配电网可靠性及开关优化研究优秀毕业论文.pdf

分分类号号 号 u u u d c c c c c 密密级 级 级 学学号 号060808020605 5 5 矛 挤衬 去军 硕 士学位论文 配 电 网 可 靠 性 及 开 关优业皿邃匕 学 科 名 称 学 科门 类 指 导 教 师 申 请日 期 电力系统及其 自动化 工学 南海鹏教授 2009 年 3 月 独一 创性 声 明 撰置辫 蒸 翼 鬓 瑟 薰鬓 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 储签 名 匹 匹 一 介 劝 胶 学位 论文使用授权 声 明 本 人 逊邀 在 导 师 的 解下 创 作 完 成 业 够 一本 人 弹 坤一 辩 并 已经在西安 姐大学 申请博士 硕士学位 本人作 为学位 论文 著作权拥有 者 同意 羹 探不 架粼齐 黔篡 爵窗 粼瓢 粼鑫 上交的学位论文 可以将学位论文的全匆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何读 浏览 理 产 贻 呼 文 笋 或 卿钟 竺卿翻 授权 西安理 工大 学研究生 部 办 保密的学位论文在解密后 适用本授权说明 论 文 名 尽奴一导 师 签 名 勤妞 介 叮日 摘要 论文题 目 配 电网可靠性及 开关优化研 究 学科 专业 电力系统及其 自动化 研 究 生 顾颜 指导老师 南海鹏 教授 签名 签名 蒸 血 一 彝蜘幸 摘要 配 电系统作为 电力系统 中直接与用户连接 的一环 对供 电可靠性的影 响最大 以上 的 用户停 电故障是 由配电系统故障引起 的 因此 本文着重于研究配 电系统 的可靠性评估及 其开关优化配置 问题 开关优化配置模型属非线性 不可微 的约束组合优化 问题 因此本 文提 出用 蚁群算法来解决配网的开关优化 配置 问题 并 以可靠性指标作为约束条件从寻优 结果 中找 出最优 组合 从而达 到在满足系统运行可靠性 的同时系统 的投 资费用最小 本文 主要 的工 作 1 介绍 了配 电系统可靠性研 究 的基本 内容和意义 可靠性评估和开关优化配置 的研 究现状 以及试验设计方法 的发展 2 综述 了配 电系统可靠性评估和可靠 性经济学 的基础理论 并介绍 了可用 于可靠性 评估 的各项指标 3 介 绍 了一种单 向网络等值法来计算 系统可靠性 的方法 该方法首先用等效元件代 替一部分 网络分支馈线 从而将复杂网络逐步等值为简单 的辐射形配 电网 然后通过等效 的简单辐 射 网计算系统 的可靠性指标 从而运用可靠性指标对配 电网的可靠性进行评价 通过对正e e r bt s一 b u s 6配 电系统 的的第 四条馈线 网络实例验证 了单 向等值法 的有 效性 4 开关优化配置属于可靠性优化 问题 根据可靠性与经济性相协调 的原则 本文提 出 了开关优化配置 问题的蚁群算法 通过对r b t s一 b u s 6第 四条馈线系统 的优化仿真 获得 了馈线4系统 的开关优化配置方案 且该算法相对与其他传 统 的遗传算法 收敛速度快 较 容 易搜索 到全局 最优解 关 键词 配 电系统 可靠性评估 简化模 型 开关优化配置 蚁群算法 a b straet t itle d is trib u tio n s y s te m r e lia b ility e v a lu a tio n a n d o p timi z a tio n r e s g a fc h o f s w itc h m a j o r e l eetri e p ow er s ystem and a uto m ati o n n a m 6 丫白n g u s u p e r vis o r p ro f h a ip e n g n a n s gna ur e 俪 俞 s gna u e 坐华缎 a b s tra c t a s a d i r eet lin k to t h e con su mer in t h e eleet r i eit y sy stem th e dist r i bu t ion h as t h e m o st pow e血 1 iduenee on t h e relia b ilit y of t h e pow er su p p ly a n the pow er f a ilu r e f r om t h ose eo n su x ners 15 ea used b y th e t r ou b le o f t h e d ist r i b u tio n t heref o re t h is r e sea r eh p u t em p h a s is o n t h e e v a l u a t ion of t h e relia bilit y of t h e dist r i bu t ion an d opt i m iza t ion of sw iteh t he disp o sit