CN111666697B - 基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法及系统 - Google Patents

基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法及系统。首先，本发明基于序贯蒙特卡洛的需按时间顺序进行抽样的思想，提出了用于同步抽样配电网电力设备与分布式电源的两种同步比较标号S和D；其次，利用设定的同步比较标号S和D，对配电设备与分布式电源同步模拟，可以计及某配电系统元件故障时分布式电源可能处于的全部状态变化情况。本发明方法在进行有源配电网的可靠性评估时，使对分布式电源的状态抽样也遵循序贯蒙特卡洛思想，评估过程更贴合实际，减少了人为的设定与干预。

Description

基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法及系统
技术领域
本发明涉及有源配电网的可靠性评估方法，尤其是涉及一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法及系统。
背景技术
近来，分布式电源发展迅速，其多利用可再生、来源广的清洁能源进行发电，缓解了电力发展带来的环境压力。但分布式电源故障率高，出力不稳定的特点，使得有源配电网的可靠性评估过程中需妥善考虑分布式电源的工作状态。
序贯蒙特卡洛法是配电系统可靠性评估的一种常用方法，要求评估过程中对系统中所有的元件按时间顺序抽样。而对于含分布式电源的有源配电网，非电源元件状态按序贯蒙特卡洛法进行抽样模拟，在系统的故障修复时间内，对分布式电源的状态进行抽样，并假定其在整个系统故障时间内的状态不发生变化。这种评估方法忽略了系统故障时间内分布式电源状态发生改变的情况，人为假定其状态不变，对分布式电源的抽样模拟实际上是非序贯蒙特卡洛过程。
在有源配电网的可靠性评估方面，上述对分布式电源的处理使得现有的评估方法并不属于完全序贯蒙特卡洛模拟。因此本发明主要设计一种减少人为设定、贴合实际情况的有源配电网可靠性评估方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法及系统，本发明在进行有源配电网的可靠性评估时，使对分布式电源的状态抽样也遵循序贯蒙特卡洛思想，评估过程更贴合实际，减少了人为的设定与干预。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法，包括如下步骤：
1)将有源配电系统中的分布式电源DG和非电源元件进行可靠性建模；
2)依据步骤1)的可靠性建模，利用序贯蒙特卡洛法模拟各非电源元件的状态持续时间，得到有源配电系统的状态持续时间序列；有源配电系统的状态持续时间包括故障修复时间、无故障工作时间；
3)设计有源配电系统同步比较标号S，依据步骤2)得到的有源配电系统的状态持续时间序列，按序反映有源配电系统各状态的持续时间；
4)设计DG同步比较标号D，依据步骤2)得到的有源配电系统的状态持续时间序列，判断有源配电系统故障修复时间内DG所处的状态或状态变化；
5)依据步骤2)-4)得到的结果，计算有源配电系统的可靠性指标。
在本发明一实施例中，所述步骤1)的可靠性建模，包括建立分布式电源DG的可靠性出力模型和非电源元件的两状态模型。
在本发明一实施例中，所述非电源元件的两状态模型，即非电源元件的正常状态模型和非电源元件的故障状态模型。
在本发明一实施例中，所述步骤2)具体实现如下：
按时间顺序抽样模拟非电源元件的无故障工作时间TTF和故障修复时间TTR：
Figure BDA0002546815480000021
Figure BDA0002546815480000022
其中TTF、TTR分别为有源配电系统非电源元件的无故障工作时间、故障修复时间；λ、μ分别为元件的故障率和修复率；R1、R2为位于区间(0，1)内的随机数；
