一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法
2023-06-04 08:01:06
一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法
【專利摘要】一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法：對給定配電網進行分區處理，分為故障區、隔離區、無縫孤島區和無影響區，建立故障模式影響分析表庫，初始化各參數；初始化模擬時鐘，產生隨機數，根據各元件狀態模型中的失效率參數得到最小值無故障運行時間，計算出故障隔離時間和負荷轉帶時間，推進模擬時鐘；查詢故障模式影響分析表庫，確定各小區所屬分類，判斷是否形成孤島，針對孤島區與非孤島區採用不同方法處理；根據概率可靠性的計算方法得到的儲能裝置荷電狀態概率分布，建立儲能裝置的狀態抽樣；對各負荷點單次故障指標的概率分布概率進行疊加，計算各負荷點和系統的概率可靠性指標。本發明在確保一定計算精度的同時提高模擬速度，全面的反映電網情況。
【專利說明】-種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種配電系統概率可靠性評估方法。特別是涉及一種適用於含分布式 電源的基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法。
【背景技術】
[0002] 在能源科技創新和能源體系轉型的發展機遇面前，現代社會能源安全意識逐步提 高，配電系統可靠性進而成為電力用戶關注重點；同時，提升配電系統可靠性與投資之間的 邊際成本關係，直接影響電力企業和社會的經濟效益，此外，風機、光伏等可再生分布式電 源出力波動性以及儲能裝置運行特性的影響更加劇了問題的複雜性。因此，全面科學地評 估配電系統可靠性具有重要的現實意義。
[0003] 分布式電源（DG)接入配電網後，電網變成一個多電源與負荷點相連的網絡，配電 系統的結構和運行方式都將發生深刻改變。因此，如何在配電系統可靠性評估中考慮這種 新的系統結構和運行方式的影響，以及如何考慮分布式電源自身出力波動性的影響，是當 前電力系統可靠性評估領域中的研究焦點。
[0004] 通過分析可以發現，傳統的分析方法考慮了故障發生、故障隔離修復和負荷功率 波動的隨機性，同時考慮DG出力隨機性對配電網可靠性的影響，採用可靠性指標的期望值 表徵系統的可靠性，僅僅通過期望描述不能充分反映有源配電網的波動性和不確定性；同 時，現有方法在計算故障後供電可靠性時，為了體現隨機性多樣性，採用對DG和負荷時序 抽樣的方法處理，用同一時間斷面的抽樣數據進行負荷平衡，多次抽樣求得可靠性期望，這 樣計算精度就會受抽樣間隔影響。現階段情況下，如何對含分布式電源的隨機性和波動性 進行分析，建立合適的概率可靠性評估體系，對配電網可靠性評估有著重要影響。
[0005] 在傳統的配電系統可靠性評估中，根據配電網"閉環設計、開環運行"的特點，正常 運行時電網僅由單一電源給負荷點供電。當系統內元件發生故障時，在故障饋線段的負荷 點由於線路供電中斷而導致停電，而位於故障饋線段後的負荷點需要通過判定是否存在聯 絡或聯絡備用容量是否充足，進而得出能否恢復供電。但DG接入配電系統後，網絡則變成 一個多電源與負荷點相連的結構，配電網的根本特性發生了改變，這給配電系統的可靠性 評估過程帶來了許多新的影響和問題。
[0006] 分布式電源的最顯著影響不僅僅在於其將導致配電系統的運行方式發生深刻變 化，而是DG本身的不確定性對配電網也有重要影響。可靠性分析中也要包含DG的停運模 型，考慮DG故障對系統的影響。作為電源元件，DG的停運模型比兩狀態模型更加複雜，所 以DG的接入會使配電網狀態規模大幅增加，可靠性分析的複雜程度和計算量隨之增加。
