CN103246939B - 基于安全稳定裕度的电网运行安全风险事件在线辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于安全稳定裕度的电网运行安全风险事件在线辨识方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明根据自然环境和设备健康状态可能引起未来时段输变电设备故障的概率，形成不确定性事件及其引起的预想故障概率；计及电网运行方式出现的概率，进行安全稳定裕度评估，以安全稳定裕度不能满足预期要求作为故障后果，计算预想故障风险值；分析统计各个不确定性事件在未来各个时段引起电网故障的累计风险值，将风险值大于门槛值的不确定性事件定义为电网运行安全风险事件。本发明能够准确地辨识出导致电网运行安全风险的事件，从而能够采取有针对性的措施防控风险，为调度运行人员进行基于风险的控制决策奠定技术基础。

Description

基于安全稳定裕度的电网运行安全风险事件在线辨识方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，更准确地说，本发明涉及一种电网运行安全风险事件的在线辨识方法。

背景技术

在线安全稳定分析技术已经得到广泛应用，根据电网能量管理系统（EMS）提供的电网运行方式，对指定的预想故障，进行安全稳定评估和控制决策的分析计算，为调度运行人员掌控电网提供了重要的技术支撑。不过，目前实现的在线安全稳定分析是基于确定性的理念，没有计及电网运行方式出现的不确定性和故障发生的概率。

风电和光伏等新能源机组出力受气候因素影响呈现不确定性的特征，负荷变化也有一定的随机性，因而未来时刻的电网运行方式具有不确定性。受外部环境因素和设备自身状态的影响，电网中不同地点、发生不同形态故障的概率有很大差异。基于风险的理念，综合考虑电网运行方式出现的概率和故障的概率及后果，进行安全稳定分析与控制决策，更具针对性。

风电和光伏等新能源机组出力预测精度达到一定水平，结合负荷预测、常规机组发电计划和检修计划和，能够形成未来时刻、具有概率特征的电网运行方式。基于气象等外部环境信息和设备健康状态信息的故障概率建模技术取得长足发展，利用实测与预测的外部环境信息和设备健康状态信息，生成预想故障及概率，具备工程应用条件。

因此，通过综合评估外部环境变化等不确定性事件影响电网安全稳定运行的风险，辨识导致电网运行安全风险的关键性事件，从而采取有效措施防控风险的时机已经成熟。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术中存在的基于确定性进行电网安全稳定分析与控制决策的不足，提供一种在线辨识电网运行安全风险事件的方法，为进行有针对性的电网运行安全风险防控决策奠定技术基础。

本发明根据由于自然环境和设备健康状态等因素可能引起输变电设备故障发生概率的预测信息，形成未来各时段、各个不确定性事件引起的预想故障及其概率；计及电网运行方式出现的概率，分析计算故障下的安全稳定裕度；以安全稳定裕度不能满足预期要求作为故障后果，计算故障风险值，继而计算不确定性事件引发的电网运行安全风险值，由此辨识出导致电网运行安全风险的事件，从而为开展有针对性的风险防控决策奠定基础。

具体地说，本发明是采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1）在控制中心汇集电网运行信息、负荷预测信息、发电计划信息、具有概率特征的风电与光伏机组出力预测信息、检修计划信息以及能够引起输变电设备故障的不确定性事件及其故障发生概率；

2）根据能够引起输变电设备故障的不确定性事件及其故障发生概率信息，得到各个不确定性事件在各个时段内引起的各个预想故障及其概率，并按照以下方法根据各个预想故障的概率确定需要分析的预想故障、时段：

如果在某一时段内某一预想故障的概率超过预先设置的故障概率门槛值Th，则将该预想故障确定为该时段需要分析的预想故障；如果在某一时段内至少有一个不确定性事件引起了需要分析的预想故障，则将该时段确定为需要分析的时段；

3）对于各个需要分析的时段，根据电网运行信息、负荷预测信息、发电计划信息和检修计划信息，结合具有概率特征的风电与光伏机组出力预测信息，得到各个需要分析的时段的电网运行方式及其概率；

