CN103279900B - 一种针对区域输电网脆弱域的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对区域输电网脆弱域的评估方法，包括S1将区域输电网简化为拓扑模型网络；S2对拓扑模型网络中的节点及线路进行权重分析，得到网络中节点及边的权重；S3对上述网络中节点及边的权重进行列表，权重高的输电线路为输电网脆弱域，并进行风险改造。本发明可提高供电可靠性，防止因为故障造成大面积的失压停电。

Description

一种针对区域输电网脆弱域的评估方法

技术领域

本发明涉及输电网风险评估领域，具体涉及一种针对区域输电网脆弱域的评估方法。

背景技术

电网是现代社会的重要基础设施，电网的安全运行已越来越成为现代文明社会政治经济生活高效运作的有效保证。但是电网瓦解和大停电事故却一直伴随着电网及社会的发展而存在。近年来，全世界范围内发生了多次电力系统大停电事故，给社会经济带来了巨大损失。大停电事故的频频发生,引起了科学界和工程界的高度重视，分析大规模停电事故的内在原因并寻找有效预防途径成为热点课题。

研究表明，电网的大面积停电事故通常是由连锁故障引起的。大停电事故是指大型电力系统由于单一或多重故障扰动在特定条件下诱发(持续的静态过负荷或稳定问题等)而造成的波及范围大、停电时间长、后果严重的电力中断事故。连锁反应强调更多的是事件之间的相关性，也就是说在一次停电事故中，如何从简单元件的故障开始传递、扩散，引起一系列其它元件停运，最终引起更大范围甚至是整个电网的停电。电力系统连锁故障发生的概率很小，但一旦发生，其影响就是灾难性的。

按照电网N-1安全可靠性设计标准，当系统出现一个故障，由保护设备切除后，系统应该维持在安全可靠运行状态。但国内外电网实际运行情况，尤其上面分析的近年来连锁故障引起的电网大面积停电表明，发生了大停电的电网肯定存在着脆弱环节，或者说存在着脆弱区域。当故障发生在脆弱域内，就造成了意想不到的情况，如连锁故障的出现。分析电网脆弱域的存在原因是很复杂的，但其主要因素可能包括电网物理结构本身存在的缺陷、各种自动控制设备不合适的动作(如误动或拒动等)以及电网监控系统存在的问题等原因。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的不足，提供一种针对区域输电网脆弱域的评估方法。

本发明的技术方案：

一种针对区域输电网脆弱域的评估方法，包括如下步骤：

S1将区域输电网简化为拓扑模型网络；

S2对拓扑模型网络中的节点及线路进行权重分析，得到网络中节点及边的权重；

S3对上述网络中节点及边的权重进行列表，权重高的输电线路为输电网脆弱域，并进行风险改造。

所述权重分析如下步骤：

S21网络分析，具体为：拓扑模型网络用二元组(N,E)表示，其中N＝{N₁,N₂,…,N_n}代表节点集合；E＝{e₁,e₂,…,e_m}代表边的集合，n和m分别表示所述网络包含的节点数和边数，所述拓扑模型网络的邻接矩阵A为：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \mathrm{...}& a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& \mathrm{...}& a_{2n}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ a_{n1}& a_{n2}& \mathrm{...}& a_{nn}\end{array}\right]$

其中a_ij∈{0,1},i,j＝1,2,…,n,a_ij表示节点i与节点j之间是否有边连接，如果节点i与节点j之间有边连接，则a_ij＝1，如果节点i与节点j之间没有边连接，则a_ij＝0；

S22方法分析，

S221定义1：拓扑模型网络中节点的重要性与节点所连接的边的重要性是一致的；

设定2个相互连接的节点越重要，则节点之间的边越重要，

基于所述设定，设b表示节点的度，具体表示与该节点连接边的数目，w_ij表示边ij的度，节点i的连接节点的集合表示为Γ_i；由定义1得到边ij的度定义为w_ij＝b_i×b_j，

令 $b=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \mathrm{...}& a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& \mathrm{...}& a_{2n}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ a_{n1}& a_{n2}& \mathrm{...}& a_{nn}\end{array}\right]\×e=A\×e$

