CN101916990B - 短路电流限制措施优化校验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于多层次模糊综合评价的短路电流限制措施优化校验方法。该方法首先自动计算限流措施配置，研究经济性、安全性、可靠性多目标优化的限制短路电流配置方案，然后校核电压稳定，暂态稳定和运行可靠性等约束。使用本方法可自动进行限流措施方案的优化校验，得到清晰直观的优化配置结果。

Description

短路电流限制措施优化校验方法

技术领域

本发明属于电力系统安全防御技术领域，尤其涉及一种对短路电流限制措施进行优化校验的方法。

背景技术

传统的限制短路电流办法通常是对各种限流措施逐一进行计算比较，因此存在计算方法繁琐、计算效率低等问题，且无法同时考虑安全、经济问题。综合措施的求解也往往是在单一限流措施无法满足要求的情况下，凭经验综合有限的几种限流措施来实现，因此不易形成优化的措施配置方案。对于各种限流措施优化配置的问题的研究，尚处于起步阶段。

文献[1]给出一种电力系统限流措施的自动优化配置方法。该方法的基本思路是将限流措施配置问题当成一个混合整数规划问题，然后采用求解混合整数规划的算法获得优化的限流措施配置方案。

文献[2]将限流措施最优配置问题表达为一个混和整数规划问题，其决策变量包括各种连续限流措施(如串联电抗器电抗)和离散限流措施(比如分区分层)等等，分别用μ、v代表。当决策变量取不同数值的时候，系统状态变量x，比如潮流和短路电流等等，随之变化，该模型同样是一个常规的混和整数规划模型。

文献[3]提出一种基于遗传算法配置固态限流器的优化方法，可方便地处理混合整数离散性问题，使用多目标函数，使电网中配置的固态限流器个数最少。

[1]陈丽莉、黄民翔、张弘等。电网限流措施的优化配置。电力系统自动化，2009，33(6)：38-42。

[2]张弘。电网限流措施的最优配置研究。浙江大学硕士学位论文，2008，5。

[3]余冰、刘德福、王俊胜等。基于改进遗传算法的固态限流器优化配置方法。云南电力技术，2008，36(12)：11-13。

上述文献提出的方法，没有考虑电压稳定，暂态稳定，低频减载和可靠性等等约束。处理这类约束存在困难，因为这些约束的计算都涉及复杂的系统仿真，难以表达在一个整数优化模型中。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述短路电流限制措施优化配置方法存在的不足，提出一种基于多层次模糊综合评价模型的短路电流限制措施优化校验方法，结合模糊综合评价程序和短路电流限制措施优化配置过程，研究经济性、安全性、可靠性多目标优化的限制短路电流配置方案，并结合电压稳定，暂态稳定和可靠性等约束条件对所得方案进行校验。

本发明的目的是通过下列技术手段实现的：

根据电网短路电流计算结果，根据地区电网变电站短路电流水平，综合分析变电站断路器的额定电流和限制短路电流措施的特性，制定限流方案。其中，主要限流措施包括：电磁环网解环、母线分列运行、改变电源接入系统的方式、输电线路采用大截面导线、采用高阻抗变压器、变压器中性点串接小电抗、采用限流电抗器。

实施限流方案配置，通过电力系统分析综合程序对电网限流方案进行仿真计算，校核电压稳定，暂态稳定和运行可靠性等约束条件，对限流方案优化分析，确定限流方案的限流措施。

结合限流措施优化配置过程中需要考虑的各种约束和需要达到的目标，对多层次模糊综合评价模型进行改进，形成电网短路电流限制措施优化配置方法。

进行电网限流方案计算结果的数据读入，对短路电流限制效果，静态安全性、暂态稳定性、运行经济性等系统运行指标行为进行计算分析。

由改进的多层次模糊综合评价模型，通过短路电流限制措施优化配置分析软件中的权重确定系统，可以根据电网实际情况，选择合适的，计算准则层和指标层中限流效果、静态安全性、暂态稳定性、运行经济性权重系数；通过指标值计算输入系统，对电网限流方案的仿真计算结果进行读入计算，确定准则层和指标层中限流效果、静态安全性、暂态稳定性、运行经济性的指标值。

