CN116307838A - 一种电网可靠性评估中配电网精确等值方法及系统、介质 - Google Patents

一种电网可靠性评估中配电网精确等值方法及系统、介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力系统可靠性评估技术领域，尤其涉及一种电网可靠性评估中配电网精确等值方法及系统、介质，首选获取配电网原始数据；根据获取的原始数据计算各级负荷需求水平的概率分布，根据获取的原始数据计算各系统状态下待精确等效配电系统的失效负荷水平及其概率分布；最后根据计算的概率分布得到配电网等值模型，利用该模型实时获取配电网负荷期望。本发明提出的方法充分计及配电网运行中不确定因素及负荷水平变化对输电系统安全运行的影响，且不会额外增加输电网运行可靠性评估时的计算负担。

Description

一种电网可靠性评估中配电网精确等值方法及系统、介质
技术领域
本发明涉及电力系统可靠性评估技术领域，尤其涉及一种电网可靠性评估中配电网精确等值方法及系统、介质。
背景技术
在电网中，输电系统作为骨干网络，承担着将电能从发电侧传输至配电侧的重要功能，一旦发生故障可能会引起大范围停电，将会对社会和经济生活产生严重影响，因此输电系统可靠性评估的相关研究受到了极大重视，并在现代电力工业中为电力系统规划提供着重要的决策依据。输电系统本质上运行在不确定性的环境中，现代电力系统中电源侧风光新能源及负荷侧电能替代负荷大规模接入更是加剧了电网功率分布的波动性和随机性，因此对输电系统进行精确、快速的实时运行可靠性评估，并依此为依据制定合理的运行辅助决策，是保证电网安全经济运行的重要途径。
常规输电系统可靠性评估的主要应用场景为电网规划设计，主要由三个步骤组成：系统故障选择、故障后系统状态分析和可靠性指标计算。其中故障后系统状态分析，能够通过潮流计算或最优潮流计算，得到故障后电网电压、功率的分布以及安全约束下的负荷切除量，从而带入可靠性指标公式完成计算评估。由此可见故障后系统状态分析是输电系统可靠性评估中最重要的部分。在输电网规划阶段的可靠性评估中，为兼顾计算精度和速度，通常在潮流计算中将其下级配电网等效为一个恒定的负荷。另外，为保证计算结果能够反映最严苛工况下系统的可靠程度，往往将该负荷值取为配网的额定容量值。
常规输电系统可靠性评估技术在输电系统实时运行可靠性评估及辅助决策中存在如下问题：
(1)无法计及运行中的不确定因素导致的配网负荷水平变化；
(2)常规输电系统可靠性评估反映的是电力系统长期运行的平均可靠性，未考虑运行条件、恶劣天气等对设备停运及可靠性的影响，常规方法无法直接应用于运行可靠性评估中；
(3)常规输电系统可靠性评估中将配电网等效为完全可靠的恒定负荷，但据统计电力系统中80％以上的故障发生在配网中，因此常规方法无法精确反映配网运行可靠性对输电网的影响。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明将配电系统视为输电系统的等效负荷，提出负荷需求分级水平和失效负荷水平的概念，分别用来反映配电网负荷用能不确定性和配电网运行可靠性对输电网安全运行的影响，并利用离散卷积运算的概念和方法构建配电网精确负荷期望的计算模型。本发明提出的方法充分计及配电网运行中不确定因素及负荷水平变化对输电系统安全运行的影响，且不会额外增加输电网运行可靠性评估时的计算负担。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种面向输电系统运行可靠性评估的配电网精确等值方法，其特征在于，
获取配电网原始数据；
根据获取的原始数据计算各级负荷需求水平的概率分布，
根据获取的原始数据计算各系统状态下待精确等效配电系统的失效负荷水平及其概率分布；
根据计算的概率分布得到配电网等值模型，利用该模型实时获取配电网负荷期望。
在上述的方法，原始数据包括系统拓扑、各元件失效率、修复时间、各负荷点的负荷持续曲线。
在上述的方法，对于每个待精确等效的配电系统，依据负荷持续曲线，采用多级负荷需求水平分布替代原始的负荷曲线，并根据下式计算各级负荷需求水平的概率分布：
Figure BDA0004072710200000021
式中，Ti表示第i级负荷水平的时长，T表示负荷曲线的总时长，
Figure BDA0004072710200000022
表示第i级负荷水平的概率，根据上式形成负荷需求水平的离散概率模型
在上述的方法，对于每个待精确等效的配电系统，采用序贯蒙特卡洛法进行系统抽样并形成配网系统的状态转移过程，利用下式计算每种状态下，待精确等效配电系统的失效负荷水平：