i on of s w iteh op tim iza t io n b elo n g s to t h e a r ea o f n on 一 lin ea r n o n 一 m in u t e restrain t盯 o u pin g op ti m lza t io n t h ls r e sea r eh p r o p o ses t h e w or m ea l eu la t in g m et h o d to so lv e t h e p r o b lem o f op ti而 za t ion in t h e d ist r i b u t ion of t h e eleet r i eit y n et a n d f i nd ou t t h e b est g r ou pin g w ay s b a s ed on the r e s t r a i n i eon d i t i on一relia b l e nor m the f i na l a i m 15 t o sa t isf y the r e l ia b ili t y of t h e op er a tio n a nd t h e m 而 m a l eo st o f t h e in v est l nen t t he m ain w or k o f t h e 而 5 resea r eh is a s f o llo w ed l it int r oduees of ba s ie eon i en i a n d 51娜 f i ca n ee on t h e r e lia b ility of t h e dist r i bu t i on the p r e se n t sit u a t ion of eva l u a t ion of r e lia b ilit y a nd sw iteh opt i m iza t ion disp o sition a nd t h e d ev elo p m en t o f t h e m et h o d o f 些sea r eh d esig n 2 it sul nnla r i zes t h e ba s ie t h eor y of t h e eva l ua t ion of relia b ilit y of dist r i bu t ion a n d relia b ili t y eeonol n i es a n d int r odu c es t h e v而 ous indexes in t h e evalua t ion 3 f t proposes a one一 w a y net equiva l en i w ay used in ea l eula t ing system relia b ilit y su c h w ay f i rs t ly u ses eq u iv a l en t elem en i s to rep la c e so m e p 叭 5 o f th e n et b r a nch f e ed e r in o r d er to t r a nsf o r m t h e eo m p liea t ed n et in i o rad ia t in g eleetr i eity n et in a n eq u iv alen t v a l u e t hen it v a lu e s its relia bility th r o u g h caleu la t in g th e r e lia ble in d ex es t h e sim p le n et it h as a l r e a dy t h e v a l id ity of the one一 w ay equiva l ent m et h od by t h e em pi r i eal exper i m en i t h loug h the f o ur th f e eder of t h e i ee e r b t s 一 b u s p o w er sy stem 4 t h i s r e sea r eh presen t s a w or m w ay to eount t h e pr o blem of s诚 tc h opti m iza t ion disposi tion based on t h e pr i neiple of relia b ilit y a n d t h e eeonom ieal eoordina t ion 们恤 ug h t h e op tim a l sim u la t ed ex per i m en t it h a s g o t t h e sw iteh op tim iza t ion d isp o sitio n o f t h e