一种主动配电网电能可靠性评估方法及系统与流程

1.本发明涉及配电网评估领域，特别是涉及一种主动配电网电能可靠性评估方法及系统。


背景技术：

2.随着经济不断发展，电力用户持续增多，用电量也呈现出迅猛增长趋势。在国家政策的引导下，如光伏发电、蓄能发电、风力发电等分布式电源引入到配电网中，给配电网的电源功能提供必要的补充。但由于主动配电网中分布式电源具不确定性，可靠性评估难度大，使得电网控制策略变得更加复杂，这给配电网稳定性带来了挑战。传统配电网多采用放射状网式结构，分布式电源的加入使其网络结构发生改变，配电网转变为一个包含多电源的复杂网络。据国家电网公司统计，在所有的电网故障中，绝大多数故障原因都是配电网故障引起的。因此，如何使主动配电网持续为用户提供安全、优质、可靠的电能，对主动配电网可靠性进行客观评价，对提高配电网的可靠性，保证电力系统安全稳定运行具有重要意义。
3.当前，传统配电网电能质量评估研究成果较多，而主动配电网电能质量评估研究较少。根据在评估中采用的模型不同可以将电能可靠性评估分成两大类：确定性指标方法和统计学指标方法。确定性指标方法其核心思想是使用抽样方法对配电网状态进行选取得到抽样状态集，再利用解析法在抽样状态集上进行可靠性指标的估量。常用的确定性指标法主要包括故障模式后果分析法、最小路分析法、最小割集分析法和网络等值分析法。故障模式后果分析法需要对配电网系统中所有可能发生的故障进行抽样提取，并计算在不同故障下对用电用户的影响程度，最终获得故障影响表。该方法耗时大，对于大型配电网系统并不适用。最小路分析法需要构建整个配电网络的结构图，对结构图上的每个标注负荷点进行最小路径分析，再采用量化的指标对该负荷点的电能可靠性进行评估。最小路径分析法对传统配电网电能质量分析比较有效，但对于具有孤岛运行能力的主动配电网络效果不佳。最小割集分析法与最小路径分析法类似，其主要思想是运用最小割集理论对配电网络进行分割，在不同的割集下对所有负荷点进行有效指标评估。最小割集法算法复杂度高，计算耗时。网络等值分析法利用一个等效器件来代替一部分配电网络，对于复杂的配电网评估效果显著，但等效器件难以选择，可操作性不强。统计学指标方法的主要原理也是建立在抽样模型基础上统计配电网系统出现故障的概率。当前常用的方法是蒙特卡洛模拟法。蒙特卡洛模拟法具有操作简便，抽样次数与系统复杂程度无关，容易处理随机事件等优势，但其计算精度与计算效率成反比关系。蒙特卡洛模拟法根据是否考虑系统状态的时序性，可以分为序贯蒙特卡洛模拟法和非序贯蒙特卡洛模拟法两种。非序贯蒙特卡洛模拟不需要考虑配电网系统的实际运行时间顺序，只通过随机抽样配电网状态来统计可靠性指标，计算速度快，但可靠性指标精度一般。序贯蒙特卡洛模拟法保留了配电网系统运行的时间特性，能够精准地模拟配电网器件、负荷点的运行过程，可以对配电网可靠性进行更精确的评估，但其执行效率不高。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种主动配电网电能可靠性评估方法及系统，能够提升主动配电网可靠性评估的可靠性。
5.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
6.一种主动配电网电能可靠性评估方法，包括：
7.获取配电网的初始参数，所述配电网包括多个负荷器件；
8.采用最小路径分析将所述多个负荷器件分为处在最小路径上的器件和处在非最小路径上的器件；
9.确定所述处在最小路径上的器件的持续工作时间和故障修复时间，分别记为第一时间和第二时间；
10.根据等效折算确定所述处在非最小路径上的器件的持续工作时间和故障修复时间，分别记为第三时间和第四时间；
11.根据所述第一时间、第二时间、第三时间和第四时间确定抽取随机数；
12.根据序贯蒙特卡洛模拟法对所述抽取随机数进行随机抽样计算，得到随机解；
13.根据所述随机解和国家配电网可靠性评估标准进行负荷点侧或系统侧的可靠性评估。
14.可选的，所述“获取配电网的初始参数，所述配电网包括多个负荷器件”步骤之后，“采用最小路径分析法将所述多个负荷器件分为处在最小路径上的器件和处在非最小路径上的器件”步骤之前，还包括：
