基于分块枚举法的风电场集电系统可靠性评估方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于分块枚举法的风电场集电系统可靠性评估方法，本发明通过元件等效建立风电机组可靠性等效模型；用聚类方法和风能转换模型建立单个机组多状态容量概率表；利用Markov建立元件的多状态概率模型；分块枚举和深度搜索算法建立单个分块的机组运行台数概率表；利用本发明定义的矩阵运算建立风电场多状态容量概率表，并最终建立风电场集电系统可靠性评估数学模型。本发明不仅能够计及风电场馈电线路、风力发电机、集电变压器等元件的多重故障，而且还能计及开关设备的故障隔离、切换等因素影响，并能定量给出评价风电场集电系统可靠性的评估指标。
【专利说明】基于分块枚举法的风电场集电系统可靠性评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种风电场可靠性评估方法，也即风电场可靠性评估指标的评测方 法，具体涉及风电场集电系统可靠性评估方法。属于电气工程【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 随着能源需求的不断增加，以及煤炭、石油、天然气等传统能源的日益枯竭，许多 国家都制定了可替代能源的发展规划。风能作为一种清洁、发展最快的可再生能源，得到大 规模开发和利用。由于风能具有间歇性和随机性，大规模风电的并网将对电力系统可靠性 造成较大影响。
[0003] 当风电机组（WTG)型号、位置及风源等确定的情况下，风电场可靠性主要取决于 风电场内集电系统的接线方式，常见的风电场集电系统基本接线方式有：放射形、单边环 形、双边环形和星形。不同的风电场集电系统拓扑结构对应不同的风电场可靠性水平，同时 需要不同的风电场投资费用。因此，有必要对风电场发电系统电气结构本身的可靠性进行 深入研究，其对风力发电系统及整个电网安全、可靠运行意义重大。
[0004] 现有风电场集电系统可靠性评估方法主要有定性分析法和定量分析法。定性分析 法无法给出具体的评估指标；定量分析法中主要根据故障等效原理将风电场等效为一台常 规发电机，并计算系统评估指标。风电场集电系统中元件众多，包括风力发电机、塔架电缆、 变压器、分段输电线路、齿轮箱、隔离开关、切换开关、短路器等元件，元件的多重故障是存 在的，而现有风电场集电系统可靠性的研究鲜有计及集电系统元件的多重故障的影响。开 关设备操作（如故障隔离、故障切换等）可以减少受累风电机组停运的时间，提高风电场发 电量和可靠性，而现有风电场集电系统可靠性的研究鲜有计及开关设备的隔离、切换及其 操作时间、范围的影响。
【发明内容】
[0005] 针对现有研究风电场集电系统可靠性方法存在的上述不足，本发明的目的是提供 一种基于分块枚举法的风电场集电系统可靠性评估方法，本方法不仅能够计及风电场馈电 线路、风力发电机、集电变压器等元件的多重故障，而且还能计及开关设备的故障隔离、切 换等因素影响，并能定量给出评价风电场集电系统可靠性的评估指标。
[0006] 本发明的技术方案是这样实现的：
[0007] 基于分块枚举法的风电场集电系统可靠性评估方法，其特征在于：步骤如下，
[0008] 步骤1 :输入风电场集电系统数据
[0009] 采集风电场集电系统的结构数据和可靠性数据，以及风电场风速数据；
[0010] 步骤2 :形成风电机组多状态容量概率模型
[0011] 根据风速与风电机组输出功率的关系，形成风电机组多状态容量概率模型，记为 PTMCW，如式⑴所示。
[0012]
【权利要求】
1.基于分块枚举法的风电场集电系统可靠性评估方法，其特征在于：步骤如下， 步骤1 :输入风电场集电系统数据 采集风电场集电系统的结构数据和可靠性数据，以及风电场风速数据； 步骤2 :形成风电机组多状态容量概率模型 根据风速与风电机组输出功率的关系，形成风电机组多状态容量概率模型，记为 PTMCW，如式⑴所示。
(1) 式中，Nts w为PTMCW的总状态数
分别为PTMCW中第i个状态的WTG出力及 其对应概率； 步骤3 :建立单个元件的多状态Markov模型 根据风电场集电系统中开关设备的作用，当元件故障后，可能存在故障隔离、切换、故 障修复几个过程；因此，根据是否需故障隔离、切换等过程，将元件可靠性模型分为两状态 模型（正常和故障状态）、三状态模型（正常、隔离和故障状态）和四状态模型（正常、隔 离、切换和故障状态）；。 设
和μ分别为兀件的故障率、隔尚率、切换率和修复率；根据Markov原 理，通过解式（2) - (4)得到Xl，x2, x3, x4的值，它们分别表示元件处于正常、隔离、切换和故障 状态的概率，其中式（2)对应元件的两状态模型；式（3)对应元件的三状态模型；式（4)对 应元件的四状态模型；
