新型电力设备接入电网可靠性评估及其优化方法和系统与流程

本发明涉及一种电力系统可靠性评估与电网规划领域，特别是关于一种新型电力设备接入电网可靠性评估及其优化方法和系统。

背景技术：

由于能源分布与经济发展的不平衡，往往需要将电力能源远距离传输至负荷中心。直流输电在大容量、远距离输电方面具有明显优势，在我国“西电东送，全国联网”战略中发挥了重要作用，交直流联网成为未来电网的一个重要发展趋势。与此同时，伴随着电力需求的持续增长，电力传输线路的负载越来越大，加之电源与负荷中心分布不均衡，需要配合远距离、特高压输电。由此产生的电压波动、“功率倒流”、“功率绕送”等问题影响到电网的安全稳定运行。如何保证大电网的安全稳定运行以及相关的电气装置研究成为电力行业的研究重点。

在此背景下，大量新型电力设备不断接入电网，在解决电网现有问题的同时，也增加了电网的复杂性，为电网的详细评估工作带来新的挑战。例如，统一潮流控制器(unifiedpowerflowcontroller，upfc)作为潮流调节能力最强的一种混合型柔性交流输电系统(flexiblealternativecurrenttransmissionsystems，facts)装置，得到广泛关注。upfc利用电力电子开关原理实现串联在线路中的电压源，起到线路参数补偿、独立无功补偿和线路潮流控制的作用，具有优越的潮流控制性能，能对潮流的变化进行快速的动态响应。再如，集成式隔离断路器是新一代智能变电站关键设备之一，其综合了隔离开关，传统断路器，电子式电流互感器等设备的功能，断口具备较高的绝缘水平，在无需隔离开关的条件下就可以实现不同电网的隔离。集成式隔离断路器集控制、保护、隔离、测量、状态监测等功能于一身，对于提高变电站运行可靠性、降低运行费用、简化接线、提高建设效率、节约土地资源、方便运行维护等方面具有重要意义。

然而，相比于传统的设备，这些新型电力设备的结构要相对复杂很多，并且其功能也更为丰富。然而，伴随着设备结构的复杂程度以及工作条件和环境约束的增高，设备的可靠性问题就需要特别得到关注。同时为了满足可靠性指标的要求，对于元件的可靠度指标或者设备的冗余也就有了相应的要求，这些要求伴随着成本的提升。因此，就需要利用有限可靠性水平的元件，通过可靠性设计，以尽量低的成本满足设备整体的可靠性要求，从而达到可靠性与经济性相协调的目标。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的是提供一种新型电力设备接入电网可靠性评估及其优化方法和系统，其能确定新型电力设备的可靠性模型及其接入对电网可靠性影响，通过灵敏度分析，进而指导电网后期的升级改造。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种新型电力设备接入电网可靠性评估及其优化方法，其包括以下步骤：1)根据预先建立的新型电力设备可靠性模型，以及新型电力设备的接入位置计算新型电力设备接入电网后的可靠性；2)对比新型电力设备接入电网前后的可靠性水平变化，确定电网的系统可靠性优化目标和新型电力设备可靠性优化目标；3)通过对新型电力设备的可靠度进行灵敏度分析，确定新型电力设备中的薄弱模块，薄弱模块是对电力设备可靠度影响最大的模块；4)通过摄动法分析薄弱模块构成部件的灵敏度，并结合经济性分析，比较提升相同可靠性水平时，不同子模块的经济性成本大小，以确定提升子模块可靠性应改进的构成部件和改进量；5)将改造后的新型电力设备接入电网，重新进行电网的系统可靠性评估，判断设备优化提升效果。

进一步，所述步骤1)中，新型电力设备中的一个元件用一个子功能模块表示，分析具体每一个子功能模块的工作模式与组成结构，建立子功能模块可靠性模型；将各子功能模块可靠性模型通过串并联方式得到新型电力设备可靠性模型。

进一步，所述步骤1)中，新型电力设备接入位置包括输电网、配电网和电气主接线系统。

进一步，所述步骤1)中，新型电力设备接入电网后的系统可靠性指标包括失负荷概率、电量不足期望值、停电次数和停电时间。

进一步，所述步骤2)中，确定电网系统可靠性优化目标与新型电力设备可靠度优化目标的方法为：确定改进后电力设备的可靠度已知改进前的电力设备可靠度为rs，保证该电力设备其他子功能模块的可靠度不变，计算得到改进后子功能模块i的可靠度为目标改进量δio为：

式中，rio表示该电力设备子功能模块i在改进前的可靠度。

进一步，所述步骤3)中，针对薄弱模块进行可靠度灵敏度分析的方法为：将薄弱模块的构成元件间的逻辑关系划分为串联关系和并联关系两类，并计算构成元件中对薄弱模块整体可靠度影响最大的元件。

