CN113780856B - 一种考虑信息系统对实时重构影响的配电网运行评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑信息系统对实时重构影响的配电网运行评估方法，该方法包括：首先构建了一种信息系统的控制结构，根据信息系统的控制结构分析了信息系统的故障来源，并对信息系统进行有效性建模；其次，采用了一种动态网络重构模型和快速求解方法，得到网络重构结果；最后，提出了一种主动配电网实际重构流程，分析了信息系统不同故障对配电网重构过程的影响，并提出了考虑信息系统对实时重构影响的配电网运行评估指标。

Description

一种考虑信息系统对实时重构影响的配电网运行评估方法
技术领域
本发明实施例涉及主动配电网信息物理系统领域，尤其涉及一种考虑信息系统对实时重构影响的配电网运行评估方法。
背景技术
配电网中含有大量的分段开关和联络开关，不同开关状态的组合，可以提供不同的供电路径，满足负荷需求。传统的配电系统一般一年或一季度进行一次网络重构，但考虑到大量分布式可再生能源接入配电网，DG出力容易出现较大波动，传统一年或一季度进行一次网络重构已经不能满足供电质量和系统经济性的要求。
随着通信技术的发展，配电自动化程度的提高，配电网中所有的联络开关和分段开关都可以被实时远程操控，控制中心可以通过终端的智能电子设备(Intelligentelectronic device,IED)控制开关或断路器的开合，即智能化远程控制开关(RemoteControl Switch,RCS)，或智能化远程断路器(Remote Control Circuit Breaker,RCCB)。这使得对主动配电网进行实时重构成为可能，但主动配电网灵活变化的运行状态也为系统带来了风险。
目前针对主动配电信息物理系统的实时重构研究主要集中在三个方面：配电网动态重构建模、动态重构模型的快速求解以及主动配电信息物理系统可靠性分析。这些研究主要存在以下两个问题：(1)现有研究大都集中在网络动态重构的优化策略和快速求解方法，并没有给出实际的网络重构流程。(2)在主动配电信息物理系统的实时重构中，信息系统有非常重要的作用，包括信息采集、信息决策和指令下发等。现有研究多集中在配电信息物理系统可靠性的方面，鲜有研究分析信息系统对主动配电网主动控制的影响，对信息系统影响配电网实时重构的研究尚在起步阶段。
发明内容
本发明的目的在于提出一种考虑信息系统对实时重构影响的配电网运行评估方法，用于评估信息系统对主动配电网实时重构过程影响，对主动配电网建设、改造和运行提供指导。
具体的，本申请提出的一种评估信息系统对主动配电网实时重构影响的方法包括：
(1)构建了一种信息系统的控制结构，根据控制结构分析了信息系统的故障来源；
(2)对信息系统进行有效性建模；
(3)采用了一种动态网络重构模型和快速求解方法；
(4)提出了一种主动配电网实际重构流程，分析了信息系统故障对重构过程的影响；
(5)提出了考虑信息系统对实时重构影响的配电网运行评估指标。
所述步骤(1)的信息系统的控制结构及故障来源，包括：
集中式实时重构控制系统包括物理系统和信息系统。物理系统主要是通过闭合和打开不同线路上的开关或断路器，来改变网络拓扑，完成实时重构。
信息系统的结构如图1所示，主要是由配电主站控制中心、信息传输通道和若干个智能配电电子设备(IED)构成。配电主站控制中心包括硬件系统和软件系统，通过信息传输通道连接IED，获取配电网信息或控制开关的开合。软件系统通过对获取的配电网信息进行处理，发出指令控制完成实时重构过程。信息传输通道指配电主站至IED之间信息流经的设备，包括主干网和接入网。配电主站到配电子站之间为主干网，主干网采用光纤同步数字体系(synchronous digital hierarchy，SDH)，配电子站到IED为接入网，本文接入网为EPON通信方式，EPON光纤通信技术传输带宽大、传输速率快、传输距离长、通信效果好，满足实时重构控制系统的要求。信息传输通道包括主干网的SDH、接入网的光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)、用户侧光网络单元(ONU)和光纤。
信息系统故障分为永久故障和瞬时故障。
