CN112329377A - 用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法。基于变电站中各个电气设备的连通逻辑关系和电力传输路径建立整个变电站系统的有向图逻辑模型，可以考虑所有设备，并且避免了其他系统分析方法中寻找故障树割集或路集的困难，通过定义多输入多输出变电站系统的性能评价指标为震后至多能够正常输出的线路数量，利用蒙特卡洛模拟结合设备层面的地震易损性曲线可以快速而精确地求得不同地震动强度参数取值下变电站对应不同剩余功能状态的失效概率，最终根据对数正态累积分布函数非线性拟合得到变电站不同功能状态对应的地震易损性曲线和参数，完成多输入多输出变电站系统地震易损性的量化评估。

Description

用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估方法
技术领域
本发明涉及电力系统抗震性能评估领域。
背景技术
变电站是由一系列不同类型的电气设备通过母线以串联或并联方式连接组成的复杂系统。变电站作为电力系统中对电压和电流进行调整变换，控制电流向及分配电能的场所，是电力系统中输配电网络的重要节点。然而近年来国内外电力系统震害经验表明变电站在地震中易损性较高，一旦变电站在地震中遭受破坏，会严重危害人民生活及财产安全，给灾后重建工作带来巨大阻碍，并可能引发火灾等次生灾害，导致其他生命线系统功能的瘫痪。保障变电站在地震作用下的安全对维系现代城市社会功能具有重要意义，也是构建“智能电网”和“韧性城乡”的必然需求。
然而，目前对变电站抗震性能的研究仍主要集中于关键的单体电气设备，例如变压器、隔离开关、断路器、避雷器、支柱绝缘子等；电网层面的研究中对变电站的功能评估过于简单，只考虑工作和失效两种状态。由于变电站系统的复杂性与冗余性，实际在地震中可能只是系统的一部分被破坏，功能并不会完全丧失。以往对变电站采用的系统性分析方法，包括图论、二分法、故障树分析法和成功路径法等，或者由于计算量大无法考虑所有设备，或者由于设备连接的复杂性难以寻找故障树割集或路集而求得解析解。进一步采用简化的数学模型算法可以减少计算量，但往往与实际变电站物理连通模型不符，影响评估精度。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有系统分析方法的不足，提供一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法。本发明结合了图论、故障树和成功路径等系统分析方法的优点，通过建立变电站系统的有向图逻辑模型的方法充分考虑了变电站中各个电气设备的连通逻辑关系和电力传输路径，可以考虑所有设备，并且避免了其他系统分析方法中寻找故障树割集或路集的困难，通过定义多输入多输出变电站系统的性能评价指标为震后至多能够正常输出的线路数量，可以全面考虑变电站震后不同剩余功能状态和变电站系统的冗余度，并且降低了系统分析的复杂程度，结合设备层面的地震易损性曲线可以利用蒙特卡洛模拟快速而精确地评估变电站系统的地震易损性。
本发明采用的技术方案为：
一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，实现步骤如下：
步骤一：定义多输入多输出变电站系统的性能评价指标为震后至多能够正常输出的线路数量；
步骤二：根据变电站中各电气设备的布置情况和功能逻辑关系在Simulink平台建立变电站系统的有向图逻辑模型；
步骤三：确定变电站中各电气设备的地震易损性曲线参数并写入到建立的变电站系统的有向图逻辑模型中；
步骤四：确定地震动的强度指标参数、取值范围和计算步长；
步骤五：开始蒙特卡洛模拟循环，在每次模拟中逐个电气设备产生0-1区间的随机数并与该设备在当前地震动强度参数下的失效概率对比来判断各个设备的工作状态；
步骤六：根据各设备的工作状态和建立的变电站系统有向图逻辑模型分析得到各电气间隔的工作状态，进一步综合考虑变电站系统冗余度的情况下得到能够正常通电的输出线路数量，并记录；
步骤七：对应每个地震动强度参数的取值，将上述模拟过程重复n次，统计变电站出现各种不同功能状态的频数，由此可计算得到该地震动强度参数取值下变电站对应不同剩余功能状态的失效概率，结束蒙特卡洛模拟循环；
步骤八：利用蒙特卡洛模拟计算得到的样本点，根据对数正态累积分布函数非线性拟合得到变电站不同功能状态对应的地震易损性曲线和参数，实现多输入多输出变电站系统地震易损性的量化评估。
