基于蒙特卡洛法的配电网可靠性评估研究

郝迎志

（济宁中科环保电力有限公司，山东 济宁 272100）

1 前言

配电网作为电力系统中直接连接用户的部分，其能否稳定运行对于电能的持续稳定供应具有十分重要的现实意义，而其稳定运行则是建立在可靠性的基础上。配电网的可靠性是指供电点到用户之间的配电网和设备能够满足电用户电力需求能力的度量，也就是说电力系统能够为电用户正常供能的可靠程度高低。配电网的可靠性不仅与电用户息息相关，并且还会间接影响到整个电力系统的稳定运行。为了对配电网的可靠性进行系统全面的评估，将蒙特卡洛法运用于评估工作中，进而能够及时发现其中存在的缺陷，并采取有效的改善措施，提高配电网的可靠性，进而为电力系统的稳定建立良好的基础。

2 配电网可靠性评估原理

2.1 配电网可靠性评估指标

在对配电网进行可靠性评估的过程中，配电网相关的元件主要包括可用和不可用两种类型。一个系统是由多个不同功能的元件为实现某一生产目的按照一定的结构形式连接而成的，整个系统的可靠性评估是在元件故障数据和系统结构已知的情况下，按照一定的方式进行预测的，并且通过某些关键参数用以表征系统可靠性程度的高低。对于配电网而言，与其稳定性相关的元件主要有断路器、馈线、隔离开关、熔断器以及变压器等，这些元件在运行过程中主要有供电和停运两种不同的状态。用于评估配电网的指标非常多，根据所采用评估对象的类型，可以将评估指标分为负荷和系统指标两种不同的类型，其中，前者主要包括年故障停运率、年平均停运持续时间、平均停运持续时间和负荷总用电量不足期望，后者主要包括系统平均停电频率、用户平均停电持续时间、系统平均停电持续时间、平均供电可用率以及系统总电量不足指标等。

2.2 配电网可靠性评估的蒙特卡洛法

蒙特卡洛法又被称为统计试验法，随着信息技术的不断发展，该方法被广泛地应用于复杂的系统工程领域。蒙特卡洛法的优势在于其计算过程中的收敛速度和误差大小与问题本身的复杂程度或者空间的维数无关，而计算时间只与维数成一定的比例，这就能够将其用于多维问题的解决工作中。在将蒙特卡洛法运用于配电网可靠性的评估过程中，根据其是否综合考虑到系统状态的时序性，可以将其细分为序贯仿真算法、非序贯仿真算法以及伪序贯仿真算法。其中，序贯仿真算法通过分析系统元件的故障率和修复率数据，进而对整个配电网系统所有元件的运行状态进行抽样，就能得到具有一定随机性的元件运行修复曲线，再结合元件在系统中具体的位置，进一步判断其会对系统所造成的影响，最终就能得到反映配电网工作状态的一个随机状态序列；非序贯仿真算法本质上是一种非实时性质的仿真方法，其通过分析每个构成元件的强迫停运率，在此基础上，对元件的随机状态进行直接抽验检查，再将抽样所得到的所有随机状态进行进一步的组合，就能得到配电网系统运行的随机状态；伪序贯仿真算法根据系统状态转移抽样技术形成系统的随机状态序列，并在其中进行抽样检查，当随机抽取到配电网的故障状态后，就进行前向时序仿真和后向时序仿真，进而对故障状态的子序列进行进一步的考察，同时还能得到相应的可靠性时间和频率指标，该种算法能够有效提高抽样效率，减少不必要的计算量，综合了前两种算法所具有的优点。

3 基于故障遍历的蒙特卡洛法

3.1 蒙特卡洛法仿真模型

本文采用的蒙特卡洛算法为序贯仿真算法，该算法能够用于研究和预测模拟时间中的实际动作情况，进而就能获取配电网运行过程中的概率分布数据，再结合相应的可靠性参数，对这些参数的平均预期值进行科学合理的估算。根据蒙特卡洛法的相关理论可以得到，N个相同系统的实时状态模式在不同程度下的参数不尽相同，其中主要有系统故障、修复时间以及故障时间点等重要的时间参数，这些都与配电网随机过程的性质相关。在进行序贯仿真算法的模拟过程中，整个配电网的工作和故障状态是由随机数发生器和系统元件故障和修复的时间概率分布共同影响的，其中随机数发生器是按照一定的时间顺序生成的，这在具体的模拟过程中要予以充分的关注。