永久故障包括智能电子设备(IED)故障、信息传输通道故障和控制中心故障。其中信息传输通道故障中，由于主干网SDH至少采用两条自愈光纤通道，可靠性高，认为其绝对可靠，不考虑其故障情况，主要考虑接入网的光线路终端(OLT)、光分配网络(ODN)和用户侧光网络单元(ONU)及光纤故障等导致的信息传输通道故障。在控制中心故障中，由于硬件系统多采用双备份，并配备不间断电源，可靠性高，不考虑其硬件系统故障，而软件系统由于其自身设计缺陷、运行环境的影响及控制人员误操作等会造成一次或一段时间内的功能失效，丧失了全部或部分功能，不能准确及时的完成软件预期功能，但软件故障时间较短，认为会影响单次指令的下发失败或单次判断失败。
瞬时故障是配电通信的特有问题，主要是丢包故障，表现在设备完好条件下，有时会出现数据丢包或者规定时间内采集信息不能到达的情况，认为只会影响单次的信息传递。
所述步骤(2)的信息系统进行有效性建模，包括：
1.智能电子设备有效性建模
智能电子设备(IED)属于可修复元件，此类元件以“正常-故障-正常”的状态进行循环运行，本文采用马尔可夫两状态模型对其可用性进行建模，分别用元件年故障率和故障修复时间来描述其正常工作状态和故障状态：
tr,k＝-rk lnξ2 7)
tf,k为第k类设备从正常状态运行到故障状态的时间，tr,k为第k类设备从故障状态到正常状态的时间。为第k类设备的故障率，rk为第k类设备的最大修复时间，ξ1和ξ2为(0，1)之间的随机数。
2.信息传输通道有效性建模
信息传输通道的有效性与信息通道内元件的有效性和网络拓扑有关。假设第k个开关连接的IED与配电主站的传输通道由m个元件组成，只有这m个元件均有效，这条通路才有效，其有效性可以用串联模型表示：
C(k)＝S(1)∩S(2)∩...∩S(m) 8)
式中：S(m)表示元件m的状态，V(k)代表第k个开关连接的IED与配电主站的传输通道的有效性，传输通道中的元件也为可修复元件，所以也采用上文中的两状态模型：
即当C(k)＝1时，传输通道k才有效。
3.控制中心软件系统有效性建模
软件系统的故障是可修复，也可以采用两状态模型。
4.瞬时故障建模
数据包传输过程中的瞬时故障，包括丢包、延时、乱码等，是不需要修复的，是单次瞬时故障，设置为0.01％。
所述步骤(3)的一种动态网络重构模型和快速求解方法，包括：
提出一种动态网络重构模型，以一段时间区间内网络有功网损最小为目标函数：
式中，a，b为某次网络重构的起始时间和终止时间，L为研究区域内线路的总条数，xl为支路l的开关状态，1表示开关闭合，0表示开关打开，Ploss,l为第l条线路上的有功网损。
约束条件：
1)潮流约束
AP＝D 11)
式中：A表示节点-支路关联矩阵；P表示馈线潮流矢量；D表示负荷需求矢量。
2)节点电压约束
Umin,i≤Ui≤Umax,i (12)
式中：Umin,i表示节点i的允许电压下限；Ui表示节点i的电压；Umax,i表示节点i的允许电压上限。
3)线路功率约束
Sl≤Smax,l (13)
式中：Sl表示第l条线路流过的功率；Smax,l表示第l条线路允许的最大功率。
4)网络拓扑结构约束
gx∈G (14)
式中：gx为重构后某个辐射状网络结构；G表示所有辐射状网络的集合。
5)可再生能源机组出力约束
Pds,i(t)≤Pds,i(t)max (15)
式中：Pds,i(t)为第i台可再生能源机组在t时刻的出力，Pds,i(t)max为第i台可再生能源机组在t时刻的出力的最大值。
在求解方法上采用二阶锥松弛的方法对潮流方程约束进行转化，消除约束式中的凸源，从而在数学上具有良好的可解性，进而可以使用商业求解器求解。
所述步骤(4)的主动配电网实际重构流程，包括：
主动配电网实时重构如图2所示，主要包括重构开始前、合环开始、合环确认、解环开始和解环确认五个过程，主要流程如下：
1)配电主站根据日前负荷预测，确定重构次数和重构时间段。
2)设定重构在每个重构时段的初始时刻开始，重构开始前，首先配电主站根据从IED获取的开关两侧的电压信息判断是否满足合环条件。
3)若不满足合环条件，此次重构结束；若满足合环条件，则合环开始，下发合环指令到对应的IED，操作相应的开关或断路器闭合。
4)合环确认：IED将开关或断路器动作状态传回配电主站，若收到开关或断路器闭合信号，则完成此次合环操作；若收到仍在打开状态，则此次重构结束，对开关或断路器、相连的IED和传输通道进行检修。
5)收到开关或断路器闭合状态后，解环开始，配电主站下发解环指令到对应的IED，操作相应的开关或断路器打开。
