本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)分析領(lǐng)域，尤其涉及一種考慮季節(jié)條件變化的輸變電系統(tǒng)健康度評(píng)估方法。

背景技術(shù)：

90年代初期，由billinton等學(xué)者提出的well-being分析方法(wbam)，在ram的框架下嵌入了dsc，對(duì)系統(tǒng)無風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)一步采用確定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行區(qū)分，其分析結(jié)果能夠更加接近運(yùn)行管理人員對(duì)電網(wǎng)的認(rèn)識(shí)習(xí)慣，從而在一定程度上彌補(bǔ)了對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)水平的認(rèn)識(shí)和理解。目前，wbam在發(fā)輸電復(fù)合電力系統(tǒng)和考慮新能源滲透的綜合電力系統(tǒng)可靠性分析中都有相關(guān)報(bào)道。同時(shí)為解決仿真時(shí)間過長的問題，基于非序貫montecarlo提出一種one-stepforward方法用來計(jì)算頻率相關(guān)的可靠性指標(biāo)，極大的提高了計(jì)算速度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡化了well-being指標(biāo)的求取，提高了計(jì)算速度。

在以上的wbam對(duì)系統(tǒng)可靠性的仿真過程中，往往將元件的故障率取為常數(shù)，如年平均值.這種假設(shè)在元件的受運(yùn)行環(huán)境影響不大的情況下是可以接受的，但對(duì)于暴露在戶外的設(shè)備來說，如架空線，其故障率與地理環(huán)境，氣候條件密切相關(guān)，如暴風(fēng)雪、大風(fēng)、雷電、植被生長，鳥獸侵襲以及負(fù)荷增長等等。如忽略惡劣天氣條件的作用，將對(duì)系統(tǒng)可靠性的分析產(chǎn)生較大的偏差。

現(xiàn)階段對(duì)系統(tǒng)安全狀態(tài)的評(píng)價(jià)，主要以確定性的n-1安全準(zhǔn)則(dsc)為主，它具有方便部署實(shí)施，結(jié)果直觀、便于理解的優(yōu)點(diǎn)，但由于故障的篩選完全依賴運(yùn)行人員和專家經(jīng)驗(yàn)，沒有考慮系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備本身的隨機(jī)行為，因此不能充分有效地反應(yīng)系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)狀況。well-being分析方法(wbam)，在ram的框架下嵌入了風(fēng)險(xiǎn)分析理論，對(duì)系統(tǒng)無風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)進(jìn)一步采用確定性評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行區(qū)分，其分析結(jié)果能夠更加接近運(yùn)行管理人員對(duì)電網(wǎng)的認(rèn)識(shí)習(xí)慣，從而在一定程度上彌補(bǔ)了對(duì)輸電線系統(tǒng)的健康水平的認(rèn)識(shí)和理解。在傳統(tǒng)的wbam分析中，往往將輸變電系統(tǒng)的元件，如變壓器，架空線故障率取為常數(shù)，如年平均值。這種假設(shè)在元件的受運(yùn)行環(huán)境影響不大的情況下是可以接受的，但對(duì)于暴露在戶外的設(shè)備來說，如架空線，其故障率與地理環(huán)境，氣候條件密切相關(guān)，如暴風(fēng)雪、大風(fēng)、雷電、植被生長，鳥獸侵襲以及負(fù)荷增長等等，目前，尚缺乏考慮季節(jié)交替變化條件下的健康度評(píng)估方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)背景技術(shù)中的問題，本發(fā)明提供了一種考慮季節(jié)條件變化的輸變電系統(tǒng)健康度評(píng)估方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案：

一種考慮季節(jié)條件變化的輸變電系統(tǒng)健康度評(píng)估方法，所述方法包括如下步驟：

(s1)系統(tǒng)狀態(tài)劃分：wbam根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)滿足約束條件的不同，將系統(tǒng)狀態(tài)劃分為健康(h)、亞健康(m)、危險(xiǎn)(r)三種狀態(tài)；

(s2)線路故障率的季節(jié)性統(tǒng)計(jì)：從停電管理系統(tǒng)(oms)或類似系統(tǒng)中獲取電網(wǎng)故障相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，統(tǒng)計(jì)設(shè)備故障率信息；

