CN111859621A - 基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法；采用DIgSILENT和Matlab作为仿真软件执行以，步骤主要包括确定待评估的城市主、配网的网架接线形式；搭建主网的网架接线型式可靠性仿真拓扑；设置组成元件可靠性仿真参数；计算主网的网架可靠性水平；安等效电源建模；编写配网连接关系矩阵；基于蒙特卡洛方法抽样故障场景；计算每一场景下的可靠性水平；计算并输出城市主、配网的网架的可靠性综合评价结果。本发明的应用填补了现有技术缺乏成熟评估流程、协同主、配网的网架的可靠性评估方法缺失以及计算机辅助可靠性评估技术存在空白等缺陷，更加符合当前电网发展趋势和特点的需要。

Description

基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法

技术领域

本发明涉及电力主配网的网架计算机模拟技术领域，特别涉及基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法。

背景技术

可靠性评估是反映电网规划与运行水平，分析电网供电能力、挖掘薄弱环节的重要工具。随着接入系统的可再生能源机组和灵活性资源增多，不仅使得电网源端、荷端的互动更加频繁、传统的潮流流向和源荷界限更加模糊，而且用户侧负荷需求的不确定性加剧易于造成站点间的负荷平衡能力下降、设备负载率之间的差距增大以及故障情况下的负荷转移能力不足。在此背景下，需研究兼具针对性和操作性的可靠性评估方法并将其应用于现状电网的分析工作中，从而及时消除电网的风险和隐患，为安全可靠供电提供有力保障。

电力系统的可靠性分析方法主要可分为解析法和模拟法两种。解析法和模拟法都各具特点，有各自不同的适用范围。在网络结构相对简单的小规模系统中，当系统的元件以及考虑的故障类型较少时，由于解析法所建立的数学模型相对较精确，分析过程中可以涵盖所有的故障类型且计算结果精度高，因此可以使用解析法来分析小型规模的系统可靠性。在网络结构较复杂的大规模系统中，受限于系统中庞大的元件数量和复杂的故障情况，若继续使用解析法将会大大地增大计算量。模拟法通过随机抽样过程模拟系统中元件和设备的运行状态，通过大量重复试验提取系统运行的一般性规律，结合频率指标计算表征系统的可靠性水平。蒙特卡洛法作为模拟法的典型代表(概率性计算方法)，该计算方法以概率论的大数定律为基础，核心思想在于采用计算机大量采样，并计算不同状态下的可靠性指标，并最终统计得到计算结论。

传统的蒙特卡洛方法多用于配电网可靠性评估，在“源-荷”互动日益频繁、接入要素日益增多、网架型式多样但日趋典型网架接线的电网可靠性评估场合难以适应主网、配网可靠性协同评估的需要。同时，随着电网标准化建设进程不断加快，针对不同主、配网的网架组合的可靠性评估工作具有通用性和指导性，据此可形成适应不同地区发展特征需要的电网规划建设参考性意见。提出行之有效的、协同主网、配网的网架的可靠性评估计算方法具有必要性。

而在实际应用中，较为缺乏协同主网、配网的网架的可靠性评估计算方法。缺乏合理可行的可靠性评估方法，易于造成电网的薄弱环节和潜在风险难以发现、电网改造与优化提升的投资盲目性加大，从而显著影响电网的供电水平和服务能力。基于蒙特卡洛方法的主、配网的网架可靠性协同评估方法能够给出主网、配网的网架接线型式组合下的可靠性水平量化评估结果，为不同区域的新建电网规划和运行、现状网架升级和改造提供有益参考，为最大程度发挥电网投资效益起到辅助性作用。目前，开展协同主、配网的网架可靠性评估方法尚无成熟流程，在主、配网可靠性协同评估计算机辅助方法等方面存在一定的技术瓶颈和应用空白。

因此，基于蒙特卡洛方法，借助计算机工具辅助典型主、配网的网架组合下的可靠性协同评估成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明提供基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法，实现的目的是藉由蒙特卡洛法的框架和思路针对主网和配网的网架组合下的可靠性评估问题，综合考虑电网的网架构建和元件故障的实际情况，用以指导现状电网的升级改造和远景网架的规划布局。

为实现上述目的，本发明公开了基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法；采用DIgSILENT和Matlab作为仿真软件执行以下步骤，具体步骤如下：

步骤1、确定需要评估的城市主网和配网的网架中，所述主网的网架型式和所述配网的网架型式；其中，所述主网的网架型式包括第一类主网和第二类主网；所述配网的网架型式包括链式、环网式和辐射式；

