基于LCC的变电站主接线风险评估方法

摘要

一种基于LCC的变电站主接线风险评估方法，它在建立变电站元件Petri网模型的基础上，利用Petri网的基本方程确定系统状态并计算相应概率，进而求得每个负荷点的负荷消减概率、期望缺供电力和期望断供成本三个风险指标，并根据每个负荷点的风险指标对接线方式进行评估。本发明利用Petri网的方法求得每个负荷点的风险指标，在风险评估过程中既考虑了元件可能发生的四种状态，同时又考虑了断路器的拒动现象，大大提高了风险评估好准确性。利用本发明对变电站主接线进行风险评估，可以帮助设计人员选择最优接线方案，达到风险最小、效益最大的设计目标。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于LCC（Life Cycle Cost，全生命周期成本）的变电站主接线的风险评估方法，属于输配电技术领域。

背景技术

变电站是发电机组与输电系统之间或输电系统与配电系统之间的连接部分，担负着从输电网到各个负荷区的供电任务。变电站的经济、安全、可靠运行与其电能质量及供电可靠性有着紧密的联系。所以，变电站主接线（即由变压器、断路器、隔离开关、母线及其它设备，按一定的电气顺序连接的，用于汇集和分配电能的电路）的连接方式在变电站设计方案中显得尤为重要。

对变电站主接线的风险进行合理、准确评估，有利于设计方案的优化。现有的一些风险评估方法大部分只考虑了方案的可靠性，而并未考虑输配电系统在全寿命周期过程中的运行成本是否最低，因而无法指导设计人员选择正确的设计方案，以达到风险最小、效益最大的目标，不利于企业的长远发展。因此，寻找一种合理的变电站主接线风险评估方法就成为有关技术人员所面临的课题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种基于LCC的变电站主接线风险评估方法，以指导设计人员确定最优接线方案，达到风险最小、效益最大的设计目标。

本发明所述问题是以下述技术方案实现的：

一种基于LCC的变电站主接线风险评估方法，所述方法在建立变电站元件Petri网模型的基础上，利用Petri网的基本方程确定系统状态并计算相应概率，进而求得每个负荷点的负荷消减概率、期望缺供电力和期望断供成本三个风险指标，并根据每个负荷点的风险指标对接线方式进行评估，所述方法包括以下步骤：

a. 对变电站所有节点进行编号

将一条母线看做一个节点，设备有两个节点，分别位于设备两端，按照从电源点到母线再到负荷点的顺序，从1开始对变电站所有节点进行编号；

b. 建立Petri网模型

建立多个变电站元件集合，每一个集合中只包含一个元件以及与该元件有保护关系的断路器，根据每个集合建立相应的Petri网模型；

c.求解各个集合的Petri网模型，得到每个元件处于正常运行状态、切换状态、在修状态和计划检修停运状态的概率与频率：

元件处于运行状态下的概率                                                与频率：

元件处于切换状态的概率与频率：

，

元件处于在修状态的概率与频率：

，

元件处于计划检修状态的概率与频率：

，

式中为成功倒闸切换率， 为从计划检修到运行的修复率，，为从在修到运行的修复率， 为主动失效引起的失效率，为非主动失效引起的失效率；

d.用Petri网选择系统状态，只考虑一阶、二阶失效事件和计划检修事件，计算系统状态的概率：

①系统发生一阶失效事件或计划检修事件的概率

变压器失效处于切换状态且断路器工作正常的概率：

，

式中，表示变压器发生失效事件处于切换状态，表示其他元件正常运行的概率，，分别表示与变压器有保护关系的第i台断路器和第j台发生拒动事件的概率；

变压器失效处于切换状态且第i台断路器发生拒动的概率：

，

变压器失效处于在修状态的概率：

，

式中，表示变压器发生处于切换状态的概率；

发生计划检修事件的概率为：

，

式中，表示母线处于计划检修状态的概率；

②系统发生两阶失效事件的概率：

，

式中，，分别表示两个失效事件的概率，表示两个失效事件中有相同的断路器发生拒动事件的该断路器拒动概率；

③一阶失效事件和计划检修事件同时发生的概率，公式和计算系统发生两阶失效事件的概率一样，但要注意因某台元件的计划检修也被隔离的其它邻近元件不用再讨论，以及因计划检修造成某些线路失去电气连接，这些线路上的元件也不用讨论；

