基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，包括以下步驟：假設(shè)高壓直流輸電系統(tǒng)中的各元件之間功能上相互獨立，將高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化；對等效轉(zhuǎn)化后的高壓直流輸電系統(tǒng)進(jìn)行串并聯(lián)結(jié)構(gòu)分解，得到該系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)；獲取高壓直流輸電系統(tǒng)中元件可靠性參數(shù)，計算元件狀態(tài)?概率分布函數(shù)；元件狀態(tài)?概率分布函數(shù)進(jìn)行Z變換計算元件U函數(shù)；根據(jù)功能函數(shù)分別對各子系統(tǒng)U函數(shù)進(jìn)行計算；根據(jù)高壓直流輸電系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖計算高壓直流輸電系統(tǒng)的狀態(tài)概率分布函數(shù)。本發(fā)明實現(xiàn)了對HVDC輸電系統(tǒng)在時域內(nèi)的狀態(tài)概率分布函數(shù)計算，即可以預(yù)判實時可靠性，為制定相應(yīng)的檢修計劃及優(yōu)化決策奠定基礎(chǔ)。
【專利說明】
基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及系統(tǒng)可靠性計算領(lǐng)域，具體涉及基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系 統(tǒng)可靠性計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 高壓直流(High Voltage Direct Current,HVDC)輸電系統(tǒng)運行行為的可靠性計 算是交直流混合電網(wǎng)進(jìn)行規(guī)劃、運行控制決策的基礎(chǔ)，獲取HVDC輸電系統(tǒng)可靠性和構(gòu)成 HVDC輸電系統(tǒng)的設(shè)備可靠性之間的顯函數(shù)關(guān)系是決定其規(guī)劃、控制和決策的根本。
[0003] HVDC輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備多，且運行狀態(tài)隨送受端電網(wǎng)運行狀態(tài)、HVDC輸電系 統(tǒng)自身狀態(tài)的改變而改變，在電網(wǎng)規(guī)劃、控制和決策中考慮其在時域內(nèi)的可靠性變化規(guī)律 很有必要。傳統(tǒng)計算系統(tǒng)可靠性的方法主要包括狀態(tài)枚舉法和蒙特卡洛模擬法。狀態(tài)枚舉 法可以獲取系統(tǒng)在某一個時間點處的可靠性指標(biāo)，得到元件性能變化對系統(tǒng)可靠性變化的 影響。但是該方法隨著系統(tǒng)元件數(shù)目的增加，受到"維數(shù)災(zāi)難"的限制，難以在大系統(tǒng)中廣泛 應(yīng)用。蒙特卡洛模擬可以計算系統(tǒng)在一段時間內(nèi)可靠性指標(biāo)的期望值，但是該方法不能得 到系統(tǒng)可靠性和元件可靠性之間的確定的顯函數(shù)關(guān)系，無法分析系統(tǒng)運行時元件性能變化 對系統(tǒng)可靠性的影響。依據(jù)此類方法形成的可靠性指標(biāo)僅限于HVDC輸電系統(tǒng)的規(guī)劃與設(shè)計 階段、中長期檢修決策的檢驗等應(yīng)用，但當(dāng)需要結(jié)合受端電網(wǎng)運行狀態(tài)及其自身狀態(tài)，計算 運行可靠性時，上述方法受到諸多限制因素實現(xiàn)有效應(yīng)用。
[0004] 因此，有必要尋求一種能夠預(yù)判HVDC輸電系統(tǒng)實時可靠性，為檢修計劃及優(yōu)化決 策奠定基礎(chǔ)的HVDC輸電系統(tǒng)可靠性計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明公開了基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系 統(tǒng)可靠性計算方法，用以解決適應(yīng)檢修計劃及優(yōu)化決策的HVDC輸電系統(tǒng)可靠性計算方法問 題。
[0006] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體方案如下：
[0007] 基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，包括以下步驟：
[0008] 假設(shè)高壓直流輸電系統(tǒng)中的各基礎(chǔ)元件之間功能上相互獨立，劃分高壓直流輸電 系統(tǒng)的各子系統(tǒng)，根據(jù)各子系統(tǒng)關(guān)系形成高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；
[0009] 根據(jù)各子系統(tǒng)的串并聯(lián)關(guān)系，對高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化，形成 便于高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算的等效轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)圖；
[0010] 獲取高壓直流輸電系統(tǒng)中各基礎(chǔ)元件的可靠性參數(shù)，計算各基礎(chǔ)元件的狀態(tài)-概 率分布函數(shù)；
