CN111143764A - 基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法 - Google Patents

基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，包括：(1)收集目标配网的基础数据；(2)选择接线方式，确定开关设备、备用电源等在网络中的分布，确定配网运行方式；(3)生成有向图邻接矩阵，简化配网得到分块矩阵；(4)经过等效处理，厘清分块故障类型和负荷点停运类型，通过逻辑运算形成点块关系矩阵；(5)根据负荷点数学模型和点块关系矩阵，计算各负荷点的停运率和停运时间；(6)根据负荷点的数据，计算配网的系统可靠性指标。本发明基于节点故障扩散理论和分块思想，采用网络连通性分析，通过搜索算法和中间环节数据处理的改进和优化，得到可以有效精确计算配网系统可靠性指标的算法，从而反映配网的可靠性水平。

Description

基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法
技术领域
本发明涉及电力系统可靠性评估技术领域，尤其涉及配网可靠性评估技术领域。
背景技术
在电力公司大力发展泛在物联网的背景下，越来越多的分散式资源接入传统电网，同时，社会的发展带来用电需求的增长，使得配网的结构越来越复杂，规模越来越庞大，作为连接用户的最后一个环节，其可靠性水平对供电质量有着直接而重要的影响。可靠性评估方法主要有模拟法和解析法两大类，蒙特卡罗模拟法是模拟法中的典型算法，它可以模拟配电网实际的运行情况，以抽样统计获得元件的可靠性参数，适用于复杂且庞大的配电网络，但得到的可靠性参数精度不高，运算过程耗时太长。解析法以故障枚举来获得负荷点可靠性数据，采用严格的数学模型和计算公式，概念清晰、模型精度高，但不能反映运行网络实时状态的可靠性水平。解析法的基础是故障模式影响分析法(Failure Mode andEffect Analysis，FMEA)，FMEA法需人工建立故障模式后果表，适用于结构简单的网络，对支路数较多、结构复杂的网络处理困难。为解决可靠性算法中存在的问题和改善算法缺点，目前研究出许多属于解析法这一类的可靠性评估算法，如最小割集法、最小路法、网络等值法、分层评估算法等，虽然在精确度方面没有问题，但存在软件编程复杂、计算时间较长、多模式切换对比困难等缺点，本发明的算法能够有效地解决上述问题，并且能处理开关设备种类多、数量多的网络，具有较强的通用性和工程实用性。
发明内容
本发明的目的是提供一种配网可靠性评估算法，它能够高效地计算结构复杂、规模庞大、开关设备众多的配网负荷点可靠性参数和系统指标，并且通过切换运行模式，获得不同资源配置下的可靠性数据，为技术人员提供更多的参考信息。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，该方法包括以下步骤：
1)收集目标配网的基础数据，对目标配网中的元件进行编号处理，其中基础数据包括各元件的可靠性参数、电气结构数据和物理数据；
2)选择接线方式，确定开关设备、备用电源在目标配网中的分布，确定目标配网运行方式；
3)生成有向图邻接矩阵，按照面向开关设备形成子分块，简化目标配网，根据节点扩散法来得到分块矩阵；
4)经过等效处理，厘清子分块故障类型和负荷点停运类型，通过逻辑运算形成点块关系矩阵；
5)根据负荷点数学模型和点块关系矩阵，计算各负荷点的停运率和停运时间；
6)根据可靠性计算数学模型和负荷点的数据，计算目标配网的系统可靠性指标，以评估目标配网的可靠性。
进一步的，所述步骤1)中的基础数据包括目标配网中的可修复元件的故障率、故障修复时间；不可修复元件故障后更换设备的更换时间、故障停运率和故障停运时间；线路长度，隔离开关操作时间、备用电源的倒闸操作时间、断路器的开闭合时间；负荷点平均负载、负荷点用户数、负荷点的停运率和停运时间。
进一步的，基础数据根据元件编号顺序存储在Excel表格中。
进一步的，所述步骤2)中根据目标配网开关设备的分布、运行潮流方向，画出目标配网节点有向图，用逻辑符号1、0表示有、无相关配置，确定目标配网的运行方式。
进一步的，根据步骤3)中的目标配网节点有向图，生成有向图邻接矩阵，根据节点扩散理论，以开关设备节点为边界，采用深度优先搜索DFS算法和前向搜索算法，确定各开关设备的影响范围，形成若干个子分块的节点集，得到分块矩阵，用子分块代替单个节点进行分析。
