本发明涉及一种简化配电网状态模型，尤其涉及一种用于配电网可靠性分析的简化配电网状态模型的方法，该方法适用于对配电网可靠性进行快速评估，进而规划可靠的未来配电网。
背景技术：
现在的智能配电网配备了智能开关元件，因此可以在故障后为终端用户自动恢复供电。这使得对于这样的配电网，可靠性分析变得复杂了许多。因为随着电网规模的增加，可能的开关状态组合的数量呈指数级增加。本发明介绍了一种近似的可靠性分析模型，在这种模型中，开关动作是隐式表达的。这种方法可以被图形化描述，是一种简化模型换取计算快速性的方法，仿真可以采用时间序列或非时间序列蒙特-卡罗仿真。本发明将通过一个结构简单的配电网来说明这一模型，配电网可靠性指标以平均值和分布的方式呈现。
对于电网可靠性表现的理解非常依赖于对于电网可靠性模型的定量分析，因为大多数影响用电终端的停电事故都是配电网故障造成的。随着分布式发电机、柔性负荷、新的监控和自动化技术在配电网中的比例越来越大，配电网的运行方式正经历着巨大的变化。这些技术的应用受到输电网和市场管理方式变化的影响非常大。规划可靠的未来电网需要能对于很大范围内各种参数和结构的配电网的可靠性能进行快速地评估。这反过来要求应用既灵活又快速的可靠性分析方法。
技术实现要素：
为解决传统配电网模型在智能开关广泛采用后计算量过大的问题，本发明提出了一种用于配电网可靠性分析的简化配电网状态模型的方法，该简化模型是将智能开关的动作隐含在其他电气设备的状态中的配电网模型，以达到简化配电网可靠性分析计算量，提高配电网可靠性计算效率的目的。
本发明提出的模型将配电网分割为若干被隔离开关或断路器隔开的“电气块”，这些“电气块”可以被视为节点，开关元件被表示为节点之间的连线。通过本发明的建模方式，配电网的结构可以得到完整的描述。在本模型中，如果一个电气元件发生故障，这个故障将被传播到与之相连接的所有节点直到碰到断路器节点或常开开关节点。经过一个特征开关时间，这个故障节点将变为一个隔离节点，我们不关心中间具体的继电保护动作序列，使得模型得到简化。处于隔离状态的节点不再导电，使得周围的节点不再受其故障影响。
本发明的技术方案采用如下步骤：
1)将配电网中的元器件以开关元件为界进行划分，形成一个个“电气块”，将实际配电网结构图转化为以“电气块”为点，开关元件为连线的点线结构图。
2)每个“电气块”内部的电气状态被认为是一致的，因此被简化为点线结构图中的一个节点。根据每个“电气块”所包含元器件的不同，将不同“电气块”转化为的节点划分为不同的类型，不同类型的节点拥有不同的参数和状态空间。
3)对点线结构图中每个节点的“初始状态”进行采样，“初始状态”为节点对应的电气设备(组)在某一采样时间所处的设备工作状态，分为：正常工作、故障、隔离、检修等。节点处于不同“初始状态”的概率由节点对应电气设备(组)的故障率、平均维修时间、检修率、平均检修时间等确定。
4)由点线结构图中所有节点采样获得的“初始状态”，根据状态传播规则计算其“电气状态”，“电气状态”为节点对应的电气设备在这一采样时间点所处的实际供电状态，分为：未供电(与电源之间没有通路)、本地隔离、失电(故障节点或与故障节点间存在通路的节点)、正常供电。
状态传播规则具体如下：
a)将所有节点的电气状态标注为“未供电”；
b)将所有初始状态为“隔离”的节点的电气状态标注为“本地隔离”；
c)将所有初始状态为“故障”的节点的电气状态标注为“失电”，并将电气状态“失电”沿着点线结构图传播，直到遇到断路器节点、常开开关节点或电气状态为“本地隔离”的节点；
d)将供电节点的电气状态标注为“正常供电”，并将电气状态“正常供电”沿着点线结构图传播，直到遇到电气状态为“本地隔离”或“失电”的节点。
5)计算配电网模型在某一采样点对应的可靠性分析指标(如负荷总失电功率数、失电用户数、失电用户比例等)，重复采样，求取平均值，获得配电网可靠性估测数据。