4）对于各个需要分析的预想故障，选取其相应的需要分析的时段的电网运行方式，进行安全稳定评估，并对于其中不满足安全稳定裕度要求的预想故障，以实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度的偏差作为故障后果，计算其风险值；

5）根据步骤4）得到的不满足安全稳定裕度要求的预想故障，得到引起这些预想故障的各个不确定性事件，并对这些不确定性事件所各自引起的不满足安全稳定裕度要求的预想故障的风险值进行汇总、作为这些不确定性事件各自的风险累计值，最后将其中风险累计值大于预先设置的风险门槛值RTh的不确定性事件确定为电网运行安全风险事件。

本发明的进一步特征在于：所述时段，是基于异常性的自然环境发展演变信息和设备健康状态变化信息及其变化特征进行划分的。

本发明的进一步特征在于：所述步骤2）中得到各个不确定性事件在各个时段内引起的各个预想故障及其概率的过程为，先确定由各单一不确定性事件在各时段内引起的各单一设备故障的概率，然后确定由各单一不确定性事件在各时段内引起的各个多设备故障的概率，再确定由多个不确定性事件在各时段内引起的各单一设备故障的概率以及多个不确定性事件在各时段内引起的各个多设备故障的概率。

本发明的进一步特征在于：所述步骤2）中的故障概率门槛值Th的设置方法如下：

对于单一设备故障，根据设备类型和所属电网，按照设备运行可靠性数据中的可用系数，用以下公式计算Th：

Th=(1-α)*0.85（1）

对于同一时段内的多设备故障，根据设备类型和所属电网，按照设备运行可靠性数据中的可用系数，按以下公式计算Th：

Th=0.1^k-1*(1-max(α))*0.85（2）

其中k是同一时段内的故障设备数，max(α)是同一时段内的k个故障设备中单个设备的最大可用系数。

本发明的进一步特征在于：所述步骤4）中以实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度的偏差作为故障后果、计算不满足安全稳定裕度要求的预想故障的风险值的方法为：

首先，对于各个预想故障所引起的各个元件安全稳定裕度不能满足要求的情况，按式（3）计算各个预想故障对于其引起的各个元件的影响后果CS：

CS=|η_r-η_e|（3）

其中η_r是各个元件的实际安全稳定裕度，η_e是该元件的期望安全稳定裕度；

接着，对于各个预想故障所引起的各类安全稳定问题的情况，按式（4）计算各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题的影响后果TS:

$\mathrm{TS}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{CW}}_i*{\mathrm{CS}}_i---\left(4\right)$

其中N是各个预想故障所引起的各类安全稳定问题中所涉及的元件总数，CS_i是上面按式（3)计算出的各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题中所涉及的各个元件的影响后果，CW_i是各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题中所涉及的各个元件的影响后果的重要性加权因子；

然后，按式（5）计算各个预想故障的总后果TOTS：

$\mathrm{TOTS}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{TS}}_i*{\mathrm{TW}}_i---\left(5\right)$

其中M是该预想故障引起的所有的安全稳定问题的总数，TS_i是上面按式（4）计算出的各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题的影响后果，TW_i是的各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题的影响后果重要性加权因子；

最后，按式（6）计算各个不满足安全稳定裕度要求的预想故障的风险值RF：

RF=P_c*P_f*TOTS（6）

其中，P_c是电网运行方式的概率，P_f是各个预想故障的概率。

本发明的进一步特征在于：所述步骤5）中，按照式（7）汇总得到各个不确定性事件的风险累计值RT:

$\mathrm{RT}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^L{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{K_i}{\mathrm{RF}}_{\mathrm{ij}}---\left(7\right)$

其中L是每个不确定性事件引起的不满足安全稳定裕度要求的预想故障所在的时段的总数，K_i是每个不确定性事件在第i个时段内引起的不满足安全稳定裕度要求的预想故障的总数，RF_ij是每个不确定性事件在第i个时段内引起的第j个不满足安全稳定裕度要求的预想故障的风险值。

本发明的进一步特征在于：所述步骤5）中的风险门槛值RTh的设置方法如下：

RTh=Th*CSTh*NTh（8）

其中CSTh是可接受的实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度的偏差的绝对值，NTh是可接受的实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度有偏差的元件数量。

