CN113793039B - 一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法，建立中低压配电网可靠性协同评估框架；结合馈线分区理念，对配置不同类型终端设备的馈线区进行分类；基于构建的分区逻辑，建立考虑多模块智能终端设备配置的故障查找与影响分析过程；结合所提故障查找与影响分析过程，提出不同电压等级协同分析的中低压蒙特卡洛可靠性评估方法。本发明充分考虑每一个10kV配电变压器对配变台区的影响，以反映配电网不同环节对用户供电可靠性的影响程度；并加入对不同类型终端设备的考虑，体现配电自动化在中低压配电网供电可靠性提升中的作用，为相关工作人员提供更为精准的多电压等级配电网可靠性评估结果。

Description

一种考虑多类型终端的中低压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技术领域，尤其涉及一种考虑多种终端配置的中低压配电网供电可靠性协同评估方法，适用于在配电网可靠性评估中，将评估口径扩展至低压配电网、考虑中低压配电网中多种终端配置后的可靠性评估工作。
背景技术
供电可靠性是衡量电网持续供电水平的重要指标。中低压配电网接近末端用户，对可靠性的影响最为直接。长期以来我国供电可靠性的统计口径均为中压计量点，而国际先进国家和地区均以自然户来观测可靠性。为准确反映用户的真实停电情况、对标国际先进可靠性评估体系，2018年9月我国国家能源局发布《关于开展低压用户供电可靠性管理工作的通知》，开展面向低压自然户的供电可靠性管理研究和实践。然而，针对配电网建设改造方案的供电可靠性评估还主要面向中压配电网开展，与我国现行供电可靠性统计口径不一致，难以细致估算各类提升措施(尤其是低压环节)对供电可靠性的精确影响。因此，亟待研究中低压可靠性协同评估方法，夯实用户可靠性管理的最后一米，推动我国电力供应的高质量发展。
在中低压配电网可靠性研究方面，现有工作主要集中于将供电可靠性统计延伸至低压用户的可行性方法探索，除了常用的概率统计方法和故障模拟方法，还提出了基于智能电表的低压供电可靠性系统建设方案。另有研究根据用户用电特性与需求的概念建立了评价指标体系，其中对比指标可反映中低压用户之间线路的可靠性水平，突出低压配网可靠性、复电通知效率等影响用电可靠性的问题。虽然上述研究拓展了可靠性统计技术与范围、补充了中低压配电网可靠性协同评估指标，但鲜有文献兼顾中低压配电网可靠性评估方法进行分析。
此外，随着配电自动化水平的提高，装设在开关上的终端设备可实现故障的快速处理。终端可进一步分为保护设备和自动化设备，供电可靠性评估需要考虑不同终端接入对配电网的影响。现有研究分析了二遥终端和三遥终端对故障停电时间的影响，建立了计及故障段内定位时间的复杂配电系统分区可靠性计算模型。另有文献在配电系统可靠性评估中将开关元件分为断路器和隔离开关，评估在断路器配置了保护装置、隔离开关未配置终端时的配电网可靠性。相关文献虽加入了对终端的考虑，但终端类型单一，无法体现保护设备与自动化设备在故障处理上的时间优势互补。
综上所述，如何在配电网的可靠性评估中，考虑各类终端对中低压配电网可靠性的影响，开展中低压配电网的可靠性协同评估研究很有必要。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法。本发明结合馈线分区理念，考虑各类终端对供电可靠性的影响，建立基于多模块智能终端设备配置的故障查找与影响分析逻辑，并基于此提出中低压配电网协同分析的蒙特卡洛可靠性评估方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法，具体包括以下步骤：
(1)建立中低压配电网可靠性协同评估框架；
(2)结合馈线分区理念，对配置不同类型终端设备的馈线区进行分类；
