本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)領域，尤其涉及一種考慮蒙特卡羅狀態(tài)抽樣截尾的電力系統(tǒng)可靠性分析方法。

背景技術(shù)：

電力系統(tǒng)可靠性是對電力系統(tǒng)按可接受的質(zhì)量標準和所需數(shù)量不間斷地向電力用戶供應電力和電能量能力的度量。利用系統(tǒng)拓撲信息和元件可靠性參數(shù)等數(shù)據(jù)，采用解析法(如狀態(tài)空間法等)或蒙特卡羅模擬法評估所研究系統(tǒng)的各項可靠性指標。

在上述可靠性分析方法中，解析法在處理系統(tǒng)規(guī)模小、對復雜運行條件要求不高時較為有效，在處理復雜系統(tǒng)時，計算量隨著元件數(shù)呈指數(shù)增加；蒙特卡羅法的最大優(yōu)點是收斂速度與問題的維數(shù)無關(guān)，更適合于評估大規(guī)模高維系統(tǒng)、和/或運行條件復雜的電力系統(tǒng)可靠性問題。

狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法常用于電力系統(tǒng)可靠性分析，它是一種時序(序貫)蒙特卡羅模擬法。該方法是基于對元件狀態(tài)持續(xù)時間的概率分布進行抽樣，按照時序在一個時間跨度上進行模擬(根據(jù)研究問題的需要，模擬時間可達上百萬小時)，在每一個抽樣狀態(tài)進行系統(tǒng)分析并計算可靠性指標。

根據(jù)狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法原理可知，抽樣達到給定的時間后自行終止，屬于定時截尾抽樣數(shù)據(jù)。該抽樣方式的不足之處在于：并未考慮到每個狀態(tài)在進行系統(tǒng)狀態(tài)分析時的不同，默認對每個狀態(tài)進行潮流計算或切負荷計算(屬于校正控制范疇)，進而計算得到可靠性指標。事實上，如果抽樣得到的狀態(tài)是解列成孤島或者大部分發(fā)電機組(甚至是全部發(fā)電機組)停運，有時抽樣得到的系統(tǒng)停運持續(xù)時間較長，此時的系統(tǒng)狀態(tài)分析單單靠潮流計算或切負荷計算是不夠的，必須考慮系統(tǒng)全停或孤島并網(wǎng)所必須涉及的控制過程——恢復控制計算內(nèi)容。本專利申請內(nèi)容是對現(xiàn)有抽樣及可靠性分析方法的突破完善，這也是本發(fā)明專利的設計初衷，區(qū)別于現(xiàn)有電力系統(tǒng)可靠性評估方法的不同之處。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了準確地掌握電力系統(tǒng)運行狀態(tài)的可靠性水平，探究在電力系統(tǒng)可靠性評估中更符合系統(tǒng)運行實際需求的分析方法，本發(fā)明提出了一種考慮蒙特卡羅狀態(tài)抽樣截尾的電力系統(tǒng)可靠性分析方法，包括：

步驟1、輸入用于潮流計算和可靠性計算所需的電力系統(tǒng)元件數(shù)據(jù)，設置抽樣狀態(tài)動態(tài)存儲單元和最終抽樣狀態(tài)動態(tài)存儲單元以及總有效狀態(tài)計數(shù)器，并初始化；

步驟2、確定系統(tǒng)中每個元件的初始狀態(tài)，設定所有元件在初始時刻都處于運行狀態(tài)；

步驟3、采用狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法進行蒙特卡羅模擬，根據(jù)各元件的故障率和修復率對每個元件進行狀態(tài)持續(xù)時間抽樣，計算滿足指數(shù)分布的無故障工作持續(xù)時間和故障修復持續(xù)時間，設初步系統(tǒng)時序狀態(tài)數(shù)為n；

步驟4、取第s狀態(tài)，若s>n則轉(zhuǎn)步驟8，否則對第s狀態(tài)進行網(wǎng)絡拓撲分析，判斷狀態(tài)s是否會出現(xiàn)網(wǎng)絡解列成孤島或系統(tǒng)全停；如果是則轉(zhuǎn)步驟5，如果否，則轉(zhuǎn)步驟7；

