基于电气回路故障特性的分布式电网风险评估系统及分布式电网风险评估方法

摘要

本发明公开了一种基于电气回路故障特性的分布式电网风险评估系统及分布式电网风险评估方法，其包括2个以上的信息采集及处理单元和电网风险评估后台计算机所述信息采集及处理单元包括压力传感器、位置传感器、液位传感器、温度传感器、信息采集子单元、合并子单元和信息预处理及传输子站；所述各传感器的输出端分别通过光缆与信息采集子单元的相应输入端相连接，所述信息采集子单元和合并子单元的输出端分别通过光缆与所述信息预处理及传输子站的输入端相连接，所述信息预处理及传输子站通过光纤网络与所述电网风险评估后台计算机双向连接。本发明的优点是可对分布式电网的电气设备进行故障特性分析，保障电网设备安全稳定运行。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于电气回路故障特性的分布式电网风险评估系统及分布式电网风险评估方法，属于风险评估领域。 

背景技术

电网规模的不断扩大化以及系统元件的不断复杂化是当前电网发展的主要特点。近年来，重要输变电设备故障所致事故频发，不但造成巨大的经济损失，而且影响了社会秩序。电气回路作为电力系统的重要组成部分，它由众多输变电设备组合连接而成，且不同种类的电气设备故障对电气回路单元故障率的影响程度并不一样，其一旦发生故障将严重影响电能的传输与分配，对供电可靠性和运行稳定性也极为不利。随着电网建设步伐加快，跨区联络线不断增多，大量的阻波器、母线、全封闭组合电器等输变电设备投入应用，这些设备的可靠性水平直接关系到电网安全稳定运行的风险水平。 

传统定期检修模式对输变电设备状态不做评估，直接进行“一刀切”式检修安排，因为检修时间固定，存在检修不足和检修过剩的弊端。检修不足，应修设备不能进行及时修理，造成输变电设备故障率提高；检修过剩，造成大量人力、物理浪费，过度检修造成设备不可逆损伤使设备寿命减短，不必要的检修加大设备故障风险。因此，固定的检修模式已经越来越不适应电网设备维修和经济运行的发展需要。状态检修是一种动态的、根据设备实时状态的一种检修模式，能够根据设备的投运前基础信息、运行中信息、故障和事故情况、试验（预试）数据、同类设备家族参考信息以及其它相关的信息，制定灵活检修方式的一种维修方式，做到设备“应修必修，修必修好”。这不仅可以大大地节约维修成本，而且可以减少因不必要的维修造成的设备故障，提高维修速度和维修质量，提高电网供电可靠性和电网运行的经济性。 

对电力系统运行安全风险的评估主要通过提出一些静态安全和暂态安全指标，这些指标可以定量评估电网运行直接风险，但已有安全评估指标未能将设备或回路当前故障和系统中的潜在连锁故障结合进行综合考虑，因而风险评估指标不够全面合理。鉴于此，本发明含有合理、全面的电网安全风险综合评估指标体系，对输电回路、变电回路和母线回路故障造成的电网运行风险作定量评估。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种基于电气回路故障特性的分布式电网风险评估系统及分布式电网风险评估方法。 

本发明解决其技术问题所采用一种基于电气回路故障特性的分布式电网风险评估系统的技术方案： 

本发明包括2个以上的信息采集及处理单元和电网风险评估后台计算机；

    所述信息采集及处理单元包括压力传感器、位置传感器、液位传感器、温度传感器、信息采集子单元、合并子单元和信息预处理及传输子站；

    所述各传感器的输出端分别通过光缆与信息采集子单元的相应输入端相连接，所述信息采集子单元和合并子单元的输出端分别通过光缆与所述信息预处理及传输子站的输入端相连接，所述信息预处理及传输子站通过光纤网络与所述电网风险评估后台计算机双向连接；

所述各传感器分别安装于分布式电网的变电站中主要输变电设备中；所述各传感器分别检测主要输变电设备的气体含量、油压、油温和断路器开关状态的传感器；

所述信息采集子单元为用于采集各传感器信息并按IEC61850规约生成报文的可编程控制器；

所述合并子单元为将采集到的电气信息按IEC61850规约生成报文的合并子单元；

所述信息预处理及传输子站为计算电气回路故障概率的ARM工控机；

所述电网风险评估后台计算机为位于调度中心、安装有电网风险评估程序的工控机。

    所述可编程控制器的型号为S7-200 CPU224；所述合并子单元的型号为UDM-502-G；所述ARM工控机的型号为PCX-9540；所述位于调度中心的工控机的型号为PCX-9540。 