[0011] 對基礎(chǔ)各元件狀態(tài)-概率分布函數(shù)進(jìn)行Z變換計算各基礎(chǔ)元件的U函數(shù)；
[0012] 根據(jù)各基礎(chǔ)元件的u函數(shù)分別對各子系統(tǒng)的U函數(shù)進(jìn)行計算；
[0013] 根據(jù)高壓直流輸電系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖計算高壓直流輸電系統(tǒng)的U函數(shù)，U函數(shù)即是對 系統(tǒng)可靠性的一種表達(dá)方式，其中的系數(shù)和指數(shù)就表達(dá)了高壓直流輸電系統(tǒng)在某種特定狀 態(tài)下概率。
[0014] 進(jìn)一步的，所述基礎(chǔ)元件包括高壓直流輸電系統(tǒng)中的單個閥組、單臺換流變壓器、 單臺交流濾波器、單臺電容器、單直流極設(shè)備、直流輸電線路等具備可靠性數(shù)據(jù)統(tǒng)計的基礎(chǔ) 設(shè)備。
[0015] 進(jìn)一步的，所述各子系統(tǒng)包括換流橋子系統(tǒng)、換流變壓器子系統(tǒng)、交流濾波器子系 統(tǒng)、直流極設(shè)備子系統(tǒng)、直流輸電線路子系統(tǒng)及保護(hù)與控制子系統(tǒng)。
[0016] 進(jìn)一步的，等效轉(zhuǎn)化后的高壓直流輸電系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)通過串聯(lián)及并聯(lián)形成高 壓直流系統(tǒng)；
[0017] 各子系統(tǒng)串聯(lián)形成的串聯(lián)系統(tǒng)的性能值取決于串聯(lián)元件中有效傳輸功率最小的 元件，根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)中所有元件的U函數(shù)，計算串聯(lián)系統(tǒng)的U函數(shù)；
[0018] 高壓直流輸電系統(tǒng)中并聯(lián)元件能夠傳輸?shù)碾姽β实扔谒性軌騻鬏數(shù)墓β?之和，根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)中所有元件的U函數(shù)，可計算各子系統(tǒng)并聯(lián)形成的并聯(lián)系統(tǒng)的U函數(shù)。
[0019] 進(jìn)一步的，對于換流橋子系統(tǒng)，邏輯上，換流橋子系統(tǒng)由兩個6脈動換流器串聯(lián)構(gòu) 成，任意一個6脈動換流器故障都將導(dǎo)致?lián)Q流橋子系統(tǒng)故障，假設(shè)設(shè)置一個閥組備用，計算6 脈動換流器、換流橋子系統(tǒng)的U函數(shù)。
[0020] 進(jìn)一步的，對于換流變壓器子系統(tǒng)，換流變壓器的型號影響其數(shù)量及備用模式，對 于單相雙繞組變壓器，則一個6脈動換流器對應(yīng)3臺換流變壓器，設(shè)置1臺處于備用換流變壓 器，得到換流變壓器子系統(tǒng)的U函數(shù)。
[0021 ]進(jìn)一步的，對于交流濾波子系統(tǒng)，假設(shè)交流濾波子系統(tǒng)由兩組交流濾波器記為A和 兩組電容器記為B構(gòu)成，A和B在邏輯上屬于并聯(lián)系統(tǒng)，計算交流濾波子系統(tǒng)、A和B的狀態(tài)概 率分布函數(shù)，從而計算得交流濾波子系統(tǒng)的U函數(shù)。
[0022]進(jìn)一步的，對于直流極設(shè)備子系統(tǒng)，存在四種狀態(tài):雙極極設(shè)備正常工作;正極極 設(shè)備正常工作，負(fù)極極設(shè)備故障;正極極設(shè)備故障，負(fù)極極設(shè)備正常工作;雙極極設(shè)備故障； 假設(shè)對正負(fù)極設(shè)備進(jìn)行整體備用，計算得到極設(shè)備子系統(tǒng)的U函數(shù)。
[0023] 進(jìn)一步的，對于控制與保護(hù)子系統(tǒng)，工作通道發(fā)生故障后，切換邏輯將其退出工 作，處于熱備用狀態(tài)的通道自動切換到工作狀態(tài)，且切換工程不對系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的干擾，只 有當(dāng)兩套保護(hù)系統(tǒng)同時故障時，控制與保護(hù)子系統(tǒng)才會發(fā)生故障，據(jù)此，計算得到控制與保 護(hù)子系統(tǒng)的U函數(shù)。
[0024] 進(jìn)一步的，根據(jù)各子系統(tǒng)中構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)或并聯(lián)系統(tǒng)，計算高壓直流輸電系統(tǒng) 的U函數(shù)。
[0025]本發(fā)明的有益效果：
[0026]本發(fā)明基于UGF方法在計算系統(tǒng)可靠性優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對HVDC輸電系統(tǒng)進(jìn)行串并 聯(lián)結(jié)構(gòu)分解，實現(xiàn)基于UGF方法計算HVDC輸電系統(tǒng)在研究周期內(nèi)的狀態(tài)概率分布函數(shù)。 [0027]本發(fā)明計算數(shù)據(jù)為HVDC輸電系統(tǒng)中基礎(chǔ)元件的可靠性參數(shù)，數(shù)據(jù)來源方便、易獲 ?。?br>[0028]本發(fā)明實現(xiàn)了對HVDC輸電系統(tǒng)在時域內(nèi)的狀態(tài)概率分布函數(shù)計算，即可以預(yù)判實 時可靠性，為制定相應(yīng)的檢修計劃及優(yōu)化決策奠定基礎(chǔ)。
【附圖說明】