其中e＝(111…1)^T是n维列向量；b＝(b₁b₂b₃…b_n)^T；

S222定义2：节点i的度等于所有与节点i相连的边的度之和，即 $b_i=\underset{j\∈{\mathrm{\Γ}}_i}{\Σ}{w}_{ij};$

S223对节点i的度进行归一化处理，计算在整个网络所占权重，具体为：

令

$w\left(i\right)=\frac{b_i}{\underset{i\∈N}{\Σ}{b}_i}$

其中

$\underset{i\∈N}{\Σ}w\left(i\right)=1$

式中，w(i)表示节点的权重；

S224同理，计算边的权重

$w\left(ij\right)=\frac{w_{ij}}{\underset{i,j\∈N}{\Σ}{w}_{ij}}$

其中 $\underset{i,j\∈N}{\Σ}w\left(ij\right)=1$

式中，w(ij)表示边ij的权重，w_ij表示边ij的度。

所述S1中具体简化规则为：

保留高压输电网；

节点均为无差别节点，所述节点包括发电厂、变电站及中间电气连接点；

所有边均为无向赋权边，所述所有边包括输电线及变压器支路；

合并同杆并架输电线，不计并联电容支路。

所述拓扑模型网络具体是由N个节点和l条边所构成的赋权、无向、稀疏连通的拓扑网络图。

本发明的有益效果：

本方法主要从复杂网络理论统计特性、网络模型进行了分析，将系统内的各个元素看作节点，元素之间的关系视为连接，整个系统就简化成了一个网络，并提出了一种基于复杂网络理论中节点度及边权重的改进计算方法，本发明可以协助电力运行部门划定区域输电网脆弱域并进行重点防护，提高输电网供电的可靠性。

附图说明

图1(a)本发明实施例中节点i在拓扑模型网络中的连接图、(b)本发明实施例中节点j在拓扑模型网络中的连接图；

图2是本发明实施例中某地区220kv输电网的拓扑模型图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种针对区域输电网脆弱域的评估方法，包括如下步骤：

S1将区域输电网简化为拓扑模型网络；

具体简化规则：

保留高压输电网，具体为220kV及以上高压线路，简化时不考虑配电网和发电厂、变电站的主接线结构；

节点均为无差别节点，所述节点包括发电厂、变电站及中间电气连接点；

所有边均为无向赋权边，所述所有边包括输电线及变压器支路，不考虑输电线其他特性参数和电压等级的不同；

合并同杆并架输电线，不计并联电容支路，目的是消除自环和多重边，使模型成为简单图。

经过上述简化，拓扑网络模型由N个节点和l条边所构成的赋权、无向、稀疏连通的拓扑网络图。

如图2所示，为某地区区域输电网简化后的拓扑模型网络。

S2对拓扑模型网络中的节点及线路进行权重分析，得到网络中节点及边的权重；

具体包括如下步骤：

S21网络分析，具体为：拓扑模型网络用二元组(N,E)表示，其中N＝{N₁,N₂,…,N_n}表示节点集合；E＝{e₁,e₂,…,e_m}表示边的集合，n和m分别表示所述网络包含的节点数和边数，所述n和m为正整数，所述拓扑模型网络的邻接矩阵A为：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \mathrm{...}& a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& \mathrm{...}& a_{2n}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ a_{n1}& a_{n2}& \mathrm{...}& a_{nn}\end{array}\right]$

其中a_ij∈{0,1},i,j＝1,2,…,n,a_ij表示节点i与节点j之间是否有边连接，如果节点i与节点j之间有边连接，则a_ij＝1，如果节点i与节点j之间没有边连接，则a_ij＝0。

S22方法分析，

S221定义1：拓扑模型网络中节点的重要性与节点所连接的边的重要性是一致的；

设定2个相互连接的节点越重要，则节点之间的边越重要，

基于所述设定，设b表示节点的度，具体表示与该节点连接边的数目，w_ij表示边ij的度，节点i的连接节点的集合表示为Γ_i；由定义1得到边ij的度定义为w_ij＝b_i×b_j，

令 $b=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& \mathrm{...}& a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& \mathrm{...}& a_{2n}\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ .& .& & .\\ a_{n1}& a_{n2}& \mathrm{...}& a_{nn}\end{array}\right]\×e=A\×e$

其中e＝(111…1)^T是n维列向量；b＝(b₁b₂b₃…b_n)^T；

在对网络拓扑结构的研究过程中，人们习惯以节点度数作为衡量节点重要度的标准，认为与节点相连的边越多则该节点越重要。然而，在许多实际网络中的某些关键节点并不一定具有较大的度数。因此，以往定义的节点度不能完全描述节点的重要度。

如图1(a)、(b)所示，节点i与节点j在网络拓扑结构上具有相同的度，均为4，分别与i₁、i₂、i₃、i₄及j₃、j₄j₁、j₂连接。但由于邻居节点的影响，节点i的重要性明显要比节点j的重要性高。因此可以看出节点本身的度与其邻居节点特征是不能忽视的重要因素，基于这个原因，本发明定义2。

S222定义2：节点i的度等于所有与节点i相连的边的度之和，即 $b_i=\underset{j\∈{\mathrm{\Γ}}_i}{\Σ}{w}_{ij};$

由定义2可知，节点i的重要度取决于节点i所连接边的度的大小，而边的权值的大小有两个影响因素：一是节点i的度bi，另一个是节点i的邻居节点的度。当2个节点自身的度相同的情况下，邻居节点的度越大，则节点越重要。