(3)基于构建的分区逻辑，建立考虑多模块智能终端设备配置的故障查找与影响分析过程；
(4)结合所提故障查找与影响分析过程，提出不同电压等级协同分析的中低压蒙特卡洛可靠性评估方法。
所述的建立中低压配电网可靠性协同评估框架，具体内容如下：将中低压配电系统分为中压配电网层和低压配电网层；故障发生后，响应过程包括层次内部处理和层次间数据传递，当故障发生在低压配电网层时，上游开关动作将其与上级非故障层隔离，即中压配电网层不受影响，因此低压配电网层只有故障的层次内部处理，具体故障后层次间的故障协同处理过程如下：
中压配电网层首先分析其中各元件故障对负荷点造成的影响，代入故障元件的可靠性参数，进行定量计算，并对输出结果进行统计，得到各负荷点可靠性指标；
低压配电网层将负荷点的可靠性指标作为输入参数之一，分析其中各个元件故障对用户造成的供电影响，计算出每一台配变下用户的供电可靠性指标，对结果进行统计和加权平均，进而获得中低压配电网的户均供电可靠性指标。
所述的各个负荷点为中压配电网中的每一台配电变压器。
所述的中压配电网层的输出结果包括：负荷点LPj的故障频率λj和停电时间tj。
所述的结合馈线分区理念，对配置不同类型终端设备的馈线区进行分类，具体如下：
将所述的配置不同类型终端设备的馈线区划分为6个最小隔离区，最小隔离区是具有共同入口开关的元件集和，且每一最小隔离区只包括一个开关，同一最小隔离区的元件故障影响相同，故障发生后，各最小隔离区根据相互的位置关系进一步划分为不同的类型：
(1)故障区
故障元件所属的最小隔离区为故障区，故障区域停电时间为故障处理时间；
(2)正常区
故障发生后，故障区域的上游区中，能够通过级差保护快速与故障区域隔离的最小隔离区，停电时间近似为0，此类最小隔离区的集和定义为正常区；
(3)上游人工隔离区与上游自动隔离区
上游隔离区定义为从故障区的入口开关所连接的另一最小隔离区到正常区之间的范围，上游隔离区停电时间因其入口开关和故障区入口开关配置的终端类型不同而不同；
(4)人工联络转供区与自动联络转供区
联络转供区定义为发生故障后通过下游联络线路转供恢复供电的区域，联络转供区停电时间因其入口开关配置的终端类型不同而不同。
所述的上游隔离区停电时间因其入口开关和故障区入口开关配置的终端类型不同而不同，具体如下：
1)若上游隔离区的入口开关未配置自动化终端或配置二遥终端，上游隔离区的停电时间为人工现场操作隔离故障时间，此时上游隔离区可进一步定义为上游人工隔离区；
2)若故障区入口开关未配置自动化终端或配置二遥终端，上游隔离区的停电时间为人工现场操作隔离故障时间，定义为上游人工隔离区；
3)若上游隔离区的入口开关和故障区入口开关均配置三遥终端，停电时间为远程故障隔离时间,此时上游隔离区进一步定义为上游自动隔离区。
所述的联络转供区停电时间因其入口开关配置的终端类型不同而不同，具体如下：
1)若联络转供区的入口开关未配置自动化终端或配置二遥终端，则停电时间为人工现场操作负荷转供时间，此时联络转供区进一步定义为人工联络转供区；
2)若联络转供区的入口开关配置了三遥终端，则停电时间为远程负荷转供时间，定义为自动联络转供区；
若联络线无法将故障区下游负荷全部转供，则被削减的负荷停电时间为故障处理时间。
所述的基于构建的分区逻辑，建立考虑多模块智能终端设备配置的故障查找与影响分析过程，具体如下：
首先对馈线段进行编号，所有馈线段构成的集合为K，对任一馈线故障，找到其所属最小隔离区，并以此确定正常区、上游隔离区和联络转供区，遍历并记录每一个馈线段故障所对应的区域类型，构建相应的故障模式影响分析表。
所述的结合所提故障查找与影响分析过程，提出不同电压等级协同分析的中低压蒙特卡洛可靠性评估方法，具体步骤如下：
步骤1：设定模拟年数，抽样各非电源元件的正常运行时间；