根据电网不同限流方案中系统运行指标行为的权重系数和指标值，进行限流方案优先度计算，通过优先度计算系统输出结果分析，确定电网短路电流限制措施优化方案。

基于多层次模糊综合评价的短路电流限制措施优化校验方法，可自动进行限流措施方案的优化计算，最后得到清晰直观的优化配置结果。

附图说明

下面结合附图对本发明作详细说明：

图1为模糊评判模型递阶层次结构关系图；

图2为行为指标的隶属度函数；

图3为根据本发明实施例的程序流程图。

具体实施方式

下面以华北电网500kV网架短路电流限制措施优化配置方案作为本发明的一个实施例，对本发明的发明内容做进一步说明。

将静态安全性、暂态安全性、短路电流限制效果以及运行经济性等四个约束作为因素集U，在因素子集静态安全性中考虑线路或变压器过负荷和母线电压越限两个子因素，在因素子集暂态安全性中考虑最大发电机功角差一个子因素，在因素子集短路电流限制效果中考虑220kV三相、单相短路电流和500kV三相、单相短路电流四个子因素，在因素子集运行经济性中考虑开关设备投资和系统网损两个子因素。

将上述因素集和因素子集分成三层，分别定义为方案层、准则层和指标层。具体模糊评判模型递阶层次结构关系如图1所示：

综合对各个限流措施的特性分析，提出三个华北电网短路电流限流措施配置方案，所述方案如下：

方案一：

1.北京电网

(1)母线分列运行

京京东1000kV站500kV侧母线、昌平500kV母线、顺义500kV母线分列运行。

(2)出线串联电抗

房山-门头500kV双回线门头侧串联10欧姆限流电抗器。

2.天津电网

(1)母线分列运行

津天津1000kV站500kV母线分列运行。

(2)母线串联电抗

津南蔡500千伏母线串联10欧姆限流电抗器。

津津东500千伏母线串联10欧姆限流电抗器。

津吴庄500千伏母线串联15欧姆限流电抗器。

(3)出线串联电抗

滨海-芦台500kV双回线滨海段串联15欧姆基于TPSC短路电流限制器。

3.唐山电网(包括承德、秦皇岛、廊坊、张家口地区)

(1)母线串联电抗

唐安各500kV母线串联5欧姆限流电抗器；

张张南500kV母线串联10欧姆限流电抗器；

唐姜家500kV母线串联10欧姆限流电抗器；

唐平安500kV母线串联10欧姆基于TPSC短路电流限制器；

(2)出线串联电抗

廊霸州-津吴庄双回线串联5欧姆限流电抗器

方案二：

1.北京电网

(1)母线分列运行

京京东1000kV站500kV侧母线、顺义500kV母线分列运行。

(2)母线串联电抗

昌平500kV母线串联10欧姆限流电抗器

(3)出线串联电抗

房山-门头500kV双回线门头侧串联10欧姆限流电抗器。

2.天津电网

(1)母线分列运行

津天津1000kV站500kV侧母线、津南蔡500kV母线分列运行

(2)母线串联电抗

津津东500千伏母线串联5欧姆限流电抗器。

(3)出线串联电抗

滨海-芦台500kV双回线滨海段串联15欧姆基于TPSC短路电流限制器；

吴庄-霸州500kV双回线滨海段串联20欧姆基于TPSC短路电流限制器。

3.唐山电网(包括承德、秦皇岛、廊坊、张家口地区)

(1)母线串联电抗

张张南500kV母线串联10欧姆限流电抗器；

唐平安500kV母线串联10欧姆基于TPSC短路电流限制器；

唐安各500kV母线串联5欧姆限流电抗器；

(2)出线串联电抗

唐平安-唐姜家串联10欧姆限流电抗器；

(3)中性点接小电抗

唐滦县500kV站中性点串联5欧姆基于TPSC的短路电流限制器。

方案三：

1.北京电网

(1)母线分列运行

京京东1000kV站500kV侧母线、顺义500kV母线分列运行。

(2)母线串联电抗

昌平500kV母线串联10欧姆限流电抗器。

(3)出线串联电抗

房山-门头500kV双回线门头侧串联10欧姆限流电抗器。

2.天津电网

(1)母线分列运行

津天津1000kV站500kV侧母线、津南蔡500kV母线分列运行

(2)母线串联电抗

津津东500千伏母线串联5欧姆限流电抗器。

(3)出线串联电抗

滨海-芦台500kV双回线滨海段串联15欧姆基于TPSC短路电流限制器；

吴庄-霸州500kV双回线滨海段串联20欧姆基于TPSC短路电流限制器。

3.唐山电网(包括承德、秦皇岛、廊坊、张家口地区)

