一种配电网可靠性评估方法与流程

本发明涉及供电网安全
技术领域：
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背景技术：
：随着社会的发展，电力用户更加关注电力系统的供电可靠性。相关统计表明，负荷点的供电不可用度约80％–95％是由配电系统故障引起的。因此，配电系统的可靠性评估是电力部门规划和运行的一个重要任务。其评估方法可总体上分为模拟法和分析法。为获得准确的可靠性指标，模拟法需要很长的仿真时间，将耗费非常多的机时。分析法中主要为故障模式分析法，该方法需要枚举配电网的各元件的故障，并分析其对各负荷点的影响。随着配电网规模的扩大，故障影响分析非常冗繁，编程实现的算法也较为复杂。技术实现要素：本发明提供了一种配电网可靠性评估方法，它能有效地解决配电网可靠性评估的技术问题。本发明所使用的技术方案为：利用开关设备将配电网分为若干个区域，将每个区域等效为一个节点，将开关设备作为支路；计算每个节点的可靠性参数；利用关联矩阵描述配电网的结构，建立配电网各节点、支路对各节点供电可靠性的影响关系矩阵，并将其用于配电网可靠性评估。该算法可计及开关设备的故障、粘连的影响。其实现步骤如下:步骤一、配电网的简化根据配电网以开关设备进行拓扑结构变换的特点，对配电网划分为各自单独的区域；区域由线路和变压器组成且其内部不含开关设备；将每个区域等效为一个节点，将开关设备作为支路；计算每个节点的可靠性参数。步骤二、输入配电网的拓扑结构信息根据配电网的支路和节点的实际连接关系建立配电网的节点连接关系表，该表描述了各个支路的开关设备类型以及其连接了哪两个节点；建立电源指示向量用以标记哪些节点是主电源和备用电源，且主电源节点的编号为0；建立负荷点指示向量用以标记哪些节点是负荷节点。步骤三、分别建立主电源、备用电源供电时的配电网关联矩阵该步骤包括以下两部分：1)根据节点连接关系表建立配电网的节点-支路关联矩阵φ：主电源和备用电源供电时配电网的节点支路关联矩阵分别为φms和φas，下标“ms”和“as”分别表示主电源和备用电源；在建立矩阵φms时，将其他电源节点均视作普通节点；对每个支路，电流流出的节点对应的值为“-1”，流入的节点对应的值为“1”；每个支路对应一行；以相同方法建立备用电源供电时的矩阵φas。2)对节点-支路关联矩阵φms，删除与主电源ms对应的列，然后求逆，得到支路-节点关联矩阵ψms；然后在矩阵h中的第一行增加一个全为零的行向量以描述主电源节点；以相同方法得到备用电源供电时的矩阵ψas。步骤四、分析节点活动性故障的最大相互影响矩阵当配电网由主电源供电时，对任两个节点，记作节点zi和zj，两者在ψms中其所对应的行向量分别为ri和rj，将两者进行“异或”运算得行向量rij，再将rij与rj进行“与”运算，得到行向量vj2i；行向量vj2i描述了节点zj通过哪些开关设备影响节点zi，得知这些开关设备同时拒动时才会引起zi停电；由此计算任两个节点之间的活动性故障的相互影响，并将结果赋予节点活动性故障的最大相互影响矩阵ams。步骤五、建立各节点活动性故障的最小影响矩阵该步骤包括以下三部分：1)设主电源供电时节点活动性故障的最小影响矩阵用cms表示；当某节点zj故障而进行维修时，需断开其电源侧临近的开关设备bi，故节点zj维修时其对其他节点的影响与其上游侧临近的开关设备bi断开相同，故将矩阵ψms的第i列复制到矩阵cms第j列即可。2)以相同方法建立备用电源as供电时各节点故障时的最小影响矩阵cas；当有多个备用电源时，重复该步骤即可。