   所述压力传感器的型号为TPT503、位置传感器的型号为WYDC、液位传感器的型号为PY201、温度传感器的型号为T-100。 

本发明解决其技术问题所采用的分布式电网风险评估方法： 

（一）信息采集及处理：所述信息采集子单元和合并子单元对采集的信息按IEC61850规约生成报文传送至信息预处理及传输子站；

（二）信息预处理：通过所述信息预处理及传输子站中的电气设备故障特性分析程序对所述各传感器采集的信息进行预处理，计算出电气回路的总故障概率 ；

所述信息预处理的具体步骤如下：

（1）、根据下述故障概率模型方程式（1）计算比例参数和曲率参数的值：

         （1）

其中，为某种输变电设备的年故障发生概率；

N1为某种输变电故障设备的台数；

N为所述某种输变电设备的总台数；

i为以健康状态分值S的多少为依据对输变电设备状态划分的等级号；

I为健康状态分值S划分的等级数；

为所述某种输变电设备的状态为第i级的台数；

根据等级号i取对应类分值上、下限的平均值；

j为第j种输变电设备；

和分别为第j种输变电设备故障概率模型中对应的比例参数和曲率参数；

在利用上述方程式（1）进行计算时，需要统计电气回路中所述某种输变电设备至少两年的统计样本数据，即所述N1、N和；若统计时间为两年，将每年的统计样本数据代入上述故障概率模型方程式（1），计算出所述某种输变电设备故障概率模型中的比例参数和曲率参数的值；

当有多于两年的样本数据，将多年的样本数据分成两组，然后代入上述故障概率模型方程式（1），按照上述方法计算出比例参数和曲率参数的值；

当还有其他种类的输变电设备，则重复上述步骤（二）中的第（1）步，计算出所对应的比例参数和曲率参数的值；

（2）、计算某台输变电设备的健康状态分值：

基于《输变电设备状态检修试验规程》以及相关设备的状态评价导则，根据电气回路中所述某种输变电设备的其中一台上各传感器采集的信息，得到所述某台输变电设备的各项扣分值，继而得到所述某台输变电设备的综合扣分值，作为所述某台输变电设备的健康状态分值，数值范围为1~100；

（3）、根据下述公式（2）和（3）分别计算出某台输变电设备故障概率和电气回路的总故障概率：

（2）

            （3）

其中，x表示第j种输变电设备中的第x台；

     表示第j种输变电设备中的第x台的故障概率；

将上述步骤（二）中的第（1）步计算得到的所述某种输变电设备中的比例参数和曲率参数，以及经上述步骤（二）中的第（2）步计算得到的所述某台输变电设备的健康状态分值代入上述公式（2）中，得出所述某台输变电设备故障概率；

将公式（2）的计算结果代入上述公式（3）计算出一电气回路的总故障概率；

（三）信息计算和输出：

     根据所述电气回路的总故障概率和合并子单元所采集的各输变电设备的电气信息，通过所述电网风险评估后台计算机中的电网风险评估程序计算出电网风险指标及其组合权重，得出电网综合风险指标Rs，通过分析电气回路故障概率及电网风险综合指标，生成设备检修计划及电网规划建议；

    所述电气回路中信息计算和输出的具体步骤如下：

（1）、由调度中心的调度员导入电网的BPA潮流数据文件，读取由信息传输子站传递过来的变电回路的总故障概率及所述输变电设备的电气信息；

（2）、计算电气回路的各项风险指标：

由调度中心的调度员导入电网的BPA潮流数据文件，结合所述电气回路的总故障概率及合并子单元采集的电气设备的电气信息，计算电气回路故障的各项风险指标；所述电气回路的各项风险指标包括负荷损失指标、潜在连锁故障指标、电压越限风险指标

和系统稳定指数风险指标；

各指标计算方法如下：

a.根据下述公式（4）计算负荷损失指标

               （4）

其中，为相应电气回路造成的负荷损失，单位为MW；

读取BPA潮流数据文件，模拟电气回路故障退出运行，进行潮流分析计算；检查是否造成新的输变电设备过载，当有新的过载设备，在保证潮流收敛的前提下，通过减少过载设备上游机组出力和下游负荷,使得过载设备达到临界过载，上述过程中减少的下游负荷即为上述相应电气回路造成的负荷损失；