步骤2、在所述仿真软件中按照所述主网的组成元件选用对应的封装模型，按照每一所述组成元件的电气连接关系搭建仿真拓扑，形成仿真模型文件；

步骤3、设置所述仿真拓扑中每一所述组成元件的故障率和可靠性分析参数；

步骤4、结合每一所述组成元件的电气拓扑关系为串联或并联开展所述主网的可靠性计算，获得所述主网的可靠性评估结果；

步骤5、将所述主等效为可靠性评估结果相同的等效电源，并将所述等效电源作为所述配网的可靠性评估输入接口；

步骤6、使用所述Matlab软件，新建函数，打开一个空白的function编程界面，按照所述主网和所述配网的网架编写连接关系矩阵；

步骤7、采用蒙特卡洛方法，利用所述Matlab软件中的随机抽样命令抽样产生多种不同的所述组成元件的故障状态组合；将每一种所述故障状态组合均作为可靠性评估的输入边界，与每一所述组成元件的不可用率进行比较，得到网架状态矩阵；在进行比较时，所述主网的连接点和网络按照步骤5中的所述等效电源进行代替；

步骤8、在各种不同的所述故障状态组合下，按照所述组成元件的状态组合与电气拓扑连接，分析故障发生后的所述配网的停电情况；具体分析方法如下：

对于步骤6中的所述网架连接关系矩阵，将故障发生所在处的节点连接关系元素修正为0，并通过判断连通性，将所有的联络开关闭合；若没有联络开关联通，则调用孤岛程序，判断所述配网形成孤岛；

步骤9、采用直流潮流法判断网架故障重构后的线路过载情况与孤岛判定；

若线路过载或孤岛中无电源，则记录当前状态下的损失负荷量，若不过载或孤岛中电源可持续运行为负荷供电，则该种网架结构不会切除负荷；

步骤10、按照步骤7中抽样所得的多种不同的所述组成元件的故障状态组合，重复步骤8的计算过程，记录每一所述所述组成元件的故障状态组合下的损失负荷量；

按照式(3)计算平均供电可用度指标，将其作为当前所述主网和所述配网的网架组合场景下的可靠性综合评估指标：

式中，用户需要供电小时数按8760小时计算，用户用电小时数按8760减去用户停电期望小时数计算；用户停电期望小时数按照下式计算：

步骤11、得到需要评估的所述城市的所述主网和所述配网的网架可靠性综合评估结果。

优选的，步骤1中，所述第一类主网的网架结构采取双母线双分段接线的中心站，母线电源进线为四回路，来自两座不同的上级电源点；所述第二类主网的网架结构为采取环网，多个变电站构成环网，通过多回线路与其他变电站联络。

优选的，步骤2中，所述组成元件包括电源、母线和线路。

优选的，在所述步骤4中，对于局部存在串联关系的多个所述组成元件而言，任何一个所述组成元件的失效均构成系统失效，即必须所有所述组成元件完好，系统才算完好；此时系统可靠性工作概率P(S)的计算公式如以下公式(1)：

P(S)＝P(x₁∩x₂∩x₃∩...∩x_n)＝P(x₁)P(x₂)...P(x_n) (1)；

式中，x₁、x₂和x_n分别表示第1元件、第2元件和第n元件正常工作；

P(x₁)、P(x₂)和P(x_n)分别表示第1元件、第2元件和第n元件的可靠度；每一个元件的可靠度均可通过将公式(1)与步骤3中相应的所述元件的所述故障率做减获得；

对于局部存在并联关系的多个所述组成元件而言，所有所述组成元件失效才构成系统失效的系统，即任一所述组成元件完好，系统即为完好；此时系统可靠性工作概率P(S)的计算公式如以下公式(2)：

式中，

和

分别表示第1元件、第2元件和第n元件失效。

本发明的有益效果：

本发明的应用填补了现有技术缺乏成熟评估流程、协同所述主网和所述配网的网架的可靠性评估方法缺失以及计算机辅助可靠性评估技术存在空白等缺陷，更加符合当前电网发展趋势和特点的需要。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1示出本发明实施例的流程图。

图2示出本发明实施例的主网算例网架示意图。

图3示出本发明实施例的配网算例网架示意图。

图4示出本发明实施例的DIgSILENT新建项目与配置界面示意图。

图5示出本发明实施例的DIgSILENT新建项目仿真模型搭建示意图。

图6示出本发明实施例的DIgSILENT元件建模过程示意图。

图7示出本发明实施例的DIgSILENT元件参数设置过程示意图。

图8示出本发明实施例的DIgSILENT主网网架可靠性仿真模型示意图。

图9示出本发明实施例的DIgSILENT主网网架可靠性仿真参数配置。

图10示出本发明实施例的DIgSILENT主网网架可靠性计算结果。

图11示出本发明实施例的配网网架连接关系矩阵Matlab编辑界面示意图。

图12示出本发明实施例的故障组合计算场景Matlab实现过程示意。

图13示出本发明实施例的特定故障组合场景下的停电时间计算Matlab实现过程示意。

具体实施方式

实施例

采用如图1所示的流程，基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法，在DIgSILENT和Matlab R2012a环境中应用本发明，作为具体实施方式示例。

