CN110994614A - 一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统及设备 - Google Patents

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谢开贵
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李江山
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Abstract

本发明公开了一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统以及设备，本发明包括以下步骤：对背靠背异步联网混合直流输电系统进行子系统划分，得到若干个子系统；采用非时序蒙特卡洛模拟法对每一个子系统进行可靠性评估；根据每一个子系统的可靠性评估结果，基于非时序蒙特卡洛法得到背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性。本发明通过获取背靠背异步联网混合直流输电系统的元件的可靠性参数，并通过对背靠背异步联网混合直流输电系统进行子系统划分，并对子系统基于蒙特卡洛模拟法进行可靠性评估，再进行各个子系统的状态抽样，能够简化且准确地计算出系统的可靠性指标，提高计算效率。

Description

一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统及设备
技术领域
本发明涉及直流输电可靠性评估技术领域，尤其涉及一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统及设备。
背景技术
传统背靠背异步联网直流输电系统是输电线路长度为零的直流输电系统。这种类型的直流输电主要用于两个非同步运行(不同频率或相同频率但非同步)的交流电力系统之间的联网或送电，也称为非同步联络站。背靠背直流输电的整流站设备和逆变站设备通常装设在一个换流站内，也称为背靠背换流站。在背靠背换流站内，整流器和逆变器的直流侧通过平波电抗器相连，构成直流侧的闭环回路；而其交流侧则分别与两端交流系统相连，从而形成两个电力系统的非同步联网。被联交流系统之间交换功率的大小和方向均由控制系统快速方便地进行控制。
背靠背异步联网混合直流输电系统同时采用了传统直流输电和柔性直流输电两种技术，因此，背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性评估方法将参考传统高压直流输电系统和柔性直流输电系统的评估方法。传统高压直流输电系统和柔性直流输电系统的评估方法需要考虑的元件冗杂，运算条件以及计算过程复杂，使得对背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性评估计算效率低下。
综上所述，现有技术中对背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性评估，存在着计算效率低下技术问题。
发明内容
本发明提供了一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统及设备，解决了现有技术中对背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性评估计算效率低下技术问题。
本发明提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法，包括以下步骤：
对背靠背异步联网混合直流输电系统进行子系统划分，得到若干个子系统；
采用非时序蒙特卡洛模拟法对每一个子系统进行可靠性评估；
根据每一个子系统的可靠性评估结果，基于非时序蒙特卡洛法得到背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性。
优选的，将背靠背异步联网混合直流输电系统划分为传统换流变压器子系统、交流滤波器子系统、传统阀组子系统、平波电抗器子系统、柔性换流器子系统以及柔性联接变压器子系统。
优选的，采用非时序蒙特卡洛模拟法对传统换流变压器子系统进行可靠性评估的具体步骤如下：
通过非时序蒙特卡洛模拟法对传统换流变压器子系统中的元件的状态进行抽查，查找出故障事件，得到故障元件的集合；
从故障元件的集合中找出可替换的故障换流变压器的集合，生成可替换的变压器集合的备用启用最优顺序；
按照备用启用最优顺序对故障元件进行替换；
计算经过替换后的故障元件发生故障所对应的阀组的停运容量；
重复上述步骤N次，将停运容量相同的故障事件的概率和频率相加，得到传统换流变压器子系统停运容量百分比的概率和频率，从而得到换流变压器子系统的可靠性指标。
优选的，采用非时序蒙特卡洛模拟法对交流滤波子系统进行可靠性评估的具体步骤如下：
对所有交流滤波子系统的元件的状态进行抽样，得到故障事件；
