（电力系统及其自动化专业论文）基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析.pdf

a b s t r a c t d i s t r i b u t i o ns y s t e m sc o n n e c tt h ec o n s u m e rd i r e c t l y ，a n di t ss u p p l yr e l i a b i l i t yc a n m a k eg r e a ti n f l u e n c e so nc o n s u m e r s s o m er e s e a r c hw o r k sa b o u ti m p r o v er e l i a b i l i t y m o d e la n de v a l u a t i o na l g o r i t h ma r ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r f i r s t l y ，t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n db a s i cc o n c e p to ft h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m s r e l i a b i l i t ya r eg i v e n ，a sw e l la sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hs t a t u sa tp r e s e n t s e c o n d l y ，t w ob a s i cm e t h o d s a n a l y t i c a lm e t h o da n ds i m u l a t i o nm e t h o d ，f o r d i s t r i b u t i o ns y s t e m sa n dt h ei m p r o v e da l g o r i t h m sb a s e do nt h e s et w om e t h o d sa r e s u m m a r i z e di nt h i sp a p e r a tt h es a m et i m e ，s y s t e mr e l i a b i l i t yi n d i c e sf o r m u l a sa r e a l s oi n t r o d u c e d t h i r d l y ，i nt h ep a r to fi m p r o v e dm o d e l ，ad i s t r i b u t i o ns y s t e m sr e l i a b i l i t y e v a l u a t i o nm o d e lw h i c hc o n s i d e r e dm u l t i i n f l u e n c ef a c t o r si sp r e s e n t e d ，a n dt h e nt h i s r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nm o d e li s u s e dt oc a l c u l a t er e l i a b i l i t y i n d i c e s t r a d i t i o n a l l y , r e s e a r c h e r sa l w a y si g n o r e di n f l u e n c ef a c t o r so nr e l i a b i l i t ye v m u m i o n ，o ro n l y c o n s i d e r e do n eo rt w oa s p e c t s i nt h i sp a p e r ，s o m ei n f l u e n c ef a c t o r sa r ec o m n n e dt o f o r mam o r er e a s o n a b l em o d e lf o rd i s t r i b u t i o nr e l i a b i l i t ye v a l u a t i o n ，s u c ha sw e a t h e r f a c t o lc o m p o n e n tl i f ef a c t o r , r e s t o r a t i o nr e s o u r c e sf a c t o r , t i m ev a r y i n gl o a dm o d e l a n ds oo n 功ec a l c u l a t i o nr e s u l t sf o l l o w e dt h i sa p p r o a c ha r em o r ea c c u r a t ec o m p a r e d w i t ht h er e s u l t so ft r a d i