基于分塊枚舉法的風電場集電系統可靠性評估方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于分塊枚舉法的風電場集電系統可靠性評估方法，本發明通過元件等效建立風電機組可靠性等效模型；用聚類方法和風能轉換模型建立單個機組多狀態容量概率表；利用Markov建立元件的多狀態概率模型；分塊枚舉和深度搜索算法建立單個分塊的機組運行臺數概率表；利用本發明定義的矩陣運算建立風電場多狀態容量概率表，并最終建立風電場集電系統可靠性評估數學模型。本發明不僅能夠計及風電場饋電線路、風力發電機、集電變壓器等元件的多重故障，而且還能計及開關設備的故障隔離、切換等因素影響，并能定量給出評價風電場集電系統可靠性的評估指標。
【專利說明】基于分塊枚舉法的風電場集電系統可靠性評估方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種風電場可靠性評估方法，也即風電場可靠性評估指標的評測方 法，具體涉及風電場集電系統可靠性評估方法。屬于電氣工程【技術領域】。
【背景技術】
[0002] 隨著能源需求的不斷增加，以及煤炭、石油、天然氣等傳統能源的日益枯竭，許多 國家都制定了可替代能源的發展規劃。風能作為一種清潔、發展最快的可再生能源，得到大 規模開發和利用。由于風能具有間歇性和隨機性，大規模風電的并網將對電力系統可靠性 造成較大影響。
[0003] 當風電機組（WTG)型號、位置及風源等確定的情況下，風電場可靠性主要取決于 風電場內集電系統的接線方式，常見的風電場集電系統基本接線方式有：放射形、單邊環 形、雙邊環形和星形。不同的風電場集電系統拓撲結構對應不同的風電場可靠性水平，同時 需要不同的風電場投資費用。因此，有必要對風電場發電系統電氣結構本身的可靠性進行 深入研究，其對風力發電系統及整個電網安全、可靠運行意義重大。
[0004] 現有風電場集電系統可靠性評估方法主要有定性分析法和定量分析法。定性分析 法無法給出具體的評估指標；定量分析法中主要根據故障等效原理將風電場等效為一臺常 規發電機，并計算系統評估指標。風電場集電系統中元件眾多，包括風力發電機、塔架電纜、 變壓器、分段輸電線路、齒輪箱、隔離開關、切換開關、短路器等元件，元件的多重故障是存 在的，而現有風電場集電系統可靠性的研究鮮有計及集電系統元件的多重故障的影響。開 關設備操作（如故障隔離、故障切換等）可以減少受累風電機組停運的時間，提高風電場發 電量和可靠性，而現有風電場集電系統可靠性的研究鮮有計及開關設備的隔離、切換及其 操作時間、范圍的影響。
【發明內容】
[0005] 針對現有研究風電場集電系統可靠性方法存在的上述不足，本發明的目的是提供 一種基于分塊枚舉法的風電場集電系統可靠性評估方法，本方法不僅能夠計及風電場饋電 線路、風力發電機、集電變壓器等元件的多重故障，而且還能計及開關設備的故障隔離、切 換等因素影響，并能定量給出評價風電場集電系統可靠性的評估指標。
[0006] 本發明的技術方案是這樣實現的：
[0007] 基于分塊枚舉法的風電場集電系統可靠性評估方法，其特征在于：步驟如下，
[0008] 步驟1 :輸入風電場集電系統數據
[0009] 采集風電場集電系統的結構數據和可靠性數據，以及風電場風速數據；
[0010] 步驟2 :形成風電機組多狀態容量概率模型
[0011] 根據風速與風電機組輸出功率的關系，形成風電機組多狀態容量概率模型，記為 PTMCW，如式⑴所示。
[0012]
【權利要求】
1.基于分塊枚舉法的風電場集電系統可靠性評估方法，其特征在于：步驟如下， 步驟1 :輸入風電場集電系統數據 采集風電場集電系統的結構數據和可靠性數據，以及風電場風速數據； 步驟2 :形成風電機組多狀態容量概率模型 根據風速與風電機組輸出功率的關系，形成風電機組多狀態容量概率模型，記為 PTMCW，如式⑴所示。
(1) 式中，Nts w為PTMCW的總狀態數
分別為PTMCW中第i個狀態的WTG出力及 其對應概率； 步驟3 :建立單個元件的多狀態Markov模型 根據風電場集電系統中開關設備的作用，當元件故障后，可能存在故障隔離、切換、故 障修復幾個過程；因此，根據是否需故障隔離、切換等過程，將元件可靠性模型分為兩狀態 模型（正常和故障狀態）、三狀態模型（正常、隔離和故障狀態）和四狀態模型（正常、隔 離、切換和故障狀態）；。 設
和μ分別為兀件的故障率、隔尚率、切換率和修復率；根據Markov原 理，通過解式（2) - (4)得到Xl，x2, x3, x4的值，它們分別表示元件處于正常、隔離、切換和故障 狀態的概率，其中式（2)對應元件的兩狀態模型；式（3)對應元件的三狀態模型；式（4)對 應元件的四狀態模型；