重复上述步骤N次，记录每个故障事件的停运容量，将状态容量相同的故障事件的概率和频率相加，得到交流滤波子系统各停运容量状态的概率和频率，从而得到交流滤波子系统的可靠性指标。
优选的，采用非时序蒙特卡洛模拟法对柔性单侧子系统进行可靠性评估的计算过程如下：
将柔性单侧子系统单换流侧的联接变压器、换流器、断路器、阻波电抗器、相电抗器、接地电阻串联形成柔性单侧子系统模型；
设柔性单侧子系统模型中有n个元件，并且元件的故障率和修复时间分别为λ1、λ2、λ3…λn和r1、r2、r3…rn，该子系统的串联等效元件的故障率和修复时间分别为λse和rse，则柔性单侧子系统模型的计算公式为：
λse＝λ1+λ2+λ3…+λn
Figure BDA0002339552070000031
计算λse和rse，从而得到柔性单侧子系统的可靠性指标。
优选的，基于非时序蒙特卡洛法得到直流输电系统的可靠性的步骤如下：
将各个子系统等值为多状态元件，并得到各个子系统的可靠性指标，以各个子系统为对象进行蒙特卡洛模拟抽样，得到直流输电系统的可靠性评估结果。
优选的，以各个子系统为对象进行蒙特卡洛模拟抽样的具体过程如下：
对于一个有M个容量状态的子系统，假设其容量状态从小到大依次为{C1,C2,C3,…,CM}，对应的概率依次为{P1,P2,P3,…,PM},假设X表示该子系统的抽样状态，对X生成一个在[0，1]区间服从均匀分布的随机数y，则子系统的状态C满足如下关系:
Figure BDA0002339552070000032
在模拟过程中，将各子系统考虑成等效元件，在得到各个子系统抽样后故障事件对应的容量；
抽样总次数完毕后，记录每个故障事件的系统总容量，合并相同容量状态下的事件，将状态容量相同的事件的概率和频率相加，即可得到直流输电系统可靠性评估结果。
一种直流输电系统的可靠性评估系统，包括子系统划分模块、子系统可靠性评估模块以及输电系统可靠性评估模块；
所述子系统划分模块用于对背靠背异步联网混合直流输电系统进行子系统划分，得到若干个子系统；
所述子系统可靠性评估模块用于采用非时序蒙特卡洛模拟法对每一个子系统进行可靠性评估；
所述输电系统可靠性评估模块用于根据每一个子系统的可靠性评估结果，基于非时序蒙特卡洛法得到背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性。
优选的，所述子系统可靠性评估模块包括传统换流变压器子系统可靠性评估模块、交流滤波器子系统可靠性评估模块、传统阀组子系统可靠性评估模块、平波电抗器子系统可靠性评估模块、柔性换流器子系统可靠性评估模块以及柔性联接变压器子系统可靠性评估模块。
一种直流输电系统的可靠性评估设备，所述设备包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行上述的一种直流输电系统的可靠性评估方法。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明通过获取背靠背异步联网混合直流输电系统的元件的可靠性参数，并通过对背靠背异步联网混合直流输电系统进行子系统划分，并对子系统基于蒙特卡洛模拟法进行可靠性评估，再进行各个子系统的状态抽样，能够简化且准确地计算出系统的可靠性指标，提高计算效率，解决了现有技术中对背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性评估计算效率低下技术问题，在实际应用中具有指导性意义。
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，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统以及设备的方法流程图。
图2为本发明实施例提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统以及设备的系统结构图。
图3为本发明实施例提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统以及设备的设备框架图。
图4为本发明实施例提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统以及设备的背靠背异步联网混合输电系统接线图。
图5为本发明实施例提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统以及设备的背靠背异步联网混合直流输电系统可靠性框图。
图6为本发明实施例提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统以及设备的系统单个事件容量状态的确定图。