(1)母线串联电抗

张张南500kV母线串联10欧姆限流电抗器；

唐平安500kV母线串联10欧姆基于TPSC短路电流限制器；

唐安各500kV母线串联5欧姆限流电抗器；

(2)出线串联电抗

滦县-姜家500kV双回线姜家侧串联15欧姆基于TPSC短路电流限制器。

上述三个方案均能将超标站点短路电流限制在开关额定容量的95％以下，下面综合考虑静态安全性、暂态安全性、短路电流限流效果、运行经济性四个方面进行综合评价，得出最优方案。

步骤一：计算因素集和各子因素集的权重系数集

(1)四个准则层因素静态安全性(Z₁)、暂态安全性(Z₂)、短路电流限流效果(Z₃)、运行经济性(Z₄)构成的判断矩阵元素为b₁₂＝1/3、b₁₃＝1/5，b₁₄＝3，b₂₃＝1/2、b₂₄＝1、b₃₄＝2；

(2)单一准则层静态安全性(Z₁)两个子因素线路或变压器过负荷(C₁₁)和母线电压越限(C₁₂)构成的判断矩阵元素为c₁₂＝5；

(3)单一准则层暂态安全性(Z₂)只有一个子因素发电机最大功角差，其构成的判断矩阵元素为c₁₂＝1；

(4)单一准则层短路电流限流效果(Z₃)有四个子因素集500kV三相短路电流(C₃₁)、500kV单相短路电流(C₃₂)、220kV三相短路电流(C₃₃)、220kV单相短路电流(C₃₄)构成的判断矩阵元素为c₁₂＝1、c₁₃＝3、c₁₄＝3、c₂₃＝3、c₂₄＝3、c₃₄＝1；

(5)单一准则层运行经济性(Z₄)两个子因素开关设备投资(C₄₁)和系统网损(C₄₂)构成的判断矩阵元素为c₁₂＝1/2；

计算出的权重系数集：

因素集权重系数w＝(0.1674，0.2415，0.4466，0.1445)。

子因素集权重系数分别为w₁＝(0.8333，0.1667)；w₂＝(1)；w₃＝(0.375，0.375，0.125，0.125)；w₃＝(0.3333，0.6667)。

步骤二：确定评价集

评价等级标准分为：“最好”，“较好”，“好”，“一般”，“差”，五个等级，即评价集为V＝{v₁，v₂，v₃，v₄，v₅}，各等级对应的分数值分别为{9，7，5，3，1}。

步骤三：确认模糊行为指标

本发明的实施例中引入下列模糊行为指标：

1.线路或变压器过负荷指标λ_L

${\mathrm{\λ}}_L=\underset{\mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}}{(S_l/S_l^{\max })}^2$

式中α为输电线路或变压器支路集合；S_l为支路l的功率；

为其上限。

2.线电压越限指标λ_U

${\mathrm{\λ}}_U=\underset{\mathrm{\β}}{\mathrm{\Σ}}{\left(\frac{U_i-U_i^{\mathrm{SP}}}{\mathrm{\Δ}{U}_i^{\lim }}\right)}^2$

$U_i^{\mathrm{sp}}=(U_i^H+U_i^L)/2,$ $\mathrm{\Δ}{U}_i^{\lim }=(U_i^H-U_i^L)/2$

式中β为母线集合；U_i为母线i的电压幅值，

和

分别为其上限和下限。

3.最大发电机功角差δ_max

δ_max＝MAX|δ_i-δ_j|

式中δ_i，δ_j为故障切除后暂态过程中任意两台发电机之间的功角。

4.短路电流限流效果指标λ_SC：

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{SC}}=\underset{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Σ}}{(\mathrm{\Δ}{I}_{\mathrm{SC}}/I_0)}^2$

式中γ为母线断路器集合；ΔI_SC为采取措施后降低的短路电流值，I₀为断路器额定关断电流。

5.开关设备投资指标λ_e

式中M_i是指开关设备的造价，单位：千万元。

6.系统网损指标λ_loss

λ_loss＝ΔP_loss

式中ΔP_loss是某种方案下系统增加的有功网损衡量。

步骤四：确认各行为指标隶属度函数的参数，如表3所示：

表3行为指标隶属度函数参数

指标	λ1	λ2	λ3	λ4	λ5
						λI	20	30	40	50	60
λU	25	40	55	70	85
						λδ	90	100	110	120	130
λSC-500	15	25	35	45	55
						λSC-220	5	10	15	20	25
λe	50	80	110	140	170
						λloss	160	200	240	280	320

