（水利水电工程专业论文）基于go法的复杂配电系统可靠性研究.pdf

摘要 论文题目：基于g o 法的复杂配电系统可靠性研究 学科专业：水利水电工程 研究生：郑坤签名： 指导教师：姚李孝教授签名： 摘要 随着社会与经济的不断发展，用户对供电的质量及其可靠性的要求越来越高。配电系 统处于整个电力系统的末端，直接与用户相连，是向用户供应电能和分配电能的重要环节。 据统计，用户停电事件中8 0 以上是由配电系统的故障引起的。因此，对配电系统进行 可靠性评估有着重要意义。 配电系统可靠性分析方法主要有模拟法、解析法和人工智能算法等，这些方法都有着 自身的不足：模拟法需要很长的计算时间来提高其精度：解析法随着系统的增大而计算量 也随之增大：人工智能算法存在着模型建立困难的缺点。所以研究复杂配电系统可靠性需 要在算法的精度和计算量之间寻找一个平衡点。基于此，本文提出了一种新的方法g o 法， 它是一种以成功为导向的系统可靠性分析方法，可以分析多状态、有时序的、复杂系统的 可靠性。 本文通过研究网络等值法和故障扩散法，针对带有复杂分支子馈线的辐射状配电系统 的特点，将系统进行了分块简化，这样就大大缩小了g o 图的规模以达到减少计算量的目 的。并建立了适用于复杂配电系统操作符输入输出计算公式，创建了该系统可靠性分析的 g o 法计算模型。在计算得到各个简化块的故障率和正常运行概率后，通过简化块的故障 扩散得出各个负荷点和系统的可靠性指标。该模型和算法计及了断路器、熔断器及分段开 关的影响，计算量比较少，适用于复杂配电系统的可靠性评估。最后运用g o 法对i e e e r b t s6 测试系统进行了可靠性计算，结果具有良好的精度，且计算量小，表明了该算法 的适用性。并通过分析六种不同的接线方式的可靠性指标，讨论了系统的薄弱环节。 论文通过对现实中影响可靠性的因素分析提出了从降低元件故障率、减少故障维修时 间和提高配网自动化三个方面着手提高配电系统的可靠性，并给出了具体提高配电系统的 可靠性的管理和技术措施。 关键词：g o 法；配电系统；可靠性：g o 图 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo nr e l i a b i l l t yo fc o m p l e xd i s t r i b u t i o n s y s t e m b a s e do ng om e t h o d o l o g y m a j o r ：h y d r o e l e c t r i cp o w e re n g i n e e r i n g n a m e ：k m rz h e n g s i g n a t u r e ： s u p e r v i s o r ：p r o f l i x i a o y a o s i g n a t u r e ： a b s t r a c t w i 也t h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n ds o c i e t yo fo n rc o u n t r y , t h ed e m a n do n p o w e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mi sf o r t h e rm o r e d i s t r i b u t i o ns y s t e m , w h i c hi st h et i po fp o w e rs y s t e ma n dc o n n e c t st ot h ec o u s u m c r s p l a y sa ni m p o r t a n tr o l eo f e l e c t r i c i t ys u p p l ya n dd i s t r i b u t i o n a c c o r d i n gt os t a t i s t i c ，t h e8 0 o fo u t a g ee v e n t sd u et ot h e f a i l u r eo fd i s t r i b u t i o ns y s t e m t h e r e f o r e t h es t u d yo nr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fd i s t r i b u t i o n s y s t e mi so f g r e a ts i g n i f i c a n c e c o n v e n t i o n a la l g o r i t h m si n c l u d es i m u l a t i o nm e t h o d ，a n a l y t i c a la p p r o a c h ，a n da r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c em e t h o d n l e a l g o r i t