一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法
【专利摘要】一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法：对给定配电网进行分区处理，分为故障区、隔离区、无缝孤岛区和无影响区，建立故障模式影响分析表库，初始化各参数；初始化模拟时钟，产生随机数，根据各元件状态模型中的失效率参数得到最小值无故障运行时间，计算出故障隔离时间和负荷转带时间，推进模拟时钟；查询故障模式影响分析表库，确定各小区所属分类，判断是否形成孤岛，针对孤岛区与非孤岛区采用不同方法处理；根据概率可靠性的计算方法得到的储能装置荷电状态概率分布，建立储能装置的状态抽样；对各负荷点单次故障指标的概率分布概率进行叠加，计算各负荷点和系统的概率可靠性指标。本发明在确保一定计算精度的同时提高模拟速度，全面的反映电网情况。
【专利说明】-种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种配电系统概率可靠性评估方法。特别是涉及一种适用于含分布式 电源的基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法。
【背景技术】
[0002] 在能源科技创新和能源体系转型的发展机遇面前，现代社会能源安全意识逐步提 高，配电系统可靠性进而成为电力用户关注重点；同时，提升配电系统可靠性与投资之间的 边际成本关系，直接影响电力企业和社会的经济效益，此外，风机、光伏等可再生分布式电 源出力波动性以及储能装置运行特性的影响更加剧了问题的复杂性。因此，全面科学地评 估配电系统可靠性具有重要的现实意义。
[0003] 分布式电源（DG)接入配电网后，电网变成一个多电源与负荷点相连的网络，配电 系统的结构和运行方式都将发生深刻改变。因此，如何在配电系统可靠性评估中考虑这种 新的系统结构和运行方式的影响，以及如何考虑分布式电源自身出力波动性的影响，是当 前电力系统可靠性评估领域中的研究焦点。
[0004] 通过分析可以发现，传统的分析方法考虑了故障发生、故障隔离修复和负荷功率 波动的随机性，同时考虑DG出力随机性对配电网可靠性的影响，采用可靠性指标的期望值 表征系统的可靠性，仅仅通过期望描述不能充分反映有源配电网的波动性和不确定性；同 时，现有方法在计算故障后供电可靠性时，为了体现随机性多样性，采用对DG和负荷时序 抽样的方法处理，用同一时间断面的抽样数据进行负荷平衡，多次抽样求得可靠性期望，这 样计算精度就会受抽样间隔影响。现阶段情况下，如何对含分布式电源的随机性和波动性 进行分析，建立合适的概率可靠性评估体系，对配电网可靠性评估有着重要影响。
[0005] 在传统的配电系统可靠性评估中，根据配电网"闭环设计、开环运行"的特点，正常 运行时电网仅由单一电源给负荷点供电。当系统内元件发生故障时，在故障馈线段的负荷 点由于线路供电中断而导致停电，而位于故障馈线段后的负荷点需要通过判定是否存在联 络或联络备用容量是否充足，进而得出能否恢复供电。但DG接入配电系统后，网络则变成 一个多电源与负荷点相连的结构，配电网的根本特性发生了改变，这给配电系统的可靠性 评估过程带来了许多新的影响和问题。
[0006] 分布式电源的最显著影响不仅仅在于其将导致配电系统的运行方式发生深刻变 化，而是DG本身的不确定性对配电网也有重要影响。可靠性分析中也要包含DG的停运模 型，考虑DG故障对系统的影响。作为电源元件，DG的停运模型比两状态模型更加复杂，所 以DG的接入会使配电网状态规模大幅增加，可靠性分析的复杂程度和计算量随之增加。
[0007] 另外，为了减少分布式电源对电网的负面影响，将不同类别的分布式电源、储能装 置、负荷以及相应的控制装置接入到配电网中，从能量观角度看是发挥分布式电源效能的 最有效方式。这样，对微网的可靠性评估，实际上是含分布式电源的配电系统可靠性评估问 题的延展，同样需要予以考虑。这样就更加需要新的处理方法和分析手段。
