CN108390378B - 一种mmc-upfc可靠性建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种MMC‑UPFC可靠性建模方法，是从MMC‑UPFC的结构特点出发，将UPFC组件划分为五个子系统，利用马尔可夫状态空间法建立各个子系统的状态空间模型，并运用F&D法进行等值化简，考虑各子系统逻辑关系，并利用状态枚举法建立MMC‑UPFC的可靠性模型，计算可靠性参数。本发明可用于组件复杂的电力设备的可靠性评估，对其实际工程运用具有指导意义。

Description

一种MMC-UPFC可靠性建模方法

技术领域

本发明涉及电力设备可靠性建模方法，更具体说是一种基于模块化多电平(modular multi-level converter，MMC)的统一潮流控制器(unified power flowcontroller，UPFC)的可靠性建模方法，即MMC-UPFC可靠性建模方法。

背景技术

统一潮流控制器(unified power flow controller，UPFC)综合了数种FACTS设备的控制手段，可以有效补充旧电网缺乏的潮流控制方式，优化潮流分布，实现电压、有功和无功的动态补偿。基于模块化多电平(modular multi-level converter，MMC)的UPFC(简称MMC-UPFC)，适用于高压大容量领域，对安全可靠运行的需求更高，因此UPFC可靠性是实际工程中需要考量的重要因素。

传统UPFC可靠性模型主要有两状态、三状态和四状态模型，但存在以下几点不足：一是没有考虑UPFC应用于高压大容量系统的双回结构；二是只考虑了MMC内部子模块换流阀的冗余结构和换流桥并联结构，没有考虑MMC本身互为备用的情形；三是只考虑了UPFC实现各种运行状态的能力，没有全面分析导致不同工作状态的原因，影响了状态转移率计算的准确性。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的问题，提供一种针对适用于高压大容量输电领域的MMC-UPFC可靠性建模方法。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点是：所述MMC-UPFC具有双回结构，所述建模方法包含以下步骤：

步骤1、根据MMC-UPFC的双回结构特点，将所述MMC-UPFC的组件划分为五个子系统，所述五个子系统分别是：换流器系统S1，并联侧变压器系统S2，串联侧变压器系统S3，直流母线及控制系统S4和站外交流系统S5；

步骤2、采用马尔可夫状态空间法分别对各子系统进行可靠性建模，建立各子系统状态空间模型；

步骤3、分别将各子系统状态空间模型进行等值化简，得到各子系统的等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′_IJ，所述等值化简后状态转移率a′_IJ是指在等值化简后的状态I和状态J之间的转移率；

步骤4、根据各子系统间的逻辑关系，并利用状态枚举法枚举出UPFC的七个运行状态；

步骤5、利用所述等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′_IJ，以及各子系统间的逻辑关系，获得所述UPFC的七个运行状态的可靠性参数，依据所述可靠性参数建立MMC-UPFC可靠性模型。

本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点也在于：所述MMC-UPFC的双回结构特点是指：其三台MMC采用互为备用的形式连接在直流母线上，在所述MMC-UPFC的串联侧独立运行时，实现静止同步串联补偿器的功能，在所述MMC-UPFC的并联侧独立运行时，实现静止同步补偿器的功能。

本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点也在于：在所述步骤2中，是按如下过程建立各子系统的状态空间模型：考虑各子系统组件的串、并联关系和运行状态，通过排列组合建立各子系统状态空间模型，状态空间模型中的每一个元素均代表一个子系统的运行状态；根据各子系统组件的故障率和修复率，分别得到各子系统的等值化简前状态概率P和等值化简前状态转移率a_ij；所述等值化简前状态转移率a_ij是指在等值化简前的状态i和状态j之间的转移率。

本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点也在于：步骤3中的等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′_IJ按如下方式获得：

等值化简前状态概率P为向量，向量P为：P＝(p₁,...p_i...,p_n)^T，p_i表示等值化简前子系统第i个运行状态的状态概率，1≤i≤n，n表示等值化简前子系统的运行状态个数；

等值化简前状态转移率A为矩阵，矩阵A为：A＝[a_ij]，1≤j≤n；

等值化简后状态概率P′为向量，向量P′为：P′＝(p₁′,...p_I′...,p′_m)^T，p₁′表示等值化简后子系统第I个运行状态的状态概率，1≤I≤m，m表示等值化简后子系统的运行状态个数；

等值化简后状态转移率A′为矩阵，矩阵A′为：A′＝[a′_IJ]，1≤J≤m；

由式(1)获得等值化简前状态概率P：

则：等值化简前状态转移频率f_ij为：f_ij＝a_ijp_i (2),

等值化简后状态转移频率f′_IJ为：

等值化简后子系统第I个运行状态的状态概率p_i′为：

等值后的状态转移率a′_IJ由式(3)、式(4)和式(5)联立计算获得：

f′_IJ＝a′_IJp_i′ (5)。

本发明MMC-UPFC可靠性建模方法的特点也在于：所述UPFC的七个运行状态是指UPFC、SSSC和STATCOM的全额状态，UPFC、SSSC和STATCOM的降额状态，以及停运状态DOWN。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明在划分MMC-UPFC子系统时充分考虑了其适用于高压输电领域的双回结构。