6)解环确认：IED将开关或断路器动作状态传回配电主站，若收到开关或断路器打开信号，则完成此次合解环操作；若没有收到，则此次和解环操作失败，对解环操作中的开关或断路器、相连的IED和传输通道进行检修。
所述步骤(4)的信息系统故障对重构过程影响，包括：
在重构开始前，IED故障、信息传输通道故障和瞬时故障导致采集数据无法上传，控制中心无法判断是否满足合环条件，本次重构失败；而控制中心软件系统故障导致获取的电压信息满足合环条件被误判为不可以合环，获取的电压信息不满足合环条件被误判为可以合环，前者导致本次重构失败，后者会导致保护动作，造成停电。
在合环开始时，IED故障、信息传输通道故障、控制中心软件系统故障和瞬时故障导致合环指令无法正确下达，本次重构失败。
在合环确认时，IED故障、信息传输通道故障和瞬时故障导致开关闭合状态回传失败，控制中心误认为合环失败，系统合环运行；控制中心收到开关闭合状态信息，软件系统故障，判断失误，误认为合环失败，系统合环运行。
在解环开始和解环确认过程中时，IED故障、信息传输通道故障、控制中心软件系统故障和瞬时故障导致解环指令无法正确下达或开关打开状态无法正确上传或识别，本次重构失败。
在出现系统出现重构失败后，对系统进行检修。IED故障的维修过程中，会造成IED控制的开关或断路器两侧负荷停电，停电时间为IED的维修时间；信息传输通道故障维修时间较长，不止影响一次重构过程，造成多次重构失败；控制中心软件系统故障修复时间很短，认为只会影响一次重构过程；如果检修发现是瞬时故障，则不需要维修。
所述步骤(5)的提出了考虑信息系统对实时重构影响的配电网运行评估指标，包括：
通过信息系统故障对实时重构影响的分析，提出了考虑经济性的Nloss、考虑可靠性的LOEE与SAIFI、考虑运行风险的Nc作为信息系统故障对实时重构影响的评估指标，并在此基础上提出了综合评估指标。
式中：Nloss为网络重构失败所多产生出的线路损耗的年期望值，T为总的模拟时长，N为在总的模拟时长内所进行的网络重构的次数，a，b为第n次网络重构的起始时间和终止时间，xl,n为第n次重构时，支路l的开关状态，1表示开关闭合，0表示开关打开。yn表示第n次重构是否成功，1表示重构失败，0表示重构成功。
式中：LOEE表示年期望失负荷，LOEEn表示第n次网络重构失败造成的失负荷量。
式中：SAIFI表示系统年平均停电次数，zn表示第n次网络重构失败造成的停电户数，M为研究区域内总户数。
式中：Nc表示年期望合环运行次数，zn表示第n次网络重构是否发生合环运行，1表示发生合环运行，0表示没有发生合环运行。
(
F＝ηlNloss+ηeLOEE+ηsSAIFI+ηcNc
20)
式中：F为年综合评价指标，ηl为网损惩罚系数，ηe为单位缺供电量的惩罚系数，ηs为单位停电次数的惩罚系数，ηc为合环运行的惩罚系数。
本发明的优点是：本发明构建了一种信息系统的控制结构，对信息系统进行有效性建模，根据控制结构分析了信息系统的故障来源，提出了一种主动配电网实际重构流程，分析了信息系统故障对重构过程的影响，并提出了对应的评估指标，能够准确评估由于信息系统故障影响实时重构对配电网运行造成的影响，为配电网规划、运行和调度提供指导。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的信息系统结构图；
图2为本发明的配电网实际重构过程流程图；
图3为本发明的模拟求解流程图；
图4为本实施例中配电网及其通讯网结构图；
图5为本实施例中四季典型日负荷特性；
图6为本实施例中信息系统各类故障原因占比；
图7为本实施例中Nloss的故障原因占比；
图8为本实施例中Nc的故障原因占比；
具体实施方式
为使本发明的结构和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的结构作进一步地描述。
结合图3详细阐述本发明所提一种考虑信息系统对实时重构影响的配电网运行评估方法的整体求解流程，具体步骤如下：
Step1:输入配电网及其通信网的信息；
Step2:利用k-means聚类对负荷特性进行聚类，确定重构时段，然后利用提出的一种网络重构模型和快速求解方法求解每个重构时段动作的开关；
Step3:利用蒙特卡洛方法进行仿真模型，基于信息系统的有效性建模，生成随机数，转化为失效前运行时间，找到失效前运行时间最小的设备元件设定为故障元件；
Step4:对该设备元件生成新的随机数并计算设备元件的故障时间；
