統(tǒng)一潮流控制器可靠性建模及其接入電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法與流程

本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)中統(tǒng)一潮流控制器可靠性建模及其接入電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，屬電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

伴隨著電力需求的持續(xù)增長(zhǎng)，電力傳輸線路的負(fù)載越來(lái)越大，加之電源與負(fù)荷中心分布不均衡，需要配合遠(yuǎn)距離、特高壓輸電。由此產(chǎn)生的電壓波動(dòng)、“功率倒流”、“功率繞送”等問題影響到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。如何保證大電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行以及相關(guān)的電氣裝置研究成為電力行業(yè)的研究重點(diǎn)。

統(tǒng)一潮流控制器(Unified Power Flow Controller，UPFC)作為潮流調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)的一種混合型柔性交流輸電系統(tǒng)(Flexible Alternative Current Transmission Systems，F(xiàn)ACTS)裝置，得到廣泛關(guān)注。UPFC利用電力電子開關(guān)原理實(shí)現(xiàn)串聯(lián)在線路中的電壓源，起到線路參數(shù)補(bǔ)償、獨(dú)立無(wú)功補(bǔ)償和線路潮流控制的作用，具有優(yōu)越的潮流控制性能，能對(duì)潮流的變化進(jìn)行快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。是眾多潮流控制方法中最有效的一種，可通過改變和補(bǔ)償電壓幅值、功角和線路阻抗等參數(shù)來(lái)進(jìn)行控制。然而，UPFC結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含了串、并聯(lián)變壓器，電壓源換流器(Voltage Sourced Converter，VSC)或模塊化多電平換流器(Modular Multilevel Converter，MMC)，直流線路，直流電容器等極設(shè)備，以及控制、保護(hù)系統(tǒng)等環(huán)節(jié)，針對(duì)UPFC的可靠性詳細(xì)建模工作尚未開展，因此，目前對(duì)于包含UPFC的電網(wǎng)可靠性影響研究較少。

因此，為更有效地評(píng)估UPFC對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響，繼而指導(dǎo)后續(xù)的電網(wǎng)升級(jí)改造，需要對(duì)UPFC工作機(jī)理進(jìn)行深入分析，通過構(gòu)成元件及元件間的邏輯關(guān)系分析建立適應(yīng)電網(wǎng)評(píng)估需要的UPFC精細(xì)化可靠性模型；并在此基礎(chǔ)之上，分析UPFC接入后對(duì)電網(wǎng)電壓、線路潮流的調(diào)節(jié)能力，研究符合其控制特點(diǎn)的切負(fù)荷策略，評(píng)估UPFC接入對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響至關(guān)重要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種統(tǒng)一潮流控制器可靠性建模方法，并在此基礎(chǔ)之上，提供包含UPFC的電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，從而定性、定量評(píng)估UPFC接入對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響，進(jìn)而指導(dǎo)電網(wǎng)后期的升級(jí)改造。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種統(tǒng)一潮流控制器可靠性建模方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)根據(jù)統(tǒng)一潮流控制器構(gòu)成元件的功能特點(diǎn)，將統(tǒng)一潮流控制器劃分為五個(gè)子系統(tǒng)，即變壓器子系統(tǒng)、換流橋子系統(tǒng)、極設(shè)備子系統(tǒng)、直流線路子系統(tǒng)和控制及保護(hù)子系統(tǒng)；

2)在各子系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)其實(shí)現(xiàn)的既定功能，確定各子系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)成元件間的邏輯關(guān)系，并建立各子系統(tǒng)的可靠性故障模型；

3)根據(jù)各子系統(tǒng)間的邏輯關(guān)系及元件的串聯(lián)關(guān)系，用串聯(lián)等值公式求得統(tǒng)一潮流控制器的兩狀態(tài)模型和對(duì)應(yīng)的可靠性參數(shù)：

式中：λ_eqi和μ_eqi分別是各個(gè)子系統(tǒng)的等效故障率和等效修復(fù)率，r_i為各個(gè)子系統(tǒng)的等效故障修復(fù)時(shí)間，λ_UPFC是統(tǒng)一潮流控制器的等效故障率，r_UPFC是每次故障平均修復(fù)時(shí)間,μ_UPFC是等效修復(fù)率；假設(shè)統(tǒng)一潮流控制器故障概率服從指數(shù)分布，那么即得到統(tǒng)一潮流控制器正常工作概率為故障概率為