有源配电系统的失效状态决定于所有元件中正常工作时间最短的元件，元件故障时，有源配电系统失效，其故障修复时间即为有源配电系统的故障修复时间，由于元件可修复，对故障元件再次抽样，更新其无故障工作时间等于原无故障工作时间TTF、故障修复时间TTR与新无故障工作时间TTF’之和，即有TTF＝TTF+TTR+TTF'，重新与其他元件进行比较，模拟出下一次有源配电系统故障的时间，整个过程都按时间顺序推进，直至有源配电系统运行完整个时间跨度；
因此，对非电源元件进行序贯蒙特卡洛模拟可以得到有源配电系统的状态持续时间序列。
在本发明一实施例中，所述步骤3)中的有源配电系统同步比较标号S，是一个随时间更新的数值，反映有源配电系统当前所处状态的持续时间；有源配电系统的状态持续时间序列为无故障工作时间和故障修复时间的相互交替，将S更新为当前有源配电系统所处状态的持续时间。
在本发明一实施例中，所述步骤4)中的DG同步比较标号D为分布式电源各状态持续时间轮流加入的数值和，且以有源配电系统每次状态改变的时刻为新起点，是一个随时间更新的数值和。
在本发明一实施例中，所述步骤5)中有源配电系统的可靠性指标，包括：
Figure BDA0002546815480000031
Figure BDA0002546815480000032
Figure BDA0002546815480000033
Figure BDA0002546815480000034
EENS＝∑UL
其中SAIDI、SAIFI、CAIDI、ASAI、EENS分别为有源配电系统平均停电时间指标、有源配电系统平均停电频率指标、用户平均停电时间指标、平均供电可用率指标和电力不足期望，U为负荷点的年平均停电时间，λL为负荷点的年平均故障次数，n为相应负荷点的用户数，N为有源配电系统的总用户数，L为依赖相应负荷点供电的用户功率。
本发明还提供了一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估系统，包括：
建模模块，用于对将有源配电系统中的分布式电源DG和非电源元件进行可靠性建模；
第一模块，利用序贯蒙特卡洛法模拟各非电源元件的状态持续时间，得到有源配电系统的状态持续时间序列；
第二模块，设计有源配电系统同步比较标号S，根据第一模块得到的有源配电系统的状态持续时间序列，按序反映有源配电系统各状态的持续时间；
第三模块，设计DG同步比较标号D，根据第一模块得到的有源配电系统的状态持续时间序列，判断有源配电系统故障修复时间内DG所处的状态或状态变化；
计算模块，依据第一模块、第二模块、第三模块得到的结果，计算有源配电系统的可靠性指标。
在本发明一实施例中，所述有源配电系统同步比较标号S，是一个随时间更新的数值，反映有源配电系统当前所处状态的持续时间；有源配电系统的状态持续时间序列为无故障工作时间和故障修复时间的相互交替，将S更新为当前有源配电系统所处状态的持续时间。
在本发明一实施例中，所述DG同步比较标号D为分布式电源各状态持续时间轮流加入的数值和，且以有源配电系统每次状态改变的时刻为新起点，是一个随时间更新的数值和。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在进行有源配电网的可靠性评估时，使对分布式电源的状态抽样也遵循序贯蒙特卡洛思想，评估过程更贴合实际，减少了人为的设定与干预。
附图说明
图1为本发明所基于的序贯蒙特卡洛方法下配电系统中元件故障与系统运行状态变化的关系。
图2为本发明系统同步比较标号S变化过程。
图3为本发明DG同步比较标号D变化过程。
图4为实施例实验测试系统。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明提供了一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法，包括如下步骤：
1)将有源配电系统中的分布式电源DG和非电源元件进行可靠性建模；
2)依据步骤1)的可靠性建模，利用序贯蒙特卡洛法模拟各非电源元件的状态持续时间，得到有源配电系统的状态持续时间序列；有源配电系统的状态持续时间包括故障修复时间、无故障工作时间；