t i o n a lo n e s i nt h ep a no fi m p r o v e da l g o r i t h m ，am o n t ec a r l ob a s e da p p r o a c hf o rf u z z y r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o ni sp r e s e n t e d 1 1 1 i sa p p r o a c hb o t hc o n s i d e r ss t o c h a s t i ce v e n t so f d i s t r i b u t i o ns y s t e m sa n df u z z i n e s so fc o m p o n e n t sp a r a m e t e r s r e l i a b i l i t yi n d i c e sw i t h d i f f e r e n tc o n f i d e n c e sc a nb eo b t a i n e db yt h i sa p p r o a c h u s i n gf u z z ys e tt h e o r y , r e l i a b i l i t yd a t aa r er e p r e s e n t e db ym e m b e r s h i pf u n c t i o n s ，n o tas i n g l ev a l u e t h e s e m e m b e r s h i pf u n c t i o n sr e p r e s e n tt h eu n c e r t a i n t i e si nf a i l u r er a t e sa n dr e p a i rr a t e so f c o m p o n e n t s k e y w o r d s ：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 ye v a l u a t i o n ；m o n t ec a r l os i m u l a t i o n t e c h n i q u e ；t i m ev a r y i n gw e i g h tf a c t o r s ；f u z z yr e l i a b i l i t y ；c o n f i d e n c ef a c t o r s ； 2 学位论文独创性声明： 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 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 壹圣! ! 九蟊年弓 月：；- 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 趣盎1 膨年 3 月弓口日 河海大学硬士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 第一章绪论 j 1 配电系统可靠性研究的内容及意义 1 1 1 基本概念和研究内容 电力系统可靠性是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不问断地向电力用户供应电 力和电能能力的度量f ”l 。电力系统的规模很大，所以在研究其可靠性时习惯上分为发电系统可 靠性、发输电系统可靠性、输电系统可靠性、配电系统可靠性和发电厂变电所电气主接线可靠 性。 配电系统通常指l o l l o k v 的网络，处于电力系统末端，是把电源系统或输变电系统与用 户连接起来，向用户分配电能和供给电能的重要环节，通常包括配电变电站、一次配电线路( 馈 电线路) 、配电变压器、= 次配电线路、继电保护设施等。据不完全统计，用户停电故障中8 0 以上是由配电系统故障引起的，它对用户供电可靠性的影响也最大”。 配电系统可靠性是指供电点到用户，包括变电所、高低压线路及接户线在内的整个配电系 统及设备按可接受标准及期望数量满足用户电力及能量要求能力的度量。 配电系统可靠性研究的内容，一般说来，大体可以包括以下几个方面： ( 1 ) 定义配电系统可靠性指标； ( 2 ) 配电系统可靠性指标的统计、分析与评价，以及应用其统计分析的结果，对现行系统 和设备从设计劐制造、安装、调试、运行、维护和检修等整个生产全过程的指导作用； ( 3 ) 配电系统可靠性预测及其对配电系统规划、新建、扩建及改造的指导作用； ( 4 ) 为实现配电系统可靠性分析、预测的指导作用而采取的各种有效措施、对策及其效果； ( 5 ) 配电系统可靠性与经济性的协调及电力系统可靠性经济学在配电系统可靠性中的应用 等。 1 1 2 配电系统可靠性研究的意义 2 0 世纪6 0 年代开始，人们开始研究电力系统可靠性，主要侧重发电系统可靠性或者以发电 和输变电组成的大电力系统可靠性。相比之下，配电系统可靠性的研究远未得到应有重视。随 着电力系统不断向超高压、远距离、大机组、大容量方向发展，人们不但对系统经济性提出了 河海大学硕士学位论文 基于象特卡罗法的配电系统可靠性分析 新的要求，同时也对系统的安全性、可靠性提出了更高的要求 s j 。