99网
您的当前位置:首页基于蒙特卡洛法的配电网供电可靠性算法研究

基于蒙特卡洛法的配电网供电可靠性算法研究

来源:99网
研究与开发 基于蒙特卡洛法的配电网供电可靠性算法研究 张慧 李俊华董孝平 (郑州供电公司,郑州450006) 摘要 本文介绍了配电系统可靠性分析的基本方法,采用蒙特卡罗模拟法(MCS)分析简单 的辐射型单端供电网络的可靠性及其相关指标,并与故障模拟后果分析法进行比较分析。并通过 改变各元件参数、增加备用电源,分析影响负荷点指标和系统指标的因素,找出影响蒙特卡罗模 拟法计算精度和可靠性的因素。 关键词:配电网;蒙特卡罗模拟法;可靠性算法;指标分析 Arithmetic Analysis of Supply Reliability Based on Monte Carlo Simulation ZhangHui LiJunhua DongXiaoping (Zhengzhou Power Supply Comapny,Zhengzhou 450006) Abstraet The PaDer presents the basic analysis methods of the power distribution system reliability and analyzes the reliability and related indices with Monte Carlo Simulation(MCS)in a simple radiation distribution.The results are compared to the analysis of fault effect.The factors which can affect reliability are discussed by changing the parameters of components and increasing stand_by power supply and the key points to MCS methods calculation accuracy and reliability are identified. Key words,power distribution;Monte Carlo Simulation;reliability:indices analysis 1 概述 1.2配电系统可靠性研究现状 我国过去电力供应普遍不足的的情况下,发电 1.1 配电系统可靠性的基本概念 系统的可靠性受到人们的广泛关注,人们着重强调 配电系统可靠性是通过定量的可靠性指标来度 确保供电的充裕度而尽量满足发电系统的要求。配 量的,一般可以由故障对电力用户造成的不良影响 电系统由于事故停电的影响往往局限于区域而没有 的概率、频率、持续时间、故障引起的期望电力损 受到广泛的关注与重视。如今,随着社会的发展, 失及期望电能量损失等指标描述,配电系统有专门 人们对电能质量和供电可靠性的要求越来越高。 的一套可靠性指标。 目前工程上普遍应用的配电网可靠性评估方法 配电系统可靠性指标是供电企业的一项重要技 有模拟法和解析法两大类。 术经济指标[1】,体现了电力生产技术水平、装备水 平和企业管理水平,也反映了城市总体经济的发展 2配电系统可靠性分析方法 水平,随着对产品精度、质量及生产安全要求的提 2.1解析法 高,供电可靠性的重要性越来越受到人们的关注。 解析法目前广泛用于配电网的可靠性评估,它 配电系统可靠性分析的主要目的: 利用故障枚举进行故障状态的选择,利用数学解析 1)研究配电系统中元件和系统的可靠性计算模 的方法计算可靠性指标。其基本原理是,根据系统 型,获得元件的可靠性参数,在此基础上对系统可 的结构和元件的功能建立系统的可靠性概率模型, 靠性水平进行定量分析。 然后用迭代等数学方法精确求解该模型,从而计算 2)找出配电系统中可靠性薄弱的环节,寻求提 出可靠性指标。解析法的原理简单,模型准确,特 高系统可靠性的途径。 。 别适合针对不同的元件性能来评价其对系统可靠性 3)进行可靠性的成本效益分析。 的影响。