进一步的，所述步骤4)中通过子分块j发生故障将对负荷点i产生何种影响来判断子分块j对负荷点i的故障类型/停电类型，故障类型/停电类型的各个种类分别用不同的数字指代，故障类型/停电类型根据故障率以及故障时间的不同进行划分。
进一步的，故障类型/停电类型分为4种，分别用数字1、2、3和4指代，其中1指代故障时间为0，2指代故障时间为隔离开关的倒闸时间，3指代故障时间为倒闸时间加上备用电源点的操作时间，4指代修复或者更换故障元件的时间；
点块关系矩阵C中元素Cij的确定方法为：当负荷点i在分块j中时，Cij＝4；否则，若分块j中有分支线保护时，Cij＝1；否则，若分块j在某断路器的保护范围/影响范围内，负荷点i不在该断路器保护范围，此时Cij＝1；否则，若分块j不在负荷点i到电源点最小路上，此时Cij＝2；否则，若负荷点i有备用电源供电，此时Cij＝3；否则，Cij＝4。
进一步的，所述步骤5)中负荷点数学模型为：
Figure BDA0002321622540000021
其中λi、γi、Ui分别为负荷点i的平均故障率、每次故障的平均停电持续时间、年平均停电持续时间，λs、γs、Us分别为负荷点的平均故障率、每次故障的平均停电持续时间、年平均停电持续时间，n为负荷点数量。
进一步的，所述步骤6)中目标配网的可靠性指标包括系统平均停电频率SAIFI、系统平均停电持续时间SAIDI、系统平均供电可用率ASAI、系统总电量不足指标EENS、用户平均停电持续时间CAIDI、系统平均电量不足指标AENS：
Figure BDA0002321622540000031
Figure BDA0002321622540000032
Figure BDA0002321622540000033
ENNS＝∑LiUi
Figure BDA0002321622540000034
Figure BDA0002321622540000035
其中，Ni为负荷点i的用户数，Li为负荷点i的平均负荷，Ei是负荷点i的负荷电量不足期望值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(一)计算效率高，通用性强，可处理大量开关设备和不同运行方式的复杂配电网络；
(二)逻辑清晰，模型简洁明了，易于编程实现和修改网络参数；
(三)本发明中的节点编号技术、分块矩阵、点块关系矩阵是主要创新点，解决了网络复杂计算量巨大的问题。
附图说明
图1为本方法的步骤流程图。
图2为本方法中点块关系矩阵生成逻辑流程图。
图3为本方法的算例图，是某地区实际的配电网。
具体实施方式
下面结合附图3和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，该方法包括以下步骤：
1)收集整理目标配网的基础数据，包括单个元件的可靠性参数，电气结构数据和物理数据，对元件进行编号处理，用Excel表格记录数据。
基础数据，包括目标配网中的可修复元件的故障率λR，故障修复时间TR，不可修复元件故障后更换设备的更换时间TH，或者把元件的故障状态、计划检修状态合称为停运状态，对应的为停运率λi和停运时间参数γi。元件中的线路还有线路长度li数据，隔离开关操作时间Time_switch，备用电源的倒闸操作时间Time_ups，断路器的开闭合时间看作是0；负荷点的参数有负荷点平均负载Loadi，负荷点用户数N_loadi，负荷点的故障率和故障时间即为停运率和停运时间。
2)选择接线方式，确定开关设备、备用电源等在网络中的分布，确定配网运行方式。用逻辑符号1、0表示有无相关配置，如有无变压器备用、有无分支线保护、有无备用电源等，确定目标配网的运行方式，这样可以将多种运行方式进行对比，以选取最优的运行方案。
3)生成有向图邻接矩阵，按照面向开关设备形成网络子分块，简化配网；根据节点扩散法来得到分块矩阵。按照步骤2)将目标配网转为网络拓扑结构有向图后，生成邻接矩阵，根据节点扩散理论，面向开关设备，采用深度优先搜索算法(Depth First Search，简记为DFS算法)和前向搜索算法，可以确定各开关设备的影响范围(保护范围)，例如断路器、隔离开关、分支线保护等，同时形成各个子分块的节点集，用分块代替单个节点，把节点信息存储在分块矩阵中。