上述技術(shù)方案中，其特征在于：所述變壓器子系統(tǒng)包括單相三繞組換流變壓器和交流側(cè)斷路器；所述的換流橋子系統(tǒng)包括換流閥組、換流閥冷卻設(shè)備及保護(hù)裝置；所述的極設(shè)備子系統(tǒng)包括中性點(diǎn)接地支路及相關(guān)開關(guān)元件；所述的直流線路子系統(tǒng)包括直流斷路器、直流電抗和直流輸電線路。

本發(fā)明的技術(shù)方案中，步驟2)中所述確定各子系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)成元件間的邏輯關(guān)系，并建立各子系統(tǒng)的可靠性故障模型采用串聯(lián)等效模型、并聯(lián)等效模型、無(wú)備用元件可靠性模型、冷備用可靠性模型和熱備用可靠性模型中的至少一種。

本發(fā)明還提供了一種對(duì)含有統(tǒng)一潮流控制器的電網(wǎng)進(jìn)行可靠性的評(píng)估方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)通過蒙特卡洛模擬法模擬系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并建立狀態(tài)空間S，狀態(tài)空間中每一個(gè)元素都代表了一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)S_i，系統(tǒng)狀態(tài)概率為p_i；

2)針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)S_i，分析當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下是否包含電壓越限母線及潮流越限線路，記越限母線為B_i，記越限線路為L(zhǎng)_ij；

3)針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)S_i中每一個(gè)越限母線B_i，分析當(dāng)前越限母線B_i是否有統(tǒng)一潮流控制器接入：

ⅰ)若有統(tǒng)一潮流控制器接入，則生成0-1的隨機(jī)數(shù)，并與越限母線B_i下的故障概率q_UPFC進(jìn)行比較：

a.若隨機(jī)數(shù)小于或等于當(dāng)前母線下的統(tǒng)一潮流控制器故障概率，則當(dāng)前統(tǒng)一潮流控制器有故障，為消除電壓越限，削減負(fù)荷大小為α-load_i,1，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i×q_UPFC；

b.若隨機(jī)數(shù)大于當(dāng)前母線下的故障概率，則正常工作，調(diào)整統(tǒng)一潮流控制器注入量，消除母線電壓越限，削減負(fù)荷為0，切負(fù)荷概率為0；若調(diào)整后仍無(wú)法消除電壓越限，則仍需削減負(fù)荷大小β-load_i,1，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i×p_UPFC；

ⅱ)若不存在統(tǒng)一潮流控制器，為消除電壓越限，削減負(fù)荷load_i,1，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i，1＝p_i；

4)針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)S_i中每一個(gè)越限線路L_ij，分析當(dāng)前越限線路L_ij是否有統(tǒng)一潮流控制器接入：

ⅰ)若有統(tǒng)一潮流控制器接入，則生成隨機(jī)數(shù)，并與線路L_ij下的故障概率q_UPFC比較：

a若隨機(jī)數(shù)小于或等于當(dāng)前線路下的故障概率，則當(dāng)前有故障，無(wú)法工作，為消除線路越限，削減負(fù)荷大小為α-load_i,2，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i×q_UPFC；

b、若隨機(jī)數(shù)大于當(dāng)前線路下的故障概率，則正常工作，調(diào)整統(tǒng)一潮流控制器注入量，消除線路越限，削減負(fù)荷為0，切負(fù)荷概率為0；若統(tǒng)一潮流控制器調(diào)整后仍無(wú)法消除線路越限，則削減負(fù)荷β-load_i,2，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i×p_UPFC；

ⅱ)若不存在統(tǒng)一潮流控制器，則削減負(fù)荷load_i,2，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i,2＝p_i；