步驟5，對該輪抽樣得到的系統(tǒng)時序狀態(tài)序列截尾，記錄此輪抽樣得到的有效狀態(tài)數(shù)為s，將此輪狀態(tài)抽樣結(jié)果按順序追加進最終狀態(tài)動態(tài)存儲單元，將s加入到總有效狀態(tài)計數(shù)器，同時清空抽樣狀態(tài)動態(tài)存儲單元；

步驟6、在最終抽樣狀態(tài)動態(tài)存儲單元中追加插入一個恢復控制狀態(tài)，同時總有效狀態(tài)計數(shù)器+1；轉(zhuǎn)步驟3，重新進行下一輪抽樣；

步驟7、對抽樣得到的每個系統(tǒng)狀態(tài)進行故障分析，以判斷是否會出現(xiàn)網(wǎng)絡解列成孤島或系統(tǒng)全停問題，如果有則轉(zhuǎn)步驟8，否則轉(zhuǎn)步驟9；

步驟8、建立恢復控制模型，將系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)：以負荷恢復最快為目標進行求解；

步驟9、判斷此網(wǎng)絡狀態(tài)是否存在切負荷問題，如有則建立校正控制模型：以切負荷量最小為目標函數(shù)進行求解；

步驟10、解算節(jié)點切負荷量和系統(tǒng)總切負荷量，各系統(tǒng)狀態(tài)的次數(shù)、持續(xù)時間，計算得到可靠性指標。

所述電力系統(tǒng)元件數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡參數(shù)及拓撲結(jié)構(gòu)信息、發(fā)電機輸出功率、時序負荷功率數(shù)據(jù)、元件故障率及修復率、可靠性模擬總時間。

所述無故障工作持續(xù)時間和故障修復持續(xù)時間的計算方法為：

其中，u1、u2∈[0,1]，分別為蒙特卡羅抽樣時得到的均勻分布隨機數(shù)。

所述步驟8考慮機組功率限值約束、爬坡速率約束、母線電壓限值約束，采用粒子群算法進行求解。

所述步驟9考慮發(fā)電機輸出功率限值約束、線路潮流限值約束、節(jié)點電壓限指約束的優(yōu)化規(guī)劃模型，并采用粒子群算法進行求解。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明的可靠性分析方法考慮了整個電力系統(tǒng)全停或存在網(wǎng)絡解列后孤島的恢復控制過程，恢復控制策略考慮到解列區(qū)域的停電時間長短，可靠性指標統(tǒng)計考慮了不同系統(tǒng)狀態(tài)對指標的貢獻，更接近于現(xiàn)實系統(tǒng)發(fā)生場景；模擬方法采用狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法進行蒙特卡羅模擬，并設置了用于保存抽樣狀態(tài)動態(tài)存儲單元和用于保存最終抽樣狀態(tài)動態(tài)存儲單元；抽樣狀態(tài)根據(jù)是否會出現(xiàn)網(wǎng)絡解列成孤島或系統(tǒng)全停而決定該抽樣序列是否截尾；抽樣狀態(tài)由于截尾而插入一個恢復控制狀態(tài)；狀態(tài)分析中考慮到恢復控制模型的建立和求解；該方法能更合理地考慮不同抽樣狀態(tài)尤其是系統(tǒng)全?；蚓W(wǎng)絡解列狀態(tài)及其恢復控制對可靠性的影響，使得可靠性分析結(jié)果能夠綜合計及不同系統(tǒng)狀態(tài)校正控制或恢復控制方案過程及效率，可靠性分析結(jié)論更為合理、有效。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的可靠性評估算法流程圖。

圖2為初始系統(tǒng)狀態(tài)抽樣結(jié)果示意圖。

圖3為考慮截尾后的系統(tǒng)狀態(tài)抽樣結(jié)果示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖，對實施例作詳細說明。