[0029] 圖1為串聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0030] 圖2為并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0031 ]圖3為雙12脈波串聯(lián)接線方式的HVDC輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0032] 圖4為雙12脈波串聯(lián)接線方式的HVDC輸電系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)圖；
[0033] 圖5為基于通用生成函數(shù)的HVDC輸電系統(tǒng)可靠性計算流程圖；
[0034]圖6(a)-圖6(f)分別為無檢修計劃條件下子系統(tǒng)S1~S6可靠性變化規(guī)律；
[0035] 圖7為無檢修計劃條件下HVDC輸電系統(tǒng)狀態(tài)可靠性變化曲線；
[0036] 圖8為給定檢修計劃條件下HVDC輸電系統(tǒng)運行可靠性變化曲線。
【具體實施方式】：
[0037] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：
[0038] 關(guān)于：UGF方法，通用生成函數(shù)（Universal Generating Function,UGF)方法是一 種計算離散隨機變量組合運算的高效方法，依賴離散隨機變量X的矩量母函數(shù)，對X的概率 密度分布函數(shù)進(jìn)行Z變換，在系統(tǒng)元件功能相互獨立的前提下，快速計算得到系統(tǒng)狀態(tài)概率 分布函數(shù)。已知元件的狀態(tài)概率分布函數(shù)時，UGF方法利用系統(tǒng)與元件間的邏輯關(guān)系（串聯(lián) 系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)、橋型結(jié)構(gòu)系統(tǒng)等），確定UGF算子，計算出系統(tǒng)的狀態(tài)概率分布函數(shù)。UGF方 法計算系統(tǒng)的狀態(tài)概率分布函數(shù)時，不受元件狀態(tài)概率分布函數(shù)的計算方法的限制，適用 范圍廣;在計算系統(tǒng)狀態(tài)概率分布函數(shù)過程中，進(jìn)行合并同類項操作，降低中間狀態(tài)數(shù)量， 一定程度上避免"維數(shù)災(zāi)難"，提高計算效率；同時，UGF方法遞歸調(diào)用典型邏輯結(jié)構(gòu)的功能 函數(shù)，有層次性的計算系統(tǒng)的狀態(tài)概率分布函數(shù)。
[0039]元件的U函數(shù)：元件是構(gòu)成特定系統(tǒng)的最小元素。HVDC輸電系統(tǒng)中的基礎(chǔ)元件特 指:換流變壓器、直流輸電線路、晶閘管、隔離開關(guān)、平波電容器、交流濾波電容器等。從可靠 性角度講，元件的狀態(tài)是指在系統(tǒng)隨時間變化的運行過程中，元件所表現(xiàn)出來的工作形態(tài)， 如:可靠與不可靠的兩個狀態(tài)，可靠、部分可靠與不可靠的三個狀態(tài)等。
[0040]假設(shè)元件j存在k個性能水平不同的狀態(tài)，用狀態(tài)集合gj={gjl，"_，g jk}表示。在系 統(tǒng)的生命周期[0，T]內(nèi)，元件j在任意時刻t (0< t<T)的性能值是一個隨機變量，該性能值 一定是集合gj中的某一個元素。用概率集合Pj(t) = {pji(t)，…，Pjk(t)}表示元件j在任意時 亥ij t處在各個狀態(tài)的概率。
[0041]概率表達(dá)式pji(t)=Pr{Gi(t)=gji}將元件j的狀態(tài)集合和概率集合聯(lián)系起來，即 表達(dá)了元件j在各狀態(tài)的狀態(tài)性能概率分布。顯然，元件j在任意時刻t 一定處在狀態(tài)集合gj 中的某一個狀態(tài)，其對應(yīng)的概率和等于1。
[0042] 1=1
[0043]將元件j的狀態(tài)性能概率分布進(jìn)行數(shù)學(xué)上等效變換，表達(dá)成多項式形式：
[0044]
[0045] 式中，多項式
的系數(shù)Pji對應(yīng)元件j處在狀態(tài)gi的概率，多項式指數(shù)gi對應(yīng)元件性能 值，Z為U函數(shù)基本算子，式(2)稱為元件j的u函數(shù)。根據(jù)式（1)和(2)可知，借助元件U函數(shù)可 實現(xiàn)對元件概率-性能聯(lián)合分布函數(shù)的等效表達(dá)。
[0046]微觀上，元件是構(gòu)成特定系統(tǒng)的最小元素，這是元件進(jìn)行Z變換的最小的物理單 位，依據(jù)元件的劣化過程和維修過程來確定其狀態(tài)性能概率分布，在本專利中，具備可靠性 統(tǒng)計數(shù)據(jù)的元件可認(rèn)為是微觀上的元件，為表述清楚，稱之為基礎(chǔ)元件。宏觀上，在功能上 獨立、可劃分于某一子系統(tǒng)內(nèi)、進(jìn)行功能合并表達(dá)的若干基礎(chǔ)元件的集合亦可稱之元件，為 表述清楚，將此類基礎(chǔ)元件組成的元件成為系統(tǒng)元件。定義宏觀意義上面的系統(tǒng)元件，為使 用UGF方法進(jìn)行遞歸運算提供了邏輯上的可能性。
[0047]串并聯(lián)系統(tǒng)的功能函數(shù):HVDC輸電系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)錯綜復(fù)雜，究其根本是元件的 串并聯(lián)組合構(gòu)成的。據(jù)此，本節(jié)分別對串聯(lián)系統(tǒng)、并聯(lián)系統(tǒng)的功能函數(shù)重點說明。
[0048]假設(shè)系統(tǒng)中所有元件在功能上相互獨立，則由元件組合構(gòu)成的系統(tǒng)概率等于各元 件概率的乘積，系統(tǒng)的性能由元件的性能值和系統(tǒng)的功能函數(shù)共同確定。