步骤1、确定需要评估的网架接线型式，包括主网的网架和配网的网架。本实施例中选用的主网和配网的网架接线型式如图2和图3所示。

在实际应用中，主网的网架结构包括两类：第一类主网的网架结构采取双母线双分段接线的中心站，母线电源进线为四回路，来自两座不同的上级电源点；

第二类主网的网架结构采取环网，多个变电站构成环网，通过几回线路与其他变电站联络。

常见的城市配网的网架型式主要有链式、环网和辐射式接线。根据电网的实际情况开展需要的主网和配网的网架组合进行可靠性研究。

步骤2、对主干网网架接线型式的可靠性水平进行仿真研究。在仿真软件按照网架的组成元件，如电源、母线、线路，选用对应的封装模型，按照电气连接关系搭建仿真拓扑，形成仿真模型文件。

运行DIgSILENT软件，选择主菜单下方的“打开数据管理器”，在下方的用户图标上右键单击“新”选项，单击“项目”，在弹出的窗口设置项目名称和其他信息输入，如图4所示。

确定后设置仿真系统的频率等相关参数，设置频率为50Hz，配置完成仿真输入界面，如图5所示。

按照图2所示的主网算例网架，在右侧的元件菜单中添加元件，拖动至编辑界面，并通过添加电气连接线连接。

以添加母线元件为例：单击“单母线元件”图标，然后再绘图界面单击需要放置的位置，图上便会出现一条线。如此放置九个单母线元件作为九个节点，节点的位置可以通过左键选择元件进行拖放。右键元件->Rotate可以旋转元件。得到的节点图如图6所示。

然后，双击节点，按图中序号修改名字，如1号节点改为B1/Bus1，修改方法如图7所示。单击选择“线路元件”图标，然后点击需要连接的两个节点，系统会自动调节线路的位置。单击节点时会出现如下图，按次序选择接入的端子即可。按照上述方法，直至完成仿真网架模型搭建，如图8所示。

步骤3、设置网架拓扑中各元件的故障率等可靠性分析参数。故障率应结合实际电网的历史故障数据估计本实施例中按下表1所示的参数设置。

表1

单击主菜单上方的“预想事故定义”，选择“添加”按钮在弹出的界面按表1配置算例可靠性仿真参数，如图9所示。

步骤4、根据元件的连接拓扑关系和可靠性分析的基本理论对主网的网架接线进行可靠性分析。DIgSILENT软件是具备可靠性计算功能的仿真软件，可直接由计算机给出主网拓扑的可靠性评估结果。单击“执行”，得到可靠性计算结果，如图10所示。

步骤5、将主网的网架等效为可靠性具有前述步骤主网的网架的可靠性输出评估结果的等效电源，将其作为配网的网架的可靠性评估输入接口。记录仿真结果(本例中上级电网故障率等效值为0.051350/年，等效切除时间为0.164小时/次)，后续在Matlab中计算可靠性时取上级电网故障等效值与等效切除时间，计算得到上级电网不可用率，从而实现将上级电网可靠性等效为具备不可用率的电源，并编程仿真。

步骤6、运行Matlab程序，打开主界面，选择新建-函数，打开一个空白的function编程界面，按照图3所示的配电网的网架连接拓扑编写网架连接关系矩阵。通过节点-支路子程序转换为节点支路矩阵，转换后的节点-支路矩阵如图11所示。

步骤7、采用蒙特卡洛方法，利用Matlab中的随机抽样命令抽样产生相当数量网架中不同元件的故障状态组合。将其作为可靠性评估的输入边界。其中与主网侧的连接点及主网侧的网络按照步骤五中等效的具有特定可靠性水平的电源点代替，如图12所示。

步骤8、在各组场景组合下，按照元件的状态组合情况和电气拓扑连接关系情况分析故障发生后的配网停电情况。具体分析方法为：对于步骤六中的网架结构矩阵，将故障发生所在处的节点连接关系元素修正为0(表示不连通)，并通过判断连通性，将联络开关闭合(如有)，若没有联络开关联通，则调用孤岛程序，判断网架形成孤岛。如图13所示。

步骤9、采用直流潮流法判断网架故障重构后的线路过载情况与孤岛判定。若线路过载或孤岛中无电源，则记录当前状态下的损失负荷量，若不过载或孤岛中电源可持续运行为负荷供电，则该种网架结构不会切除负荷。