上述技术方案中，所述的步骤1)中的点线结构图是指将配电网中的元器件以开关元件(断路器和隔离开关)为界进行划分，形成一个个“电气块”，将实际配电网结构图转化为以“电气块”为点，开关元件为连线构成的。
所述的步骤2)中的每个“电气块”内部的电气状态被认为是一致的，因此被简化为点线结构图中的一个节点。根据每个“电气块”所包含元器件的不同，将不同“电气块”转化为的节点划分为不同的类型，不同类型的节点拥有不同的参数和状态空间。
所述的步骤3)中的“初始状态”指节点对应的电气设备(组)在某一采样时间所处的设备工作状态，分为：正常工作、故障、维修等。其中，“正常工作”是指节点所代表的电气元件可以正常工作。“故障”是指节点所代表的电气元件出现故障(退出运行)，且该故障尚未被本地隔离，故障清除通过断开对应馈线断路器来完成。该状态下，与故障节点连通的节点将会被故障影响。“维修”是指节点所代表的电气元件处于维修状态(退出运行)。该状态下，故障已被本地隔离，周围节点不受故障影响。
所述的步骤4)中的“电气状态”指节点对应的电气设备在这一采样时间点所处的实际供电状态，分为：未供电、本地隔离、失电、正常供电。其中，“未供电”指该节点与供电节点之间不存在可能的通路。“本地隔离”指该节点的“初始状态”为“维修”。该状态下，故障已被本地隔离，周围节点不受故障影响。“失电”指该节点本身或与该节点之间存在通路的节点的“初始状态”为“故障”。该状态下，该节点对应的电气元件正在经历一次故障，其对应的馈线断路器已打开。“正常供电”指该节点与供电节点之间存在可能的通路，且该节点不处于失电状态下。
所述的步骤5)中的电网可靠性评估数据由下式计算得：
其中，h指的是某一配电网可靠性分析指标的表达式。n指的是配电网状态的采样数量。xi指的是一个具体的配电网状态(包含所有节点的“初始状态”和所有负荷节点的负荷数据信息)。
本发明提出了一种经过简化的模型，用于配电网可靠性评估。这一模型的显著特点是配电网中开关元件的动作被隐式的融合进了其他元件的状态中，而不需要直接表示配电网中开关元件的开关状态。模拟继电保护和故障重构过程时，本发明提供的模型不需要分析具体的开关动作序列。上述的这些特性使得应用本配电网模型时，配电网在某一时刻所处的状态很容易进行仿真，且采样得到的配电网所处的某一状态不依赖其历史状态，这使得蒙特-卡罗仿真可以应用于本模型。本模型中，配电网被开关元件分割为一系列元件组，开关元件包含断路器和隔离开关，它们可能是常闭的，也可能是常开的。这些元件组可以用节点来表示，这些节点通过连接线相连，开关元件相当于位于这些连接线上。
当一个故障发生后，这一故障会一直传播到最近的断路器或是常开节点(nop)。经过一个特征开关时间，我们假定网络中的开关元件在这一时间区间内智能动作以本地隔离这一故障，将故障节点转化为一个不传播故障的隔离节点。对于任一剩下的节点，如果存在一条从电源到这一节点的通路，我们就认为这一节点可以被供给电能。上述通路中可以包含常开节点，常开节点的闭合动作同样是被隐含在节点状态中的。
通过上述假设得到的可靠性模型是简化的，因此计算结果也是近似的而不是绝对准确的，但是这一模型具有如下优点：
1)复杂的配电网组成和结构将可以通过一种简单的方法图形化表达。包含故障隔离，网络重构和电能恢复在内的开关动作仍能被模型近似地表达。
2)一个节点某一特定时间的状态将不需要依赖它的历史状态来判断，这一属性将使得使用非时间序列蒙特-卡罗仿真及相关变体方法成为可能。
3)电网潮流限制条件及负荷切除可以被嵌入模型当中，通过一个简单的线性优化来实现。
本模型搭建和计算的简便性带来很大好处，使得多种电网的智能技术可以被嵌入到仿真模型当中，同时仿真模型具有高效的计算性能。
附图说明
图1为用于说明的简单配电网结构图。
图2为配电网结构图中元器件与点线结构图中的节点的对应关系。
图3为对相应点线结构图的优化说明。
图4为对相应点线结构图的优化说明。
图5为用于说明的简单配电网转换后的点线结构图。