进一步的，所述步骤一中将震后至多能够正常输出的线路数量作为变电站的性能评价指标可以全面考虑变电站震后不同剩余功能状态，还可进一步对该指标进行归一化处理：将其与原输出线路总数的比值作为变电站系统的评价指标。
进一步的，所述步骤二中在Simulink平台建立变电站系统的有向图逻辑模型时，假定变电站中各设备之间相互独立，每个设备只有工作和失效两种状态，分别用“1”和“0”表示，并且不考虑设备间连接母线和金具等的破坏。
进一步的，所述步骤三中假设各设备的失效概率与地震动强度指标参数IM之间的函数关系服从中值为μ，对数标准差为β的对数正态累积分布：
Figure BDA0002756939370000021
进一步的，所述步骤四中以地面运动的峰值加速度(PGA)作为地震动强度参数指标IM，则相应的取值范围和计算步长可分别记为(PGAmin,PGAmax)，ΔPGA。
进一步的，所述步骤五中在进行每次蒙特卡洛模拟时，评估各设备在变电站系统中的工作状态包含两个逻辑关系判断过程：1)首先通过步骤三预先确定的设备地震易损性曲线得到在当前地震动输入强度参数PGA下设备对应的失效概率P(PGA)，并将其与生成的0-1区间的随机数R进行相对大小的逻辑关系判断得到设备的工作状态；2)将上一步中判断得到的设备工作状态与设备前序输入通过逻辑“与”的逻辑关系判断得到设备在变电站中的工作状态。
进一步的，所述步骤六中在利用变电站系统有向图逻辑模型进行系统分析时，箭头代表电流流向，即各设备进行功能逻辑判断的顺序；最终输出的线路输出“1”代表该线路正常，输出“0”代表该线路故障；同时还需要充分考虑变电站系统在电气功能方面的冗余性以确定变电站系统最终能够正常输出的线路数量：1)每条输入线路的输电容量与每条输出线路输电容量之间的关系；2)单台变压器通常以不超过70％极限电容量的负荷运行。
进一步的，所述步骤七中对应每个地震动强度参数的取值，需按照步骤五和步骤六所述模拟分析过程重复n次，统计变电站出现各种不同功能状态i(i＝0,1,2…12)的频数ki，以此可计算得到该地震动强度参数取值下变电站对应不同剩余功能状态的失效概率：
Figure BDA0002756939370000031
进一步的，所述步骤八中需要进一步假设变电站系统在地震作用下的失效概率也服从中值为μ，对数标准差为β的对数正态累积分布，在按照步骤七所述蒙特卡洛模拟得到变电站各不同功能状态在不同地震动强度下的失效概率样本点后，根据对数正态累积分布函数非线性拟合得到变电站不同功能状态对应的地震易损性曲线和参数，完成多输入多输出变电站系统地震易损性的量化评估。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明结合了图论、故障树和成功路径等系统分析方法的优点，基于变电站中各个电气设备的连通逻辑关系和电力传输路径建立整个变电站系统的有向图逻辑模型，可以考虑所有设备，并且避免了其他系统分析方法中寻找故障树割集或路集的困难，将多输入多输出变电站系统的性能评价指标定义为其震后至多能够正常输出的线路数量，可以全面考虑变电站震后不同剩余功能状态和变电站系统的冗余度，并且降低了系统分析的复杂程度，利用蒙特卡洛模拟结合设备层面的地震易损性曲线实现快速而精确地量化评估变电站系统的地震易损性。
附图说明
图1是本发明提出的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法流程图；
图2是本发明实施例的多输入多输出变电站系统示意图；
图3是本发明实施例的变电站系统对应的Simulink有向图逻辑模型；
图4是本发明实施例分析得到的变电站不同功能状态对应的地震易损性曲线。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明中的技术方案进行清除详尽地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1示出了本发明提出的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，包括以下步骤：
步骤一：图2所示为本发明实施例多输入多输出变电站系统的平面布置图和电气间隔剖面图，其是一个典型的220/110kV降压变电站系统，共含有6个进线间隔，3个主变间隔和12个出线间隔，其中PF、VT、CT、DS、CB、TF分别代表龙门架、电压互感器、电流互感器、隔离开关、断路器和变压器。