h m sa r cw i d e l yu s e di nr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o no fd i s t r i b u t i o n s y s t e m b u tt h e s ea l g o r i t h m sh a v es h o r t c o m i n g s ：s i m u l a t i o nm e t h o dc o s tm u c ht i m et og e ta h i 曲p r e c i s i o nr e s u l t ；a n a l y t i c a la p p r o a c hc a l c u l a t i o nt i m ei n c r e a s ew i t hi n c r e a s i n go fs y s t e m ； t h em o d e lo fa r t i f i c i a li n t e l l i g e n c em e t h o di sh a r dt ob ee s t a b l i s h e d r n l eg om e t h o d o l o g y , w h i c hi sa na l g o r i t h mo fs y s t e mr e l i a b i l i t yw i t hs u c c e s s - o r i e n t e d ，c a ne a s i l yg e tab a l a n c e b e t w e e nt h ec a l c u l a t i o na c c u r a c ya n dc a l c u l a t i o ne f f i c i e n c y b a s e do ni t , t h ep a p e rp r o p o s e sa n e wm e t h o d - g om e t h o d o l o g y i ti sas y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i sm e t h o dw i t hs u c c e s s - o r i e n t e d ， a n dc a l lb ea p p l i e di nm u l t i - m o d e ，t i m e - s e r i e s ，c o m p l e xs y s t e m a f t e ra n a l y z i n go ft h er e l i a b i l i t y n e t w o r k e q u i v a l e n ta l g o r i t h ma n dt h ef a i l u r ed i f f u s i o n ， t h ep a p e rs i m p l i f yt h et e s ts y s t e mp a r tb yd i v i d i n gi ti n t os e v e r a ls u b - n e t w o r k sa c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so fr a d i a ld i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t hc o m p l e xs u b - f e e d e r s i nt h i sa l g o r i t h m i tc a nd e f l a t e t h es c a l eo fg oc h a r ta n dr e d u c ec a l c u l a t i o n a f t e rc a l c u l a t i n gf a i l u r er a t ea n dw o r kr a t eo f s u b - n e t w o r k s w ec a nc o m p u t et h el o a dp o i n tr e l i a b i l i t yi n d i c e sa n ds y s t e mr e l i a b i l i t yi n d i c e s b a s e do nt h ef a i l u r e p e r v a s i o n o fe v e r ys u b - n e t w o r k t h e n ，c a l c u l a t i n gf o r m u l aa n d m a t h e m a t i c a lm o d e la r ep r e s e n t e db a s e do nt h i sa l g o r i t h m t h ec o n t r i b u t i o no fr e s c l v es u p p l y , c i r c u i tb r e a k e r s f u s ea n