(s3)考慮季節(jié)條件變化的輸變電系統(tǒng)健康度評(píng)估：考慮故障率隨季節(jié)變化的特性，推導(dǎo)輸變電元件周期強(qiáng)度非時(shí)齊泊松過程運(yùn)行狀態(tài)的仿真方法；所述仿真方法在序貫montecarlo總體計(jì)算步驟中加入季節(jié)性故障率非時(shí)齊仿真，仿真結(jié)果為well‐being理論框架下系統(tǒng)各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的概率。

進(jìn)一步地，在所述步驟(s2)中，所述設(shè)備故障率信息包括故障元件信息、故障時(shí)間信息和故障原因信息。

進(jìn)一步地，在所述步驟(s2)中，設(shè)歷史數(shù)據(jù)庫存有n年的線路故障信息，sij，i＝[1,...,m],j＝[1,…n]為第j年中i個(gè)待統(tǒng)計(jì)的時(shí)間跨度，單位是小時(shí)，nij、rij分別為第j年第i個(gè)時(shí)間跨度中同一類故障原因誘發(fā)的線路故障次數(shù)之和以及修復(fù)時(shí)間之和，單位是小時(shí)，則：

第i個(gè)時(shí)間跨度線路的故障率可以表達(dá)為：

對(duì)(1)等號(hào)兩邊同時(shí)乘以得到：

則λi與年均故障率λc的關(guān)系為：

進(jìn)一步地，在所述步驟(s2)中，若考慮時(shí)間跨度取為相等的四季，并忽略元件修復(fù)時(shí)間的影響時(shí)：

其中，《代表一種“換行符”；

則將(4)(5)帶入(3)可以得到各個(gè)季節(jié)的故障率與年均故障率的關(guān)系(6)：

進(jìn)一步地，所述步驟(s3)中又包括如下步驟：

(s3-1)初始化系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、機(jī)組特性、負(fù)荷曲線，元件的可靠性模型，季節(jié)性故障率、修復(fù)率；

(s3-2)仿真初始時(shí)間tsys＝0；

(s3-3)按照非時(shí)齊泊松過程的仿真方法對(duì)所有元件隨機(jī)產(chǎn)生狀態(tài)全景到達(dá)時(shí)間t，并取最小值min(t)作為下一系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)刻tsys＝tsys+min(t)；

(s3-4)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析；狀態(tài)分析包括潮流計(jì)算和矯正控制，如果存在切負(fù)荷，則進(jìn)入步驟(s3-6)；

(s3-5)對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)想故障集掃描和矯正控制，如果至少有一項(xiàng)預(yù)想故障不能滿足約束條件，則判定為m狀態(tài)；反之，則為h狀態(tài)；

(s3-6)判斷仿真時(shí)間是否達(dá)到1年，如果不滿足，返回至(s3-3)；

否則，判斷相關(guān)可靠性指標(biāo)是否滿足收斂條件或者達(dá)到預(yù)設(shè)仿真次數(shù)，如果條件滿足，則輸出健康度指標(biāo)；否則，返回至(s3-2)。

進(jìn)一步地，步驟(s3-3)中所述的推導(dǎo)輸變電元件周期強(qiáng)度非時(shí)齊泊松過程運(yùn)行狀態(tài)的仿真方法的過程為：

設(shè)η(t)為泊松過程強(qiáng)度函數(shù)，則線路[0,t]內(nèi)的平均故障次數(shù)可以表達(dá)為：

其中，t表示元件非時(shí)齊泊松過程的全景到達(dá)時(shí)間；

則[0,t]內(nèi)的故障次數(shù)，記為n(t)，服從poisson分布：

則[0,t]區(qū)間內(nèi)，元件故障概率為：

因此無故障運(yùn)行t的元件在[t,t+x],x＞0內(nèi)發(fā)生故障的條件概率為：

其中，x表示元件非時(shí)齊泊松過程的故障內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間；

則(t,t+x]區(qū)間元件故障次數(shù)的期望值可以表達(dá)為：

其中，λ(ε)代表設(shè)備在ε時(shí)刻的故障率；

若故障率滿足分時(shí)間跨度統(tǒng)計(jì)條件(1)，即以年為周期進(jìn)行變化時(shí)時(shí)，另t＝0帶入公式(10)則：

其中，ki(x)＝λi·x，各個(gè)輔助參量的計(jì)算方法為：gi＝λi·si，g0＝0，hij＝λi·sj，hi,0＝0，s0＝0，yj＝8760j，j＝0,...,n；