5)計(jì)算完成，統(tǒng)計(jì)母線電壓越限、線路潮流越限造成的系統(tǒng)切負(fù)荷概率及切負(fù)荷量，得到可靠性指標(biāo)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果：本發(fā)明提出的UPFC可靠性建模及其接入電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，從UPFC物理結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了構(gòu)成元件的功能特點(diǎn)及其邏輯關(guān)系，將UPFC分解為5個(gè)子系統(tǒng)，繼而建立了子系統(tǒng)的可靠性模型，并最終通過串并聯(lián)分析方法得到UPFC裝置的可靠性模型及可靠性參數(shù)。在此基礎(chǔ)之上，分析UPFC接入后對(duì)電網(wǎng)母線電壓及線路潮流影響，計(jì)算消除電壓越限切負(fù)荷及線路潮流越限切負(fù)荷大小，提出了考慮UPFC的電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，解決了目前電網(wǎng)中應(yīng)用的新型電力電子裝置UPFC建模困難及接入電網(wǎng)可靠性影響不詳?shù)膯栴}，對(duì)分析新型設(shè)備對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響，繼而指導(dǎo)電網(wǎng)的后期升級(jí)改造，具有重要意義，該方法可應(yīng)用于電網(wǎng)規(guī)劃及運(yùn)行階段。

附圖說(shuō)明

圖1為統(tǒng)一潮流控制器的結(jié)構(gòu)及其子系統(tǒng)劃分圖。

其中，1-變壓器子系統(tǒng)；2-換流橋子系統(tǒng)；3-極設(shè)備子系統(tǒng)；4-直流線路子系統(tǒng)。

圖2為統(tǒng)一潮流控制器狀態(tài)空間圖。

圖3為統(tǒng)一潮流控制器接入電網(wǎng)工作原理圖。

圖4為統(tǒng)一潮流控制器接入電網(wǎng)等效圖。

圖5為統(tǒng)一潮流控制器故障后的接入點(diǎn)示意圖。

圖6為含統(tǒng)一潮流控制器的電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法流程。

具體實(shí)施方式

下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的原理及具體實(shí)施過程做進(jìn)一步的說(shuō)明，并且隨著對(duì)本發(fā)明的更全面理解，本發(fā)明的其它目的及結(jié)果將更加明白及易于理解。

在下面的描述中，出于說(shuō)明的目的，為了提供對(duì)一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的全面理解，闡述了許多具體細(xì)節(jié)。然而，很明顯，也可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)現(xiàn)這些實(shí)施例。

本發(fā)明提供的統(tǒng)一潮流控制器可靠性建模及其接入電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，是針對(duì)目前電網(wǎng)中應(yīng)用的新型電力電子裝置UPFC建模困難及接入電網(wǎng)可靠性影響不詳?shù)膯栴}，開展了UPFC可靠性建模及接入電網(wǎng)的可靠性評(píng)估工作。本發(fā)明從UPFC物理結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析構(gòu)成元件的功能特點(diǎn)及其邏輯關(guān)系，將UPFC分解為5個(gè)子系統(tǒng)，繼而建立了子系統(tǒng)的可靠性模型，并最終通過串并聯(lián)分析方法得到UPFC裝置的可靠性模型及可靠性參數(shù)。在此基礎(chǔ)之上，分析UPFC接入后對(duì)電網(wǎng)母線電壓及線路潮流影響，計(jì)算消除電壓越限切負(fù)荷及線路潮流越限切負(fù)荷大小，提出了考慮UPFC的電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，其具體包括如下步驟：

一、建立統(tǒng)一潮流控制器可靠性模型：

1、根據(jù)UPFC構(gòu)成元件的功能特點(diǎn)，將UPFC劃分為以下五個(gè)子系統(tǒng)：變壓器子系統(tǒng)，該子系統(tǒng)含有單相三繞組換流變壓器、交流側(cè)斷路器等；換流橋子系統(tǒng)，其主要含有換流閥組、換流閥冷卻設(shè)備及保護(hù)裝置等；極設(shè)備子系統(tǒng)，其含有中性點(diǎn)接地支路及相關(guān)開關(guān)元件；直流線路子系統(tǒng)，主要有直流斷路器、直流電抗、直流輸電線路；控制及保護(hù)子系統(tǒng)。如圖1所示。

2、在各子系統(tǒng)內(nèi)，分析為實(shí)現(xiàn)既定功能，子系統(tǒng)內(nèi)構(gòu)成元件間的邏輯關(guān)系，并依此確定各子系統(tǒng)的元件可靠性參數(shù)。邏輯關(guān)系及相應(yīng)的可靠性參數(shù)計(jì)算方法采用串聯(lián)等效模型、并聯(lián)等效模型、無(wú)備用元件可靠性模型、冷備用可靠性模型和熱備用可靠性模型中的至少一種。