3)将矩阵cms、所有备用电源的矩阵cas进行“与”运算可得矩阵cma,该矩阵可描述节点故障时的持续性停电范围；若矩阵cma中元素cma(i,j)为“1”,表示需等zj维修完成才能恢复zi的供电。步骤六、节点活动性故障的可靠性计算根据矩阵ams和cma以及各节点的可靠性参数来计算负荷点的供电可靠性指标；其中，矩阵cma表示了经过维修作业才能恢复供电的区域，而ams-cma描述了经过倒闸作业即可恢复供电的区域；利用矩阵ams和cma计算各节点的供电可靠性指标；根据各节点是否为负荷点判断是否输出该节点的可靠性指标，其目的为仅输出负荷点的可靠性指标。步骤七、分析开关设备的非活动性故障对负荷点供电可靠性的影响该步骤包括以下四部分：1)设由主电源供电时支路对节点的最大影响矩阵用dms表示；若某开关设备bj发生非活动性故障，需根据矩阵φms搜索其上游临近的断路器bk，并断开该断路器bk，故开关设备bj对其他节点的停电影响与bk断开时相同；则将矩阵ψms的第k列复制到矩阵dms的第j列，该列给出了哪些节点将遭受一次停电。2)设主电源供电时各支路非主动故障对各节点的最小影响矩阵用ems表示；在开关设备bj发生非活动性故障后的维修过程中，若bj自身能与上游设备断开，则将矩阵ψms的第j列复制到矩阵ems的第j列即可；否则，需使bj上游临近的开关设备bn处于断开状态，开关设备bj对其他节点的持续性停电的影响与bn断开时相同，将矩阵ψms的第n列复制到矩阵ems的第j列即可；以相同方法得到由备用电源供电时的最小影响矩阵eas。3)将矩阵ems、所有备用电源的矩阵eas进行“与”操作，得矩阵ema；则矩阵ema给出了开关设备bj维修完成才能恢复供电的节点，则dms-ema给出了可通过倒闸作业恢复供电的节点。4)由矩阵dms和矩阵ema以及各开关设备的非活动性故障参数可计算各开关设备对各负荷点供电可靠性的影响。步骤八、分析各开关设备发生活动性故障的影响该步骤包括以下三部分：1)设开关设备的活动性故障对节点的最大影响矩阵为gms；某开关设备bj发生活动性故障时的影响与其上游临近节点zi的活动性故障相同，则将矩阵ams的第i列复制到矩阵gms的第j列即可。2)矩阵ema给出了故障的开关设备bj维修完成才能恢复供电的节点，则gms-ema给出了可通过倒闸作业恢复供电的节点。3)由矩阵qms和矩阵ema以及各开关设备的活动性故障参数可计算各开关设备对各负荷点供电可靠性的影响。步骤九、各负荷点可靠性指标的输出将各负荷点由步骤六至八步骤计算出的停电频率、年停电时间等指标相加，得其总停电频率和年总停电时间，再结合负荷点的相关数据计算得到用户平均停电频率指标、用户平均停电持续时间指标。为验证本发明的有效性，使用所提出的算法对ieee标准可靠性测试模型rtbs的bus6系统进行了可靠性评估。分析结果表明，在不计开关设备的故障和粘连时，本方法给出的可靠性指标完全准确。与现有技术相比，本发明的有益效果是：(一)概念清晰；(二)可使用矩阵操作计算配电网的可靠性指标，编程实现较为简单，分析结果准确；(三)同时计及了开关设备的活动性故障、非活动性故障和粘连对配电网供电可靠性的影响。附图说明图1为本发明的实现流程图图2为本发明分区结构示意图具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本发明的实现步骤作进一步的描述。该方法的实现步骤如图1所示，并说明如下：步骤一、配电网的简化根据配电网以开关设备作为拓扑结构变换的特点，对配电网分为多个区域(zone)，区域由线路和变压器等电力元件组成且其内部不含开关设备。将区域看作一个节点，将开关设备作为支路，并计算每个节点的可靠性参数。