图6为本发明提出的模型获取一个配电网状态采样的过程说明图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是一个用于说明的简单配电网的结构图。供电端是更高电压等级的输电或配电网络，在我们的可靠性分析模型中可以被视为一个100％可靠的电源。负荷可以是终端用户也可以是更低电压等级的配电网络，在我们的可靠性模型中可以被视为一个100％可靠的用电负荷；如果其内部出现故障，可以简单用负荷的变化来模拟。配电网结构图中的“×”表示断路器，“/”表示隔离开关。馈线被表示为一个两侧都连有隔离开关的断路器。两个相交的“○”表示变压器，图中有供电端变压器和负荷端变压器两种变压器。常开节点指的是在电网正常运行状态下出于打开状态且两端配有隔离开关的断路器，用于在故障时为配电网提供备用供电，以“//”表示。
图2所示的是将配电网结构图转换为点线结构图的规则。配电网以开关元器件为界可以被分为若干“电气块”，同一“电气块”内的元件组具有相同的电气状态。对于图1中的配电网，引入8种节点类型，将其中所有“电气块”转换为对应节点。具体如下
1)隔离开关之间的输电线转换为输电线节点，简称l。
2)供电端变压器和与之相邻的断路器作为一个整体，转换为供电端变压器节点，简称pt。
3)连接供电端变压器的馈线转换为断路器节点，简称cb。
4)常开开关转换为常开节点，简称nop。
5)负荷端变压器转换为负荷端变压器节点，简称dt。
6)供电端转换为供电节点，简称gsp。
7)负荷端转换为负荷节点，简称lp。
8)引入一个可靠性100％的辅助节点，辅助节点是个永远不会出现故障的节点，且任何时候都不会阻断通路，引入仅仅是为了对网络结构进行等效转换。
需要注意的是，在本模型中，与变压器(包括供电端变压器和负荷端变压器)直接相连的断路器被视为对应变压器节点的一部分。其他所有未涉及的开关元件转换为点线结构图中的连接线。
如图3所示，供电端变压器与馈线之间的多路复用如果完全按照上述规则转换，点线结构图将会出现交叉。因此本模型引入辅助接点，辅助节点的可靠性为100％，永远不会发生故障，不对应物理元器件，仅为了使可靠性分析更加方便。经过如图3的转换后，供电端变压器1-馈线1、供电端变压器2-馈线2不再能解耦分别运行，不过这一点改变完全不影响可靠性分析的结果，可以被视为等效转换。
如图4所示，输电线、常开开关和负荷端变压器都通过开关元件与三者中间的一段导体相连，这段导体可以被视作100％可靠，相当于一个辅助节点。考虑到配电网中这样的结构非常多，如果每次都要引入一个辅助节点将大大增加配电网中的节点数量。为了解决这个问题，我们移除辅助节点，将输电线节点、常开节点、负荷端变压器节点彼此直接互联，新的结构在进行可靠性分析时和原结构完全等效。
如图5所示，经过上述步骤的转化，图1中的简单配电网结构图被完全转化为图5中的点线结构图。其中，供电节点、负荷节点、辅助点是100％可靠的，它们的“初始状态”只有正常工作一种。同时，断路器、隔离开关和常开开关的操作也被认为是100％可靠的，因此断路器节点和常开节点的“初始状态”也只有正常工作一种。
供电端变压器节点、输电线节点、负荷端变压器节点是三种有可能出现故障的节点。如果变压器出现故障，与之相连的断路器将立即断开，将故障变压器本地隔离，因此变压器节点只有正常运行和维修两种“初始状态”。输电线节点有正常运行、故障、维修三种“初始状态”。
如图6所示，在一次配电网状态采样中，我们首先根据概率随机获得所有节点的“初始状态”，然后推导出所有节点的“电气状态”，最后只保留“电气状态”为“可供电”的节点，得到本次采样中配电网可供电部分的点线结构图。
综上所述，本发明具体实施步骤如下：
1)将配电网中的元器件以开关元件(断路器和隔离开关)为界进行划分，形成一个个“电气块”，将实际配电网结构图转化为以“电气块”为点，开关元件为连线的点线结构图。
2)每个“电气块”内部的电气状态被认为是一致的，因此被简化为点线结构图中的一个节点。根据每个“电气块”所包含元器件的不同，将不同“电气块”转化为的节点划分为不同的类型，不同类型的节点拥有不同的参数和状态空间。
