统一潮流控制器可靠性建模及其接入电网可靠性评估方法与流程
本发明涉及电力系统中统一潮流控制器可靠性建模及其接入电网可靠性评估方法，属电力系统可靠性评估领域。
背景技术：
伴随着电力需求的持续增长，电力传输线路的负载越来越大，加之电源与负荷中心分布不均衡，需要配合远距离、特高压输电。由此产生的电压波动、“功率倒流”、“功率绕送”等问题影响到电网的安全稳定运行。如何保证大电网的安全稳定运行以及相关的电气装置研究成为电力行业的研究重点。
统一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)作为潮流调节能力最强的一种混合型柔性交流输电系统(Flexible Alternative Current Transmission Systems，FACTS)装置，得到广泛关注。UPFC利用电力电子开关原理实现串联在线路中的电压源，起到线路参数补偿、独立无功补偿和线路潮流控制的作用，具有优越的潮流控制性能，能对潮流的变化进行快速的动态响应。是众多潮流控制方法中最有效的一种，可通过改变和补偿电压幅值、功角和线路阻抗等参数来进行控制。然而，UPFC结构复杂，包含了串、并联变压器，电压源换流器(Voltage Sourced Converter，VSC)或模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，直流线路，直流电容器等极设备，以及控制、保护系统等环节，针对UPFC的可靠性详细建模工作尚未开展，因此，目前对于包含UPFC的电网可靠性影响研究较少。
因此，为更有效地评估UPFC对电网可靠性的影响，继而指导后续的电网升级改造，需要对UPFC工作机理进行深入分析，通过构成元件及元件间的逻辑关系分析建立适应电网评估需要的UPFC精细化可靠性模型；并在此基础之上，分析UPFC接入后对电网电压、线路潮流的调节能力，研究符合其控制特点的切负荷策略，评估UPFC接入对电网可靠性的影响至关重要。
技术实现要素：
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种统一潮流控制器可靠性建模方法，并在此基础之上，提供包含UPFC的电网可靠性评估方法，从而定性、定量评估UPFC接入对电网可靠性的影响，进而指导电网后期的升级改造。
本发明的技术方案如下：
一种统一潮流控制器可靠性建模方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)根据统一潮流控制器构成元件的功能特点，将统一潮流控制器划分为五个子系统，即变压器子系统、换流桥子系统、极设备子系统、直流线路子系统和控制及保护子系统；
2)在各子系统内，根据其实现的既定功能，确定各子系统内构成元件间的逻辑关系，并建立各子系统的可靠性故障模型；
3)根据各子系统间的逻辑关系及元件的串联关系，用串联等值公式求得统一潮流控制器的两状态模型和对应的可靠性参数：
式中：λeqi和μeqi分别是各个子系统的等效故障率和等效修复率，ri为各个子系统的等效故障修复时间，λUPFC是统一潮流控制器的等效故障率，rUPFC是每次故障平均修复时间,μUPFC是等效修复率；假设统一潮流控制器故障概率服从指数分布，那么即得到统一潮流控制器正常工作概率为故障概率为
上述技术方案中，其特征在于：所述变压器子系统包括单相三绕组换流变压器和交流侧断路器；所述的换流桥子系统包括换流阀组、换流阀冷却设备及保护装置；所述的极设备子系统包括中性点接地支路及相关开关元件；所述的直流线路子系统包括直流断路器、直流电抗和直流输电线路。
本发明的技术方案中，步骤2)中所述确定各子系统内构成元件间的逻辑关系，并建立各子系统的可靠性故障模型采用串联等效模型、并联等效模型、无备用元件可靠性模型、冷备用可靠性模型和热备用可靠性模型中的至少一种。
本发明还提供了一种对含有统一潮流控制器的电网进行可靠性的评估方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)通过蒙特卡洛模拟法模拟系统运行状态，并建立状态空间S，状态空间中每一个元素都代表了一个系统状态Si，系统状态概率为pi；
2)针对系统状态Si，分析当前运行状态下是否包含电压越限母线及潮流越限线路，记越限母线为Bi，记越限线路为Lij；
3)针对系统状态Si中每一个越限母线Bi，分析当前越限母线Bi是否有统一潮流控制器接入：
ⅰ)若有统一潮流控制器接入，则生成0-1的随机数，并与越限母线Bi下的故障概率qUPFC进行比较：
a.若随机数小于或等于当前母线下的统一潮流控制器故障概率，则当前统一潮流控制器有故障，为消除电压越限，削减负荷大小为α-loadi,1，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi×qUPFC；
b.若随机数大于当前母线下的故障概率，则正常工作，调整统一潮流控制器注入量，消除母线电压越限，削减负荷为0，切负荷概率为0；若调整后仍无法消除电压越限，则仍需削减负荷大小β-loadi,1，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi×pUPFC；