本发明的有益效果如下：本发明提出的电网运行安全风险事件在线辨识方法，能够通过综合评估外部环境变化等不确定性事件影响电网安全稳定运行的风险，辨识导致电网运行安全风险的关键性事件，从而能采取有针对性的措施防控风险，为调度运行人员进行基于风险的控制决策奠定技术基础。

附图说明

图1是本发明的流程图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

图1中描述的步骤1是在控制中心汇集基础信息，包括电网运行信息、负荷预测信息、发电计划信息、具有概率特征的风电与光伏机组出力预测信息和检修计划信息，以及由于自然环境和设备健康状态等因素可能引起输变电设备故障的不确定性事件及其故障发生概率信息。

图1中描述的步骤2是形成各时段、各个不确定性事件相关的电网预想故障及其概率，并初选需要分析的时段和不确定性事件。实现方法如下：

（1）基于实测和预测的灾害性气候等异常性的自然环境发展演变信息和设备健康状态变化信息，根据其变化特征划分时段。

（2）对每个时段、所有不确定性事件，首先得到单一不确定性事件导致单一设备故障的概率；然后确定单一事件引起多个设备故障的概率；再分析计算多个事件引起单一设备故障的概率和多个事件引起多个设备故障的概率；最后形成各时段、各个不确定性事件引起电网设备故障概率的列表，包括1个不确定性事件在各个时段内引起独立引起单一设备故障的概率、引起多个设备故障的概率，以及与其它不确定性事件共同引起单一设备故障的概率、引起多个设备故障的概率。

（3）确定需要分析的预想故障及时段。针对各个时段，考察各个不确定性事件引起电网设备故障概率，如果在某一时段某一故障概率超过预设的门槛值，则将该故障列入该时段需要分析的预想故障；如果至少有1个不确定性事件引起的电网设备故障是需要分析的预想故障，则将该时段列入需要分析的时段。应根据一个时段内某个不确定性事件导致故障设备数量差异，选取不同的故障概率门槛值。

（4）初选需要分析的不确定性事件。针对各个不确定性事件，考察其在各个时段内引起电网设备故障概率，如果某一不确定性事件至少在1个时段引起电网设备故障的概率超过预设的门槛值，则将该不确定性事件列入需要分析的不确定性事件。

确定列入分析预想故障的概率门槛值的方法如下：

（1）对于单一设备故障，根据设备类型和所属电网，按照设备运行可靠性数据中的可用系数，用式（1）计算故障概率门槛值Th。

Th=(1.0-α)*0.85(1)

（2）对于同一时段多个设备故障，根据设备类型和所属电网，按照设备运行可靠性数据中的可用系数，按式（2）计算故障概率门槛值Th。

Th=0.1^k-1*(1-max(α))*0.85(2)

其中k是同一时段的故障设备数，max(α)是同一时段k个故障设备中单个设备的最大可用系数。

图1中描述的步骤3是对步骤2选出的时段，根据电网运行信息、负荷预测信息、发电计划信息和检修计划信息，结合具有概率特征的风电与光伏发电出力预测信息，形成时段、电网运行方式及其概率列表。

图1中描述的步骤4是对步骤2选出的各个时段和相应的预想故障，选取步骤3形成的相应时段的电网运行方式，基于安全稳定裕度评估，以安全稳定裕度不能满足预期要求作为故障后果，计算风险值。

实现方法如下：

（1）在步骤2）形成的电网设备故障概率的列表中，按时段、不确定性事件获取预想故障和概率信息。

（2）针对概率超过门槛值的所有预想故障，逐一进行后续工作，包括获取电网运行方式及概率信息、安全稳定裕度评估和进行预想故障下的风险值计算。

（3）以实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度的偏差作为故障后果，因而，只对安全稳定裕度不满足要求的预想故障，进行后续风险值的计算。