15.判断所述配电网是否包含分布式电源。
16.可选的，所述配电网包含分布式电源时，判断所述负荷器件是否满足孤岛运行；
17.若是，则根据所述配电网的初始参数对满足孤岛运行的负荷器件进行孤岛划分。
18.可选的，所述孤岛划分的原则包括：优先保障高等级负荷、孤岛供电距离不超过设定阈值和分布式电源总发电容量大于负荷需求。
19.可选的，所述对满足孤岛运行的负荷器件进行孤岛划分，具体包括：
20.获取分布式电源可达负荷集合g＝{g1,g2,
…
,gm}，其中，gi表示第i个负荷点；
21.对可达负荷集合g中的每一个负荷点gi设置等级权值w
1,i
，w
1,i
满足等级高的负荷权值高，等级低的负荷权值低；
22.对可达负荷集合g中的每一个负荷点gi设置距离权值w
2,i
，w
2,i
满足负荷点距离分布式电源近的权值高，负荷点距离分布式电源远的权值低；
23.在孤岛范围内对所有可能的负荷进行负荷累加，使最终的负荷总和小于等于分布式电源总发电容量pd；
24.计算函数max(pe)＝max∑
i∈g
(w
1,i
w
2,i
)gi的最大值，得到孤岛划分的结果。
25.可选的，采用树搜素算法进行最小路径分析。
26.可选的，采用深度优先搜索算法或广度优先搜索算法以分布式电源为根结点，依次进行可达性扩展，最终得到分布式电源可达负荷集合g＝{g1,g2,
…
,gm}。
27.可选的，所述等效折算包括：
28.判断所述处在非最小路径上的器件是否处在主动配电网的主馈线上；
29.若是，则根据配电网络对器件故障产生的影响确定其影响的范围，并进行等效折
算；
30.若否，则无需进行等效折算。
31.一种主动配电网电能可靠性评估系统，包括：
32.初始参数获取模块，用于获取配电网的初始参数，所述配电网包括多个负荷器件；
33.最小路径分析模块，用于采用最小路径分析将所述多个负荷器件分为处在最小路径上的器件和处在非最小路径上的器件；
34.第一时间确定模块，用于确定所述处在最小路径上的器件的持续工作时间和故障修复时间，分别记为第一时间和第二时间；
35.第二时间确定模块，用于根据等效折算确定所述处在非最小路径上的器件的持续工作时间和故障修复时间，分别记为第三时间和第四时间；
36.随机数确定模块，用于根据所述第一时间、第二时间、第三时间和第四时间确定抽取随机数；
37.随机抽样模块，用于根据序贯蒙特卡洛模拟法对所述抽取随机数进行随机抽样计算，得到随机解；
38.可靠性评估模块，用于根据所述随机解和国家配电网可靠性评估标准进行负荷点侧或系统侧的可靠性评估。
39.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
40.本发明进行了两处关键改进：第一方面，利用分布式电源可达范围生成及孤岛实时供电策略分析能够对孤岛运行进行准确分析，提高可靠性计算精度；另一方面，本技术使用了最小路径法和序贯蒙特卡罗模拟法相融合的方法进行可靠性评估，使用最小路径是为了抽取负荷点上的关键可靠性路径，同时对复杂主动配电网进行等效简化后再导入序贯蒙特卡罗模拟法进行随机抽样模拟实验，这解决了序贯蒙特卡罗模拟法固有的计算效率低的问题。
附图说明
41.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本发明主动配电网电能可靠性评估框架图；
43.图2为本发明bathtub曲线模型示意图；
44.图3为本发明器件运行过程示意图；
45.图4为本发明主动配电网电能可靠性评估系统模块图。
具体实施方式
46.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
47.本发明的目的是提供一种主动配电网电能可靠性评估方法及系统，能够提升主动配电网可靠性评估可靠性。
48.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
49.本发明主要解决的技术问题是利用最小路分析法与序贯蒙特卡洛模拟法相融合的方法，实现对含有分布式电源的主动配电网的可靠性进行评估，解决最小路径法无法适应分布式电源的主动配电网问题和序贯蒙特卡洛模拟法计算效率低下的问题，提升主动配电网可靠性评估可靠性。
