郝迎志

（濟(jì)寧中科環(huán)保電力有限公司，山東 濟(jì)寧 272100）

1 前言

配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)中直接連接用戶的部分，其能否穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于電能的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義，而其穩(wěn)定運(yùn)行則是建立在可靠性的基礎(chǔ)上。配電網(wǎng)的可靠性是指供電點(diǎn)到用戶之間的配電網(wǎng)和設(shè)備能夠滿足電用戶電力需求能力的度量，也就是說電力系統(tǒng)能夠?yàn)殡娪脩粽９┠艿目煽砍潭雀叩?。配電網(wǎng)的可靠性不僅與電用戶息息相關(guān)，并且還會(huì)間接影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。為了對(duì)配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行系統(tǒng)全面的評(píng)估，將蒙特卡洛法運(yùn)用于評(píng)估工作中，進(jìn)而能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中存在的缺陷，并采取有效的改善措施，提高配電網(wǎng)的可靠性，進(jìn)而為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定建立良好的基礎(chǔ)。

2 配電網(wǎng)可靠性評(píng)估原理

2.1 配電網(wǎng)可靠性評(píng)估指標(biāo)

在對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行可靠性評(píng)估的過程中，配電網(wǎng)相關(guān)的元件主要包括可用和不可用兩種類型。一個(gè)系統(tǒng)是由多個(gè)不同功能的元件為實(shí)現(xiàn)某一生產(chǎn)目的按照一定的結(jié)構(gòu)形式連接而成的，整個(gè)系統(tǒng)的可靠性評(píng)估是在元件故障數(shù)據(jù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已知的情況下，按照一定的方式進(jìn)行預(yù)測(cè)的，并且通過某些關(guān)鍵參數(shù)用以表征系統(tǒng)可靠性程度的高低。對(duì)于配電網(wǎng)而言，與其穩(wěn)定性相關(guān)的元件主要有斷路器、饋線、隔離開關(guān)、熔斷器以及變壓器等，這些元件在運(yùn)行過程中主要有供電和停運(yùn)兩種不同的狀態(tài)。用于評(píng)估配電網(wǎng)的指標(biāo)非常多，根據(jù)所采用評(píng)估對(duì)象的類型，可以將評(píng)估指標(biāo)分為負(fù)荷和系統(tǒng)指標(biāo)兩種不同的類型，其中，前者主要包括年故障停運(yùn)率、年平均停運(yùn)持續(xù)時(shí)間、平均停運(yùn)持續(xù)時(shí)間和負(fù)荷總用電量不足期望，后者主要包括系統(tǒng)平均停電頻率、用戶平均停電持續(xù)時(shí)間、系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間、平均供電可用率以及系統(tǒng)總電量不足指標(biāo)等。

2.2 配電網(wǎng)可靠性評(píng)估的蒙特卡洛法

蒙特卡洛法又被稱為統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，該方法被廣泛地應(yīng)用于復(fù)雜的系統(tǒng)工程領(lǐng)域。蒙特卡洛法的優(yōu)勢(shì)在于其計(jì)算過程中的收斂速度和誤差大小與問題本身的復(fù)雜程度或者空間的維數(shù)無關(guān)，而計(jì)算時(shí)間只與維數(shù)成一定的比例，這就能夠?qū)⑵溆糜诙嗑S問題的解決工作中。在將蒙特卡洛法運(yùn)用于配電網(wǎng)可靠性的評(píng)估過程中，根據(jù)其是否綜合考慮到系統(tǒng)狀態(tài)的時(shí)序性，可以將其細(xì)分為序貫仿真算法、非序貫仿真算法以及偽序貫仿真算法。其中，序貫仿真算法通過分析系統(tǒng)元件的故障率和修復(fù)率數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)系統(tǒng)所有元件的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行抽樣，就能得到具有一定隨機(jī)性的元件運(yùn)行修復(fù)曲線，再結(jié)合元件在系統(tǒng)中具體的位置，進(jìn)一步判斷其會(huì)對(duì)系統(tǒng)所造成的影響，最終就能得到反映配電網(wǎng)工作狀態(tài)的一個(gè)隨機(jī)狀態(tài)序列；非序貫仿真算法本質(zhì)上是一種非實(shí)時(shí)性質(zhì)的仿真方法，其通過分析每個(gè)構(gòu)成元件的強(qiáng)迫停運(yùn)率，在此基礎(chǔ)上，對(duì)元件的隨機(jī)狀態(tài)進(jìn)行直接抽驗(yàn)檢查，再將抽樣所得到的所有隨機(jī)狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步的組合，就能得到配電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行的隨機(jī)狀態(tài)；偽序貫仿真算法根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽樣技術(shù)形成系統(tǒng)的隨機(jī)狀態(tài)序列，并在其中進(jìn)行抽樣檢查，當(dāng)隨機(jī)抽取到配電網(wǎng)的故障狀態(tài)后，就進(jìn)行前向時(shí)序仿真和后向時(shí)序仿真，進(jìn)而對(duì)故障狀態(tài)的子序列進(jìn)行進(jìn)一步的考察，同時(shí)還能得到相應(yīng)的可靠性時(shí)間和頻率指標(biāo)，該種算法能夠有效提高抽樣效率，減少不必要的計(jì)算量，綜合了前兩種算法所具有的優(yōu)點(diǎn)。