进一步，所述步骤4)中，若要通过增加系统冗余的方式提高子模块的可靠度，则计算增加零部件的成本。

进一步，所述步骤4)中，经济性分析方法为：假如模块i的可靠度的单位成本为ci，把ri提高到ri+δi的总成本等于ciδi；如果新型电力设备的可靠度为rs，那么把rs提高到而使成本最小；其中，δi为模块i的可靠度提升水平，为改进后电力设备的可靠度。

一种型电力设备接入电网可靠性评估及其优化系统，其包括可靠性计算模块、可靠性优化目标确定模块、薄弱模块的确定模块、改进模块和效果判断模块；所述可靠性计算模块根据预先建立的新型电力设备可靠性模型，以及新型电力设备的接入位置计算新型电力设备接入电网后的可靠性；所述可靠性优化目标确定模块是对比新型电力设备接入电网前后的可靠性水平变化，确定电网系统可靠性优化目标和新型电力设备可靠性优化目标；所述薄弱模块的确定模块是通过对新型电力设备的可靠度进行灵敏度分析，确定新型电力设备中的薄弱模块，薄弱模块是对电力设备可靠度影响最大的模块；所述改进模块是通过摄动法分析薄弱模块构成部件的灵敏度，并结合经济性分析，比较提升相同可靠性水平时，不同子模块的经济性成本大小，以确定提升子模块可靠性应改进的构成部件和改进量；所述效果判断模块是将改造后的新型电力设备接入电网，重新进行系统可靠性评估，判断设备优化提升效果。

进一步，所述可靠性优化目标确定模块中，目标改进量δio为：

式中，rio表示该电力设备子功能模块i在改进前的可靠度；为改进后子功能模块i的可靠度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明结合新型电力设备的物理结构与工作模式，建立设备的可靠性框图，并针对不同的子功能模块工作模式与组成结构，分别建立可靠性模型，最终通过系统串并联方法得到新型设备可靠性模型，为新型设备建模提供一种通用方法。2、本发明根据电力设备接入电网的不同位置，采用不同方法计算设备接入前后系统的可靠性变化值，并依此设定系统可靠性优化目标与设备可靠度优化目标。3、本发明提出设备可靠性优化方法，通过可靠度灵敏度分析，判断设备中的薄弱模块，通过摄动法分析薄弱模块构成部件的灵敏度，结合经济性分析，确定提升设备可靠度应改进的构成部件。4、本发明解决了目前电网可靠性评估中缺少对新型设备可靠性建模及其可靠性优化设计方法的问题，通过元件可靠性建模与系统级可靠性评估的两级迭代，由系统评估提出对设备可靠度优化目标，而后由设备级的可靠度灵敏度分析，对新型设备的研制与改进，分析系统薄弱环节，提升可靠性水平，继而指导电网的后期升级改造，具有重要意义。综上，本发明可应用于电网规划及运行阶段。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图；

图2是本发明的电力设备可靠性框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。

如图1所示，本发明提供一种新型电力设备接入电网可靠性评估及其优化方法，其包括以下步骤：

1)根据预先建立的新型电力设备可靠性模型，以及新型电力设备的接入位置计算新型电力设备接入电网后的可靠性；

如图2所示，建立新型电力设备可靠性模型是根据电力设备物理结构及工作模式，建立电力设备可靠性框图；新型电力设备中的一个元件用一个子功能模块表示，分析具体每一个子功能模块的工作模式与组成结构，建立子功能模块可靠性模型；最终将各子功能模块可靠性模型通过串并联方式得到新型电力设备可靠性模型；

新型电力设备接入位置包括输电网、配电网和电气主接线系统等；

新型电力设备接入电网后的系统可靠性指标包括失负荷概率、电量不足期望值、停电次数和停电时间等。

2)对比新型电力设备接入电网前后的可靠性水平变化，确定电网的系统可靠性优化目标和新型电力设备可靠性优化目标。

3)通过对新型电力设备的可靠度进行灵敏度分析，确定新型电力设备中的薄弱模块，即对电力设备可靠度影响最大的模块；

可靠度的灵敏度分析公式为：

式中，si为第i个子功能模块的可靠度灵敏度，rs为新型电力设备可靠度，ri为子功能模块i的可靠可靠度。

4)针对薄弱模块进行详细的可靠度分析：通过摄动法分析薄弱模块构成部件的灵敏度，并结合经济性分析，比较提升相同可靠性水平时，不同子模块的经济性成本大小，以确定提升子模块可靠性应改进的构成部件和改进量。若要通过增加系统冗余的方式提高子模块的可靠度，则计算增加零部件的成本。