图7为本发明实施例提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统以及设备的整流单元可靠性模型图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种直流输电系统的可靠性评估方法、系统以及设备，用于解决现有技术中对背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性评估计算效率低下的技术问题。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。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它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例研究的对象为背靠背异步联网混合直流输电系统，其组成结构与传统背靠背直流输电系统不同。背靠背异步联网混合直流输电系统由并联的两回直流构成，如附图4所示，一回为常规单12脉波单极接线，一回为柔性单换流器接线。各回共用两侧的交流场。各回线路间可以相互独立运行，其中一回线路故障不会影响其他回线路，运行方式较传统双极接线直流输电系统更加灵活。
背靠背异步联网混合直流输电系统主要包括以下几种运行方式：
1)2回运行，一回传统直流与柔性直流完全运行。输电功率为100％容量
2)1回运行，一回传统直流运行而柔性直流停运，或者，单回的传统直流停运，而柔性直流运行。输电功率为50％容量
3)0回运行，传统直流和柔性直流均停运，输送功率为0％容量
4)其他降额运行形式
背靠背异步联网混合直流输电系统同时采用了传统直流输电和柔性直流输电两种技术，因此，背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性评估方法将参考传统高压直流输电系统和柔性直流输电系统的评估方法。
(1)传统高压直流输电系统的可靠性研究现状
高压直流系统可靠性的研究始于本世纪六十年代末期，加拿大的R.Billinton教授在1968年发表有关这方面的第一篇论文，同年，国际大电网会议(CIGRE)也成立了专门工作组，开始对高压直流输电工程进行可靠性统计和分析，经过多年的努力，国外学者在高压直流输电系统可靠性评估方面取得的成就主要有：基于Markov过程原理的频率和持续时间法(FD法)，其将Markov理论和状态空间法应用于直流系统，建立了高压直流输电系统可靠性评估的等效模型，同时对直流系统的容量模型进行探索，而且用于系统可靠性指标的计算及系统的经济性比较；为模拟元件、环境等随机特性的高压直流输电可靠性评估MonteCarlo模拟法；采用结合确定性和概率性的混合方法进行高压直流输电系统可靠性评估以及从核物理领域引进一种新的可靠性分析方法——GO法(GO methodology)，GO法是一种以成功为导向的系统概率分析技术。同时，通过实际运行的工程获得了大量对评估高压直流输电系统可靠性方面的重要统计资料，且从实践中提出了一套比较完整的可靠性指标。这些工作为从理论上对高压直流输电系统可靠性评估进行更深入的研究创造了条件。
国外高压直流输电系统可靠性评估在实际工程中的应用方面，美国GE公司在加拿大的伊尔河工程(Eel River HVDC System)实现了可靠性技术在高压直流输电工程中的早期应用。
当时可靠性技术是被用来确定系统设计中所应考虑的冗余结构、备品备件管理、故障监视报警以及在线检修手段等问题如何得到妥善的解决。它所使用的可靠性技术包括：①系统可靠性预测(评估)，②可靠性指标的目标分解；⑧故障模式及后果分析(FMEA)：④冗余技术等。
我国对高压直流输电系统可靠性的研究开始于80年代初，研究工作针对葛洲坝可靠性指标、计算参数以及可靠性综合分析和决策等开展了较系统的理论研究。虽然我国在这方面的研究起步较晚，但经过科研人员的努力，已取得丰硕的成果，现在：根据Markov过程的基本原理，提出了累积状态之间转移频率和等效转移率等概念以及有关的性质，丰富了可靠性理论，发展了高压直流输电系统可靠性评估的FD法；针对高压直流输电系统可靠性计算参数的不精确性，提出了可靠性评估中参数灵敏度分析的概念和方法；针对直流输电系统在模型组合中存在维数灾难问题，建立了直流系统可靠性评估的多状态容量模型，并推导了容量模型的串并联组合公式；在电力系统运算条件日趋复杂，系统规模日趋庞大的条件下，提出了将Monte Carlo模拟法和解析法相结合的高压直流输电系统可靠性评估新方法；由于直流设备众多，用已有的方法很难考虑到所有的设备，为了克服这个缺点提出了故障树分析方法，进行高压直流输电系统的可靠性评估；此外，还对高压直流输电系统的备用策略、同塔双回直流线路的共同模式故障等问题进行了一定的研究。这些研究成果比国外同一领域的研究前进了一步，对全面评估高压直流输电系统的可靠性水平以及提出有效的增强措施等都具有重要的意义。
(2)柔性直流输电系统简介及其可靠性研究现状