一般而言，可靠性评估仅考虑每一个节点的活动性故障。因区域内任一元件故障均会导致同一区域内其他元件停电，故同一区域内的元件在逻辑上为串联关系，可使用串联元件的可靠性等值方法得到第i个节点(zi)的可靠性参数其中，和分别为某个区域内元件的故障率和平均维修时间，和为区域的等值故障率和平均维修时间，上标“a”表示活动性故障。步骤二、输入配电网的拓扑结构信息根据配电网的支路和节点的实际连接关系建立配电网的节点连接关系表，该表描述了各个支路的开关设备类型以及其连接了哪两个节点。开关设备类型用数字表示，“0”为断路器，“1”为熔断器，“2”为隔离开关。建立电源指示向量用以标记哪些节点是主电源和备用电源，且主电源节点的编号为0，备用电源节点的编号按顺序编号且无限制；建立负荷点指示向量用以标记哪些节点是负荷节点。对于如图2所示区域，其节点连接关系表如表1所示。其中，“ms”和“as”分别表示主电源和备用电源。lpi为第i个负荷点，bi为第i个开关支路，zi为第i个区域，“n/o”表示常开状态。表1编号类型起始节点终止节点b10z0(ms)z1b22z1z2b30z2z3b41z3z4b52z2z5b61z5z6b70z6z7(as)步骤三、分别建立主电源、备用电源供电时配电网的关联矩阵该步骤包括以下两部分：1)根据节点连接关系表建立配电网的节点-支路关联矩阵φ：主电源和备用电源供电时配电网的节点支路关联矩阵分别为φms和φas，下标“ms”和“as”分别表示主电源和备用电源。在建立矩阵φms时，将其他电源节点均视作普通节点。对每个支路，电流流出的节点对应的值为“-1”，流入的节点对应的值为“1”；每个支路对应一行。同理，建立备用电源供电的矩阵φas时将主电源和其他备用电源均视作普通节点。2)对节点-支路关联矩阵φms，删除与主电源ms对应的列，然后求逆，可得支路-节点关联矩阵ψms；然后在矩阵h中的第一行增加一个全为零的行向量以描述主电源节点。建立备用电源供电时的矩阵ψas应在与该备用电源对应的行增加一个全为零的行向量。步骤四、分析节点活动性故障的相互影响当配电网由主电源供电时，对任两个节点(节点zi和zj)，两者在ψms中其所对应的行向量分别为ri和rj，将两者进行“异或”运算得行向量rij，再将rij与rj进行“与”运算，可得行向量vj2i；行向量vj2i描述了节点zj通过哪些开关设备影响节点zi。假设向量vj2i中第3和第5个元素为“1”而其他元素均为“0”，表示节点zj通过开关设备b3和b5影响节点zi，即这两个开关设备同时拒动时才会引起zi停电，亦即zj活动性故障引起zi停电的概率为q3q5。其中，qk表示第k个开关设备的拒动概率。若vj2i中的元素全为“0”，表示节点zj不通过任何开关设备而直接影响节点zi，即节点zj的活动性故障造成节点zi停电的概率为“1”。由此可计算任两个节点之间的活动性故障的相互影响，并将结果赋予节点活动性故障的最大相互影响矩阵ams。步骤五、建立各节点故障的最小影响矩阵该步骤包含以下两部分：1)设主电源供电时节点活动性故障的最小影响矩阵用cms表示；当某节点zj故障而进行维修时，需断开其电源侧临近的开关设备bi，故节点zj维修时其对其他节点的影响与其上游侧临近的开关设备bi断开相同，故将矩阵ψms的第i列复制到矩阵cms第j列即可；同理，可建立备用电源as供电时各节点故障时的最小影响矩阵cas；当有多个备用电源时，重复该步骤即可。2)将矩阵cms、所有备用电源的矩阵cas进行“与”运算可得矩阵cma,该矩阵可描述节点故障时的持续性停电范围；若矩阵cma中元素cma(i,j)为“1”,表示需等zj维修完成才能恢复zi的供电。