5)将改造后的新型电力设备接入电网，重新进行电网的系统可靠性评估，判断设备优化提升效果。

上述步骤1)中，可靠性模型是根据元件完好才能保证供电正常的原则画出来的可靠性逻辑框图，简称“可靠性框图”。可靠性框图则表示新型电力设备中各元件的功能关系，可靠性框图中每一个元件用一个子功能模块表示，称作等效元件。

上述步骤1)中，子模块可靠性模型是根据不同模块的工作模式与组成结构，可以分别建立子模块的无备用可靠性模型、带冷备用可靠性模型、带热备用可靠性模型(k/n(g))或切换系统可靠性模型。

上述步骤1)中，新型电力设备接入电网可靠性评估方法为：根据新型电力设备的接入位置不同，分别计算接入后电网系统可靠性评估指标；其中，接入配电网、电气主接线系统时可采用最小割集算法，接入输电网时可采用蒙特卡洛模型或解析法计算。

上述步骤2)中，确定电网系统可靠性优化目标与新型电力设备可靠度优化目标的方法为：

确定改进后电力设备的可靠度已知改进前的电力设备可靠度为rs，保证该电力设备其他子功能模块的可靠度不变，计算得到改进后子功能模块i的可靠度为目标改进量δio为：

式中，rio表示该电力设备子功能模块i在改进前的可靠度。

上述步骤3)中，针对薄弱模块进行可靠度灵敏度分析的方法为：将薄弱模块的构成元件间的逻辑关系划分为串联关系和并联关系两类，并计算构成元件中对薄弱模块整体可靠度影响最大的元件；

3.1)针对具有n个构成元件的串联系统：由于子功能模块与构成元件表示相同的含义，在电力设备的功能划分中，将其拆分为不同的子功能模块，而每一个功能模块都是该电力设备的一个构成元件。若第i个构成元件的可靠度为ri(1≤i≤n)，那么系统的可靠度为：

如果或那么表示对整个系统的可靠度影响最大。ri表示构成元件i的可靠度，rj表示构成元件j的可靠度。

由此可知，如果第io个构成部件可靠度rio最小，那么要提高系统的可靠度，首先要提高rio。

3.2)在n个并联构成元件的系统中，系统的可靠度为：

如果或那么最大。

由此可知，如果第io个构成部件可靠度rio最小，那么要提高系统的可靠度，首先要提高rio。

上述步骤4)中，经济性分析方法为：假如子功能模块i的可靠度的单位成本为ci，把ri提高到ri+δi的总成本等于ciδi；如果新型电力设备的可靠度为rs，那么把rs提高到而使成本最小；其中，δi为模块i的可靠度提升水平，为改进后电力设备的可靠度。其中：

4.1)针对串联系统：

如果把ri提高到ri+δi或rj提高到rj+δj都可以获得(δj表示模块j的可靠度提升水平)，则：

如果ciri≤cjrj，那么ciδi≤cjδj。所以，如果那么第iu个构成部件可靠度riu是最佳的，ciu表示相应的最佳可靠度单位成本。

4.2)针对并联系统：

如果把ri提高到ri+δi或rj提高到rj+δj都可以获得则：

如果ci(1-ri)≤cj(1-rj)，那么ciδi≤cjδj。所以，如果那么第iu个构成部件可靠度riu是最佳的。

本发明还提供一种型电力设备接入电网可靠性评估及其优化系统，其包括可靠性计算模块、可靠性优化目标确定模块、薄弱模块的确定模块、改进模块和效果判断模块。

可靠性计算模块根据预先建立的新型电力设备可靠性模型，以及新型电力设备的接入位置计算新型电力设备接入电网后的可靠性；

可靠性优化目标确定模块是对比新型电力设备接入电网前后的可靠性水平变化，确定电网系统可靠性优化目标和新型电力设备可靠性优化目标；

薄弱模块的确定模块是通过对新型电力设备的可靠度进行灵敏度分析，确定新型电力设备中的薄弱模块，薄弱模块是对电力设备可靠度影响最大的模块；

改进模块是通过摄动法分析薄弱模块构成部件的灵敏度，并结合经济性分析，比较提升相同可靠性水平时，不同子模块的经济性成本大小，以确定提升子模块可靠性应改进的构成部件和改进量；

效果判断模块是将改造后的新型电力设备接入电网，重新进行系统可靠性评估，判断设备优化提升效果。

上述实施例中，可靠性优化目标确定模块中，目标改进量δio为：

式中，rio表示该电力设备子功能模块i在改进前的可靠度；为改进后子功能模块i的可靠度。

上述各实施例仅用于说明本发明，各个步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。