S223为了消除网络规模对节点度的影响，对节点i的度进行归一化处理，计算在整个网络所占权重，具体为：

令

$w\left(i\right)=\frac{b_i}{\underset{i\∈N}{\Σ}{b}_i}$

其中

$\underset{i\∈N}{\Σ}w\left(i\right)=1$

式中，w(i)表示节点的权重；

S224同理，计算边的权重

$w\left(ij\right)=\frac{w_{ij}}{\underset{i,j\∈N}{\Σ}{w}_{ij}}$

其中 $\underset{i,j\∈N}{\Σ}w\left(ij\right)=1$

式中w(ij)表示边ij的权重，w_ij表示边ij的度。

S3对上述网络中节点及边的权重进行列表，权重高的输电线路为输电网脆弱域，并进行风险改造，如表1为图2中220kV输电网拓扑结构节点及边权重的计算结果。

表1220kV输电网拓扑结构节点、边权重计算结果

由表1可知在220kV输电网拓扑结构中，节点9权重值最大，因此判定站点9在电网结构中非常重要；边L_9,12所占边的权重最大，因此认定当线路L_9,12断掉时对电网的影响最大，为输电网脆弱域。对风险值较高节点9的输电线路，则需要进行风险改造，这样提高供电可靠性，防止因为故障造成大面积的失压停电。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种针对区域输电网脆弱域的评估方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1将区域输电网简化为拓扑模型网络；

S2对拓扑模型网络中的节点及线路进行权重分析，得到网络中节点及边的权重；

S3对上述网络中节点及边的权重进行列表，权重高的输电线路为输电网脆弱域，并进行风险改造；

所述权重分析如下步骤：

S21网络分析，具体为：拓扑模型网络用二元组(N,E)表示，其中N＝{N₁,N₂,…,N_n}代表节点集合；E＝{e₁,e₂,…,e_m}代表边的集合，n和m分别表示所述网络包含的节点数和边数，所述拓扑模型网络的邻接矩阵A为：

$A=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{1n}\\ a_{21}& a_{22}& ...& a_{2n}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}\\ \\ \end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{nn}\end{array}\right]$

其中a_ij∈{0,1},i,j＝1,2,…,n,a_ij表示节点i与节点j之间是否有边连接，如果节点i与节点j之间有边连接，则a_ij＝1，如果节点i与节点j之间没有边连接，则a_ij＝0；

S22方法分析，

S221定义1：拓扑模型网络中节点的重要性与节点所连接的边的重要性是一致的；

设定2个相互连接的节点越重要，则节点之间的边越重要，

基于所述设定，设b表示节点的度，具体表示与该节点连接边的数目，w_ij表示边ij的度，节点i的连接节点的集合表示为Γ_i；由定义1得到边ij的度定义为w_ij＝b_i×b_j，

令 $b=\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& ...& a_{13}\\ a_{21}& a_{22}& ...& a_{23}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}\\ \\ \end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ a_{n1}& a_{n2}& ...& a_{nn}\end{array}\right]\×e=A\×e$

其中e＝(111...1)^T是n维列向量；b＝(b₁b₂b₃...b_n)^T；

S222定义2：节点i的度等于所有与节点i相连的边的度之和，即 $b_i=\underset{j\∈{\mathrm{\Γ}}_i}{\Σ}{w}_{ij};$

S223对节点i的度进行归一化处理，计算在整个网络所占权重，具体为：

令

$w\left(i\right)=\frac{b_i}{\underset{i\∈N}{\Σ}{b}_i}$

其中

$\underset{i\∈N}{\Σ}w\left(i\right)=1$

式中，w(i)表示节点的权重；

S224同理，计算边的权重

$w\left(ij\right)=\frac{w_{ij}}{\underset{i,j\∈N}{\Σ}{w}_{ij}}$

其中 $\underset{i,j\∈N}{\Σ}w\left(ij\right)=1$

式中，w(ij)表示边ij的权重，w_ij表示边ij的度。

2.根据权利要求1所述的一种针对区域输电网脆弱域的评估方法，其特征在于，所述S1中具体简化规则为：

保留高压输电网；

节点均为无差别节点，所述节点包括发电厂、变电站及中间电气连接点；

所有边均为无向赋权边，所述所有边包括输电线及变压器支路；

合并同杆并架输电线，不计并联电容支路。

3.根据权利要求1所述的一种针对区域输电网脆弱域的评估方法，其特征在于，所述拓扑模型网络具体是由N个节点和l条边所构成的赋权、无向、稀疏连通的拓扑网络图。