CN111008358A - 一种电力系统中配电网可靠性快速评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力系统中配电网可靠性快速评估方法，该方法利用配电网拓扑和配电网可靠性之间的数学关系，通过配电网拓扑构建邻接矩阵，并且获得反映矩阵特征的奇异值。利用拓扑之间奇异值计算得出最相近的两种拓扑，根据标准数据库中已知拓扑的可靠性指标即可快速计算得出目标配电网的可靠性指标。本发明方法既避免了大量复杂的数学运算，又能在可靠性分析技术的不断发展中不断完善标准数据库，不断提高本方法所用数据的有效性，因此在实际中能为配电网可靠性分析提供一定的指导意义。

Description

一种电力系统中配电网可靠性快速评估方法

技术领域

本发明涉及配电网可靠性快速评估方法领域，更具体地，涉及一种电力系统中配电网可靠性快速评估方法。

背景技术

配电网位于电力系统的末端，直接向电力用户供应和分配能源。配电网的可靠性包含所有电力用户，保护设备和配电馈线的意外事件。因此，配电网可靠性评估是电力行业的一项重要任务。近年来已经开发了几种方法来评估配电网络的可靠性，这些方法分为分析方法和类比方法。前者主要包括状态空间方法，网络方法和系统状态枚举方法，它们根据系统结构，组件状态和它们之间的逻辑关系来表示系统属性。然而，随着组件的增加，计算负荷呈指数增长，使得计算过程变得相对困难。另一方面，蒙特卡罗方法是后者的典型方法，其通过模拟系统的实际过程和随机行为来估计可靠性，然后可以从大量模拟结果中计算可靠性指标。然而，蒙特卡罗方法的计算精度与计算时间密切相关，例如，它需要消耗很长的时间来获得令人满意的计算精度，其具有较高的时间成本。总之，以上方法的不足之处导致其较难应用于所有场景，这给配电网的可靠性分析带来困难。

近年来，配电网络的拓扑建模引起了许多学者的研究兴趣。有文献提出了一种新的拓扑算法用于远程实时监控配电网络；基于配电网络结构和运行，以及配电网的优化规划，提出了一种结合模糊逻辑的配电网拓扑概念聚类方法。此外，有文献计算了配电网的拓扑特征参数，研究了配电网对随机故障和目标攻击的容忍度，并提出了小世界效应与电网可靠性关系的方法。然而，目前对配电网拓扑结构的研究仍处于初期阶段，尚未开展应用拓扑相似性评估配电网可靠性的研究。

发明内容

本发明提供一种运算量较小的电力系统中配电网可靠性快速评估方法。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种电力系统中配电网可靠性快速评估方法，包括以下步骤：

S1：建立标准拓扑数据库；

S2：利用S1中建立的数据库确定相似性和更新可靠性指标。

进一步地，所述步骤S1中建立的标准拓扑数据库中对于每个确定的节点数 n，对应于标准数据库中的n个节点和n-1个分支拓扑信息，对于标准数据库中的任何拓扑，它包含描述拓扑的邻接矩阵，对应于邻接矩阵的奇异值序列以及分布网络的可靠性指标，该标准拓扑数据库实现穷尽地找到n节点和n-1分支的所有拓扑的奇异值序列。

进一步地，所述步骤S2中确定相似性的过程是：

对于两个奇异值序列，通过方法确定相似性，均方根用rms表示，设定两个奇异序列的值分别为σ_A＝{σ₁，σ₂，…，σ_n}和τ_B＝{τ₁，τ₂，…，τ_m}，然后，计算两个奇异值序列的均方根。

进一步地，所述两个奇异值序列的均方根为：

其中μ_i是相应的权重系数；k是奇异值序列的长度，较大的奇异值可更好地反映拓扑的特征，奇异值的值越大，对相似性的影响越大，μ_i的值越大，具有最小均方根的拓扑被视为最相似的拓扑。