3)对点线结构图中每个节点的“初始状态”进行采样，“初始状态”为节点对应的电气设备(组)在某一采样时间所处的设备工作状态，分为：正常工作、故障、维修等。其中，“正常工作”是指节点所代表的电气元件可以正常工作。“故障”是指节点所代表的电气元件出现故障(退出运行)，且该故障尚未被本地隔离，故障清除通过断开对应馈线断路器来完成。该状态下，与故障节点连通的节点将会被故障影响。“维修”是指节点所代表的电气元件处于维修状态(退出运行)。该状态下，故障已被本地隔离，周围节点不受故障影响。
当一次故障发生后，故障节点从“故障”状态转换为“维修”状态所经历的时间被称为故障隔离时间。在故障隔离时间内会完成故障本地隔离(打开故障元件两侧的隔离开关)、网络重构(闭合馈线断路器和/或常开开关)两个过程。本模型假定这两个过程是同时完成的，并忽略具体的倒闸操作序列。在这一假定下，“故障”和“维修”中间不存在中间状态。
在本模型中，我们首先根据各元件的平均工作时间t1、故障隔离时间t2和平均维修时间t3计算各节点处于各种“初始状态”的概率：
根据每个节点处于各种“初始状态”的概率，本模型对配电网状态进行采样时，将对所有节点分别独立采样，获得所有节点的“初始状态”。
4)由点线结构图中所有节点采样获得的“初始状态”，计算所有节点的“电气状态”，“电气状态”为节点对应的电气设备在这一采样时间点所处的实际供电状态，分为：未供电、本地隔离、失电、正常供电。其中，“未供电”指该节点与供电节点之间不存在可能的通路。“本地隔离”指该节点的“初始状态”为“维修”。该状态下，故障已被本地隔离，周围节点不受故障影响。“失电”指该节点本身或与该节点之间存在通路的节点的“初始状态”为“故障”。该状态下，该节点对应的电气元件正在经历一次故障，其对应的馈线断路器已打开。“正常供电”指该节点与供电节点之间存在可能的通路，且该节点不处于失电状态下。
根据上述定义，本发明给出如下步骤来获取配电网中所有节点在某采样时刻的“电气状态”：
a)按照3)中的方法获取某一采样时刻配电网对应点线结构图中所有节点的“初始状态”。
b)将所有节点的“电气状态”标为“未供电”。将所有“初始状态”为“维修”的节点的“电气状态”标为“本地隔离”。将所有“初始状态”为“故障”的节点的“电气状态”标为“失电”，并且沿着“失电”节点把所有与之连接的节点都标为“失电”，直到遇到断路器节点、常开节点、供电节点、辅助节点或“电气状态”为“本地隔离”的节点为止。上述作为终止条件的节点不被标注为“失电”。将所有的供电节点的“电气状态”标为“正常供电”，并且沿着“正常供电”节点把所有与之连接的节点都标为“正常供电”，直到遇到“电气状态”为“本地隔离”或“失电”的节点为止。上述作为终止条件的节点不被标注为“正常供电”。将所有电气状态为“失电”、“本地隔离”和“未供电”的节点和与这些节点相连的连接线从点线结构图中移除。所有剩下的节点组成该采样时刻配电网有可能获得供电的部分的点线结构图，简称可供电结构图。
5)以4)中得到的可供电结构图为优化对象，根据配电网中各器件的容量、该采样时刻的负荷数据和其他限制条件(如配电网运行时的放射状结构限制条件等)，对该采样时刻的配电网的运行状态做优化问题求解。求解得到配电网模型在某一采样时刻对应的可靠性分析指标(如负荷总失电功率数)，重复采样，求取平均值，获得配电网可靠性评估数据：
h指的是某一配电网可靠性分析指标的表达式。n指的是配电网状态的采样数量。xi指的是一个具体的配电网状态(包含所有节点的“初始状态”和所有负荷节点的负荷数据信息)。节点处于不同“初始状态”的概率由节点对应电气设备(组)的故障率、平均维修时间、检修率、平均检修时间等确定。节点的“初始状态”根据节点处于不同状态的概率随机采样。负荷节点的负荷数据根据一整年的终端用户历史用电需求数据(每半小时记录一次)等概率随机采样。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。