50.具体方法流程如图1所示，包括：
51.1、配电网初始参数加载。
52.读取配电网的初始参数信息，包括配电网网络拓扑结构、器件信息(包含分布式电源)、主馈线信息、分支线信息等。对于含有分布式电源的主动配电网，需要给出该分布式电源的额定容量、各分支馈线的负荷容量等。如果是可变容量的分布式电源需要给出相应的发电概率模型。例如在风力发电的分布式电源，可根据采集的风速信息，构建weibull概率密度模型，其计算表达式如下所示：
[0053][0054]
其中，β表示形状参数，满足β》0，α表示尺寸参数，满足α》0，x表示随机变量，在此处表示风速的均值。α,β的取值与风速均值及标准差有关。
[0055]
2、主动配电网负荷点检索。
[0056]
在主动配电网中，选择基于负荷点侧的可靠性评估方法，该方法需要统计每一个负荷点的运行可靠性量化指标，因此算法框架中需要对每一个负荷点进行相同操作，操作包括分布式电源孤岛划分、负荷点最小路径生成、非最小路径等效折算、序贯蒙特卡洛模拟法可靠性指标评估等四大主要步骤。
[0057]
3、分布式电源孤岛划分。
[0058]
对于在主动配电网中引入分布式电源的，如果在主电源发生故障后，分布式电源能够为部分负荷点提供供电的情况称之为分布式电源孤岛运行，简称孤岛运行。对于满足孤岛运行的主动配电网在计算可靠性时，需要对孤岛运行进行划分，以保证最终可靠性指标计算的客观性和准确性。
[0059]
由于分布式电源可能存在输出功率随时间变化，并不能一直满足孤岛运行条件，因此在每次负荷点可靠性计算时都要对当时的孤岛运行条件进行判断，对满足孤岛运行的实施孤岛划分。孤岛划分了重要原则包括：优先保障高等级负荷、孤岛供电距离不宜过长和分布式电源总发电容量大于负荷需求。因此，在已知主动配电网网络拓扑结构的基础上，分布式电源孤岛划分可按照以下两个子步骤进行：
[0060]
1)分布式电源可达范围生成：
[0061]
在主动配电网发生故障时，根据故障原因对当前分布式电源供电的可达性进行计算，采用深度优先搜索算法或广度优先搜索算法以分布式电源为根结点，依次进行可达性
扩展，最终得到分布式电源可达负荷集合g＝{g1,g2,
…
,gm}。gi表示第i个负荷点。
[0062]
2)孤岛实时供电策略分析：
[0063]
为了满足分布式电源优先为等级高的负荷点供电，需要对可达负荷集合g中的每一个负荷点gi设置等级权值w
1,i
，w
1,i
满足等级高的负荷权值高，等级低的负荷权值低。当前对于负荷点等级由高到低依次划分为一级负荷、二级负荷和三级负荷，可设置：
[0064]w1,i
＝1/kiꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0065]
其中，ki方法表示负荷点的等级，即gi如果是一级负荷取ki＝1，即gi如果是二级负荷取ki＝2，即gi如果是三级负荷取ki＝3。
[0066]
为了满足孤岛供电距离不宜过长，需要对可达负荷集合g中的每一个负荷点gi设置距离权值w
2,i
，w
2,i
满足负荷点距离分布式电源近的权值高，负荷点距离分布式电源远的权值低。可设置：
[0067]w2,i
＝1/diꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0068]
其中，di表示负荷点gi在以分布式电源为根结点的搜索树中的深度。
[0069]
为了满足分布式电源总发电容量大于负荷需求，需要在孤岛范围内对所有可能的负荷进行负荷累加，使最终的负荷总和小于等于分布式电源总发电容量pd。即：
[0070]
∑
i∈ggi
≤pdꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0071]
根据上面的给出的计算，孤岛负荷满足公式(4)情况下，计算如下函数的最大值：
[0072]
max(pe)＝max∑
i∈g
(w
1,i
w
2,i
)giꢀꢀꢀ
(5)
[0073]
公式(5)如果取到最大值，说明已经找到最优孤岛划分，在公式(5)取得最大值后，其所对应的gi的组合是划分结果。
[0074]
4、负荷点最小路径分析。
[0075]