进一步地，所述步骤S2中在获得最相似的拓扑之后，将该新拓扑的可靠性指标视为需要解决的原始拓扑的可靠性指标。

进一步地，所述步骤S2中确定可靠性的过程是：

设定阈值为t*，假设数据库中存在符合筛选条件的m个奇异值序列：Xrms ≤t，然后，将m个奇异值序列的rms值集合记录为

并且可以给出最相似拓扑的rms值：

筛选

的结果被记录为

当偏差太大时，即使满足阈值条件，也应该丢弃均方根。

进一步地，通过二次筛选结果更新可靠性指标

每个 rms值对应于标准数据库中的奇异值序列，奇异值序列对应于邻接矩阵及其可靠性指标。

进一步地，可靠性指数对应于二次筛选结果的均方根定义为 {R′⁽¹⁾，R′⁽²⁾，…，R′^(j)}，R⁽ⁿ⁾是

的可靠性指数，需要解决的配电网可靠性指标的表达式：

进一步地，所述步骤S2中筛选

的标准是：

筛选标准是

进一步地，将标准数据库中的数据代入上述公式(1)计算后即可获得目标配电网的可靠性指标。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明利用配电网拓扑和配电网可靠性之间的数学关系，通过配电网拓扑构建邻接矩阵，并且获得反映矩阵特征的奇异值。利用拓扑之间奇异值计算得出最相近的两种拓扑，根据标准数据库中已知拓扑的可靠性指标即可快速计算得出目标配电网的可靠性指标。本发明方法既避免了大量复杂的数学运算，又能在可靠性分析技术的不断发展中不断完善标准数据库，不断提高本方法所用数据的有效性，因此在实际中能为配电网可靠性分析提供一定的指导意义。

附图说明

图1是所提发明方法的总体执行流程图；

图2是数据库的框架结构；

图3是5-8节点的奇异值穷举结果；

图4是IEEE 33节点分布式网络。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

为解决电力系统中本发明为解决传统配电网可靠性指标计算方法的应用困难，提出了一种基于配电网拓扑相似性分析的可靠性计算方法，本发明方法的实现是基于矩阵的拓扑分析得出，并且能随时更新标准拓扑数据库中的数据，因此能适应于配电网拓扑分析技术的不断发展，具有较大实践指导意义。

本发明提出了一种基于配电网拓扑相似性分析的可靠性计算方法，该方法具有以下步骤：

步骤1：标准拓扑数据库的开发

一个发达的数据库可以提高计算精度，标准数据库框架结构如图2所示。对于每个确定的节点数n，对应于标准数据库中的n个节点和n-1个分支拓扑信息。对于标准数据库中的任何拓扑，它包含描述拓扑的邻接矩阵，对应于邻接矩阵的奇异值序列以及分布网络的可靠性指标。

开发标准数据库的目的是穷尽地找到n节点和n-1分支的所有拓扑的奇异值序列。图3显示了当节点数为5-8时所有拓扑的奇异值序列的详尽结果。

步骤2：相似性确定和可靠性指标更新

对于两个奇异值序列，可以通过均方根(rms)方法确定相似性。设定两个奇异序列的值分别为σ_A＝{σ₁，σ₂，…，σ_n)和τ_B＝{τ₁，τ₂，…，τ_m}。然后，两个奇异值序列的均方根可以给出为

其中μ_i是相应的权重系数；k是奇异值序列的长度。根据奇异值理论，较大的奇异值可以更好地反映拓扑的特征。因此，奇异值的值越大，对相似性的影响越大，μ_i的值越大。在实际计算中，具有最小rms的拓扑被视为最相似的拓扑。

在获得最相似的拓扑之后，可以将该新拓扑的可靠性指标粗略地视为需要解决的原始拓扑的可靠性指标。但是，需要更新可靠性指标以提高结果的准确性。

设定阈值为t*，假设数据库中存在符合筛选条件的m个奇异值序列：Xrms ≤t。然后，将m个奇异值序列的rms值集合记录为

并且可以给出最相似拓扑的rms值：

因此，进一步筛选

的结果被记录为

筛选标准是

换句话说，当偏差太大时，即使满足阈值条件，也应该丢弃均方根。

最后，通过二次筛选结果更新可靠性指标

每个rms值对应于标准数据库中的奇异值序列，奇异值序列对应于邻接矩阵及其可靠性指标。因此，可靠性指数对应于二次筛选结果的均方根可以定义为{R′⁽¹⁾，R′⁽²⁾，…，R′^(j)}， R⁽ⁿ⁾是

的可靠性指数。然后，可以写出需要解决的配电网可靠性指标的表达式

实施例2：

下面的实施例进一步说明了本发明的实际应用优势：

为了评估所提出的算法的计算速度，本节执行三种情况，例如，5节点，9 节点和26节点的分发网络。其他比较算法是：蒙特卡罗方法和失效模式效应分析。对于每种情况，每个算法重复计算100×10次，消耗时间的平均值记录在表1中(单位：s/百次)。

表1使用不同算法计算100次时所使用的时间

如表1所示，算法的计算速度明显快于其他算法，并且随着矩阵阶数的增加，计算量不会显着增加。特别是，对于蒙特卡罗方法，当矩阵阶数超过50时，程序完成操作所需的时间超过30秒，这远大于所提算法的时间。因此，随着配电网络复杂性的增加，所提出的算法在计算速度上的优势更加突出。