ds e c t i o ns w i t c h e so nt h er e l i a b i l i t yi n d i c e s i st a k e ni n t oa c c o u n t t h i s m e t h o dh a s1 i t t l ec o m p u t a t i o nb u r d e n ，a n dc a nb eu s e df o rr e l i a b i l i t ve v a l u a t i o no f a n yc o m p l e x r a d i a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m t h ep r e s e n t e dm o d e la n da l g o r i t h mf o rd i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nh a v eb e e np r o g r a m m e dt oe v a l u a t et h er e l i a b i l i t yo ft h ei e e er b t sb u s6 t h e c a l c u l a t m go u t p u tp r o v e dt h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h ep r e s e n t e dm o d e l sa n da l g o r i t h m s 1 1 l ew e a k n e s so f t l l i ss y s t e mh a sb e e nd i s c u s s e db a s e do na n a l y z i n go f t h er e l i a b i l i t yp a r a m e t e r o f f o u rt y p i c a lw i r i n gp a t t e r n s f i n a l l y t h i sp a p e rp r e s e n t s am e t h o dt o i m p r o v ed i s t r i b u t i o ns y s t e mr e l i a b i l i t yb y d e c r e a s i n ge l e m e n te r r o rr a t e ，d e c r e a s i n gm a i n t e n a n c et i m e ，m a k i n ga u t o m a t i o nf o rd i s t r i b u t i o n i l i 西安理工丈学硕士学位论文 n e t w o r k ，a n dp r e s e n t ss o m es p e c i f i ca p p r o a c h e sf o ri m p m v i n gr e l i a b i l i t yo f d i s t r i b u t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：g om e t h o d o l o g y ；d i s t r i b u t i o ns y s t e m ；r e l i a b i l i t y ；g oc h a r t v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：二睥万年夕月矽日 学位论文使用授权声明 本人羔圣二亟里在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阕读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：丝垂蝉导师签名： f ；月日 绪论 1 绪论 对电力系统进行可靠性分析是电力系统规划和运行的重要组成部分，它越来越受到各 国电力部门的重视。配电系统可靠性分析是电力系统可靠性分析的重要内容。 配电系统处于电力系统末端，直接与用户相联，把电源系统或输电系统与用户设施连 接起来，是向用户分配电能和供给电能的重要环节。它包括次级输电回路，配电变电站， 一次馈线，配电变压器，二次回路和用户接线在内的整个配电网及其设备。 本文将一种新的系统可靠性分析方法一g o 法应用于配电系统的可靠性分析中去，既 评价了配电系统的可靠性，也为将这种新型可靠性分析方法引入到复杂配电系统可靠性分 析领域做出创新的贡献。同时计算出可靠性参数，以发现系统中的隐患和薄弱环节，并采 取相应措施，为改善和提高系统可靠性提供方向和途径。 1 1 背景 由于国民经济的持续迅速发展，电力需求增长迅速。目前，配电网存在的问题严重影 响着迅速增长的生活用电的需要，用电连续性和可靠性得不到保证，拉闸限电成为每一个 城市面临的现实问题。加强配电网络的建设和改造，是解决电网瓶颈问题和开拓电力市场， 促进用电消费，拉动国民经济增长的一项重要措施。 