f e ed er f o u r sy s t e ms a nd su eh m et h o d 15 f a ster t h a n th e o t h er tr a d itio n a l g en etie w ay s a nd ea s ier to seek t h e b est op tim a l w ay s o f t h e w ho le sy ste 西安理工大学硕士学位论文 k ey w o rd s d istrib u tio n sy stem reliab le ev alu ation sim p le m o d el sw iteh o p tim izatio n w o r m ealeu latin g w ay s 目录 目录 绪 论 1 1 引言 1 2 可靠性的基本概念和研 究 内容 l 1 2 1 电力系统可靠性 的概念 l 1 2 2 配 电系统可靠性 的概念 2 1 3 配 电网可靠性研 究的意义 3 1 4 配 电系统可靠性研 究的现状 4 1 4 1 仿真法 5 1 4 2 解析法 8 1 5 配 电网开关优化配置研究的现状 二 9 1 6 本文 的主要研究 内容及工作 1 0 配 电系统可靠性的基础理 论 1 2 2 1 引言 1 2 2 1 1 配 电系统 的基本概念 1 2 2 1 2 配 电系统 的特 点 1 2 一一 2 1 3 配 电系统可靠性分析 的主要 内容 2 2 元件可靠性模型及其基本概念 2 3 2 4 2 2 1 二状态模型 1 4 2 2 2 三状态模型 1 4 2 2 3 七状态模型 巧 2 2 4 负荷模型 1 7 简单系统分析 一1 7 2 3 1 串联系统 分析 1 7 2 3 2 并联系统分析 1 8 配 电系统可靠性指标 1 8 2 4 1 基本指标 1 8 2 4 2 与系统相 关 的可靠性指标 2 4 3 与用户相关 的可靠性指标 2 4 4 负荷与 电量有 关 的指标 二 19 门 n闷目o u o 口o uiq 自n 0 自o 乙q 自o o 白 2 5 配 电系 统 中的可靠性 经济 学 2 6 本 章 小 结 3 基 于单 向等值法 的中压 配 电网 的可靠性评估 言 己 j 3 2 求取系统可靠性 的网络模型的简化 3 2 1 数学模型 西安理工大学硕士学位论文 3 2 2 相连 的断路器与刀 闸 内部元件 的等值 2 4 3 2 3 消 除刀 闸的等值 方 法 2 5 3 2 4 消去 断路器 的等值 方法 2 6 3 3 负荷点可靠性指标 的计算方法 2 8 3 4 算 法 的实现 2 8 3 4 1 父 节点和 子 节点 的定义 2 8 3 4 2 节点间邻接矩阵 2 9 3 4 3 系统可靠性指标算法描述 3 0 3 4 4 系统各负荷 点的可靠性参数算法流程 3 0 3 5 算 例及 分析 3 0 3 6 本 章小结 3 4 4 基于蚁群算法 的配 电网开关优化配置 3 5 4 1 引言 3 5 4 2 配 电网开关优化配 置的数 学模型 3 5 4 2 1 投 资费用 3 5 4 2 2 运行维修费用 3 6 4 2 3 停 电损失费用 36 4 2 4 数学模型 3 7 4 3 蚁群算法 的基本原理 3 7 4 3 1 真实蚂蚁 的行为 3 7 4 3 2 蚁群算法 的模型 3 9 4 4 基 于蚁群算法 的配 电网开关优化配置 4 0 4 4 1 解 的表述形式 4 1 4 4 2 初始化 刃 4 1 4 4 3 搜 索策略 4 1 4 4 4 评价 阶段 4 2 4 4 5 更新阶段 4 2 4 4 6 终止判 断 4 2 4 5 开关优化配置的蚁群算法 4 2 4 6 算例 及 分析 4 4 4 7 本 章总结 4 5 5 结 论 及 展 望 4 7 致谢 4 9 参考 文 献 5 1 1 绪论 绪论 11日1 奎 j二二 刁 电力系统是 由电源 电力 网 电力用户共 同组成 其根本任务是为各类用户尽可 能经 济地提 供可靠 的电能 随时满足各类用户 的要求 也就是满足 负荷 的要求 由于社会 生活和 工作 习俗 的原因 现代社会更加希望 电力能按需要连续供给 现代社会的发展越来越依赖 于 电力 可 以说 可靠 的电力供应对 国民经济和人 民的 日常生活都有着非常重要 的意义 但 是 由于 电力系统十分庞大 在系统 的各个部分都会有随机故障 电力部 门不可能将这些 故 障发生 的可能性全部消除 也很难预测何 时何地将会发生故障 因此毫不 中断地连续供 电 实际上是不可能的 我们所能做 的是采取各种措施 努力降低系统发生故障的频率 减小停 电时间 从而提高系统供 电可靠性 配 电系统作为 电力系统 中直接与用户连接的一环 对供 电可靠性 的影响最大 据统计 8 0 以上 的用户停 电故障是 由配 电系统故障引起 的 一 有 的 资料甚至认为这个 比例 已经达到 9 0 5 因此要改善供 电可靠性 就必定要涉及到配 电系 统可靠 性评估和可靠性优化 的 问题 1 