Figure BDA0004072710200000023
式中
Figure BDA0004072710200000031
表示配电网在系统状态s下的失效负荷水平，Li表示节点i的负荷，bij表示系统拓扑形成的可达矩阵中第i行第j列元素，当节点i和节点j之间有通路时其值为1，否则为0，节点j为配电网的根节点即等效电源节点，n表示配电网中负荷节点的总数量。
在上述的方法，对于配电网在系统状态s下的失效负荷水平所对应的状态持续时间Ts，利用下式得到失效负荷水平的概率分布：
Figure BDA0004072710200000032
式中，LF-i表示配电网第i个失效负荷水平，T表示抽样持续总时间，n表示系统所有失效负荷水平的数量，
Figure BDA0004072710200000033
表示对应于失效负荷水平LF-i的发生概率。
在上述的方法，配电网精确等值模型利用下式得到：
E(L'D)＝E(L'R·L'F)＝E(L'R)·E(L'F)
式中，E(L'D)、E(L'R)和E(L'F)分别表示配电网精确等值负荷期望、负荷需求水平的期望和失效负荷水平的期望。
在上述的方法，
Figure BDA0004072710200000034
Figure BDA0004072710200000035
pF和pR分别表示失效负荷水平和负荷需求水平的概率分布，i、j分别为失效负荷水平变量数量和负荷需求水平变量数量，L'R-j和L'F-i分别表示归一化后的负荷需求水平和配电网失效负荷水平。
在上述的方法，
L'F-i＝LF-i/LS
L'R-j＝LR-j/LS
LS表示配电网的设计额定容量，LF-i表示配电网第i个失效负荷水平，LR-j表示配电网第j个负荷需求水平。
一种系统，包括
第一模块：被配置为用于获取配电网原始数据；
第二模块：被配置为根据获取的原始数据计算各级负荷需求水平的概率分布，
第三模块：被配置为根据获取的原始数据计算各系统状态下待精确等效配电系统的失效负荷水平及其概率分布；
第四模块：被配置为根据计算的概率分布得到配电网等值模型，利用该模型实时获取配电网负荷期望。
一种计算机介质，存储有计算机程序，所述计算机程序能够运行权利要求1至8任意一项所述方法步骤。
因此，本发明具有如下优点：
1.能够有效提升电网可靠性评估结果的合理性与准确性；
2.能够充分计及配电网运行中不确定因素及负荷水平变化对输电系统安全运行的影响；
3.不会额外增加可靠性评估时的计算负担，不影响可靠性评估的计算速度。
附图说明
图1为一种面向输电系统运行可靠性评估的配电网精确等值方法流程示意图。
图2为IEEE-RBTS输电系统一次接线图。
图3为IEEE-RBTS输电系统BUS5处的配电系统拓扑图。
图4为BUS5的8级负荷曲线。
图5为BUS5配电网失效负荷概率密度曲线。
图6为配电网精确负荷期望随元件失效率增加变化规律。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
图1为一种面向输电系统运行可靠性评估的配电网精确等值方法技术方案流程示意图，如图1所示，该申请专利的主要技术步骤包括：
(1)输入计算所需的原始数据，包括系统拓扑、各元件失效率、修复时间、各负荷点的负荷持续曲线。
(2)对于每个待精确等效的配电系统，依据负荷持续曲线，采用多级负荷需求水平分布替代原始的负荷曲线，并根据下式计算各级负荷需求水平的概率分布：
Figure BDA0004072710200000051
式中，Ti表示第i级负荷水平的时长，T表示负荷曲线的总时长，
Figure BDA0004072710200000052
表示第i级负荷水平的概率，根据上式形成负荷需求水平的离散概率模型。
(3)对于每个待精确等效的配电系统，采用序贯蒙特卡洛法进行系统抽样并形成配网系统的状态转移过程，利用下式计算每种状态下，待精确等效配电系统的失效负荷水平：
Figure BDA0004072710200000053
式中
Figure BDA0004072710200000054
表示配电网在系统状态s下的失效负荷水平，Li表示节点i的负荷，bij表示系统拓扑形成的可达矩阵中第i行第j列元素，当节点i和节点j之间有通路时其值为1，否则为0，节点j为配电网的根节点即等效电源节点，n表示配电网中负荷节点的总数量。
(4)统计步骤(3)中每个
Figure BDA0004072710200000055
所对应的状态持续时间Ts，并利用下式得到失效负荷水平的概率分布：