随着社会和经济的发展，一方面用户对供电可靠性也开始提出了较高的要求，国家电 力公司对此也有要求，今后供电企业达到的供电可靠性指标，一般城市地区供电可靠性不 低于9 9 9 6 ，使用户的年平均停电时间不大于3 5 小时：重要城镇中心去应达到9 9 9 9 ， 使用户的年平均停电时间不大于0 8 7 6 小时，即5 3 分钟。而国外经济发达国家的每户年 平均停电时间已达到不超过1 小时，甚至只有几或几十分钟的水平，相比之下，我国与国 外还有很大的差距”1 。此外，高精密的技术和装备也对电能质量提出了严格要求，配电网 供电可靠性也是电力经营者必须考虑的主要问题。另一方面，配电网络也有了很大的发展， 其线路越来越长，节点越来越多，结构越来越复杂，因而发生故障的机率也相应增大。当 配电网故障后，在切除故障设备后，应尽快地恢复用户的供电，尽可能减少用户停电面积， 以减少因停电而造成的对社会影响和经济上的损失。配电可靠性的研究与规划是解决上述 两个问题的有效而根本的手段之一。 配电系统处于电力系统的末端，直接与用户相连，是整个电力系统与用户的联系，向 用户供应电能和分配电能的重要环节。由于电力生产具有发、供、用同时完成的特点，因 此，配电系统或设备的故障或检修，必然造成系统对用户供电的中断。整个电力系统对用 户的供电能力和质量都必须通过配电系统来体现，所以配电系统可靠性指标是整个电力系 统结构及运行特性的集中反映。 配电系统大多采用环网式结构、放射式运行，对单故障比较敏感，对用户的供电可靠 性影响也最大，如前所述，用户停电故障中8 0 以上是由配电系统的故障引起的“。过 去由于片面强调发电系统和输电系统的建设，导致我国配电网络的输送能力远低于发电和 西安理工大学硕士学位论文 输电系统的能力。但随着国民经济的持续高速发展，工业和居民负荷需求水平逐步提高， 配电系统将获得大规模发展。作为现代化配电系统管理的重要手段，配电系统可靠性评估 和管理也必须进行不断的发展和完善。提高配电系统可靠性，发现系统薄弱环节，有助于 减少停电损失，从设计、制造、建设、安装、调试、运行、维护、检修以及城网、农网规 划和改造等方面全面地提高配电系统及其设备的运行和管理水平，具有巨大的社会和经济 效益。因此，配电系统可靠性的研究和应用，是保证供电质量、实现电力工业现代化的重 要手段，对促进和改善电力工业生产技术和管理，提高经济效益和社会效益，进行城市网 络建设和改造有着重要作用。国外一些工业技术发达的国家都对配电系统可靠性进行了专 门的研究，并已将研究成果应用于生产实践，取得了非常好的效益。在我国，对配电系统 可靠性的研究及应用有着非常广阔的前景。 1 2 配点系统可靠性研究现状 1 2 1 国外配电系统可靠性研究现状 配电系统可靠性的研究始于上世纪中后期，其起步晚于发电和输电系统可靠性的研 究。现代的电力系统的供电能力强大并且涉及面极其广泛，任何停电事故的发生都会造成 巨大的经济损失和社会影响。由于缺乏对可靠性的研究和管理，以及人们开始并未意识到 配电网可靠性的重要性，一些国家的电力系统曾发生过大面积停电事故。其中，尤其是美 国东北部电力系统( 包括纽约市) 发生的大停电，引起了社会秩序的极大混乱，造成的损失 惊人，成为国际电力史上的一次重大事故。这以后，各国都大大加强了对电力系统可靠性 的研究工作。 美国于1 9 6 5 年1 1 月9 日，美国东北地区电网发生大停电事故之后，以私营为主的电 力工业开始了研究和应用供电可靠性。联邦电力委员会成立了大电力系统供电可靠性委员 会。1 9 6 8 年又成立了国家电力可靠性协会( 简称n r e c ) 。 日本将可靠性技术应用在电力工业开始于1 9 6 1 年。6 0 年代道7 0 年代，伴随电网发 生停电事故的同时，日本电气事业联合会推动了输配电“综合供电可靠度”的研究和应用。 1 9 8 9 年配电系统调查专业委员会发布的配电系统供电可靠度评价方法和缩短停电时间 技术报告，把配电系统供电可靠性的管理和应用推进到一个崭新的阶段。目前日本配电 系统对用户供电可靠性几乎达到了没有停电的情况。 前苏联早在3 0 年代初期就开始了电力系统可靠性的研究。1 9 8 4 年，b i i 洛勒得基 班尼泽等进一步阐述勒城市电网可靠性评估的方法，对i o k v 及0 4 k v 的配电网络， 不同的客户类别使用不同的接线方式。 同时，一些发达国家都对可靠性指标及数据收集和信息的利用等方面作了规定，如英 国采用客户平均停电持续时间、平局系统可靠率和安全目标等全面反映勒对客户综合质 量，故障和预安排停电的状况，系统和设备的性能以及系统的外部可能带来的影响等各方 面，国际上大多学习和采用这一种模式。日本采用客户平均停电次数，客户年平均停电时 间等指标来衡量配电系统可靠性。 自1 9 6 5 年一系列这一领域的学术论文问世以来，到目前为止，无论是在数据统计方 面，还是在评估的模型和算法方面，都进行了大量的研究。在发达国家，可靠性评估正逐 步成为配电网决策中的常规性工作 1 2 2 国内配电系统可靠性研究现状 我国配电系统可靠性的研究始于二十世纪八十年代，起步晚于发输电系统的可靠性研 究，加上缺乏必要的统计数据和行之有效的分析方法，发展较为缓慢。