一种地下配电室的风险场计算方法及系统与流程

本发明涉及电气技术领域，特别涉及一种地下配电室的风险场计算方法及系统。

背景技术：

随着人口的增加，以及智能化设备的普及，人们对能源的需求逐渐提升，但是城市用地越来越紧张，地下的室内变电站为解决这一问题提供了可行途径。电力设备的寿命和能否无故障运行很大程度上取决于设备的运行状况。对于地下变电站来说，其运行环境相对与普通变电站更加恶劣。其中温度是造成设备故障的最关键因素。

目前关于地下配电室电力设备的故障分析方法太过于笼统。其计算故障率时将电力设备作为一个整体，没有考虑故障率的分布特性。因此，如何合理准确的计算电力设备的故障率，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种地下配电室的风险场计算方法及系统，计算得到具有时空分布特性的风险场，考虑了温度和使用时间，以及故障率分布的分散性，随机性与不确定性，能够准确的计算电力设备的故障率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种地下配电室的风险场计算方法，所述方法包括：

根据地下配电室中电力设备使用寿命的历史统计数据，计算考虑温度和使用时间的电力设备基准故障率以及环境位置基准故障率；

分别根据所述电力设备基准故障率的采样值以及所述环境位置基准故障率的采样值，计算得到电力设备标准差和环境位置标准差；

根据所述电力设备基准故障率以及所述电力设备标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的电力设备故障率，根据所述环境位置基准故障率以及所述环境位置标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的环境位置故障率；

分别计算所述电力设备故障率和所述环境位置故障率的故障概率，生成地下配电室的电力设备风险场和环境位置风险场。

可选的，计算考虑温度和使用时间的电力设备基准故障率，包括：

利用公式计算电力设备基准故障率λb(t,x,y,z)；

其中，β为形状参数，a，b为经验常数，t为温度，单位为℃，t为时间，(x,y,z)为位置坐标。

可选的，计算考虑温度和使用时间的环境位置基准故障率，包括：

利用公式计算环境位置基准故障率λbr(t,x,y,z)；

其中，ar，br为经验常数，t为温度，单位为℃，t为时间，(x,y,z)为位置坐标。

可选的，所述电力设备风险场fj(t,x,y,z)具体为：

其中，λ'为电力设备故障率，j表示开关或变压器组件。

可选的，所述环境位置风险场fr1(t,x,y,z)具体为：

其中，λ′r为环境位置故障率。

本发明还提供一种地下配电室的风险场计算系统，所述系统包括：

基准故障率计算模块，用于根据地下配电室中电力设备使用寿命的历史统计数据，计算考虑温度和使用时间的电力设备基准故障率以及环境位置基准故障率；

标准差计算模块，用于分别根据所述电力设备基准故障率的采样值以及所述环境位置基准故障率的采样值，计算得到电力设备标准差和环境位置标准差；

故障率计算模块，用于根据所述电力设备基准故障率以及所述电力设备标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的电力设备故障率，根据所述环境位置基准故障率以及所述环境位置标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的环境位置故障率；

风险场计算模块，用于分别计算所述电力设备故障率和所述环境位置故障率的故障概率，生成地下配电室的电力设备风险场和环境位置风险场。

可选的，所述基准故障率计算模块，包括：

第一计算单元，用于利用公式计算电力设备基准故障率λb(t,x,y,z)；

其中，β为形状参数，a，b为经验常数，t为温度，单位为℃，t为时间，(x,y,z)为位置坐标。

可选的，所述基准故障率计算模块，包括：

第二计算单元，用于利用公式计算环境位置基准故障率λbr(t,x,y,z)；

其中，ar，br为经验常数，t为温度，单位为℃，t为时间，(x,y,z)为位置坐标。

可选的，所述电力设备风险场fj(t,x,y,z)具体为：

所述环境位置风险场fr1(t,x,y,z)具体为：

其中，λ'为电力设备故障率，j表示开关或变压器组件，λ′r为环境位置故障率。

本发明所提供的一种地下配电室的风险场计算方法，包括：根据地下配电室中电力设备使用寿命的历史统计数据，计算考虑温度和使用时间的电力设备基准故障率以及环境位置基准故障率；分别根据电力设备基准故障率的采样值以及环境位置基准故障率的采样值，计算得到电力设备标准差和环境位置标准差；根据电力设备基准故障率以及电力设备标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的电力设备故障率，根据环境位置基准故障率以及环境位置标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的环境位置故障率；分别计算电力设备故障率和环境位置故障率的故障概率，生成地下配电室的电力设备风险场和环境位置风险场。

