CN113673085B - 一种考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，包括以下步骤：对配电网的每一个负荷点找出所有可能的供电路径；对配电网的所有元件找出所有可能的供电路径；选定一个故障元件，历遍所有负荷点，对于每一个负荷点，根据故障元件与不同负荷点的供电路径位置确定能够隔离故障的所有开关，作为该负荷点的故障隔离开关集合，并计算集合内所有开关均处于控制失效状态的概率，同时计算故障区域开关都正确跳闸的概率描述故障区域的可靠性影响，进而计算出故障元件对该负荷点的等效故障率和等效故障时间；历遍所有故障元件，统计出所有故障元件对该负荷点的等效故障率和等效故障时间，进而得到负荷和系统的供电可靠性指标。

Description

一种考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法

技术领域

本发明涉及配电网可靠性评估领域，涉及一种考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法。

背景技术

随着通信技术、计算机技术和控制技术广泛应用于电力系统，电力系统的正常运行离不开二次系统的监测与控制，由于二次系统主要通过开关设备实现对配电网状态的改变，配电网对二次系统日渐明显的依赖性也使得开关控制失效成为影响配电网安全可靠运行的潜在影响因素，因此配电网的供电可靠性需要充分考虑开关控制失效的场景。

当配电网发生故障时，二次系统的馈线自动化功能通过控制开关跳闸隔离故障元件，实现负荷的转供电，从而尽可能减少对其他非故障区域的供电影响。但是当开关控制功能失效时，即需要隔离故障元件的开关拒动时，其相邻开关将跳闸、代替拒动开关隔离故障，导致停电区域由原来的故障区域扩大至非故障区域，由于抢修人员无法准确判断故障元件的位置，这不仅导致非故障区域的误停电情况，而且延长了原有故障区域的停电时间，影响配电网的供电可靠性。

现有对配电网考虑开关在故障处理过程中失效的可靠性研究大多基于特定的自动化模式，如集中式馈线自动化模式，对二次系统进行复杂的时序建模，所建模型并不能直接适用于工程实践中的其他自动化模式(刘文霞,宫琦,郭经,单晓东,王志强.基于混合通信网的主动配电信息物理系统可靠性评价[J].中国电机工程学报,2018,38(06):1706-1718+1907.)(邓良辰,刘艳丽,余贻鑫,柏天缘.考虑故障处理全过程的配电网信息物理系统可靠性评估[J].电力自动化设备,2017,37(12):22-29.)，且大多可靠性评估都基于蒙特卡罗法，在大规模配电系统中存在耗时长、难以保证抽样精度等问题。

发明内容

本发明方法提出一种考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，基于割集的思想从负荷点与故障元件的供电路径描述开关控制失效对配电网可靠性的影响，根据故障元件与不同负荷点的供电路径位置确定故障隔离开关集合，利用集合所有开关均处于控制失效状态的概率计算出故障元件对该负荷点的等效故障率和等效故障时间，最后计算得到负荷和系统的供电可靠性指标。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

一种考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，包括以下步骤：

S1、设置配电网元件的可靠性参数和元件之间连接关系，可靠性参数具体为配电网元件的故障率和故障修复时间，元件之间的连接关系即元件的自身编号以及首末节点编号；

S2、历遍所有负荷点，对于每一个负荷点，根据元件之间的首末连接关系，可以找到负荷点到上级电源以及联络开关的由元件组成的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成负荷点供电路径列表；

S3、历遍所有配电网元件，对于每一个配电网元件，根据元件之间的首末连接关系，可以找到该配电网元件到上级电源以及联络开关的由元件组成的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成故障元件供电路径列表；

S4、历遍所有元件作为故障元件，对每一个故障元件，根据故障元件与负荷点的供电路径非重合部分形成故障隔离开关集合，计算集合内所有开关控制均失效的概率，计算故障区域开关都正确跳闸的概率描述故障区域的可靠性影响，最后得到出负荷点的等效故障率和等效故障时间；

S5、根据所有负荷的等效故障率和等效故障时间，计算获得配电网考虑开关控制失效的负荷和系统可靠性指标。

进一步地，所述配电网元件的可靠性参数和元件之间连接关系包括：配电网元件的故障率、故障修复时间以及自身编号和首末节点编号。

进一步地，所述形成负荷点供电路径列表具体为：对于每一个负荷点，其供电路径列表中的每个元素表示其通向上级电源或者联络开关的一条可能供电路径，每个元素为一个一维数组，数组内的元素为元件的自身编号，编号的顺序代表路径供电时的电流先后经过元件的顺序。

