基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法与流程

本发明涉及电力系统可靠性分析领域，特别是一种基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法。
背景技术：
：随着新能源的大力发展、电力市场的不断推进以及负荷的不断增长，电力系统逐渐发展成为分层分区且各分区之间又紧密联系的互联大电网。由于各子网之间相互影响日益增强，在对所研究的子网(即内网)进行分析决策时必须对互联外网的影响进行有效考虑。但由于互联大电网规模庞大或涉及行业机密性等问题，各子网之间无法进行完备的数据交换，互联大电网的一体化分析与决策难以实现，因此必须借助于静态等值理论，将外网影响保留在接入边界节点的等值网络中。在内网系统稳态情况下的计算分析中，等值网络保留潮流信息一致性便可以保证内网运行可靠性分析的正确性和精确性，但如果系统状态发生变化，则还必须考虑指示状态变化的灵敏度信息的一致性，并且发电机、线路、变压器、负荷和对地支路运行特性各异，对系统运行可靠性的响应也不同，因此在等值网络中也需要尽可能保留不同元件类型来反映外网信息。现有的可靠性评估方法，对于仅用于仿真研究的小系统通常直接采用全网一体化计算，但对于大规模系统来说，全网的计算时间长，计算量大，甚至可能难以收敛，全网一体化计算将不再适用。在大规模系统和实际系统研究中，现有可靠性评估方法通常直接忽略被研究系统以外的其他网络，或仅保留外部网络在边界节点处的注入功率，即采用简单挂等值机法对外网进行等值。简单挂等值机方法虽然计算简单，但完全忽略了外网的网架结构，在内网出现扰动时，无法反映联络线上的功率变化，不能正确反映外网对内网的电压和功率支撑作用，可能导致可靠性评估指标计算精度难以保证。因此必须从潮流、灵敏度和元件类型三个角度提出新的考虑等值的可靠性评估方法。技术实现要素：本发明的目的是提出一种基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：本发明提供的一种基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法，包括以下步骤：S1：获取电网基础数据，根据考虑灵敏度一致性和与元件类型全面性的静态等值方法建立等值网络，并计算所有等值网络参数；构建等值网络；S2：设定抽样次数，运用非序贯蒙特卡洛法对各元件运行状态随机抽样，进而得到内网系统随机状态；S3：判断该内网系统随机状态的拓扑结构是否解列，如果是，则甩去较小部分网络，保留大的网络；S4：如果否，则进入下一步骤S5；S5：运用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算；S6：判断潮流是否收敛，如果是，则判断该系统随机状态下节点电压和支路功率是否越限并存储数据；S7：如果否，则计算系统潮流不收敛的概率；S8：判断是否抽样完毕，如果否，则返回步骤S1重新进行；S9：如果是，则计算可靠性评估指标。进一步，所述电网基础数据包括全网电力一次设备参数和拓扑结构；所述全网电力一次设备参数包括全部线路的阻抗、对地电纳及其传输功率约束条件、变压器的阻抗、对地导纳、变比及传输功率约束条件、全部节点的对地导纳及连接负荷功率、发电机出力及出力约束条件；所述拓扑结构包括电网分区情况及电网中各节点的连接关系；所述电网中各节点包括外网节点集合E、边界节点集合B和内网节点集合I。进一步，所述等值网络采用基于灵敏度一致性和元件类型全面性的静态等值方法来计算等值网络的等值参数，所述等值参数包括表征原外网线路与发电机在边界节点等值的边界节点间等值支路阻抗边界节点与等值发电机节点间等值支路阻抗等值发电机节点间的等值支路阻抗和表征原外网对地支路在边界节点等值的等值对地支路导纳表征原外网负荷在边界节点等值的等值负荷表征原外网发电机对内网功率支撑的等值发电机出力SeqGi。进一步，所述内网系统随机状态计算具体步骤如下：状态选择：对每个元件的运行状态抽样，按照以下公式组合所有元件的随机状态得到系统的随机状态；xi=0,ri>pi1,0<ri≤pi;]]>X＝[x1,x2,…,xN]式中，ri为元件i模拟得到的随机数，pi为元件i的不可用率；X为系统状态向量；xi为任意元件i所处状态。进一步，所述内网系统处于状态s的概率采用以下公式计算：P(S)=m(s)M;]]>式中，M为抽样总数，m(s)为状态s出现的次数。