2 可靠性的基本概念和研究 内容 1 2 1 电力系统可靠性的概念 随着 电力工业 的发展 可靠性工程理论开始逐步进入 电力工业 电力系统可靠 性也应 运而生 并逐步发展成为一 门应用科学 成为 电力工业取得重要大经济重大经济效益 的一 种重要手段 目前 己渗透到 电力系统规划 设计 制造 建设安装 运行和管理等各方面 并 得到 了广泛 的应用 所谓 电力系统可靠性 就是可靠 性工程 的一般原理和方法与 电力系统工程 问题相 结合 的应用科 学 电力系统可靠性也包括 电力系统可靠性工程技术和 电力工业可靠性管理两个 方面 所 谓 电力系统可靠性工程技术 就是为 了使 电力系统及其设备达到预定的可靠性要 求所进行 的设计 制造 建设安装 运行 试验 维护和保养等一系列工程技术活动 所 谓 电力工 业可靠性管理 就是从 电力 系统整体 出发 按照一定 的可靠 性 目标 对 电力 系 统 全寿命周期 中的各项工程技术活动进 行规划 组织 协调 控制和监 督 并保持其 费用最 省 的现代 化 电力工业管理方法 电力 系统可靠性 的实质就是用最科学 最经济 的方式 充分发挥发 供 电设备 的潜 力 保证 向全 部用户不断供给质量合格 的 电力 从而实现全 面的质 量管理和全面的安全 管理 因此 一切为提高电力系统设备健康水平和安全经济水平的活动都属与 电力工业可靠性工 作 的范畴 都是 为 了提 高 电力工业 可靠性水平所从事 的服务活动 电力 系统按 电力生产过程及 结构特性 一般分 为发 电 输变 电和配 电系统等主要环节 西安理工大学硕士学位论文 而就其 形成 过程 又可分 为规划 设计 制造 建设安装 运行 试验及维修等几 个方 面 因此 电力系统可靠性 的主要任务是 从 电力系统 的各个主要环节 出发 结合其 形成和 发展 的各个 方面 去研 究 电力系统 的故障现象 制 定定量评价指标或准则 在协调可靠性与经 济 性 的基础上 对 电力系统可靠性进行控制监督和综合评价 并提 出改进和提高可靠性 水平 的具体措施 组织或协调有关部 门加 以实现 电力系统可靠性 的主要工作 内容和工作方法 是按 电力系统各组成部分 把 电力系统 可靠性划分为发电系统可靠性 输变电系统可靠性和配电系统可靠性 然后根据各个环节 不 同的特 点和要求 以及构成各个环节 的元件和系统 的结构特性 运行特性和管理方式 研 究和 建立适 当的可靠性指标及其获取和计算的方法 寻求提高元件和系统可靠性水平 的 途径 研究可靠性与经济性 的协调配合对元件和系统进行可靠性 的控制 监 督和综合评价 2 2 配 电系统可靠性的概念 配 电系统处于 电力系统末端 将大输 电网的 电力 分配 到各个用户 起到一个零售 商 的作用 配 电系统 中的配 电变 电站从输 电网获得 电力 并将 电压逐步降低 然后通过其 复杂 的网络将 电力送给用户 配 电系统可靠性是 电力系统可靠性 的一个重要组成部分 在 电力系统领域 中 配 电系统可靠性研 究的对象主要是配 电系统及其设备在规划 设 计 中所考虑 的各种条件和要求 制造和安装后所具有 的结构和 固有 的特性 运行过程 中所 表现 的特性及状态 作为 电力系统 中向用户供应 电能和 分配 电能的最终环节 配 电系统可靠性研 究必须 以 改善和提 高配 电系统对用户供 电的能力和质 量为 目的 配 电系统设备分散 点多面广 受外界环境和气候条件 的影响极大 同一类 型设备 的 特性和状态 可能因安装和使用 的位置和地 区 负荷 的性质和大小不 同而有所 不 同 因此 配 电系统可靠性 的研究必须从系统观 点 出发 全面地 全过程地加 以研究 配 电系统的结 构 设备 的型号 规格 容量和数量 的大小是随用户及 负荷的增长和变化而不断改变 的 而且 因检修方式 的不 同而更换和改变 其系统和设备 的特性数据及指标必须通过较长 时间 的统计才能反映其统计 的规律性 配 电设备是构成配 电系统 的基础 配 电系统 的可靠性取决于配 电设备 的特 性及其组合 的方式 但 是配 电系统 的结构形式和运行方式是 多种 多样 的 有放射式结构 双 回路结构 或多回路结构 双 电源结构 环形及 网状结构 以及多分割 多联络 的结构等 因此 设备故 障或缺 陷有 的可 能直接对用户产 生影响 有 的则可能不会产生影响 为 了全面地反映和 掌 握设备和系统的特性 必须对配 电设备 的特性数据进行连续地统计 配 电系统可靠性研究 的方法 一般 分为配 电系统 的供 电可靠性和系统可靠性两个方面 来加 以讨论 供 电可靠性是指用户方面 能 以多大可靠度得到所供 电力 的问题 系统可靠性 是指 电力 部 门方 面 为 了保证 满足 用 户 的供 电可 靠性 配 电系统状 况 应 怎样 达 到最 佳 的 问 题 1 绪论 配 电系统可靠性研 究主要有 以下几个方面 l 配 电系统 可靠性指标的研 究 一组科学合理 的指标可 以很好 的反映配 电系统 的 可靠程度 提供更多 的有用信息 2 配 电系统 的可靠性数据统计 包括元件可靠性 