进一步地，所述形成故障元件供电路径列表具体为：对于每一个故障元件，其供电路径列表中的每个元素表示其通向上级电源或者联络开关的一条可能供电路径，每个元素为一个一维数组，数组内的元素为元件的自身编号，编号的顺序代表路径供电时的电流先后经过元件的顺序。

进一步地，所述形成故障隔离开关集合包括：

选择一个电源点，如上级电源或者联络开关，找到负荷点和故障元件供电路径列表中相对应的供电路径作为一组供电路径；

对于相同电源点的负荷点和故障元件的一组供电路径，找出故障元件供电路径上与负荷点供电路径上的不重合部分，其上的开关元件作为故障隔离开关集合中的元素；

遍历所有电源点，所有负荷点供电路径上不重合部分的开关组成故障隔离开关集合。

进一步地，故障隔离开关集合所有开关均处于控制失效状态的概率具体为：每一个开关都有由于硬件或者软件问题导致的开关控制失效情况，即开关无法正确跳闸、处于拒动的状态，该状态概率可通过开关的可靠性参数确定，故障隔离开关集合内所有开关均处于控制失效状态的概率即为集合内所有开关的开关控制失效概率相乘获得，而故障区域开关都正确跳闸的概率则为故障区域的端点开关均处于开关控制正常状态的概率相乘获得。

进一步地，所述计算故障元件对该负荷点的等效故障率和等效故障时间包括：

当故障元件的正确隔离开关位于负荷点唯一的供电路径上，该故障元件对负荷点的等效故障率与故障元件的故障率相同，负荷点的等效故障时间与故障元件所在区域的停电时间相同。否则，该故障元件对负荷点的等效故障率为故障隔离开关集合所有开关均处于控制失效状态的概率与故障率的乘积，负荷点的等效故障时间为人工倒闸时间。

进一步地，负荷点的等效故障率和等效故障时间具体分别为：

负荷j的等效故障率为：

负荷j的等效故障时间为：

其中N为配电网内所有故障元件的集合，为故障元件i对负荷点j的等效故障率，/>为故障元件i对负荷点j的等效故障时间。

统计得到负荷点的可靠性指标计算方法如下：

负荷点i的故障率：

负荷点i的平均停电持续时间：

负荷点i的年平均停电时间：

U_L-i＝λ_Lir_Li

由负荷点的可靠性指标计算可得到系统平均停电频率SAIFI、系统平均停电持续时间SAIDI、平均供电可靠率ASAI、用户平均停电频率指标CAIDI分别如下：

其中N_i为负荷点i的用户数，R为系统负荷点集合。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明将二次系统多种馈线自动化模式对开关的控制作用简化为开关的控制失效概率，用二次系统失效对配电网的可靠性影响表示为故障隔离开关集合所有开关均处于控制失效状态的概率、故障区域开关都正确跳闸的概率，实现对配电网供电可靠性指标的准确快速计算，可以适应二次系统中不同馈线自动化模式下的故障定位隔离机制，更具有普适性和通用性，适应工程实践中多种馈线自动化模式的应用和保证大规模配电网中的高效性和可行性。

2.用故障隔离开关集合所有开关均处于控制失效状态的概率描述二次系统失效对负荷点的额外可靠性影响，可以避免可靠性计算中的拓扑的重复搜索，实现解析法在考虑开关控制失效配电网可靠性评估中的应用，提高计算效率。

3.本发明方法基于割集的思想从负荷点与故障元件的供电路径描述开关控制失效对配电网可靠性的影响，避免计算时重复的路径搜索过程，实现考虑开关控制失效时配电网可靠性的快速评估。

附图说明

图1为本实施例一种考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法的流程图；

图2为实施例1中配电网系统示意图；

图3为实施例2中配电网系统示意图；

图4为实施例3中配电网系统示意图；

图5为实施例4中配电网系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下结合附图并举实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示的一种考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，包括以下步骤：

S100、输入配电网元件的可靠性参数和元件之间连接关系，可靠性参数具体为配电网元件的故障率和故障修复时间，元件之间的连接关系即元件的自身编号以及首末节点编号；

S200、历遍所有负荷点，对于每一个负荷点，根据元件之间的首末连接关系，可以找到负荷点到上级电源以及联络开关的由元件组成的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成负荷点供电路径列表；

S300、历遍所有配电网元件，对于每一个配电网元件，根据元件之间的首末连接关系，可以找到该配电网元件到上级电源以及联络开关的由元件组成的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成故障元件供电路径列表；