伴随着电力电子器件的发展，基于可关断器件和脉冲宽度调制(PWM)技术的电压源换流器(VSC)开始应用于直流输电，标志着柔性直流输电技术(VSC-HVDC)的诞生。1990年，加拿大McGill大学的Boon-Teck Ooi等人首先提出用脉冲宽度调制(PWM)控制的电压源换流器(VSC)进行直流输电。1997年3月，ABB公司进行了首次VSC-HVDC的工业试验，即瑞典中部的Hellsjon工程(10kV、150A、3MW、10km)。1999年，ABB公司在Gotland岛投入了世界上第一个商业化的柔性直流输电工程(80kV、350A、50MW、70km)。2001年，德国慕尼黑联邦国防大学的Rainer Marquardt提出了模块化多电平电压源换流器(MMC)的概念。2010年11月，世界上第一个基于模块化多电平电压源换流器的柔性直流输电(MMC-HVDC)工程——TransBay Cable工程(±200kV、1000A、400MW、86km)在美国旧金山市投入运行，西门子公司是该工程的换流站设备供应商。
2008年8月，国家电网公司开始开展柔性直流关键技术研究及示范工程实施，并于2011年3月成功试运行了上海南汇风电场柔性直流输电示范工程。该工程是我国首个采用MMC换流器直流输电技术并实现风电并网的工程。2013年，世界上第一个多端VSC-HVDC示范工程——广东南澳±160kV多端VSC-HVDC示范工程正式投入运行；2014年6月，浙江舟山±200kV五端VSC-HVDC示范工程也正式投入运行。这些示范工程标志着我国VSC-HVDC系统已发展到一个崭新的阶段，VSC-HVDC系统将成为电力系统中不可缺少的部分，
鉴于柔性直流输电技术及示范工程的快速发展，开展柔性直流输电工程可靠性评估显得尤为重要。当前，针对VSC-HVDC系统可靠性模型的研究主要基于已有的传统HVDC系统可靠性模型的建立方法，包括：状态枚举法、Markov法等，其主要根据VSC-HVDC系统的功能结构，将其划分为若干个子系统(如换流阀子系统)，对各子系统分别建立两状态(正常或故障状态)模型，然后进行状态合并，进而得到整个VSC-HVDC系统可靠性模型。
上述方法虽然实现简单，且在传统HVDC建模中使用广泛，但VSC-HVDC作为一种柔性输电技术，其运行控制等方面有别于传统HVDC系统，在对其进行可靠性建模时还需考虑以下因素：
目前实际工程的VSC-HVDC虽然为双极接线结构，但大部分不能单极运行，任一极的元件故障都会导致该换流站停运，这一点与传统HVDC的运行方式不同。
相比传统HVDC，VSC-HVDC更适合构成多端输电系统，并已经应用于多个实际工程。多端VSC-HVDC比两端VSC-HVDC具有更高的经济性和灵活性，但是输电系统的控制和运行方式更为复杂。网架拓扑上，可能出现环网式结构。因此，复杂多端VSC-HVDC的可靠性模型的研究需要考虑这些因素。
VSC-HVDC作为一种灵活快捷的输电方式，在风电场并网上有明显的优势，已广泛应用于海上风电场并网。作为风电场接入方式时，需考虑风电场出力间歇性因素，以及风电场出力与VSC-HVDC系统的元件故障具有时序相关性等特点的影响。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法。
本发明提供的一种直流输电系统的可靠性评估方法，包括以下步骤：
对背靠背异步联网混合直流输电系统进行子系统划分，得到若干个子系统；
对直背靠背异步联网混合直流输电系统可靠性评估而言，子系统分析方法是一种简化且精度高的可靠性评估方法，具有以下优点：1)应用子系统方法更易简单、清晰地表达直流输电系统各部分的逻辑关系，为不同运行状态的分析提供方便，结合适当的可靠性计算方法即可进行系统可靠性计算；2)由于直流输电系统元件众多，其高阶事件的概率比重较大，应用子系统方法可有效计及高阶事件；3)子系统方法可以通过各类中间计算结果，分析各子系统对系统可靠性的影响程度，辨识系统薄弱环节。
对于背靠背异步联网混合直流输电系统，子系统的划分可参考传统高压直流输电系统和柔性高压直流输电系统的子系统划分方法，结合背靠背异步联网混合直流输电系统本身运行特点，并按照一次设备与二次设备分开、整流侧与逆变侧分开、正极与负极分开、考虑备用与无备用、柔性直流元件与传统直流元件分开的原则。
采用非时序蒙特卡洛模拟法对每一个子系统进行可靠性评估；
在对整个系统进行可靠性评估时，各个子系统的可靠性计算，是整个系统可靠性评估的基础。
非时序蒙特卡洛模拟法是一种状态抽样法，该方法的依据是：一个子系统的系统状态是所有子系统元件状态的组合，且每一元件的状态可由其正常运行或故障的概率进行抽样来确定。每一元件可用一个在[0，1]区间的服从均匀分布的随机数进行模拟。假设每个元件有故障和正常运行两个状态，且各个元件故障与否相互独立。令xi表示元件i的状态，pi为其故障概率，对元件i生成一个在[0，1]区间服从均匀分布的随机数yi，则元件i的状态满足如下关系:
Figure BDA0002339552070000091
具有M个元件的子系统的系统状态由各个元件的状态组合表示。各个系统状态在抽样中被确定后，需要对该子系统进行分析确定其运行容量，当抽样的数量足够大时，某个系统状态的抽样频率可作为其概率的无偏估计，进而计算得到子系统失效概率、子系统失效频率以及子系统其他可靠性指标。