2 0 世纪6 0 年代以来，许多固 家的大电网相继发生重大的停电事故，引起大面积长时间的停电。2 0 0 3 年就有北美历史上最大 的8 1 4 大停电，时间由美国东部时闯j 4 日下午4 时1 1 分一直持续到1 6 日上午l o 时。近两年 全球大停电事件见表1 - 1 。 表1 - ! 近两年全球太停电事件 这些停电事件不仅给田家造成了巨大的经济损失，而且危及社会秩序，给整个社会带来很 大的负面影响，同时也给从事电网规划和运行的人员以极大的教训。为预防这些事故的发生， 定量评价和改善电力系统可靠性的研究工作开始得到重视。 与发达国家相比，我国配电系统建设起步较晚，但近十多年来，我国以各种不同形式开展 了配电自动化和配电系统可靠性的研究和管理，并取得了一定的成果，但还有许多有特解决的 问题需要研究，配电系统可靠性研究的发展潜力和前景是十分广阔的。因此，对配电系绕进行 可靠性分析，并使其与经济性相结合，对于电力系统乃至社会的发展都具有重大的现实意义。 2 河海大学硕士学位论文 基于蓑特卡罗法的配电系统可靠性分析 1 2 配电系统可靠性的研究现状 2 0 世纪6 0 年代，人们开始研究电力系统可靠性时，由于发电设备与配电设备相比，相对比 较集中，设备次性投资额大，建设周期长，发电容量不足造成的停电给社会及环境可能带来 后果的严重性和广泛性容易引起人们的注意，因此人们着重强调发电系统的可靠性，而忽视了 配电系统可靠性的莺要性【5 】。7 0 年代以后，随着经济技术的发展和人们对配电系统可靠性要求 的提高，配电系统可靠性方面的研究工作越来越为人们所关注。许多欧美国家都投入大量资金 对配电系统可靠性进行专门的研究，相关研究成果已经用于生产实践。在发达国家，可靠性评 估己成为配电系统规划决策中的一项常规性工作，把停电损失列入规划方案的比较中，将可靠 性与经济性统一协调，使可靠性技术的应用发展到了一个新的层次 1 2 1 基本方法 自2 0 世纪7 0 年代配电系统可靠性研究领域的一系列学术论文问世以来，无论是在数据统 计方法，还是在评估模型和算法都逐渐趋于成熟。目前，配电系统可靠性分析常用的分析方法 可以分为两大类：解析法( a n a l y t i c a lm e t h o d ) 和蒙特卡罗仿真法( m o n t ec a r l os i m u l a t i o n t e c h n i q u e ，m c s ) 。解析法采用故障枚举法进行状态选择，用解析的方法计算可靠性指标：蒙特 卡罗法采用抽样的办法进行状态选择，用统计的办法计算可靠性指标。1 。 基于马尔可夫模型的解析法在北美应用较多。传统的方法为故障模式后果分析法 ( f a i l u r e - m o d e - a n d - e f f e c ta n a l y s i s ，呲a ) 。解析法原理镌单、模型准确，而且便于有 针对性地进行不同元件性能对电网可靠性的影响分析，已广泛应用于配电系统可靠性评估。但 计算量随元件数的增多呈指数增长，因此当系统规模大到一定程度对，采用此方法有一定的困 难。因此，许多学者提出了改进算法，例如最小路和最小割集法、馈线分区、等值法、分层评 估等将网络化简的方法【7 _ ，从而减少复杂网络的计算量，提高计算效率。 基于计算机隧机实验的蒙特卡罗仿真法在欧洲应用较多。仿真法计算结构简单，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需要耗费大量计算时间；另外 仿真法不便于进行有针对性的分析。因此，许多学者在蒙特卡罗仿真法的基础上提出了改进算 法，如文献 h i 提出了通过控制变量法来减小样本方差的改进方法，并且综合考虑了影响抽样 结果准确性和计算速度的诸多因素，从而提高计算速度；文献 1 2 采用重点抽样方法来减少抽 3 河海大学硬士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 样方差，从而在保证计算精度的同时，显著减少抽样次数和计算时间，提高了囊特卡罗方法的 实用性。 另外，文献 1 3 】提出的混合法综合了解析法和蒙特卡罗仿真法的优点。 1 2 2 需要进一步研究的问题 自上世纪七十年代以后，配电系统可靠性的研究越来越为人们所注视，国内外专家根据配 电网的实际特点，已提出了许多研究方法。但是，由于配电系统可靠性工作开展得较晚，许多 方面仍需要进一步研究： ( 1 ) 在配电系统可靠性的研究中，通常仅仅考虑影响可靠性分析结果的单一因素，所以需 要进一步完善配电网的可靠性模型。例如大多数研究中只考虑影响故障的天气因素、地理因素、 人为因素等而不把这些因素结合起来考虑。并不能完全反映实际情况 ( 2 ) 根据配电系统的特点。研究出瞻够提高可靠性分析精度和减少运算时间的算法大多 数可靠性测试系统均以简单辐射状接线为基础，而在实际电网运行的过程中往往结构更为复杂， 甚至有可能出现多个电源点弼时向负荷点供电的运行方式。需要对搜索路径的算法加以完善。 ( 3 ) 电力体锏改革，使得厂网分开，竞价上网。因而系统的供电可靠性以后可以折算为经 济价值，计入电网竟价策略。 ( 4 ) 配电系统可靠性还可以和非线性的寻优方法结合，进行配电系统经济运行研究，其中 可靠性指标可以作为系统的一个约束条件优化算法有遗传算法、进化策略法、人工免疫算法 等。 ( 5 ) 电力市场条件下，必然需要考虑配电系统可靠性和经济性相结合的方法，如何使用最 低的投资取得最高的效益，并且满足用户对系统可靠性和安全性的需求。 ( 5 ) 根据配电系统结构特点和可靠性分析的结果，提出提高系统可靠性的可行措施，并分 析其实施效果。 ( 6 ) 进一步加强电网运行中可靠性软件的研发和应用。 1 3 论文研究的主要内容 本文的主要工作是使用蒙特卡罗法对配电系统可靠性进行研究，主要包括三个方面：对已 有的国内外文献进行归纳和综述、提出考虑多种影响因子的配电系统可靠性模型以及提出使用 4 河海大学硕士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 基于蒙特卡罗技术的模糊区间法分析配电系统的可靠性。 第一部分是综述配电系统可靠性常用指标和研究方法，并且分析了两种研究可靠性的方法 即解析法和仿真法的特点和区别。 第二部分是提出了考虑多种影响因子的配电系统可靠性模型。在以往的研究中，通常不考 虑影响配电系统可靠性分析的因素或只考虑单影响因素。本文把多种影响因素结合起来考虑， 如天气因素、元件寿命、修复资源和时变负荷模型等，形成考虑多种影响因子的配电系统可靠 性模型。计算得到的可靠性指标与传统模型的结果相比较。 第三部分是提出采用基于蒙特卡罗技术的模糊区间法分析配电系统的可靠性。本文在配电 系统可靠性区间算法的基础上，对不确定的可靠性数据使用了隶属函数的概念，可以得至在可 靠性数据的不同置信程度上的计算结果；同时，采用鼙特卡罗法考虑到电力元件和系统运行状 态的随机性。 河海大学硕士学位论文基于蒙特卡罗法的配电系统可靠牲分析 2 1 概述 第二章配电系统可靠性分析方法 配电系统可靠性研究，即是通过对配电系统可靠性进行历史数据的统计计算、分析和评价， 来确定现有系统存在的问题，并通过过去的计算预测未来，对各种运行情况进行比较，从而可 以选择可靠性较高并且经济合理的运行方式。因此，配电系统可靠性的评价实际上就是对整个 配电系统及其设备进行历史的和未来的技术经济综合评价。 由于配电系统可靠性指标是配电系统进行历史和未来评价的基础和基本出发点，配电系统 可靠性指标必须具备以下特点； ( i ) 配电系统可靠性指标必须能够反映配电系统及其设备的结构、特性、运行状况以及对 用户的影响，并能作为衡量各有关因素的尺度。 ( 2 ) 配电系统可靠性指标应该并可以从配电系统运行的历史数据中计算出来。 c 3 ) 配电系统可靠性指标应该并可以应用配电系统可靠性计算技术，从元件数据中计算出 来。 2 2 配电系统可靠性分析的基本指标 配电系统可靠性的评价标准是多方面的用户的供电质量往往是受到停电频率、停电挎续 时间以及其它因素的影响。因此至少可以从两个方面来分析配电系统的可靠性。 ( i ) 对用户而言任何一个用户均希望对它能充分保证供电，不受到停电的影响。因此， 用户感兴趣的可靠性指标是供电服务的质量。 ( 2 ) 对供电部门丽言感兴趣的指标则是对系统所有用户的平均服务质量或最差供电指 标 2 2 1 配电系统可靠性分析的主要故障分析指标 1 串联系统主要故障分析指标 所谓串联系统( 图2 - 1 ) ，就是由两个或两个以上元件组成的系统，若其中一个元件敲障， 6 河海大学硬士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 系统就算故障，即只有所有元件同时完好，系统才算完好。 i2n = = ) = ： 一亡= ：卜一 图2 - 1n 个元件串联系统 对于串联系统，根据马尔可夫过程理论，可以推导出实用于工程计算的公式 等效故障率( 或平均故障率) t = 丑 f ( 移年) 等效修复时间( 或平均停电持续时间) r ：翌：堡( ，j 、 r 订2 芽川唰砌 a 。 系统不可用率( 或负荷点年平均停电时间) u s = ( 小时年) i ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 其中，s 表示系统，i 表示系统的第j 个元件；五表示元件i 的故障率；表示元件j 的故 障修复时间( 或故障停电时间) 。 2 并联系统主要故障分析指标 所谓并联系统( 图2 - 2 ) ，就是由两个或两个以上元件组成的系统，必须所有元件同时故障， 系统才算故障，即只要其中一个元件正常工作，系统就处于工作状态。 1 ( 1 ) 两元件并联的计算公式 等效故障率( 或平均故障率) 图2 - 2n 个元件串联系统 7 河海大学硕士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 勺= 如瓴+ 屯) ( 次，年) 等效修复时间( 或平均停电持续时间) r 。：且( 小时脓) 。+ 吒 “ 系统不可用率( 或负荷点年平均停电时间) u ，= 九0 = 如 ( 小时年) ( 2 ) 三元件并联的计算公式 等效故障率( 或平均故障率) 以= 如五( r , r 2 + r 2 r 3 + r 3 r , ) ( 驸年) 等效修复时间( 或平均停电持续时问) ，：坦l ( 小时脓) r 2 + 吃+ _ 系统不可用率( 或负荷点年平均停电时闻) u ，= 以0 = 五 ，2 吩 ( 小盹年) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 其中，p 表示系统；o 友、冬分别为元件l 、2 、3 的故障率；、r 2 、 分别为元件1 、 2 、3 的故障修复时间( 或称故障停电时间) 。 