[0049] 圖1是串聯(lián)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。在HVDC輸電系統(tǒng)中，串聯(lián)系統(tǒng)的性能值取決于串聯(lián)元件 中有效傳輸功率最小的元件，故串聯(lián)系統(tǒng)的功能函數(shù)可表示為：
[0050] 0, (G,, · ·, Cl.) = inin |G,, · · ·, G,.} (3)
[0051 ] 式中，Gn為元件En對應(yīng)的性能值。
[0052]若已經(jīng)知道所有元件的U函數(shù)，則串聯(lián)系統(tǒng)的U函數(shù)可表示為：
[0053]
v4)
[0054] 式中，η為串聯(lián)元件的個數(shù)，巧6為第j個元件處于狀態(tài)h下的概率，k為各元件的狀 態(tài)數(shù)，·，…，'為各元件在不同狀態(tài)下的性能值。
[0055] 根據(jù)式(3)，可將式(4)轉(zhuǎn)化為：
[0056]
(5)
[0057] 根據(jù)式(6)對U函數(shù)中指數(shù)相同項進(jìn)行合并同類項操作，即可有效降低得到的U函 數(shù)的狀態(tài)數(shù)量，減少系統(tǒng)可靠性計算的中間狀態(tài)，有效降低系統(tǒng)運算強度。
[0058]
(6)：
[0059] 式中，Pl、W分別為元件功能值為gl、gj時的概率。
[0060] 圖2是并聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。HVDC輸電系統(tǒng)中并聯(lián)元件能夠傳輸?shù)碾姽β实扔谒性?件能夠傳輸?shù)墓β手汀２⒙?lián)系統(tǒng)的功能函數(shù)為：
[0061]
/-1
[0062] 進(jìn)而可以得到并聯(lián)系統(tǒng)的狀態(tài)性能概率分布：
[0063]
[0064] 式中，η為串聯(lián)元件的個數(shù)，/?為第j個元件處于狀態(tài)h下的概率，k為各元件的狀 態(tài)數(shù)，& W 為各元件在不同狀態(tài)下的性能值。
[0065] 可見，將HVDC輸電系統(tǒng)分解為一系列的串并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)時，利用式（3)至式(8)可 以快速計算出子系統(tǒng)的U函數(shù)，將子系統(tǒng)看成宏觀的系統(tǒng)元件，進(jìn)一步分解HVDC輸電系統(tǒng)， 遞歸調(diào)用式(3)至式(8)，快速計算得到HVDC輸電系統(tǒng)的U函數(shù)，進(jìn)而得到HVDC輸電系統(tǒng)的性 能狀態(tài)概率分布。
[0066] 關(guān)于HVDC輸電系統(tǒng)內(nèi)各子系統(tǒng)可靠性計算：
[0067] HVDC輸電系統(tǒng)的元件多，選擇一定的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行子系統(tǒng)的劃分是完成HVDC輸電系統(tǒng) 功能分解的核心。按照元件的備用模式及元件故障對系統(tǒng)功能的影響，將HVDC輸電系統(tǒng)分 為6大子系統(tǒng)，分別為:換流橋子系統(tǒng)、換流變壓器子系統(tǒng)、交流濾波子系統(tǒng)、直流極設(shè)備子 系統(tǒng)、直流輸電線路子系統(tǒng)、控制與保護(hù)子系統(tǒng)，分別用S1、S2、S3、S4、S5、S6表不各子系統(tǒng)。 選擇典型的雙12脈波串聯(lián)接線方式的HVDC輸電系統(tǒng)作為研究對象，圖3為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 [0068]當(dāng)前對HVDC輸電系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分別是基礎(chǔ)元件級別（例如，換流變壓 器的故障率、修復(fù)率以及更換時間等)和系統(tǒng)層面(例如，雙極停運次數(shù)、單極停運次數(shù)等）， 并未對各子系統(tǒng)單獨進(jìn)行可靠性統(tǒng)計。本質(zhì)上，子系統(tǒng)是由若干元件按照一定方式組合并 完成某一特定功能。基于基礎(chǔ)元件層面統(tǒng)計得到的可靠性參數(shù)，分析子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，計算子 系統(tǒng)在時域內(nèi)的可靠性函數(shù)，可以為HVDC輸電系統(tǒng)可靠性的計算奠定基礎(chǔ)。假設(shè)設(shè)備存在2 狀態(tài)，使用Markov模型可以計算其在時域內(nèi)可靠性函數(shù)。
[0069] 換流橋子系統(tǒng):任意一個閥組故障，將導(dǎo)致6脈動換流器故障，從而引起HVDC輸電 系統(tǒng)的整流/逆變過程中持續(xù)的換相失敗。邏輯上，換流橋子系統(tǒng)由兩個6脈動換流器串聯(lián) 構(gòu)成，任意一個6脈動換流器故障都將導(dǎo)致?lián)Q流橋子系統(tǒng)故障。假設(shè)設(shè)置一個閥組備用，計 算6脈動換流器、換流橋子系統(tǒng)的實時可靠性函數(shù)。
[0070] (/) = 1-(1- a / ) · (1 -& / ) (9)
[0071] pi,i(t) =Rsi(t) · Rsi(t) (10)
[0072] 式中，人:為閥組故障率;Rsl(t)為考慮閥組備用的6脈動換流器正常工作的概率； P1,1 (t)為換流橋子系統(tǒng)正常工作的概率。