4)经过等效处理，厘清分块故障类型和负荷点停运类型，通过逻辑运算形成点块关系矩阵。经过等效处理，确定分块故障影响和负荷点停运类型，通过逻辑运算形成点块关系矩阵。分块i发生故障将对负荷点j产生何种影响来判断分块i对负荷点j的故障类型(停电类型)，故障类型分为4种(不限于4种)，分别用数字1、2、3、4指代，它们的不同之处主要体现在故障率以及故障时间(停电时间或修复时间)的不同，类型1的故障时间为0，类型2的故障时间为隔离开关的倒闸时间，类型3的故障时间为倒闸时间加上备用电源点的操作时间，类型4为修复或者更换故障元件的时间。
5)根据负荷点模型和点块关系矩阵，把整合后的等效数据代入公式，计算各负荷点的停运率和停运时间。负荷点模型为：
Figure BDA0002321622540000041
其中λi、γi、Ui分别为节点i的平均故障率、每次故障的平均停电持续时间、年平均停电持续时间，λs、γs、Us分别为负荷点的平均故障率、每次故障的平均停电持续时间、年平均停电持续时间。
6)根据网络可靠性模型和负荷点的数据，计算目标配网的系统可靠性指标。
可靠性指标主要有系统平均停电频率(SAIFI)、系统平均停电持续时间(SAIDI)、系统平均供电可用率(ASAI)、系统总电量不足指标(EENS)、用户平均停电持续时间(CAIDI)、系统平均电量不足指标(AENS)。计算公式如下所示：
Figure BDA0002321622540000051
Figure BDA0002321622540000052
ENNS＝∑LiUi
Figure BDA0002321622540000053
其中，Ni为负荷点i的用户数，Li为负荷点i的平均负荷，Ei是负荷点i的负荷电量不足期望值。
本方案中的关键技术要点：
1，网络节点编号，将配网转为网络拓扑信息，以链表方式录入Excel表格中。表格第一列为节点的编号，相当于身份证编码，节点包括实际元件，如线路、开关设备、变压器等，也包括支路连接点、电源点、负荷点等，按照配网潮流方向依次编号。用父节点、子节点来表示节点之间的连接关系：节点A、B为直接相连的两节点，若有功功率从节点A流向B，则称A为B的父节点，B为A的子节点。表格第二列为节点类型，用数字分别表示某一类型的节点，如1表示连接节点，2表示断路器等。第三列为节点名称，按照科学计数法依次命名。根据实际需要，第四列至第N列为节点对应的数据，如线路长度、负荷点负荷、负荷点用户数等。最后一列为该节点的父节点编号。
2，邻接矩阵，链表制作好后，利用计算机读入，根据图论算法生成邻接矩阵Apq以及邻接矩阵的转置矩阵Apq’，为方便节点搜索，还需要B矩阵，令B＝Apq+Apq’.
Figure BDA0002321622540000054
因为配网是辐射状开环运行结构，矩阵A、B中元素0占绝大多数，是高度稀疏矩阵。
3，分块矩阵，以某一线路节点为初始点，利用节点扩散法向四周搜索节点，当遇到开关设备节点时结束搜索，搜索到的节点集合形成一个子分块，分块内的节点对负荷点有着相同的故障影响，因此可以代替单个节点分析，节省了搜索时间，提高了运算效率。设某配电网有m个元件，系统被划分为n块，进行一次搜索的平均时间为t，则可靠性评估需时间m*t，而分块算法需时间n*t，当m比较大时，n＜＜m，因此分块方法可以节省大量时间。
计算分块的等效可靠性参数，设分块j包含K个元件，第k个元件的故障率和平均修复时间为λk、γk，分块等效故障率和等效平均修复时间分别为λj、γj，那么有：
Figure BDA0002321622540000061
Figure BDA0002321622540000062
4，点块关系矩阵，按照分块对负荷点的故障影响，经逻辑运算得到点块关系矩阵C。矩阵中的元素是数字1、2、3、4，分别代表4种故障模式(故障类型)，类型1的故障时间为Time_a＝0，类型2的故障时间Time_b为隔离开关的倒闸时间，类型3的故障时间Time_c为倒闸时间加上备用电源点的操作时间，类型4的故障时间Time_d为修复或者更换发生故障元件的时间。
逻辑判断如下：
当负荷点i在分块j中时，Cij＝4；否则，若分块j中有分支线保护时，Cij＝1；否则，若分块j在某断路器b的保护范围(影响范围)内，负荷点i不在断路器b保护范围，此时Cij＝1；否则，若分块j不在负荷点i到电源点最小路上，即将故障分块j切除后，电源点继续给负荷点i供电，此时Cij＝2；否则，若负荷点i有备用电源AS供电，此时Cij＝3；否则，Cij＝4。
5，计算负荷点可靠性指标，经过上述步骤得到分块等效可靠性参数λj、γj，以及点块关系矩阵Cij，计算负荷点i的平均故障率λi、年平均故障持续时间Ui和每次平均故障时间γi。