S400、历遍所有元件作为故障元件，对每一个故障元件，根据故障元件与负荷点的供电路径非重合部分形成故障隔离开关集合，计算集合内所有开关控制均失效的概率，计算故障区域开关都正确跳闸的概率描述故障区域的可靠性影响，最后得到负荷点的等效故障率和等效故障时间；负荷点的等效故障率和等效故障时间具体分别为：

负荷j的等效故障率为：

负荷j的等效故障时间为：

其中下标L代表负荷点，N为配电网内所有故障元件的集合，为故障元件i对负荷点j的等效故障率，/>为故障元件i对负荷点j的等效故障时间；

S500、根据所有负荷的等效故障率和等效故障时间，计算获得配电网考虑开关控制失效的系统可靠性指标。

需要说明的是，如图2-5所示的配电网系统示意图，L1-L6为负荷点，S1-S13为开关设备，其中S1为首端断路器，图3中的S9、图5中的S6和S13为联络开关，其他为分段开关。其可靠性评估的方法具体实现步骤如下：

设置配电网元件的可靠性参数和元件之间连接关系，即配电网元件的故障率、故障修复时间、元件的自身编号以及首末节点编号；

历遍所有负荷点，对于每一个负荷点，根据元件之间的首末连接关系，可以找到负荷点到上级电源以及联络开关的由元件组成的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成负荷点供电路径列表；

历遍所有配电网元件，对于每一个配电网元件，根据元件之间的首末连接关系，可以找到该配电网元件到上级电源以及联络开关的由元件组成的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成故障元件供电路径列表；

历遍所有元件作为故障元件，对每一个故障元件，对所有负荷点计算该故障元件对负荷点的等效故障率和等效故障时间。对每一个负荷点，对比故障元件与负荷点的相同电源的供电路径，故障元件供电路径上非重合部分形成故障隔离开关集合，最后计算集合内所有开关控制均失效的概率，计算故障区域开关都正确跳闸的概率描述故障区域的可靠性影响，最后得到该故障元件对负荷点的等效故障率和等效故障时间；

故障隔离开关集合中的所有开关均处于控制失效状态为每一个开关都有由于硬件或者软件问题导致的开关控制失效情况，即开关无法正确跳闸、处于拒动状态，该状态概率可通过开关的可靠性参数确定。故障隔离开关集合内所有开关控制均失效的概率为集合内所有开关的开关控制失效概率相乘。

故障区域开关都正确跳闸具体为配电网故障处理过程中区域为隔离故障元件的最小范围，由开关和线路末端组成，开关均处于开关控制正常状态概率可通过开关的可靠性参数确定。故障区域开关都正确跳闸的概率由故障区域端点开关均处于开关控制正常状态的概率相乘获得。

根据全部故障元件对所有负荷的等效故障率和等效故障时间，计算获得配电网考虑开关控制失效的负荷和系统可靠性指标，具体包括以下步骤：

S51、根据各个故障元件对负荷点的等效故障率和等效故障时间，通过以下公式计算获得负荷的可靠性指标，包括负荷可靠性指标包括负荷故障率λ_L、负荷平均停电持续时间r_L和负荷年平均停电时间U_L，计算公式分别如下：

U_L＝λ_Lr_L

其中和/>分别为负荷点的等效故障率和等效故障时间。

S52、根据所有负荷的可靠性指标，通过以下公式计算获得系统的可靠性指标，包括系统平均停电频率SAIFI、系统平均停电持续时间SAIDI、平均供电可靠率ASAI，用户平均停电频率指标CAIDI，计算公式分别如下：

其中N_i为负荷点i的用户数，R为系统负荷点集合。

需要说明的是，本实施例中的一二次系统的可靠性评估方法，包括：

(1)根据配电网元件的可靠性参数和元件之间连接关系，可靠性参数具体包括元件故障率和修复时间等，元件之间连接关系和正常运行电流方向通过元件的自身编号以及首末节点编号体现，具体表现是为每一个配电网元件进行编号，并用首节点和末节点描述元件之间的连接关系。如对于某一个自身编号为3的元件而言，其首节点编号为0001，末节点为0002，如果另一个元件位于该元件的下游，即正常运行时电流先流经自身编号为3的元件再流经该元件，则该元件的首节点编号与自身编号为3的元件的末节点相同，即其首节点编号也为0002；反之，如果另一个元件位于该元件的上游，即正常运行时电流先流经该元件再流经自身编号为3的元件，则该元件的末节点编号与自身编号为3的元件的首节点相同，即其末节点编号也为0001