本发明的实施例中行为指标隶属于评价语集中各评语的程度用半梯形和三角形隶属度函数予以描述，如图2所示，上图中μ(v_k，λ_P)(k＝1，2，…，5)即表示该行为指标对评语v_k的隶属度，其中λ₁～λ₅为常量参数，表征对应指标的经验判断值，是各行为指标隶属度函数的参数。

步骤五：各方案的行为指标计算结果，如表4所示

表4各方案行为指标计算结果

行为指标	方案一	方案二	方案三
				线路或变压器过负荷	32.33	32.89	29.02
母线电压越限	45.55	50.07	44.39
				发电机最大功角差	126.34	114.89	112.25
500kV三相短路电流	25.17	28.77	26.94
				500kV单相短路电流	27.99	30.01	29.53
220kV三相短路电流	7.34	7.25	7.59
				220kV单相短路电流	6.12	6.33	7.08
开关设备投资	89.82	123.82	142.88
				系统网损	307.11	267.63	238.30

其中，开关设备投资总价根据各项限流措施单价计算所得。

步骤六：各方案稳定极限校验

采取方案一限流措施后，蒙西送京津唐断面稳定极限下降了143WM，山西送京津唐断面稳定极限下降了171MW，京津唐送河北南网断面稳定极限下降了203MW，山西送河北南网断面稳定极限下降了411MW，京津唐冀送山东断面极限稳定极限下降了297MW。

采取方案二限流措施后，蒙西送京津唐断面稳定极限下降了257MW，山西送京津唐断面稳定极限下降了163MW，京津唐送河北南网断面稳定极限下降了245MW，山西送河北南网断面稳定极限下降了383MW，京津唐冀送山东断面极限稳定极限下降了247MW。

采取方案三限流措施后，蒙西送京津唐断面稳定极限下降了318MW，山西送京津唐断面稳定极限下降了210MW，京津唐送河北南网断面稳定极限下降了198MW，山西送河北南网断面稳定极限下降了375MW，京津唐冀送山东断面极限稳定极限下降了75MW，基本不受影响。

步骤七：各方案的优先度结果，如下表所示

表5方案优先度结果

方案	优先度
		方案一	5.46
方案二	5.15
		方案三	6.48

由上表可知，方案三的综合效果最好。图3所示为本发明方法的流程图。

Claims (1)

1.一种短路电流限制措施优化校验方法，基于多层次模糊综合评价模型，其特征在于，包括以下步骤：

-根据电网短路电流计算结果，根据地区电网变电站短路电流水平，综合分析变电站断路器的额定电流和限制短路电流措施的特性，制定限流方案；

-实施限流方案配置，通过电力系统分析综合程序对电网限流方案进行仿真计算，校核约束条件，对限流方案优化分析，确定限流方案的限流措施；

-将静态安全性、暂态安全性、短路电流限制效果以及运行经济性四个约束作为因素集，在因素子集静态安全性中考虑线路或变压器过负荷和母线电压越限两个子因素，在因素子集暂态安全性中考虑最大发电机功角差一个子因素，在因素子集短路电流限制效果中考虑220kV三相短路电流、220kV单相短路电流、500kV三相短路电流和500kV单相短路电流四个子因素，在因素子集运行经济性中考虑开关设备投资和系统网损两个子因素；

-计算因素集和各子因素集的权重系数集；

-确定评价集；评价等级标准分为：“最好”，“较好”，“好”，“一般”，“差”，五个等级，即评价集为V＝{v₁，v₂，v₃，v₄，v₅}，各等级对应的分数值分别为{9，7，5，3，1}；

-确定以下模糊行为指标：线路或变压器过负荷指标λ_L、线电压越限指标λ_U、最大发电机功角差δ_max、短路电流限流效果指标λ_SC、开关设备投资指标λ_e和系统网损指标λ_loss；

-确定各行为指标隶属度函数的参数；

-得出各方案的行为指标计算结果；

-对各限流方案进行稳定极限校验；

-计算出各限流方案的优先度结果。

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