[0007] 另外，為了減少分布式電源對電網的負面影響，將不同類別的分布式電源、儲能裝 置、負荷以及相應的控制裝置接入到配電網中，從能量觀角度看是發揮分布式電源效能的 最有效方式。這樣，對微網的可靠性評估，實際上是含分布式電源的配電系統可靠性評估問 題的延展，同樣需要予以考慮。這樣就更加需要新的處理方法和分析手段。
[0008] 因此，構建基於解析法考慮概率問題的可靠性評估方法，是亟待解決的實際問題， 具有良好的應用價值和工程價值。
【發明內容】
[0009] 本發明所要解決的技術問題是，提供一種用以計算與用戶相關的配電類概率可靠 性指標的基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法。
[0010] 本發明所採用的技術方案是：一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法， 包括如下步驟：
[0011] 1)輸入配電網結構，包括有各元件信息、線路長度、各負荷位置及各負荷峰值、斷 路器及隔離開關位置、配電網聯絡關係，對配電網中各部分進行分區處理，建立故障模式影 響分析表庫；設定仿真步長為lh，總模擬時間N年，N為正整數；建立風機輸出功率、光伏發 電系統輸出功率及各負荷功率的時序數據序列，初始化各儲能裝置初始狀態為100%荷電 狀態，初始化停電時間和缺供電量的可靠性指標概率描述矩陣Wk為1 ;
[0012] 2)初始化模擬時鐘為0,隨機產生m個0-1之間的隨機數，根據每個元件狀態模型 中的失效率參數λ求得m個無故障運行時間TTF，用TTFi表示第i個元件的無故障運行時 間；找出最小的無故障運行時間TTFi,對第i個元件產生一個隨機數，根據第i個元件修復 率參數μ求得故障修復時間TTRi ;與此同時，產生故障隔離時間ST和故障隔離與負荷轉帶 時間SRT，並將模擬時鐘推進到第i個元件的無故障運行時間TTFi ;
[0013] 3)查詢故障模式影響分析表庫，確定各小區所屬分類，判斷小區是否形成孤島，對 形成孤島的小區採用孤島概率可靠性的計算方法計算停電時間和負荷缺供電量的概率分 布；對於沒有形成孤島的小區，利用負荷功率的時序數據序列確定停電時間和負荷缺供電 量的概率分布。
[0014] 4)根據孤島概率可靠性的計算方法得到的儲能裝置荷電狀態概率分布，建立配電 網正常運行時儲能裝置的狀態抽樣，返回步驟2)直至達到設定的總模擬時間N年；
[0015] 5)對配電網結構中的各負荷點單次故障的可靠性指標的概率分布概率進行疊加， 計算各負荷點和系統的概率可靠性指標。
[0016] 步驟1)所述的對配電網中各部分進行分區處理，建立故障模式影響分析表庫是， 首先設配電網某一部分發生故障，故障後的配電網分為如下6個區域 ：
[0017] (1)故障區是指故障元件所在饋線區，所述故障區內所有負荷供電中斷，停電時間 為故障元件的修復時間；
[0018] (2)上遊隔離區位於故障饋線區的上遊，與饋線區通過非斷路器相連的饋線區，上 遊隔離區在故障後停電，故障隔離後恢復供電，停電時間為故障隔離時間；
[0019] (3)無影響區指與故障區或上遊隔離區通過斷路器相連，且與有源配電系統主電 源相連的饋線區，無影響內的負荷點不受元件故障的影響，因此不停電；
[0020] (4)上遊無縫孤島區是指與故障區或上遊隔離區通過斷路器相連，且包含分布式 電源的饋線區；主動孤島的形成依賴於上遊無縫孤島區出口斷路器的及時動作，孤島運行 時間為故障隔離時間，負荷點是否停電及停電時間由島內電力平衡狀況決定，故障隔離後， 上遊無縫孤島區重新接入配電系統；
[0021] (5)下遊隔離孤島區是指位於故障區下遊，與故障區通過非斷路器相連的饋線區， 故障隔離前，所述下遊隔離孤島區所有負荷供電中斷，直至與其他下遊區域組成的大範圍 孤島形成，孤島運行時間為故障元件的修復時間與故障隔離時間之差；
[0022] (6)下遊無縫孤島區是指位於故障區下遊，與故障區或下遊隔離孤島區通過斷路 器相連的饋線區，下遊無縫孤島區在故障發生時能夠立即進入孤島方式運行，孤島運行時 間為故障隔離時間，在分區的基礎上，逐一遍歷配電網中各元件信息，構建出對應特定故障 元件下的配電網其他區域形成情況，建立故障模式影響分析表庫。