可见，该方法计算得到具有时空分布特性的电力设备风险场和环境位置风险场，充分考虑了温度和使用时间对电力设备故障率的影响，以及故障率分布的分散性，随机性与不确定性，能够准确的计算电力设备的故障率；本发明还提供了一种地下配电室的风险场计算系统，具有上述有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例所提供的地下配电室的风险场计算方法的流程图；

图2为本发明实施例所提供的地下配电室的空间温度场分布示意图；

图3为本发明实施例所提供的韦伯-正态云发生器结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的配电室的横截面图上故障率(单位时间的故障次数)的空间分布示意图；

图5为本发明实施例所提供的地下配电室的风险场计算系统的结构框图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种地下配电室的风险场计算方法及系统，计算得到具有时空分布特性的风险场，考虑了温度和使用时间，以及故障率分布的分散性，随机性与不确定性，能够准确的计算电力设备的故障率。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本文提出了风险场的概念，设备各个部件的故障率可以得到精确描述，还可以得知环境对设备正常运行造成危害的大小。本发明考虑到了设备故障率具有随机性，然后运用云理论计算设备的故障率。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的地下配电室的风险场计算方法的流程图；该方法还可以包括：

s100、根据地下配电室中电力设备使用寿命的历史统计数据，计算考虑温度和使用时间的电力设备基准故障率以及环境位置基准故障率。

其中，本实施例并不对电力设备进行限定，其可以包含地下配电室内任意设备。后续电力设备可以简称为设备。本实施例也不限定历史统计数据的年限，一般情况下历史数据越丰富，得到的基准故障率越准确。

具体的，该步骤在计算电力设备基准故障率以及环境位置基准故障率时，考虑了温度分布、使用时间的电力设备故障率计算方法。请参考图2，为地下配电室的空间温度场分布图。可见配电室中各个位置的温度不同，温度的空间分散特性造成了故障率的空间分散特性。因此风险场的建立与温度分布相关。除此之外，故障率还与使用时间有关；即电力设备的故障率λ与使用时间t和温度t都有关，根据韦伯分布的定义，λ计算公式如下：

其中，β为形状参数，η为尺度参数，t为时间。β＝1时，瞬时故障率不随使用时间t变化。β>1，β<1分别代表故障率随时间是上升和下降趋势。尺度参数η与形状参数β无关，是设备寿命的一种度量。尺度参数η与温度t的关系如下：

其中，t为温度，单位为℃，t为时间，l(t)是额定寿命长度，tref是额定温度，ηref是相应的额定尺度参数，a，b为经验常数，由ieeec57.91-1995定义。具体的，这里的t可以运用有限元分析等方法得到温度随空间的分布特性之后t(x，y，z)。可以得到电力设备基准故障率λb(t,x,y,z)，其中，电力设备基准故障率λb(t,x,y,z)具有时空分布特性。

即可以利用公式计算电力设备基准故障率λb(t,x,y,z)；

利用公式计算环境位置基准故障率λbr(t,x,y,z)；即除去用电设备，配电室其余空间位置(环境)的基准故障率由可由该式计算得到。

其中，β为形状参数，a，b为经验常数，t为温度，单位为℃，t为时间，(x,y,z)为位置坐标，ar，br为经验常数，可以根据相关历史数据，用最大似然法估计得到，t为温度，单位为℃，t为时间，(x,y,z)为位置坐标。

具体的，配电室内变压器各元件及开关设备的基准故障率具体可以由以下两个式子计算：

其中，λbs和λbti开关和变压器的故障率，下表i＝d，c，w分别代表电介质、铁芯和绕组，μti表示变压器各部分的故障比重，μtd+μtc+μtw＝1。根据变压器故障研究，把变压器的分接头开关和抽头的故障归为绕组故障，μtd＝0.129，μtc＝0.142和μtw＝0.729。上式中的尺度参数和经验常数可以根据历史数据估计得到。

上述各公式中参数β、a和b的获取也可以是根据设备使用寿命的历史统计数据，可以计算每年的累计故障概率和故障率。然后可以根据极大似然法估计出。

s110、分别根据所述电力设备基准故障率的采样值以及所述环境位置基准故障率的采样值，计算得到电力设备标准差和环境位置标准差。

s120、根据所述电力设备基准故障率以及所述电力设备标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的电力设备故障率，根据所述环境位置基准故障率以及所述环境位置标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的环境位置故障率。

具体的，上述两个步骤得到基准故障率(包括电力设备基准故障率以及环境位置基准故障率)后，再根据基准故障率的采样值计算得到标准差，即以基准故障率为均值，由采样值计算得到的标准差；使用韦伯-正态云发生器生成正态分布的故障率。故障率具有随机性和不确定性，对于采样故障率λ’，满足正太分布：λ’～n(λb,hλ²)。超熵hλ等于基准故障率采样的标准差，可以根据历史统计的故障率计算，之后就可以根据韦伯-正态云发生器以基准故障率为均值，hλ为标准差产生正态分布的具有时空分布特性的故障率。其中，韦伯-正态云发生器是基于云理论的故障率计算方法，一个数x对与概念c的隶属度μ(x)表示这个数x能够实现概念c的概率，μ(x)可以由下式计算：

