基于独立故障状态判据的交直流配电网可靠性评估方法

1.本发明涉及一种交直流配电网可靠性评估方法。特别是涉及一种基于独立故障状态判据的交直流混合配电网可靠性评估方法。


背景技术：

2.光伏、风电等分布式电源在配电网中的接入规模迅速增长，其功率间歇性和随机波动性将给配电网高效安全运行带来巨大挑战。此外，电动汽车、数据中心、工商业与家用电力电子设备等新型负荷近年来发展迅猛，其多样化用电特性和高可靠供电需求也为配电网的运行管理提出了更高的要求。在传统交流配电网中引入直流配电设备和技术，充分利用直流技术灵活可控、可闭环运行等技术优势实现高可靠优质供电，是解决上述问题的有效途径之一。但其运行控制的复杂性也给现有供电可靠性评估技术带来了新的挑战。因此，开展交直流混合配电网供电可靠性评估方法的研究意义重大。
3.传统交流配电网可靠性评估目前已形成了相当成熟完整的方法体系，通常分为两类，即模拟法和解析法。其中，以蒙特卡洛法为代表的模拟法，计算复杂度与系统规模关联不大，适用于较大规模系统的可靠性评估。但这种方法未建立可靠性指标的显式表达，无法直接对比各个故障对可靠性指标的影响程度，不便于可靠性薄弱环节的分析和改进措施的提出，计算耗时也很长。解析法基于元件可靠性模型，通过对系统故障状态进行枚举实现，经典的方法是故障模式后果分析法。但由于系统状态数随着元件数量呈指数增加，较大规模系统进行可靠性评估的计算量显著增大，效率随之降低。相关学者针对这一问题，提出了若干改进方法。一类方法是减少待分析的状态数目，如网络等值法、基于分块分区的配电网故障扩散算法等。另一类方法是依据合理的故障状态阶数或概率进行截断，如基于状态空间截断和隔离范围推导的高压配电网可靠性评估方法、快速排序法、快速故障筛选技术。但上述方法仅考虑在状态截断的条件下尽可能减小评估结果的误差，并未有效解决评估阶数截断误差和计算量之间的矛盾。
4.现有交直流混合配电网可靠性评估的研究，通常基于交流配电网可靠性评估方法，结合换流装置在故障场景下的运行控制策略切换、分布式电源孤岛运行、网络重构等进行评估，能够反映直流技术对供电可靠性的影响，但现有方法存在的上述不足并未得到解决。而对于交直流混合配电网，受现有技术水平的限制，交直流换流器等电力电子设备的不可用率较一般交流元件不可用率高，含有电力电子设备的高阶故障状态发生概率相对更高，在评估时必须考虑这些高阶故障状态影响。随着故障阶数的提升，待评估状态会随之大幅增加，系统的故障恢复策略也会愈加复杂，现有解析法和模拟法均存在收敛速度较慢的问题。因此，亟需发展准确、高效的交直流混合配电网可靠性评估方法。
5.本方法基于影响增量法的基本理论，提出了一种适用于交直流混合配电网的可靠性评估方法，通过故障状态的隔离范围分析和相互分离的故障状态子集的独立性检验两个步骤，即可识别出无需进行opf计算的独立故障状态，进而快速获得较准确的评估结果。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是，提供一种适用于交直流混合配电网的可靠性评估方法，用于提升交直流混合配电网评估准确度和效率。
7.本发明所采用的技术方案是：
8.步骤1：输入系统参数，设置最大评估阶数n
ctg
，生成源荷场景集c
clu
，初始化源荷场景序号clu＝1。
9.步骤2：初始化故障集阶数k＝1。
10.步骤3：生成k阶故障集ω
ak
。
11.步骤4：若k≥2，则转向第5步。否则通过opf算法对故障状态的切负荷进行计算，则转向第8步。
12.步骤5：识别故障状态隔离范围，并采用高阶故障独立性判据判断独立性。
13.故障状态隔离范围的计算可表示为以下步骤：
14.步骤5-1-1：形成失电节点的集合vs。将负荷点与母线等效为节点，换流器与线路等效为边，形成系统对应的图，基于此图形成邻接矩阵as。由邻接矩阵as计算得到节点可达矩阵 ps。计算公式如下：
[0015][0016]
式中，n为图的节点数。
[0017]