具有代表性的是故障模式后果分析法。 201 1年第12期囊 麓傣I 5 研究与开发 故障模式后果分析法是用于配网可靠性评估的 传统方法l2】。该方法通过对系统中各元件的状态进 行搜索,利用元件的可靠性指标(故障率、故障修 复时间等),选择合适的故障判别准则,找出系统 的故障模式集合,在此基础上计算系统的可靠性指 标。该方法主要用于对简单辐射型主馈线进行可靠 性评估,但对于元件数量庞大的复杂系统,其计算 量将随着元件数的增加成指数倍增加。 2.2蒙特卡罗模拟法 模拟法主要是指蒙特卡洛模拟法【3],它以配电 系统各元件可靠性的原始数据为前提,用计算机进 行抽样来模拟可能随机出现的运行状态,并通过概 率统计的方法计算出要求的可靠性指标。由于电力 系统在本质上是一个随机系统,因此通过概率模拟 方法对电力系统进行概率建模及统计评价,能从整 体和宏观上评价电力系统的性能。 2.3 蒙特卡罗模拟法与解析法的比较 蒙特卡洛法和解析法是可靠性评估的两种方法 。 其不同特点决定了它们不同的适用范围。解析法在 系统组合故障数目比较少时更加有效,解析法可以 充分发挥其物理概念清楚、模型准确的优点。一般 来说解析法适合于网络规模较小而网络结构较强的 系统。当网络的规模比较大,且电网结构比较薄弱 时,蒙特卡洛法更富有成效。应用蒙特卡洛法还可 以得到我们感兴趣的一些变量的概率分布,可以为 工程技术人员提供更多的信息,为他们的决策提供 更准确的依据。 我国的电网近年来发展很快,网络的容量不断 增加,网络的规模越来越大,但整个网络的运行水 平还不是很高,电网的结构还比较薄弱,蒙特卡洛 法更适合我国电网的实际情况。此外,蒙特卡洛法 更加灵活,更加适合模拟各种复杂的运行控制策略 和随机变化的负荷特性。它的主要不足在于计算时 间与计算精度密切相关,计算精度与计算时间的平 方成反比。 3 蒙特卡罗模拟法算法分析 配电网供电可靠性算法流程如图1所示。由于一 些不确定性因素的影响,系统实际运行时存在一定的 偏差,使结果不能符合统计要求,采用蒙特卡洛法进 行模拟可以有效地解决这一问题,能比较接近现实运 行时的故障及修复情况,而且比较直观,便于接受。 假定线路及元件的故障率、修复时间在某一区 问内服从均匀分布或者指数分布,表中的数据作为 I 6 I电|置l技榷 201 1年第12期 其期望值。生成(0,1)之间的均匀分布的随机数, 然后根据表中的每一个参数值转换为相应分布形式 及区间内的随机分布来模拟。对于每条主干线和分 支线,每次模拟时若随机数落在其设定的故障区间, 则计为故障一次,并模拟这一次的停电时间,通过 Ⅳ次模拟,得到各负荷点的故障率 、每次故障平均 停电时间r和年平均停电时问 。运用模拟得到的 ( ,r, )分别计算出各项系统可靠性指标。 广弄 图1 配电网供电可靠性评估算法流程 4算例分析 4.1算例网络模型 算例接线如图2所示,采用简单的放射状网络 向用户供电是配电系统最基本的典型形式【5】。系统 由配电变电所母线单电源供电,假定配电变电所母 线和供电主干线的断路器完全可靠,全部隔离开关 常闭,负荷点a、b、c由供电干线经装有熔断器的 分支线供电。当系统中某一部分发生故障时,可手 动操作隔离开关,断开故障部分,使系统恢复供电, 系统各元件只靠性指标及参数见文献[51。 图2辐射型配电系统 4.2故障模式后果分析法 采用故障模式后果分析法分析配电系统可靠性的 研究与开发 基本方法是建立故障模式后果分析表,即查清每个基本 故障事件及其后果,然后加以综合,进行故障分析。 表1是在单端供电情况下,图1所示的辐射型 供电网络的故障模式后果分析表。其中 单位是(次 元件 2kin段 O.2 /年), 单位是h,U单位是(h/年)。 4.3蒙特卡罗模拟算法 表2为解析法与模拟次数分别为500、1000、5000、 10000、50000时求出的系统各项可靠性指标的结果。 