适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法及装置

技术领域

本发明涉及发电、变电或配电的可靠性分析技术领域，具体涉及一种适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法及装置。

背景技术

随着新能源并网容量的不断提升，传输距离不断增大，交流输电线路的电容效应及功率的波动特性，使传统交流汇集-交流送出方式逐渐转变为交流汇集-直流送出方式。另一方面，随着发电单元大型化以及发电单元之间间距的增大，新能源场内交流集电线路的无功充电电流及过电压问题变得日益严峻。因此，作为一种可能的解决方案，采用直流汇集、直流送出并网的全直流汇集送出系统日益得到重视。全直流汇集送出系统采用高功率密度的电力电子变换器，可省去工频变压器及多余的变电环节；且用直流电缆取代交流电缆，在得到更低损耗、更大传输容量、更省材料的优势的同时，也解决了原有的发电单元内部无功电压问题，是未来新能源传输并网的发展趋势。

传统的辐射性拓扑结构，发电单元之间相互独立，互不干扰。与此相比，全直流汇集送出系统的拓扑多种多样，且运行方式复杂。按照升高直流电压的方式，可以将汇集子系统拓扑分为串联升压和辐射性拓扑结构；串联升压又可以进一步划分为直接串联、先串联后并联、先并联后串联和矩阵型。按照电能变换级数，可以将汇集子系统拓扑分为发电单元端升压、汇集端集中升压、两级升压等。以一个简单的汇集送出系统为例：包含一个汇集子系统和一个送出子系统，汇集子系统是一个由10台发电模块组成的k/n系统(k＝6)。如果正常发电模块数量大于等于6时，可以旁路故障发电模块保持汇集子系统运行；反之，如果正常发电模块数量小于6时，则需要停运整个汇集子系统；因此汇集子系统有6种运行模式(正常发电模块≤5,＝6,＝7…＝10)。送出子系统有5种运行模式，则该汇集送出系统可以传输能量的运行模式有6*5＝30种。如何评估复杂汇集送出系统的可靠性是目前亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法及装置，以解决复杂汇集送出系统可靠性分析困难的问题。

第一方面，本发明提供了一种适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法，所述方法包括：

步骤1：利用最小割集法将新能源直流汇集送出系统划分为至少一个汇集子系统和至少一个送出子系统；

步骤2：建立适用于多种联接方式的汇集子系统的可靠性模型，并计算汇集子系统的可用能量E

步骤3：根据故障模式后果分析法，建立送出子系统的故障树模型，计算送出子系统可靠度R

步骤4：根据汇集子系统的可用能量及送出子系统的可靠度，建立新能源直流汇集送出系统的可靠性模型，计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

本发明提供的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法，可以准确评估新能源直流汇集送出系统的可靠度，为新能源直流汇集送出系统构建方法的研究提供分析基础。

在一种可选的实施方式中，汇集子系统为并联系统，或串联系统，或k/n表决系统，或由并联系统、串联系统、k/n表决系统中任意两个组合的多级级联系统，其中，

并联系统由第一数量发电模块并联组成；

串联系统由第二数量发电模块组成；

k/n表决系统由第三数量发电模块组成，当正常发电模块数量低于k时，所有发电模块均失效。

在一种可选的实施方式中，通过可靠性模型计算汇集子系统的可用能量E

其中，X

在一种可选的实施方式中，通过以下公式计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

其中，N

本发明提供的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法用能量可利用率替代时间可利用率，准确度高。

在一种可选的实施方式中，多级级联汇集子系统可用能量E

步骤2.1：根据联接方式的不同，将汇集子系统分解为N

步骤2.2：通过以下可靠性模型计算第j＝1级发电模块的可用能量E

其中，R

步骤2.3：计算j＝j+1，并带入步骤2.2，直到j＝N

本发明提供的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法适用于以并联系统、k/n表决系统、串联系统、以及多级级联系统形式组成的汇集子系统，模型通用性强。

在一种可选的实施方式中，送出子系统具有一种运行模式，或多种运行模式，其中，具有多种运行模式的送出子系统的可靠度R

步骤3.1：根据故障模式后果分析法，建立每种运行模式下送出子系统的故障树模型，计算每种运行模式下送出子系统的可靠度R

步骤3.2：通过以下公式计算送出子系统的可靠度R

其中，X

本发明提供的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法能够分析具备多种运行模式的送出子系统的可靠性，适用范围广。