b.根据下述公式（5）和（6）分别计算中间电流参数和潜在连锁故障指标：

               （5）

其中，为模拟电气回路故障退出运行时，读取合并子单元传递来的电流信号值，为标幺值（与基准电流的比值）；

     i为合并子单元电流信号序号；

   为非故障线路因电气回路故障而面临保护误动作风险的负载率门槛值；

   为故障后非故障线路潮流负载率相对正常情况时的变化值；

           （6）

用以表征输电线路故障退出运行时系统所面临的潜在连锁故障风险；

c.根据下述公式（7）-（9）分别计算电压越限值、电压越限积分量

和电压越限风险指标：

      （7）

其中，为模拟电气回路故障退出运行时，读取合并子单元传递来的电压信号，为标幺值（与基准电压的比值）；

     i为合并子单元电压信号序号； 

                     （8）

其中，为电压越限风险仿真时间，单位为s；

       （9）

用以表征故障发生时系统因主要节点电压值偏离正常运行水平而存在的电压崩溃风险；

d.根据下述公式（10）-（13）计算待评估的系统稳定指数指标，读取BPA潮流数据，模拟电气回路故障退出运行，进行暂态稳定仿真计算：

          （10）

其中，表示电气回路中第i台发电机的焦耳能量，单位为J；

      为所述发电机转子机械角速度，单位为；

      为所述发电机转动惯量，单位为；

         （11）

其中，为所有发电机的总焦耳能量，单位为J；

      i是发电机序号；

      N为待评估的系统中总的发电机数量；

             （12）

   其中，T为系统稳定指数仿真时间，单位为s；

       （13）

用以定量评估对应的系统暂态稳定破坏程度；

（3）、利用线性加权，根据下述公式（14）计算主、客观组合权重：

              （14）

其中，为主观权重；

      为客观权重；

     分别为线性加权的主客观偏好系数；

      利用层次分析法计算获得，利用熵值法计算获得；

（4）、利用下述模糊评价模型公式（15）计算出各个电气回路的电网综合风险指标：

             （15）

其中，为各个电气回路的各项风险指标、、、构成的一个总的评价矩阵，即；

其中i为电气回路序号；

、、、分别为、、、的第i条电气回路的各项风险指标；

所述总的评价矩阵中不同的行反映了各被评价事物从不同的单因素来看对各等级模糊子集的隶属程度；用模糊权向量将的不同的行进行综合，模糊权向量即为所述组合权重，得到该被评事物从总体上来看对各等级模糊子集的隶属程度，即电网综合风险指标；

（5）、分析电气回路的总故障概率以及电网综合风险指标，在电气回路及电网中找出电网运行的薄弱环节，从而生成电气设备的检修计划和电网规划建议。

本发明所产生的积极效果如下：（1）可对分布式电网的电气设备进行故障特性分析，保障电网设备安全稳定运行；（2）为实施状态检修提供可靠依据，节约大量设备检修和管理成本；（3）对电网运营状态进行风险评估，找出电网运营脆弱点；（4）能对电网规划提供数据支持。 

附图说明

图1为基于电气回路故障特性的分布式电网风险评估系统的结构原理块图。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明： 

实施例1：

由图1所示的实施例1可知，它本发明包括2个以上的信息采集及处理单元和电网风险评估后台计算机；

    所述信息采集及处理单元包括压力传感器、位置传感器、液位传感器、温度传感器、信息采集子单元、合并子单元和信息预处理及传输子站；

    所述各传感器的输出端分别通过光缆与信息采集子单元的相应输入端相连接，所述信息采集子单元和合并子单元的输出端分别通过光缆与所述信息预处理及传输子站的输入端相连接，所述信息预处理及传输子站通过光纤网络与所述电网风险评估后台计算机双向连接；

所述各传感器分别安装于分布式电网的变电站中主要输变电设备中；所述各传感器分别检测主要输变电设备的气体含量、油压、油温和断路器开关状态的传感器；

所述信息采集子单元为用于采集各传感器信息并按IEC61850规约生成报文的可编程控制器；

所述合并子单元为将采集到的电气信息按IEC61850规约生成报文的合并子单元；

所述信息预处理及传输子站为计算电气回路故障概率的ARM工控机；

所述电网风险评估后台计算机为位于调度中心、安装有电网风险评估程序的工控机。

    所述可编程控制器的型号为S7-200 CPU224；所述合并子单元的型号为UDM-502-G；所述ARM工控机的型号为PCX-9540；所述位于调度中心的工控机的型号为PCX-9540。 