上述公式等价表示为x～n(ex,e’n²)。设备的故障率也满足正态分布，λ’～n(λb,hλ²)。

s130、分别计算所述电力设备故障率和所述环境位置故障率的故障概率，生成地下配电室的电力设备风险场和环境位置风险场。

具体的，在计算得到配电室中各个位置故障率后，可以进一部计算故障概率，从而形成配电室的风险场。所述电力设备风险场fj(t,x,y,z)具体为：

所述环境位置风险场fr1(t,x,y,z)具体为：

其中，λ′r为环境位置故障率，其中，λ'为电力设备故障率，j表示开关或变压器组件。即j＝s时表示开关，j＝ti时表示变压器组件。fj(t，x，y，z)表示电力设备使用时间为t，开关设备或者变压器主件位置为(x，y，z)的地方发生故障的概率。除去用电设备fr1(t，x，y，z)表示设备使用时间为t，环境中位置为(x，y，z)的点对电力设备造成的危害的概率。即配电室内的风险场呈现出时空分布特性。设备上的风险场的取值代表该台设备这一部件的故障率，空间中的风险场取值代表周围环境对设备造成危险的概率，反应的是环境对设备的影响。风险场的空间分布特性主要是温度的空间分布特性造成。故障率不仅受到温度的影响，还受到使用时间影响。因此风险长呈现出时间分布特性。得到配电室的风险场后，可以计算出用电设备的累计故障概率和环境温度对设备的累计危险概率。

本实施例针对地下配电室的风险场计算方法主要包括考虑三方面：考虑温度分布、使用时间的设备故障率计算方法；考虑到故障率的随机性与不确定性，提出了基于云理论的故障率计算方法；考虑到故障率分布的分散性，提出了具有时空分布特性的风险场建立方法。请参考图4，为配电室的横截面图上故障率(单位时间的故障次数)的空间分布。可以看到，变压器绕组、铁芯和绝缘介质以及周围空间的故障率各不相同。本实施例运用了场的概念，运用故障率在空间中的分布特性来构建风险场，这种故障分析方法更加精确。当处于设备上时，风险场反映的是设备部件的故障概率。当处于空间中，风险场反映的是环境状况对设备造成危险的概率。

基于上述技术方案，本发明实施例提供的地下配电室的风险场计算方法，计算得到具有时空分布特性的风险场，考虑了温度和使用时间，以及故障率分布的分散性，随机性与不确定性，能够准确的计算电力设备的故障率。

下面对本发明实施例提供的地下配电室的风险场计算系统进行介绍，下文描述的地下配电室的风险场计算系统与上文描述的地下配电室的风险场计算方法可相互对应参照。

请参考图5，图5为本发明实施例所提供的地下配电室的风险场计算系统的结构框图；该系统可以包括：

基准故障率计算模块100，用于根据地下配电室中电力设备使用寿命的历史统计数据，计算考虑温度和使用时间的电力设备基准故障率以及环境位置基准故障率；

标准差计算模块200，用于分别根据所述电力设备基准故障率的采样值以及所述环境位置基准故障率的采样值，计算得到电力设备标准差和环境位置标准差；

故障率计算模块300，用于根据所述电力设备基准故障率以及所述电力设备标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的电力设备故障率，根据所述环境位置基准故障率以及所述环境位置标准差，利用韦伯-正太云发生器生成正态分布的环境位置故障率；

风险场计算模块400，用于分别计算所述电力设备故障率和所述环境位置故障率的故障概率，生成地下配电室的电力设备风险场和环境位置风险场。

基于上述实施例，所述基准故障率计算模块300可以包括：

第一计算单元，用于利用公式计算电力设备基准故障率λb(t,x,y,z)；

其中，β为形状参数，a，b为经验常数，t为温度，单位为℃，t为时间，(x,y,z)为位置坐标。

基于上述实施例，所述基准故障率计算模块300可以包括：

第二计算单元，用于利用公式计算环境位置基准故障率λbr(t,x,y,z)；

其中，ar，br为经验常数，t为温度，单位为℃，t为时间，(x,y,z)为位置坐标。

基于上述实施例，所述电力设备风险场fj(t,x,y,z)具体为：

所述环境位置风险场fr1(t,x,y,z)具体为：

其中，λ'为电力设备故障率，j表示开关或变压器组件，λ′r为环境位置故障率。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种地下配电室的风险场计算方法及系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。