随着科学技术的发 展、生活水平的大幅度提高，配电系统供电可靠性的研究越来越受到重视，加之电力市场 的逐步形成及电价机制的完善，对供电可靠性提出了新的要求，供电部门为了创造出更好 的经济效益和社会效益，都采取了许多措施来提高供电可靠性。 在供电可靠性研究上，无论国家电力可靠性管理中心，还是各省电力局和一些大专院 校都进行了大量的富有意义和成效的探索和理论研究，开展了包括配电系统可靠性在内的 专题研究，随着更多的专家、学者参与，一批研究成果的推出，使我国配电系统可靠性的 研究工作进入了一个蓬勃发展时期。 总之，近二十年来，我国己有组织，有计划的开展了配电系统可靠性研究和应用，制 定了配电系统可靠性统计办法及程序，建立了有效的配电系统可靠性数据信息库和可靠管 理体系，广泛开展了学术交流、经验交流和可靠性工程教育，目前提高供配电系统的供电 可靠性己成了供电企业的主要目标之一。配电系统可靠性统计分析和应用工作几乎遍及全 国，并正在逐步深入和全面的发展。 1 3 国内外配电系统可靠性评估方法的简介 进行配电系统可靠性分析首先要对配电系统建立可靠性模型，输入元件的可靠性参 数；其次通过对系统规定一些可靠性判据，按照这些判据对系统的所有状态进行检验分析， 并把所检验出的属于系统故障的状态归于一集合中；然后在此基础上再求出各负荷点的可 靠性指标；最后根据负荷点可靠性指标求得整个系统的可靠性指标t 4 1 。配电系统可靠性 评估研究的难点主要集中在系统可靠性模型的建立和评估算法选取上。目前，配电系统可 靠性分析中还存在着诸如可靠性模型及评估算法不完善等问题。 配电系统可靠性的研究起步比较晚，国内外学者提出了不少的关于配电网可靠性评估 方面的模型和方法2 _ 7 1 ，极大地推动了配电网可靠性的理论研究和实际应用。目前，有 关配电系统可靠性预测评估的方法很多，可将其归为三类：解析法、模拟法和人工智能算 法。近年来，又出现了将解析法和模拟法相结合的混合法 8 1 0 1 3 1 解析法 解析法的基本思想是：根据系统的结构和元件的功能以及两者之间的逻辑关系，建立 系统的可靠性概率模型，然后通过递推或迭代等过程精确地求解此模型，从而计算出系统 西安理工大学硕士学位论文 的可靠性指标。解析法的物理概念清晰、模型精度高，但计算量随系统的增大而急剧增加， 不易处理相关事件，只能考虑一个或有限个负荷水平，不能模拟实际的控制策略。 解析法又可进一步分为网络模型和马尔可夫模型两类。自从第一个e p r i 程序被用于 可靠性研究以来，因其算法的简单性和自身与配电网络拓扑结构的相似性，网络模型法是 配电系统可靠性分析最受欢迎的技术。但是网络模型法却不能处理诸如故障隔离、停电负 荷修复和复杂继电保护系统等操作对系统可靠性的影响的问题。 在解析法中，故障状态的选择是通过故障枚举法来实现的，即通过故障枚举法首先选 择一个停运状态，对此停运状态进行评价( 通过潮流计算来实现) ，采用相应的优化补救 措施；进行再判断，并根据其可能引起的后果进行适当的切负荷；最后计算该状态对可靠 性指标的影响。枚举所有的故障状态，就能得到所求的可靠性指标。一般情况下，系统故 障停运状态的选择是按某种逻辑逐个地选择，例如：可以首先检验所有单重偶发事件，继 而是双重偶发事件，直至所有状态检验完毕。由于解析法采用的是严格的数学手段，计算 可信度高，在给定的简化假设条件下，一般可求得准确的结果。但是，由于系统状态的数 目随着系统元件的数日的增加而呈指数增长，所以当系统很大时，要枚举和检验所有的故 障状态，计算量是很大的。 因此，应用解析法来分析复杂配电系统可靠性指标时所面临的主要困难就是在不失计 算精度的前提下如何减少计算量，以提高计算速度。国内外学者在这方面做了大量的研究 工作，并提出了许多具体的方法，它们又各自的优点，但都具有一定的局限性，缺乏通用 性和推广性。下面对这些具体的解析法作以简单的描述： 1 表格法 表格法是由前苏联科学寨塔里维尔哒在1 9 7 0 年提出的。该方法简单直观，在理论 上不存在其它模型因元件状态不独立而带来的建模困难问题。但表格法仅适用于手工计 算，不利于计算机编程的实现，难于应用到大型配电系统进行可靠性评估计算。国内外学 者对其进行了有益的探索和分析，取得了一定的研究成果。文献 9 1 利用改进逻辑表格 法对电气主接线的各种运行方式( 计及了继电保护的影响) 、并结合了经济性计算，具有 简明、计算准确的特点，但对于复杂的主接线结构列举各种运行状态必须要有非常丰富的 经验，必须建立相应的专家系统。 2 概率分布法 文献【l o l 基于概率分布法，定义配电网络中的基本元件( 架空线，电缆线，主变压 器，断路器，控制装置，隔离开关和配电变压器) ，以各元件为单位分析其故障情况下对 各负荷点停运的影响，当所有元件都遍历完之后，通过累加计算出各负荷点的各项指标。 该方法利用可靠度来计算系统的各种容量状态的稳态概率指标，易于程序的实现，简便灵 活，计算速度快，可用于小型配电系统的可靠性评估。但它没有较强的系统性，仅适用于 简单的辐射网，没有考虑互联系统的影响。在建立元件故障和系统处于各种容量状态之间 的概率关系时是非常繁琐的，且难于处理状态之间的随机转移和多重故障等因素的影响。 