CN112836374B - 一种可靠性指标增量确定方法和系统 - Google Patents

一种可靠性指标增量确定方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可靠性指标增量确定方法和系统，包括：根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率；根据元件保护动作概率计算线路过载停运率；根据线路过载停运率，确定可靠性指标值；保护动作概率模型，是基于保护元件的整定参数建立的。本发明对网络中受用户侧负荷增量的线路保护动作概率给出了模型，可以进行数学表示和运算，还能计算过载停运率，最终得到配电网系统的可靠性指标值。本发明利用增量计算法减少计算成本，同时适用于规划和运行两阶段，对于已经建成的配电网，负荷系数越高，该可靠性指标评估方法对线路过载停运的刻画越精准。因此尤其适用于负荷增长速度较快的配电系统网络。

Description

一种可靠性指标增量确定方法和系统
技术领域
本发明属于可靠性评估技术领域，具体涉及一种可靠性指标增量确定方法和系统。
背景技术
电力系统可靠性评估问题必须考虑如何评估负荷点的停电指标。负荷点的停电指标评估问题，主要研究的是线路上的众多设备的停电指标和负荷点停电时间、停电频率指标的关联关系。
传统的负荷点指标评估以线路设备的运行状态具有马尔可夫特性为前提条件，假定设备的故障率为常数，根据网络的接线模式，用解析法或模拟法进行计算，从而对已建成的以及正在规划、设计中的各个负荷点的停电时间、停电频率进行合理评估。
对于在已建成的配电网络，负荷系数有所升高，需要考虑到新增负荷对原有系统中元件故障的影响，其可靠性指标计算需要采用新的评估技术。目前的研究技术包括基于改进熵权法和灰色关联分析对元件设备的故障进行诊断；考虑多种因素对配电系统可靠性参数的综合影响；应用BP神经网络分析配电网可靠性关联因素的灵敏度等。
现有研究主要着眼于单一阶段的可靠性评估算法及相应的可靠性指标体系，对于应用于规划、运行两阶段的可靠性评估方法，由于负荷增量对线路过载停运率的助增作用和保护元件动作特性带来的不确定性影响，需要考虑能够兼容规划和运行两阶段的可靠性评估新思路。
发明内容
为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种可靠性指标增量确定方法，包括：
根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率；
根据所述元件保护动作概率计算线路过载停运率；
根据所述线路过载停运率，确定可靠性指标值；
所述保护动作概率模型，是基于保护元件的整定参数建立的。
优选的，所述保护动作概率模型的建立，包括：
采集保护元件的整定参数，所述整定参数包括保护元件的整定电流值及所述整定电流值的误差范围；
根据所述整定参数，得到保护元件保护动作概率的截尾正态分布；
对所述保护元件保护动作概率的截尾正态分布采用折线模型进行近似，并采用线路上的有功潮流代替电流，得到保护动作概率模型。
优选的，所述根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率，包括：
根据负荷增量，通过牛顿法或前推回代法进行潮流计算，求得线路潮流增量；
将所述潮流增量输入保护动作概率模型，得到元件保护动作概率。
优选的，所述线路过载停运率的计算式如下：
式中，P为元件保护动作概率，Δt为保护动作时间，ε为用折线近似负荷增量对应故障率时损失的概率，h为线路过载停运率。
优选的，所述根据所述线路过载停运率，确定可靠性指标值，包括：
根据所述线路过载停运率，采用故障模式和影响分析方法确定各用户的故障率；
基于各用户的故障率、总负荷和预先获取的可靠性需求系数，计算可靠性指标值。
优选的，所述可靠性需求系数的获取，包括：
当用户为有可靠性要求的特殊用户时，采集特殊用户的可靠性电价数据；