2、本发明在建立换流器子系统可靠性模型时，综合考虑了MMC内部子模块换流阀的冗余结构、换流桥并联结构和MMC本身互为备用的情形。

3、本发明灵活运用了状态空间法和状态枚举法，全面准确且又高效的完成了MMC-UPFC的可靠性建模，对MMC-UPFC在高压领域的实际工程运用具有参考价值。

附图说明

图1为本发明方法中双回MMC-UPFC结构和子系统划分示意图；

图2为本发明方法中各子系统的逻辑关系图；

图3为本发明方法中换流器子系统S1等值前的状态空间模型

图4为本发明方法中换流器子系统S1等值后的状态空间模型；

具体实施方式

本实施例MMC-UPFC可靠性建模方法中MMC-UPFC具有双回结构，其建模方法包含以下步骤：

步骤1、根据MMC-UPFC的双回结构特点，将MMC-UPFC的组件划分为五个子系统，五个子系统分别是：三组互为备用的换流器系统S1，并联侧变压器系统S2，串联侧变压器系统S3，直流母线及控制系统S4和站外交流系统S5，如图1和图2所示。

MMC-UPFC的双回结构特点是指：其三台MMC采用互为备用的形式直接通过转换开关连接在直流母线上，无需接入直流支撑电容；正常运行时，一台MMC通过并联变压器接入交流母线，两台MMC通过串联变压器分别接入双回线路；在MMC-UPFC的串联侧独立运行时，实现静止同步串联补偿器的功能(static synchronous series compensator，SSSC)，在MMC-UPFC的并联侧独立运行时，实现静止同步补偿器的功能(static synchronouscompensator，STATCOM)；MMC是由若干个换流阀子模块组成的，换流阀子模块通过串联接成换流桥，若将两组换流桥的交流侧并联，则MMC实现降额运行。

步骤2、采用马尔可夫状态空间法分别对各子系统进行可靠性建模，建立各子系统状态空间模型，具体是考虑各子系统组件的串、并联关系和运行状态，通过排列组合建立各子系统状态空间模型，状态空间模型中的每一个元素均代表一个子系统的运行状态；根据各子系统组件的故障率和修复率，分别得到各子系统的等值化简前状态概率P和等值化简前状态转移率a_ij，等值化简前状态转移率a_ij是指在等值化简前的状态i和状态j之间的转移率。

步骤3、分别将各子系统状态空间模型进行等值化简，归并相同的运行状态，得到各子系统的等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′_IJ，等值化简后状态转移率a′_IJ是指在等值化简后的状态I和状态J之间的转移率。

步骤4、根据各子系统间的逻辑关系，建立如图2所示的逻辑框图，并利用状态枚举法枚举出UPFC的七个运行状态，UPFC的七个运行状态是指UPFC、SSSC和STATCOM的全额状态，UPFC、SSSC和STATCOM的降额状态，以及停运状态DOWN。

步骤5、利用等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′_IJ，以及各子系统间的逻辑关系，获得UPFC的七个运行状态的可靠性参数，依据可靠性参数建立MMC-UPFC可靠性模型。

具体实施中，等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′_IJ按如下方式获得：

等值化简前状态概率P为向量，向量P为：P＝(p₁,...p_i...,p_n)^T，p_i表示等值化简前子系统第i个运行状态的状态概率，1≤i≤n，n表示等值化简前子系统的运行状态个数；

等值化简前状态转移率A为矩阵，矩阵A为：A＝[a_ij]，1≤j≤n；

等值化简后状态概率P′为向量，向量P′为：P′＝(p₁′,...p_I′...,p′_m)^T，p₁′表示等值化简后子系统第I个运行状态的状态概率，1≤I≤m，m表示等值化简后子系统的运行状态个数；

等值化简后状态转移率A′为矩阵，矩阵A′为：A′＝[a′_IJ]；1≤J≤m；

由式(1)获得等值化简前状态概率P：

则：等值化简前状态转移频率f_ij为：f_ij＝a_ijp_i (2),

等值化简后状态转移频率f′_IJ为：

等值化简后子系统第I个运行状态的状态概率p_i′为：

等值后的状态转移率a′_IJ由式(3)、式(4)和式(5)联立计算获得：

f′_IJ＝a′_IJp_i′ (5)。

具体实施中，采用马尔可夫状态空间法建立各子系统状态空间模型是按如下方式进行：

建立换流器系统S1的状态空间模型如图3所示：将三组换流器编号为换流器C1、换流器C2和换流器C3，假设换流器C1先与并联侧相连；每组换流器均有全额(1)、降额(0.5)和停运(0)三种运行状态；λ、μ分别表示故障率和修复率；以“1”、“0.5”、“0.5⁺”、“0.25⁺”、“0.5^-”、“0.25^-”和“0”表示换流器系统S1满足实现UPFC、SSSC和STATCOM三种功能的全额、降额状态以及DOWN状态的要求。对图3的状态空间模型进行等值化简后得到子系统S1的等值状态空间模型，如图4所示。