其中，若n個(gè)元件串聯(lián)，任意一個(gè)元件故障，系統(tǒng)會(huì)失效，而只有當(dāng)所有元件都修好時(shí)，系統(tǒng)才能恢復(fù)正常；若n個(gè)元件并聯(lián)，那么只有當(dāng)所有元件都失效才會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)失效，但只要任意元件被修好均可使系統(tǒng)恢復(fù)正常。

在統(tǒng)一潮流控制器中，直流線路子系統(tǒng)因?yàn)橹绷骶€路故障后不易更換因而故障后以檢修為主，所以可采用無(wú)備用元件的可靠性模型。不考慮元件備用時(shí)，用狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖來(lái)模擬元件的運(yùn)行、檢修、安裝3個(gè)隨機(jī)過程。變壓器子系統(tǒng)、極設(shè)備子系統(tǒng)中元件電壓等級(jí)高、體積大、造價(jià)高昂，不易更換，但相比于修復(fù)過程，更換過程時(shí)間相對(duì)較短，通常準(zhǔn)備一個(gè)冷備用元件。換流橋子系統(tǒng)的主要元件MMC換流閥、控制及保護(hù)子系統(tǒng)中的元件電壓等級(jí)相對(duì)較低、體積較小、易于更換，可以設(shè)置多個(gè)備用元件。當(dāng)運(yùn)行元件故障時(shí)，備用元件可快速替換故障的元件，可以用k/n(G)模型來(lái)進(jìn)行等效。

3、計(jì)算統(tǒng)一潮流控制器可靠性參數(shù)

統(tǒng)一潮流控制器的5個(gè)子系統(tǒng)都對(duì)整個(gè)裝置的正常運(yùn)行有著重要的影響，任意子模塊故障，系統(tǒng)都要退出運(yùn)行狀態(tài)，因此整個(gè)裝置的可靠性評(píng)估模型可以看作是5個(gè)子系統(tǒng)的可靠性評(píng)估模型串聯(lián)而成，得到整個(gè)裝置的模型，狀態(tài)空間圖如圖2所示。圖中λ_eqi和μ_eqi分別是各個(gè)子系統(tǒng)的等效故障率和等效修復(fù)率，求取方法如下式(1)～(3)所述。

按照元件串聯(lián)的關(guān)系，用串聯(lián)等值公式可以求得UPFC的兩狀態(tài)模型和對(duì)應(yīng)的可靠性參數(shù)：

式中：λ_eqi和r_i分別為各個(gè)子系統(tǒng)的等效故障率和等效故障修復(fù)時(shí)間，λ_UPFC是UPFC的等效故障率，r_UPFC是每次故障平均修復(fù)時(shí)間,μ_UPFC是等效修復(fù)率。假設(shè)統(tǒng)一潮流控制器故障概率服從指數(shù)分布，那么即可得到統(tǒng)一潮流控制器正常工作概率為故障概率為

3.1)建立UPFC接入電網(wǎng)的故障模型：為了簡(jiǎn)化UPFC接入電網(wǎng)的故障模式分析，建立UPFC的兩狀態(tài)故障模型，即運(yùn)行與故障兩個(gè)狀態(tài)。兩個(gè)狀態(tài)下的UPFC可用容量分別為100％容量和0容量?jī)煞N狀態(tài)。需要說(shuō)明的是，UPFC在100％容量時(shí)表示UPFC可以正常工作，可以根據(jù)電網(wǎng)調(diào)節(jié)需要在0～100％之間調(diào)整輸出。

3.2)建立UPFC接入電網(wǎng)的等效負(fù)荷模型。根據(jù)UPFC工作原理，可以將接入點(diǎn)的UPFC等效為串聯(lián)的電壓源及并聯(lián)的電流源。通過注入量的調(diào)節(jié)可以最大限度地減小電壓、潮流越限值，從而降低電網(wǎng)的負(fù)荷損失。UPFC工作原理如圖3所示：