[0023] 步驟1)所述的建立生成風機輸出功率序列是將風速V近似採用威布爾分布描述， 考慮到大部分時間風速位於切入風速和額定風速之間，則風機輸出功率概率密度函數 用下式表示為：
【權利要求】
1. 一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法，其特徵在於，包括如下步驟： 1) 輸入配電網結構，包括有各元件信息、線路長度、各負荷位置及各負荷峰值、斷路器 及隔離開關位置、配電網聯絡關係，對配電網中各部分進行分區處理，建立故障模式影響分 析表庫；設定仿真步長為lh，總模擬時間N年，N為正整數；建立風機輸出功率、光伏發電系 統輸出功率及各負荷功率的時序數據序列，初始化各儲能裝置初始狀態為100 %荷電狀態， 初始化停電時間和缺供電量的可靠性指標概率描述矩陣Wk為1 ; 2) 初始化模擬時鐘為0,隨機產生m個0-1之間的隨機數，根據每個元件狀態模型中的 失效率參數λ求得m個無故障運行時間TTF，用TTF i表示第i個元件的無故障運行時間； 找出最小的無故障運行時間TTFi,對第i個元件產生一個隨機數，根據第i個元件修復率參 數μ求得故障修復時間TTR i ;與此同時，產生故障隔離時間ST和故障隔離與負荷轉帶時間 SRT，並將模擬時鐘推進到第i個元件的無故障運行時間TTFi ; 3) 查詢故障模式影響分析表庫，確定各小區所屬分類，判斷小區是否形成孤島，對形成 孤島的小區採用孤島概率可靠性的計算方法計算停電時間和負荷缺供電量的概率分布；對 於沒有形成孤島的小區，利用負荷功率的時序數據序列確定停電時間和負荷缺供電量的概 率分布。 4) 根據孤島概率可靠性的計算方法得到的儲能裝置荷電狀態概率分布，建立配電網正 常運行時儲能裝置的狀態抽樣，返回步驟2)直至達到設定的總模擬時間N年； 5) 對配電網結構中的各負荷點單次故障的可靠性指標的概率分布概率進行疊加，計算 各負荷點和系統的概率可靠性指標。
2. 根據權利要求1所述的一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法，其特徵在 於，步驟1)所述的對配電網中各部分進行分區處理，建立故障模式影響分析表庫是，首先 設配電網某一部分發生故障，故障後的配電網分為如下6個區域 ： (1) 故障區是指故障元件所在饋線區，所述故障區內所有負荷供電中斷，停電時間為故 障元件的修復時間； (2) 上遊隔離區位於故障饋線區的上遊，與饋線區通過非斷路器相連的饋線區，上遊隔 離區在故障後停電，故障隔離後恢復供電，停電時間為故障隔離時間； (3) 無影響區指與故障區或上遊隔離區通過斷路器相連，且與有源配電系統主電源相 連的饋線區，無影響內的負荷點不受元件故障的影響，因此不停電； (4) 上遊無縫孤島區是指與故障區或上遊隔離區通過斷路器相連，且包含分布式電源 的饋線區；主動孤島的形成依賴於上遊無縫孤島區出口斷路器的及時動作，孤島運行時間 為故障隔離時間，負荷點是否停電及停電時間由島內電力平衡狀況決定，故障隔離後，上遊 無縫孤島區重新接入配電系統； (5) 下遊隔離孤島區是指位於故障區下遊，與故障區通過非斷路器相連的饋線區，故障 隔離前，所述下遊隔離孤島區所有負荷供電中斷，直至與其他下遊區域組成的大範圍孤島 形成，孤島運行時間為故障元件的修復時間與故障隔離時間之差； (6) 下遊無縫孤島區是指位於故障區下遊，與故障區或下遊隔離孤島區通過斷路器相 連的饋線區，下遊無縫孤島區在故障發生時能夠立即進入孤島方式運行，孤島運行時間為 故障隔離時間，在分區的基礎上，逐一遍歷配電網中各元件信息，構建出對應特定故障元件 下的配電網其他區域形成情況，建立故障模式影響分析表庫。
3. 根據權利要求1所述的一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法，其特徵在 於，步驟1)所述的建立生成風機輸出功率序列是將風速V近似採用威布爾分布描述，考慮 到大部分時間風速位於切入風速和額定風速之間，則風機輸出功率P w的概率密度函數用下 式表示為：