的原始数据和系统实 际运行可靠 性 的统计 为可靠性研究提供参数并作为可靠性工作 的检验 3 配 电系统可靠性评估 在理论层面上对 配 电系统 的可靠性进行 定量分析 为改 善配 电网可靠性提供理论指导 4 配 电系统可靠性优化 使可靠性与经济性相协调 即电力系统可靠性经济学在 配 电系统 中的应用 体现 电力部门的实际需求 其 中 开关的优化配置是 国内外研究的热 点 1 3 配 电网可靠性研究的意义 我 国配 电系统可靠性研究始于世纪年代 起步较晚 在过去的几十年里 与发 电系统 相 比 配 电系统可靠研究远远没有受到重视 这主要是 由于发 电厂非常集 中 而且发电容 量不足可 能给社会及其环境带来广泛 的严重后果 比如 我 国前几年 出现 的电荒现象对整 个社会生产和生活都产生了重大影响 因此 着重强调 了确保供 电的充足度和尽力满足 电 力系统发 电部分 的要求 历史上 出现 的大停 电事故 尤其是年月 日的美加大停 电等大停 电事故造成 了很大 的影 响 国际上 的震动很大 美 国在对大停 电事故 的调查报告中多次提到可靠性这个词 甚至 比稳定性 这个词更多 因此输 电系统可靠性也受到十分 的重视 很 多 国家将其提升 到 国家 安全 的高度 配 电系统相对 比较便宜 而且停 电的影响也是非常局部的 因此 对 于不 同设计方案 和增 强措 施 的充足度 的定量评估做得不够 另一方面 大多数 电力公司的用户故障统计 的 分析却表 明配 电系统各 自对于用户的无效度具有最大 的影响 近十多年来 随着经济技术 的发展 配 电系统可靠性 已越来越为人们所注 意 主要有 以下几个 原 因 l 配 电系统处于 电力系统末端 直接与用户相连 是包括发 电 输变 电和配 电在 内 的整个 电力系统 与用户联系 向用户供应 电能和分配 电能的重要环节 具有特殊 的运行方 式 由于 电力 生产具有发 供 用 同时性 的特 点 一旦配 电系统或设备发生故障或进行检 修 试验 往往就会 同时造成系统对用户供 电的中断 直到配 电系统及其设备 的故障被排 除或修 复 恢 复到原来 的完好状态 才能继续对用户供 电 整个 电力系统对用户 的供 电能 力和质量 必须通过配 电系统来体现 配 电系统 的可靠性指标实际上是整个 电力系统 结构及 运行特 性 的集 中反映 2 配 电系统大 多采用放射式的网状结构 对单故障 比较敏感 据不 完全 的统计 用 户停 电故 障 中 以上 是 由配 电系统的故障引起 的 它对用户供 电可靠性 的影 响也最大 3 随着科学技术的发展 以电子学为中心的技术飞速发展 以计算机 为代表 的高度 西安理工大学硕士学位论文 信息化设备 的广泛普及 经济社会 日益成熟 社会功能高度深化 文化生活不断提 高 用 户对配 电系统可靠性 的要求也越来越高 即使仅从加强配 电系统可靠性所花 费的资金及其 对经济和社会所产生的效益来看 配 电系统在整个 电力系统可靠性工程 中也具有极为重要 的地位 4 配 电系统 的可靠性必须与经济性相协调 要达到效益最大化 为 了达到一定 的用 户 可靠性指标水平 工程技术人 员可采取各种 方案 这包括不 同的增强性措施 备用 的配 置 维修策 略 的改进 以及 不 同的运行策略等 如不采用 定量的可靠性分析 则不 能 比较 它 们所花费的每单位投 资所产生的效果 也无法优化配置资源 达到效益最大化 因此 对配 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 配 电系统可靠性 问题也越来越为人们所关注 1 4 配 电系统 可靠性研究的现状 上个世纪六十年代 中期 以后 随着 电力工业 的发展 可靠性工程理论开始逐步 引入 电 力工业 电力系统可靠性也应运而生 并逐步发展成为一门应用学科 1965 年 9 月 北 美 电力系统发生 了世界 电力史上最为严重的一次大停 电事故 从而导致 了电力系统可靠性 研究的飞速 发展 1970 年 比灵顿发表 了电力系统可靠性研究的第一本专著 电力系统 可靠性分析 从此 电力系统 的可靠性发展进入 了一个新 的时期 上世纪七十年代 以后 特别是近十多年来 随着经济技术的发展 配 电系统 的可靠性 越来越为人们所关注 目前 美 国 英 国等工业发达 国家都对配 电系统可靠性进行 了专 门 研究 并 己将研究成果用于生产 国内对配电系统的可靠性研究开始于上世纪八十年代 1983 年 水力电力部结合我国 的国情和实 际生产管理经验 于 1985 年正式颁布 了 配 电系统供 电可靠性统计办法 并 在全 国推广 以后又经过多次修订 我 国的配 电网可靠性的管理工作 由此全面展 开 但 由 于缺乏必要 的数据和行 之有效的方法 以及长期存在 的重发轻供不管用 的落 后观念 配 电 系统及其可靠 性发展较 为缓慢 包括我 国在 内的一些 国家在发 电 输 电 配 电上 的投 资 比 例如表 1一 所 示 5一 表 1一 1 各 国发 输 配 电投 资 比例对照表 几 b l一 1 s ta t es