步骤2：选取正常运行时间最小的元件为故障元件，抽样其故障修复时间并推进模拟时钟，判断其所属电压等级，若属于低压配电网，则转至步骤6；若故障元件属于中压配电网，则继续步骤3；
步骤3：进行故障影响分析，确定各区域的具体类型以及在故障后的停电时间；
步骤4：计算故障期间各负荷点的故障频率及停电时间，将每一个负荷点指标输入对应的低压供电台区；
步骤5：基于低压配电网区域网络结构进行故障影响分析，对低压供电台区形成低压配电网元件故障模式影响分析表；
步骤6：遍历所有低压供电台区，统计每一个负荷点下的用户供电可靠性指标；
步骤7：对故障元件抽样新的运行时间，并推进模拟时钟；
步骤8：读取模拟时钟，未跨年则累加用户停电时间；跨年则所有配变下的用户可靠性指标进行加权平均，计算系统该年的可靠性指标；
步骤9：判断时钟是否达到模拟年数，未达到则返回步骤2；达到则结束模拟，统计各年的结果，进而计算全网户均供电可靠性指标。
本发明的优点是：本发明充分考虑每一个10kV配电变压器对配变台区的影响，以反映配电网不同环节对用户供电可靠性的影响程度；并加入对不同类型终端设备的考虑，体现配电自动化在中低压配电网供电可靠性提升中的作用。通过实例分析，展现了该方法的评估效果，并得到了相关结论，可为相关工作人员提供更为精准的多电压等级配电网可靠性评估结果。
附图说明
图1为本发明流程图。
图2为中低压配电网可靠性协同评估框架图。
图3为含多模块智能终端设备的馈线分区图。
图4为馈线段故障后的故障影响查找与分析流程图。
图5为配置多种终端的IEEE RBTS BUS-2配电系统图。
图6为典型低压配电网结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法，具体包括以下步骤：首先，建立中低压配电网可靠性协同评估框架；其次，结合馈线分区理念，对配置不同类型终端设备的馈线区进行分类；再次，基于构建的分区逻辑，建立考虑多模块智能终端设备配置的故障查找与影响分析过程；最后，结合所提故障分析过程，提出不同电压等级协同分析的中低压蒙特卡洛可靠性评估方法。
1.中低压配电网可靠性协同评估框架
本文将中低压配电系统分为中压配电网层和低压配电网层。故障发生后，响应过程包括层次内部处理和层次间数据传递。当故障发生在低压配电网层时，上游开关动作可以将其与上级非故障层隔离，即中压配电网层不受影响，因此低压配电网层只有故障的层次内部处理。下面详细说明故障后层次间的故障协同处理过程。
中压配电网层首先分析其中各元件故障对负荷点造成的影响，代入故障元件的可靠性参数，进行定量计算，并对结果进行统计，得到各负荷点可靠性指标，此处的各个负荷点即为中压配电网中的每一台配电变压器。中压配电网层输出结果包括：负荷点LPj的故障频率λj和停电时间tj。
低压配电网层将负荷点的可靠性指标作为输入参数之一，分析其中各个元件故障对用户造成的供电影响，计算出每一台配变下用户的供电可靠性指标，对结果进行统计和加权平均，进而获得中低压配电网的户均供电可靠性指标。
中低压配电网可靠性协同评估框架如图2所示。
2.考虑不同类型终端设备配置的馈线分区
本发明采用故障模式影响分析法(Failure Mode and Effects Analysis，FMEA)对含多种终端的配电系统进行可靠性分析。
最小隔离区是具有共同入口开关的元件集和，且每一最小隔离区只包括一个开关，同一最小隔离区的元件故障影响相同。故障发生后，各最小隔离区可根据相互的位置关系进一步划分，以图3所示的馈线为例，根据定义，其被划分为6个最小隔离区，当D3区域发生故障③时，分析不同分区的类型。
(1)故障区
故障元件所属的最小隔离区定义为故障区，故障区域停电时间为故障处理时间。图3中的D3即为故障区。
(2)正常区
故障发生后，故障区域的上游区中，能够通过级差保护快速与故障区域隔离的最小隔离区，停电时间可近似为0，此类最小隔离区的集和定义为正常区。图3中故障③发生后，因S2为具有级差保护的分段开关，可瞬间断开，故D1为正常区。