定义该多输入多输出220/110kV变电站系统的性能评价指标为震后至多能够正常输出的出线间隔数量。
步骤二：根据变电站中各电气设备的布置情况和功能逻辑关系，在Simulink平台建立变电站系统的有向图逻辑模型，如图3所示。
步骤三：假设各设备的失效概率与地震动强度指标参数IM之间的函数关系服从中值为μ，对数标准差为β的对数正态累积分布，
Figure BDA0002756939370000041
变电站中各设备地震易损性曲线参数的取值情况如表1所示，并将相应参数写入到图3所示的变电站系统有向图逻辑模型中的各个设备模块中。
表1
Figure BDA0002756939370000042
Figure BDA0002756939370000051
步骤四：确定地震动的强度指标参数IM为地面运动的峰值加速度(PGA)，则相应的取值范围和计算步长可分别记为(PGAmin,PGAmax)和ΔPGA。
步骤五：开始蒙特卡洛模拟循环，在每次模拟中逐个电气设备产生0-1区间的随机数R并与该设备在当前地震动强度参数PGA下的失效概率P(PGA)对比来判断各个设备的工作状态：若R大于P(PGA)则设备正常工作表示为“1”，否则设备故障表示为“0”。
步骤六：在每次模拟中根据各设备的工作状态和建立的变电站系统有向图逻辑模型分析得到各电气间隔的工作状态，箭头代表电流流向，即各设备进行功能逻辑判断的顺序，将步骤五中判断得到的设备工作状态与设备前序输入通过逻辑“与”的逻辑关系判断得到设备在变电站中的工作状态，并作为有向图逻辑模型中箭头指向后续设备的输入，进而得到各个电气间隔的工作状态。进一步考虑变电站系统在电气功能方面的冗余性：1)每条220kV输入线路的输电容量通常是110kV输电线路的2～4倍；2)单台变压器通常以不超过70％极限电容量的负荷运行。因此假定1个进线间隔和1个主变间隔分别能够满足3个和6个出线间隔的电能供给，则变电站系统的震后剩余功能状态，即最终能够正常输出的出线间隔数量可表示为：
N＝min(3N进线间隔，6N主变间隔，N出线间隔)
步骤七：对应每个地震动强度参数的取值，按照步骤五和步骤六所述模拟分析过程重复20000次，统计变电站出现各种不同功能状态i(i＝0,1,2…12)的频数ki，以此可计算得到该地震动强度参数取值下变电站对应不同剩余功能状态的失效概率，结束蒙特卡洛模拟循环，模拟计算的结果如表2所示
Figure BDA0002756939370000052
表2
Figure BDA0002756939370000053
Figure BDA0002756939370000061
步骤八：进一步假设变电站系统在地震作用下的失效概率也服从中值为μ，对数标准差为β的对数正态累积分布，在按照步骤七所述蒙特卡洛模拟得到变电站各不同功能状态在不同地震动强度下的失效概率样本点后，根据对数正态累积分布函数非线性拟合可以得到变电站不同功能状态对应的地震易损性曲线和参数，分别如图4和表3所示，完成多输入多输出变电站系统地震易损性的量化评估。
表3
功能状态 中值μ/g 对数标准差β
N＝0 0.4014 0.0975
N＝1 0.4014 0.0975
N＝2 0.4014 0.0974
N＝3 0.3936 0.0909
N＝4 0.3936 0.0908
N＝5 0.3935 0.0903
N＝6 0.3541 0.1001
N＝7 0.3540 0.0997
N＝8 0.3537 0.0987
N＝9 0.3412 0.0941
N＝10 0.3377 0.0904
N＝11 0.3220 0.1042
以上仅是本发明的具体步骤和针对本发明可行实施例的具体说明，对本发明的保护范围不构成任何限制；其可扩展应用于其他多输入多输出变电站系统的抗震性能评估领域，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，其特征在于，实现步骤如下：
步骤一：将多输入多输出变电站系统的性能评价指标定义为震后至多能够正常输出的线路数量；
步骤二：根据变电站中各电气设备的布置情况和功能逻辑关系在Simulink平台建立变电站系统的有向图逻辑模型；
步骤三：确定变电站中各电气设备的地震易损性曲线参数并写入到步骤二中建立的变电站系统的有向图逻辑模型中；
步骤四：确定地震动的强度指标参数、取值范围和计算步长；
步骤五：开始蒙特卡洛模拟循环，在每次模拟中逐个电气设备产生0-1区间的随机数并与该设备在当前地震动强度参数下的失效概率对比来判断各个设备的工作状态；