   所述压力传感器的型号为TPT503、位置传感器的型号为WYDC、液位传感器的型号为PY201、温度传感器的型号为T-100。 

实施例2： 

    电气回路按照功能不同可分为输电回路、变电回路和母线回路，不同电网回路一般都包含至少2种类型的输变电设备。

    以某地区一变电回路为例，详细说明分布式电网风险评估方法，本实施例中包含变压器和断路器2种输变电设备。 

（一）信息采集及处理： 

    利用各传感器采集变电回路中的变压器的油压、油温和气体含量等信息，通过光缆传送到信息采集子单元，信息采集子单元按IEC61850规约生成报文传送给信息预处理及传输子站。

    合并子单元采集变电回路中的电气信息，包括电气设备的电压及电流等并按IEC61850规约生成报文传送给信息预处理及传输子站。 

（二）信息预处理：通过所述信息预处理及传输子站中的电气设备故障特性分析程序对各传感器采集的信息进行预处理，计算出电气回路的故障概率； 

所述信息预处理的具体步骤如下：

（1）、根据某地区一变电回路中变压器两年的统计样本数据（见下表1），采用变压器2006年和2007年的分类统计数据，变压器为该变电回路中第1种输变电设备，即j=1；

表1 2006年与2007年某地区变压器健康状态分类统计表

将表1的数据代入下述方程式（1）：

         （1）

解方程组后得到：=0.0112，=0.0451；当电气回路中还有其他输变电设备时，例如断路器，则重复此步骤，计算出对应的和；

（2）、求某台输变电设备的健康状态分值：

     根据各传感器采集到的信息，按照《输变电设备状态检修试验规程》以及相关设备的状态评价导则，统计该地区变电回路中的某一变压器的评价信息如下表2所示：

表2 第1台变压器各部件检测信息及状态综合评价

根据上述表2，得到第1台变压器的健康状态分值=12；当该电气回路共有2台变压器时，重复此步骤，则第2台变压器的健康状态分值经计算为=13；同理可知，当该电气回路中还有1台断路器时，再重复此步骤，则第1台断路器的健康状态分值经计算为=16；

（3）、求上述变电回路（即包含2台变压器和1台断路器的变电回鹘）的总故障概率：

将经上述步骤（二）中的第（1）步和第（2）步计算得到的、和代入公式（2）为，

将经上述步骤（二）中的第（1）步和第（2）步计算得到的、和至公式（2）为，

将经上述步骤（二）中的第（1）步和第（2）步计算得到的、和至公式（2）为，

根据公式（3）：

      （3）

求出该变电回路的总故障概率；

（三）信息计算和输出：

根据所述电气回路的总故障概率和合并子单元所采集的各输变电设备的电气信息，通过所述电网风险评估后台计算机中的电网风险评估程序计算出电网风险指标及其权重，得出电网综合风险指标Rs，通过分析电气回路故障概率及电网风险综合指标，生成设备检修计划及电网规划建议；

 （1）、由调度中心的调度员导入电网的BPA潮流数据文件，读取由信息传输子站传递过来的变电回路的总故障概率及变电回路的电气信息；

 （2）、由调度员进行仿真计算，模拟变电回路故障退出运行，根据公式（4）―（13），计算出变电回路故障的各项风险指标：包括负荷损失指标=0.014、潜在连锁故障指标=0.09985、电压越限风险指标=0.0014和系统稳定指数风险指标=0.090；

   （3）、利用层次分析法计算获得主观权重，利用熵值法计算获得客观权重，线性加权的主客观偏好系数均取0.5，最终计算主客观组合权重的公式（14）：

            （14）

（4）、各电气回路的电网综合风险指标：

重复上述步骤（三）中的第（1）步至第（3）步，分别计算输电回路、变电回路和母线回路等电气回路故障对应的各项风险指标，构成一个总的评价矩阵，，其中，i为电气回路序号，、、、分别为、、、的第i条电气回路的各项风险指标；利用模糊评价模型公式（15）计算出各电气回路的电网综合风险指标：

               （15）

（5）、对比各个变电回路的综合风险指标值，找出电网运行的薄弱环节，从而生成电气设备的检修计划和电网规划建议。

所述合并子单元用于对一次互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔级设备使用的装置。 

电网回路按照功能不同可分为输电回路、变电回路和母线回路，各回路具体定义及相应划分方法为： 

①输电回路：输电线路本体及其与各侧所接变电站母线回路连接点以内的设备（不含母线侧隔离开关）。

②变电回路：变压器本体及其与各侧母线回路连接点以内的设备（不含母线侧隔离开关）。线路变压器组按变电回路统计。 

③母线回路：同一变电站内，同一电压等级的所有母线及其之间的联络设备，包括直接与母线相连的隔离开关和独立连接到母线上的不单独构成回路的设备（如避雷器、电压互感器、电容式电压互感器等）。 

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，本发明未述部分与现有技术相同。