根据每一个子系统的可靠性评估结果，基于非时序蒙特卡洛法得到背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性。
在得到各个子系统的多状态容量运行表后，根据子系统间的逻辑连接关系，即可实现背靠背混合直流输电系统的可靠性评估。背靠背异步联网混合直流输电系统可靠性框图如附图5所示。
附图5中HVDC代表传统直流，VSC表示柔性直流。在HVDC包含的传统直流子系统框图中，BP2指单侧双极元件，包括交流场和交流滤波器子系统，其故障会导致传统直流和柔性直流进入降额运行状态。CTRL是传统直流的站控；VG指传统直流单侧单个换流单元，它是单个12脉波阀组和其对应的换流变压器、换流阀和换流变压器断路器；BP1指传统直流单极元件，包括单侧单极平波电抗器、极控、辅助电源，它们的故障均会导致该回传统直流停运但不会影响到另一回柔性直流；在VSC包含的柔性直流子系统框图中，CTRL是柔性直流的站控；VG指柔性直流单侧换流单元，其中包括柔性直流换流器、换流变压器、换流变压器断路器和柔性换流器控制。BP1指的是柔性直流单极元件，包括单极平波电抗器、极控、辅助电源、相电抗器，它们的故障均会造成该回柔性直流停运但不影响另一回传统直流。当分别计算出各子系统的可靠性指标后，然后按照附图5可靠性模型进行计算即可得到整个背靠背混合直流输电系统可靠性指标。
在模拟过程中，将各子系统考虑成等效元件，在得到各个子系统抽样事件对应的容量后，通过附图6所示的各子系统的逻辑框图确定各状态的系统容量。
结合附图5、6即可得到各元件或子系统对系统可靠性的影响逻辑。如两侧交流滤波器子系统中交流滤波器故障主要引起降额容量状态、单个12脉波换流阀故障主要引起传统直流一回停运等。抽样总次数完毕后，记录每个故障事件的系统总容量，合并相同容量状态下的事件，将状态容量相同的事件的概率和频率相加，即可得到靠背异步联网混合直流输电系统可靠性评估结果。评估结果如表1—表3所示。
表1系统相关能量可用率指标
系统能量可用率 0.99831
柔性直流能量可用率 0.99862
传统直流能量可用率 0.998
表2系统容量概率表
容量状态 发生概率 发生频率(次/年)
0 3.13012E-05 0.0269808
0.35 5.11981E-12 6.92488E-09
0.375 3.59539E-10 6.00595E-07
0.45 7.19058E-10 1.20114E-06
0.475 1.1585E-07 9.78847E-05
0.5 0.00331433 1.11402
0.85 2.5953E-09 2.69155E-06
0.875 1.82255E-07 0.000246952
0.95 3.64499E-07 0.000493883
0.975 5.87256E-05 0.0310924
1 0.996595 21.7392
注：容量基准为2000MW。
表3系统相关强迫停运率指标
名称 指标(次/年)
柔性直流强迫停运率 0.435217
传统直流强迫停运率 0.647368
作为一个优选的实施例，将背靠背异步联网混合直流输电系统划分为传统换流变压器子系统、交流滤波器子系统、传统阀组子系统、平波电抗器子系统、柔性换流器子系统以及柔性联接变压器子系统。
在本实施例中，各子系统的可靠性元件可靠性参数如表4和表5所示：
表4背靠背混合输电系统可靠性评估中传统直流元件采用的可靠性参数
元件或子系统 故障率(次/年) 修复时间(小时)
换流变压器 0.0212 65.7841
阀组 0.1456 32.0725
母线 0.0123 10.2
断路器 2.78E-03 4.80E+01
平波电抗器 0.05463 4.92
极控 0.07743 2.96
站控 0.000054 1.5
辅助电源 2.63E-07 12
交流滤波器可用率(A型) 0.9272 10.4
交流滤波器可用率(B型) 0.7877 10.5
表5背靠背混合直流输电系统可靠性评估中柔性直流元件采用的可靠性参数
元件或子系统 故障率(次/年) 修复时间(小时)
联接变压器 0.0212 65.7841
阀组 0.0168 27.54
断路器 0.0010 24.00
相电抗器 0.0150 7.02
平波电抗器 0.0106 5.13
极控 0.00053 3.12
站控 0.000061 2.00
母线 0.0123 10.2
作为一个优选的实施例，采用非时序蒙特卡洛模拟法对传统换流变压器子系统进行可靠性评估的具体步骤如下：
传统换流变压器子系统包括传统直流输电系统单侧所有换流变压器、换流变压器断路器及备用换流变压器等。由于传统换流变压器子系统按照12脉波换流阀分组接线单侧整体备用，所以在计算单个换流单元对应换流变压器组可靠性时要以站为单位进行整体状态抽样，然后对换流变压器组、换流变压器断路器和换流阀组等构成的系统运用串联模型即可得到单侧单极单个换流单元的可靠性指标，如图7所示。