绪论 上述不足使其使用范围受到了限制。 3 故障模式与后果分析法( f a i l u r em o d ea n de f f e c t a n a l y s i sm e t h o d ，f e m a ) “1 配电系统可靠性评估传统的方法就是基于故障模式与后果分析的方法1 1 1 - 1 3 1 0 传统的 故障模式与后果分析法( f m e a ) n 4 通过对系统中各元件状态的搜索，列出全部可能的系 统状态，然后根据所规定的可靠性判据对系统的所有状态进行检验分析，找出系统的故障 模式集合，最后在此状态集合的基础上，求得系统的可靠性指标。f m e a 法原理简单、 清晰、模型准确，已广泛应用于辐射状配电系统的可靠性评估。但它的计算量是随元件数 目的增加呈指数增加的，所以当配电网的结构比较复杂，元件数目及操作方式增多时，系 统故障模式将急剧增加，计算量将变褥冗长繁琐。因此，用f m e a 法直接对一个复杂的 辐射状配电网进行评估是非常困难的。文献【1 5 1 采用故障模式与后果分析法( f m e a ) 结合网络等值的原理对带有分支子馈线的复杂配电系统进行了可靠性评估，并提出了一种 简化配电系统的等效逻辑模型。该算法通过网络等值原理将复杂配电系统逐步等值为只有 一条馈线的简单配电系统，进而结合等效逻辑模型和f m e a 法评估系统的各项可靠性指 标，这样就比直接利用f m e a 法大大提高了计算效率，但是，当配电系统分支多，节点 复杂时，仍然无法避免繁冗的计算。 4 最小路法( m i n i m a | p a t hm e t h o d s ) “”1 ” 文献【1 7 1 根据配电系统的实际配置提出了一种基于最小路的快速评估方法。其基本 思想是：对每一负荷点求取其最小路，根据网络实际情况将非最小路上的元件故障对负荷 点可靠性的影响，折算到相应的最小路节点上；仅对其最小路上元件与节点进行计算即可 得到负荷点相应的可靠性指标。该算法考虑了分支线保护、隔离开关、分段断路器及计划 检修的影响，并且能够处理有无备用电源和有无备用变压器的情况：可以结合系统的实际 配置，并能指出系统的最薄弱环节，计算效率与f m e a 法相比有了较大的提高，但是对 于由主馈线和分支线组成的相对复杂的系统，其最小路的求解和简化分析工作非常复杂。 此外，它对系统不着重关心的负荷节点的指标也做了大量的计算，耗费了不必要的时间。 5 最小割集法 文献【1 8 】提出了一种基于最小割集的故障模式分析方法，对复杂配电网可靠性进行 了评估，将各元件对负荷点可靠性指标的影响分为直接割集和间接割集来考虑，将元件的 故障模式对系统的后果影响限制在最小割集范围内，提高了评估的效率；同时还考虑了分 支线熔断器、隔离开关、计划检修、备用电源以及备用变压器的影响。文献【1 9 采用最 小割集理论，提出了一种通用的计算机实现的配电系统可靠性评估算法。该算法考虑了影 响系统可靠性的诸多因素，可以找到配电系统的薄弱环节。文献【2 0 】提出了一种适用于 简单配电网络可靠性评估的算法，该方法通过确定基本最小割集以简化故障的模拟，提高 了计算效率。虽然最小割集相对于最小路，在其计算量上有所减少，但是对于复杂的大型 配电系统来说，求取最小割集仍是非常费时的。 6 网络等值法 西安理工大学硕士学位论文 网络等值法的根本目的是通过将复杂配电系统的网络结构进行简化，利用简化后的网 络进行可靠性评估，从而减轻复杂系统可靠性计算的负担。文献 2 1 】针对大规模复杂配 电系统使用f m e a 法进行可靠性评估的困难性，提出了一种可靠性等值网络算法。该算 法的主要思想是：利用一个等效元件来代替一部分配电网络，从而将复杂结构的配电网逐 步分解为一系列简单辐射状主馈线系统，然后用f m e a 法对其进行可靠性计算。对复杂 结构配电网可靠性的评估包含向上等效和向下等效两个过程。在向上等效的过程中，将分 支馈线对上级馈线的影响用一个串在上级馈线末端的等效节点元件来代替；而向下等效的 过程中，将上级馈线对下级馈线的影响用一个串在下级馈线首端的等效节点元件来代替。 文献1 2 2 是在文献 2 1 】所提出的算法的基础上做了一些修正和补充。文献【2 2 】中等 值法所采用的数学模型中没有考虑各分支馈线首端所设断路器影响的不足，并给出了修正 的网络等值法数学模型，该模型较完备地考虑了熔断器、断路器合备用变压器等设备的影 响，与原模型相比，修正后的模型具有较广的适应性，适合于馈线中装设有断路器的系统， 能更真实地反映配电网的实际情况。文献 2 3 】给出了一种用于评估组合大电力系统不可 靠性费用的可靠性网络等值算法。在该文献中分别提出了多状态发电系统等效模型 ( e q u i v a l e n tm u l t i s t a t eg e n e r a t i n gs o u r c e ，即e m g s ) ，多状态串联元件等效模型 ( e q u i v a l e n tm u l t i s t a t es e r i e se l e m e n t s ，即e m s e ) ，复杂配电系统的等效模型用支路等效 模型( e q u i v a l e n tm u l t i s t a t el a m r ms e c t i o n s ，即e m l s ) 和e m s e 两部分模型来描述。