[0073] 狀態(tài)概率分布函數(shù)一般指某一時間斷面下元件的狀態(tài)與概率的關(guān)系，實時可靠性 函數(shù)能夠表示狀態(tài)概率隨時間的變化，即添加了時間變量t。
[0074] 依據(jù)式(2)得到其U函數(shù)，如式（11)，其中：z的指數(shù)中1表示工作狀態(tài)，0表示故障狀 ??τ 〇
[0075] usi(z,t)=pi,i(t) * z^pi.oCt) · z° (11)
[0076] 換流變壓器子系統(tǒng)：任意一臺換流變壓器發(fā)生故障將導(dǎo)致?lián)Q流變壓器子系統(tǒng)故 障，其可靠性計算原理與換流橋子系統(tǒng)一致。不同之處在于換流變壓器的型號影響其數(shù)量 及備用模式，本方法選擇單相雙繞組變壓器作為研究對象。則一個6脈動換流器對應(yīng)3臺換 流變壓器，設(shè)置1臺處于備用換流變壓器，得到換流變壓器子系統(tǒng)的U函數(shù)：
[0077] US2(z,t)=P2,l(t) * Z1+P2,〇(t) · z° (12)
[0078] /?s,(/) = I -(1 -/：J , )(!-(- /：;;) (13)
[0079] p2,i(t) =Rs2(t) · Rs2(t) (14)
[0080] 式中，人2為換流變壓器故障率；Rs2(t)為考慮備用的換流變壓器組正常工作的概 率;p 2>1(t)為換流變壓器子系統(tǒng)正常工作的概率;us2為換流變壓器子系統(tǒng)的U函數(shù)。
[0081] 交流濾波子系統(tǒng)：交流濾波子系統(tǒng)由一定數(shù)量的交流濾波器和電容器組合而成， 結(jié)合所連接電網(wǎng)運行容量等因素確定其投運數(shù)量與容量。假設(shè)交流濾波子系統(tǒng)由兩組交流 濾波器(單組交流濾波器記為A)和兩組電容器(單組電容器記為B)構(gòu)成，A和B在邏輯上屬于 并聯(lián)系統(tǒng)。不同的交流濾波器和電容器組合時，其具備的無功補償能力及濾波能力不同，從 而影響HVDC輸電系統(tǒng)的運行控制方式等，出現(xiàn)降壓運行等工況，出現(xiàn)多個非額定傳輸容量 狀態(tài)(例如，降壓80 %運行，對應(yīng)的HVDC輸電系統(tǒng)傳輸容量為額定傳輸容量的80 % )。濾波器 組合及對應(yīng)的系統(tǒng)傳輸容量狀態(tài)結(jié)果如表1。
[0082] 表1濾波器組合及對應(yīng)的系統(tǒng)容量狀態(tài)
[0083]
[0084] PA1 (t)、PAQ (t)、PB1 (t)、PBQ (t)表示A和B對應(yīng)的正常狀態(tài)概率函數(shù)和故障狀態(tài)概率 函數(shù)，λ3、λ4分別為A和B的故障率，根據(jù)式（12)可計算交流濾波子系統(tǒng)、A和B的狀態(tài)概率分布 函數(shù)，從而計算得交流濾波子系統(tǒng)的U函數(shù)：
[0085] US3(Z，t)=P3,4(t) · Z4+P3,3(t) · Z3+P3,2(t) · Z2+P3,l(t) · zi+ps.tKt) · Z〇 (15)
[0086]
[0087]
[0088] 式中43,443,343,243,1、口3,()分別為交流濾波子系統(tǒng)處于狀態(tài)4、3、2、1、0下的概 率。
[0089] 直流極設(shè)備子系統(tǒng):直流極設(shè)備子系統(tǒng)包括換流站兩極的平波電容器和直流濾波 器，存在四種狀態(tài):雙極極設(shè)備正常工作;正極極設(shè)備正常工作，負(fù)極極設(shè)備故障;正極極設(shè) 備故障，負(fù)極極設(shè)備正常工作;雙極極設(shè)備故障。假設(shè)對正負(fù)極設(shè)備進(jìn)行整體備用，計算得 到極設(shè)備子系統(tǒng)的U函數(shù)。
[0090] US4(z,t)=P4,l(t) · Z2+P4,〇(t) · z° (18)
[0091] &4(〇 =卜 ?Γ如 (19)
[0092]
(20)
[0093] 式中，λ5為極設(shè)備故障率;Rs4(t)為極設(shè)備正常工作的概率;p4>1(t)為考慮極設(shè)備 備用時的極設(shè)備子系統(tǒng)的正常工作的概率;P4,o(t)為考慮極設(shè)備備用時極設(shè)備子系統(tǒng)的故 障概率。
[0094]直流輸電線路子系統(tǒng):HVDC輸電線路子系統(tǒng)在地理范圍上跨越距離大，自然環(huán)境 變化大，需要分段分別統(tǒng)計由于外界環(huán)境不同導(dǎo)致的線路故障，例如山區(qū)、多雷雨區(qū)等。同 時HVDC輸電線路子系統(tǒng)的電氣設(shè)備主要屬于暴露型設(shè)備，其受到外界自然條件的變化影響 明顯，計算其實時可靠性函數(shù)時，需要將自然環(huán)境變化等因素考慮進(jìn)來。綜合考慮影響輸電 線路可靠性的自身因素（即設(shè)備狀態(tài))和外在因素（即暴露型設(shè)備受到外界自然環(huán)境變化的 影響），采用式(15)計算直流輸電線路子系統(tǒng)的U函數(shù)。
[0095] US5(Z，t)=P5,l(t) · Z2+P5,0(t) · z0 (21)
[0096]
(22)
[0097] 式中，λ6為直流輸電線路每l〇〇km的平均故障率;p5>1(t)為直流輸電線路子系統(tǒng)正 常工作的概率;p 5,0(t)為直流輸電線路子系統(tǒng)的故障概率。