负荷点b U r 表1 故障模式及后果分析 负荷点a r 负荷点c r U 3.O 0.6 O-2 3.O 0.6 O.2 3.O O.6 供电干线 3kin段 1km段 3kin段 0.3 0.1 0.75 0.5 0.5 1.O O.15 O.05 0.75 0.3 0.1 3.0 O.5 0.9 O.05 0_3 0.1 3.0 3.0 0.9 0-3 分支线 2kin段 lkm段 0.5 1.35 1.15 1.55 1.O O.5 O.25 1.0 0.25 总计 1.1 1.86 2.05 0.85 2.41 2.05 表2 不同模拟次数下的系统可靠性指标 解析法 SAIFI SAIDI CAIDI ENS AENS 500次 1.2588 1.797l 1.4277 2667.5 6.6688 1000次 1.2637 1.7979 】.4227 2668.0 6.6700 5000次 1.22l6 1.6994 1.391】 2515.5 6.2888 10000次 1.2198 1.7374 1.4244 2575.2 6.4379 50000次 1.2226 1.7355 1.4195 2571.8 6.4295 1.23 1.74 1.42 2575.0 6.4375 当研究的系统太大、太复杂或者系统用数学模型 描述非常困难时,需要采用蒙特卡罗法。直接蒙特卡 罗法的设计思想和程序比较简单,且很少依赖关于系 统的知识,因而得到了广泛的应用。由表2可知,当 荷点和系统的各项可靠性指标,并分别改变干线故 障率、分支线故障率、干线修复时间、分支线修复 时间和隔离开关操作时间参数分析它们对可靠性指 标的影响,如表3所示,其中基本情况(Basic Case) 中各元件的已知参数和表1一致;Case2中只改变 供电干线故障率,分别改为0.08、0.06和0.04;Case3 中只改变分支线故障率,分别改为0.2、0.15和0.1; Case4中只改变供电干线修复时间,分别改为2.5、 2。0和1.5;Case5中只改变分支线修复时间,分别 改为0.8、0.6和0.4;Case6中只改变隔离开关操作 增加仿真次数时可以增加模拟的精确度,而且在模拟 次数相同的情况下,模拟结果变动的范围也较小。但 是只依靠增加模拟次数的方法会大大增加模拟的时 间,因而要提高模拟的精确度,而且保证模拟的效率, 可以通过减小方差来提高收敛速度的方法实现。 4.4 各参数对可靠。眭指标的影响分析 对图1所示算例采用蒙特卡罗模拟法计算其负 SAIFI Basic Case 1.2226 时间,分别改为0.4、0.3和0.2。 ASAI 0.999802 表3 各种情况下的系统可靠性指标 SAIDI 】.7355 CAIDI 1.4195 ENS 257】.8 AENS 6.4295 Case2.1 Case2.2 Case2.3 Case3.1 1.1049 0.9893 0.8676 1.0950 1.5187 1.2930 1.073l 1.6061 1.3745 1.3070 1.2369 1.4668 0.999826 0.999850 0.999877 0.999817 2261.O 1935.O l6l9.6 2371.3 5.6524 4.8376 4.049l 5.9283 Case3.2 Case3.3 Case4.1 Case4.2 Case4.3 0.9774 0.846I 1.2226 1.22317 1.2199 1.4851 1.3599 1.5724 1.4l51 1.2446 1.5195 1.6024 1.286l 1.1564 1.0203 0.999829 0.999843 0.999820 0.999837 0.999857 218O.8 1980.2 2340.9 2I19.5 1876.9 5.4520 4.9505 5.8522 5.2987 4.6923 Case5.1 Case5.2 Case5.3 Case6.1 1.2296 1.2273 1.2233 1.2298 1.6204 1.4927 1.3536 1.7185 1-3178 1.2162 1.1065 1.3974 0.9998l5 0.999829 0.999845 0.999804 2391.0 2193.1 1976.6 2543.4 5.9774 5.4828 4.9414 6.3584 Case6.2 Case6.3 1.2236 1.2224 1.6851 1.6475 1.3772 1.3477 0.999807 0.999809 2491.7 2431.4 6.2292 6.0785 2o11年第12 1 ̄1电毒誉l技柬l 7 研究与开发 根据表3分析,当供电干线或分支线的故障频 变小时,因为各元件的故障率不变,所以各负荷点 的故障率保持不变。