该 算法能够确定负荷点的可靠性指标和整个电力系统的用户因停电而遭受的损失。文献【2 4 将网络元件和分枝子馈线分类组合成节点和线路两种集合元件，采取分层结构描述它们之 间的拓扑关系，通过对各层集合元件的宽度优先搜索，使网络结构得到简化。该算法在计 算可靠性各项指标之前首先利用网络等值法将配电网络拓扑结构进行了简化。网络等值法 成功地解决了复杂配电系统计算两方面的难题，但是还存在两方面的不足：需要对子系 统进行连续等值；只能得到等效负荷和系统的可靠性指标。如果要得到各负荷点的可靠 性指标，还必须从等效负荷出发，用f m e a 法来求取，届时计算量仍将十分庞大。 一7 仁 l 一一一一一一j 图1 - 1 等值法向上等效过程 f i g l 一1b a c k u pe q u i v a l e n tp r o c c s $ o f e q u i v a l e n tm e t h o d 7 故障扩散法 故障扩散法是在故障后果分析法的基础上，通过判断故障的影响范围来进行可靠性评 估的。文献 2 5 】提出针对中压配电系统可靠性评估的故障扩散算法。该算法提出了“n 度节点”和“边界节点”的概念，根据故障事件发生后，节点故障时间的不同，将节点分 6 绪论 为四类：a 类正常节点，即故障事件发生后开关正确动作不受故障影响的节点：b 类节点， 即故障时间为隔离开关操作时间的节点；c 类节点，即故障时间为隔离操作加切换操作时 间的节点；d 类节点，即故障时间为元件修复时间的节点。当元件发生故障时，程序立即 进行前向搜索断路器和前后搜索隔离开关，一次来确定断路器和隔离开关的影响范围，并 形成分块子系统。然后通过判断是否与电源或切换开关相连，区分出上述4 类节点，再分 别计算出各类节点中的负荷点的可靠性指标。 文献【2 6 】将配电网内元件发生的故障分为三种模式：馈线级故障模式、变电站故障 模式和上一级电网故障模式。算法分析故障的三种模式对配电网可靠性的影响，采用分层 算法，提出了基于故障扩散的电网可靠性评估。文献中考虑设备元件发生故障的三种模式， 逐一分析每种模式对配电网可靠性的影响，即其产生的停电时用户数，并结合配电网的网 络拓扑结构，综合得到配电网的可靠性数据。 相对于等值法来说，故障扩散法的优点是能够一次性求得节点和系统的全部可靠性指 标，而且便于分析系统的薄弱环节，以便采取相应的增强措施。该算法的缺点是在前向搜 索断路器时采用潮流计算，大大增加了计算量。如果能够采取一些措施提高其速度的话， 这种方法是非常值得推广的。 8 考虑容量约束的可靠性评估算法 由于在实际应用中常常需要考虑容量的约束，如元件过负荷或节点电压越界等，所以， 有必要考虑容量约束的评估算法。其主要原理为：按照故障对负荷连续性影响的性质。可 分为全部失去连续事件( t l o c ) 和部分失去连续性事件( p l o c ) 。t l o c 是指负荷点具 有等到引起负荷停运的故障元件修复后才能恢复正常供电的系统故障。p l o c 是指元件的 故障不会导致负荷点与电源之间的所有通路断开的系统故障，但会造成线路或变压器过负 荷或电压越界。容量约束模型建立在忽略线路电容电阻和负荷无功的情况下，用直流潮流 法与z 矩阵法相结合求解配电网中线路故障或负荷点减负荷时网络的潮流分布。知道了 潮流分布，就很容易得出系统和负荷点的各可靠性指标。将网络中潮流的变化量叠加到直 流潮流计算结果中便为减负荷后的结果。如果线路仍然过负荷，则就近继续消减负荷，直 到满足要求为止。此算法可广泛应用于辐射性、并联或环形配电网的可靠性评估，且易于 程序实现。但该算法再加入了潮流计算之后，无疑会增加计算负担。 用于电力系统可靠性评估的解析法还有状态空间法、根据故障严重程度对故障状态排 序、上界和下界法等等，本文不再详述了。总之，解析法适用于结构简单的电力系统的可 靠性评估，但其计算量随系统规模呈指数关系增长，而且当系统变得越来越复杂时，其状 态空间的状态数剧增，这必然会造成维灾难。同时为了获得解析模型，常常需要对系统的 实际条件作较多简化，所以其应用受到较大的限制。 1 3 2m o n t e c a r l o 模拟法 蒙特卡洛模拟法属于统计试验类方法，比较直观，易于被工程技术人员掌握和理解， 7 西安理工大学硕士学位论文 易于处理系统按时间顺序进行的操作，容易处理各种实际运行控制策略，而且计算量( 抽 样次数) 几乎不受系统规模和复杂程度的影响。因此，该方法非常适用于处理各种复杂因 素，如相关故障以及各种运行控制策略等；而且该算法的计算量与估计精度的平方成反比， 也就是说，在一定精度下，减少抽样次数的唯一途径就是减少方差。所以，研究各种减小 方差的技巧是提高蒙特卡洛法收敛速度的关键。 蒙特卡洛法已经被成熟地应用到结构复杂、规模庞大的配电网可靠性研究中2 ”5 1 ， 它是国外一种比较成熟的算法。蒙特卡洛法的主要思想是：系统元件( 主要是线路和变压 器) 一般可用两种状态来描述，即工作状态和故障状态。