Step5:根据该元件故障开始时刻和结束时刻判断影响重构的时段；
Step6:对每个受影响的重构时段生成新的随机数，确定受影响的重构过程；
Step7:根据故障类型和受影响的重构过程确定故障后果，计算评估指标；
Step8:统计评估指标；
Step9:判断是否小于模拟时间，若是则进行下一次模拟，时间前推为本次故障设备的失效前运行时间和故障时间，然后进行步骤3，否则进行步骤10；
Step10:蒙特卡洛模拟结束，输出年评估指标。
实施例
实施例采用IEEE33节点如图4所示，并在其基础上做了改进扩展，其中在节点负荷方面，节点18/22/25配置了0.2MW的光伏电站，节点33配置了0.6MW的风机电站，通过33节点的负荷见表1所示和四季典型日负荷曲线如图5所示，得到每个节点的8760负荷曲线。
在开关设置方面，除了S33/S34/S35三个联络开关为智能化远程控制开关(RemoteControl Switch,RCS)，还设置了S7/S9/S11/S28等四个分段开关为RCS。
通信网采用EPON技术，共包括7个IED、7个OLT、9个分光器和配电子站中的OLT和SDH交换机及配电主站中的SDH交换机和控制中心，其中光纤铺设路径和分光器设置如图4所示，信息系统元件故障率及修复时间见表2所示。
在评价指标参数设置方面，网损成本价格为0.8元/(kW·h)，单位缺供电量惩罚系数为10000/(MW·h)，单位停电次数的惩罚系数为1000/次，合环运行的惩罚系数为100/次。
表1IEEE33节点
表2 信息系统元件故障率及修复时间
计算结果如下，其中信息系统永久故障的影响的见表3，信息系统瞬时故障的影响见表4，信息系统全故障的影响见表5，可以发现信息系统瞬时故障对配电网可靠性不产生影响，主要会增加网络损耗和产生合环运行风险。
表3信息系统永久故障的影响
表4信息系统瞬时故障的影响
表5信息系统全故障的影响
信息系统各类故障原因占比见图6所示，可以发现瞬时故障是最大的故障来源，其次是光纤故障和OLT故障。
故障来源中，Nloss和Nc来源见图7和图8所示，由于瞬时故障只影响一次网络重构，而光纤修复时间长，不仅仅影响一次网络重构，所以在因网络重构而引起的网损增加值方面，光纤故障是最主要的原因；在合环运行次数方面，由于瞬时故障和光纤故障的故障次数多，所以是造成合环运行最主要的原因。而电网可靠性指标LOEE和SAIFI只有IED故障后需要检修时，受IED影响的需要停电，影响电网的可靠性。结果表明，信息系统故障会造成配电网实时重构失败，且造成的后果与信息系统的故障类型、硬件设备类型和瞬时故障率等因素相关。研究成果可为主动配电网信息物理系统的规划和运行提供有效技术支撑。
上述实施例中的各个序号仅仅为了描述，不代表各部件的组装或使用过程中的先后顺序。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种评估信息系统对主动配电网实时重构影响的方法，其特征在于，具体步骤如下：
Step1:输入配电网及其通信网的信息，信息包括各设备元件故障率、修复时间，分布式电源出力特性，负荷需求特性，配电网及其通信网络结构参数；
Step2:利用k-means聚类对负荷特性进行聚类，确定重构时段，然后利用网络重构模型和快速求解方法求解每个重构时段动作的开关；
Step3:利用蒙特卡洛方法进行仿真模型，基于信息系统的有效性建模，生成随机数，转化为失效前运行时间，找到失效前运行时间最小的设备元件设定为故障元件；
有效性建模，包括：
(1)智能电子设备有效性建模
分别用元件年故障率和故障修复时间来描述其正常工作状态和故障状态：
tr,k＝-rk lnξ2 7)
tf,k为第k类设备从正常状态运行到故障状态的时间，tr,k为第k类设备从故障状态到正常状态的时间，为第k类设备的故障率，rk为第k类设备的最大修复时间，ξ1和ξ2为(0，1)之间的随机数；
(2)信息传输通道有效性建模
信息传输通道的有效性与信息通道内元件的有效性和网络拓扑有关，假设第k个开关连接的IED与配电主站的传输通道由m个元件组成，只有这m个元件均有效，这条通路才有效，其有效性可以用串联模型表示：
C(k)＝S(1)∩S(2)∩...∩S(m) 8)
式中：S(m)表示元件m的状态，V(k)代表第k个开关连接的IED与配电主站的传输通道的有效性，传输通道中的元件也为可修复元件，所以也采用上文中的两状态模型：
即当C(k)＝1时，传输通道k才有效；