对所述可靠性电价数据进行归一化处理，得到特殊用户的可靠性需求系数。
优选的，所述可靠性指标值的计算式如下：
式中，SAIFIL表示可靠性指标值，λi表示用户i的故障率，Li表示用户i有功负荷，αi表示用户i的可靠性需求系数，n为总用户数目，m为普通用户数目。
基于同一发明构思，本发明还提供了一种可靠性指标增量确定系统，包括：过负荷致保护动作建模模块、线路过载停运率增量计算模块和用户差异化可靠性评估模块；
所述过负荷致保护动作建模模块，用于根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率；
所述线路过载停运率增量计算模块，用于根据所述元件保护动作概率计算线路过载停运率；
所述用户差异化可靠性评估模块，用于根据所述线路过载停运率，确定可靠性指标值；
所述保护动作概率模型，是基于保护元件的整定参数建立的。
优选的，还包括用于建立保护动作概率模型的模型模块，所述模型模块包括：参数获取单元、分布单元和模型单元；
所述参数获取单元，用于采集保护元件的整定参数，所述整定参数包括保护元件的整定电流值及所述整定电流值的误差范围；
所述分布单元，用于根据所述整定参数，得到保护元件保护动作概率的截尾正态分布；
所述模型单元，用于对所述保护元件保护动作概率的截尾正态分布采用折线模型进行近似，并采用线路上的有功潮流代替电流，得到保护动作概率模型。
优选的，所述过负荷致保护动作建模模块包括：潮流增量单元和元件保护动作概率单元；
所述潮流增量单元，用于根据负荷增量，通过牛顿法或前推迭代法进行潮流计算，求得线路潮流增量；
所述元件保护动作概率单元，用于将所述潮流输入保护动作概率模型，得到元件保护动作概率。
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
本发明提供了一种可靠性指标增量确定方法和系统，包括：根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率；根据元件保护动作概率计算线路过载停运率；根据线路过载停运率，确定可靠性指标值；保护动作概率模型，是基于保护元件的整定参数建立的。本发明对网络中受用户侧负荷增量的线路保护动作概率给出了模型，可以进行数学表示和运算，还能计算过载停运率，最终得到配电网系统的可靠性指标值。本发明利用增量计算法减少计算成本，同时适用于规划和运行两阶段，对于已经建成的配电网，负荷系数越高，该可靠性指标评估方法对线路过载停运的刻画越精准。因此尤其适用于负荷增长速度较快的配电系统网络。
附图说明
图1为本发明提供的一种可靠性指标增量确定方法流程示意图；
图2为本发明提供的一种可靠性指标增量确定方法中保护动作概率模型示意图；
图3为本发明提供的一种可靠性指标增量确定方法中概率密度分布函数示意图；
图4为本发明提供的一种可靠性指标增量确定方法中线路过载停运率近似模型示意图；
图5为本发明提供的一个可靠性指标增量确定方法实施例的流程示意图；
图6为本发明提供的一种可靠性指标增量确定系统基本结构示意图；
图7为本发明提供的一种可靠性指标增量确定系统详细结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种可靠性指标增量确定方法，通过考虑配电网络系统中负荷增量对线路过载停运率乃至对负荷点可靠性指标的影响，解决负荷增量带来的可靠性评估无法适用于规划和运行两阶段的问题。
本发明是通过以下技术方案实现的实施例1：
本发明提供的一种可靠性指标增量确定方法流程示意图如图1所示，包括：
步骤1：根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率；
步骤2：根据元件保护动作概率计算线路过载停运率；
步骤3：根据线路过载停运率，确定可靠性指标值；
保护动作概率模型，是基于保护元件的整定参数建立的。
具体的，本发明技术方案包括：