在一种可选的实施方式中，新能源直流汇集送出系统包含1个送出子系统或N

步骤4.1：分析汇集子系统的潮流，计算出与其相连的每个送出子系统的传输容量占该汇集子系统额定发电容量的百分比p

步骤4.2：计算汇集子系统的可用能量E

步骤4.3：整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

其中，X

在一种可选的实施方式中，整个新能源直流汇集送出系统包含1个汇集子系统或N

步骤4.4：将整个新能源直流汇集送出系统划分为若干个子汇集送出系统，每个子汇集送出系统有且仅有一个汇集子系统，和与该汇集子系统相连的送出子系统；

步骤4.5:按照步骤1至步骤4.3计算第X

步骤4.6：计算X

步骤4.7：按照以下公式计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度

其中，R

本发明提供的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法能够分析具备多个输入输出端口的新能源直流汇集送出系统的可靠性，适用范围广。

第二方面，本发明提供了一种适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析装置，所述装置包括：

划分模块，用于利用最小割集法将新能源直流汇集送出系统划分为至少一个汇集子系统和至少一个送出子系统；

第一计算模块，用于建立适用于多种联接方式的汇集子系统的可靠性模型，并计算汇集子系统的可用能量E

第二计算模块，用于根据故障模式后果分析法，建立送出子系统的故障树模型，计算送出子系统可靠度R

第三计算模块，用于根据汇集子系统的可用能量及送出子系统的可靠度，建立新能源直流汇集送出系统的可靠性模型，计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

在一种可选的实施方式中，在第一计算模块中，当汇集子系统是并联系统、或串联系统、或k/n表决系统时，通过以下可靠性模型计算汇集子系统的可用能量E

其中，X

在一种可选的实施方式中，通过以下公式计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

其中，N

在一种可选的实施方式中，汇集子系统为并联系统，或串联系统，或k/n表决系统，或由并联系统、串联系统、k/n表决系统中任意两个组合的多级级联系统；在第一计算模块中多级级联汇集子系统可用能量E

第一分解单元，用于根据联接方式的不同，将汇集子系统分解为N

第一计算单元，用于通过以下可靠性模型计算第j＝1级发电模块的可用能量E

其中，R

第二计算单元，用于计算j＝j+1，并将j带入第一计算单元，直到j＝N

在一种可选的实施方式中，送出子系统具有一种运行模式或多种运行模式，在第二计算模块中，当具有多种运行模式的送出子系统的可靠度计算，包括：

第三计算单元：用于根据故障模式后果分析法，建立每种运行模式下送出子系统的故障树模型，计算每种运行模式下送出子系统的可靠度R

第四计算单元：用于通过以下公式计算送出子系统的可靠度R

其中，X

在一种可选的实施方式中，新能源直流汇集送出系统包含1个送出子系统或N

第五计算单元，用于分析汇集子系统的潮流，计算出与其相连的每个送出子系统的传输容量占该汇集子系统额定发电容量的百分比p

第六计算单元，用于计算汇集子系统的可用能量E

第七计算单元，用于整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

其中，X

在一种可选的实施方式中，整个新能源直流汇集送出系统包含1个汇集子系统或N

第二分解单元，用于将整个新能源直流汇集送出系统划分为N

第八计算单元，用于按照划分模块至第七计算单元计算第X

第九计算单元，用于计算X

第十计算单元，用于整个新能源直流汇集送出系统的可靠度计算公式如下

其中，R

第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述第一方面或其对应的任一实施方式的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法的流程图；

图2是根据本发明实施例的新能源汇集送出系统示意图；

图3是根据本发明实施例的具有多个输入端口的新能源汇集送出系统的系统模型示意图；

图4是根据本发明实施例的送出子系统的故障树模型示意图；

图5是根据本发明实施例的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析装置的结构框图；

图6是本发明实施例的计算机设备的硬件结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的方法适用于多种汇集拓扑、具备多个输入输出端口和多种运行模式的汇集送出系统的可靠性分析方法，可以准确评估新能源直流汇集送出系统的可靠度，为新能源直流汇集送出系统构建方法的研究提供分析基础。