依据ps，将失去与所有上级电源节点的通路的节点的集合记为vs。vs中的元素称为失电节点，对应故障隔离范围gs中的失电的母线或负荷点。
[0018]
步骤5-1-2：形成失电的边的集合es。若邻接矩阵as中元素a
ij
的行号和列号对应节点均属于vs，则a
ij
的值保持不变，否则置0；再将故障元件对应的a
ij
的值置1，得到的失电的边的矩阵c。将c中值为1的元素对应的边的集合记为es。es中的元素称为失电的边，对应故障隔离范围gs中的失电的线路或换流器。
[0019]
步骤5-1-3：形成故障隔离范围gs。将c中存在一端未失电节点的边对应元素的值置0，再依据c计算出可达矩阵pc。依据pc，vs中相互可达的节点连同节点之间的边纳入同一个子集，这些子集对应的元件的子集记为故障隔离范围
[0020]
故障状态独立性判断方法可表示为以下步骤：
[0021]
步骤5-2-1：拓扑判断。对于给定的高阶故障状态，经过故障状态隔离范围识别后，若n ≥2，则称故障状态可分离故障状态，转向步骤5-2-2；若n＝1，则故障状态为不独立故障状态，判断结束。
[0022]
步骤5-2-2：潮流判断。判断故障状态是否包含干线故障元件，若否，则故障状态为独立故障状态，判断结束；若是，则转向步骤5-2-3。
[0023]
步骤5-2-3：判断干线故障是否满足以下条件
[0024][0025]
式中，m为含干线故障元件的集合数。
[0026]
若满足，则故障状态为独立故障状态，否则为不独立故障状态，判断结束。
[0027]
步骤6：如果故障状态是独立的，则转向步骤7，通过opf算法对故障状态的切负荷进行计算，之后转向步骤8。
[0028]
步骤7：采用plc影响增量快速公式计算δi
lcf,s
。
[0029]
plc影响增量快速计算公式可以表示如下形式：
[0030]
表1plc影响增量快速计算公式
[0031][0032]
步骤8：更新eens和plc可靠性指标。
[0033]
步骤9：判断所有k阶故障状态是否全部被分析，若是，则转向步骤10，否则选择下一个k阶故障状态，并转向步骤4。
[0034]
步骤10：判断k是否等于n
ctg
，若是则转向步骤11，否则k＝k 1，并转向步骤3。
[0035]
步骤11：判断clu是否等于card(c
clu
)，若是则转向步骤12，否则clu＝clu 1，转向步骤 2。
[0036]
步骤12：输出eens和plc。
附图说明
[0037]
图1是本发明基于独立故障状态判据的交直流混合配电网的可靠性评估方法的流程图；
[0038]
图2是独立故障状态判据各步骤判断结果；
[0039]
图3是交直流混合配电网算例结构图；
[0040]
图4是可靠性指标计算结果。
具体实施方式
[0041]
下面结合实施例和附图对本发明的基于独立故障状态判据的交直流混合配电网的可靠性评估方法做出详细说明。
[0042]
如图1所示，基于独立故障状态判据的交直流配电网可靠性评估方法，包括如下步骤：
[0043]
步骤1：输入系统参数，设置最大评估阶数n
ctg
，生成源荷场景集c
clu
，初始化源荷场景序号clu＝1。
[0044]
步骤2：初始化故障集阶数k＝1。
[0045]
步骤3：生成k阶故障集ω
ak
。
[0046]
步骤4：若k≥2，则转向第5步。否则通过opf算法对故障状态的切负荷进行计算，则转向第8步。
[0047]
步骤5：识别故障状态隔离范围，并采用高阶故障独立性判据判断独立性。
[0048]
故障状态隔离范围的计算可表示为以下步骤：
[0049]
步骤5-1-1：形成失电节点的集合vs。将负荷点与母线等效为节点，换流器与线路
等效为边，形成系统对应的图，基于此图形成邻接矩阵as。由邻接矩阵as计算得到节点可达矩阵 ps。计算公式如下：
[0050][0051]
式中，n为图的节点数。
[0052]
依据ps，将失去与所有上级电源节点的通路的节点的集合记为vs。vs中的元素称为失电节点，对应故障隔离范围gs中的失电的母线或负荷点。
[0053]
步骤5-1-2：形成失电的边的集合es。若邻接矩阵as中元素a