3.2 故障遍历算法

配电网的主要功能就是为电用户提供持续稳定的电能，由于构成配电网的元件相互之间会发生影响，一旦其中某个发生故障后，就会造成一个或多个负荷出现不同程度的缺电故障，这就会对配电网的稳定性造成不利影响。采用蒙特卡洛法进行模拟的过程中，其关键在于确定受到影响负荷点的具体位置，并对其工作/修复状态历史进行初步的判断，这些都是建立在充分了解配电网规划和保护维修情况的基础上。为了能够确定受故障元件影响的停电负荷位置和具体的停电时间，并进一步得到配电网相对于负荷的供电可靠率，这就需要采用相应的搜索方法完成。当前常用的故障遍历算法主要有广度优先搜索算法和深度优先搜索算法两种不同的类型，在实际的应用过程中，要结合具体的搜索需求进行有针对性的选择。

3.3 故障遍历搜索算法

故障遍历的作用是：通过对故障范围进行科学合理的划分，并结合具体的运行需求将故障进行有效的隔离，进而就能进一步确定负荷的具体类型。故障遍历搜索算法是建立在网络等值或网络分区的基础上，将等值元件或区域作为基础的搜索单元，这样所需要进行的搜索工作量较小，有助于提高搜索效率。但是每次搜索完成之后，需要对相应的网络进行重构，这就会影响评估结果的精度，并且还会增加计算工作量。本文将配电网的实际元件作为基本单元进行故障遍历搜索，在计算的过程中，不需要对网络进行重构，结合深度优先算法，建立相应的元件搜索状态表，进而能够大大降低配电网的搜索工作量。

故障遍历搜索算法具体的搜索过程为：针对配电网建立相应的元件搜索状态表→抽样元件和对故障动作元件进行科学合理的判断→以故障元件作为起始点，同时向父方向和子方向进行断路器搜索，并且还要将搜索到的断路器及时记录到元件搜索状态表中→对开关元件的开合状态进行相应的调整，实现故障的有效隔离，避免其造成更大范围的影响→模拟重合→对负荷类型进行科学合理的分类。

4 配电网蒙特卡洛法评估

4.1 配电网蒙特卡洛法评估流程

假设配电网一共有N个元件，每个元件的故障率和修复时间分别为λi和μi，i=1，2，…，N。配电网的蒙特卡洛法评估流程如下所示：①获取配电网中所有的原始数据，并对其进行初始化处理；②采用随机数生成程序形成与元件数量相当的随机数δ1，δ2，…，N；③结合随机数分别计算出每个元件的无故障运行时间Tw=-lnδ/λ；④在配电网的所有元件中，将其中无故障运行时间最短的元件作为相应的故障元件，就能进一步得到配电网最短的运行时间TTF=min（Tw），然后将模拟系统的运行时间调至相应的仿真时间MCTime；⑤通过抽样获取相应的故障元件之后，并对该故障元件的类型进行进一步的判断；⑥采用故障遍历搜索对发生故障后配电网内部的负荷种类进行判断和分类，并统计相应的指标；⑦对仿真模拟进度的时间MCTime 进行判断，当其小于总的仿真年限时，需要转至②，否则继续；⑧若计及元件计划检修，则生成相应的随机数；⑨计算负荷点可靠性的各项指标，计算系统的各项可靠性指标。

4.2 蒙特卡洛法可靠性评估软件设计

配电网可靠性评估软件的基本功能结构如图1 所示。

图1 配电网可靠性评估软件基本功能图

其中，编辑菜单主要包括变压器、断路器、隔离开关以及联络开关等元件，需要结合具体的配电网进行有针对性的选择。在软件中选定需要进行计算的配电网后，并输入其实际的运行参数，就能采用蒙特卡洛法对配电网的可靠性进行评估，其具体的计算界面如图2 所示。

图2 蒙特卡洛方法计算界面图

5 结语

总而言之，配电网作为电力系统连接电用户的终端，其稳定性对于电能的持续稳定供应具有决定性的影响，进而影响到电用户的体验。因此，为了保障电用户的电能需求，就要对配电网的可靠性进行系统全面的评估，通过将蒙特卡洛法运用于配电网可靠性的评估工作中，能够对整个配电网络进行有效的评估，并结合评估结果采取有针对性的改善措施，进而促进配电网可靠性的不断提高，为电能的持续稳定供应提供可靠保障，进而为企业带来良好的经济效益。