步骤六：根据步骤五各设备的工作状态和建立的变电站系统有向图逻辑模型分析得到各电气间隔的工作状态，进一步综合考虑变电站系统冗余度的情况下得到能够正常通电的输出线路数量，并记录；
步骤七：对应每个地震动强度参数的取值，将上述步骤五-步骤六模拟过程重复n次，统计变电站出现各种不同功能状态的频数，由此可计算得到该地震动强度参数取值下变电站对应不同剩余功能状态的失效概率，结束蒙特卡洛模拟循环；
步骤八：利用蒙特卡洛模拟计算得到的样本点，根据对数正态累积分布函数非线性拟合得到变电站不同功能状态对应的地震易损性曲线和参数，实现多输入多输出变电站系统地震易损性的量化评估。
2.根据权利要求1所述的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，其特征在于：步骤一中，定义变电站的性能评价指标为震后至多能够正常输出的线路数量，可以全面考虑变电站震后不同剩余功能状态，还可进一步对该指标进行归一化处理：将其与原输出线路总数的比值作为变电站系统的评价指标。
3.根据权利要求1所述的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，其特征在于：步骤二中，在Simulink建立变电站系统的有向图逻辑模型时，假定变电站中各设备之间相互独立，每个设备只有工作和失效两种状态，分别用“1”和“0”表示，并且不考虑设备间连接导线和金具的破坏。
4.根据权利要求1所述的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，其特征在于：步骤五中，各设备的失效概率与地震动强度指标参数IM之间的函数关系假设服从中值为μ，对数标准差为β的对数正态累积分布：
Figure FDA0002756939360000011
5.根据权利要求4所述的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，其特征在于：以地面运动峰值加速度(PGA)作为地震动强度参数指标IM，相应的取值范围和计算步长分别为(PGAmin,PGAmax)，ΔPGA。
6.根据权利要求5所述的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，其特征在于：在每次蒙特卡洛模拟中，评估各设备在变电站系统中的工作状态包含两个逻辑关系判断过程：
1)首先预先确定的设备地震易损性曲线得到在当前地震动输入强度参数PGA下设备对应的失效概率P(PGA)，并将其与生成的0-1区间的随机数R进行相对大小的逻辑关系判断得到设备的工作状态；
2)将上一步中判断得到的设备工作状态与设备前序输入通过逻辑“与”的逻辑关系判断得到设备在变电站中的工作状态。
7.根据权利要求6所述的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，其特征在于：在步骤二、五、六中，在利用变电站系统有向图逻辑模型进行系统分析时，箭头代表电流流向，即各设备进行功能逻辑判断的顺序；最终输出的线路输出“1”代表该线路正常，输出“0”代表该线路故障；同时需要充分考虑变电站系统在电气功能方面的冗余性以确定变电站系统最终能够正常输出的线路数量：1)每条输入线路的输电容量与每条输出线路输电容量之间的关系；2)单台变压器通常以不超过70％极限电容量的负荷运行。
8.根据权利要求6或者7所述的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，其特征在于：对应每个地震动强度参数的取值，所述模拟分析过程重复n次，统计变电站出现各种不同功能状态i(i＝0,1,2…12)的频数ki，以此可计算得到该地震动强度参数取值下变电站对应不同剩余功能状态的失效概率：
Figure FDA0002756939360000021
9.根据权利要求7所述的一种用于量化多输入多输出变电站系统地震易损性的评估算法，其特征在于：进一步假设变电站系统在地震作用下的失效概率也服从中值为μ，对数标准差为β的对数正态累积分布，在所述蒙特卡洛模拟得到变电站各不同功能状态在不同地震动强度下的失效概率样本点后，根据对数正态累积分布函数非线性拟合得到变电站不同功能状态对应的地震易损性曲线和参数，完成多输入多输出变电站系统地震易损性的量化评估。
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