并联侧变压器系统S2、串联侧变压器系统S3，直流母线及控制系统S4内部组件虽不同，但均只有正常(1)和停运(0)两种运行状态。

站外交流系统S5按影响程度不同可分为区内和区外两部分，区内部分是指UPFC接入的两母线之间区域，包括两母线，区外部分是指除区内部分以外的交流电网部分。

对于区外故障，无论是瞬时性故障还是永久故障所可能对UPFC造成的不平衡电压、过电压、欠电压和过电流的影响，在最严重的程度下都只能造成UPFC部分或全部换流器的暂时性闭锁。而在区外故障切除后，系统恢复正常运行，UPFC可以在极短的时间内重新投入运行，整个过程所需的时间在秒级，对UPFC可靠性基本无影响。

对于区内故障，若为两母线永久性故障，则整个双回UPFC均停运；若为单回输电线路故障，则UPFC串联侧变为单回运行，UPFC降额以正常容量一半运行。因此站外交流系统S5有三种运行状态：正常(1)、降额(0.5)和停运(0)。

MMC-UPFC功能和各子系统状态组合如表1所示：

表1：UPFC七状态功能表

如表1所示：换流器系统S1中降额状态0.5右侧，针对并联侧，表示并联侧换流器降额导致的UPFC降额状态，针对串联侧，表示串联侧换流器降额导致的UPFC降额状态；1/0表示正常或停运状态；1/0.5表示正常或降额状态。

表2：MMC-UPFC七状态概率表

根据各子系统等值后的状态概率和各子系统的状态组合关系，计算获得UPFC七个运行状态的可靠性参数，表2示出了MMC-UPFC七状态概率。

Claims (2)

1.一种MMC-UPFC可靠性建模方法，其特征是：所述MMC-UPFC具有双回结构，所述建模方法包含以下步骤：

步骤1、根据MMC-UPFC的双回结构特点，将所述MMC-UPFC的组件划分为五个子系统，所述五个子系统分别是：换流器系统S1，并联侧变压器系统S2，串联侧变压器系统S3，直流母线及控制系统S4和站外交流系统S5；

所述MMC-UPFC的双回结构特点是指：其三台MMC采用互为备用的形式连接在直流母线上，在所述MMC-UPFC的串联侧独立运行时，实现静止同步串联补偿器的功能，在所述MMC-UPFC的并联侧独立运行时，实现静止同步补偿器的功能；

步骤2、采用马尔可夫状态空间法分别对各子系统进行可靠性建模，按如下过程建立各子系统的状态空间模型：考虑各子系统组件的串、并联关系和运行状态，通过排列组合建立各子系统状态空间模型，状态空间模型中的每一个元素均代表一个子系统的运行状态；根据各子系统组件的故障率和修复率，分别得到各子系统的等值化简前状态概率P和等值化简前状态转移率a_ij；所述等值化简前状态转移率a_ij是指在等值化简前的状态i和状态j之间的转移率；

步骤3、分别将各子系统状态空间模型进行等值化简，得到各子系统的等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′_IJ，所述等值化简后状态转移率a′_IJ是指在等值化简后的状态I和状态J之间的转移率；

等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′_IJ按如下方式获得：

等值化简前状态概率P为向量，向量P为：P＝(p₁,...p_i...,p_n)^T，p_i表示等值化简前子系统第i个运行状态的状态概率，1≤i≤n，n表示等值化简前子系统的运行状态个数；

等值化简前状态转移率A为矩阵，矩阵A为：A＝[a_ij]，1≤j≤n；

等值化简后状态概率P′为向量，向量P′为：P′＝(p′₁,...p′_I...,p′_m)^T，p_I′表示等值化简后子系统第I个运行状态的状态概率，1≤I≤m，m表示等值化简后子系统的运行状态个数；

等值化简后状态转移率A′为矩阵，矩阵A′为：A′＝[a′_IJ]，1≤J≤m；

由式(1)获得等值化简前状态概率P：

则：等值化简前状态转移频率f_ij为：f_ij＝a_ijp_i (2)

等值化简后状态转移频率f′_IJ为：

等值化简后子系统第I个运行状态的状态概率p_I′为：

等值后的状态转移率a′_IJ由式(3)、式(4)和式(5)联立计算获得：

f′_IJ＝a′_IJp_I′ (5)

步骤4、根据各子系统间的逻辑关系，并利用状态枚举法枚举出UPFC的七个运行状态；

步骤5、利用所述等值化简后状态概率P′和等值化简后状态转移率a′_IJ，以及各子系统间的逻辑关系，获得所述UPFC的七个运行状态的可靠性参数，依据所述可靠性参数建立MMC-UPFC可靠性模型。

2.根据权利要求1所述的MMC-UPFC可靠性建模方法，其特征是：所述UPFC的七个运行状态是指UPFC、SSSC和STATCOM的全额状态，UPFC、SSSC和STATCOM的降额状态，以及停运状态DOWN。

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