Figure BDA0002321622540000063
Figure BDA0002321622540000064
Figure BDA0002321622540000065
6，计算目标配网的系统可靠性指标。如系统平均停电频率(SAIFI)、系统平均停电持续时间(SAIDI)、系统平均供电可用率(ASAI)、系统总电量不足指标(EENS)。
Figure BDA0002321622540000066
Figure BDA0002321622540000067
ENNS＝∑LiUi
其中，Ni为负荷点i的用户数，Li为负荷点i的平均负荷。
为验证本发明的有效性和准确性，利用经典RBTS-Bus2系统来计算可靠性数据，得到的结果与文献完全一致，程序运算时间大概需0.5秒，并对附图3的实例进行运用，所需时间大概为1.2秒。
图3为某地区一实际运行配电网，按照如图1所示的本发明的步骤实施，最终计算出该系统的可靠性指标和负荷点的可靠性数据。该网络是一带有子馈线的复杂中压配电网，包含31段馈线，3个分支线保护，17个变压器，17个负荷点，8个隔离开关，2个断路器，2个备用电源。
1)按步骤1所述，将原始数据输入Excel表格中，对网络节点进行编号和分类。编号为1的节点为电源节点，类型为1，节点名称为N1，其父节点编号为0。断路器有两个，节点类型为2，分别为B1、B2，编号2和68。连接节点类型为1，负荷点也作为节点处理，节点类型为7，其它的依次类推。每个节点有且仅有1个父节点，子节点有1个或者多个。
2)按步骤2所述，选择接线方式，即有无相关配置，1代表有，0代表无。配置里包括变压器是否有备用，是否有隔离开关、断路器、分支线保护等，以及是否有备用电源接入。如接线方式为1010，意味着该网络有隔离开关，无分支线保护，有备用电源，变压器无备用，可充分展示不同配置下配网可靠性指标的变化。本算例的接线方式为1110。
3)按步骤3、4所述，得到该算例的分块矩阵Smn和点块关系矩阵C，S里的元素为节点编号，m为分块数量，n为节点数最多的分块的节点数量值，因为分块内的节点数量有可能相同，也有可能不同，节点数不够的行元素取值0。
该算例的分块矩阵为：
Figure BDA0002321622540000071
该算例的点块关系矩阵为：
Figure BDA0002321622540000072
4)按步骤5所述，得到该算例的负荷点可靠性参数，如表1所示：
表1负荷点可靠性指标
负荷点 λ(次/年) r/h U/h
LP1 1.1055 4.0647 4.4935
LP2 1.1055 4.1341 4.5703
LP3 1.1055 4.8867 5.4022
LP4 1.1693 9.7073 11.3505
LP5 1.1055 7.3329 8.1065
LP6 1.1055 7.3329 8.1065
LP7 1.1055 10.7926 11.9313
LP8 1.1055 10.7926 11.9313
LP9 1.1055 19.5868 21.6533
LP10 1.1693 21.2931 24.8970
LP11 1.1055 19.5868 21.6533
LP12 1.1055 19.5868 21.6533
LP13 1.5328 3.4505 5.2887
LP14 1.5328 7.9574 12.1968
LP15 1.5868 9.7002 15.3918
LP16 1.5328 5.8827 9.0168
LP17 1.5328 5.8827 9.1068
5)按步骤6所述，得到该算例的系统可靠性指标，如表2所示：
表2网络的可靠性指标
可靠性指标 数据结果
SAIFI 1.1783
SAIDI 13.0096
ASAI 0.9985
CAIDI 11.0414
AENS 24.94
程序运行时间 1.273
项目单位依次是：次/(户·年)、h/(户·年)、无、无、h/(户·次)、kW·h/年、kW·h/(户·年)、秒。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)收集目标配网的基础数据，对目标配网中的元件进行编号处理，其中基础数据包括各元件的可靠性参数、电气结构数据和物理数据；
2)选择接线方式，确定开关设备、备用电源在目标配网中的分布，确定目标配网运行方式；
3)生成有向图邻接矩阵，按照面向开关设备形成子分块，简化目标配网，根据节点扩散法来得到分块矩阵；