ⅱ)若不存在统一潮流控制器，为消除电压越限，削减负荷loadi,1，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi，1＝pi；
4)针对系统状态Si中每一个越限线路Lij，分析当前越限线路Lij是否有统一潮流控制器接入：
ⅰ)若有统一潮流控制器接入，则生成随机数，并与线路Lij下的故障概率qUPFC比较：
a若随机数小于或等于当前线路下的故障概率，则当前有故障，无法工作，为消除线路越限，削减负荷大小为α-loadi,2，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi×qUPFC；
b、若随机数大于当前线路下的故障概率，则正常工作，调整统一潮流控制器注入量，消除线路越限，削减负荷为0，切负荷概率为0；若统一潮流控制器调整后仍无法消除线路越限，则削减负荷β-loadi,2，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi×pUPFC；
ⅱ)若不存在统一潮流控制器，则削减负荷loadi,2，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi,2＝pi；
5)计算完成，统计母线电压越限、线路潮流越限造成的系统切负荷概率及切负荷量，得到可靠性指标。
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明提出的UPFC可靠性建模及其接入电网可靠性评估方法，从UPFC物理结构出发，分析了构成元件的功能特点及其逻辑关系，将UPFC分解为5个子系统，继而建立了子系统的可靠性模型，并最终通过串并联分析方法得到UPFC装置的可靠性模型及可靠性参数。在此基础之上，分析UPFC接入后对电网母线电压及线路潮流影响，计算消除电压越限切负荷及线路潮流越限切负荷大小，提出了考虑UPFC的电网可靠性评估方法，解决了目前电网中应用的新型电力电子装置UPFC建模困难及接入电网可靠性影响不详的问题，对分析新型设备对电网可靠性的影响，继而指导电网的后期升级改造，具有重要意义，该方法可应用于电网规划及运行阶段。
附图说明
图1为统一潮流控制器的结构及其子系统划分图。
其中，1-变压器子系统；2-换流桥子系统；3-极设备子系统；4-直流线路子系统。
图2为统一潮流控制器状态空间图。
图3为统一潮流控制器接入电网工作原理图。
图4为统一潮流控制器接入电网等效图。
图5为统一潮流控制器故障后的接入点示意图。
图6为含统一潮流控制器的电网可靠性评估方法流程。
具体实施方式
下结合附图和具体实施例对本发明的原理及具体实施过程做进一步的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。
本发明提供的统一潮流控制器可靠性建模及其接入电网可靠性评估方法，是针对目前电网中应用的新型电力电子装置UPFC建模困难及接入电网可靠性影响不详的问题，开展了UPFC可靠性建模及接入电网的可靠性评估工作。本发明从UPFC物理结构出发，分析构成元件的功能特点及其逻辑关系，将UPFC分解为5个子系统，继而建立了子系统的可靠性模型，并最终通过串并联分析方法得到UPFC装置的可靠性模型及可靠性参数。在此基础之上，分析UPFC接入后对电网母线电压及线路潮流影响，计算消除电压越限切负荷及线路潮流越限切负荷大小，提出了考虑UPFC的电网可靠性评估方法，其具体包括如下步骤：
一、建立统一潮流控制器可靠性模型：
1、根据UPFC构成元件的功能特点，将UPFC划分为以下五个子系统：变压器子系统，该子系统含有单相三绕组换流变压器、交流侧断路器等；换流桥子系统，其主要含有换流阀组、换流阀冷却设备及保护装置等；极设备子系统，其含有中性点接地支路及相关开关元件；直流线路子系统，主要有直流断路器、直流电抗、直流输电线路；控制及保护子系统。如图1所示。
2、在各子系统内，分析为实现既定功能，子系统内构成元件间的逻辑关系，并依此确定各子系统的元件可靠性参数。逻辑关系及相应的可靠性参数计算方法采用串联等效模型、并联等效模型、无备用元件可靠性模型、冷备用可靠性模型和热备用可靠性模型中的至少一种。
其中，若n个元件串联，任意一个元件故障，系统会失效，而只有当所有元件都修好时，系统才能恢复正常；若n个元件并联，那么只有当所有元件都失效才会导致系统失效，但只要任意元件被修好均可使系统恢复正常。
在统一潮流控制器中，直流线路子系统因为直流线路故障后不易更换因而故障后以检修为主，所以可采用无备用元件的可靠性模型。不考虑元件备用时，用状态转移图来模拟元件的运行、检修、安装3个随机过程。变压器子系统、极设备子系统中元件电压等级高、体积大、造价高昂，不易更换，但相比于修复过程，更换过程时间相对较短，通常准备一个冷备用元件。换流桥子系统的主要元件MMC换流阀、控制及保护子系统中的元件电压等级相对较低、体积较小、易于更换，可以设置多个备用元件。当运行元件故障时，备用元件可快速替换故障的元件，可以用k/n(G)模型来进行等效。