p o w er g en era t io n t ra nsm issio n 国国 家家发 电投 资 输 电投 资 配 电投 资资 美美国国1 0 43 0 70 0 0 英英国国1 0 45 0 78 8 8 中中国国1 0 21 0 12 2 2 从表 中可 以看 出 发达 国家 都 是 电网 包 括 输 电与配 电 投 资大于 电源 投 资 且 配 电网 投资又 明显大于输 电网投 资我 国则刚好相反 电网投资不到 电源投资的一半 且配 电网投 1 绪论 资又小于输 电网投 资 因此与发达 国家相 比 我 国的配 电网建设相对落后 近年来 随着 国内城市经济 的迅速发展 城 网改造步幅的加快 迫切需要对配 电网进行 科 学合理 的规划 各地 区纷纷从现有配 电网的状况着手 根据需要和可能进行 改造 提 高供 电质量 可靠性和安全性 降低损耗 以适应 电力体制 改革 的要求和城 乡发展建设 的需要 可靠性 的研究作为配 电网规划的前提更加 引起 了人们 的重视 常见的可靠性评估方法有两种 仿真法和解析法 4 1 仿真法 仿真法 月 用计算机产生的随机数对系统元件 的失效事件随机抽样构成系统失效事 件集 并通过统计 的方法建立系统可靠性指标 计算公式 根据元件寿命 的概率分布对 系统 状态进行若干时间抽样 并对每个抽样状态进行分析和计算 最终得到可靠性指标 仿真法 能够计及相关事件 的影响 并且计算复杂性受系统规模 的影响很小 适合于求解 比较 复杂 的系统 但其计算精度与计算 时间紧密联系 为 了获得较高的计算精度必然要耗 费大量 的 计算 时间 l 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 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 它是 国外一种 比较成熟的算法 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 2 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 状态选择 西安理工大学硕士学位论文 状态估计 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 而且近年来一直是可靠性评估研究 中的热点 混合法 的主要思想是 由于解析法模型精确 物理概念清楚 在能用解析法 的地方充 分利用解析法 在求解规模超过解析法 的求解能力 时 应用蒙特卡洛法 也就是说在 蒙特 卡洛法的模拟过程 中 尽可能地利用解析法所能提供的信息 以降低模拟统计量 的方差 从而显著地减少蒙特卡洛法所消耗 的 c pu时间 混合法首先 由 c l a n c y d p 应用 于多区域 电力系 统 的可靠性评估 其后被用 于发输 电 组合系统 的可靠性评估 这 时的混合法只是蒙特 卡洛法和解 析法 的很直观 的推广 它根据 解析法 比较适合用于输 电系统 的特 点 在发输 电组合 系统 的可靠性评估 中 对于输 电线路 的故障采用解析法处理 然后在输 电线路发生各种故障的条件下 对发 电系统 的故障进行 采样 应用模拟法进行评估 这种方法 的优 点是将系统 中适于用解析法处理 的部分 输 电 系统 的故障 用解析法处理 减少了蒙特卡洛法 的采样 从而提高了运算速度 此后 不少学者对混合法进行 了进一步 的研究 提 出了不少新 的方法 l iw enyua n 和 b i i l i n t on r 等人提 出了随机模拟 的方法 将可靠性 评估建立在对系统状态及其转移过程 的随机模拟基础上 方法 的基本着眼点为系统的状态而不是元件 在模拟 的过程 中 以状 态持续时间的期望值代替其抽样值 由此引起 的对 系统后续状态转移过程 的影响 则通 过 一种递推条件分布来考虑 这样 模拟法与解析法有机地 结合起来 在模拟 中尽 可 能地利 用解析法所 能提供 的信息 以加快模拟 的速度 在该方法 中 由于假设元件 的故障率 修复 率 以及设备投运 的安装时间等均服从指数分布 而实际情况则不尽如此 这就使该方法 的 使用 范 围受 到 了一定 的限制 文献 70 和文献 7 1 提 出了另外 一种方法 该方法主要通 过 解析法 的模 型来减小蒙特卡洛法模拟过程 中的方差 它将发输 电组合系统 的可靠性 指标 f x 分 解 为三 部分 之和 即 f x g x t x c x 其中g你 为纯发电系统故障对整个系统可靠性指标的影响 t x 为纯输电系统故障对 整个系统可靠性指标的影响 c x 为余项 其意义为发电系统和输电系统的组合故障对整 1 绪论 个系统 可靠性指标 的影 响 g x 和 t x 都可 以利用现有的解析法很快地求出 那么只需利用蒙特卡洛法对 c x 进行估计 即可 由于 c x 的方差要 比 f x 的小 所 以以对 c x 的估计代替对 f x 的估计 显然会 降低运算量 提 高运算速度 这种方法为发输 电组合系统 