根据本发明实施例，提供了一种适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

在本实施例中提供了一种适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法，可用于上述的移动终端，如手机、平板电脑等，图1是根据本发明实施例的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：

步骤S101，利用最小割集法将新能源直流汇集送出系统划分为至少一个汇集子系统和至少一个送出子系统。

在本发明实施例中，利用最小割集法将新能源直流汇集送出系统划分为至少一个汇集子系统和至少一个送出子系统，划分汇集子系统及送出子系统的数量在此不作限制，根据实际情况进行相应的划分。

在一具体实施例中，如图2所示，新能源直流汇集送出系统模型图，汇集子系统由4条串联支路并联组成，每条支路由8台0级发电模块串联组成，每台0级发电模块至少配置3台开关设备(Sg11、Sg12及Sg13)，开关设备Sg11和Sg12与0级发电模块Ga1串联，开关设备Sg13与0级发电模块Ga1、开关设备Sg11和Sg12并联。正常工作时，Sg11和Sg12闭合，Sg13开断。一旦发电单元Ga1故障，则Sg11和Sg12开断，Sg3闭合。为了保障系统正常运行，每条串联支路必须保障5台及以上的0级发电模块正常工作，即每条串联支路最多只允许3台0级发电模块故障，否则只能开断支路开关Sl11和Sl12，以切除整条串联支路。

送出子系统(又可以称为输电子系统)：送出子系统由正极汇集母线及其开关设备(Ss1、Sg1)、负极汇集母线及其开关设备(Ss2、Sg2)、对称双极直流变压器、对称双极DC/AC换流阀、正极输电线路、负极输电线路、金属回线及其开关设备(Sneu1、Sneu2)组成。

在另一具体实施例中，如图3所示为具有多个输入端口的新能源汇集送出系统的系统模型示意图。

步骤S102，建立适用于多种联接方式的汇集子系统的可靠性模型，并计算汇集子系统的可用能量E

在本发明实施例中，汇集子系统为并联系统，或串联系统，或k/n表决系统，或由并联系统、串联系统、k/n表决系统中任意两个组合的多级级联系统。并联系统由第一数量发电模块并联组成。串联系统由第二数量发电模块组成。k/n表决系统由第三数量发电模块组成，当正常发电模块数量低于k时，所有发电模块均失效。第一数量、第二数量及第三数量，在此不作限制，根据实际情况选取相应的数值。

在本发明实施例中，当汇集子系统为并联系统、k/n表决系统、或者串联系统时，通过以下公式计算汇集子系统的可用能量E

N

其中，X

在本发明实施例中，当汇集子系统为并联系统、k/n表决系统和串联系统任意两种及以上联接方式组合的级联系统时，汇集子系统的可用能量的计算步骤包括：

步骤S1021：根据联接方式的不同，将汇集子系统分解为N

步骤S1022：根据可靠性模型计算第j＝1级发电模块的可用能量E

其中，R

步骤S1023：计算j＝j+1，并带入步骤2.2，直到j＝N

步骤S103，根据故障模式后果分析法，建立送出子系统的故障树模型，计算送出子系统可靠度R

在本发明实施例中，送出子系统具有一种运行模式，或多种运行模式，其中，具有多种运行模式的送出子系统的可靠度R

步骤S1031：根据故障模式后果分析法，建立每种运行模式下送出子系统的故障树模型，计算每种运行模式下送出子系统的可靠度R

步骤S1032：通过以下公式计算送出子系统的可靠度R

其中，X

步骤S104，根据汇集子系统的可用能量及送出子系统的可靠度，建立新能源直流汇集送出系统的可靠性模型，计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