[0008] 因此，构建基于解析法考虑概率问题的可靠性评估方法，是亟待解决的实际问题， 具有良好的应用价值和工程价值。
【发明内容】
[0009] 本发明所要解决的技术问题是，提供一种用以计算与用户相关的配电类概率可靠 性指标的基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法。
[0010] 本发明所采用的技术方案是：一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法， 包括如下步骤：
[0011] 1)输入配电网结构，包括有各元件信息、线路长度、各负荷位置及各负荷峰值、断 路器及隔离开关位置、配电网联络关系，对配电网中各部分进行分区处理，建立故障模式影 响分析表库；设定仿真步长为lh，总模拟时间N年，N为正整数；建立风机输出功率、光伏发 电系统输出功率及各负荷功率的时序数据序列，初始化各储能装置初始状态为100%荷电 状态，初始化停电时间和缺供电量的可靠性指标概率描述矩阵Wk为1 ;
[0012] 2)初始化模拟时钟为0,随机产生m个0-1之间的随机数，根据每个元件状态模型 中的失效率参数λ求得m个无故障运行时间TTF，用TTFi表示第i个元件的无故障运行时 间；找出最小的无故障运行时间TTFi,对第i个元件产生一个随机数，根据第i个元件修复 率参数μ求得故障修复时间TTRi ;与此同时，产生故障隔离时间ST和故障隔离与负荷转带 时间SRT，并将模拟时钟推进到第i个元件的无故障运行时间TTFi ;
[0013] 3)查询故障模式影响分析表库，确定各小区所属分类，判断小区是否形成孤岛，对 形成孤岛的小区采用孤岛概率可靠性的计算方法计算停电时间和负荷缺供电量的概率分 布；对于没有形成孤岛的小区，利用负荷功率的时序数据序列确定停电时间和负荷缺供电 量的概率分布。
[0014] 4)根据孤岛概率可靠性的计算方法得到的储能装置荷电状态概率分布，建立配电 网正常运行时储能装置的状态抽样，返回步骤2)直至达到设定的总模拟时间N年；
[0015] 5)对配电网结构中的各负荷点单次故障的可靠性指标的概率分布概率进行叠加， 计算各负荷点和系统的概率可靠性指标。
[0016] 步骤1)所述的对配电网中各部分进行分区处理，建立故障模式影响分析表库是， 首先设配电网某一部分发生故障，故障后的配电网分为如下6个区域 ：
[0017] (1)故障区是指故障元件所在馈线区，所述故障区内所有负荷供电中断，停电时间 为故障元件的修复时间；
[0018] (2)上游隔离区位于故障馈线区的上游，与馈线区通过非断路器相连的馈线区，上 游隔离区在故障后停电，故障隔离后恢复供电，停电时间为故障隔离时间；
[0019] (3)无影响区指与故障区或上游隔离区通过断路器相连，且与有源配电系统主电 源相连的馈线区，无影响内的负荷点不受元件故障的影响，因此不停电；
[0020] (4)上游无缝孤岛区是指与故障区或上游隔离区通过断路器相连，且包含分布式 电源的馈线区；主动孤岛的形成依赖于上游无缝孤岛区出口断路器的及时动作，孤岛运行 时间为故障隔离时间，负荷点是否停电及停电时间由岛内电力平衡状况决定，故障隔离后， 上游无缝孤岛区重新接入配电系统；
[0021] (5)下游隔离孤岛区是指位于故障区下游，与故障区通过非断路器相连的馈线区， 故障隔离前，所述下游隔离孤岛区所有负荷供电中断，直至与其他下游区域组成的大范围 孤岛形成，孤岛运行时间为故障元件的修复时间与故障隔离时间之差；
[0022] (6)下游无缝孤岛区是指位于故障区下游，与故障区或下游隔离孤岛区通过断路 器相连的馈线区，下游无缝孤岛区在故障发生时能够立即进入孤岛方式运行，孤岛运行时 间为故障隔离时间，在分区的基础上，逐一遍历配电网中各元件信息，构建出对应特定故障 元件下的配电网其他区域形成情况，建立故障模式影响分析表库。