设置蒙特卡洛模拟抽样次数N，并设置迭代次数n＝1。
通过非时序蒙特卡洛模拟法对传统换流变压器子系统中的元件的状态进行抽查，查找出故障事件，得到故障元件的集合；查找故障事件时，分别考虑整流侧和逆变侧的故障事件。
从故障元件的集合中找出可替换的故障换流变压器的集合，若备用元件的连接方式和型号与故障元件一样，则该故障元件就是可替换元件，将该故障元件加入可以替换的故障换流变压器的集合中。若一个换流单元有多个换流变压器故障，则必须保证这些故障的换流变压器均有可替换的备用换流变压器时才可添加到可替换变压器集合中；生成可替换的变压器集合的备用启用最优顺序，形成备用启用最优顺序时首先按可替换元件集中各变压器组的元件个数进行排序，换流单元对应换流变压器中包含的可替换元件集的个数越少，替换优先级越高。如果可替换元件的个数一样，再按容量优先级排序，对应阀组容量越大的故障变压器的优先级越高。如果容量也相等，则按等效修复时间排序，修复时间越大的故障变压器优先级越高。如果修复时间也一样，则随机启用备用。
按照备用启用最优顺序对故障元件进行替换；对于替换的变压器，在进行元件的可用率和不可用率计算时，按备用启用最优序列的顺序将故障元件的修复时间用备用安装时间来替换。
计算经过替换后的故障元件发生故障所对应的阀组的停运容量；
重复上述步骤N次，蒙特卡洛法对各等效子系统元件进行状态抽样完毕后，系统的累计失效概率是所有失效事件数之和与总抽样次数的比值。将所有故障事件的转移率相加之后与总抽样次数的比值则得到此系统的频率。
代入表4和表5中的数据进行计算，由于整流侧和逆变侧传统换流变压器子系统采用的元件和可靠性参数相同，所以两侧传统换流变压器的计算结果相同，结果如表6所示。
表6传统换流变压器子系统可靠性计算结果：
容量 概率 频率(次/年)
0 0.000362926 0.0636538
1 0.999637 0.0636538
将停运容量相同的故障事件的概率和频率相加，得到传统换流变压器子系统停运容量百分比的概率和频率，从而得到换流变压器子系统的可靠性指标。
作为一个优选的实施例，采用非时序蒙特卡洛模拟法对交流滤波子系统进行可靠性评估的具体步骤如下：
设置蒙特卡洛模拟抽样次数N，并设置迭代次数n＝1。
对所有交流滤波子系统的元件的状态进行抽样，得到故障事件；首先对所有交流滤波器元件的状态进行抽样得到该子系统的系统状态。对于所有元件均正常运行的事件，输送标幺容量为1.0。对于有故障元件的事件，可根据故障元件等效后的故障交流滤波器的类型和数量来确定容量。
如果有断路器发生故障，则需要分别考虑故障断路器的隔离与修复过程。对于隔离过程，其故障后果与其所连交流滤波器小母线的故障后果一样。对于修复过程，其效果与其所连交流滤波器故障后果相同。因此，可以将断路器的故障等效为小母线或交流滤波器的故障。
断路器故障等效之后，根据主母线、交流滤波器、小母线等元件之间的串并联关系来确定元件故障后的容量。容量的确定通常存在两种情况：一是元件的故障影响容量相加，二是元件故障后果容量“取大”。只有在小母线与其连接的交流滤波器一起故障或存在大母线故障时，故障后果容量才“取大”。
重复上述步骤N次，记录每个故障事件的停运容量，将停运容量相同的故障事件的概率和频率相加，得到交流滤波子系统各停运容量状态的概率和频率，从而得到交流滤波子系统的可靠性指标。
子系统容量状态Ci的概率由下式给出：
Figure BDA0002339552070000141
其中h(Cn＝Ci)表示第n个事件的容量是否为Ci的判断函数，如果Cn＝Ci该函数取1，否则取为0。
子系统容量状态Ci的频率由下式给出：
Figure BDA0002339552070000151
式中，λk是第k个元件从该事件状态离开的转移率。如果第k个元件正常运行，则λk是故障率；如果第k个元件处于停运且无备用，则λk是修复率，如果第k个元件处于停运但是有备用投入，则λk是备用安装率。
最大抽样次数N取为10万次，使用发明内容中上述交流滤波器子系统的可靠性评估方法和表4、表5的元件可靠性参数数据可以评估出整流侧和逆变侧交流滤波子系统的可靠性，结果如表7和表8所示。
表7整流侧交流滤波器子系统可靠性计算结果
容量 概率 频率(次/年)
0 1.43223E-05 0.0124487
0.75 1.82864E-07 0.000245681
0.95 5.89219E-05 0.0305212
1 0.999927 10.3536
表8逆变侧交流滤波器子系统可靠性计算结果
容量 概率 频率(次/年)
0 1.43215e-005 0.0124482
0.7 2.60397e-009 2.67079e-006
0.9 3.65718e-007 0.000491354
1 0.999985 10.4141
作为一个优选的实施例，采用非时序蒙特卡洛模拟法对柔性单侧子系统进行可靠性评估的计算过程如下：