[0098] 控制與保護(hù)子系統(tǒng):控制與保護(hù)子系統(tǒng)常采用雙重化或者"三取二"表決設(shè)計。本 方法考慮其采用雙重化設(shè)計方案，其中一個通道工作，另一個通道熱備用。當(dāng)工作通道發(fā)生 故障后，切換邏輯將其退出工作，處于熱備用狀態(tài)的通道自動切換到工作狀態(tài)，且切換工程 不對系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的干擾。由于雙重化設(shè)計，只有當(dāng)兩套保護(hù)系統(tǒng)同時故障時，控制與保護(hù) 子系統(tǒng)才會發(fā)生故障。據(jù)此，計算得到控制與保護(hù)子系統(tǒng)的的U函數(shù)。
[0099] US6(Z，t)=P6，l(t) · Z4+P6，Q(t) · Z。(23)
[0100]
(24)
[0101] = 卜-c'.' （25)
[0102] 式中，PS6,o(t)為單套保護(hù)系統(tǒng)故障狀態(tài)概率;P6,i(t)為控制與保護(hù)子系統(tǒng)正常工 作的概率;P6,Q(t)為控制與保護(hù)子系統(tǒng)的故障概率;λ 7為控制與保護(hù)子系統(tǒng)的平均故障率。
[0103] HVDC輸電系統(tǒng)可靠性計算
[0104] 對HVDC輸電系統(tǒng)整體進(jìn)行系統(tǒng)可靠性計算時，均假設(shè)系統(tǒng)元件之間功能上相互獨 立。據(jù)此，圖3中HVDC輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可以等效轉(zhuǎn)化為圖4所示的結(jié)構(gòu)圖。
[0105] 依據(jù)2.2節(jié)所述和HVDC輸電系統(tǒng)備用模式，可計算各子系統(tǒng)的狀態(tài)概率分布函數(shù)， 即Pi j (t)表示子系統(tǒng)i在狀態(tài)j的概率函數(shù)。圖4所示的HVDC輸電系統(tǒng)具有五個狀態(tài)，對應(yīng)的 傳輸容量為1〇〇%、75%、50%、25%、0%，分別用4、3、2、1、0表示。
[0106] 子系統(tǒng)S1、S2構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)表示為f1;子系統(tǒng)S4、S5構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)表示為f2;子 系統(tǒng)S3、S6構(gòu)成的串聯(lián)系統(tǒng)表示為f 3。如圖2所示。根據(jù)式(3)至式(8)，系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)函數(shù) 為：
[0112] 將式(27)代入式(26)即可得到HVDC輸電系統(tǒng)的狀態(tài)概率分布函數(shù)：
[0113]
[0114] 基于UGF方法的HVDC輸電系統(tǒng)可靠性計算方法具體步驟：
[0115] 在上述基本方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明涉及的HVDC輸電系統(tǒng)可靠性計算方法具體步驟 如下，流程圖如圖5所示：
[0116] 1)輸入HVDC輸電系統(tǒng)中基礎(chǔ)元件可靠性參數(shù)等計算數(shù)據(jù)；
[0117 ] 2)根據(jù)Η V D C輸電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為6大子系統(tǒng)：換流橋子系統(tǒng)、換流變壓器子系統(tǒng)、 交流濾波器子系統(tǒng)、直流極設(shè)備子系統(tǒng)、直流輸電線路子系統(tǒng)、控制與保護(hù)子系統(tǒng)；
[0118] 3)根據(jù)式(9)、（10)、（13)、（14)、（16)、（17)、（19)、（20)、（22)、（24)、（25)計算各子 系統(tǒng)的實時可靠性函數(shù)；
[0119] 4)根據(jù)式(11)、（12)、（15)、（18)、（21)、（23)得到各子系統(tǒng)1]函數(shù)；
[0120] 5)根據(jù)各子系統(tǒng)間的串、并聯(lián)關(guān)系，對HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行等效變換，變換前后子 系統(tǒng)可靠性對HVDC系統(tǒng)可靠性的影響不發(fā)生變化；
[0121] 6)根據(jù)HVDC系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖和式(28)計算HVDC輸電系統(tǒng)U函數(shù)，根據(jù)U函數(shù)中的系 數(shù)和指數(shù)即構(gòu)成了對HVDC系統(tǒng)的可靠性表達(dá)；
[0122] 7)輸出計算結(jié)果。
[0123] 本發(fā)明基于UGF方法在計算系統(tǒng)可靠性優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，對HVDC輸電系統(tǒng)進(jìn)行串并 聯(lián)結(jié)構(gòu)分解，實現(xiàn)基于UGF方法計算HVDC輸電系統(tǒng)在研究周期內(nèi)的狀態(tài)概率分布函數(shù)。
[0124] 本發(fā)明的具體優(yōu)點表現(xiàn)在以下二點：
[0125] 1)計算數(shù)據(jù)為HVDC輸電系統(tǒng)中基礎(chǔ)元件的可靠性參數(shù)，數(shù)據(jù)來源方便、易獲??；
[0126] 2)實現(xiàn)了對HVDC輸電系統(tǒng)在時域內(nèi)的狀態(tài)概率分布函數(shù)計算，即可以預(yù)判實時可 靠性，為制定相應(yīng)的檢修計劃及優(yōu)化決策奠定基礎(chǔ)。
[0127] 更為詳細(xì)的實施例子：
[0128] 無檢修計劃條件下的HVDC輸電系統(tǒng)可靠性計算實例