(2) ㈧ (4) 步驟4 :形成風電場集電系統的分塊 塊的定義：由各相互連接的集電系統元件構成，當去掉系統中匯流母線后，不與其它任 何集電系統元件或網絡相連的最小單元稱為一個塊；每個分塊中包含若干臺風電機組； 步驟5 :形成單個分塊機組運行臺數概率表PTNUS 形成單個分塊機組運行臺數概率表的步驟如下： 5. 1 :利用狀態枚舉法枚舉單個分塊內所有元件的工作狀態，即形成一個系統狀態； 5. 2 :根據元件多狀態Markov模型計算元件處在正常、隔離、切換和故障狀態的概率； 5. 3 :進行隔離、切換、故障狀態的分析； 當分塊中無聯絡線時，系統將可能經歷故障隔離、故障修復等過程；當分塊中有聯絡線 時，系統將可能經歷故障隔離、切換和修復等過程；其中，故障隔離、切換和修復的過程分析 如下； 5. 3. 1 :隔離狀態分析 當元件發生故障時，相應斷路器動作，則該斷路器范圍內的元件均會因斷路器跳閘而 與集電系統斷開連接；遍歷單個分塊內與集電系統相連接的所有風機數目，記為^，并利用 公式（5)計算其對應的概率pis( ni)，則該概率即為從故障發生到故障被成功隔離的時間內 與集電系統相連接的正常運行的風機臺數為叫的概率；
(5) 式屮，集合{Sf丨為早個分塊內故障元件的集合；集合{SJ為單個分塊內正常工作元件 的集合為第j個正常工作元件的概率；Pisi為第i個故障元件處于隔離狀態的概率； 5. 3. 2 :切換狀態分析 當隔離過程完成后，判斷聯絡線工作狀態，并將可切換的風機轉移到其他饋線；采用深 度搜索算法遍歷單個分塊，并統計遍歷到的風電機組數目，記為n2，利用公式（6)計算對應 的概率P sw(n2);該概率即為從故障隔離到成功切換聯絡開關的時間內與集電系統相連接的 正常運行的風機臺數為的概率；
(6) 式中，Pswi為第i個故障元件處在切換狀態的概率； 5. 3. 3 :故障狀態分析 如果系統有故障發生，則系統可能經歷正常-隔離-切換-故障狀態或正常-隔離-故 障狀態或正常-故障狀態；經過故障隔離、切換后，采用深度搜索算法遍歷單個分塊的風電 機組數目，記為n3，利用公式（7)計算對應的概率&〇1 3);該概率即為從成功切換聯絡開關 后到故障元件被修復的時間內與集電系統相連接的正常運行的風機臺數為n3的概率；
(7) 式中，Pfi為元件i處在故障狀態的概率； 5. 4 :重復以上步驟，直到達到設定的故障枚舉階數； 根據本步驟遍歷到的風機數目和其對應的概率，即可構成單個分塊機組運行臺數概率 表PTNUS，如公式（8);
(8) 式中，Nw_s為單個分塊內的總機組數目；pa_s(i)為單個分塊中有i臺機組處于運行狀態 的概率； 按上述方法，可得到每個分塊機組運行臺數概率表PTNUS ; 步驟6 :形成風電場機組運行臺數概率表和風電場集電系統多狀態容量概率表 矩陣Θ運算定義：設A為任意FX 2矩陣，B為任意GX 2矩陣，則按式（9)進行矩陣計 算的方法稱為矩陣?運算：
(9) 式中，A θ B表示FGX2矩陣； 矩陣?運算定義：設A為任意RX 2矩陣，B為任意TX 2矩陣，則按式（10)進行矩陣計 算的方法稱為矩陣?運算；
(10) 式中，
表示RTX2矩陣； 根據步驟5得到每個分塊的PTNUS，再將所有PTNUS進行累積矩陣?運算，即可得到風 電場機組運行臺數概率表，記為PTNUwf ; 將PTMCW與PTNUwf進行矩陣?運算，即可得到風電場集電系統多狀態容量概率表，記為 PTMCwf ； 步驟7 :計算風電場集電系統可靠性評估指標 本發明定義風電場集電系統可靠性評估指標包括AAEOuf，AAEOu，LOEEf和LOEE u四個指 標； AAEOuf:同時考慮風電場風速不確定性和風電場集電系統元件故障時的風電場內單臺 機組平均年發電量； AAE0U :僅考慮風電場風速不確定性時的風電場單臺風電機組平均年發電量； L0EEf :僅由風電場集電系統元件故障引起的單臺風電機組平均風能損失； L0EEu :僅由風電場風速不確定性引起的單臺風電機組平均風能損失； (11)
(12) (13) u i u (14) 式中，Nts w和Nts wf分別表示PTMCW和PTMCwf狀態數A、A·.分別為PTMCwf中第i個狀 態的風電場出力及其對應概率；Cwi和p (Cwi)分別為PTMCW中第i個狀態的WTG出力及其對 應概率；已為風電機組的額定功率；T為給定的時間區間小時數； 風電場發電效率和其它指標定義如下：
(15) (16) (17) (18) 式中，為風電場發電效率；rur為風速不確定性引起的風電損失占風電場額定發電容 量的百分比；r&為風電場集電系統元件故障引起的風電損失占風電場額定容量的百分比； rfa為風電場集電系統元件故障引起的風電損失占實際風電場發電量的百分比。
2.根據權利要求1所述的基于分塊枚舉法的風電場集電系統可靠性評估方法，其特征 在于：對一個集電系統，步驟4的分塊按如下搜索算法進行： 4. 1 :斷開風電場集電系統匯流母線側饋線出線開關； 4. 2 :合上風電場集電系統內所有聯絡開關； 4. 3 :從每個匯流母線側開關所在的饋線出發遍歷網絡，遍歷到的所有集電系統元件即 形成一個分塊； 4. 4 :重復執行步驟4. 3,直到風電場集電系統中所有元件均被遍歷過，從而得到若干 個分塊。
【文檔編號】G06Q50/06GK104156883SQ201410376437
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月1日 優先權日:2014年8月1日
【發明者】謝開貴, 胡博, 楊賀鈞, 余娟, 任洲洋, 郭宇航, 李龍云 申請人:重慶大學