3)设计有源配电系统同步比较标号S，依据步骤2)得到的有源配电系统的状态持续时间序列，按序反映有源配电系统各状态的持续时间；
4)设计DG同步比较标号D，依据步骤2)得到的有源配电系统的状态持续时间序列，判断有源配电系统故障修复时间内DG所处的状态或状态变化；
5)依据步骤2)-4)得到的结果，计算有源配电系统的可靠性指标。
本发明还提供了一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估系统，包括：
建模模块，用于对将有源配电系统中的分布式电源DG和非电源元件进行可靠性建模；
第一模块，利用序贯蒙特卡洛法模拟各非电源元件的状态持续时间，得到有源配电系统的状态持续时间序列；
第二模块，设计有源配电系统同步比较标号S，根据第一模块得到的有源配电系统的状态持续时间序列，按序反映有源配电系统各状态的持续时间；
第三模块，设计DG同步比较标号D，根据第一模块得到的有源配电系统的状态持续时间序列，判断有源配电系统故障修复时间内DG所处的状态或状态变化；
计算模块，依据第一模块、第二模块、第三模块得到的结果，计算有源配电系统的可靠性指标。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明的技术方案采用如下步骤：
1)将有源配电系统中的非电源元件和分布式电源(DG)进行可靠性建模；
2)利用序贯蒙特卡洛法模拟各非电源元件的状态持续时间，得到配电系统的状态持续时间序列；
3)设计系统的同步比较标号S，按序反映系统各状态的持续时间；
4)设计DG的同步比较标号D，判断系统故障修复时间内DG所处的状态或状态变化；
5)计算配电系统的可靠性指标。
所述的步骤1)中的有源配电网的可靠性建模分为两部分进行分析。
(1)非电源元件的可靠性建模
将有源配电系统中的非电源元件看作有“正常”和“故障”两种状态，可以建立其可靠性模型为两状态模型。
(2)分布式电源的可靠性出力建模
分布式电源在正常工作状态下的出力情况并不相同。因此，分布式电源的可靠性模型不同于非电源元件，应建立其可靠性出力模型用以模拟DG各时刻的出力功率。
所述的步骤2)中的序贯蒙特卡洛法首先根据非电源元件的两种可靠性参数λ和μ，对各个元件的平均失效时间TTF和平均修复时间TTR进行模拟。
Figure BDA0002546815480000051
Figure BDA0002546815480000052
其中TTF、TTR分别为有源配电系统非电源元件的无故障工作时间、故障修复时间；λ、μ分别为元件的故障率和修复率；R1、R2为位于区间(0，1)内的随机数；
系统的失效状态决定于所有元件中正常工作时间最短的元件，该元件故障时，系统失效，其故障修复时间即为系统的故障修复时间。配电系统中的元件大都是可修复元件，完成修复后可以重新投入系统使用。因此，对该元件再次抽样，更新其无故障工作时间等于原无故障工作时间、故障修复时间与新的无故障工作时间之和，即有TTF＝TTF+TTR+TTF'，重新与其他元件进行比较，模拟出下一次系统故障的时间，整个过程都按时间顺序推进，直至系统运行完整个时间跨度。
因此，对非电源元件进行序贯蒙特卡洛模拟可以得到配电系统的运行状态序列，图1为本发明所基于的序贯蒙特卡洛方法下配电系统中元件故障与系统运行状态变化的关系。
所述的步骤3)中的系统同步比较标号S，如图2所示，实际上是一个随时间更新的数值，反映系统当前所处状态的持续时间。系统的状态运行序列为正常工作过程和故障修复过程的相互交替，将S更新为当前系统所处状态的持续时间。
系统中的非电源元件的无故障工作时间为TTF，修复时间为TTR。系统的第一次故障的故障时间为min(TTF)，故障元件为a，S＝min(TTF)。系统的故障修复时间为TTR(a)，因此，更新系统同步比较标号S＝TTR(a)。当前运行时间为T＝TTF(a)+TTR(a)，系统下一状态的持续时间为min(TTF)－T，因此，更新S＝min(TTF)－T；此后，系统同步比较标号S的更新规律同上。