(3)上游人工隔离区与上游自动隔离区
上游隔离区定义为从故障区的入口开关所连接的另一最小隔离区到正常区之间的范围，上游隔离区停电时间因其入口开关和故障区入口开关配置的终端类型不同而不同。
1)若上游隔离区的入口开关未配置自动化终端或配置二遥终端，上游隔离区的停电时间为人工现场操作隔离故障时间，此时上游隔离区可进一步定义为上游人工隔离区。
2)若故障区入口开关未配置自动化终端或配置二遥终端，上游隔离区的停电时间为人工现场操作隔离故障时间，定义为上游人工隔离区。
3)若上游隔离区的入口开关和故障区入口开关均配置三遥终端，停电时间为远程故障隔离时间,此时上游隔离区可进一步定义为上游自动隔离区。
图3中上游隔离区为D2，因S2未配置终端，故D2为上游人工隔离区。
(4)人工联络转供区与自动联络转供区
联络转供区定义为发生故障后可以通过下游联络线路转供恢复供电的区域。联络转供区停电时间因其入口开关配置的终端类型不同而不同。
1)若联络转供区的入口开关未配置自动化终端或配置二遥终端，则停电时间为人工现场操作负荷转供时间，此时联络转供区可进一步定义为人工联络转供区。
2)若联络转供区的入口开关配置了三遥终端，则停电时间为远程负荷转供时间，定义为自动联络转供区。
此外，若联络线无法将故障区下游负荷全部转供，则被削减的负荷停电时间为故障处理时间。图3中联络转供区为D4、D5、D6，其中D5入口开关配置了三遥终端，故其为自动联络转供区。D4和D5入口开关分别为未配置终端和配置了二遥终端的分段开关，故均为人工联络转供区。
3.基于馈线分区的故障查找与影响分析
本发明重点考虑最小隔离区内部的馈线段、配变以及开关的故障，下面以馈线段为例说明本发明所提故障影响查找方法，明确故障后不同最小隔离区的区域类型。
首先对馈线段进行编号，所有馈线段构成的集合为K。对任一馈线故障，找到其所属最小隔离区，并以此确定正常区、上游隔离区和联络转供区。遍历并记录每一个馈线段故障所对应的区域类型，构建相应的故障模式影响分析表(FMEA)。
图4为馈线段故障时基于馈线分区的故障影响查找与分析流程图。
配变故障与馈线段故障分析流程相同。开关故障，则需将开关所连接的两个馈线区合并为一个馈线区，并视为故障区，再根据最小隔离区故障的分析流程进行各区域类型的判断。
表1给出了发生故障①～⑥时各个最小隔离区在上述分区逻辑下所对应的区域类型。
表1故障点①～⑥下的最小隔离区区域类型
4.中低压配电网供电可靠性协同评估流程
低压配电网网络结构为辐射型，对于单一元件故障建立FMEA表的过程并不复杂，同时结合故障扩散等方法可较快速形成故障模式影响分析表，更易于实现可靠性指标的快速计算。结合故障分析方法，中低压可靠性协同评估序贯蒙特卡洛模拟流程如下：
步骤1：设定模拟年数，抽样各非电源元件的正常运行时间。
步骤2：选取正常运行时间最小的元件为故障元件，抽样其故障修复时间并推进模拟时钟，判断其所属电压等级，若属于低压配电网，则转至步骤6。若故障元件属于中压配电网，则继续下一步。
步骤3：进行故障影响分析，确定各区域的具体类型以及在故障后的停电时间。
步骤4：计算故障期间各负荷点的故障频率及停电时间，将每一个负荷点指标输入对应的低压供电台区。
步骤5：基于低压配电网区域网络结构进行故障影响分析，对低压供电台区形成低压配电网元件FMEA表。
步骤6：遍历所有低压供电台区，统计每一个负荷点下的用户供电可靠性指标。
步骤7：对故障元件抽样新的运行时间，并推进模拟时钟。
步骤8：读取模拟时钟，未跨年则累加用户停电时间；跨年则所有配变下的用户可靠性指标进行加权平均，计算系统该年的可靠性指标。
步骤9：判断时钟是否达到模拟年数，未达到则返回步骤2；达到则结束模拟，统计各年的结果，进而计算全网户均供电可靠性指标。