[0023] 步骤1)所述的建立生成风机输出功率序列是将风速V近似采用威布尔分布描述， 考虑到大部分时间风速位于切入风速和额定风速之间，则风机输出功率概率密度函数 用下式表示为：
【权利要求】
1. 一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 输入配电网结构，包括有各元件信息、线路长度、各负荷位置及各负荷峰值、断路器 及隔离开关位置、配电网联络关系，对配电网中各部分进行分区处理，建立故障模式影响分 析表库；设定仿真步长为lh，总模拟时间N年，N为正整数；建立风机输出功率、光伏发电系 统输出功率及各负荷功率的时序数据序列，初始化各储能装置初始状态为100 %荷电状态， 初始化停电时间和缺供电量的可靠性指标概率描述矩阵Wk为1 ; 2) 初始化模拟时钟为0,随机产生m个0-1之间的随机数，根据每个元件状态模型中的 失效率参数λ求得m个无故障运行时间TTF，用TTF i表示第i个元件的无故障运行时间； 找出最小的无故障运行时间TTFi,对第i个元件产生一个随机数，根据第i个元件修复率参 数μ求得故障修复时间TTR i ;与此同时，产生故障隔离时间ST和故障隔离与负荷转带时间 SRT，并将模拟时钟推进到第i个元件的无故障运行时间TTFi ; 3) 查询故障模式影响分析表库，确定各小区所属分类，判断小区是否形成孤岛，对形成 孤岛的小区采用孤岛概率可靠性的计算方法计算停电时间和负荷缺供电量的概率分布；对 于没有形成孤岛的小区，利用负荷功率的时序数据序列确定停电时间和负荷缺供电量的概 率分布。 4) 根据孤岛概率可靠性的计算方法得到的储能装置荷电状态概率分布，建立配电网正 常运行时储能装置的状态抽样，返回步骤2)直至达到设定的总模拟时间N年； 5) 对配电网结构中的各负荷点单次故障的可靠性指标的概率分布概率进行叠加，计算 各负荷点和系统的概率可靠性指标。
2. 根据权利要求1所述的一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法，其特征在 于，步骤1)所述的对配电网中各部分进行分区处理，建立故障模式影响分析表库是，首先 设配电网某一部分发生故障，故障后的配电网分为如下6个区域 ： (1) 故障区是指故障元件所在馈线区，所述故障区内所有负荷供电中断，停电时间为故 障元件的修复时间； (2) 上游隔离区位于故障馈线区的上游，与馈线区通过非断路器相连的馈线区，上游隔 离区在故障后停电，故障隔离后恢复供电，停电时间为故障隔离时间； (3) 无影响区指与故障区或上游隔离区通过断路器相连，且与有源配电系统主电源相 连的馈线区，无影响内的负荷点不受元件故障的影响，因此不停电； (4) 上游无缝孤岛区是指与故障区或上游隔离区通过断路器相连，且包含分布式电源 的馈线区；主动孤岛的形成依赖于上游无缝孤岛区出口断路器的及时动作，孤岛运行时间 为故障隔离时间，负荷点是否停电及停电时间由岛内电力平衡状况决定，故障隔离后，上游 无缝孤岛区重新接入配电系统； (5) 下游隔离孤岛区是指位于故障区下游，与故障区通过非断路器相连的馈线区，故障 隔离前，所述下游隔离孤岛区所有负荷供电中断，直至与其他下游区域组成的大范围孤岛 形成，孤岛运行时间为故障元件的修复时间与故障隔离时间之差； (6) 下游无缝孤岛区是指位于故障区下游，与故障区或下游隔离孤岛区通过断路器相 连的馈线区，下游无缝孤岛区在故障发生时能够立即进入孤岛方式运行，孤岛运行时间为 故障隔离时间，在分区的基础上，逐一遍历配电网中各元件信息，构建出对应特定故障元件 下的配电网其他区域形成情况，建立故障模式影响分析表库。
3. 根据权利要求1所述的一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法，其特征在 于，步骤1)所述的建立生成风机输出功率序列是将风速V近似采用威布尔分布描述，考虑 到大部分时间风速位于切入风速和额定风速之间，则风机输出功率P w的概率密度函数用下 式表示为：