所述的步骤4)中的DG同步比较标号D为分布式电源各状态持续时间轮流加入的数值和，且以系统每次状态改变的时刻为新起点。
假设分布式电源和系统的初始工作状态均为正常，取m为反映分布式电源状态，m＝0表示分布式电源故障，m＝1为分布式电源正常。分布式电源b的无故障工作时间为TTF(b)，初始时刻分布式电源b的状态正常，故m＝1。令D＝TTF(b)，比较D与S的大小，若D>S，则说明在元件故障修复时间的初始时刻，分布式电源b为正常状态；若D<S，则需轮流生成TTR(b)和新的TTF(b)加入数值D，且轮流赋值m＝0和m＝1用于正确表示分布式电源b的实时状态，直至数值和D大于S。
利用判断标号m来判断元件故障修复时间初始时分布式电源的状态，更新D＝D－S，更新S＝TTR(a)。若D>S，且m＝0，则说明整个元件故障修复时间段内分布式电源均为故障状态，故不需进行孤岛划分，记录受本次故障影响的负荷点的停电情况；若D>S，且m＝1，则说明整个元件故障修复时间段内分布式电源均为无故障工作状态，故需要按照分布式电源的实际出力情况和负荷情况动态确定孤岛划分范围，记录受本次故障影响的负荷点的停电情况。若D<S，且m＝0，则S内分布式电源先故障时间D，再轮流产生TTF(b)和TTR(b)加入D，轮流赋值m＝1和m＝0，其中分布式电源为故障状态时不进行孤岛划分，按照传统评估进行，分布式电源为无故障工作状态时进行孤岛划分，考虑分布式电源对负荷点送电，直至D大于S，记录S内负荷点的停电情况。若D<S，且m＝1，则S内分布式电源先无故障工作时间为D，再轮流产生TTR(b)和TTF(b)加入D，轮流赋值m＝0和m＝1，其中分布式电源为故障状态时不进行孤岛划分，按照传统评估进行，分布式电源为无故障工作状态时进行孤岛划分，考虑分布式电源对负荷点送电，直至D大于S，记录S内负荷点的停电情况。
更新D＝D-S，目的是和系统下一运行持续时间初始时刻相同，得以同步时间轴。记录此刻模拟时间T，更新S＝min(TTF)-T。利用标号m判断分布式电源的状态，比较D和S的大小。若D>S，说明系统无故障工作时间内分布式电源的状态未改变，状态m标号也不变。若D<S，且m＝1，则需轮流生成TTR(b)和新的TTF(b)加入数值D，并轮流对应赋值m＝0和m＝1用于正确表示分布式电源的实时状态，直至数值和D大于S。若D<S，且m＝0，则需轮流生成TTF(b)和新的TTR(b)加入数值D，且轮流对应赋值m＝1和m＝0用于正确表示分布式电源的实时状态，直至数值和D大于S。此后，分布式电源同步比较标号D的更新规则同上所述。
如图3所示，分布式电源运行状态序列中自下向上的双箭头体现了DG同步比较标号D的变化规律。
利用同步比较标号S和D，可使系统和分布式电源运行状态的时间轴同步，并将分布式电源在系统故障修复时间内所有可能的状态变化情况全部考虑在内。
所述步骤5)中的可靠性指标一般采用配电系统的供电可靠性指标SAIFI、SAIDI、CAIDI、ASAI、EENS等。
Figure BDA0002546815480000071
Figure BDA0002546815480000072
Figure BDA0002546815480000073
Figure BDA0002546815480000074
EENS＝∑UL
其中SAIDI、SAIFI、CAIDI、ASAI、EENS分别为系统平均停电时间指标、系统平均停电频率指标、用户平均停电时间指标、平均供电可用率指标和电力不足期望，U为某负荷的年平均停电时间，λL为某负荷点的年平均故障次数，n为该负荷点的用户数，N为系统的总用户数，L为依赖该负荷点供电的用户功率。
本发明的具体实施例：
利用Matlab通过如图4所示的仿真系统，对本发明提出的可靠性评估方法进行了实验验证。实验参数如下表1所示。
表1
Figure BDA0002546815480000075
Figure BDA0002546815480000081
表2为利用本发明一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法对实施例系统的供电可靠性指标进行计算的结果。