聯(lián)合公式(7)(10)(11)，可以得到以及

其中，輔助參量的計(jì)算方法為，τ＝t+x，

進(jìn)一步地，以t＝0為起始仿真時(shí)間產(chǎn)生周期強(qiáng)度非時(shí)齊故障時(shí)間序列的方法如下：

步驟一：隨機(jī)產(chǎn)生p個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)pi～u(0,1)，i＝1,...,p，通過(13)計(jì)算故障率為單位值(λ＝1)的hpp故障內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間hxj：

hxi＝-log(ui)(29)

步驟二：通過(14)計(jì)算hpp的故障全景到達(dá)時(shí)間：

步驟三：另t＝hti帶入(12)計(jì)算nhpp故障全景到達(dá)時(shí)間nti：

nti＝λ^-1(hti)(31)

步驟四：將(15)帶入(16)得到nhpp故障內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間nxi：

nxi＝nti-nti-1(32)

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，能夠根據(jù)季節(jié)交替變化，評(píng)估輸變電系統(tǒng)的運(yùn)行健康度，評(píng)估結(jié)果能更加真實(shí)地反映季節(jié)劇烈變化下，輸變電系統(tǒng)的健康度水平，從而提高規(guī)劃投資的效益。

附圖說明

圖1是確定性準(zhǔn)則下和well-being框架下的系統(tǒng)狀態(tài)劃分示意圖。

圖2是wbam框架圖。

圖3是季節(jié)性變化故障率示意圖。

圖4是兩狀態(tài)元件狀態(tài)轉(zhuǎn)移示意圖。

圖5年均和按照(6)的條件周期波動(dòng)兩種故障率下，第一次故障時(shí)間t1與-log(u),0＜u＜＝1之間的關(guān)系曲線差異示意圖。

圖6是考慮季節(jié)變化的系統(tǒng)可靠性仿真步驟圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案作詳細(xì)的闡述。這些具體實(shí)施方式僅供敘述而并非用來限定本發(fā)明的范圍或?qū)嵤┰瓌t，本發(fā)明的保護(hù)范圍仍以權(quán)利要求為準(zhǔn)，包括在此基礎(chǔ)上所作出的顯而易見的變化或變動(dòng)等。

系統(tǒng)狀態(tài)劃分：

wbam根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)約束條件的不同，將系統(tǒng)狀態(tài)劃分為健康(h)、亞健康(m)、危險(xiǎn)(r)三種狀態(tài)，與dsc對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的劃分之間的關(guān)系如圖1所示。因此系統(tǒng)的健康度可以用系統(tǒng)進(jìn)入三種狀態(tài)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行衡量。在圖1中，h狀態(tài)對(duì)應(yīng)dsc中正常狀態(tài)，代表系統(tǒng)運(yùn)行在當(dāng)前以及預(yù)想故障集下的各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)(母線電壓，支路、發(fā)電機(jī)功率，系統(tǒng)頻率)均在正常范圍，m狀態(tài)與原有dsc中的警戒狀態(tài)相似，即系統(tǒng)的當(dāng)前運(yùn)行指標(biāo)均正常，但預(yù)想故障集中至少存在一個(gè)故障會(huì)造成系統(tǒng)某個(gè)(些)指標(biāo)越限，但可以通過機(jī)組再調(diào)度或電壓矯正等方法重新恢復(fù)到h狀態(tài)。r狀態(tài)則對(duì)應(yīng)緊急、崩潰狀態(tài)，該狀態(tài)必須通過切負(fù)荷才能使系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)恢復(fù)到正常水平。