进一步，所述内网系统的可靠性评估指标按照以下公式进行计算：Pj=Σk∈jPk;]]>式中，j表示系统或元件处于某状态的集合；Pk表示系统或元件处于第k次抽样状态的概率；Pj表示系统或元件处于某状态j的概率。由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：本发明针对基于现有静态等值模型的内网可靠性评估指标计算的不足，采用基于灵敏度一致性和元件类型全面性的等值模型来计算可靠性评估指标；考虑等值前后灵敏度一致性和等值元件全面性的静态等值方法，以潮流一致性、灵敏度一致性、功率转移特性一致性为前提条件得到该方法等值参数的计算公式，提高外网等值精度，进而保证内网运行可靠性分析的准确性。本发明在可靠性评估指标计算中引用了一种外网等值方法，该等值方法在进行外网等值时，不仅能保证元件类型的全面性，还能考虑潮流和灵敏度一致性，在保证等值精度的前提下结合非序贯蒙特卡洛法，有效提高了可靠性评估的计算速度。相比于现有工程上使用的将外网等值为一个注入电流加在边界节电处的等值思想，本发明基于新外网等值法对内网系统进行可靠性评估，其可靠性评估指标计算结果更加精确、误差更小。使得对于系统状态的可靠性评估更为准确，更加贴近全网系统运行情况。本发明可广泛应用于任何电力系统可靠性评估，特别适用于电力环境下外网状态信息未知的内网可靠性评估。本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。附图说明本发明的附图说明如下。图1为本发明方法的程序流程框图。图2为本发明的等值电路示意图。图3为IEEE57节点标准测试系统图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例1如图所示，本实施例提供的一种基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法，包括以下步骤：S1：获取电网基础数据，根据考虑灵敏度一致性和与元件类型全面性的静态等值方法建立等值网络，并计算所有等值网络参数；构建等值网络；S2：设定抽样次数，运用非序贯蒙特卡洛法对各元件运行状态随机抽样，进而得到内网系统随机状态；S3：判断该内网系统随机状态的拓扑结构是否解列，如果是，则甩去较小部分网络，保留大的网络；S4：如果否，则进入下一步骤S5；S5：运用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算；S6：判断潮流是否收敛，如果是，则判断该系统随机状态下节点电压和支路功率是否越限并存储数据；S7：如果否，则计算系统潮流不收敛的概率；S8：判断是否抽样完毕，如果否，则返回步骤S1重新进行；S9：如果是，则计算可靠性评估指标。所述电网基础数据包括全网电力一次设备参数和拓扑结构；所述全网电力一次设备参数包括全部线路的阻抗、对地电纳及其传输功率约束条件、变压器的阻抗、对地导纳、变比及传输功率约束条件、全部节点的对地导纳及连接负荷功率、发电机出力及出力约束条件；所述拓扑结构包括电网分区情况及电网中各节点的连接关系；所述电网中各节点包括外网节点集合E、边界节点集合B和内网节点集合I。所述等值网络采用基于灵敏度一致性和元件类型全面性的静态等值方法来计算等值网络的等值参数，所述等值参数包括表征原外网线路与发电机在边界节点等值的边界节点间等值支路阻抗边界节点与等值发电机节点间等值支路阻抗等值发电机节点间的等值支路阻抗和表征原外网对地支路在边界节点等值的等值对地支路导纳表征原外网负荷在边界节点等值的等值负荷表征原外网发电机对内网功率支撑的等值发电机出力SeqGi。所述内网系统随机状态计算具体步骤如下：状态选择：对每个元件的运行状态抽样，按照以下公式组合所有元件的随机状态得到系统的随机状态；xi=0,ri>pi1,0<ri≤pi;]]>X＝[x1,x2,···,xN]式中，ri为元件i模拟得到的随机数，pi为元件i的不可用率；X为系统状态向量；xi为任意元件i所处状态。所述内网系统处于状态的概率采用以下公式计算：P(S)=m(s)M;]]>式中，M为抽样总数，m(s)为状态s出现的次数。所述内网系统的可靠性评估指标按照以下公式进行计算：Pj=Σk∈jPk;]]>式中，j表示系统或元件处于某状态的集合；Pk表示系统或元件处于第k次抽样状态的概率；Pj表示系统或元件处于某状态j的概率。