在本发明实施例中，通过以下公式计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

其中，N

在本发明实施例中，新能源直流汇集送出系统包含1个送出子系统或N

步骤S1041：分析汇集子系统的潮流，计算出与其相连的每个送出子系统的传输容量占该汇集子系统额定发电容量的百分比p

步骤S1042：计算汇集子系统的可用能量E

步骤S1043：整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

其中，X

在另一具体实施例中，整个新能源直流汇集送出系统包含1个汇集子系统或N

步骤S1044：将整个新能源直流汇集送出系统划分为若干个子汇集送出系统，每个子汇集送出系统有且仅有一个汇集子系统，和与该汇集子系统相连的送出子系统；

步骤S1045:按照步骤101至步骤S1043计算第X

步骤S1046：计算X

步骤S1047：按照以下公式计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度

其中，R

本实施例提供的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法，不仅适用于常规的并联系统、串联系统，还适用于k/n表决系统、多级级联系统，模型通用性强。同时适用于具备多个输入输出端口和多种运行模式的新能源直流汇集送出系统，便于推广应用。用系统的能量可利用率替代时间可利用率，分析结果更接近实际运行情况，工程应用价值大。

本实施例提供的另一个具体适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析方法：

步骤S101：采用最小割集法对新能源直流汇集送出系统进行分析，将系统划分为汇集子系统和送出子系统；汇集子系统由N

步骤S102：建立适用于多种联接方式的汇集子系统的可靠性模型，并计算汇集子系统的可用能量。

步骤S1021：汇集子系统是一个两级联接系统，1级发电模块是k/n表决系统(总单元数N

步骤S1022：计算一级模块的可靠度R

其中，E

步骤S1023：计算两级联接的汇集子系统的可用能量E

P

步骤S103，：根据故障模式后果分析法，建立送出子系统的故障树模型，计算送出子系统可靠度R

步骤S1031：根据故障后送出子系统传输容量的不同，将汇集送出系统的运行模式分为模式1、模式2……模式m，其对应的传输容量占送出子系统额定容量的百分比分别为p

在本发明实施例中，送出子系统的运行模式分为3种：

A)模式1，传输容量占送出子系统额定容量的百分比p

B)模式2，传输容量占送出子系统额定容量的百分比p

B.1)正极汇集母线及其开关(Ss1、Sg1)、直流变压器的正极、正极输电线路、换流阀正极、金属回线及其开关设备(Sneu1、Sneu2)正常工作；与此同时，负极汇集母线及其开关设备(Ss2、Sg2)、直流变压器的负极、负极输电线路、换流阀负极至少有一个故障。

B.2)负极汇集母线及其开关设备(Ss2、Sg2)、直流变压器的负极；负极输电线路、换流阀负极、金属回线及其开关设备(Sneu1、Sneu2)正常工作；与此同时，正极汇集母线及其开关设备(Ss1、Sg1)、直流变压器的正极、正极输电线路、换流阀正极至少有一个故障。

本实施案例中，模式2的可靠度为R

C)模式3，传输容量占送出子系统额定容量的百分比p

步骤S1032：通过以下公式计算送出子系统的可靠度R

步骤S104，通过以下公式计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

通过本发明提供的实施例，提出一种可嵌入规划过程的新能源直流汇集送出系统的可靠性评估方法，能够评估现有的新能源汇集送出系统在运行周期内因发电单元故障导致的失电能量，可指导新能源汇集送出系统拓扑结构规划设计。

在本实施例中还提供了一种适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

本实施例提供一种适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析装置，如图5所示，包括：

划分模块501，用于利用最小割集法将新能源直流汇集送出系统划分为至少一个汇集子系统和至少一个送出子系统；

第一计算模块502，用于建立适用于多种联接方式的汇集子系统的可靠性模型，并计算汇集子系统的可用能量E

第二计算模块503，用于根据故障模式后果分析法，建立送出子系统的故障树模型，计算送出子系统可靠度R

第三计算模块504，用于根据汇集子系统的可用能量及送出子系统的可靠度，建立新能源直流汇集送出系统的可靠性模型，计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

在一些可选的实施方式中，

在一些可选的实施方式中，在第一计算模块中，当汇集子系统是并联系统、或串联系统、或k/n表决系统时，通过以下可靠性模型计算汇集子系统的可用能量E

其中，X

在一些可选的实施方式中，通过以下公式计算整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

其中，N

在一些可选的实施方式中，汇集子系统为并联系统，或串联系统，或k/n表决系统，或由并联系统、串联系统、k/n表决系统中任意两个组合的多级级联系统；在第一计算模块中多级级联汇集子系统可用能量E