（4）以计算的元件实际安全稳定裕度η_r与期望安全稳定裕度η_e的偏差，按式（3）计算各个预想故障对于其引起的各个元件的影响后果CS_i。

CS_i=|η_r-η_e|（3）

（5）按安全稳定问题类别，分别计算故障下安全稳定裕度不能满足要求的后果。对于故障引起某类安全稳定裕度不能满足要求的情况，按元件的安全稳定问题后果CS_i及重要性加权因子CW_i，按式（4）计算故障下该类安全稳定问题的后果。

$\mathrm{TS}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{CW}}_i*{\mathrm{CS}}_i---\left(4\right)$

其中：N是安全稳定问题涉及的元件数。对于静态安全、暂态电压安全和暂态频率安全，N是安全裕度不能满足要求的母线、线路和主变数，CS_i是预想故障下元件的后果；对于功角稳定，N是故障下临界机群数目，CS_i取基于功角稳定裕度不能满足要求的后果。

元件重要性加权因子CW_i可用下式计算：

w=w_t*w_v*w_i

其中：w_t是元件类型因子，按发电机、母线、线路和主变的重要性，统一选取。w_v是电压等级因子，按母线、发电机（升压变高压侧母线）、线路和主变高压侧母线处于不同电压等级的重要性差异，统一进行设置。w_i是影响运行因子，发电机的影响运行程度因子按其容量与同一电压等级并网机组最大容量之比进行计算，母线的影响运行因子按其连接线路/主变总数与同一电压等级母线连接线路/主变总数最大值之比进行计算，线路/主变的运行影响因子按其传输的有功潮流与同一电压等级线路/主变传输潮流最大值之比进行计算。

然后按各类安全稳定问题的后果TS_i及重要性加权因子TW_i，由式（5）计算故障总的后果。

$\mathrm{TOTS}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{TS}}_i*{\mathrm{TW}}_i---\left(5\right)$

其中M是存在安全问题的种类数。

（6）综合考虑电网运行方式的概率P_c和故障概率P_f，按式（6）计算故障风险值RF。

RF=P_c*P_f*TOTS（6）

图1中描述的步骤5是基于步骤4得到的风险值，分析统计各个不确定性事件的风险值，并辨识风险事件。

对于不确定性事件引起多个时段、多个故障安全稳定裕度不能满足要求的情况，按式（7）累计各个时段、各个故障的风险值，作为不确定性事件的风险值。

$\mathrm{RT}={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^L{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{K_i}{\mathrm{RF}}_{\mathrm{ij}}---\left(7\right)$

其中L是每个不确定性事件引起的不满足安全稳定裕度要求的预想故障所在的时段的总数，K_i是每个不确定性事件在第i个时段内引起的不满足安全稳定裕度要求的预想故障的总数，RF_ij是每个不确定性事件在第i个时段内引起的第j个不满足安全稳定裕度要求的预想故障的风险值。

对各个不确定性事件的风险值，其进行排序，将风险值大于某一风险门槛值的不确定性事件辨识为电网运行安全风险事件。

风险门槛值RTh的设置方法如下：

RTh=Th*CSTh*NTh（8）

其中CSTh是可接受的实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度的偏差的绝对值，NTh是可接受的实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度有偏差的元件数量。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (1)

1.基于安全稳定裕度的电网运行安全风险事件在线辨识方法，其特征在于，包括如下步骤:

1)在控制中心汇集电网运行信息、负荷预测信息、发电计划信息、具有概率特征的风电与光伏机组出力预测信息、检修计划信息以及能够引起输变电设备故障的不确定性事件及其故障发生概率；

2)根据能够引起输变电设备故障的不确定性事件及其故障发生概率信息，得到各个不确定性事件在各个时段内引起的各个预想故障及其概率，并按照以下方法根据各个预想故障的概率确定需要分析的预想故障、时段：

如果在某一时段内某一预想故障的概率超过预先设置的故障概率门槛值Th，则将该预想故障确定为该时段需要分析的预想故障；如果在某一时段内至少有一个不确定性事件引起了需要分析的预想故障，则将该时段确定为需要分析的时段；