ij
的行号和列号对应节点均属于vs，则a
ij
的值保持不变，否则置0；再将故障元件对应的a
ij
的值置1，得到的失电的边的矩阵c。将c中值为1的元素对应的边的集合记为es。es中的元素称为失电的边，对应故障隔离范围gs中的失电的线路或换流器。
[0054]
步骤5-1-3：形成故障隔离范围gs。将c中存在一端未失电节点的边对应元素的值置0，再依据c计算出可达矩阵pc。依据pc，vs中相互可达的节点连同节点之间的边纳入同一个子集，这些子集对应的元件的子集记为故障隔离范围
[0055]
故障状态独立性判断方法可表示为以下步骤：
[0056]
步骤5-2-1：拓扑判断。如图2所示，对于待分析的高阶故障状态(ω1)，经过故障状态隔离范围识别后，若n≥2，则称其为可分离故障状态(ω2)，转向步骤3-2；若n＝1，则故障状态为不独立故障状态(ω
1-ω2)，判断结束。
[0057]
步骤5-2-2：潮流判断。判断故障状态是否包含干线故障元件，若否，则故障状态为独立故障状态(ω4)，判断结束；若是，则转向步骤5-2-3。
[0058]
步骤5-2-3：判断干线故障是否满足以下条件
[0059][0060]
式中，m为含干线故障元件的集合数。
[0061]
若满足，则故障状态为独立故障状态(ω4)，否则为不独立故障状态(ω
2-ω4)，判断结束。
[0062]
步骤6：如果故障状态是独立的，则转向步骤7，通过opf算法对故障状态的切负荷进行计算，之后转向步骤8。
[0063]
步骤7：采用plc影响增量快速公式计算δi
lcf,s
。
[0064]
plc影响增量快速计算公式可以表示如下形式：
[0065]
表1plc影响增量快速计算公式
[0066][0067][0068]
步骤8：更新eens和plc可靠性指标。
[0069]
步骤9：判断所有k阶故障状态是否全部被分析，若是，则转向步骤10，否则选择下一个k阶故障状态，并转向步骤4。
[0070]
步骤10：判断k是否等于n
ctg
，若是则转向步骤11，否则k＝k 1，并转向步骤3。
[0071]
步骤11：判断clu是否等于card(c
clu
)，若是则转向步骤12，否则clu＝clu 1，转向步骤 2。
[0072]
步骤12：输出eens和plc。
[0073]
下面给出具体实施例：
[0074]
对于本实施例，首先输入交直流配电系统中线路阻抗、长度，负荷点功率，换流器容量，网络拓扑连接关系等，系统结构如图3所示。
[0075]
分别使用故障集分类法(fault state classification,fsc)、常规状态枚举法(state enumeration, se)以及所提基于独立故障判据的交直流混合配电网可靠性评估方法(independent contingencystate criteria,icsc)对上述算例进行可靠性评估，以测试和分析所提方法的准确性和计算效率。表1与图4给出了采用fsc、se和icsc计算图3所示系统可靠性指标的结果、误差与计算时间。
[0076]
由eens的计算结果可以看出，n
ctg
越大，两种方法的计算准确度越高，计算用时越长。当n
ctg
＝1时，本方法对计算结果准确度的提升效果最为明显，但在计算速度上并无提升效果，这是因为n
ctg
＝1时不存在独立的故障状态。随着n
ctg
的提升，本方法对计算速度的提升效果愈发明显，n
ctg
＝2时与n
ctg
＝3时se的计算结果误差相同，但本方法计算时间仅约为se计算时间的1％。
[0077]
由plc的计算结果可以看出，总体而言，在各阶故障下，本方法的计算结果准确度明显优于se法的计算结果准确度。在n
ctg
＝1时，计算结果的准确度最高；当n
ctg
＝2时，plc计算结果略有降低，这是因为所有二阶故障的δi
lcf,s
≤0；而当n
ctg
＝3时，因存在部分δi
lcf,s
》0，故结果较n
ctg
＝2的结果略有增高。
[0078]
表2不同方法可靠性指标计算结果、误差及计算时间
[0079]