实施例：
采用的中压配电系统在原始IEEE RBTS BUS-2配电系统基础上进行了改进。该系统共有4条出线，形成两组单环网。原始系统中馈线出口处已安装断路器，各条主干线首端已安装分段开关，各分支线已安装熔断器。改进后的终端配置结果如图5所示，其中馈线出口处断路器和联络开关均配置三遥终端。未配置终端时，故障查找与人工隔离故障时间之和为3h，继电保护装置的故障切除时间忽略不计，安装二遥终端后，人工隔离故障时间为1h，安装三遥终端后，自动隔离故障和恢复供电时间为0.05h。
典型低压配电网结构如图5所示，元件的可靠性数据见表1，负荷数据见表2，用户基础参数见表3，隔离开关的操作时间为0.5h。假设中压配电网中每个负荷点LPj下的用户分布情况均如图6所示。
表2元件可靠性参数
表3用户基础参数
设置4种场景对中低压配电网可靠性指标进行计算，通过MATLAB仿真分析，计算所得系统可靠性指标如表4所示。
表4 4种场景下系统可靠性指标计算结果
表4中的结果表明，系统平均停电持续时间指标(SAIDI)、平均供电可用度指标(ASAI)和系统总电量不足指标(ENS)均与用户停电持续时间有关，因此受中低压配电网终端安装情况的影响。系统平均停电频率(SAIFI)只与用户的停电次数有关，不受故障处理时间的影响，故两种场景下数值不变。
中低压均未配置终端时，用户停电时间最长，此时在4种场景下的SAIDI和ENS数值最大，ASAI数值最小，即系统的供电可靠性最差。配置终端后能够使系统的可靠性指标有明显的提升，终端通过有效缩短故障处理和负荷转供时间，使用户停电持续时间减少，系统供电可靠性得到提升。其中在低压配电网安装智能终端，中压配电网配置多种终端时提升效果最明显。

Claims (6)

1.一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）建立中低压配电网可靠性协同评估框架；
（2）结合馈线分区理念，对配置不同类型终端设备的馈线区进行分类；
（3）基于构建的分区逻辑，建立考虑多模块智能终端设备配置的故障查找与影响分析过程；
（4）结合所提故障查找与影响分析过程，提出不同电压等级协同分析的中低压蒙特卡洛可靠性评估方法；
所述的建立中低压配电网可靠性协同评估框架，具体内容如下：将中低压配电系统分为中压配电网层和低压配电网层；故障发生后，响应过程包括层次内部处理和层次间数据传递，当故障发生在低压配电网层时，上游开关动作将其与上级非故障层隔离，即中压配电网层不受影响，因此低压配电网层只有故障的层次内部处理，具体故障后层次间的故障协同处理过程如下：中压配电网层首先分析其中各元件故障对负荷点造成的影响，代入故障元件的可靠性参数，进行定量计算，并对输出结果进行统计，得到各负荷点可靠性指标；低压配电网层将负荷点的可靠性指标作为输入参数之一，分析其中各个元件故障对用户造成的供电影响，计算出每一台配变下用户的供电可靠性指标，对结果进行统计和加权平均，进而获得中低压配电网的户均供电可靠性指标；
所述的结合馈线分区理念，对配置不同类型终端设备的馈线区进行分类，具体如下：将所述的配置不同类型终端设备的馈线区划分为6个最小隔离区，最小隔离区是具有共同入口开关的元件集和，且每一最小隔离区只包括一个开关，同一最小隔离区的元件故障影响相同，故障发生后，各最小隔离区根据相互的位置关系进一步划分为不同的类型：
（1）故障区：故障元件所属的最小隔离区为故障区，故障区域停电时间为故障处理时间；
（2）正常区：故障发生后，故障区域的上游区中，能够通过级差保护快速与故障区域隔离的最小隔离区，停电时间近似为0，此类最小隔离区的集和定义为正常区；（3）上游人工隔离区与上游自动隔离区：上游隔离区定义为从故障区的入口开关所连接的另一最小隔离区到正常区之间的范围，上游隔离区停电时间因其入口开关和故障区入口开关配置的终端类型不同而不同；