以及复杂配 电网可靠性 的 评估提供 了一种新思路 但是 如何最快地估 计 出 c x 或者说 f x 如何划分 为最 能反 映系统 的实际情况 还是需要进一步研究的问题 文献 9 提 出 了一种伪顺序蒙特卡洛法 该方法分为两级模拟 首先对系统 的状态 进行随机采样 分析状态 评价系统 如果系统为正常状态 继续采样 如果系统 为故障 状态 则从这一状态开始进行模拟 直至系统恢复正常状态为止 这种方法将随机模拟 与 顺序模拟有机地结合 既发挥 了模拟法的优点 又避免 了顺序模拟法收敛速度上 的缺 陷 文献 10 则将解析法与模拟法结合 在应用模拟法计算可靠性指标 的同时 采用解 系法对系统的运行状态进行评估 从而综合考虑 了系统 的安全性和充裕度 对混合法 的应 用进行 了有益的尝试 文献 11 1根据元件可靠性的逻辑关系和最小割集原理 建立 了大型 电力系统可靠性 评估的数学模型 并提 出了利用蒙特卡罗法随机模拟系统 的状态转移 而用解析法确 定系 统在所模拟到的各状态 中的平均持续时间 并依次替代持续时间的抽样值 它对系统后续 状态转移过程中各状态 出现概率的影响 可用递推 的条件概率来考虑 该算法不仅显著地 提高了模拟效率和精度 而且解决了对高可靠性 电力系统用蒙特卡洛模拟法进行可靠性评 估 的内在 困难 文献 12 提 出了一种对复杂配 电网可靠性评估 的混合法 该方法先将复杂 的配 电网 络按照网络等值法简化成简单的主馈线系统 然后再对简化后的主馈线系统利用模拟法得 到各负荷点的可靠性概率分布指标 这些概率分布指标 的获得 丰富了系统可靠性水平 的 信息 该算法只是将解析法与模拟法粗浅的结合 并没有从两种方法 的本身优势入 手 它 在用等值法简化 网络 时 作 了一定的假设和条件简化 这就没有充分利用上蒙特卡洛模 拟 法 的优 点 该算法是对 复杂配 电网进行可靠性评估 的一次有用 的尝试 对今后将混合法应 用到复杂 电力系统可靠性评估 中去具有一定的启发意义 总之 混合法 的研 究关键是如何使解析法与混合法有机地结合起来 发挥各 自的优 点 提高计算速度和计算精度 由于混合法 的研究刚刚起 步不久 在这一领域还有许 多急需解 决 的问题 所 以 继 续对 混合法进行研究 探 索更 为实用 的评估方法 必然会推 动 电力系 统可靠性研究的发展 随着社会 的发展和 电力 市场化 的到来 人们对 电能质量 的要求越 来 越 高 只 是配 电系统 的结构 日益复杂 配 电系统存在更大 的不确定性 因此 将混合法 应 用于配 电系统 的可靠 性评估 必将是一个很有前途 的研 究方 向 3 序贯仿真法 序贯仿真保留了系统的时序性 如负荷随时间变化情况 不同时间段线路检修情况 等 因此 可 以求 出系统停 电频率 sa i f i 系统停 电时间 sa i d i 用户停 电频率 c a if i 用 西安理工大学硕士学位论文 户停 电时 间 c a id i 和缺供 电量期望值 e en s 等指标 其设计思路是现根据元件 的随机 故障 修 复模型确定一年 中元件 的起停顺序 然后 以小 时为单位 依次检验系统在每 一个 小时段的运行状态 故障和正常工作 如果在某 时段系统故障 则计算该次故障的停 电时 间和 向正常运行状态转移频率 对于每个故障状态 需要确定进入该次故障的时间和离开 该次故障 的时间 以计算系统每次故障持续时间 当 8760 小时计算完毕 就可 以得 到该 年 中系统 的可靠性指标 按上述方法对系统进行 多年 的模拟 计算其平均可靠性指标 当 计算结果满足要求 时 即可认 为 已经得到系统 的可靠性指标 由于真实的模拟 了系统 的动 作顺序 序贯仿真可用 于生产模拟 并可计入不 同停 电时间点 停 电时间长度 停 电电量 下的停 电损失费用 因而可 以用来计算一些经济指标 从而对系统规划和可靠性裕度 的定 价起指导作用 序 贯仿真 的缺 点是计算量很大 结果精度 不高 但随着计算机性 能的 日新 月异 计算速度越来越 快 可 以通过增加模拟 时间来提高精度 4 2 解 析 法 解析法采用故障枚举 故 障搜索 的方式进行状态选择 根据各元件 的可靠性参数和 系 统 网络拓扑用解析 的方法建立可靠性计算指标 统计计算可靠性指标 相对而言 解 析法效 率较高 在配 电系统可靠 性评估 中应用广泛 传统 的配 电网可靠性评估算法是故障模式后果分析法 fm ea 3 一 根据可靠 性参 数和网络结构 故障事件及其后果列成 fm ea 表格的形式 然后综合形成可靠性指标 在 一个复杂 的有 多条子馈线 的配 网中 有大量各种各样 的元件和不 同的基本操作 很难 直接 从上千个基本故障事件 的组合 中进行可靠性评估 为解决这个 问题 提 出了许多不同的方法 l 网络等值类 方法 文 15一 16 方法可 以简化配 电系统复杂的网络 其原则就是将一个复杂的网络结构 用一个简单的等值元件代替 这样一个复杂配 电网络就被简化为一个简单的辐射形主馈线 系统 然后应用 fm e a 法对这个等值后 的主馈线系统进行可靠性评估 