Figure BDA0004072710200000056
式中，LR-i表示配电网第i个失效负荷水平，T表示抽样持续总时间，n表示系统所有失效负荷水平的数量，
Figure BDA0004072710200000057
表示对应于失效负荷水平LR-i的发生概率。
(5)利用下式得到配电网精确等值模型：
E(L'D)＝E(L'R·L'F)＝E(L'R)·E(L'F)
式中，E(L'D)、E(L'R)和E(L'F)分别表示配电网精确等值负荷期望、负荷需求水平的期望和失效负荷水平的期望，其中：
Figure BDA0004072710200000058
Figure BDA0004072710200000059
L'F-i＝LF-i/LS
L'R-j＝LR-j/LS
pF和pR分别表示失效负荷水平和负荷需求水平的概率分布，i、j分别为失效负荷水平变量数量和负荷需求水平变量数量，L'R-j和L'F-i分别表示归一化后的负荷需求水平和配电网失效负荷水平，LS表示配电网的设计额定容量(MW)。
以IEEE-RBTS测试系统为例，对本发明进行配电网精确等值的方法进行详细的说明，并与常规评估方法的结果进行对比分析，如图2为IEEE-RBTS输电系统一次接线图。
首先获取系统的基本信息，该输电系统电压等级为230kV，系统共有2个发电机组、9条输电线路和6条母线，系统发电机额定容量为240MW，负荷额定容量为185WM，该系统的一次接线图如图2所示，其中母线2、3、4、5和6有负荷接入，即上述母线拥有其各自的下级配电系统。
为便于分析配电系统等效负荷变化对输电系统的影响，本发明仅对BUS5处的配电系统进行精确等效，并研究各种运行情况下其等效结果对输电系统安全运行的影响，BUS5处的配电系统拓扑如图3所示。
该配电系统的峰值负荷为20WM，共有4条馈线和26个负荷节点，现根据本发明技术步骤(3)的方法，将该负荷持续曲线分为8个等级，形成如图4所示BUS5的8级负荷曲线，统计各个等级负荷持续时间并形成表1所示的负荷需求分级水平离散概率分布。
表1BUS5配电系统负荷需求分级水平离散概率分布
Figure BDA0004072710200000061
然后，根据本发明技术步骤(4)的方法，计算该配电网的失效负荷分级水平离散概率分布。利用序贯蒙特卡洛法对元件的状态进行随机抽取。本算例仿真年限取1000年，首先根据
Figure BDA0004072710200000062
得到配电系统中所有元件在仿真时长内的状态转移过程，结合图3所示的拓扑形成系统状态转移过程，并分析各状态下从根节点(图3中138kV母线处)看去的系统失效后负荷。在仿真年限内会出现大量重复的系统状态，将相同的系统状态进行合并，并统计其出现概率，得到如图5所示的BUS5处的失效负荷概率密度曲线，并将其表示为表2所示的形式。
表2BUS5配电系统失效负荷分级水平离散概率分布
负荷等级(MW) 20.00 19.26 19.43 18.89 19.26 19.24 19.38 18.24
概率(％) 88.1 1.50 1.29 1.28 1.06 0.99 0.76 0.29
经计算，BUS5处的配电系统在1000年的抽样年限内共有23种系统状态，为方便展示，只列举系统状态出现概率最高的前8个状态，如表2所示。该结果表示在给定的设备可靠性参数条件下，只考虑配电系统运行可靠性的影响，则BUS5所在的母线有88.1％的概率需用能20WM，该系统状态对应配电网的正常运行状态。
结合表1、2中的数据，利用本发明技术步骤(5)，可得BUS5所在母线的运行精确负荷期望，经计算该值为E(L'R)·E(L'F)＝0.6651*0.9893＝0.6580，换算为有名值为13.16MW，比常规可靠性评估中采用的20MW减小约34.2％。
特别地，当配电网设备老化或在恶劣环境中运行，例如遭遇台风、冰雹等极端天气时，系统内部元件的可靠性指标会随之恶化，失效率和修复时间将大幅提升。因此本发明仍以BUS5为例，研究了不同情况下配网元件可靠性指标对母线运行精确负荷期望的影响，结果如图6所示。
从图6可知，当配电网由于运行环境恶化或设备老化导致元件失效率增加时，将导致BUS5处所在母线的运行精确负荷期望加速减小，当失效率增加为原来的8倍时，将导致配电网精确负荷期望减少为7.29MW，比常规输电系统可靠性评估中采用的20MW减少63.55％。