实施例2本实施例提供的基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法。首先需要输入全网的基础数据，其中包括系统元件的参数和连接关系、内外网划分情况以及各元件可用率。根据考虑灵敏度一致性和与元件类型全面性的静态等值方法建立等值网络，并计算所有等值网络参数。运用适用于对大规模系统和高阶故障情况可靠性评估的非序贯蒙特卡洛法模拟元件运行情况和负荷波动大小，获得内网系统的随机状态，之后分析网络拓扑是否存在解列，潮流计算判断支路潮流或节点电压是否越限。最后综合计算系统和元件的可靠性评估指标，并与基于常规挂机等值理论得到的结果进行对比，具体步骤如下：S1：获取电网基础数据，根据考虑灵敏度一致性和与元件类型全面性的静态等值方法建立等值网络，并计算所有等值网络参数；构建等值网络；S2：设定抽样次数，运用非序贯蒙特卡洛法对各元件运行状态随机抽样，进而得到内网系统随机状态；S3：判断该内网系统随机状态的拓扑结构是否解列，如果是，则甩去较小部分网络，保留大的网络；S4：如果否，则进入下一步骤S5；S5：运用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算；S6：判断潮流是否收敛，如果是，则判断该系统随机状态下节点电压和支路功率是否越限并存储数据；S7：如果否，则计算系统潮流不收敛的概率；S8：判断是否抽样完毕，如果否，则返回步骤S1重新进行；S9：如果是，则计算可靠性评估指标。实施例3本实施例提供的基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法，具体方法步骤如下：输入基础数据：输入互联电网基础数据，包括全网电力一次设备参数(即全部线路的阻抗、对地电纳及其传输功率约束条件，变压器的阻抗、对地导纳、变比及其传输功率约束条件，全部节点的对地导纳及连接负荷功率大小，发电机出力大小及其出力约束条件等)和拓扑结构(即电网分区情况及电网中各节点的连接关系)。等值前的互联网络节点被分为三部分，分别为外网节点集合E，边界节点集合B和内网节点集合I。根据内外网划分情况，可以得到内网元件个数(即总元件个数和可用元件个数)。传统元件可靠性模型忽略电网运行工况和外界环境对设备的影响，基于长期统计数据，将元件的故障概率取为某个固定的常数，由此得到内网各元件的可用率(即可用元件的可用率和不可用元件的不可用率)。建立外网等值网络：采用基于灵敏度一致性和元件类型全面性的静态等值方法(即“StaticEquivalentMethodBasedonComponentParticularityRepresentationandSensitivityConsistency”)计算等值网络的等值参数，包括表征原外网线路与发电机在边界节点等值的边界节点间等值支路阻抗边界节点与等值发电机节点间等值支路阻抗等值发电机节点间的等值支路阻抗和表征原外网对地支路在边界节点等值的等值对地支路导纳表征原外网负荷在边界节点等值的等值负荷表征原外网发电机对内网功率支撑的等值发电机出力SeqGi等。计算出等值参数之后，可以画出如附图2所示的等值网络图。状态选择、拓扑分析及潮流计算：完成以上两个步骤的工作之后，不计各元件间的故障相关性，可以采用非序贯蒙特卡洛法对等值后的内网状态进行大量随机抽样，进而对系统进行拓扑分析，判断是否发生解列，并整理系统数据进行潮流计算，从而得到各支路功率和各节点电压在不同状态下的分布情况。状态选择：采用非序贯蒙特卡洛法对每个元件(包括发电机、线路、变压器、负荷、对地电抗、对地电容)的运行状态抽样，之后组合所有元件的随机状态得到系统的随机状态。假设除负荷外每个元件之间相互独立且仅有正常运行和故障退出两种状态，用一个在[0,1]区间的均匀分布来模拟。若系统中除负荷外共有N个元件，那么系统状态可以用向量X＝[x1,x2,…,xN]来表示。当任意元件i所处状态xi取值为1时，元件正常运行，否则故障退出。xi=0,ri>pi1,0<ri≤pi---(1)]]>式中，ri为元件i模拟得到的随机数，pi为元件i的不可用率。假设负荷元件服从正态分布，以系统给定负荷功率值为均值，再设定标准差，在每次抽样状态中其具体负荷大小随机生成，以模拟现实中负荷的实时波动特性，得到的可靠性评估结果也更为精确。若进行M次系统抽样，则每次抽样的状态概率为1/M。由于抽样的随机性，系统状态s可能会多次出现，当抽样数量足够大时，内网系统处于状态s的概率可被精确评估。