式中：K和C分别是风速威布尔分布的形状和尺度参数；系数a = P^cdAvcd-V上b = PrAvr-Vci)，Pr是风机的额定输出功率，v ci，Vr分别是风机的切入风速和额定风速。
4. 根据权利要求1所述的一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法，其特征在 于，步骤1)所述的建立光伏发电系统输出功率序列是采用下述方式： 根据光伏发电系统的输出功率Ps与光照强度I、光伏电池阵列面积S和光电转换效率 η之间的关系，即光伏发电系统输出功率Ps = IS Il，设光照强度I在一定时间段内服从贝 塔分布，得到光伏发电系统的概率密度为：
式中：光伏阵列的最大输出功率；α，β均为光照强度贝塔分布的形状参数。
5. 根据权利要求1所述的一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法，其特征在 于，步骤1)所述的建立各负荷功率序列是采用下述方式： 按照不同时间维度典型负荷曲线叠加，得到负荷功率的时序数据序列Lt = LpXPwXPdXPh(t)，LP为所研究负荷点的全年最大值，P w为与第t个小时对应的年-周负荷 曲线中的值，Pd为与第t个小时对应的周-日负荷曲线中的值，P h(t)为与第t个小时对应 的日-时负荷曲线中的值。
6. 根据权利要求1所述的一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法，其特征在 于，步骤3)所述的孤岛概率可靠性的计算方法，包括如下步骤： (1) 确定形成的孤岛小区，读取孤岛小区中配电网结构和相关参数； (2) 根据风机输出功率、光伏系统输出功率和负荷点的功率序列，建立孤岛形成期间内 随机变量的概率分布模型；根据故障前储能的充放电循环，确定孤岛时刻形成储能荷电状 态的概率分布； (3) 通过蒙特卡洛抽样方法求取各随机变量的各阶中心矩； (4) 在各随机变量中选取3个估计点，计算估计点的位置和权重，形成n X 3阶估计点组 矩阵和权重系数矩阵； (5) 逐个计算各个估计点组取值下的可靠性指标； (6) 形成各负荷可靠性指标和储能荷电状态的估值矩阵，计算负荷可靠性指标和储能 荷电状态的各阶原点矩； ⑵计算目标随机变量的各阶中心矩，用Gram-Charlier级数展开，得到孤岛运行结束 时各负荷点的可靠性指标和储能荷电状态的概率分布。
7. 根据权利要求1所述的一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法，其特征在 于，步骤4)所述的储能装置的状态抽样包括两部分：一是储能装置的运行状态的抽样，二 是储能装置的荷电状态的抽样；其中，储能装置运行状态的抽样方法是把蓄电池组串并联 组合成的各种功率组合进行排序，归一化处理后归置于[〇, 1]区间内，进而产生一个[〇, 1] 区间的随机数，确定储能装置运行状态，荷电状态的抽样，是通过产生一个随机数，根据不 同储能装置荷电状态的分布情况，将随机数转化为相应的荷电状态的值。
8.根据权利要求1所述的一种基于解析法的配电系统概率可靠性评估方法，其特征在 于，步骤5)所述的计算各负荷点和系统的概率可靠性指标的方法是：在得到各负荷点一次 故障后的可靠性指标概率分布之后，设X和Y表示同一负荷点两次不同故障情况下的可靠 性指标概率分布，那么有Z = X+Y的概率密度函数写为
即按照卷积运算的方法得到各负荷点和系统的概率可靠性指标。
【文档编号】G06Q50/06GK104376504SQ201410645375
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月6日 优先权日:2014年11月6日
【发明者】刘洪 , 孟祥君, 刘伟, 王冠宇, 赵明欣, 曹检德, 李腾 申请人:国家电网公司, 天津大学, 中国电力科学研究院, 国网山东省电力公司烟台供电公司