一種考慮蒙特卡羅狀態(tài)抽樣截尾的電力系統(tǒng)可靠性分析方法，如圖1所示：

步驟1、輸入系統(tǒng)元件數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)絡參數(shù)及拓撲結(jié)構(gòu)信息、發(fā)電機輸出功率、時序負荷功率數(shù)據(jù)等潮流計算所需數(shù)據(jù)；元件可靠性數(shù)據(jù)包括元件故障率λ及修復率μ、可靠性模擬總時間t等；設置用于保存抽樣狀態(tài)信息的動態(tài)存儲單元statea()并初始化，設置用于保存最終抽樣狀態(tài)信息的動態(tài)存儲單元stateb()并初始化，設置總有效狀態(tài)計數(shù)器ns_all并置初值為零；

步驟2、確定系統(tǒng)中每個元件的初始狀態(tài)，一般設定所有元件在初始時刻都處于運行狀態(tài)；

步驟3、采用狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法進行蒙特卡羅模擬，對于可修復的兩狀態(tài)元件(發(fā)電機、輸電線路等)，根據(jù)各元件的故障率λ和修復率μ，根據(jù)公式(1)、(2)對每個元件進行狀態(tài)持續(xù)時間抽樣，計算滿足指數(shù)分布的無故障工作持續(xù)時間τ1和故障修復持續(xù)時間τ2，設初步系統(tǒng)時序狀態(tài)數(shù)為n，按順序追加存入初始狀態(tài)動態(tài)存儲單元statea(1)～statea(n)；

其中，u1、u2∈[0,1]，分別為蒙特卡羅抽樣時得到的均勻分布隨機數(shù)。

步驟4、取第s狀態(tài)，若s>n則轉(zhuǎn)步驟8，否則對第s狀態(tài)進行網(wǎng)絡拓撲分析；判斷狀態(tài)s是否會出現(xiàn)網(wǎng)絡解列成孤島或系統(tǒng)全停；如果是則轉(zhuǎn)步驟6，如果否則轉(zhuǎn)步驟7；

步驟5，對該輪抽樣得到的系統(tǒng)時序狀態(tài)序列截尾，記錄此輪抽樣得到的有效狀態(tài)數(shù)為s，將此輪狀態(tài)抽樣結(jié)果按順序追加進最終狀態(tài)動態(tài)存儲單元stateb(ns_all)～stateb(ns_all+s)，將s加入到總有效狀態(tài)計數(shù)器即實現(xiàn)ns_all＝ns_all+s；同時清空statea()；

步驟6、在stateb(ns_all)中追加插入一個恢復控制狀態(tài)，同時計數(shù)器ns_all＝ns_all+1；轉(zhuǎn)步驟3，重新進行下一輪抽樣；

步驟7、對抽樣得到的每個系統(tǒng)狀態(tài)進行故障分析，以判斷是否會出現(xiàn)網(wǎng)絡解列成孤島或系統(tǒng)全停問題，如果有則轉(zhuǎn)步驟8，否則轉(zhuǎn)步驟9；

步驟8、建立恢復控制模型，將系統(tǒng)恢復到初始狀態(tài)：以負荷恢復最快為目標，考慮到機組功率限值約束、爬坡速率約束、母線電壓限值約束等，采用粒子群算法進行求解；

步驟9、判斷此網(wǎng)絡狀態(tài)是否存在切負荷問題，如有則需要建立校正控制模型：以切負荷量最小為目標函數(shù)，考慮發(fā)電機輸出功率限值約束、線路潮流限值約束、節(jié)點電壓限指約束等的優(yōu)化規(guī)劃模型，并采用粒子群算法進行求解；

步驟10、解算節(jié)點切負荷量和系統(tǒng)總切負荷量，各系統(tǒng)狀態(tài)的次數(shù)、持續(xù)時間，計算得到可靠性指標。

具體實施例如下：

一、考慮截尾的蒙特卡羅狀態(tài)抽樣

本專利提出的考慮抽樣狀態(tài)截尾的狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法，以圖2和圖3所示三元件系統(tǒng)為例進行說明。系統(tǒng)由a、b、c三元件構(gòu)成，其內(nèi)部連接關(guān)系可以是串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)結(jié)構(gòu)。在抽樣開始時刻，一般設定所有元件在初始時刻都處于運行狀態(tài)。按照如下步驟進行說明：