4)经过等效处理，厘清子分块故障类型和负荷点停运类型，通过逻辑运算形成点块关系矩阵；
5)根据负荷点数学模型和点块关系矩阵，计算各负荷点的停运率和停运时间；
6)根据可靠性计算数学模型和负荷点的数据，计算目标配网的系统可靠性指标，以评估目标配网的可靠性。
2.根据权利要求1所述一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，其特征在于：所述步骤1)中的基础数据包括目标配网中的可修复元件的故障率、故障修复时间；不可修复元件故障后更换设备的更换时间、故障停运率和故障停运时间；线路长度，隔离开关操作时间、备用电源的倒闸操作时间、断路器的开闭合时间；负荷点平均负载、负荷点用户数、负荷点的停运率和停运时间。
3.根据权利要求1所述一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，其特征在于：基础数据根据元件编号顺序存储在Excel表格中。
4.根据权利要求1所述一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，其特征在于：所述步骤2)中根据目标配网开关设备的分布、运行潮流方向，画出目标配网节点有向图，用逻辑符号1、0表示有、无相关配置，确定目标配网的运行方式。
5.根据权利要求4所述一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，其特征在于：根据步骤3)中的目标配网节点有向图，生成有向图邻接矩阵，根据节点扩散理论，以开关设备节点为边界，采用深度优先搜索DFS算法和前向搜索算法，确定各开关设备的影响范围，形成若干个子分块的节点集，得到分块矩阵，用子分块代替单个节点进行分析。
6.根据权利要求5所述一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，其特征在于：所述步骤4)中通过子分块j发生故障将对负荷点i产生何种影响来判断子分块j对负荷点i的故障类型/停电类型，故障类型/停电类型的各个种类分别用不同的数字指代，故障类型/停电类型根据故障率以及故障时间的不同进行划分。
7.根据权利要求6所述一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，其特征在于：故障类型/停电类型分为4种，分别用数字1、2、3和4指代，其中1指代故障时间为0，2指代故障时间为隔离开关的倒闸时间，3指代故障时间为倒闸时间加上备用电源点的操作时间，4指代修复或者更换故障元件的时间；
点块关系矩阵C中元素Cij的确定方法为：当负荷点i在分块j中时，Cij＝4；否则，若分块j中有分支线保护时，Cij＝1；否则，若分块j在某断路器的保护范围/影响范围内，负荷点i不在该断路器保护范围，此时Cij＝1；否则，若分块j不在负荷点i到电源点最小路上，此时Cij＝2；否则，若负荷点i有备用电源供电，此时Cij＝3；否则，Cij＝4。
8.根据权利要求1所述一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，其特征在于：所述步骤5)中负荷点数学模型为：
Figure FDA0002321622530000021
其中λi、γi、Ui分别为负荷点i的平均故障率、每次故障的平均停电持续时间、年平均停电持续时间，λs、γs、Us分别为负荷点的平均故障率、每次故障的平均停电持续时间、年平均停电持续时间，n为负荷点数量。
9.根据权利要求1所述一种基于扩散理论的结构复杂配网可靠性评估方法，其特征在于：所述步骤6)中目标配网的可靠性指标包括系统平均停电频率SAIFI、系统平均停电持续时间SAIDI、系统平均供电可用率ASAI、系统总电量不足指标EENS、用户平均停电持续时间CAIDI、系统平均电量不足指标AENS：
Figure FDA0002321622530000022
Figure FDA0002321622530000023
Figure FDA0002321622530000024
ENNS＝∑LiUi
Figure FDA0002321622530000025
Figure FDA0002321622530000026
其中，Ni为负荷点i的用户数，Li为负荷点i的平均负荷，Ei是负荷点i的负荷电量不足期望值。
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