表2
SAIDI SAIFI CAIDI ASAI EENS
index 8.6409 2.3513 3.6570 0.9990 45.0416
在实施例中，系统的平均停电时间指标SAIDI为8.64h/年，指系统内用户在一年时间内的平均停电时间为8.64h；系统的平均停电频率指标SAIFI为2.35次/年，指系统内用户在一年时间内的平均停电次数为2次左右，反映系统发生停电事件的频率。实施例中的用户平均停电时间CAIDI为3.66h/年，指系统内受停电影响的用户在一年内的平均停电持续时间为3－4小时。实施例中的供电可靠率指标ASAI为99.90％，指用户经受的不停电小时总数与用户要求的总供电小时总数之比，直观的反映了系统的供电可靠性。实施例中的年平均缺供电量指标EENS为45.04MWh/年，指一年内由于系统设备故障而致用户电力不足的电量为45MWh左右。
评估过程基于序贯蒙特卡洛模拟法，利用本发明设定的两种同步比较标号S和D，对配电设备与分布式电源同步模拟，可以计及某配电系统元件故障时分布式电源可能处于的全部状态变化情况。这种方法在进行有源配电网的可靠性评估时，使对分布式电源的状态抽样也遵循序贯蒙特卡洛思想，评估过程更贴合实际，减少了人为的设定与干预。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将有源配电系统中的分布式电源DG和非电源元件进行可靠性建模；
2)依据步骤1)的可靠性建模，利用序贯蒙特卡洛法模拟各非电源元件的状态持续时间，得到有源配电系统的状态持续时间序列；
3)设计有源配电系统同步比较标号S，依据步骤2)得到的有源配电系统的状态持续时间序列，按序反映有源配电系统各状态的持续时间；
4)设计DG同步比较标号D，依据步骤2)得到的有源配电系统的状态持续时间序列，判断有源配电系统故障修复时间内DG所处的状态或状态变化；
5)依据步骤2)-4)得到的结果，计算有源配电系统的可靠性指标；
所述步骤1)的可靠性建模，包括建立分布式电源DG的可靠性出力模型和非电源元件的两状态模型；
所述步骤2)具体实现如下：
按时间顺序抽样模拟非电源元件的无故障工作时间TTF和故障修复时间TTR：
Figure FDA0003637998720000011
Figure FDA0003637998720000012
其中TTF、TTR分别为有源配电系统非电源元件的无故障工作时间、故障修复时间；λ、μ分别为元件的故障率和修复率；R1、R2为位于区间(0，1)内的随机数；
非电源元件具有可修复性，其修复后更新的无故障工作时间：
TTF＝TTF+TTR+TTF'
TTF’为非电源元件的新无故障工作时间；
通过对所有非电源元件的无故障工作时间进行比较，选取无故障工作时间最短的非电源元件的故障修复时间作为有源配电系统的故障修复时间，直至有源配电系统运行完整个时间跨度，即可得到有源配电系统的状态持续时间序列；
所述步骤5)中有源配电系统的可靠性指标，包括：
Figure FDA0003637998720000013
Figure FDA0003637998720000021
Figure FDA0003637998720000022
Figure FDA0003637998720000023
EENS＝∑UL
其中SAIDI、SAIFI、CAIDI、ASAI、EENS分别为有源配电系统平均停电时间指标、有源配电系统平均停电频率指标、用户平均停电时间指标、平均供电可用率指标和电力不足期望，U为负荷点的年平均停电时间，λL为负荷点的年平均故障次数，n为相应负荷点的用户数，N为有源配电系统的总用户数，L为依赖相应负荷点供电的用户功率。
2.根据权利要求1所述的基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法，其特征在于，所述非电源元件的两状态模型，即非电源元件的正常状态模型和非电源元件的故障状态模型。