但因修复时间变短,从故障状 态转到工作状态的时间变短,故障部分的隔离时问 变短,各负荷点的每次故障的平均停电时间必然会 率减小时,由于负荷点的故障率是各条干线和分支 线故障率的累加和,所以负荷点的故障率会相应的 减小,负荷点的年平均停电时间变小。干线故障率 减小时,负荷点每次故障的平均停电时问减小,在 各参数中故障率和平均修复时间之问有一定的关 联,平均修复时间的权重能够直接影响每一元件的 变小,其年停电时问也会变短。 4.5有备用电源、手动分段的配电系统可靠性 图3为有备用电源、手动分段的配电系统。它 年平均停电时间,从而影响负荷点的年平均停电时 间和每次故障平均停电时间。 1)SAIFI:由其定义式可知,故障率减小,用 是在单端供电辐射型配电系统的摹础上,为提高可 靠性而改进和发展起来的l6]。在图3巾,备用电源 AS通过正常断开的隔离开关QS3与土系统连接。 当主系统一旦出现故障时,可手动闭合QS3恢复供 电,设QS3倒闸操作时问为1h。 户总停电次数就会随之减小,因此SAIFI变小。 2)sAIDI:由其定义式可知,负荷点年停电时 间减小,用户停电持续时问总和就会随之减小,总 用户数不变,SAIDI必然要减小。 3)CAIDI:由其定义式可知,用户停电持续时 问和用户总的停电次数都减小,但减小的百分比不 同,干线故障率减小时,用户停电持续时问减小的 百分比大,CAIDI变小,分支线故障率减小时,用 户总的停电次数减小的百分比大,CAIDI变大。 4)ASAI:因为故障率减小,停电次数减少, 可靠供电的时间必然增长,所以供电可用率会增大, ASUI减小。 5)可靠供电的时问增长,供电量变大,系统总 的电量不足ENS就会减小,AENS也会相应的减小。 图3有备用电源、手动分段配电系统 当供电干线2km段故障时,负荷点b和C均可 以由备用电源供电,停电时问为lh,供电干线3km 段故障时,负荷点c可以由备用电源供电,停电时 问为1h,模拟结果如表4所示。 当干线、分支线的修复时问或隔离开关的操作时间 表4 有备用电源、手动分段配电系统可靠性评估 i SAIFI 有备用电源I 1.2226 SAIDI 1.5104 CAIDI I ASAI l ENS 1.2353 J o.999827 J 231 1.7 AENS 5.7792 无备用电源I 1.2226 1.7355 1.4195 f 0.999802 『 2571.8 6.4295 由以上计算,对有备用电源、手动分段的辐射 型配电系统与单端供电配电系统加以比较可以得到 如下结论: 1)有备用电源的辐射型配电系统,无论备用电 源投入为手动或自动投入,其负荷点的故障率与单 端供电的配电网一样,未发生任何变化。但负荷点 每次故障平均停电持续时间及年平均停电时问将会 缩短,其缩短的时间取决于备用电源倒闸操作时问。 用户的供电质量效果明显,其效果大小与备用电源 的负荷能力有关。在不变换网络接线的情况下,备 用电源的负载能力是有一定限度的,其载荷能力可 以用负荷转移率来描述。所谓负荷转移率是指主配 电网发生故障后,将负荷转移到备用电源的可能性 大小。负荷转移率越高,则备用电源带的用户数越 多,用户的供电可靠性就越高。 5 结论 本文应用蒙特卡罗模拟法分析了一个简 辐射 2)有备用电源的辐射型配电系统,当其备用电 源采用自动投入时,负荷点的总故障率,不必区分 型单端供电网络的可靠性指标,根据己统计的数据 计算出比较精确的结果,并与故障模拟后果分析法 进行比较分析,同时通过改变各元件参数、增加备 用电源分析对可靠性指标的影响,找出影响蒙特卡 罗模拟法计算精度和可靠性的冈素。 (卜转第19页) 故障事件,均可简化为一个数值。