（4）人工联络转供区与自动联络转供区：联络转供区定义为发生故障后通过下游联络线路转供恢复供电的区域，联络转供区停电时间因其入口开关配置的终端类型不同而不同；
所述的上游隔离区停电时间因其入口开关和故障区入口开关配置的终端类型不同而不同，具体如下：
1）若上游隔离区的入口开关未配置自动化终端或配置二遥终端，上游隔离区的停电时间为人工现场操作隔离故障时间，此时上游隔离区可进一步定义为上游人工隔离区；
2）若故障区入口开关未配置自动化终端或配置二遥终端，上游隔离区的停电时间为人工现场操作隔离故障时间，定义为上游人工隔离区；
3）若上游隔离区的入口开关和故障区入口开关均配置三遥终端，停电时间为远程故障隔离时间,此时上游隔离区进一步定义为上游自动隔离区；
所述的联络转供区停电时间因其入口开关配置的终端类型不同而不同，具体如下：1）若联络转供区的入口开关未配置自动化终端或配置二遥终端，则停电时间为人工现场操作负荷转供时间，此时联络转供区进一步定义为人工联络转供区；
2）若联络转供区的入口开关配置了三遥终端，则停电时间为远程负荷转供时间，定义为自动联络转供区。
2.根据权利要求1所述的一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法，其特征在于：所述的各个负荷点为中压配电网中的每一台配电变压器。
3.根据权利要求2所述的一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法，其特征在于：所述的中压配电网层的输出结果包括：负荷点LPj的故障频率λj和停电时间tj。
4.根据权利要求1所述的一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法，其特征在于：若联络线无法将故障区下游负荷全部转供，则被削减的负荷停电时间为故障处理时间。
5.根据权利要求1所述的一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法，其特征在于：所述的基于构建的分区逻辑，建立考虑多模块智能终端设备配置的故障查找与影响分析过程，具体如下：首先对馈线段进行编号，所有馈线段构成的集合为K，对任一馈线故障，找到其所属最小隔离区，并以此确定正常区、上游隔离区和联络转供区，遍历并记录每一个馈线段故障所对应的区域类型，构建相应的故障模式影响分析表。
6.根据权利要求5所述的一种考虑多类型终端的中低压配电网可靠性评估方法，其特征在于：所述的结合所提故障查找与影响分析过程，提出不同电压等级协同分析的中低压蒙特卡洛可靠性评估方法，具体步骤如下：
步骤1：设定模拟年数，抽样各非电源元件的正常运行时间；
步骤2：选取正常运行时间最小的元件为故障元件，抽样其故障修复时间并推进模拟时钟，判断其所属电压等级，若属于低压配电网，则转至步骤6；若故障元件属于中压配电网，则继续步骤3；
步骤3：进行故障影响分析，确定各区域的具体类型以及在故障后的停电时间；
步骤4：计算故障期间各负荷点的故障频率及停电时间，将每一个负荷点指标输入对应的低压供电台区；
步骤5：基于低压配电网区域网络结构进行故障影响分析，对低压供电台区形成低压配电网元件故障模式影响分析表；
步骤6：遍历所有低压供电台区，统计每一个负荷点下的用户供电可靠性指标；
步骤7：对故障元件抽样新的运行时间，并推进模拟时钟；
步骤8：读取模拟时钟，未跨年则累加用户停电时间；跨年则所有配变下的用户可靠性指标进行加权平均，计算系统该年的可靠性指标；
步骤9：判断时钟是否达到模拟年数，未达到则返回步骤2；达到则结束模拟，统计各年的结果，进而计算全网户均供电可靠性指标。
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