(2)选择一个负荷点，根据元件之间的首末连接关系和上级电源以及联络开关的位置，可以找到负荷点到上级电源以及联络开关的由元件组成的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成负荷点供电路径列表，类似地遍历所有负荷点。如图2实施例1，对于负荷点L18，其到上级电源S1的供电路径可以通过电流流经的开关表示，如对于S1到L18的供电路径可以表示为{S1，S2，S4，S6}；当线路配置联络开关时，如图3实施例2，L18的供电路径除了到上级电源S1之外还包括其到联络开关S9的供电路径，因此L18的负荷点供电路径可以描述为{{S1，S2，S4，S6}，{S7，S8，S9}}。同理在图4实施例3中负荷点L4的供电路径为{S1，S3，S5，S9}，图5实施例4中负荷点L4的负荷点供电路径可以描述为{{S1，S3，S5，S9}，{S6，S5，S9}，{S13，S12，S11，S9}}。

(3)选择一个配电网元件，根据元件之间的首末连接关系和上级电源以及联络开关的位置，可以找到配电网元件到上级电源以及联络开关的由元件组成的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成元件供电路径列表，类似地遍历所有配电网元件。如图2实施例1的故障元件，其到上级电源S1的供电路径可以通过电流流经的开关表示，对于S1的供电路径可以表示为{S1，S2，S4，S6}；同理在图3实施例2中，故障元件的供电路径可以描述为{{S1，S2，S4，S6}，{S7，S8，S9}}。又如图4实施例3，故障元件对于S1的供电路径可以表示为{S1，S3，S4}；同理在图5实施例4，故障元件的供电路径可以描述为{{S1，S3，S4}，{S6}，{S13，S12，S11，S5，S4}}。

(4)选择一个配电网元件作为故障元件，对每一个负荷点，对比故障元件与负荷点的相同电源的供电路径，故障元件供电路径上非重合部分形成故障隔离开关集合，最后计算集合内所有开关控制均失效的概率，计算出该故障元件对负荷点的等效故障率和等效故障时间，类似的计算该故障元件对其他负荷点的等效故障率和等效故障时间，直至遍历所有配电网元件作为故障元件。如图2实施例1和图3实施例2，对于故障元件，分析其对负荷点L18的影响时发现，故障元件在实施例1和实施例2中的供电路径{S1，S2，S4，S6}、{{S1，S2，S4，S6}，{S7，S8，S9}}，与负荷点L18在实施例1和实施例2中的供电路径{S1，S2，S4，S6}、{{S1，S2，S4，S6}，{S7，S8，S9}}相同，因此认为故障隔离开关集合为对于图4实施例3，故障元件和负荷点L4的供电路径分别为{S1，S3，S4}和{S1，S3，S5，S9}，故障元件供电路径上非重合部分分别为{S4}，因此故障隔离开关集合可表示为{S4}，即可认为故障元件的正确隔离开关负荷点唯一的供电路径上。分析图5实施例4故障元件对负荷点L4的影响时，由L4的负荷点供电路径{{S1，S3，S5，S9}，{S6，S5，S9}，{S13，S12，S11，S9}}以及故障元件的供电路径{{S1，S3，S4}，{S6}，{S13，S12，S11，S5，S4}}可知，故障元件三条供电路径上非重合部分分别为{S4}、/>{S5，S4}，因此故障隔离开关集合可表示为{S5，S4}。

根据开关的可靠性参数可以获得每个开关的控制失效概率为：

式中λ_sw为开关元件的故障率，r_sw为开关元件的故障修复时间。

故障隔离开关集合内所有开关控制均失效的概率即为：

式中P_sw-k为集合内第k个开关元件的控制失效概率，M为故障隔离开关集合。

当故障元件的正确隔离开关为空集或者位于负荷点唯一的供电路径上，该故障元件对负荷点的等效故障率与故障元件的故障率相同，负荷点的等效故障时间与故障元件所在区域的停电时间相同，当故障隔离开关集合内开关能够跳闸、有效隔离故障，负荷点的故障时间为故障元件可以获得故障元件i对负荷点j的等效故障率和等效故障时间，具体如下：