[0129] 根據(jù)HVDC輸電系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)分解及子系統(tǒng)可靠性計算方法，不考慮計劃檢修， 計算HVDC輸電系統(tǒng)的可靠性。表2為相應(yīng)的設(shè)備可靠性參數(shù)，HVDC輸電系統(tǒng)輸電距尚為 1300km，對應(yīng)的故障率為:0.045 X 13 = 0.585次/年，研究周期為1年。
[0130] 表2設(shè)備可靠性參數(shù)
[0131]
[0132] 計算6個子系統(tǒng)的狀態(tài)概率分布函數(shù)。子系統(tǒng)S1~S6在研究周期內(nèi)的可靠性變化 規(guī)律如圖6(a)-圖6(f)所示，其中子系統(tǒng)S3的可靠性變化規(guī)律表示濾波子系統(tǒng)不故障的概 率。可見在研究周期內(nèi)，子系統(tǒng)S1~S6的可靠性水平逐漸降低。通過對比圖6中各個子系統(tǒng) 的可靠性變化規(guī)律知，子系統(tǒng)S3、S4、S5在研究周期內(nèi)可靠性降低明顯，發(fā)生故障的概率大， 是導(dǎo)致HVDC輸電系統(tǒng)發(fā)生雙極停運、單極停運的主要因素。
[0133] 對圖1所示HVDC輸電系統(tǒng)，使用UGF方法計算HVDC輸電系統(tǒng)的U函數(shù)，使用式（16)~ 式（18)計算得到的系統(tǒng)狀態(tài)概率分布函數(shù)。顯然，HVDC輸電系統(tǒng)是由各子系統(tǒng)構(gòu)成的，進(jìn)一 步說也是由眾多元件構(gòu)成的，因此元件、子系統(tǒng)運行的可靠性將直接影響系統(tǒng)的可靠性，所 以會影響系統(tǒng)的狀態(tài)概率函數(shù)，故說HVDC輸電系統(tǒng)的狀態(tài)概率函數(shù)是子系統(tǒng)可靠性的函 數(shù)，也是元件可靠性的函數(shù)。圖7為Η V D C輸電系統(tǒng)的傳輸容量分別為10 0 %、7 5 %、5 0 %、 25 %、0 %時，在時域內(nèi)的可靠性變化規(guī)律。
[0134] 有給定檢修計劃條件下的HVDC輸電系統(tǒng)可靠性計算實例。
[0135] 檢修時機給定，對HVDC輸電系統(tǒng)進(jìn)行整體檢修;設(shè)備的檢修效果給定，即完成檢修 后，設(shè)備性能得到改善，維修后的設(shè)備故障率參數(shù)如表3所示，研究周期仍為1年，在第26周 對HVDC輸電系統(tǒng)進(jìn)行計劃檢修，持續(xù)時間為1周。
[0136] 表3計劃檢修后設(shè)備可靠性參數(shù)
[0137]
[0138] 考慮計劃檢修的影響，計算出6個子系統(tǒng)在研究周期內(nèi)的可靠性。在計劃檢修持續(xù) 時間內(nèi)，子系統(tǒng)處于停運狀態(tài)，可靠性水平為〇;在計劃檢修完成后，子系統(tǒng)可靠性水平得以 改善。此時，設(shè)備的可靠性如式(29)。
[0139]
[0140] 式中，to為計劃檢修時機，d為計劃檢修持續(xù)時間，λ、λ'為設(shè)備檢修前及檢修后的 故障率參數(shù)。
[0141] 使用UGF方法計算HVDC輸電系統(tǒng)在整個研究周期內(nèi)的狀態(tài)概率分布函數(shù)，如圖8所 示。顯然，給定的檢修計劃能夠有效的改善HVDC輸電系統(tǒng)的可靠性水平。UGF方法計算得到 HVDC輸電系統(tǒng)的狀態(tài)概率分布函數(shù)，即能夠預(yù)測HVDC輸電系統(tǒng)的實時可靠性。HVDC輸電系 統(tǒng)的實時可靠性與其功能緊密結(jié)合，為從其功能角度展開檢修決策奠定基礎(chǔ)。例如，若要求 其實時可靠性保持在一定水平，則通過預(yù)判其狀態(tài)概率，進(jìn)行及時的檢修;若要進(jìn)行局部維 修，預(yù)判各個子系統(tǒng)實時可靠性，選擇對系統(tǒng)實時可靠性影響最大的子系統(tǒng)進(jìn)行維修。
[0142] 本發(fā)明不但適用于典型的雙12脈波串聯(lián)接線方式的HVDC輸電系統(tǒng)，亦可適用于其 它形式的HVDC輸電系統(tǒng)，只需對相應(yīng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和等效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行對應(yīng)的調(diào)整即 可。
[0143] 上述雖然結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】進(jìn)行了描述，但并非對本發(fā)明保護(hù)范 圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不 需要付出創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特征是，包括以下步驟： 假設(shè)高壓直流輸電系統(tǒng)中的各基礎(chǔ)元件之間功能上相互獨立，劃分高壓直流輸電系統(tǒng) 的各子系統(tǒng)，根據(jù)各子系統(tǒng)關(guān)系形成高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖； 根據(jù)各子系統(tǒng)的串并聯(lián)關(guān)系，對高壓直流輸電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化，形成便于 高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算的等效轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)圖； 獲取高壓直流輸電系統(tǒng)中各基礎(chǔ)元件的可靠性參數(shù)，計算各基礎(chǔ)元件的狀態(tài)-概率分 布函數(shù)； 對基礎(chǔ)各元件狀態(tài)-概率分布函數(shù)進(jìn)行Z變換計算各基礎(chǔ)元件的U函數(shù)； 根據(jù)各基礎(chǔ)元件的U函數(shù)分別對各子系統(tǒng)的U函數(shù)進(jìn)行計算； 根據(jù)高壓直流輸電系統(tǒng)等效結(jié)構(gòu)圖計算高壓直流輸電系統(tǒng)的U函數(shù)，U函數(shù)即是對系統(tǒng) 可靠性的一種表達(dá)方式，其中的系數(shù)和指數(shù)就表達(dá)了高壓直流輸電系統(tǒng)在某種特定狀態(tài)下 概率。