因此，在不考慮UPFC自身?yè)p耗的情況下，可以將UPFC的作用等效為其所在線路兩端的注入功率，如圖4所示：

圖中，ΔP_i與ΔQ_i為接入點(diǎn)i的等效可調(diào)有功與無(wú)功大小，ΔP_j與ΔQ_j為接入點(diǎn)j的等效可調(diào)有功與無(wú)功大小。

當(dāng)UPFC故障時(shí)，電網(wǎng)失去UPFC的潮流調(diào)節(jié)及無(wú)功調(diào)節(jié)能力。此時(shí)，UPFC接入點(diǎn)與常規(guī)母線及輸電線一致，如圖5所示：

二、對(duì)含有UPFC的電網(wǎng)可靠性評(píng)估：

本發(fā)明提出的對(duì)含有UPFC的電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，其包括如下步驟(參見圖6)

1)通過蒙特卡洛模擬法模擬系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，并建立狀態(tài)空間S，狀態(tài)空間中每一個(gè)元素都代表了一個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)S_i，系統(tǒng)狀態(tài)概率為p_i；

2)針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)S_i，分析當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)下是否包含電壓越限母線及潮流越限線路，記越限母線為B_i，記越限線路為L(zhǎng)_ij；

3)針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)S_i中每一個(gè)越限母線B_i，分析當(dāng)前越限母線B_i是否有統(tǒng)一潮流控制器接入：

ⅰ)若有統(tǒng)一潮流控制器接入，則生成0-1的隨機(jī)數(shù)，并與越限母線B_i下的故障概率q_UPFC進(jìn)行比較：

a.若隨機(jī)數(shù)小于或等于當(dāng)前母線下的統(tǒng)一潮流控制器故障概率，則當(dāng)前統(tǒng)一潮流控制器有故障，為消除電壓越限，削減負(fù)荷大小為α-load_i,1，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i×q_UPFC；

b.若隨機(jī)數(shù)大于當(dāng)前母線下的故障概率，則正常工作，調(diào)整統(tǒng)一潮流控制器注入量，消除母線電壓越限，削減負(fù)荷為0，切負(fù)荷概率為0；若調(diào)整后仍無(wú)法消除電壓越限，則仍需削減負(fù)荷大小β-load_i,1，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i×p_UPFC；

ⅱ)若不存在統(tǒng)一潮流控制器，為消除電壓越限，削減負(fù)荷load_i,1，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i，1＝p_i；

4)針對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)S_i中每一個(gè)越限線路L_ij，分析當(dāng)前越限線路L_ij是否有統(tǒng)一潮流控制器接入：

ⅰ)若有統(tǒng)一潮流控制器接入，則生成隨機(jī)數(shù)，并與線路L_ij下的故障概率q_UPFC比較：

a若隨機(jī)數(shù)小于或等于當(dāng)前線路下的故障概率，則當(dāng)前有故障，無(wú)法工作，為消除線路越限，削減負(fù)荷大小為α-load_i,2，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i×q_UPFC；

b、若隨機(jī)數(shù)大于當(dāng)前線路下的故障概率，則正常工作，調(diào)整統(tǒng)一潮流控制器注入量，消除線路越限，削減負(fù)荷為0，切負(fù)荷概率為0；若統(tǒng)一潮流控制器調(diào)整后仍無(wú)法消除線路越限，則削減負(fù)荷β-load_i,2，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i×p_UPFC；

ⅱ)若不存在統(tǒng)一潮流控制器，則削減負(fù)荷load_i,2，計(jì)算得到當(dāng)前狀態(tài)下的切負(fù)荷概率為p_i,2＝p_i；

5)計(jì)算完成，統(tǒng)計(jì)母線電壓越限、線路潮流越限造成的系統(tǒng)切負(fù)荷概率及切負(fù)荷量，得到可靠性指標(biāo)。

如上參照附圖及實(shí)施例描述了根據(jù)本發(fā)明提出的UPFC可靠性建模及其接入電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)于上述本發(fā)明所提出的UPFC可靠性建模及其接入電網(wǎng)可靠性評(píng)估方法，還可以在不脫離本發(fā)明內(nèi)容的基礎(chǔ)上做出各種改進(jìn)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由所附的權(quán)利要求書的內(nèi)容確定。