3 基于故障遍歷的蒙特卡洛法

3.1 蒙特卡洛法仿真模型

本文采用的蒙特卡洛算法為序貫仿真算法，該算法能夠用于研究和預(yù)測(cè)模擬時(shí)間中的實(shí)際動(dòng)作情況，進(jìn)而就能獲取配電網(wǎng)運(yùn)行過程中的概率分布數(shù)據(jù)，再結(jié)合相應(yīng)的可靠性參數(shù)，對(duì)這些參數(shù)的平均預(yù)期值進(jìn)行科學(xué)合理的估算。根據(jù)蒙特卡洛法的相關(guān)理論可以得到，N個(gè)相同系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)模式在不同程度下的參數(shù)不盡相同，其中主要有系統(tǒng)故障、修復(fù)時(shí)間以及故障時(shí)間點(diǎn)等重要的時(shí)間參數(shù)，這些都與配電網(wǎng)隨機(jī)過程的性質(zhì)相關(guān)。在進(jìn)行序貫仿真算法的模擬過程中，整個(gè)配電網(wǎng)的工作和故障狀態(tài)是由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器和系統(tǒng)元件故障和修復(fù)的時(shí)間概率分布共同影響的，其中隨機(jī)數(shù)發(fā)生器是按照一定的時(shí)間順序生成的，這在具體的模擬過程中要予以充分的關(guān)注。

3.2 故障遍歷算法

配電網(wǎng)的主要功能就是為電用戶提供持續(xù)穩(wěn)定的電能，由于構(gòu)成配電網(wǎng)的元件相互之間會(huì)發(fā)生影響，一旦其中某個(gè)發(fā)生故障后，就會(huì)造成一個(gè)或多個(gè)負(fù)荷出現(xiàn)不同程度的缺電故障，這就會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成不利影響。采用蒙特卡洛法進(jìn)行模擬的過程中，其關(guān)鍵在于確定受到影響負(fù)荷點(diǎn)的具體位置，并對(duì)其工作/修復(fù)狀態(tài)歷史進(jìn)行初步的判斷，這些都是建立在充分了解配電網(wǎng)規(guī)劃和保護(hù)維修情況的基礎(chǔ)上。為了能夠確定受故障元件影響的停電負(fù)荷位置和具體的停電時(shí)間，并進(jìn)一步得到配電網(wǎng)相對(duì)于負(fù)荷的供電可靠率，這就需要采用相應(yīng)的搜索方法完成。當(dāng)前常用的故障遍歷算法主要有廣度優(yōu)先搜索算法和深度優(yōu)先搜索算法兩種不同的類型，在實(shí)際的應(yīng)用過程中，要結(jié)合具體的搜索需求進(jìn)行有針對(duì)性的選擇。

3.3 故障遍歷搜索算法

故障遍歷的作用是：通過對(duì)故障范圍進(jìn)行科學(xué)合理的劃分，并結(jié)合具體的運(yùn)行需求將故障進(jìn)行有效的隔離，進(jìn)而就能進(jìn)一步確定負(fù)荷的具體類型。故障遍歷搜索算法是建立在網(wǎng)絡(luò)等值或網(wǎng)絡(luò)分區(qū)的基礎(chǔ)上，將等值元件或區(qū)域作為基礎(chǔ)的搜索單元，這樣所需要進(jìn)行的搜索工作量較小，有助于提高搜索效率。但是每次搜索完成之后，需要對(duì)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)，這就會(huì)影響評(píng)估結(jié)果的精度，并且還會(huì)增加計(jì)算工作量。本文將配電網(wǎng)的實(shí)際元件作為基本單元進(jìn)行故障遍歷搜索，在計(jì)算的過程中，不需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行重構(gòu)，結(jié)合深度優(yōu)先算法，建立相應(yīng)的元件搜索狀態(tài)表，進(jìn)而能夠大大降低配電網(wǎng)的搜索工作量。