2. 如權(quán)利要求1所述的基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特 征是，所述基礎(chǔ)元件包括高壓直流輸電系統(tǒng)中的單個閥組、單臺換流變壓器、單臺交流濾波 器、單臺電容器、單直流極設(shè)備及直流輸電線路。3. 如權(quán)利要求1所述的基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特 征是，所述各子系統(tǒng)包括換流橋子系統(tǒng)、換流變壓器子系統(tǒng)、交流濾波器子系統(tǒng)、直流極設(shè) 備子系統(tǒng)、直流輸電線路子系統(tǒng)及保護(hù)與控制子系統(tǒng)。4. 如權(quán)利要求1所述的基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特 征是，等效轉(zhuǎn)化后的高壓直流輸電系統(tǒng)中，各子系統(tǒng)通過串聯(lián)及并聯(lián)形成高壓直流系統(tǒng)； 各子系統(tǒng)串聯(lián)形成的串聯(lián)系統(tǒng)的性能值取決于串聯(lián)元件中有效傳輸功率最小的元件， 根據(jù)串聯(lián)系統(tǒng)中所有元件的U函數(shù)，計算串聯(lián)系統(tǒng)的U函數(shù)。5. 如權(quán)利要求4所述的基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特 征是，高壓直流輸電系統(tǒng)中并聯(lián)元件能夠傳輸?shù)碾姽β实扔谒性軌騻鬏數(shù)墓β手?和，根據(jù)并聯(lián)系統(tǒng)中所有元件的U函數(shù)，可計算各子系統(tǒng)并聯(lián)形成的并聯(lián)系統(tǒng)的U函數(shù)。6. 如權(quán)利要求3所述的基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特 征是，對于換流橋子系統(tǒng)，邏輯上，換流橋子系統(tǒng)由兩個6脈動換流器串聯(lián)構(gòu)成，任意一個6 脈動換流器故障都將導(dǎo)致?lián)Q流橋子系統(tǒng)故障，假設(shè)設(shè)置一個閥組備用，計算6脈動換流器、 換流橋子系統(tǒng)的U函數(shù)。7. 如權(quán)利要求3所述的基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特 征是，對于換流變壓器子系統(tǒng)，換流變壓器的型號影響其數(shù)量及備用模式，對于單相雙繞組 變壓器，則一個6脈動換流器對應(yīng)3臺換流變壓器，設(shè)置1臺處于備用換流變壓器，得到換流 變壓器子系統(tǒng)的U函數(shù)。8. 如權(quán)利要求3所述的基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特 征是，對于交流濾波子系統(tǒng)，假設(shè)交流濾波子系統(tǒng)由兩組交流濾波器記為A和兩組電容器記 為B構(gòu)成，A和B在邏輯上屬于并聯(lián)系統(tǒng)，計算交流濾波子系統(tǒng)、A和B的狀態(tài)概率分布函數(shù)，從 而計算得交流濾波子系統(tǒng)的U函數(shù)。9. 如權(quán)利要求3所述的基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特 征是，對于直流極設(shè)備子系統(tǒng)，存在四種狀態(tài):雙極極設(shè)備正常工作;正極極設(shè)備正常工作， 負(fù)極極設(shè)備故障；正極極設(shè)備故障，負(fù)極極設(shè)備正常工作;雙極極設(shè)備故障;假設(shè)對正負(fù)極 設(shè)備進(jìn)行整體備用，計算得到極設(shè)備子系統(tǒng)的U函數(shù)。10.如權(quán)利要求3所述的基于通用生成函數(shù)的高壓直流輸電系統(tǒng)可靠性計算方法，其特 征是，對于控制與保護(hù)子系統(tǒng)，工作通道發(fā)生故障后，切換邏輯將其退出工作，處于熱備用 狀態(tài)的通道自動切換到工作狀態(tài)，且切換工程不對系統(tǒng)產(chǎn)生明顯的干擾，只有當(dāng)兩套保護(hù) 系統(tǒng)同時故障時，控制與保護(hù)子系統(tǒng)才會發(fā)生故障，據(jù)此，計算得到控制與保護(hù)子系統(tǒng)的U 函數(shù)。
【文檔編號】H02J3/36GK105932708SQ201610555376
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月14日
【發(fā)明人】李文博, 楊思, 李業(yè)勇, 孫東磊, 麻常輝, 蔣哲, 蔣佳音, 趙澤箐, 李明, 李智, 武乃虎, 張丹丹, 楊冬, 邢魯華, 張磊
【申請人】國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院, 國家電網(wǎng)公司