3、计算统一潮流控制器可靠性参数
统一潮流控制器的5个子系统都对整个装置的正常运行有着重要的影响，任意子模块故障，系统都要退出运行状态，因此整个装置的可靠性评估模型可以看作是5个子系统的可靠性评估模型串联而成，得到整个装置的模型，状态空间图如图2所示。图中λeqi和μeqi分别是各个子系统的等效故障率和等效修复率，求取方法如下式(1)～(3)所述。
按照元件串联的关系，用串联等值公式可以求得UPFC的两状态模型和对应的可靠性参数：
式中：λeqi和ri分别为各个子系统的等效故障率和等效故障修复时间，λUPFC是UPFC的等效故障率，rUPFC是每次故障平均修复时间,μUPFC是等效修复率。假设统一潮流控制器故障概率服从指数分布，那么即可得到统一潮流控制器正常工作概率为故障概率为
3.1)建立UPFC接入电网的故障模型：为了简化UPFC接入电网的故障模式分析，建立UPFC的两状态故障模型，即运行与故障两个状态。两个状态下的UPFC可用容量分别为100％容量和0容量两种状态。需要说明的是，UPFC在100％容量时表示UPFC可以正常工作，可以根据电网调节需要在0～100％之间调整输出。
3.2)建立UPFC接入电网的等效负荷模型。根据UPFC工作原理，可以将接入点的UPFC等效为串联的电压源及并联的电流源。通过注入量的调节可以最大限度地减小电压、潮流越限值，从而降低电网的负荷损失。UPFC工作原理如图3所示：
因此，在不考虑UPFC自身损耗的情况下，可以将UPFC的作用等效为其所在线路两端的注入功率，如图4所示：
图中，ΔPi与ΔQi为接入点i的等效可调有功与无功大小，ΔPj与ΔQj为接入点j的等效可调有功与无功大小。
当UPFC故障时，电网失去UPFC的潮流调节及无功调节能力。此时，UPFC接入点与常规母线及输电线一致，如图5所示：
二、对含有UPFC的电网可靠性评估：
本发明提出的对含有UPFC的电网可靠性评估方法，其包括如下步骤(参见图6)
1)通过蒙特卡洛模拟法模拟系统运行状态，并建立状态空间S，状态空间中每一个元素都代表了一个系统状态Si，系统状态概率为pi；
2)针对系统状态Si，分析当前运行状态下是否包含电压越限母线及潮流越限线路，记越限母线为Bi，记越限线路为Lij；
3)针对系统状态Si中每一个越限母线Bi，分析当前越限母线Bi是否有统一潮流控制器接入：
ⅰ)若有统一潮流控制器接入，则生成0-1的随机数，并与越限母线Bi下的故障概率qUPFC进行比较：
a.若随机数小于或等于当前母线下的统一潮流控制器故障概率，则当前统一潮流控制器有故障，为消除电压越限，削减负荷大小为α-loadi,1，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi×qUPFC；
b.若随机数大于当前母线下的故障概率，则正常工作，调整统一潮流控制器注入量，消除母线电压越限，削减负荷为0，切负荷概率为0；若调整后仍无法消除电压越限，则仍需削减负荷大小β-loadi,1，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi×pUPFC；
ⅱ)若不存在统一潮流控制器，为消除电压越限，削减负荷loadi,1，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi，1＝pi；
4)针对系统状态Si中每一个越限线路Lij，分析当前越限线路Lij是否有统一潮流控制器接入：
ⅰ)若有统一潮流控制器接入，则生成随机数，并与线路Lij下的故障概率qUPFC比较：
a若随机数小于或等于当前线路下的故障概率，则当前有故障，无法工作，为消除线路越限，削减负荷大小为α-loadi,2，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi×qUPFC；
b、若随机数大于当前线路下的故障概率，则正常工作，调整统一潮流控制器注入量，消除线路越限，削减负荷为0，切负荷概率为0；若统一潮流控制器调整后仍无法消除线路越限，则削减负荷β-loadi,2，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi×pUPFC；
ⅱ)若不存在统一潮流控制器，则削减负荷loadi,2，计算得到当前状态下的切负荷概率为pi,2＝pi；
5)计算完成，统计母线电压越限、线路潮流越限造成的系统切负荷概率及切负荷量，得到可靠性指标。
如上参照附图及实施例描述了根据本发明提出的UPFC可靠性建模及其接入电网可靠性评估方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的UPFC可靠性建模及其接入电网可靠性评估方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。
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