步骤10、按照步骤七中抽样所得的故障状态组合场景重复步骤八中的计算过程，记录各组故障状态组合下的损失负荷量。

按照式(3)计算平均供电可用度指标，将其作为当前主网和配网的网架组合场景下的可靠性综合评估指标：

式中，用户需要供电小时数按8760小时计算，用户用电小时数按8760减去用户停电期望小时数计算；用户停电期望小时数按照下式计算：

步骤11、得到当前典型主网和配网的网架组合的可靠性综合评估结果。即本实施例的可靠性综合评估结果AISI指标值为99.99677778。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法；采用DIgSILENT和Matlab作为仿真软件执行以下步骤，具体步骤如下：

步骤1、确定需要评估的城市主网和配网的网架中主网的网架型式和配网的网架型式；其中，所述主网的网架型式包括第一类主网网架结构和第二类主网网架结构；所述配网的网架型式包括链式、环网式和辐射式；

步骤2、在所述仿真软件中按照所述主网的组成元件选用对应的封装模型，按照每一所述组成元件的电气连接关系搭建仿真拓扑，形成仿真模型文件；

步骤3、设置所述仿真拓扑中每一所述组成元件的故障率和可靠性分析参数；

步骤4、结合每一所述组成元件的电气拓扑关系为串联或并联开展所述主网的可靠性计算，获得所述主网的可靠性评估结果；

步骤5、将所述主等效为可靠性评估结果相同的等效电源，并将所述等效电源作为所述配网的可靠性评估输入接口；

步骤6、使用所述Matlab软件，新建函数，打开一个空白的function编程界面，按照所述主网和所述配网的网架编写网架连接关系矩阵；

步骤7、采用蒙特卡洛方法，利用所述Matlab软件中的随机抽样命令抽样产生多种不同的所述组成元件的故障状态组合；将每一种所述故障状态组合均作为可靠性评估的输入边界，与每一所述组成元件的不可用率进行比较，得到网架状态矩阵；在进行比较时，所述主网的连接点和网络按照步骤5中的所述等效电源进行代替；

步骤8、在各种不同的所述故障状态组合下，按照所述组成元件的状态组合与电气拓扑连接，分析故障发生后的所述配网的停电情况；具体分析方法如下：

对于步骤6中的所述网架连接关系矩阵，将故障发生所在处的节点连接关系元素修正为0，并通过判断连通性，将所有的联络开关闭合；若没有联络开关联通，则调用孤岛程序，判断所述配网形成孤岛；

步骤9、采用直流潮流法判断网架故障重构后的线路过载情况与孤岛判定；

若线路过载或孤岛中无电源，则记录当前状态下的损失负荷量，若不过载或孤岛中电源可持续运行为负荷供电，则该种网架结构不会切除负荷；

步骤10、按照步骤7中抽样所得的多种不同的所述组成元件的故障状态组合，重复步骤8的计算过程，记录每一所述所述组成元件的故障状态组合下的损失负荷量；

按照下式计算平均供电可用度指标，将其作为当前所述主网和所述配网的网架组合场景下的可靠性综合评估指标：

式中，用户需要供电小时数按8760小时计算，用户用电小时数按8760减去用户停电期望小时数计算；用户停电期望小时数按照下式计算：

步骤11、得到需要评估的所述城市主配网网架的可靠性综合评估结果。

2.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法，其特征在于，步骤1中，所述第一类主网网架结构采取双母线双分段接线的中心站，母线电源进线为四回路，来自两座不同的上级电源点；所述第二类主网网架结构为采取环网，多个变电站构成环网，通过多回线路与其他变电站联络。

3.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法，其特征在于，步骤2中，所述组成元件包括电源、母线和线路。

4.根据权利要求1所述的基于蒙特卡洛方法的主网和配网的网架可靠性协同评估法，其特征在于，在所述步骤4中，对于局部存在串联关系的多个所述组成元件而言，任何一个所述组成元件的失效均构成系统失效，即必须所有所述组成元件完好，系统才算完好；此时系统可靠性工作概率P(S)的计算公式如以下公式(1)：

P(S)＝P(x₁∩x₂∩x₃∩...∩x_n)＝P(x₁)P(x₂)...P(x_n) (1)；

式中，x₁、x₂和x_n分别表示第1元件、第2元件和第n元件正常工作；

P(x₁)、P(x₂)和P(x_n)分别表示第1元件、第2元件和第n元件的可靠度；每一个元件的可靠度均可通过将公式(1)与步骤3中相应的所述元件的所述故障率做减获得；

对于局部存在并联关系的多个所述组成元件而言，所有所述组成元件失效才构成系统失效的系统，即任一所述组成元件完好，系统即为完好；此时系统可靠性工作概率P(S)的计算公式如以下公式(2)：

式中，

和

分别表示第1元件、第2元件和第n元件失效。

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