上述时段，是基于异常性的自然环境发展演变信息和设备健康状态变化信息及其变化特征进行划分的；

上述得到各个不确定性事件在各个时段内引起的各个预想故障及其概率的过程为：先确定由各单一不确定性事件在各时段内引起的各单一设备故障的概率，然后确定由各单一不确定性事件在各时段内引起的各个多设备故障的概率，再确定由多个不确定性事件在各时段内引起的各单一设备故障的概率以及多个不确定性事件在各时段内引起的各个多设备故障的概率；

上述故障概率门槛值Th的设置方法如下：

对于单一设备故障，根据设备类型和所属电网，按照设备运行可靠性数据中的可用系数α，用以下公式计算Th：

Th＝(1-α)*0.85(1)

对于同一时段内的多设备故障，根据设备类型和所属电网，按照设备运行可靠性数据中的可用系数，按以下公式计算Th：

Th＝0.1^k-1*(1-max(α))*0.85(2)

其中k是同一时段内的故障设备数，max(α)是同一时段内的k个故障设备中单个设备的最大可用系数；

3)对于各个需要分析的时段，根据电网运行信息、负荷预测信息、发电计划信息和检修计划信息，结合具有概率特征的风电与光伏机组出力预测信息，得到各个需要分析的时段的电网运行方式及其概率；

4)对于各个需要分析的预想故障，选取其相应的需要分析的时段的电网运行方式，进行安全稳定评估，并对于其中不满足安全稳定裕度要求的预想故障，以实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度的偏差作为故障后果，计算其风险值：

首先，对于各个预想故障所引起的各个元件安全稳定裕度不能满足要求的情况，按式(3)计算各个预想故障对于其引起的各个元件的影响后果CS：

CS＝|η_r-η_e|(3)

其中η_r是各个元件的实际安全稳定裕度，η_e是该元件的期望安全稳定裕度；

接着，对于各个预想故障所引起的各类安全稳定问题的情况，按式(4)计算各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题的影响后果TS：

$TS={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{CW}}_i*{\mathrm{CS}}_i---\left(4\right)$

其中N是各个预想故障所引起的各类安全稳定问题中所涉及的元件总数，CS_i是上面按式(3)计算出的各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题中所涉及的各个元件的影响后果，CW_i是各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题中所涉及的各个元件的影响后果的重要性加权因子；

然后，按式(5)计算各个预想故障的总后果TOTS：

$TOTS={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^M{\mathrm{TS}}_i*{\mathrm{TW}}_i---\left(5\right)$

其中M是该预想故障引起的所有的安全稳定问题的总数，TS_i是上面按式(4)计算出的各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题的影响后果，TW_i是各个预想故障对于其所引起的各类安全稳定问题的影响后果重要性加权因子；

最后，按式(6)计算各个不满足安全稳定裕度要求的预想故障的风险值RF：

RF＝P_c*P_f*TOTS(6)

其中，P_c是电网运行方式的概率，P_f是各个预想故障的概率；

5)根据步骤4)得到的不满足安全稳定裕度要求的预想故障，得到引起这些预想故障的各个不确定性事件，并对这些不确定性事件所各自引起的不满足安全稳定裕度要求的预想故障的风险值进行汇总、作为这些不确定性事件各自的风险累计值，最后将其中风险累计值大于预先设置的风险门槛值RTh的不确定性事件确定为电网运行安全风险事件；

汇总得到各个不确定性事件的风险累计值RT按照式(7)进行：

$RT={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^L{\mathrm{\Σ}}_{j=1}^{K_i}{\mathrm{RF}}_{ij}---\left(7\right)$

其中L是每个不确定性事件引起的不满足安全稳定裕度要求的预想故障所在的时段的总数，K_i是每个不确定性事件在第i个时段内引起的不满足安全稳定裕度要求的预想故障的总数，RF_ij是每个不确定性事件在第i个时段内引起的第j个不满足安全稳定裕度要求的预想故障的风险值；

上述风险门槛值RTh的设置方法如下：

RTh＝Th*CSTh*NTh(8)

其中CSTh是可接受的实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度的偏差的绝对值，NTh是可接受的实际安全稳定裕度与期望安全稳定裕度有偏差的元件数量。