将柔性单侧子系统单换流侧的联接变压器、换流器、断路器、阻波电抗器、相电抗器、接地电阻串联形成柔性单侧子系统模型；
设柔性单侧子系统模型中有n个元件，并且元件的故障率和修复时间分别为λ1、λ2、λ3…λn和r1、r2、r3…rn，该子系统的串联等效元件的故障率和修复时间分别为λse和rse，则柔性单侧子系统模型的计算公式为：
λse＝λ1+λ2+λ3…+λn
Figure BDA0002339552070000161
计算λse和rse，从而得到柔性单侧子系统的可靠性指标。
由于柔性整流侧和逆变侧采用的结构和相应元件的可靠性参数相同，所以柔性整流侧和逆变侧子系统的可靠性计算结果相同，结果如表9所示。
表7柔性单侧子系统可靠性计算结果：
容量 概率 频率(次/年)
0 0.000675731 0.211257
1 0.999324 0.211257
类似地，使用本实施例中求解传统交流滤波器子系统和换流变压器子系统的非时序蒙特卡洛模拟法可以评估出传统高压输电部分中的平波电抗器子系统的可靠性，结果如表8所示。
表8平波电抗器子系统可靠性计算结果：
容量 概率 频率(次/年)
0 6.13624e-05 0.109253
1 0.999939 0.109253
作为一个优选的实施例，基于非时序蒙特卡洛法得到直流输电系统的可靠性的步骤如下：
将各个子系统等值为多状态元件，并得到各个子系统的可靠性指标，以各个子系统为对象进行蒙特卡洛模拟抽样，得到直流输电系统的可靠性评估结果。
作为一个优选的实施例，以各个子系统为对象进行蒙特卡洛模拟抽样的具体过程如下：
对于一个有M个容量状态的子系统，假设其容量状态从小到大依次为{C1,C2,C3,…,CM}，对应的概率依次为{P1,P2,P3,…,PM},假设X表示该子系统的抽样状态，对X生成一个在[0，1]区间服从均匀分布的随机数y，则子系统的状态C满足如下关系:
Figure BDA0002339552070000171
在模拟过程中，将各子系统考虑成等效元件，在得到各个子系统抽样后故障事件对应的容量；
抽样总次数完毕后，记录每个故障事件的系统总容量，合并相同容量状态下的事件，将状态容量相同的事件的概率和频率相加，即可得到直流输电系统可靠性评估结果。
如图2所示，一种直流输电系统的可靠性评估系统，包括子系统划分模块1、子系统可靠性评估模块2以及输电系统可靠性评估模块3；
所述子系统划分模块1用于对背靠背异步联网混合直流输电系统进行子系统划分，得到若干个子系统；
所述子系统可靠性评估模块2用于采用非时序蒙特卡洛模拟法对每一个子系统进行可靠性评估；
所述输电系统可靠性评估模块3用于根据每一个子系统的可靠性评估结果，基于非时序蒙特卡洛法得到背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性。
作为一个优选的实施例，所述子系统可靠性评估模块包括传统换流变压器子系统可靠性评估模块101、交流滤波器子系统可靠性评估模块102、传统阀组子系统可靠性评估模块103、平波电抗器子系统可靠性评估模块104、柔性换流器子系统可靠性评估模块105以及柔性联接变压器子系统可靠性评估模块106。
如图3所示，一种输电导线找形设备30，所述设备包括处理器300以及存储器301；
所述存储器301用于存储程序代码302，并将所述程序代码302传输给所述处理器；
所述处理器300用于根据所述程序代码302中的指令执行上述的一种直流输电系统可靠性评估方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤。
示例性的，所述计算机程序302可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器301中，并由所述处理器300执行，以完成本申请。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序302在所述终端设备30中的执行过程。
所述终端设备30可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器300、存储器301。本领域技术人员可以理解，图3仅仅是终端设备30的示例，并不构成对终端设备30的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器300可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器301可以是所述终端设备30的内部存储单元，例如终端设备30的硬盘或内存。所述存储器301也可以是所述终端设备30的外部存储设备，例如所述终端设备30上配备的插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器301还可以既包括所述终端设备30的内部存储单元也包括外部存储设备。所述存储器301用于存储所述计算机程序以及所述终端设备所需的其他程序和数据。所述存储器301还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种直流输电系统的可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