(2) ㈧ (4) 步骤4 :形成风电场集电系统的分块 块的定义：由各相互连接的集电系统元件构成，当去掉系统中汇流母线后，不与其它任 何集电系统元件或网络相连的最小单元称为一个块；每个分块中包含若干台风电机组； 步骤5 :形成单个分块机组运行台数概率表PTNUS 形成单个分块机组运行台数概率表的步骤如下： 5. 1 :利用状态枚举法枚举单个分块内所有元件的工作状态，即形成一个系统状态； 5. 2 :根据元件多状态Markov模型计算元件处在正常、隔离、切换和故障状态的概率； 5. 3 :进行隔离、切换、故障状态的分析； 当分块中无联络线时，系统将可能经历故障隔离、故障修复等过程；当分块中有联络线 时，系统将可能经历故障隔离、切换和修复等过程；其中，故障隔离、切换和修复的过程分析 如下； 5. 3. 1 :隔离状态分析 当元件发生故障时，相应断路器动作，则该断路器范围内的元件均会因断路器跳闸而 与集电系统断开连接；遍历单个分块内与集电系统相连接的所有风机数目，记为^，并利用 公式（5)计算其对应的概率pis( ni)，则该概率即为从故障发生到故障被成功隔离的时间内 与集电系统相连接的正常运行的风机台数为叫的概率；
(5) 式屮，集合{Sf丨为早个分块内故障元件的集合；集合{SJ为单个分块内正常工作元件 的集合为第j个正常工作元件的概率；Pisi为第i个故障元件处于隔离状态的概率； 5. 3. 2 :切换状态分析 当隔离过程完成后，判断联络线工作状态，并将可切换的风机转移到其他馈线；采用深 度搜索算法遍历单个分块，并统计遍历到的风电机组数目，记为n2，利用公式（6)计算对应 的概率P sw(n2);该概率即为从故障隔离到成功切换联络开关的时间内与集电系统相连接的 正常运行的风机台数为的概率；
(6) 式中，Pswi为第i个故障元件处在切换状态的概率； 5. 3. 3 :故障状态分析 如果系统有故障发生，则系统可能经历正常-隔离-切换-故障状态或正常-隔离-故 障状态或正常-故障状态；经过故障隔离、切换后，采用深度搜索算法遍历单个分块的风电 机组数目，记为n3，利用公式（7)计算对应的概率&〇1 3);该概率即为从成功切换联络开关 后到故障元件被修复的时间内与集电系统相连接的正常运行的风机台数为n3的概率；
(7) 式中，Pfi为元件i处在故障状态的概率； 5. 4 :重复以上步骤，直到达到设定的故障枚举阶数； 根据本步骤遍历到的风机数目和其对应的概率，即可构成单个分块机组运行台数概率 表PTNUS，如公式（8);
(8) 式中，Nw_s为单个分块内的总机组数目；pa_s(i)为单个分块中有i台机组处于运行状态 的概率； 按上述方法，可得到每个分块机组运行台数概率表PTNUS ; 步骤6 :形成风电场机组运行台数概率表和风电场集电系统多状态容量概率表 矩阵Θ运算定义：设A为任意FX 2矩阵，B为任意GX 2矩阵，则按式（9)进行矩阵计 算的方法称为矩阵?运算：
(9) 式中，A θ B表示FGX2矩阵； 矩阵?运算定义：设A为任意RX 2矩阵，B为任意TX 2矩阵，则按式（10)进行矩阵计 算的方法称为矩阵?运算；
(10) 式中，
表示RTX2矩阵； 根据步骤5得到每个分块的PTNUS，再将所有PTNUS进行累积矩阵?运算，即可得到风 电场机组运行台数概率表，记为PTNUwf ; 将PTMCW与PTNUwf进行矩阵?运算，即可得到风电场集电系统多状态容量概率表，记为 PTMCwf ； 步骤7 :计算风电场集电系统可靠性评估指标 本发明定义风电场集电系统可靠性评估指标包括AAEOuf，AAEOu，LOEEf和LOEE u四个指 标； AAEOuf:同时考虑风电场风速不确定性和风电场集电系统元件故障时的风电场内单台 机组平均年发电量； AAE0U :仅考虑风电场风速不确定性时的风电场单台风电机组平均年发电量； L0EEf :仅由风电场集电系统元件故障引起的单台风电机组平均风能损失； L0EEu :仅由风电场风速不确定性引起的单台风电机组平均风能损失； (11)
(12) (13) u i u (14) 式中，Nts w和Nts wf分别表示PTMCW和PTMCwf状态数A、A·.分别为PTMCwf中第i个状 态的风电场出力及其对应概率；Cwi和p (Cwi)分别为PTMCW中第i个状态的WTG出力及其对 应概率；已为风电机组的额定功率；T为给定的时间区间小时数； 风电场发电效率和其它指标定义如下：
(15) (16) (17) (18) 式中，为风电场发电效率；rur为风速不确定性引起的风电损失占风电场额定发电容 量的百分比；r&为风电场集电系统元件故障引起的风电损失占风电场额定容量的百分比； rfa为风电场集电系统元件故障引起的风电损失占实际风电场发电量的百分比。
2.根据权利要求1所述的基于分块枚举法的风电场集电系统可靠性评估方法，其特征 在于：对一个集电系统，步骤4的分块按如下搜索算法进行： 4. 1 :断开风电场集电系统汇流母线侧馈线出线开关； 4. 2 :合上风电场集电系统内所有联络开关； 4. 3 :从每个汇流母线侧开关所在的馈线出发遍历网络，遍历到的所有集电系统元件即 形成一个分块； 4. 4 :重复执行步骤4. 3,直到风电场集电系统中所有元件均被遍历过，从而得到若干 个分块。
【文档编号】G06Q50/06GK104156883SQ201410376437
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月1日 优先权日:2014年8月1日
【发明者】谢开贵, 胡博, 杨贺钧, 余娟, 任洲洋, 郭宇航, 李龙云 申请人:重庆大学