wbam分析方法：

wbam分析方法是對(duì)常規(guī)可靠性分析方法的一種擴(kuò)展，圖2給出了wbam與傳統(tǒng)的可靠性分析的關(guān)系。wbam對(duì)于篩選出的任何一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)，都要加入well-being三個(gè)狀態(tài)的指標(biāo)更新程序，具體方法為：如果是故障越限狀態(tài)，則直接判定為r；如果系統(tǒng)狀態(tài)是正?；蛘呓?jīng)過矯正可以恢復(fù)到正常的無風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，則需要通過預(yù)想故障集的掃描來判定該狀態(tài)屬于h還是m；可以看到，wbam最明顯的特征就是加入了對(duì)無風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的狀態(tài)可靠性分析，該分析借助確定性的預(yù)想故障集從一定程度上描述了無風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的安全裕度。故障集一般可以依據(jù)實(shí)際需要選取n-1準(zhǔn)則或系統(tǒng)單機(jī)最大容量。

線路故障率的季節(jié)性統(tǒng)計(jì)：

電網(wǎng)故障相關(guān)的統(tǒng)計(jì)信息，如故障元件，故障時(shí)間，故障原因等可以方便的從停電管理系統(tǒng)(oms)或類似系統(tǒng)中獲取?！巴ｋ姽芾硐到y(tǒng)”目前并不是規(guī)范統(tǒng)一的概念，有些運(yùn)行現(xiàn)場所收集故障信息，更多地依賴人工上傳，沒有單獨(dú)的系統(tǒng)。設(shè)歷史數(shù)據(jù)庫存有n年的線路故障信息，sij，i＝[1,...,m],j＝[1,...n]為第j年中i個(gè)待統(tǒng)計(jì)的時(shí)間跨度(小時(shí))，nij、rij分別為第j年第i個(gè)時(shí)間跨度中同一類故障原因誘發(fā)的線路故障次數(shù)之和以及修復(fù)時(shí)間之和(小時(shí))。為簡化起見，以下線路故障率的計(jì)算過程，沒有計(jì)入線路長度，在實(shí)際統(tǒng)計(jì)過程中，只需要對(duì)(1)～(6)中出現(xiàn)的故障率除以線路長度即可。

第i個(gè)時(shí)間跨度線路的故障率可以表達(dá)為：

對(duì)(1)等號(hào)兩邊同時(shí)乘以得到：

則λi與年均故障率λc的關(guān)系為

若考慮時(shí)間跨度取為相等的四季，并忽略元件修復(fù)時(shí)間的影響時(shí)：

rij＜＜sij,i＝1,...,4,j＝1,...,n(37)

其中，《代表一種“換行符”。

考慮季節(jié)條件變化的輸變電系統(tǒng)健康度評(píng)估：

架空輸電線符合兩狀態(tài)運(yùn)行條件，兩狀態(tài)運(yùn)行元件的狀態(tài)轉(zhuǎn)移包括運(yùn)行(b＝1)到故障(b＝0)或者從故障到恢復(fù)運(yùn)行。各狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)間的關(guān)系如圖3和圖4所示。其中，x為狀態(tài)內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間，t為狀態(tài)全景到達(dá)時(shí)間?？紤]到架空線受天氣影響具有周期性，若假設(shè)故障后采用最小修復(fù)，如果能夠進(jìn)一步證明元件的故障、修復(fù)過程為泊松過程，則線路的故障-修復(fù)過程是兩個(gè)相互獨(dú)立的周期強(qiáng)度非時(shí)齊泊松過程的疊加。

下面以故障過程為例，推導(dǎo)周期強(qiáng)度非時(shí)齊泊松過程的仿真方法。設(shè)η(t)為泊松過程強(qiáng)度函數(shù)，則線路[0,t]內(nèi)的平均故障次數(shù)可以表達(dá)為：

其中，t表示元件非時(shí)齊泊松過程的全景到達(dá)時(shí)間；

則[0,t]內(nèi)的故障次數(shù)，記為n(t)，服從poisson分布：

則[0,t]區(qū)間內(nèi)，元件故障概率為：

因此無故障運(yùn)行t的元件在[t,t+x],x＞0內(nèi)發(fā)生故障的條件概率為

其中，x表示元件非時(shí)齊泊松過程的故障內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間；

可見，元件非時(shí)齊泊松過程的故障內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間x與其全景到達(dá)時(shí)間t有關(guān)。