1、輸入系統(tǒng)三個元件數(shù)據(jù)，包括網(wǎng)絡參數(shù)及拓撲結(jié)構(gòu)信息、發(fā)電機輸出功率、時序負荷功率數(shù)據(jù)等潮流計算所需數(shù)據(jù)；元件可靠性數(shù)據(jù)包括元件故障率λ及修復率μ、可靠性模擬總時間t等；設置用于保存抽樣狀態(tài)信息的動態(tài)存儲單元statea()并初始化，設置用于保存最終抽樣狀態(tài)信息的動態(tài)存儲單元stateb()并初始化，設置總有效狀態(tài)計數(shù)器ns_all并置初值為零；

2、確定系統(tǒng)中每個元件的初始狀態(tài)，一般設定所有元件在初始時刻都處于運行狀態(tài)；

3、采用狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法進行蒙特卡羅模擬，對于每個元件，根據(jù)各元件的故障率λ和修復率μ，根據(jù)公式式中，u1、u2∈[0,1]，分別為蒙特卡羅抽樣時得到的均勻分布隨機數(shù)，對每個元件進行狀態(tài)持續(xù)時間抽樣，計算滿足指數(shù)分布的無故障工作持續(xù)時間τ1和故障修復持續(xù)時間τ2，此處初步系統(tǒng)時序狀態(tài)數(shù)為n＝11，按順序追加存入初始狀態(tài)動態(tài)存儲單元statea(1)～statea(11)；

4、取抽樣得到的每個狀態(tài)進行網(wǎng)絡拓撲分析，若11個狀態(tài)都分析完畢則轉(zhuǎn)入系統(tǒng)狀態(tài)計算環(huán)節(jié)；當?shù)?狀態(tài)即s＝3時，出現(xiàn)了系統(tǒng)全停，則對該輪抽樣得到的系統(tǒng)時序狀態(tài)序列截尾，記錄此輪抽樣得到的有效狀態(tài)數(shù)為s＝3，將此輪狀態(tài)抽樣結(jié)果按順序追加進最終狀態(tài)動態(tài)存儲單元stateb(1)～stateb(3)，將s＝3加入到總有效狀態(tài)計數(shù)器即實現(xiàn)ns_all＝ns_all+3；同時清空statea(4)以后的狀態(tài)信息；

5、在stateb()中追加插入一個恢復控制狀態(tài)stateb(4)，同時計數(shù)器ns_all＝ns_all+1；

6、重新進行下一輪抽樣。

二、每個抽樣狀態(tài)進行分析計算

1、潮流計算

采用交流潮流法進行每個抽樣狀態(tài)的系統(tǒng)分析。為了減少計算量，可采用快速開斷潮流計算策略。

2、切負荷計算

當元件停運使得系統(tǒng)不滿足運行約束時，通過發(fā)電重新調(diào)度來消除系統(tǒng)的越限，并盡量避免切負荷。當切負荷不可避免時，應使得切負荷量最小。此時可建立如下最優(yōu)切負荷模型。

目標函數(shù)：

約束條件：

pgimin≤pgi≤pgimaxi∈ng

qgimin≤qgi≤qgimaxi∈ng

0≤pci≤pdii∈nb

0≤qci≤qdii∈nb

sij≤sijmax(s^k)i,j∈nb

其中，pci和qci分別為節(jié)點i的有功及無功負荷削減量，通常取有功負荷和無功負荷等比例削減，即pci/qci＝pdi/qdi；wi為權(quán)重系數(shù)，反映每個節(jié)點的重要性程度；pgi和qgi分別為發(fā)電機節(jié)點i的有功及無功出力；pgimax、pgimin、qgimax和qgimin分別為發(fā)電機節(jié)點i的有功及無功出力上下限；pdi和qdi分別為負荷節(jié)點i的有功及無功負荷；s^k表示第k個抽樣得到的系統(tǒng)狀態(tài)；sij為系統(tǒng)狀態(tài)下的線路視在功率，sijmax為s^k狀態(tài)下的線路ij輸送功率極限；nb為節(jié)點數(shù)，nd為負荷數(shù)，ng為發(fā)電機數(shù)。