首先，给出元件保护动作受负荷增量影响的描述形式，基于线路保护动作的时间截尾正态分布特性和负荷点功率与线路潮流之间的映射关系，计算元件保护动作概率。本步骤即步骤1，是采用过负荷致保护动作建模模块进行计算的。
负荷有功与线路负载之间的关系通过牛顿法或前推迭代法进行潮流计算，在负荷发生变化时，线路负载对元件保护动作概率的影响通过下述模型进行计算。
设整个保护系统的触发电流值即整定电流值为Iset，误差为±ε1，并服从均值为Iset0，标准差为σ1，范围为[Iset0(1-ε1),Iset0(1+ε1)]的截尾正态分布，采用折线模型进行近似，并使用潮流L代替电流以衡量设备的载荷水平，如图2所示。
近似后的折线模型通过潮流计算建立了负荷有功功率与停运概率P之间的函数关系。本发明中，由元件动作导致停运，停运视为故障，因此元件保护动作概率即为停运概率，也即为故障概率。
其次，根据元件保护动作概率计算线路过载停运率。本步骤即步骤2，是采用线路过载停运率增量计算模块计算的。
常规可靠性评估中，认为元件工作状态的转移是马尔可夫过程，既元件下一时刻的状态与历史状态无关也既元件的使用没有造成元件的折旧，线路故障率是一个常数。则元件寿命服从指数分布，在此基础上考虑线路潮流的影响，对指数分布模型进行修正，将继电器视为线路的一部分，保护动作则线路停运，线路工作时间的分布函数发生变化。假设从t1时刻开始进行增量计算，计及潮流影响。保护动作时间为Δt。假设保护动作概率密度随时间分布为正态分布，需要将正态分布和指数分布进行衔接，衔接后的概率密度分布函数如图3所示。
其中，有正态分布的方差σ、均值μ两个参数待定，用如下方法计算。
μ＝t1+Δt
式中，f(t)为标准正态分布计算式，包括方差σ、均值μ两个参数，λ是故障率，意义是单位时间内的停电次数；P(Lai)是线路有功为Lai时的故障概率。正态分布模型修正后，尖峰下的面积相对于指数函数的积分较小，因此t1时刻之前的线路故障率仍然近似为常数。从t1时刻起故障率不再是定值，其时变特性可以评估运行可靠性。
基于概率密度函数f(t)，绘制故障率函数。由于t1时刻起积分值比较小，近似认为t1时刻之前的故障率仍为常数。从t1时刻开始，故障率开始上升，t1+2Δt时故障率恢复初始值，用折线近似描述这一过程，该故障率曲线呈现三角形，如图4所示。从0时刻起考虑负荷带来的故障率λ增量。理论上的故障率曲线不会与横轴相交，这种近似方法却相交了，损失了一定的概率。并设由这种近似损失的概率为小量ε，本发明中，ε取图2中的低概率曲线的截距。三角形面积为：
式中，R是可用度函数，在这里用于计算故障率对时间的积分。
其中P为过负荷保护致停运概率，其峰值为：
h即为由负荷增量带来的线路故障率增量。当P趋近为ε时，三角形退化为横轴上的线段，面积为0，h也为0。负荷没有带来故障率增量，满足实际物理意义。
最后，基于负荷点的故障率指标计算系统可靠性指标，并在指标计算过程中考虑用户负荷和可靠性需求的差异化。本步骤即步骤3，是采用用户差异化可靠性评估模块计算的。
设共有n个用户，其中用户1到m没有特殊可靠性需求，为普通用户，m+1到用户n为有可靠性要求的特殊用户。SAIFIL表示用负荷做加权处理并考虑可靠性差异的系统用户平均停电次数，为了区别传统的基于用户数量的供电可靠性指标，增加了脚标L的标识。SAIFIL为本发明中的系统可靠性指标。SAIFIL的计算式如下：
式中，λi表示用户i的故障率，Li表示用户i连接的总负荷，αi表示用户i的可靠性需求系数。各用户i的故障率λi是基于负荷增量带来的故障率增量h进行故障模式和影响分析(FMEA)法计算得到故障率关联矩阵后得到的。用户i的可靠性需求系数αi是预先获取特殊用户i的可靠性电价数据进行归一化处理计算出来的，αi与用户可靠性电价成正比。
本发明的一个具体实施例流程如图5所示，包括：
首先调研网络中的可靠性参数，可靠性参数包括故障率和保护元件的整定参数，通常在设备出厂试验时给出，整定参数包括：保护元件的整定电流值及其误差范围，故障率用于常规评估，整定参数用于增量计算。收集用户可靠性及负荷容量差异数据，包括负荷有功功率数据和可靠性电价数据，以可靠性电价为依据求得可靠性需求系数。