使用式( 2 1 ) ( 2 - 9 ) 时应注意： 幻应用公式前应先建立系统模型； 蚺公式只绘出参数的平均期望值，此外，即使元件寿命服从指数分布，但元件串联后形成 的系统一般并不服从指数分布； c 1 公式虽根据马尔可夫过程理论推导出来，并假定元件寿命及修复时间服从指数分布，但 公式仍可用于计算服从其他分布的平稳状态平均值。 配电系统一般采用环形网络开环运行，形成辐射型网络结构，从供电点到负荷点的供电路 径可以看成是几个元件的串联，因而在配电系统可靠性计算中多采用串联元件的计算公式当 然并联元件的公式也广泛应用于配电网络的化简中。在本文采用的可靠性测试系统r b t s _ b t s 2 中由于不涉及并联元件的化简工作，所以还是采用串珏元件的计算公式a 8 ) ) ) ) 硒 “ 猫 柚 ( ( ( ( 河海大学硬士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 2 2 2 与用户有关的配电系统可靠性指标 1 、系统平均停电频率指标蝴( s y s t e ma v e r a g ei n t e r r u p t i o nf n q u e n c yi n d e x ) 一：焉警= 翌e n , c 嘲 协 其中，s d 班卜一系统中运行的用户在一年时间内的平均停电次数 a 负荷点i 的故障率； ，负荷点i 的用户数。 2 、用户平均停电频率指标c a i f i ( c u s t o m e r a v e r a g e i n t e r r u p t i o n f r e q u e n c y i n d e x ) 一：曩黼；哿c 辨栅锄m 其中，c d 泸卜一每个受停电影响的用户在一年时间内经受的平均停电次数； m 负荷点i 的受停电影响的用户数。受停电影响的总用户数的统计方法是受 停电影响的用户一年内不管被停电的次数有多少，每户只按一次计算。 3 、系统平均停电持续时间指标s a d i ( s y s t e ma v e r a g ei n t e r r u p t i o nd u r a t i o ni n d e x ) 一：型糯瓣幽：警c 小嗍户钧协m 其中，鲋卜一系统中运行的用户在一年时间内经受的平均停电持续时间： u 负荷点i 的年停电时间。 4 、用户平均停电持续时间指标c 札d i ( c u s t o m e r a v e r a g e i n t e r r u p t i o n d u r a t i o n i n d e x ) c a l d i =用户停电持续时间的总和一；u m 用户总停电次数 i i ( 小时，停电用户年) ( 2 - 1 3 ) 其中，c z 田卜一一年中被停电的用户经受的平均停电持续时间。 5 、平均供电可用率指标五盯( a v e r a g e m a v a i l a b i l i t y i n d e x ) 9 河海大学硬士学位论文 基于藿特卡罗法的配电系统可靠性分析 一燃：鬻c 呦沼 其中，d 翻卜- - 年e p 用户的可用小时数与总的要求供电的小时数之比； 6 、平均供电不可用率指标a s u i ( a v e r a g es e r v i c eu n a v a i l a b i l i t yi n a l e x ) ：茄：吝淼十4 叫c ，沼 其中，4 舣俨一- - f f 中用p 累积停电小时数与总的要求供电的小时数之比。 2 2 3 与负荷和电量有关的指标 1 、平均负荷停电指标舭配 脚= 慧器黼 ( 2 1 6 ) 2 、平均系统缺电指标d s c i , 4 , g c l = 锷豁= 黼c m 蝴户或脚蜩户，( 2 - 1 7 ) 3 、平均用户缺电指标a c c i _ccl：整箜皇曼至星：璺塑堕!堡：(kvaccl h ，受影响用户或k w h ，受影响用户) 2 戛漕溺甄药再j ；羲2 戛孺溽巍再i 聂 “7 1 1 ”1 ( 2 - 1 8 ) 4 、总电量币足e n s 式( 2 1 7 ) 、式( 2 - 1 8 ) 中的总电量不足e n s 为 傩；屯以( k w 蛑) f d = 工z 其中。e m 卜系统在一年中囡停电而造成用户慈的电量损失； l 连接在每个负荷点f 上的平均负荷； 以负荷点i 的年平均停电时间； o ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 河海大学硬士学位论文 基于蓑特卡罗法的配电系统可靠性分析 o 负荷点i 的峰荷 z 负荷系数。 5 、用户平均停电电量a e n s 4 觥= 嚣= 皆一嘞 心埘， 其中，4 蹦卜系统一年中总的停电电量损失平均到系统内每个由系统供电的用户的平均 电量； 负荷点f 的用户数。 上述式( 2 1 0 ) 到( 2 - 2 1 ) 表示与用户有关的及负荷和电量有关的配电系统可靠性指标，既 可用于现有配电系统可靠性的统计分析( 即评估过去) ，又可用于对配电系统未来的可靠性进行 预测。 