从本发明的算例结果可以看到，配电网负荷的运行曲线和设备可靠性指标均会导致配电网精确负荷期望变化，从而对输电网运行可靠性评估带来误差影响。本发明的方法有效考虑了配电网负荷持续曲线和自身运行可靠性对输电网运行可靠性评估的影响，使得评估结果更合理和准确。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种电网可靠性评估中配电网精确等值方法，其特征在于，
获取配电网原始数据；
根据获取的原始数据计算各级负荷需求水平的概率分布，
根据获取的原始数据计算各系统状态下待精确等效配电系统的失效负荷水平及其概率分布；
根据计算的概率分布得到配电网等值模型，利用该模型实时获取配电网负荷期望。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，原始数据包括系统拓扑、各元件失效率、修复时间、各负荷点的负荷持续曲线。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个待精确等效的配电系统，依据负荷持续曲线，采用多级负荷需求水平分布替代原始的负荷曲线，并根据下式计算各级负荷需求水平的概率分布：
Figure FDA0004072710180000011
式中，Ti表示第i级负荷水平的时长，T表示负荷曲线的总时长，
Figure FDA0004072710180000012
表示第i级负荷水平的概率，根据上式形成负荷需求水平的离散概率模型。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于每个待精确等效的配电系统，采用序贯蒙特卡洛法进行系统抽样并形成配网系统的状态转移过程，利用下式计算每种状态下，待精确等效配电系统的失效负荷水平：
Figure FDA0004072710180000013
式中
Figure FDA0004072710180000014
表示配电网在系统状态s下的失效负荷水平，Li表示节点i的负荷，bij表示系统拓扑形成的可达矩阵中第i行第j列元素，当节点i和节点j之间有通路时其值为1，否则为0，节点j为配电网的根节点即等效电源节点，n表示配电网中负荷节点的总数量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对于配电网在系统状态s下的失效负荷水平所对应的状态持续时间Ts，利用下式得到失效负荷水平的概率分布：
Figure FDA0004072710180000021
式中，LF-i表示配电网第i个失效负荷水平，T表示抽样持续总时间，n表示系统所有失效负荷水平的数量，
Figure FDA0004072710180000022
表示对应于失效负荷水平LF-i的发生概率。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，配电网精确等值模型利用下式得到：
E(L'D)＝E(L'R·L'F)＝E(L'R)·E(L'F)
式中，E(L'D)、E(L'R)和E(L'F)分别表示配电网精确等值负荷期望、负荷需求水平的期望和失效负荷水平的期望。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
Figure FDA0004072710180000023
Figure FDA0004072710180000024
pF和pR分别表示失效负荷水平和负荷需求水平的概率分布，i、j分别为失效负荷水平变量数量和负荷需求水平变量数量，L'R-j和L'F-i分别表示归一化后的负荷需求水平和配电网失效负荷水平。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
L'F-i＝LF-i/LS
L'R-j＝LR-j/LS
LS表示配电网的设计额定容量，LF-i表示配电网第i个失效负荷水平，LR-j表示配电网第j个负荷需求水平。
9.一种系统，其特征在于，包括
第一模块：被配置为用于获取配电网原始数据；
第二模块：被配置为根据获取的原始数据计算各级负荷需求水平的概率分布，
第三模块：被配置为根据获取的原始数据计算各系统状态下待精确等效配电系统的失效负荷水平及其概率分布；
第四模块：被配置为根据计算的概率分布得到配电网等值模型，利用该模型实时获取配电网负荷期望。
10.一种计算机介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序能够运行权利要求1至8任意一项所述方法步骤。
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