e. 检验电源点和负荷点之间的连通性

用直接标号法进行分析，如果一个负荷点从所有电源点断开，则这个系统状态被认为该负荷点的失效状态，并记录消减的负荷；

f. 计算每个负荷点的风险指标，包括负荷消减概率PLC、期望缺供电力EENS和期望断供成本UEC：

，，，

式中，是与负荷点k相关的失效状态i的概率，是负荷点k在所考察期间（多数情况为1年）的平均负荷，是系统售电价格；步骤a～d的计算结果用于确定系统状态的概率，若果该系统状态造成步骤e中的消减的负荷，就说明该系统状态为失效状态，需要统计，最终所有系统状态统计完，得到所有失效状态的概率用于步骤f的的计算；

g.根据每个负荷点的风险指标对接线方式进行评估，通过统计不同主接线的期望缺供电力EENS和期望断供成本UEC，选择期望断供成本数值小的主接线方案。

本发明利用Petri网的方法求得每个负荷点的风险指标，在风险评估过程中既考虑了元件可能发生的四种状态，同时又考虑了断路器的拒动现象，大大提高了风险评估好准确性。利用本发明对变电站主接线进行风险评估，可以帮助设计人员选择最优接线方案，达到风险最小、效益最大的设计目标。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明变电站主接线上的元件的四状态模型图；

图2是变压器失效的Petri网图；

图3是母线计划检修的Petri网图；

图4是关联矩阵。

文中所用符号为：为元件处于运行状态下的概率，为元件处于运行状态下的频率，为元件处于切换状态的概率，为元件处于切换状态的频率，为元件处于在修状态的概率，为元件处于在修状态的频率，为元件处于计划检修状态的概率，为元件处于计划检修状态的频率，为成功倒闸切换率，为从计划检修到运行的修复率， 为从在修到运行的修复率，为主动失效引起的失效率，为非主动失效引起的失效率，为变压器失效处于切换状态且断路器工作正常的概率，表示变压器发生失效事件处于切换状态，表示其他元件正常运行的概率，，分别表示与变压器有保护关系的第i台断路器和第j台发生拒动事件的概率，为变压器失效处于切换状态且第i台断路器发生拒动的概率，为变压器失效处于在修状态的概率，表示变压器发生处于切换状态的概率，为发生计划检修事件的概率，表示母线处于计划检修状态的概率，，分别表示两个失效事件的概率，表示两个失效事件中有相同的断路器发生拒动事件的该断路器拒动概率，PLC为负荷消减概率，EENS为期望缺供电力，UEC为期望断供成本，是与负荷点k相关的失效状态i的概率，为负荷点k在所考察期间的平均负荷，为系统售电价格。

具体实施方式

变电站元件的每一个集合都可以构造一个关联矩阵。

图1表示变电站主接线上的元件的四状态模型图。变电站的元件包括变压器、隔离开关、母线以及断路器等。变压器、隔离开关、输电线路都属于静态元件，其作用是从一点向另一点传输功率，这些元件基本模型采用如图1所示的四状态模型，包括正常运行状态、切换状态、在修状态和计划检修停运状态。这是建立Petri网图的基础。图1中表示主动失效比如短路故障引起的失效率；表示非主动失效比如开路故障引起的失效率；表示计划检修状态的转移率；表示成功倒闸切换率；表示从在修到运行的修复率；表示从计划检修到运行的修复率。

图2是变压器失效的Petri网图。Petri网是一种离散事件系统建模和分析的图形化数学工具。Petri网的基本方程可以表示从初始标识到标识m的转换过程。就是形象的表示设备从正常运行到故障或者检修状态，在经维修和倒闸操作再次正常运行的过程，用解析的方法具体分析每一状态的概率，这是为了精确地求解风险指标中的概率。图2中绘制的Petri网图涉及的集合包含一台变压器和与它有保护关系的断路器，所将发生的状态包括。

其中，表示所有元件处于正常的运行状态， 表示变压器发生失效事件处于切换状态， 表示和变压器有保护关系的断路器都正常断开。表示发生拒动现象，其他断路器正常断开，表示通过倒闸操作变压器处于在修状态。表示转移向量，其中表示变压器主动失效过程；到表示与变压器有保护关系的断路器的动作过程，表示相关断路器都正常断开，表示相关的第n台断路器发生拒动；到表示倒闸操作过程，表示元件发生非主动失效过程，表示从在修状态转移到正常运行的过程。n表示与变压器有保护关系的断路器有n台。其它元件的失效事件的Petri网图与图2有相同结构。

图3表示母线计划检修的Petri网图。因为计划检修事件和失效事件不同，所以需要绘制计划检修事件的Petri网图，这也是为了精确地求解风险指标中的概率。图中绘制的Petri网图涉及的集合包含一条母线,表示母线处于计划检修状态。表示元件从正常运行到计划检修状态的过程，表示元件从计划检修状态到正常运行的过程，其它元件的计划检修事件的Petri网图与图3有相同结构。