根据保护元件的整定电流值及其误差范围建立保护动作概率模型。对单一负荷点的负荷增长进行分析，通过牛顿法进行潮流计算，求得线路载荷水平增量即潮流增量，根据建立好的模型求得保护动作概率。再以此进行故障率分析，求得线路过载停运率。根据FMEA(故障模式和影响分析)法，计算受影响的负荷点的可靠性指标的变化量，最后进行系统的用户差异化可靠性指标计算。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
对网络中受用户侧负荷增量的线路保护动作概率和过载停运率给出了模型，可以进行数学表示和运算。
新型配电网系统中用户负荷容量和可靠性需求差别显著，本发明将用户差异化信息纳入停电频率指标评估中，便于进行系统可靠性的差异化评估计算。
利用增量计算法减少计算成本，在进行FMEA(故障模式和影响分析)法分析得到故障率关联矩阵后，后续若干步的计算采用增量法，直到网络结构发生变化为止。
该方法同时适用于规划和运行两阶段，对于已经建成的配电网，负荷系数越高，该可靠性指标评估方法对线路过载停运的刻画越精准。因此尤其适用于负荷增长速度较快的配电系统网络。
实施例2：
基于同一发明构思，本发明还提供了一种可靠性指标增量确定系统。
该系统基本结构如图6所示，包括：过负荷致保护动作建模模块、线路过载停运率增量计算模块和用户差异化可靠性评估模块；
过负荷致保护动作建模模块，用于根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率；
线路过载停运率增量计算模块，用于根据元件保护动作概率计算线路过载停运率；
用户差异化可靠性评估模块，用于根据线路过载停运率，确定可靠性指标值；
保护动作概率模型，是基于保护元件的整定参数建立的。
可靠性指标增量确定系统详细结构如图7所示。
该系统还包括用于建立保护动作概率模型的模型模块，模型模块包括：参数获取单元、分布单元和模型单元；
参数获取单元，用于采集保护元件的整定参数，整定参数包括保护元件的整定电流值及整定电流值的误差范围；
分布单元，用于根据整定参数，得到保护元件保护动作概率的截尾正态分布；
模型单元，用于对保护元件保护动作概率的截尾正态分布采用折线模型进行近似，并采用线路上的有功潮流代替电流，得到保护动作概率模型。
其中，过负荷致保护动作建模模块包括：潮流增量单元和元件保护动作概率单元；
潮流增量单元，用于根据负荷增量，通过牛顿法或前推迭代法进行潮流计算，求得线路潮流增量；
元件保护动作概率单元，用于将潮流输入保护动作概率模型，得到元件保护动作概率。
其中，用户差异化可靠性评估模块包括：故障率单元和可靠性指标值单元；
故障率单元，用于根据线路过载停运率，采用故障模式和影响分析方法确定各用户的故障率；
可靠性指标值单元，用于基于各用户的故障率、总负荷和预先获取的可靠性需求系数，计算可靠性指标值。
其中，可靠性需求系数的获取，包括：
当用户为有可靠性要求的特殊用户时，采集特殊用户的可靠性电价数据；
对负荷可靠性电价数据进行归一化处理，得到特殊用户的可靠性需求系数。
其中，线路过载停运率的计算式如下：
式中，P为元件保护动作概率，Δt为保护动作时间，ε为用折线近似负荷增量对应故障率时损失的概率，h为线路过载停运率。
其中，可靠性指标值的计算式如下：
式中，SAIFIL表示可靠性指标值，λi表示用户i的故障率，Li表示用户i连接的有功负荷，αi表示用户i的可靠性需求系数，n为总用户数目，m为无可靠性特殊需求的用户数目。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.一种可靠性指标增量确定方法，其特征在于，包括：
根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率；