式中λ_i为故障元件i故障率；r为故障元件的修复时间；t_m为人工倒闸操作时间；P_swc为故障区域开关都正确跳闸的概率，计算公式为：

式中P_sw-k为故障区域开关中第k个开关元件的控制失效概率，D为故障区域开关的集合。

否则，该故障元件对负荷点的等效故障率为故障隔离开关集合所有开关均处于控制失效状态的概率与故障率的乘积，负荷点的等效故障时间为人工倒闸时间，计算公式如下：

遍历所有配电网元件作为故障元件后，负荷点j的等效故障率和等效故障时间应为：

(5)根据全部故障元件对所有负荷的等效故障率和等效故障时间，计算负荷的负荷故障率、负荷平均停电持续时间和负荷年平均停电时间及系统平均停电频率SAIFI、系统平均停电持续时间SAIDI、平均供电可靠率ASAI，用户平均停电频率指标CAIDI。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设置配电网元件的可靠性参数和元件之间连接关系，可靠性参数包括配电网元件的故障率和故障修复时间，元件之间的连接关系包括元件的自身编号以及首末节点编号；

S2、历遍所有负荷点，对于每一个负荷点，根据元件之间的首末连接关系，找到负荷点到上级电源以及联络开关的由元件组成的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成负荷点供电路径列表；

S3、历遍所有配电网元件，对于每一个配电网元件，根据元件之间的首末连接关系，找到该配电网元件的上级电源以及联络开关的所有可能供电路径，并以列表形式将所有可能供电路径储存起来，形成故障元件供电路径列表；

S4、历遍所有配电网元件作为故障元件，对每一个故障元件，将故障元件与负荷点的供电路径非重合部分形成故障隔离开关集合，计算故障隔离开关集合内所有开关控制均失效的概率，同时计算故障区域开关都正确跳闸的概率，最后得到负荷点的等效故障率和等效故障时间；

所述故障隔离开关集合内所有开关控制均失效的概率为集合内所有开关的开关控制失效概率相乘：

式中P_sw-k为集合内第k个开关元件的控制失效概率，M为故障隔离开关集合；

所述故障区域开关都正确跳闸的概率由故障区域端点开关均处于开关控制正常状态的概率相乘获得：

式中P_sw-k为故障区域开关中第k个开关元件的控制失效概率，D为故障区域开关的集合；

所述计算负荷点的等效故障率和等效故障时间包括：

当故障元件的正确隔离开关位于负荷点唯一的供电路径上，该故障元件对负荷点的等效故障率与故障元件的故障率相同，负荷点的等效故障时间与故障元件所在区域的停电时间相同，否则，该故障元件对负荷点的等效故障率为故障隔离开关集合所有开关均处于控制失效状态的概率与故障率的乘积，负荷点的等效故障时间为人工倒闸时间；

负荷点的等效故障率和等效故障时间具体分别为：

负荷j的等效故障率为：

负荷j的等效故障时间为：

其中下标L代表负荷点，N为配电网内所有故障元件的集合，为故障元件i对负荷点j的等效故障率，/>为故障元件i对负荷点j的等效故障时间；

S5、根据所有负荷点的可靠性指标，获得配电网考虑开关控制失效的系统可靠性指标。

2.根据权利要求1所述的考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，其特征在于，所述形成负荷点供电路径列表具体为：对于每一个负荷点，其供电路径列表中的每个元素表示其通向上级电源或者联络开关的一条可能供电路径，每个元素为一个一维数组，数组内的元素为元件的自身编号，编号的顺序代表路径供电时的电流先后经过元件的顺序。

3.根据权利要求2所述的考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，其特征在于，所述形成故障元件供电路径列表具体为：对于每一个故障元件，其供电路径列表中的每个元素表示其通向上级电源或者联络开关的一条可能供电路径，每个元素为一个一维数组，数组内的元素为元件的自身编号，编号的顺序代表路径供电时的电流先后经过元件的顺序。

4.根据权利要求3所述的考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，其特征在于，所述形成故障隔离开关集合包括：

选择一个电源点，找到负荷点和故障元件供电路径列表中相对应的供电路径作为一组供电路径；所述电源点包括上级电源、联络开关；

对于相同电源点的负荷点和故障元件的一组供电路径，找出故障元件供电路径上与负荷点供电路径上的不重合部分，不重合部分上的开关元件作为故障隔离开关集合中的元素；

遍历所有电源点，所有负荷点供电路径上不重合路径部分的开关组成故障隔离开关集合。

5.根据权利要求1所述的考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，其特征在于，负荷点的可靠性指标包括：

负荷点i的故障率：

负荷点i的平均停电持续时间：

负荷点i的年平均停电时间：

U_L-i＝λ_L-ir_L-i。

6.根据权利要求5所述的考虑开关控制失效的配电网可靠性评估方法，其特征在于，

配电网考虑开关控制失效的系统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、平均供电可靠率ASAI、用户平均停电频率指标CAIDI：

其中N_i为负荷点i的用户数，R为系统负荷点集合。