最小路径分析方法可以对复杂的主动配电网结构进行约减，也能提升序后续步骤贯蒙特卡洛模拟法可靠性指标计算的效率。最小路径分析法的算法核心是计算每个负荷点到电源的最小路径，这样可以将所有的器件划分成两类：处在最小路径上的器件和处在非最小路径上的器件。通过负荷点最小路径分析可得出的结论是处在当前负荷点的最小路径上的任何器件如果出现故障，均会导致该负荷点故障。
[0076]
负荷点最小路径计算可以采用树搜索算法进行，通过树搜索算法获取负荷点到电源的最小路径，该路径可能不止一条。
[0077]
具体操作步骤如下：
[0078]
1)构建初始搜索树，以所有器件为结点，电源为根结点，设置所有结点为未操作状态；
[0079]
2)以根结点为起始结点依次对所有结点进行操作，循环访问每个结点的子结点v，获其操作状态，若v未操作，执行步骤3)，如果v已操作，对下一个结点执行步骤2)；
[0080]
3)设置v为正在操作状态，对v的每一个相邻结点c，如果结点c未被操作，对结点c重复3)操作，直至找到所有相邻结点为止，置结点v为已操作；
[0081]
4)若所有的结点都被操作，则搜索停止；
[0082]
5)在所有搜索结果中，提取开始是电源结点、结束为该负荷结点的最小路径；
[0083]
6)保存所有最小路径，算法结束。
[0084]
5、非最小路径等效折算。
[0085]
对于非最小路径上的器件，对整个负荷点的可靠性是有一定影响的，需要进行影响分析，将影响投射到最小路径上，以实现对复杂主动配电网的简化，有利于后续步骤执行。
[0086]
如果器件处在主动配电网的主馈线上，需要根据配电网络对器件故障产生的影响进行分析，确定其影响的范围进行等效折算。如果器件处在主动配电网的分支线上，器件故障只对本分支线有影响，对其他分支线无任何影响，无需进行折算。
[0087]
为计算有分布式电源存在的主动配电网可靠性，可以按照电源与主馈线的二阶故障进行等效折算，具体的折算公式如下：
[0088][0089][0090]
其中，λ
s,k
表示第k段主馈线故障率；μ
s,k
表示第k段主馈线修复率；λd表示分布式电源故障率；μd表示分布式电源修复率；n表示分布式电源与负荷点之间的主馈线数。
[0091]
6、序贯蒙特卡洛模拟法可靠性指标评估。
[0092]
序贯蒙特卡洛模拟法通过设定主动配电网器件、负荷点的网络布局，统计相应故障发生与修复的概率分布，以大量随机抽样模拟实验手段获得整个配电网运行。随着不断加大模拟次数，不断对整个配电网系统进行评估，可靠性结果的精度会不断提升，直到得到的可靠性指标稳态输出。
[0093]
在计算中，器件的故障率按bathtub曲线模型进行统计，bathtub曲线模型图如2所示，按照图2中模型，器件在偶发期的故障率设置为一个常数，因此，对于任何器件i，在不考虑其他因素情况下，可得到该器件的持续工作时间和故障修复时间依次按照如下公式计算得到：
[0094][0095][0096][0097][0098]
其中，fi(t)表示器件i在运行t时刻发生故障的概率；
[0099]gi
(t)与表示器件i在运行t时刻修复的概率；
[0100]
ttfi表示器件i的持续工作时间；
[0101]
ttri表示器件i故障修复时间；
[0102]
λi表示元器件i的自身故障率；
[0103]
μi表示元器件i的自身修复率；
[0104]
δi和ξi分别是区间(0，1)的随机数，也是序贯蒙特卡洛模拟法不断模拟的量。
[0105]
对于处在最小路径上的器件，需要考虑两种情况：
[0106]
当该器件属于当前划分的孤岛范围时，获取该器件自身的器件故障率，器件自身的持续工作时间(第一时间)，是由自身的器件故障率计算而来，这时将持续工作时间(第一
时间)和器件修复时间(第二时间)作为可靠性计算参数。
[0107]
当该器件不属于当前划分的孤岛范围时，该器件的持续工作时间(第一时间)不发生改变，也是通过自身的器件故障率计算而来，但是这里的器件修复时间不是自身的修复时间，而是将分段开关操作时间与孤岛运行倒闸开关操作时间两者最大值作为器件修复时间(第二时间)。
[0108]
对于处在非最小路径上的器件，按照公式(6)和(7)计算等效值，再按照公式(11)和(12)计算对应等效持续工作时间(第三时间)和故障修复时间(第四时间)。