步骤六、节点活动性故障的可靠性计算根根据矩阵ams和cma以及各节点的可靠性参数可计算负荷点的供电可靠性指标；其中，矩阵cma表示了经过维修作业才能恢复供电的区域，而ams-cma描述了经过倒闸作业即可恢复供电的区域。利用矩阵ams和cma计算各节点的供电可靠性指标；根据各节点是否为负荷点判断是否输出该节点的可靠性指标，其目的为仅输出负荷点的可靠性指标。由各节点的活动性故障引起的停电频率向量为：其中，“×”为矩阵的一般矩阵乘法(matmulproduct)；和分别为由各节点的活动性故障率和停电频率形成的列向量，主电源的故障率按实际情况设置，备用电源节点的故障率为零。由各节点的活动性故障引起的年停电时间为：其中，“○”为矩阵或矢量的哈达玛积(hadamardproduct)，即向量或矩阵的对应元素相乘；和分别为区域zi活动性故障时的维修时间和倒闸作业时间列向量。再由各节点的故障频率和年停电时间可计算其他可靠性指标。步骤七、分析开关设备非活动性故障对负荷点供电可靠性的影响该步骤包括以下四部分：1)设由主电源供电时，设支路对节点的最大影响矩阵用dms表示。若某开关设备bj发生非活动性故障，需根据矩阵gms搜索其上游临近的断路器bk，并断开该断路器，故开关设备bj对其他节点的停电影响与bk断开时相同，则可将矩阵ψms的第k列复制到矩阵dms的第j列，该列给出了哪些节点将遭受一次停电。2)设主电源供电时各支路非主动故障对各节点的最小影响矩阵用ems表示；在开关设备bj发生非活动性故障后的维修过程中，若bj自身能与上游设备断开，则将矩阵ψms的第j列复制到矩阵ems的第j列即可；否则，需使bj上游临近的开关设备bn处于断开状态，开关设备bj对其他节点的持续性停电的影响与bn断开时相同，将矩阵ψms的第n列复制到矩阵ems的第j列即可。同理，可得由备用电源供电时的最小影响矩阵eas。3)将矩阵ems、所有备用电源的矩阵eas进行“与”操作，得矩阵ema；则矩阵ema给出了开关设备bj维修完成才能恢复供电的节点，而矩阵dms-ema给出了可通过倒闸作业恢复供电的节点。4)由矩阵dms和矩阵ema以及各开关设备的非活动性故障参数可计算各开关设备对各负荷点供电可靠性的影响。由各支路的非活动性故障引起的停电频率向量为：由各支路的非活动性故障引起的年停电时间向量为：其中，和分别为由各节点非活动性故障的故障率和停电频率形成的列向量，和分别为开关设备bj故障时的维修时间和倒闸作业时间列向量。步骤八、分析各开关设备发生活动性故障的影响该步骤包括以下三部分：1)设开关设备的活动性故障对节点的最大影响矩阵为gms；某开关设备bj发生活动性故障时的影响与其上游临近节点zi的活动性故障相同，则将矩阵ams的第i列复制到矩阵gms的第j列即可。2)矩阵ema给出了故障的开关设备bj维修完成才能恢复供电的节点，则gms-ema给出了可通过倒闸作业恢复供电的节点。3)由矩阵gms和矩阵ema以及各开关设备的活动性故障参数可计算各开关设备对各负荷点供电可靠性的影响。由各支路的活动性故障引起的停电频率向量为：由各个支路的活动性故障引起的年停电时间向量为：其中，和分别为由各节点非活动性故障的故障率和停电频率形成的列向量，和分别为开关设备bj故障时的维修时间和倒闸作业时间列向量。步骤九、各负荷点可靠性指标的输出将各负荷点由公式(2)至公式(7)计算出的停电频率、年停电时间等指标相加，得各节点的总停电频率：和年总停电时间：再结合负荷点的相关数据计算得到用户平均停电频率指标、用户平均停电持续时间指标。当前第1页12