2 2 4 与配电系统可靠性成本有关的指标“” 1 、负荷侧可靠性成本价值指标包括： 曲负荷点期望总电量不足e e n s ( l o a dp o i n te x p e c t e de n e r g yn o ts u p p l i e d ) ( m w h y r ) ； b ) 负荷点期望停电成本e c o s f ( 嘲p o m t e x p w 【e d i n t u p f i o n c c b t ) o 【奶曲； c ) 负荷点停电能量评估率i e a r ( l o a dp o i n th 蛔州e n e r g ya s s e s s m e n tr a t e ) ( s k w h ) 2 、系统和馈线可靠性威耐价值指标包括： 曲系统侧期望总电量不足e e n s ( s y s t e mo ff e e d e re x p e c t e de n e r g yn o ts u p p l i e d ) ( m w h y r ) , 系统侧期望停电成本e c o s t ( s y s t e m o r f e e d e r e x p e c t e d i n t e r r u p t i o n c o s t ) o a y r ) ； 曲系统侧停电能量评估率e a r ( s y z t v m o r f e e d e r i n t e r r u p t o d e n e r g y a s s e s s m e n t r a t e ) ( s k w h ) 塑塑塑圭兰丝兰壅 墨王茎塑! 堡塑里皇墨竺里苎丝坌堑 2 。3 配电系统可靠性分析的解析法 解析法采用故障枚举法进行状态选择，用解析的方法计算可靠性指标。解析法基于马尔可 夫模型，用数学方法从数学模型中估计可靠性指标。在实际工作中这种方法使用的最多，因为 大多数的系统和子系统都可用数学模型描述，可以用来估计大规模系统的可靠性指标。解析法 一般用于估计负荷点和系统可靠性指标的平均值或期望值，平均值在配电系统可靠性估计中是 系统的基本指标，但在指标变化性上不提供任何倍息。这种方法描述了存在于实际系统中的因 果关系，在给定的假设条件下，一般可求得准确的结果。当系统复杂时数学方程式会变得十分 复杂，因而需要进一步地偷化或近似，许多近似技术因此而发展起来，得到近似结果。在配电 系统可靠性估计中，解析法发展得已经比较成熟了解析法在美、加、英等田的应用比较广泛。 解析法中最常用的方法是故障摸式后果分析法( f m 队) ，还可以把网络法、近似法、状态 空间法等方法作为工具来简化故障模式后果分析法。在配电系统可靠性研究的几十年中国内 外专家结台配电系统的特点，提出了许多基于减少计算量的改进算法。本文把这些方法规类为： 故障模式后果分析法、网络简化法( 在f l e a 的基础上化简系统网络) 、区间算法和智能算法等。 2 ，3 1 故障模式后果分析法 1 ) 故障模式后果分析法 在配电系统可靠性分析方法中，以元件组合关系为基础的故障模式后果分析法使用较为广 泛，且经实践证明比较切合实际能够反映配电系统结掏和运行特性，是被广泛使用的一种方 法 所谓故障模式后果分析法，就是利用元件可靠性数据。在计算系统故障指标之前先选定某 些合适的故障判据( 即可靠性准则) ，然后根据判据将系统状态分为完好和故障两大类的一种检 验方法。具体做法是建立故障模式后果表，查清每个基本故障事件及其后果，然后加以综合分 析。它是分析配电系统可靠性的基本方法，不仅适用于简单的放射状网络，而且可阻扩展用于 无论有无负荷转移设备的复杂网络的全面分析及计算所有故障过程和恢复过程 文献 6 提出了一种基于故障模式影响分析法的大规模配电系统可靠性评估算法。该算法考 虑故障后的潮流和电压约束，高效评估负荷点及整个系统的可靠性，找出网络中薄弱环节。该 算法和相应软件的研制开发为配电系统的规划管理以及城乡电网改造提供了有力的分析工具。 实际大规模配电网计算验证了该方法的有效性，并为城网改造提供了科学依据。 1 2 河海大学硬士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 2 ) 近似法 近似法是以计算故障率、停运持续时间和年停运时间的方程组为基础的评估方法。一般可 连同高阶事件的类似方程式作为网络简化过程的一部分加以应用，或连同最小割集法一起使用。 在故障模式后果分析法中也往往与它结合加以应用。 3 ) 状态空间图法 系统的每一个元件，按其工作、故障和维修的模式可以取多种状态，而系统的状态又与每 一个元件的状态及工作环境的状态有关。一个特定的系统，其可能出现的全部状态的集合称为 状态空间或事件空间。 所谓状态空间图法，就是将系统用它的状态和其间可能发生的转移来表示，并据此求得系 统的可靠性指标具体步骤如下： a 】列出全部可能的系统状态： b ) 形成状态转移图，确定状态问的转移模式和转移概率； c ) 元件的状态概率确定系统的某一状态概率：按照系统故障半0 据，进行系统状态分析； d ) 按照系统故障判据，将各种系统状态进行分类( 一般可靠性分析中只需将各种系统状态 分为正常和故障两大类) ； 曲针对某一类状态计算系统可靠性指标。 