P(S)=m(s)M---(2)]]>式中，M为抽样总数，m(s)为状态s出现的次数。拓扑分析：在随机生成系统状态后，就需要对系统进行拓扑分析，其任务就是要分析整个系统的节点由线路和变压器连接成多少个子系统，即将有电气联系的节点和支路划分到一个子系统中，并整理出每个子系统的相关数据，以形成潮流计算的输入数据。在系统不解列的情况下，全网为一个系统。对于解列的系统，则需舍去孤立元件、孤立节点或者发电机组可用容量小于负荷的子系统。由于每个元件的不可用率很小，在模拟过程出现大量元件退出运行的概率极小，即使是在发生解列的情况下，内网绝大部分也被予以保留来进行可靠性评估。潮流计算：运用非序贯蒙塔卡洛法对系统状态进行随机抽取，除随机退出运行的设备和负荷功率的波动外，网络拓扑、元件参数等均被视为确定的值，因而潮流计算为准确的非线性方程计算，而牛顿-拉夫逊法具有收敛速度快、收敛性能好、计算精度高的特点，因此本发明采用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算。网络处在各随机状态下的概率被纳入考虑，则可以从多次的计算结果中统计出节点电压和支路潮流的概率分布，得到节点电压和支路潮流的越限情况并将每个抽样状态的结果进行存储，进而对系统和元件进行可靠性评估。可靠性评估指标计算：可靠性评估指标主要分为状态类可靠性评估指标和越限类可靠性评估指标，而每类指标又相应地分为系统指标和元件指标。状态类可靠性评估指标：在系统抽样状态中，存在着正常和越限这两种运行状态。正常状态指系统能够正常运行，不发生越限情况，而越限状态指系统有节点电压或支路功率超出允许范围，有可能威胁到系统安全运行，其指标计算公式如下：Pj=Σk∈jPk---(3)]]>式中，j表示系统或元件处于某状态的集合；Pk表示系统或元件处于第k次抽样状态的概率；Pj表示系统或元件处于某状态j的概率。具体而言，就是系统和各节点电压处于越低限状态的概率、系统和各支路(线路和变压器)处在有功过载状态的概率。由于牛拉法潮流计算可能出现潮流不收敛的情况，则系统出现潮流不收敛情况也纳入此类指标来对等值网络可靠性进行评估。若发现可靠性评估指标超出系统容忍范围，则必须采取必要调整控制措施，使得系统潮流分布满足系统约束条件和负荷需求，否则将不得不考虑削减负荷来保证系统的安全运行。至此，基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法的计算步骤结束。实施例4本实施例结合具体实施方案，进一步详细说明。输入基础数据：等值前的互联网络节点被分为三部分，分别为外网节点集合E＝{4-8、18-21}，边界节点集合B＝{22、29}和内网节点集合I＝{1-3、9-17、23-28、30-57}。首先输入图3所示系统的基础数据，其中，互联电网基础数据包括拓扑结构和电力设备参数，基准容量为100MW，主要参见IEEE-57标准系统。图3中3节点和4节点之间的支路断开，8节点和9节点之间的支路断开。22节点和29节点为边界节点；4-8、18-21节点为外部节点；1-3、9-17、23-28以及30-57节点为内部节点，其中节点1为平衡节点。其次，IEEE57节点标准系统的可用元件个数为70个，其为内网元件个数和边界非等值元件的个数之和。依据传统元件可靠性模型，由长期统计数据得到各类型元件的不可用率如下表所示：系统元件的不可用率表1元件发电机线路变压器并联电容并联电抗可用率0.0080.010.010.0080.008建立外网等值网络：第(1)步完成后，在该实施例中，采用现有基于灵敏度一致性和元件类型全面性的静态等值方法(即“StaticEquivalentMethodBasedonComponentParticularityRepresentationandSensitivityConsistency”)对外网进行精确等值并计算等值网络的所有等值参数，包括等值支路阻抗Zeq22、Zeq29和Zeq58，59，等值对地支路导纳和等值负荷PeqL22和PeqL29；其中，Zeq22表示等值支路阻抗；Zeq29表示等值支路阻抗；Zeq58，59表示等值支路阻抗；表示原外网对地支路在边界节点22处的等值对地支路导纳；表示原外网对地支路在边界节点29处的等值对地支路导纳；PeqL22表示原外网负荷在边界节点22处的等值负荷；PeqL29表示原外网负荷在边界节点29处的等值负荷；等值参数如下表所示：表2(p.u.)