根据所述元件保护动作概率计算线路过载停运率；
根据所述线路过载停运率，确定可靠性指标值；
所述保护动作概率模型，是基于保护元件的整定参数建立的；
所述保护动作概率模型的建立，包括：
采集保护元件的整定参数，所述整定参数包括保护元件的整定电流值及所述整定电流值的误差范围；
根据所述整定参数，得到保护元件保护动作概率的截尾正态分布；
对所述保护元件保护动作概率的截尾正态分布采用折线模型进行近似，并采用线路上的有功潮流代替电流，得到保护动作概率模型；
所述线路过载停运率的计算式如下：
式中，P为元件保护动作概率，Δt为保护动作时间，ε为用折线近似负荷增量对应故障率时损失的概率，h为线路过载停运率；
所述根据所述线路过载停运率，确定可靠性指标值，包括：
根据所述线路过载停运率，采用故障模式和影响分析方法确定各用户的故障率；
基于各用户的故障率、总负荷和预先获取的可靠性需求系数，计算可靠性指标值；
所述可靠性指标值的计算式如下：
式中，SAIFIL表示可靠性指标值，λi表示用户i的故障率，Li表示用户i的有功负荷，αi表示用户i的可靠性需求系数，n为总用户数目，m为普通用户数目。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率，包括：
根据负荷增量，通过牛顿法或前推回代法进行潮流计算，求得线路潮流增量；
将所述潮流增量输入保护动作概率模型，得到元件保护动作概率。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可靠性需求系数的获取，包括：
当用户为有可靠性要求的特殊用户时，采集特殊用户的可靠性电价数据；
对所述可靠性电价数据进行归一化处理，得到特殊用户的可靠性需求系数。
4.一种可靠性指标增量确定系统，其特征在于，包括：过负荷致保护动作建模模块、线路过载停运率增量计算模块和用户差异化可靠性评估模块；
所述过负荷致保护动作建模模块，用于根据负荷增量和预先建立的保护动作概率模型，计算元件保护动作概率；
所述线路过载停运率增量计算模块，用于根据所述元件保护动作概率计算线路过载停运率；
所述用户差异化可靠性评估模块，用于根据所述线路过载停运率，确定可靠性指标值；
所述保护动作概率模型，是基于保护元件的整定参数建立的；
还包括用于建立保护动作概率模型的模型模块，所述模型模块包括：参数获取单元、分布单元和模型单元；
所述参数获取单元，用于采集保护元件的整定参数，所述整定参数包括保护元件的整定电流值及所述整定电流值的误差范围；
所述分布单元，用于根据所述整定参数，得到保护元件保护动作概率的截尾正态分布；
所述模型单元，用于对所述保护元件保护动作概率的截尾正态分布采用折线模型进行近似，并采用线路上的有功潮流代替电流，得到保护动作概率模型；
所述线路过载停运率的计算式如下：
式中，P为元件保护动作概率，Δt为保护动作时间，ε为用折线近似负荷增量对应故障率时损失的概率，h为线路过载停运率；
所述根据所述线路过载停运率，确定可靠性指标值，包括：
根据所述线路过载停运率，采用故障模式和影响分析方法确定各用户的故障率；
基于各用户的故障率、总负荷和预先获取的可靠性需求系数，计算可靠性指标值；
所述可靠性指标值的计算式如下：
式中，SAIFIL表示可靠性指标值，λi表示用户i的故障率，Li表示用户i的有功负荷，αi表示用户i的可靠性需求系数，n为总用户数目，m为普通用户数目。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述过负荷致保护动作建模模块包括：潮流增量单元和元件保护动作概率单元；
所述潮流增量单元，用于根据负荷增量，通过牛顿法或前推回代法进行潮流计算，求得线路潮流增量；
所述元件保护动作概率单元，用于将所述潮流增量输入保护动作概率模型，得到元件保护动作概率。
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