对背靠背异步联网混合直流输电系统进行子系统划分，得到若干个子系统；
采用非时序蒙特卡洛模拟法对每一个子系统进行可靠性评估；
根据每一个子系统的可靠性评估结果，基于非时序蒙特卡洛法得到背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种直流输电系统的可靠性评估方法，其特征在于，将背靠背异步联网混合直流输电系统划分为传统换流变压器子系统、交流滤波器子系统、传统阀组子系统、平波电抗器子系统、柔性换流器子系统以及柔性联接变压器子系统。
3.根据权利要求2所述的一种直流输电系统的可靠性评估方法，其特征在于，采用非时序蒙特卡洛模拟法对传统换流变压器子系统进行可靠性评估的具体步骤如下：
通过非时序蒙特卡洛模拟法对传统换流变压器子系统中的元件的状态进行抽查，查找出故障事件，得到故障元件的集合；
从故障元件的集合中找出可替换的故障换流变压器的集合，并生成可替换的变压器集合的备用启用最优顺序；
按照备用启用最优顺序对故障元件进行替换；
计算经过替换后的故障元件发生故障时所对应的阀组的停运容量；
重复上述步骤N次，将停运容量相同的故障事件的概率和频率相加，得到传统换流变压器子系统停运容量百分比的概率和频率，从而得到换流变压器子系统的可靠性指标。
4.根据权利要求2所述的一种直流输电系统的可靠性评估方法，其特征在于，采用非时序蒙特卡洛模拟法对交流滤波子系统进行可靠性评估的具体步骤如下：
对所有交流滤波子系统的元件的状态进行抽样，得到故障事件；
重复上述步骤N次，记录每个故障事件的停运容量，将状态容量相同的故障事件的概率和频率相加，得到交流滤波子系统各停运容量状态的概率和频率，从而得到交流滤波子系统的可靠性指标。
5.根据权利要求2所述的一种直流输电系统的可靠性评估方法，其特征在于，采用非时序蒙特卡洛模拟法对柔性单侧子系统进行可靠性评估的计算过程如下：
将柔性单侧子系统单换流侧的联接变压器、换流器、断路器、阻波电抗器、相电抗器、接地电阻串联形成柔性单侧子系统模型；
设柔性单侧子系统模型中有n个元件，并且元件的故障率和修复时间分别为λ1、λ2、λ3…λn和r1、r2、r3…rn，该子系统的串联等效元件的故障率和修复时间分别为λse和rse，则柔性单侧子系统模型的计算公式为：
λse＝λ1+λ2+λ3…+λn
Figure FDA0002339552060000021
计算λse和rse，从而得到柔性单侧子系统的可靠性指标。
6.根据权利要求2所述的一种直流输电系统的可靠性评估方法，其特征在于，基于非时序蒙特卡洛法得到直流输电系统的可靠性的步骤如下：
将各个子系统等值为多状态元件，并得到各个子系统的可靠性指标，对每一个子系统进行非时序蒙特卡洛模拟抽样，得到直流输电系统的可靠性评估结果。
7.根据权利要求6所述的一种直流输电系统的可靠性评估方法，其特征在于，以各个子系统为对象进行蒙特卡洛模拟抽样的具体过程如下：
对于一个有M个容量状态的子系统，假设其容量状态从小到大依次为{C1,C2,C3,…,CM}，对应的概率依次为{P1,P2,P3,…,PM},假设X表示该子系统的抽样状态，对X生成一个在[0，1]区间服从均匀分布的随机数y，则子系统的状态C满足如下关系:
Figure FDA0002339552060000022
在经过N次抽样后，记录每个故障事件的系统总容量，将相同容量状态下的事件合并，将状态容量相同的事件的概率以及频率进行相加，得到直流输电系统可靠性评估结果。
8.一种直流输电系统的可靠性评估系统，其特征在于，包括子系统划分模块、子系统可靠性评估模块以及输电系统可靠性评估模块；
所述子系统划分模块用于对背靠背异步联网混合直流输电系统进行子系统划分，得到若干个子系统；
所述子系统可靠性评估模块用于采用非时序蒙特卡洛模拟法对每一个子系统进行可靠性评估；
所述输电系统可靠性评估模块用于根据每一个子系统的可靠性评估结果，基于非时序蒙特卡洛法得到背靠背异步联网混合直流输电系统的可靠性。
9.根据权利要求8所述的一种直流输电系统的可靠性评估系统，其特征在于，所述子系统可靠性评估模块包括传统换流变压器子系统可靠性评估模块、交流滤波器子系统可靠性评估模块、传统阀组子系统可靠性评估模块、平波电抗器子系统可靠性评估模块、柔性换流器子系统可靠性评估模块以及柔性联接变压器子系统可靠性评估模块。
10.一种直流输电系统的可靠性评估设备，其特征在于，所述设备包括处理器以及存储器；
所述存储器用于存储程序代码，并将所述程序代码传输给所述处理器；
所述处理器用于根据所述程序代码中的指令执行权利要求1-7任一项所述的一种直流输电系统的可靠性评估方法。
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