from_excel函数即可得到pandapower的数据对象net，然后调用pandapower.topology.create_nxgraph(net)函数，得到网络的拓扑图。
2.根据权利要求1所述的一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法，其特征在于：所述步骤S4.2中，具体的算法流程如下：
S4.2.1、根据步骤S3.1虚拟节点定义和负荷划分方法进行网络重构，以可操作开关元件为搜索条件，确定馈线域、负荷分支，在此基础上按潮流方向，提取馈线域的末端节点设为虚拟节点，并假定负荷块接于虚拟节点上；根据电源点和虚拟节点，只取主馈线及分支馈线的线路和开关元件，舍去负荷块，重构出网络子图；
S4.2.2、计算各部分的可靠性初值：利用最小割集算法求取每个馈线域的中间割集，并按照元件、割集的串并联公式计算出中间割集的可靠性；同理，计算出负荷块中各负荷支路的可靠性；
S4.2.3、更新中间割集的可靠性，判断负荷块中的负荷分支首端是否连有熔断器，若没有需要更新中间割集的可靠性，对于这些支路以串联方式考虑，并记K＝1，否则K＝0，将最后的中间割集可靠性赋给虚拟节点初值；
S4.2.4、前推，修正虚拟节点可靠性：以中间割集首端元件是否为保护元件为判断标准，自下而上，修正虚拟节点的可靠性指标；
S4.2.5、回代，确定虚拟节点可靠性：顺着潮流方向，自上而下，按计算原则确定虚拟节点可靠性指标的最终值；可靠性计算，当K＝0，各负荷块中的负荷分支均以所接虚拟节点可靠性指标的最终值进行求解，以串联系统的公式求解各负荷的可靠性指标；当K≠0，首端非熔断器的负荷分支的可靠性为所接虚拟节点可靠性指标的最终值。
3.根据权利要求2所述的一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法，其特征在于：所述步骤S4.2.4中，修正原则为：根据串联系统可靠性公式，对入口元件和当前馈线域虚拟节点的可靠性进行计算，并将结果作为节点的指标修正值；从当前割集的虚拟节点开始逐级向上修正前方虚拟节点的可靠性，直至前溯到保护元件；故障时间的计算：隔离故障通过开关操作使得部分馈线域恢复供电的过程。
4.根据权利要求3所述的一种研究基于负荷分块的配电网可靠性计算方法，其特征在于：所述步骤S4.2.5中，对回代过程的分析等价于上级电源的故障对下级负荷影响的分析。
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