此种方法可以比较准确地评估配电系统持续运行的可靠性，但对于大型配电网络，由于其 状态空间图的结构变得非常繁杂，则很不实用。通常被用作为故障模式后果分析法简化和近似 评估的工具以及近似法比较准确度的标准。 文献【4 1 】应用状态空间法，根据地区环式供电网络的接线形式和运行方式，考虑了供电线路 的故障率和检修率以及备用电源自投装置的正确动作率，建立了地区环式供电网接线形式供电 可靠性的评估模型。通过实例计算验证了该方法的正确性。 2 3 2 网络简化法 网络法是一种较早使用的计算系统可靠性的方法，主要针对两状态元件组成的系统，按逻 辑的串并联关系进行分解来分析系统的可靠性。 最小路和最小割集1 “是网络法的常用分析工具。最小路是保证系统正常工作的一些元件组 合，当其中个元件故障时，系统故障。 网络简化法应用系统逻辑图，通过逐步组台串联元件而得出一系列等值元件，然后得到网 河海大学硬士学位论文 基于棼特卡罗法的配电系统可靠性分析 络的最小路和最小割集，最后应用故障模式后果分析法韵主要指标计算公式来进行计算。其曩 主要的特点是概念简单、计算方便、容易实现编程。其缺点是不能用于复杂系统，不能模拟较 为复杂的运行状态，如多状态元件、相关故障、共模故障等，只能给出系统的部分简单指标。 2 3 3 区阊算法 区问数学自2 0 世纪6 0 年代初期刨立以来，一直在不断向前发展。不但在纯数学领域，例 如新的数学结构( 如格论等) 的发展、数值分析中可靠界限的计算、计算机算术和编译理论的发展 等方面做出了贡献；而且在菲数学学科的应用也越来越广泛，例如工程中，当一个问题的原始 数据不能精确得知，丽只知道包含在给定的界限范围内，或者原始数据本身就是一个区间而非 某个点值时，就可利用区间数学来求解问题的未知解所在的范围或求取区间解。 由于配电系统可靠性计算中所用元件参数的值是从实际运行中统计而来，可靠性评估结果 与实际情况相比有一定误差。为了确保评估结果鸵够反映实际运行情况，可利用区问理论评估 配电系统可靠性，区间运算考虑到所有参数的不确定性，灵敏度分析在指定元件参数区问范围 时首先完成，每个元件的参数真值被视为区间中的数值，利用区间运算得到的评估结果，将涵 盏由于参数值的不确定性而影响实际系统的可靠性所有可自情况。 文m 2 1 2 5 1 使用区间算法和改进的区间算法对配电系统可靠性进行了研究。本文也在已有 文献的基础上对区间算法进行改进，使用改进的算法对配电系统的模糊可靠性迸行研究 2 3 ，4 智能算法 随着计算机技术的发展，智能算法在许多领域的研究中应用。近几年，许多专家和研究人 员在配电系统可靠性研究和分析中也应用智能算法，如人工神经网络算法、模拟进化算法、非 线性目标寻优法、基于贝叶骺喇络口7 州的算法和基于v b 编程且属于智能算法。6 1 的可纛性分橱 方法簪。 2 4 配电系统可靠性分析的仿真法 基于计算机随机实验的仿真法“唧捌( 蒙特卡洛法) 将系统分成许多元件t 这些元件的特性 可通过概率分布加以估计。通过采样实验求得结果，实际上是一种统计实验。它甩数值计算方 法去模拟一个真实的实际过程，这个过程可以是确定性的，也可以是随机性的，统计模拟的结 1 4 河海大学硬士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 果就得到所需要的可靠性指标的估计值。 仿真法利用计算机做随机试验，最后对试验结果进行统计及计算，其计算结构简单，但计 算误差与试验次数的平方根成反比，为降低误差必须显著增加计算时间。仿真法比较灵活，对 于处理某些困难问题可能是唯一可行的方法，它的缺点是由于具有明显的统计性质，计算结果 不够精确，而且计算时间较长。为了得到比较接近实际的仿真结果，仿真过程的次数不自太少， 所以仿真运算量必然很大，现在高速计算机的应用已经使这种方法成为可能。 由蒙特卡罗法的机理可知，当系统规模比较小时蒙特 罗法会显得比较耗时，而当系统规 模比较大时采用解析法会显得非常复杂，而可体现出蒙特卡罗法的优越性。研究蒙特卡罗法的 重点在于减小样本的方差以缩短计算时间。 2 4 1 非时序仿真法 非时序仿真( n o n - s e q u e n 6 a ls i m u l a t i o n ) 又称状态抽样( s t a t es a m p l i n g ) ，它不考虑系统的 时序性，并且一般也不考虑元件的修复情况，按抽样次数对可靠性指标进行统计： 即) 2 志善，( 置) ( 2 - 2 2 ) 其中，j 临为抽样次数。f c 蕾) 是第i 次抽样的指标函数值。 非时序仿真的计算速度较快，算法实现也较为简单，但因不考虑系统的时序性，所以计算 结果中一般没有有关故障频率和持续时间的可靠性指标，这是一个很大的缺点近年来研究人 员探讨在非时序仿真中加入元件的修复功能，并通过严格的推导得到了计算频率变化区间的方 法。由于实际中采用各种简化措施，而且抽样次数有限，一般很难准确计算系统故障频率指标 的准确值，因此，计算频率变化的上下限具有很重要的参考价值。 2 4 2 时序仿真法 时序仿真( s o q u o t f i a ls i m u l a t i o n ) 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，因此可以使用系统停电频率副z 融系统停电时间丘m d i , 用户停电频率 c a i f i , 用户停电时间c m d i , 和期望总电量不足e 酣临等作为指标。