(t,t+x]區(qū)間元件故障次數(shù)的期望值可以表達(dá)為：

其中，λ(ε)代表設(shè)備在ε時(shí)刻的故障率；

若故障率滿足分時(shí)間跨度統(tǒng)計(jì)條件(1)，即以年(8760h)為周期進(jìn)行變化時(shí)時(shí)，另t＝0帶入(10)則：

其中，ki(x)＝λi·x，而各個(gè)輔助參量的計(jì)算方法為：gi＝λi·si，g0＝0，hij＝λi·sj，hi,0＝0，s0＝0，yj＝8760j，j＝0,...,n；

聯(lián)合(7)(10)(11)，可以得到以及

其中，輔助參量的計(jì)算方法為，τ＝t+x，

在元件狀態(tài)的仿真中，可以聯(lián)合(9)(12)通過反變換隨機(jī)產(chǎn)生元件的內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間。圖5給出了年均和按照(6)的條件周期波動(dòng)兩種故障率下，第一次故障時(shí)間t1與-log(u),0＜u＜＝1之間的關(guān)系曲線差異。可以看出，對(duì)于相同的-log(u)，nhpp的狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)間比hpp要短，意味著同樣的時(shí)間間隔內(nèi)，nhpp的故障次數(shù)多于hpp。

以t＝0為起始仿真時(shí)間產(chǎn)生周期強(qiáng)度非時(shí)齊故障時(shí)間序列的方法如下：

步驟一：隨機(jī)產(chǎn)生p個(gè)獨(dú)立的隨機(jī)數(shù)pi～u(0,1)，i＝1,...,p，通過(13)計(jì)算故障率為單位值(λ＝1)的hpp故障內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間hxj：

hxi＝-log(ui)(45)

步驟二：通過(14)計(jì)算hpp的故障全景到達(dá)時(shí)間：

步驟三：另t＝hti帶入(12)計(jì)算nhpp故障全景到達(dá)時(shí)間nti：

nti＝λ^-1(hti)(47)

步驟四：將(15)帶入(16)得到nhpp故障內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間nxi：

nxi＝nti-nti-1(48)

步驟1～步驟4同樣適用于符合泊松過程的修復(fù)過程模擬。若將全景狀態(tài)到達(dá)時(shí)間限定為1年，則故障狀態(tài)與修復(fù)狀態(tài)個(gè)數(shù)p，q需要同時(shí)滿足nx'j為非時(shí)齊修復(fù)過程的修復(fù)內(nèi)部轉(zhuǎn)移時(shí)間。

考慮到故障率隨季節(jié)變化的特性，在well‐being理論框架下的序貫montecarlo總體計(jì)算步驟中加入季節(jié)性故障率非時(shí)齊仿真過程，如6所示：

第一步：初始化系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、機(jī)組特性、負(fù)荷曲線，元件的可靠性模型，季節(jié)性故障率、修復(fù)率。

第二步：仿真初始時(shí)間tsys＝0。

第三步：按照非時(shí)齊泊松過程的仿真方法對(duì)所有元件隨機(jī)產(chǎn)生狀態(tài)全景到達(dá)時(shí)間t，并取最小值min(t)作為下一系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)刻tsys＝tsys+min(t)。

第四步：對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行分析。狀態(tài)分析包括潮流計(jì)算和矯正控制，如果存在切負(fù)荷，則進(jìn)入第六步。

第五步：對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)想故障集掃描和矯正控制，如果至少有一項(xiàng)預(yù)想故障不能滿足約束條件，則判定為m狀態(tài)；反之，則為h狀態(tài)。更新相關(guān)的系統(tǒng)健康度指標(biāo)。

第六步：判斷仿真時(shí)間是否達(dá)到1年，如果不滿足，返回至第三步；否則，判斷相關(guān)可靠性指標(biāo)是否滿足收斂條件或者達(dá)到預(yù)設(shè)仿真次數(shù)，如果條件滿足，則輸出健康度指標(biāo)。否則，返回至第二步。