[0109]
在获得所有器件的持续工作时间和故障修复时间后，按照序贯蒙特卡罗模拟法进行随机抽样计算，随机抽样方式按照如图3所示进行。
[0110]
其中，蒙特卡洛方法是一种模拟运行法，即在确定了整个系统中的每个器件(或等效器件)的持续工作时间和故障时间后，采用模拟的方式让所有的器件模拟运行，在运行过程中随机δi和ξi抽样，每次采样都会确定每个器件持续工作时间和故障回复时间，再计算当前的可靠性值。
[0111]
对所有器件的δi和ξi进行多次随机抽样模拟仿真，其中δi和ξi随机取值，这两个值的随机取会按公式(11)和(12)计算持续工作时间和故障修复时间，然后不断求出问题的随机解，因为随机变量δi和ξi在抽样一次后，就有了具体值，是0-1之间的值，再带入公式(11)
[0112]
和(12)计算出持续工作时间解和故障恢复时间的解，这个解叫做随机解。
[0113]
然后按照如平均停电指标、系统平均停电持续时间指标等国家配电网可靠性评估参照标准进行计算，得到负荷点或系统侧的可靠性评估。例如系统平均停电指标、系统平均停电持续时间、系统缺供电量指标。
[0114]
可靠性指标在国家标准中有很多种，本发明给出的是后面的系统平均停电指标、系统平均停电持续时间、系统缺供电量指标。这个指标就是评价可靠性的指标。以负荷点为例，在计算得到随机解的情况下，我们可以得到图3所示的系统所有器件运行图，根据不同时刻下，获得的每个负荷点供电是够有故障情况，计算系统停电持续停电指标公式为：
[0115][0116]
上述的用户是在故障负荷点所对应的用户。
[0117]
基于上述方法，本发明还公开了一种主动配电网电能可靠性评估系统，如图4所示，包括：
[0118]
初始参数获取模块101，用于获取配电网的初始参数，所述配电网包括多个负荷器件；
[0119]
最小路径分析模块102，用于采用最小路径分析将所述多个负荷器件分为处在最小路径上的器件和处在非最小路径上的器件；
[0120]
第一时间确定模块103，用于确定所述处在最小路径上的器件的持续工作时间和故障修复时间，分别记为第一时间和第二时间；
[0121]
第二时间确定模块104，用于根据等效折算确定所述处在非最小路径上的器件的持续工作时间和故障修复时间，分别记为第三时间和第四时间；
[0122]
随机数确定模块105，用于根据所述第一时间、第二时间、第三时间和第四时间确
定抽取随机数；
[0123]
随机抽样模块106，用于根据序贯蒙特卡洛模拟法对所述抽取随机数进行随机抽样计算，得到随机解；
[0124]
可靠性评估模块107，用于根据所述随机解和国家配电网可靠性评估标准进行负荷点侧或系统侧的可靠性评估。
[0125]
综上，本发明的发明点主要方面点体现在：
[0126]
1、利用分布式电源可达范围生成及孤岛实时供电策略分析，实现对分布式电源引入主动配电网后对实时孤岛运行分析，分析中重点提出了满足优先保障高等级负荷、孤岛供电距离不宜过长和分布式电源总发电容量大于负荷需求孤岛划分三原则的实现手段。
[0127]
2、提出了使用最小路径法和序贯蒙特卡罗模拟法相融合的主动配电网可靠性评估技术实现方案，该方案能够综合两者的优势，提升整体计算的效率和精度。
[0128]
本发明还公开了如下技术效果：
[0129]
通过本技术方案能够实现快速、高精度的主动配电网可靠性的评估，优于现有单一方法存在的精度差、计算耗时长的技术缺陷。这主要来源于本方案进行了两处关键改进：第一方面，利用分布式电源可达范围生成及孤岛实时供电策略分析能够对孤岛运行进行准确分析，提高可靠性计算精度；另一方面，本技术使用了最小路径法和序贯蒙特卡罗模拟法相融合的方法进行可靠性评估，使用最小路径是为了抽取负荷点上的关键可靠性路径，同时对复杂主动配电网进行等效简化后再导入序贯蒙特卡罗模拟法进行随机抽样模拟实验，这解决了序贯蒙特卡罗模拟法固有的计算效率低的问题。
[0130]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0131]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。