但是该方法 需要 多 次 向上等效后 网络才 能简化 同时 向下等效过程 也可能很复杂 所 以又有学者提 出了单 向 等值算法 作为一种 改进 在该算法 中 所有 的元件 负荷 点只需遍历一次 从而避 免 了 冗余计算 2 区域划分类方法 基 于故障扩一散方法 的可靠性评估算法 可用 来对有多子馈线 的复杂配 电系统 进行 可靠性评估 该算法利用前 向搜索算法确定断路器动作影响范 围 用故障扩散方法确 定故 障隔离 的范 围 从而确 定节 点的故障类 型 根据节 点的故 障类 型 便可形成相应的节 点 馈 线 以及系统 的可靠性 指标 文 19 提 出一种类似 的方法 在 故障扩散方法 的基础上 文 20一 22 又提 出分块算法 利用 故障扩散 的原理确定开关元件 的动作 以块为单位 代 替单 元件进行解 析 分析 可大量 节省 故障枚举时 间及 重复 的开关搜 索 时间 可靠性评估 的效 率 1 绪论 有很大提 高 基于馈线分 区模型的算法 2 2 根据 自动 开关装置和手动开关装置 的位置 提 出 了以馈线为单位 将 网络划分 为 自动隔离区和 手动 隔离区 的馈线分 区思想 便 于处理 带子 馈线的复杂配 电系统 的可靠性评估 问题 可 以考虑开关故障 自动装置不可靠动作 备用 电源 计划检修等 多种情况 3 故障搜索类 方法 文 23一 25 算法能适应 网络拓扑结构的变化 也能通过遍历的方法确定各种故障的影 响范围 同时还能考虑 网络约束 的问题 该算法 比较适合于有多子馈线和开关 的复杂配 电 系统的可靠性评估 基于最小路 最小割集的算法 2 可搜索到系统的故障模式组合 可为 配 电系统 的规划运 行提供大量 的有用 信息 同时也帮助工程 技术人员找到配 电系 统 中的薄 弱环节 以便采取加强措施 但是当系统复杂 的时候 该算法所耗费的时间也 比较多 也有 学者提 出了结合最小路集和 网络等值 的方法 川 文 28 以构造负荷点供 电 最 小路馈 线段行 向量 的方法 求 得带子馈线 备用 电源 的复杂配 电网络 的可靠性指标 4 贝叶斯 网络 方法 文 2 9 一 31 提 出了基于贝叶斯 网络方法进行配 电系统可靠性评估 以元件 的最小状态 割集建立 贝叶斯 网络 以实现可靠性分析 该方法不仅 能进行可靠性指标 的评估 而且还 能 方便地得 到系统各元件状态和最小状态割集对整个系统可靠性 的影 响 5 近似类算法 文 3 2 借鉴广泛应用于 日本配 电系统 的以裕度概念为基础 的可靠性评估算法 针对 国内实际配 电网的结构特征引入必要的假设和近似 推导 出一套适合于评估大规模配 电网 可靠性 的显式算 法公式 配 电系统可靠性 评估 的另外一个重要方面是其原始参数 不确定性 的处理 3 3一 3 4 由于各 种统计资料 的限制或是完全缺乏统计资料 元件可靠性参数具有很大 的不确定性 在 此基 础上计算 出来 的任 何可靠性指标都具有不确定性 常规 的可靠性评估方法将可靠 性 原始参 数取为平均值 从 而得 出的可靠性指标也为平均值 指标 的不确定性不 能得到反 映 有 可 能 与将来 的实际情况存在较大偏差 为处理上述不确定性影响 可 以使用区间数 3 5 一 3 9 模糊 数 4 0 和未确 知有理数 们 来描述 原始参数和可靠性指标 当然 上述方法都只是 尝试 性 的 探讨 还不够系统和完善 有待于进一步的研究 5 配 电网开关优化配置研 究的现状 开关优化隶属 于配 电网可切换元件最优配置 问题 其建模常 以成本效益分析为基础 将设备投 资和减少停 电损 失获得 的效益综合形成 目标 函数 以配 电网运行特 点和供 电质 量 等为约束条件 建立模 型 文 41一 45 1基于配 电网可靠 性成本 与效益 的概念 给 出 了 以可 靠性成本 与可靠性效益相 结合作 为寻求配 电网最优投 资策略 的 目标 函数 这个 目标 函数对 开关优化配置 具有很重 要 的指导意义 该模型属非线性 不可微 连续 一离散 混合 的组合 优化 问题 同时 目标 函数不易用决策变量解析表达 其 计算 复杂性很大 属组合优化难 西安理工大学硕士学位论文 题 6 求解最优切换 问题 的方法很 多类 6一 5 4 其 中馈线的简单分段法 直接计算法 启发 式 方法等缺乏普遍适用性 难 以较好地解决实际问题 5 5 具有普适性的方法主要有两类 l b ellm a n方 法 核心思想是 最优策略的子策略也应该最优 该算法优点是精确度高 难点在于面临 组合爆炸 文 5 6 提 出一些经验规则 在一定程度上减少 了元件配置的组合数 从而可 减小搜索时间 然而 这些经验规则缺乏理论依据 可能导致算法陷入局部最优 从而丢 失最优解 文 5 0 根据开关优化 的特 点设计 了动态规划算法 并提 出一些具有普适性 的 降维准则 在解决组合爆炸 问题 上取得 了一定效果 2 随机优化方法 文 51 利用模拟退火方法对配 电网的开关设备进行 了优化配置 提 出了数学模型 该模型 以设备投资 运行维护 以及停 电损失的社会价值等