状态选择、拓扑分析及潮流计算：完成以上两个步骤的工作之后，便可以由各系统状态的概率得到节点电压、支路潮流的概率分布和越限情况，对等值后的内网进行可靠性评估指标计算。1)状态选择采用非序贯蒙特卡洛法对各元件状态xi进行随机抽样，进而得到系统状态。为保证运行可靠性评估指标计算的精度，本实施例共采用10000次抽样，因此每次随机生成状态概率为0.0001，再根据其在整个抽样过程中出现的次数统计得到不同系统状态出现的概率。2)拓扑分析在随机抽取系统状态后，就需要对系统进行拓扑分析，判断内网系统是否出现解列情况。对于本实施例，并未出现大量元件退出运行导致内网系统基本崩溃的情况。出现解列时，只需舍去脱离主要网络的部分即可，在全部元件正常运行等未发生解列的情况下，全网仍为一个完整系统。3)潮流计算针对不同的随机抽样状态，运用牛顿-拉夫逊法进行10000次确定性潮流计算，得到内网及边界系统中48个节点的电压大小，52条线路支路和13条发电机支路潮流大小，进而分析节点电压和支路潮流在不同系统状态下的概率分布并将数据予以存储，以便判断越限情况和计算可靠性评估指标。运用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算可能会出现潮流不收敛，不收敛的系统状态则视为无效状态，不计入节点和支路的可靠性评估指标计算中。在本实施例中，参与比较的几种方法如下：M0：原始全网计算；M1：本发明方法；M2：不考虑外网约束的简单挂等值机法——工程上最常用的等值方法；现定义两个能反映外网等值精度的指标，绝对误差e1以及相对误差e2，这两个指标的数值越小，说明精度越高。绝对误差e1：e1＝|x-xeq|相对误差e2：e2=|x-xeqx|×100%]]>其中，x和xeq分别代表真值和估计值，所谓真值是指在仿真条件下，内外网均采用详细网络模型的潮流计算值、可靠性评估指标计算值，而估计值是指在内网采用详细网络模型、外网采用等值网络模型下的潮流计算值、可靠性评估指标计算值。所有状态下，节电电压和支路有功潮流计算的最大误差分别如表3和表4所示：采用方法M1和M2计算得到的潮流误差结果，节电电压潮流计算最大误差，表3支路有功功率潮流计算最大误差，表4可靠性评估指标计算：首先针对潮流不收敛的抽样状态，需要将其对应概率按照状态类可靠性评估指标定义累加，计算内网系统在非序贯蒙特卡洛法下的不收敛概率。而针对潮流收敛的其他抽样状态，则主要根据状态类可靠性评估指标定义计算系统、各节点、线路支路、发电机支路的越限概率，表征其越限的可能性。1、采用方法M0-M2计算得到的系统潮流不收敛概率及误差分析方法M0-M2系统潮流不收敛概率，表5等值方法不收敛概率M00.0421M10.0421M20.1582方法M0-M2系统潮流不收敛概率误差分析，表62、采用方法M0-M2计算得到的系统电压越低限概率及误差分析。方法M0-M2计算得到系统电压越低限概率，表7等值方法M0M1M2系统电压越低限概率0.95790.95790.8362方法M1-M2计算得到系统越低限概率误差分析，表83、采用方法M0-M2计算得到的系统线路过载概率及误差分析。方法M0-M2计算得到的系统线路过载概率，表9等值方法M0M1M2系统线路过载概率0.06100.06110.0555方法M1-M2计算得到系统线路过载误差分析，表104、采用方法M0-M2计算得到的系统变压器过载概率及误差分析。方法M0-M2计算得到的系统变压器过载概率，表11等值方法M0M1M2系统变压器过载概率0.09850.09870.0392方法M1-M2计算得到系统变压器过载误差分析，表12从实验结果可知：使用本发明提出的基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法后，能准确判断系统的潮流收敛状态以及节电电压和支路潮流的越限状态，系统可靠性评估指标的计算结果与原网误差非常小，计算精度很高。而工程上使用的简单挂等值机方法却有较大的误差，错误判断潮流收敛和越限状态，对存在的安全风险估计不足，影响电力系统的分析决策。综上所述，本实施例提出的基于蒙特卡洛的等值可靠性评估方法，能够描述等值元件的全面性，能很好地模拟实际外网的运行情况，向内网提供适当的功率和电压支撑，用一个规模较小的网络替代原始较大规模的外网，提高可靠性评估的计算效率。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。当前第1页1 2 3