这时,由于自动 分段和恢复供电、自动备用电源投入的操作成功率 很高,负荷点的总共故障率主要取决于分支线的故 障率,用户停电时问将会大大缩短。 3)配电系统接入备用电源后,对改善干线末端 8 I电 技贰 2011年第12期 研究与开发 实验参数:电网电压190V(经变压器降压), ≥ 《婚豫 嚣一 ≈露 *一 ^{  ̄。 负载为三相不控整流桥,负载电阻8Q,直流电压设 为480V;开关频率先后取1.5kHz和7.5kHz进行比 较。以下为三电平APF实验波形。在图6中,iI }= 公 { : ¨ ~…“ a蚍|吣《 _/ } ’… l 5l” (瓠 为负载电流波形;f二为基于DSP的全数字谐波检测 方法得到的指令电流; 是负载电流和指令电流在 示波器中的代数和,用来模拟实际的补偿效果。可 以看出,本文采用的i。、i 谐波提取算法实时性好, -- … - -图8开关频率7.5KkHz,采用简化算法的 电网电压和网侧电流波形 准确性高;高速DSP芯片F2812指令电流计算延时 极小,指令电流和负载电流之和基本为正弦波,说 明本文全数字谐波提取算法良好的实时性和硬、软 件系统良好的性能。 图7所示为APF输出的三电平线电压波形。 图8所示为开关频率为7.5kHz时的网侧a相电 4结论 本文提出了一种基于简化的SVPWM三电平算 法的APF进行了研究。通过F2812数字信号处理器, 对此算法进行了试验研究,由以上试验波形表面由 以上实验数据表明,采用此种算法的三电平APF能 很好的实现谐波治理和无功补偿。 参考文献 [1] Akira Nabae,Isao Takahashi,Hirofumi Akagi:A New 流波形,基本上为正弦波,补偿效果良好。 Neutral-Point-Clamped PWM Inverter[J].IEEE Transactions on IndustryApplications,1981,17(5):518—523. [2】 王兆安,杨君,刘进军.谐波抑制和无功功率补偿【M]. 北京:机械工业出版社,2005.10. [3】 李永东,高跃.多电平PWM控制技术发展[J]_变频器 世界。2006(3):6—13. 一 ------~ [4】桂红云,姚文熙,吕征宇.基于控制因子三电平空间矢 量方法的研究[J].电力电子技术,2005,39(1):25—28. [5】 吴敏.基于空间电压矢量法的三电平逆变器控制策 略研究[D】.合肥:合肥工业大学,2006. [6】 叶宗斌.三电平控制策略的仿真研究【D].徐州:中国 矿业大学.2005.6:6-7. 图6负载电流、指令电流 (D/A输出)以及两者之和的波形 : L ¨ d B 作者简介 叶祥栋(1968.),男,电气工程师,主要从事变频器的研究。 叶生文(1983.),男,电气工程师,主要从事电机调速研究。 图7 APF输出线电压波形 (七接第8贝) 配电系统的可靠性密切关系到供电企业的经济 [4】 陈文高.电力系统可靠性应用基础[M].北京:中国电 力出版社,1997. 决策与用户的正常生产生活,找出配电网中比较薄 弱的环节,综合考虑系统各种可靠性指标与成本, 可以做出最优决策。 参考文献 [1】 李景禄.实用配电技术【M].北京:中国水利水电出版 社,2006. [5】程浩忠.电能质量[M].北京:清华大学出版社,2006. [6] 肖湘宁.电能质量分析与控制【M].北京:中国电力出 版社,2004. 作者简介 张 慧(1985.),硕士研究生,助理工程师,主要从事变电站变电 运行、可靠性管理工作。 李俊华(1970一),技师,主要从事变电站变电运行、可靠性管理工作。 董孝平(1962.),高级工程师,主要从事变电站变电运行和管理工作。  I【2】 邓立华,陈星莺.配电系统可靠性分析综述[J].电力自 动化设备,2004,24(4):74—77. 【3] 肖刚.系统可靠性分析中的蒙特卡罗法【M】.北京:科 学出版社,2003. 2011年第12期电薏薯l技肃1 1 9 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容