Step4:对该设备元件生成新的随机数并计算设备元件的故障时间；
Step5:根据该元件故障开始时刻和结束时刻判断影响重构的时段；
Step6:对每个受影响的重构时段生成新的随机数，确定受影响的重构过程；
Step7:根据故障类型和受影响的重构过程确定故障后果，计算评估指标；
Step8:统计评估指标；
Step9:判断是否小于模拟时间，若是则进行下一次模拟，时间前推为本次故障设备的失效前运行时间和故障时间，然后进行步骤3，否则进行步骤10；
Step10:蒙特卡洛模拟结束，输出年评估指标，年评估指标包括：
通过信息系统故障对实时重构影响的分析，提出了考虑经济性的Nloss、考虑可靠性的LOEE与SAIFI、考虑运行风险的Nc作为信息系统故障对实时重构影响的评估指标，并在此基础上提出了综合评估指标；
式中：Nloss为网络重构失败所多产生出的线路损耗的年期望值，T为总的模拟时长，N为在总的模拟时长内所进行的网络重构的次数，a，b为第n次网络重构的起始时间和终止时间，xl,n为第n次重构时，支路l的开关状态，1表示开关闭合，0表示开关打开,yn表示第n次重构是否成功，1表示重构失败，0表示重构成功；
式中：LOEE表示年期望失负荷，LOEEn表示第n次网络重构失败造成的失负荷量；
式中：SAIFI表示系统年平均停电次数，zn表示第n次网络重构失败造成的停电户数，M为研究区域内总户数；
式中：Nc表示年期望合环运行次数，zn表示第n次网络重构是否发生合环运行，1表示发生合环运行，0表示没有发生合环运行；
F＝ηlNloss+ηeLOEE+ηsSAIFI+ηcNc 20)
式中：F为年综合评价指标，ηl为网损惩罚系数，ηe为单位缺供电量的惩罚系数，ηs为单位停电次数的惩罚系数，ηc为合环运行的惩罚系数。
2.根据权利要求1所述的一种评估信息系统对主动配电网实时重构影响的方法，其特征在于，所述Step2中网络重构模型为：
以一段时间区间内网络有功网损最小为目标函数：
式中，a，b为某次网络重构的起始时间和终止时间，L为研究区域内线路的总条数，xl为支路l的开关状态，1表示开关闭合，0表示开关打开，Ploss,l为第l条线路上的有功网损；
约束条件：
1)潮流约束
AP＝D 11)
式中：A表示节点-支路关联矩阵；P表示馈线潮流矢量；D表示负荷需求矢量；
2)节点电压约束
Umin,i≤Ui≤Umax,i 12)
式中：Umin,i表示节点i的允许电压下限；Ui表示节点i的电压；Umax,i表示节点i的允许电压上限；
3)线路功率约束
Sl≤Smax,l 13)
式中：Sl表示第l条线路流过的功率；Smax,l表示第l条线路允许的最大功率；
4)网络拓扑结构约束
gx∈G 14)
式中：gx为重构后某个辐射状网络结构；G表示所有辐射状网络的集合；
5)可再生能源机组出力约束
Pds,i(t)≤Pds,i(t)max 15)
式中：Pds,i(t)为第i台可再生能源机组在t时刻的出力，Pds,i(t)max为第i台可再生能源机组在t时刻的出力的最大值；
在求解方法上采用二阶锥松弛的方法对潮流方程约束进行转化，消除约束式中的凸源，从而在数学上具有良好的可解性，进而使用商业求解器求解。
3.根据权利要求1所述的一种评估信息系统对主动配电网实时重构影响的方法，其特征在于，所述Step6中重构过程，流程如下：
1)配电主站根据日前负荷预测，确定重构次数和重构时间段；
2)设定重构在每个重构时段的初始时刻开始，重构开始前，首先配电主站根据从IED获取的开关两侧的电压信息判断是否满足合环条件；
3)若不满足合环条件，此次重构结束；若满足合环条件，则合环开始，下发合环指令到对应的IED，操作相应的开关或断路器闭合；
4)合环确认：IED将开关或断路器动作状态传回配电主站，若收到开关或断路器闭合信号，则完成此次合环操作；若收到仍在打开状态，则此次重构结束，对开关或断路器、相连的IED和传输通道进行检修；
5)收到开关或断路器闭合状态后，解环开始，配电主站下发解环指令到对应的IED，操作相应的开关或断路器打开；
6)解环确认：IED将开关或断路器动作状态传回配电主站，若收到开关或断路器打开信号，则完成此次合解环操作；若没有收到，则此次和解环操作失败，对解环操作中的开关或断路器、相连的IED和传输通道进行检修。
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