第一分解单元，用于根据联接方式的不同，将汇集子系统分解为N

第一计算单元，用于通过以下可靠性模型计算第j＝1级发电模块的可用能量E

/>

其中，R

第二计算单元，用于计算j＝j+1，并将j带入第一计算单元，直到j＝N

在一些可选的实施方式中，送出子系统具有一种运行模式或多种运行模式，在第二计算模块中，当具有多种运行模式的送出子系统的可靠度计算，包括：

第三计算单元：用于根据故障模式后果分析法，建立每种运行模式下送出子系统的故障树模型，计算每种运行模式下送出子系统的可靠度R

第四计算单元：用于通过以下公式计算送出子系统的可靠度R

其中，X

在一些可选的实施方式中，新能源直流汇集送出系统包含1个送出子系统或N

第五计算单元，用于分析汇集子系统的潮流，计算出与其相连的每个送出子系统的传输容量占该汇集子系统额定发电容量的百分比p

第六计算单元，用于计算汇集子系统的可用能量E

第七计算单元，用于整个新能源直流汇集送出系统的可靠度R

其中，X

在一些可选的实施方式中，整个新能源直流汇集送出系统包含1个汇集子系统或N

第二分解单元，用于将整个新能源直流汇集送出系统划分为N

第八计算单元，用于按照划分模块至第七计算单元计算第X

第九计算单元，用于计算X

第十计算单元，用于整个新能源直流汇集送出系统的可靠度计算公式如下

其中，R

本实施例中的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析装置是以功能单元的形式来呈现，这里的单元是指ASIC(Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路)电路，执行一个或多个软件或固定程序的处理器和存储器，和/或其他可以提供上述功能的器件。

本发明实施例还提供一种计算机设备，具有上述图5所示的适用于新能源直流汇集送出系统的可靠性分析装置。

请参阅图6，图6是本发明可选实施例提供的一种计算机设备的结构示意图，如图6所示，该计算机设备包括：一个或多个处理器10、存储器20，以及用于连接各部件的接口，包括高速接口和低速接口。各个部件利用不同的总线互相通信连接，并且可以被安装在公共主板上或者根据需要以其它方式安装。处理器可以对在计算机设备内执行的指令进行处理，包括存储在存储器中或者存储器上以在外部输入/输出装置(诸如，耦合至接口的显示设备)上显示GUI的图形信息的指令。在一些可选的实施方式中，若需要，可以将多个处理器和/或多条总线与多个存储器和多个存储器一起使用。同样，可以连接多个计算机设备，各个设备提供部分必要的操作(例如，作为服务器阵列、一组刀片式服务器、或者多处理器系统)。图6中以一个处理器10为例。

处理器10可以是中央处理器，网络处理器或其组合。其中，处理器10还可以进一步包括硬件芯片。上述硬件芯片可以是专用集成电路，可编程逻辑器件或其组合。上述可编程逻辑器件可以是复杂可编程逻辑器件，现场可编程逻辑门阵列，通用阵列逻辑或其任意组合。

其中，所述存储器20存储有可由至少一个处理器10执行的指令，以使所述至少一个处理器10执行实现上述实施例示出的方法。

存储器20可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据等。此外，存储器20可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非瞬时存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非瞬时固态存储器件。在一些可选的实施方式中，存储器20可选包括相对于处理器10远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至该计算机设备。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

存储器20可以包括易失性存储器，例如，随机存取存储器；存储器也可以包括非易失性存储器，例如，快闪存储器，硬盘或固态硬盘；存储器20还可以包括上述种类的存储器的组合。

该计算机设备还包括通信接口30，用于该计算机设备与其他设备或通信网络通信。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，上述根据本发明实施例的方法可在硬件、固件中实现，或者被实现为可记录在存储介质，或者被实现通过网络下载的原始存储在远程存储介质或非暂时机器可读存储介质中并将被存储在本地存储介质中的计算机代码，从而在此描述的方法可被存储在使用通用计算机、专用处理器或者可编程或专用硬件的存储介质上的这样的软件处理。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体、随机存储记忆体、快闪存储器、硬盘或固态硬盘等；进一步地，存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。可以理解，计算机、处理器、微处理器控制器或可编程硬件包括可存储或接收软件或计算机代码的存储组件，当软件或计算机代码被计算机、处理器或硬件访问且执行时，实现上述实施例示出的方法。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。