其思路是先根据元件的随 机故障，修复模型确定一年( 8 7 6 0 小时) 中元件的起停顺序，然后以小时为单位，一次检验系统 在每个小时段的运行状态( 故障和正常工作) 。如果在某段系统故障，则计算该次故障的停电 1 5 望巡壁丝堡苎 茎茎堑里鲨堕墼皇墨竺要苎丝坌堑 时间和向正常运行状态转移的频率。对于每个故障状态，需要确定进入该次梭障的时闻和离开 该次故障的时间以计算系统每次故障持续时间。当8 7 6 0 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，计算其平均值可靠性指标当计算结果 满足要求时，e p 可- i , l 为已经得到系统的可靠性指标。由于真实地模拟了系统的动作顺序，时序 仿真可用于生产模拟，并可以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充裕度的衡量起指导作用。时 序仿真法的缺点是要提高计算精度必须牺牲计算时间。但随着计算机性能的提高，计算速度越 来越快，并可以通过改避算法加快收敛速度，从而可以在保证计算糖度的基础上加快计算的速 度。 2 4 3 准时序仿真法 准时序仿真是一个比较新的研究方法在抽样中，形成8 7 6 0 小时元件和系统运行状态的方 法和时序仿真法相同，按年平均统计系统可靠性指标的方法样。但在计算中。随机抽取任一 年中任一时段的系统运行状态，如故障则计算其故障频率和持续时间指标，否则，任意抽取另 一状态来检验。准时序仿真实际是时序仿真非时序仿真的一种结合，综合考虑了两者的优点 实际应用中，还可以对其作进一步的简化，如不直接计算故障持续时间的期望值，只考虑状态 闻的一次转移，忽略多次转移等。准时序仿寞算法的准确性和计算效率都有特进一步讨论，但 从目前的研究成果来看，它具有良好的应用前景。 2 5 本章小结 本章介绍了配电系统可靠性常用指标，包括负荷侧的可靠性指标、系统侧的可靠性指标及 系统的电量指标和可靠性成本指标的计算公式；同时，练述了研究配电系统可靠性的基本方法 解析法和仿真法，并且详细介绍了基础这两种方法的改进算法。 1 6 河海大学硕士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 第三章采用考虑多种影响因子的可靠性模型进行配电 系统可靠性分析 3 1 概述 在传统的可靠性分析中般不考虑影响可靠性分析的其他因素，但是这样与实际的系统 环境不符合，必然对可靠性分析的精确性造成影响，所以本章考虑了影响配电系统的多种因子， 包括元件模型、天气条件、元件寿命、可用修复资源和时变负荷的影响。 3 2 配电系统可靠性模型 在计算配电系统和用户的停电指标及停电成本指标的过程中需要建立大量的可靠性模型， 包括架空线路、断路器、熔断器、隔离开关和备用电源等元件的运行模型，还有各负荷点的负 荷模型等。在本章的研究中，电力元件考虑了馈电线路和变压器，均采用两状态模型，其故障 率和修复率为时间的函数；负荷模型采用时变负荷模型。以下两节将作详细阐述。 3 2 1 元件模型 本章所采用的元件模型只考虑配电线路的故障和连接到用户端的变压器故障认为断路器、 母线、分段开关和熔断器本身不故障并且动作可靠率1 0 0 。 馈电线路和变压器均采用两状态模型，如图3 - 1 所示。在该模型中，故障率与修复率都是 时间的函数，一年划分成8 7 6 0 个小时，根据天气情况、可用修复资源、元件寿命等影响按小时 变化，且认为元件的故障率在每一小时中都是不变的 元件的修复时间服从指数分布。 围圭回 国3 - 1 时变故障率修复率的两状态元件模型 1 7 河海大学硕士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 3 2 2 考虑元件寿命的可靠性模型阳1 在传统的可靠性研究中，某一元件的故障率通常被认为恒定不变。然而，根据电力公司的 经验所得大多数元件都遵循一定形式的寿命周期，这种形式下故障率不是一个恒定值，而是随 时间变化的数值。 当电力元件刚投入使用的时候，由于运输和安装过程中人为的损坏，其故障率相对较高。 这段时期称为磨合期或者投入期；一段时间以后元件的故障率逐渐降低并达到一个近似恒定不 变的值，这段时间称为元件的有用寿命时期；当元件逐渐磨损，故障率趋于升高直至发生故障 或者被新的元件替换，这段时期在元件的寿命过程中称为磨损期。这种形式下的元件一个周期 的故障率曲线为如图3 - 2 所示的浴盆型曲线。 蠹 o o 尊 也3 a 备 元件年龄( 年) 图3 - 2 元件寿帝的浴盆羹曲线 上图所示元件在磨合期与磨损期的故障率都要比有用寿命时期大。则进行可靠性分析时， 应该考虑元件在不同寿龠时期故障率对可靠性的影响。 投入期( 磨合期) ： 五( f ) = k o e 一辟丸 ( 3 1 ) 磨损期： ：监 ；th 雄) = k e ”走 足：e ，盹1 ) 1 8 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 q ) 河海大学硕士学位论文 基于蒙特卡罗法的配电系统可靠性分析 ，：i n k o t ( 3 - 5