图4表示Petri网中的关联矩阵。图2和图3主要是形象的表示元件的状态转化过程，为了能够实现软件编程，所以需要关联矩阵来确定元件处于不同的状态，然后汇总每一个元件的状态来得到系统状态，求解系统状态概率，用于计算风险指标。图4中每一列表示转移过程，每一行表示元件状态，初始位置为阶列向量，特征向量是阶列向量。通过的不同取值可以枚举确定系统状态，讨论变压器失效事件中由于本文只考虑只有一台断路器拒动现象。分为三部分，第一部分是的第一行，取值为0或1，1代表元件发生失效将处于切换状态，0代表该元件正常运行。第二部分是的第二行起到倒数第二行结束，其中将第与项（）分为一组，一共有组，，每一组取值为0，0或1，0或1，1，其中1,0表示元件失效后断路器动作的过程，1，1表示元件倒闸操作后由切换状态转移为在修状态的过程。第三部分是的最后一项，取值为0或1，取1时表示元件由正常运行直接转移到在修状态的过程，比如非主动失效。

此外，第一部分的取值与第三部分的取值是相异的，即最后一部分取1时前两部分都只能取0；第一部分取1时，第二部分分情况讨论，第三部分取0。由于本文只考虑断路器可能发生一次拒动现象，所以第二部分只有一组值取1，0或1，1，其他组取0，0，共有种情况。

如果考虑多台断路器拒动现象，可以在的第二部分每组按排列组合方式确定各项值，如果考虑两台断路器失效就有种情况。这样只需按照公式就可以确定系统状态。

本发明运用了基于全寿命周期成本管理的风险评估的理念，是一种定量分析方法，主要分析的是因电气主接线上的元件发生故障进行修理而不能正常使用以及因为计划检修所造成的损失。

本发明包括下列步骤：

（1）对变电站所有节点进行编号。一条母线是一个节点，其余设备有两个节点，位于设备两端，按照从电源点到母线再到负荷点的方向从1开始编号；

（2）建立Petri网模型。将变电站元件建立多个集合，每一个集合中只包含一个元件以及与它有保护关系的断路器；

（3）求解各个集合的Petri网模型，得到每个元件处于各个状态的概率；元件处于运行状态下的概率与频率，

，

，

元件处于切换状态的概率与频率

，

，

元件处于在修状态的概率与频率

，

，

元件处于计划检修状态的概率与频率

，

，

（4）利用Petri网选择系统状态，只考虑一阶、二阶失效事件和计划检修事件。变电站元件的每个集合可以构造关联矩阵，用Petri网的基本方程可以表示从初始标识到标识的转换过程；

；

（5）考虑系统状态的概率。

1）考虑系统发生一阶失效事件以及计划检修事件的概率。Petri网基本方程中每一组对应一个系统状态就对应一个概率，此外计算失效或计划检修的系统概率要同时考虑所有元件的运行状态。

变压器失效处于切换状态且断路器工作正常的概率：

，

变压器失效处于切换状态且第i台断路器发生拒动的概率：

，

变压器失效处于在修状态的概率：

 ，

公式中表示变压器发生处于切换状态的概率，表示变压器处于在修状态概率，表示其他元件正常运行的概率，，分别表示与变压器有保护关系的第i台断路器和第j台发生拒动事件的概率，m表示有m个元件，n表示与该元件有保护关系的断路器个数。

2）考虑系统发生两阶失效事件的概率，将两个失效集合的结果进行并运算，要除掉两个失效事件中可能的相同的断路器发生拒动事件的概率。

，

公式中，表示两个失效事件中有相同的断路器发生拒动事件的该断路器拒动概率，、分别表示两个失效事件的概率。

3）一阶失效事件和计划检修事件同时发生的情况。注意因某台元件的计划检修被隔离的其它邻近元件不用再讨论，以及因计划检修造成某些线路失去电气连接，这些线路上的元件也不用讨论。

（6）检验电源点和负荷点之间的连通性。根据前面所做的标号，用直接标号法进行分析，如果一个负荷点从所有电源点断开，则这个系统状态被认为该负荷点的失效状态，并记录消减的负荷。

（7)计算每个负荷点的风险指标。

期望缺供电力EENS

，

式中，是负荷点k在所考察期间（多数情况为1年）的平均负荷。

期望断供成本UEC。

，

式中，是系统供电成本。