3.根据权利要求1所述的基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤3)中的有源配电系统同步比较标号S反映有源配电系统当前所处状态的持续时间，其更新方式为；有源配电系统的状态持续时间序列为无故障工作时间和故障修复时间的相互交替，将S更新为当前有源配电系统所处状态的持续时间。
4.根据权利要求1所述的基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤4)中的DG同步比较标号D为分布式电源各状态持续时间轮流加入的数值和，且以有源配电系统每次状态改变的时刻为新起点，是一个随时间更新的数值和。
5.一种基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估系统，其特征在于，包括：
建模模块，用于对将有源配电系统中的分布式电源DG和非电源元件进行可靠性建模；
第一模块，利用序贯蒙特卡洛法模拟各非电源元件的状态持续时间，得到有源配电系统的状态持续时间序列；
第二模块，设计有源配电系统同步比较标号S，根据第一模块得到的有源配电系统的状态持续时间序列，按序反映有源配电系统各状态的持续时间；
第三模块，设计DG同步比较标号D，根据第一模块得到的有源配电系统的状态持续时间序列，判断有源配电系统故障修复时间内DG所处的状态或状态变化；
计算模块，依据第一模块、第二模块、第三模块得到的结果，计算有源配电系统的可靠性指标；
所述可靠性建模，包括建立分布式电源DG的可靠性出力模型和非电源元件的两状态模型；
所述利用序贯蒙特卡洛法模拟各非电源元件的状态持续时间，得到有源配电系统的状态持续时间序列具体实现如下：
按时间顺序抽样模拟非电源元件的无故障工作时间TTF和故障修复时间TTR：
Figure FDA0003637998720000031
Figure FDA0003637998720000032
其中TTF、TTR分别为有源配电系统非电源元件的无故障工作时间、故障修复时间；λ、μ分别为元件的故障率和修复率；R1、R2为位于区间(0，1)内的随机数；
非电源元件具有可修复性，其修复后更新的无故障工作时间：
TTF＝TTF+TTR+TTF'
TTF’为非电源元件的新无故障工作时间；
通过对所有非电源元件的无故障工作时间进行比较，选取无故障工作时间最短的非电源元件的故障修复时间作为有源配电系统的故障修复时间，直至有源配电系统运行完整个时间跨度，即可得到有源配电系统的状态持续时间序列；
所述有源配电系统的可靠性指标，包括：
Figure FDA0003637998720000033
Figure FDA0003637998720000034
Figure FDA0003637998720000035
Figure FDA0003637998720000036
EENS＝∑UL
其中SAIDI、SAIFI、CAIDI、ASAI、EENS分别为有源配电系统平均停电时间指标、有源配电系统平均停电频率指标、用户平均停电时间指标、平均供电可用率指标和电力不足期望，U为负荷点的年平均停电时间，λL为负荷点的年平均故障次数，n为相应负荷点的用户数，N为有源配电系统的总用户数，L为依赖相应负荷点供电的用户功率。
6.根据权利要求5所述的基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估系统，其特征在于，所述有源配电系统同步比较标号S，是一个随时间更新的数值，反映有源配电系统当前所处状态的持续时间；有源配电系统的状态持续时间序列为无故障工作时间和故障修复时间的相互交替，将S更新为当前有源配电系统所处状态的持续时间。
7.根据权利要求5所述的基于序贯蒙特卡洛法的有源配电网可靠性评估系统，其特征在于，所述DG同步比较标号D为分布式电源各状态持续时间轮流加入的数值和，且以有源配电系统每次状态改变的时刻为新起点，是一个随时间更新的数值和。
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