式中：K和C分別是風速威布爾分布的形狀和尺度參數；係數a = P^cdAvcd-V上b = PrAvr-Vci)，Pr是風機的額定輸出功率，v ci，Vr分別是風機的切入風速和額定風速。
4. 根據權利要求1所述的一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法，其特徵在 於，步驟1)所述的建立光伏發電系統輸出功率序列是採用下述方式： 根據光伏發電系統的輸出功率Ps與光照強度I、光伏電池陣列面積S和光電轉換效率 η之間的關係，即光伏發電系統輸出功率Ps = IS Il，設光照強度I在一定時間段內服從貝 塔分布，得到光伏發電系統的概率密度為：
式中：光伏陣列的最大輸出功率；α，β均為光照強度貝塔分布的形狀參數。
5. 根據權利要求1所述的一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法，其特徵在 於，步驟1)所述的建立各負荷功率序列是採用下述方式： 按照不同時間維度典型負荷曲線疊加，得到負荷功率的時序數據序列Lt = LpXPwXPdXPh(t)，LP為所研究負荷點的全年最大值，P w為與第t個小時對應的年-周負荷 曲線中的值，Pd為與第t個小時對應的周-日負荷曲線中的值，P h(t)為與第t個小時對應 的日-時負荷曲線中的值。
6. 根據權利要求1所述的一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法，其特徵在 於，步驟3)所述的孤島概率可靠性的計算方法，包括如下步驟： (1) 確定形成的孤島小區，讀取孤島小區中配電網結構和相關參數； (2) 根據風機輸出功率、光伏系統輸出功率和負荷點的功率序列，建立孤島形成期間內 隨機變量的概率分布模型；根據故障前儲能的充放電循環，確定孤島時刻形成儲能荷電狀 態的概率分布； (3) 通過蒙特卡洛抽樣方法求取各隨機變量的各階中心矩； (4) 在各隨機變量中選取3個估計點，計算估計點的位置和權重，形成n X 3階估計點組 矩陣和權重係數矩陣； (5) 逐個計算各個估計點組取值下的可靠性指標； (6) 形成各負荷可靠性指標和儲能荷電狀態的估值矩陣，計算負荷可靠性指標和儲能 荷電狀態的各階原點矩； ⑵計算目標隨機變量的各階中心矩，用Gram-Charlier級數展開，得到孤島運行結束 時各負荷點的可靠性指標和儲能荷電狀態的概率分布。
7. 根據權利要求1所述的一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法，其特徵在 於，步驟4)所述的儲能裝置的狀態抽樣包括兩部分：一是儲能裝置的運行狀態的抽樣，二 是儲能裝置的荷電狀態的抽樣；其中，儲能裝置運行狀態的抽樣方法是把蓄電池組串並聯 組合成的各種功率組合進行排序，歸一化處理後歸置於[〇, 1]區間內，進而產生一個[〇, 1] 區間的隨機數，確定儲能裝置運行狀態，荷電狀態的抽樣，是通過產生一個隨機數，根據不 同儲能裝置荷電狀態的分布情況，將隨機數轉化為相應的荷電狀態的值。
8.根據權利要求1所述的一種基於解析法的配電系統概率可靠性評估方法，其特徵在 於，步驟5)所述的計算各負荷點和系統的概率可靠性指標的方法是：在得到各負荷點一次 故障後的可靠性指標概率分布之後，設X和Y表示同一負荷點兩次不同故障情況下的可靠 性指標概率分布，那麼有Z = X+Y的概率密度函數寫為
即按照卷積運算的方法得到各負荷點和系統的概率可靠性指標。
【文檔編號】G06Q50/06GK104376504SQ201410645375
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月6日 優先權日:2014年11月6日
【發明者】劉洪 , 孟祥君, 劉偉, 王冠宇, 趙明欣, 曹檢德, 李騰 申請人:國家電網公司, 天津大學, 中國電力科學研究院, 國網山東省電力公司煙臺供電公司