实施例3：

本文以IEEE 33节点分布网络为例，实现可靠性分析。平均服务可用性指数(ASAI)用作可靠性指标，IEEE 33节点分布网络如图4所示。根据33节点分布式网络拓扑结构图，选择部分33个节点的数据库信息，提取它的奇异值序列，并将其与IEEE 33节点分布式网络拓扑的奇异值序列进行比较。

为了筛选相似的奇异值序列，需要确定阈值和奇异值序列的长度。对于比较，阈值分别设置为0.01，0.02和0.03。并且奇异值序列的长度分别设置为20，30和 33。然后，满足该条件的奇异值序列的数量示于表2中。

表2不同约束下奇异值序列的数量

如表2所示，如果阈值过于苛刻，则无法从数据库中筛选出满足条件的奇异值序列。并且如果阈值太松，则会获得太多的奇异值序列，这会降低计算精度。而且，如果奇异值序列长度太小，计算精度也会降低。例如，当奇异值序列长度为20时，第2699个奇异值序列具有最小的误差。当奇异值序列长度为30时，奇异值序列的最小误差数为2134.而且，如果奇异值序列长度过大，则计算速度会降低。因此，选择合适的阈值和奇异值序列长度可以提高计算效率和计算精度。

特别地，奇异值序列长度和阈值分别被设置为30和0.021。计算表明满足条件的三个奇异值序列：

and

相应的可靠性指标ASAI为R⁽¹⁾＝99.9950，R′⁽¹⁾＝99.9975andR′⁽²⁾＝99.9954。然后，通过更新可靠性指标，如下：

由以上计算过程可见，本发明方法能快速便捷的完成目标配电网的可靠性指标的计算，且通过本发明方法与其它计算方法的对比可以体现本方法在运算速度上的优势。另外本方法所要求的数据不多，无需获得元件损耗值等不便获取的数据，减少了对其的依赖。最后本方法所使用的标准数据库可以随时更新替换，能更好地适应配电网可靠性指标研究的发展。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：建立标准拓扑数据库；

S2：利用S1中建立的数据库确定相似性和更新可靠性指标。

2.根据权利要求1所述的电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，所述步骤S1中建立的标准拓扑数据库中对于每个确定的节点数n，对应于标准数据库中的n个节点和n-1个分支拓扑信息，对于标准数据库中的任何拓扑，它包含描述拓扑的邻接矩阵，对应于邻接矩阵的奇异值序列以及分布网络的可靠性指标，该标准拓扑数据库实现穷尽地找到n节点和n-1分支的所有拓扑的奇异值序列。

3.根据权利要求2所述的电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，所述步骤S2中确定相似性的过程是：

对于两个奇异值序列，通过方法确定相似性，均方根用rms表示，设定两个奇异序列的值分别为σ_A＝{σ₁，σ₂，…，σ_n}和τ_B＝{τ₁，τ₂，…，τ_m}，然后，计算两个奇异值序列的均方根。

4.根据权利要求3所述的电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，所述两个奇异值序列的均方根为：

其中μ_i是相应的权重系数；k是奇异值序列的长度，较大的奇异值可更好地反映拓扑的特征，奇异值的值越大，对相似性的影响越大，μ_i的值越大，具有最小均方根的拓扑被视为最相似的拓扑。

5.根据权利要求4所述的电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，所述步骤S2中在获得最相似的拓扑之后，将该新拓扑的可靠性指标视为需要解决的原始拓扑的可靠性指标。

6.根据权利要求5所述的电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，所述步骤S2中确定可靠性的过程是：

设定阈值为t*，假设数据库中存在符合筛选条件的m个奇异值序列：Xrms≤t，然后，将m个奇异值序列的rms值集合记录为

并且可以给出最相似拓扑的rms值：

筛选

的结果被记录为

当偏差太大时，即使满足阈值条件，也应该丢弃均方根。

7.根据权利要求6所述的电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，通过二次筛选结果更新可靠性指标

每个rms值对应于标准数据库中的奇异值序列，奇异值序列对应于邻接矩阵及其可靠性指标。

8.根据权利要求7所述的电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，可靠性指数对应于二次筛选结果的均方根定义为{R′⁽¹⁾，R′⁽²⁾，…，R′^(j)}，R⁽ⁿ⁾是

的可靠性指数，需要解决的配电网可靠性指标的表达式：

9.根据权利要求8所述的电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，所述步骤S2中筛选

的标准是：

筛选标准是

10.根据权利要求9所述的电力系统中配电网可靠性快速评估方法，其特征在于，将标准数据库中的数据代入上述公式(1)计算后即可获得目标配电网的可靠性指标。

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