处于每种状态中的时间分别叫做 工作时间( t t f ) 、开关操作时间( t t s ) 和恢复时间( t t r ) ，参数r r f 、下r s 和珊t 是 随机的，可以有不同的概率分布。 该算法的总体规划是：先找到故障元件影响的所有负荷点，形成它们的工作恢复历 史数据表。对系统内各个元件的状态抽样，其中系统元件包括各种系统设备( 如发电机、 线路、变压器等) 以及不同的负荷水平。对每一状态x ，都存在于其状态相对应的事件概 率p ( x ) ，假定f ( x ) 是状态x 的一次试验，试验结果的期望值由( 1 1 ) 式表示： 酮- 足曲荆( 1 1 ) 试验函数的期望值由( 1 2 ) 式估计： 反即。志荟州骱) “2 ) 其中童( d 为试验函数f 期望值的估计值；n s 为总的抽样次数；x i 为第i 次的状态抽样值： f ( ) 是对第i 次抽样值x i 的试验结果。由( 1 2 ) 式可以看出啻( f ) 不是e ( f ) 的真值，只是 其估计值。由于x 和f ( x ) 是随机变量，所以壹( 刃也是随机变量( 应( d 是f ( x ) 的n s 次抽 样结果的算术平均值) 。e ( d 的估计值雪( d 的误差由其方差决定： y ( 童( 聊- h 乞砭 ( 1 3 ) 其中矿( ，) 为试验函数f 的方差，其值f 1 3 ( 4 ) 式估计： 矿( 咖击善 m 卜反，) 】 1 4 ) ( 1 3 ) 式表明，估计误差与试验函数f 的方差矿( d 成正比，而与其抽样次数n s 成反 比。 蒙特卡洛法的收敛判据是基于e ( f ) 的估计值啻( f ) 的误差。这个误差通常用方差系 数表示： 。厕 p ；矿 ( 1 5 ) 绪论 将( 1 3 ) 代入( 1 5 ) 式，有： b一v,f丽f)ns ( 1 6 ) 。 e ( f ) 经整理有： 脑旦( 1 7 ) ( 卢e ( f ”2 上式表明，蒙特卡洛法的计算量( 抽样次数) 几乎不受系统规模或复杂程度的影响， 因此，该算法非常适用于处理各种复杂因素；而且，还可以看出，该算法的计算量与估计 精度的平方成反比，在一定的精度下，减少抽样次数的唯一途径是减小方差。 文献 2 9 1 给出了受故障影响的负荷点和它们的工作恢复的历史记录的直接搜索法： 1 确定故障元件的位置、类型和序号，以及其相连的馈线序号； 2 确定故障馈线影响的负荷点，并根据网络拓扑结构和保护状况确定故障的持续 时间： 3 确定故障馈线下一级予馈线及故障元件对下一级子馈线中负荷点的影响； 4 重复2 、3 直至找出所有与之相连的子馈线为止，并作相应的处理； 5 确定故障馈线的上一级馈线，以及故障元件对上一级馈线中负荷点的影响； 重复2 5 直至到达主馈线为止。 文献 3 1 】用蒙特卡洛法对i e e er b t s ( r o yb i l l i n t o nd i s t r i b u t i o nt e s ts y s t e m ) 测试 系统的5 个配电系统的可靠性指标进行了模拟计算，并将计算结果与解析法的计算结果进 行了比较，结果显示该算法的计算结果比较满意。并且它可以处理系统中具有不同1 r i r ( 故障修复时间) 和t t s ( 开关操作时间) 的各种元件的模拟。 目前，蒙特卡洛法已广泛应用于国外的大型配电网的可靠性评估。它具有以下几大优 点： 蒙特卡洛法比解析法更能准确地对复杂系统进行建模； 其采样次数与系统的规模无关，所以进行复杂系统的可靠性评估时具有很大的 优越性； 该算法不仅能够计算可靠性指标的期望值，还能计算它们的概率分布； 可以发现一些难以预料的事故，并可反映负荷的随机变化特性。 蒙特卡洛法不仅可以随机模拟系统运行的实际方式，不需要对实际问题作过多的简化 和假设，而且考虑更加全面，更适用于大型电力系统的可靠性评估。它的主要不足就是为 了使各可靠性指标值具有较好的统计收敛特性，必须花费冗长的计算时间。耗时主要原因 为：对抽样状态的描述过程：在抽样过程中可能会抽到许多非常相似的状态，并且还要对 这些状态特性重复判定e 3 6 1 。 9 西安理工大学硕士学位论文 1 3 3 混合法 对于配电系统可靠性评估，其分析规程一般由三个步骤组成；( 1 ) 状态选择；( 2 ) 状态 估计；( 3 ) 计算指标。就蒙特卡洛法和解析法而言，状态估计在这两种方法中都是相同的， 即对每一被检验的系统状态进行潮流计算，确定线路是否过负荷，母线电压是否在允许的 范围之内，判断系统是否故障以及采取补救措施后系统的故障状态是否得以缓解。蒙特卡 洛模拟法和解析法的差别在于第1 步和第3 步，即蒙特卡洛法用抽样的方法进行状态选择， 用统计的方法得到可靠性指标；而解析法用故障枚举法进行状态选择，用解析的方法得到 可靠性指标。在蒙特卡洛法中，系统的状态是从设备概率分布函数中抽样确定的，然后对 产生状态进行状态估计。一个模拟序列表示一个实际的样本，系统的可靠性指标是在累积 了足够数目的样本后对每次状态估计的结果进行统计而得到。 解析法和蒙特卡洛法各有所长，且其各自的优缺点相互补充。如果有一种方法，能将 这两种方法有机地结合起来，充分发挥各自优缺点则是最理想的评估方法。混合法正是基 于这一考虑才应运而生的，而且近年来一直