3、恢復控制計算

恢復控制過程一般分為三個階段：黑啟動階段、網(wǎng)架重構(gòu)階段、負荷恢復階段。恢復對負荷的供電貫穿于整個過程。

(1)、黑啟動階段

黑啟動階段是由黑啟動電源向鄰近的、具有臨界啟動時間限制的火電廠提供啟動功率，使其恢復發(fā)電能力重新并網(wǎng)的過程。黑啟動電源一般選取電網(wǎng)內(nèi)具有自啟動能力的機組，如常規(guī)水電機組、抽水蓄能機組、燃氣輪機、外部系統(tǒng)的功率支援、解列后的孤立子系統(tǒng)等。本階段恢復過程包括：黑啟動電源啟動、充電相關(guān)恢復路徑(包括變壓器、線路等)、啟動發(fā)電廠大型輔機、被啟動機組并網(wǎng)、投入一定量的負荷以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運行等。黑啟動階段一般要經(jīng)歷0.5～1h。

(2)、網(wǎng)架重構(gòu)階段

網(wǎng)架重構(gòu)階段的目標是恢復主力機組和主干網(wǎng)架，主要涉及網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、發(fā)電機啟動順序和恢復路徑優(yōu)化等。整個過程一般要持續(xù)3～4h?？山⑷缦碌囊载摵苫謴蜑槟繕说木W(wǎng)架恢復模型，采用粒子群優(yōu)化算法求解。

以重要負荷先投入、次要負荷按需投入的目標函數(shù)：

約束：

pgimin≤pgi≤pgimaxi∈ng

qgimin≤qgi≤qgimaxi∈ng

vimin≤vi≤vimaxi∈nb

pli-tlixi≤0i∈nl

式中，l1和l2為重要負荷和一般負荷；xi和xj＝0或1，表示負荷是否投入；α和β分別為權(quán)重系數(shù)，以表示重要程度不同；k和l分別是負荷的個數(shù)；pli和tli分別表示線路的有功功率和功率極限值，xi＝0或1，表示該線路是否被重構(gòu)過程選中。

(3)、負荷恢復階段

負荷恢復階段的目標是盡可能快、盡可能多地恢復負荷。此時要考慮系統(tǒng)實際的運行狀態(tài)，校驗頻率、電壓等約束，確定每次恢復操作的最優(yōu)負荷恢復量；然后，根據(jù)節(jié)點負荷地點、大小及其重要性程度等因素，確定負荷投入順序和整體恢復策略。此過程一般要持續(xù)幾個小時?？山⒇摵苫謴蛢?yōu)化模型，采用粒子群優(yōu)化算法求解。

仍以重要負荷先投入、次要負荷按需投入的目標函數(shù)：

約束：

fmin≤f(xili)

pmin≤∑(xili)

vset≤vtr

vimin≤vi≤vimax

0≤sij≤sijmax

式中，f(xili)表示恢復負荷點時系統(tǒng)頻率最低值；pmin表示當前并網(wǎng)機組的最小穩(wěn)定出力；vtr表示暫態(tài)電壓；最后2個約束表示穩(wěn)態(tài)時節(jié)點電壓約束和線路功率約束。

三、計算可靠性指標

可靠性指標計算采用經(jīng)典的可靠性指標，包括：

(1)期望缺供電量指標eens(mwh/a)

其中，ci為系統(tǒng)狀態(tài)i的切負荷量，mw；ti為系統(tǒng)狀態(tài)i的持續(xù)時間，t為模擬分析的總時間，s為所有切負荷狀態(tài)的集合。

(2)切負荷概率指標plc

(3)切負荷次數(shù)指標eflc(次/a)

其中，ni為切負荷的系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)。

(4)平均每次切負荷持續(xù)時間adlc(h/次)

根據(jù)前面的論述可以看出，本發(fā)明提出的考慮蒙特卡羅狀態(tài)抽樣截尾的電力系統(tǒng)可靠性分析方法是獨創(chuàng)的。它能更合理地考慮不同抽樣狀態(tài)尤其是系統(tǒng)全停或網(wǎng)絡解列狀態(tài)及其恢復控制對可靠性的影響，使可靠性分析計算結(jié)果更合理，是一個有效可行、符合實際的方法。

上述實施例僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權(quán)利要求的保護范圍為準。