故障遍歷搜索算法具體的搜索過程為：針對(duì)配電網(wǎng)建立相應(yīng)的元件搜索狀態(tài)表→抽樣元件和對(duì)故障動(dòng)作元件進(jìn)行科學(xué)合理的判斷→以故障元件作為起始點(diǎn)，同時(shí)向父方向和子方向進(jìn)行斷路器搜索，并且還要將搜索到的斷路器及時(shí)記錄到元件搜索狀態(tài)表中→對(duì)開關(guān)元件的開合狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)故障的有效隔離，避免其造成更大范圍的影響→模擬重合→對(duì)負(fù)荷類型進(jìn)行科學(xué)合理的分類。

4 配電網(wǎng)蒙特卡洛法評(píng)估

4.1 配電網(wǎng)蒙特卡洛法評(píng)估流程

假設(shè)配電網(wǎng)一共有N個(gè)元件，每個(gè)元件的故障率和修復(fù)時(shí)間分別為λi和μi，i=1，2，…，N。配電網(wǎng)的蒙特卡洛法評(píng)估流程如下所示：①獲取配電網(wǎng)中所有的原始數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行初始化處理；②采用隨機(jī)數(shù)生成程序形成與元件數(shù)量相當(dāng)?shù)碾S機(jī)數(shù)δ1，δ2，…，N；③結(jié)合隨機(jī)數(shù)分別計(jì)算出每個(gè)元件的無故障運(yùn)行時(shí)間Tw=-lnδ/λ；④在配電網(wǎng)的所有元件中，將其中無故障運(yùn)行時(shí)間最短的元件作為相應(yīng)的故障元件，就能進(jìn)一步得到配電網(wǎng)最短的運(yùn)行時(shí)間TTF=min（Tw），然后將模擬系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間調(diào)至相應(yīng)的仿真時(shí)間MCTime；⑤通過抽樣獲取相應(yīng)的故障元件之后，并對(duì)該故障元件的類型進(jìn)行進(jìn)一步的判斷；⑥采用故障遍歷搜索對(duì)發(fā)生故障后配電網(wǎng)內(nèi)部的負(fù)荷種類進(jìn)行判斷和分類，并統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的指標(biāo)；⑦對(duì)仿真模擬進(jìn)度的時(shí)間MCTime 進(jìn)行判斷，當(dāng)其小于總的仿真年限時(shí)，需要轉(zhuǎn)至②，否則繼續(xù)；⑧若計(jì)及元件計(jì)劃?rùn)z修，則生成相應(yīng)的隨機(jī)數(shù)；⑨計(jì)算負(fù)荷點(diǎn)可靠性的各項(xiàng)指標(biāo)，計(jì)算系統(tǒng)的各項(xiàng)可靠性指標(biāo)。

4.2 蒙特卡洛法可靠性評(píng)估軟件設(shè)計(jì)

配電網(wǎng)可靠性評(píng)估軟件的基本功能結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)可靠性評(píng)估軟件基本功能圖

其中，編輯菜單主要包括變壓器、斷路器、隔離開關(guān)以及聯(lián)絡(luò)開關(guān)等元件，需要結(jié)合具體的配電網(wǎng)進(jìn)行有針對(duì)性的選擇。在軟件中選定需要進(jìn)行計(jì)算的配電網(wǎng)后，并輸入其實(shí)際的運(yùn)行參數(shù)，就能采用蒙特卡洛法對(duì)配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行評(píng)估，其具體的計(jì)算界面如圖2 所示。

圖2 蒙特卡洛方法計(jì)算界面圖

5 結(jié)語(yǔ)

總而言之，配電網(wǎng)作為電力系統(tǒng)連接電用戶的終端，其穩(wěn)定性對(duì)于電能的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)具有決定性的影響，進(jìn)而影響到電用戶的體驗(yàn)。因此，為了保障電用戶的電能需求，就要對(duì)配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行系統(tǒng)全面的評(píng)估，通過將蒙特卡洛法運(yùn)用于配電網(wǎng)可靠性的評(píng)估工作中，能夠?qū)φ麄€(gè)配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效的評(píng)估，并結(jié)合評(píng)估結(jié)果采取有針對(duì)性的改善措施，進(jìn)而促進(jìn)配電網(wǎng)可靠性的不斷提高，為電能的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)提供可靠保障，進(jìn)而為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。