CN103310390A

CN103310390A - 一种电网安全综合评价方法

Info

Publication number: CN103310390A
Application number: CN2013102835595A
Authority: CN
Inventors: 崔明建
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2013-07-05
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2013-09-18

Abstract

本发明提出一种电网安全综合评价方法，包括：针对电网安全运行评价的需要，构建一套较完整的两级事前综合评价指标体系以及每级安全评价指标的计算方法，进而提出一种基于灰色面积关联分析法和博弈论的电网安全综合评价模型，该模型先对每个一级指标进行初始评价，得到的评价结果再进行综合评价；采用灰色面积关联分析法确定每个一级指标的关联系数矩阵，利用博弈集合模型对层次分析法(AHP)、神经网络法(ANN)和熵权法得到的权重进行客观地组合得到组合权重，对各个一级指标进行初始评价；采用AHP法确定一级指标权重，与初始评价结果加权计算，进而得到电网安全综合评价结果，即电网的安全性优劣排序。

Description

一种电网安全综合评价方法

技术领域

本发明属于电力系统中的输配电工程技术领域，尤其是涉及一种基于多层次灰色面积关联分析法和博弈论的电网安全综合评价方法。

背景技术

国家电网公司为了指导全系统安全性评价工作，于2003年9月颁布了《国家电网公司电力生产安全性评价工作的实施办法（试行）》，对进行安全性评价规定了实施评价的具体方法和要求。另一方面，随着我国具有较高安全性的华北-华中-华东特高压交流同步电网的构建，特高压同步电网使我国受端电网范围、容量得以扩大，抵御严重事故的能力加强，系统安全稳定性满足《电力系统安全稳定导则》的要求。如何评估电网运营的安全性水平，建立电网运行安全评价指标体系，并在此基础之上做出合理有效的应急预案和调度决策，采用科学合理的综合评价方法评价电网运行的安全性，已经成为预防电网运行安全事故的重要措施和手段。现有的多数评估方法仅限于指标体系的建立，而对体系自身很少进行深入分析，最主要的是对评价体系内部指标之间的权重关系更是很少涉及，互联电网的安全性评估方法有待进一步补充完善。

现有的灰色系统理论提出了对各子系统进行灰色关联度分析的概念，采用了利用曲线之间的相关面积来计算曲线之间关联程度的灰色面积关联分析法。该方法的原理如下：

附图1中，以湖北省2011年潮流分布指标为例。两曲线之间有三种可能的分布情况，与之相应的面积关联度的计算方法如下所示。首先假设已知对比序列和原始参考序列分别为：

X_i＝(x_i(1),x_i(2),…x_i(n))(i＝1,2,…,N)

X₀＝(x₀(1),x₀(2),…x₀(n))

则差值序列为X_i'＝X_i-X₀，给出对应的自定义函数f(i)如下：

\{\begin{matrix} f (i) > 0 & x_{0} (i) - x_{i}^{'} (i) > 0 \\ f (i) = 0 & x_{0} (i) - x_{i}^{'} (i) = 0 \\ f (i) < 0 & x_{0} (i) - x_{i}^{'} (i) < 0 \end{matrix}

式中，f(1)=0。

灰色面积关联分析法的核心问题是计算曲线之间的相关面积，计算方法总结为六种，其具体计算公式如下：

S_{i} = \{\begin{matrix} \frac{1}{2} | (x_{0} (2) - x_{i}^{'} (2)) \times 1 | & f (i) = f (1) = 0 \\ \frac{1}{2} | (x_{0} (i) - x_{i}^{'} (i) + x_{0} (i + 1) - x_{i}^{'} (i + 1) \times 1) & f (i) \times f (i + 1) > 0 \\ \frac{1}{2} (| x_{0} (i) - x_{i}^{'} (i) | \times (x - i) + | x_{0} (i + 1) - x_{i}^{'} (i + 1) | \times ((i + 1) - x)) & f (i) \times f (i + 1) < 0 \\ 0 & f (i) = f (i + 1) = 0 \\ \frac{1}{2} | (x_{0} (i + 1) - x_{i}^{'} (i + 1)) \times 1 | & f (i) = 0 & f (i + 1) &NotEqual; 0 \\ \frac{1}{2} | (x_{0} (i) - x_{i}^{'} (i)) \times 1 | & f (i) &NotEqual; 0 & f (i + 1) = 0 \end{matrix}

式中，横坐标数据是以0开始、间距为1的整数列。为了既能区分各个比较序列的关联度，又能体现序列关联度的整体性，分辨系数的取值为：

ρ = \frac{0.8}{S_{v}}

式中，S_v为所有X_i'与X₀曲线的相关面积S_i的均值。

记S_v为差值序列与参考序列曲线的相关面积S_i的均值，即为

S_{v} = \frac{1}{n \times m} Σ_{i = 1}^{m} Σ_{k = 1}^{n} | S_{ik} |

式中Si_k为比较序列X_i'中第k个数据与参考序列X₀中第k个数据发生关联的面积（假设每个比较序列中均有n个比较数据，比较序列有m个）。

博弈集合模型是权重集结模型中最常用的方法，其实质是多人优化问题，通过极小化最优权重与基本权重之间的偏差得到一致或妥协的最满意权重。因此，博弈集合模型可表示为：

\min {| | Σ_{j = 1}^{L} α_{j} w_{j}^{T} - w_{i}^{T} | |}^{2} (i = 1,2, \cdot \cdot \cdot, L)

式中：L为不同方法确定的属性权重的个数；α_j为线性组合系数；w_j为第j个基本权重中一种可能权重向量。根据矩阵的微分性质可得出最优化一阶导数条件为

Σ_{j = 1}^{L} α_{j} w_{i} w_{j}^{T} = w_{i} w_{i}^{T}

其对应的线性方程组的矩阵形式为：

[\begin{matrix} w_{1} \cdot w_{1}^{T} & w_{1} \cdot w_{2}^{T} & \cdot \cdot \cdot & w_{1} \cdot w_{L}^{T} \\ {w_{2} \cdot w}_{1}^{T} & w_{2} \cdot w_{2}^{T} & \cdot \cdot \cdot & w_{2} \cdot w_{L}^{T} \\ \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot & \cdot \cdot \cdot \\ w_{L} \cdot w_{1}^{T} & w_{L} \cdot w_{2}^{T} & \cdot \cdot \cdot & w_{L} \cdot w_{L}^{T} \end{matrix}] [\begin{matrix} α_{1} \\ α_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ α_{L} \end{matrix}] = [\begin{matrix} w_{1} \cdot w_{1}^{T} \\ w_{2} \cdot w_{2}^{T} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ w_{L} \cdot w_{L}^{T} \end{matrix}]

该模型的实质是一个将多种权重赋值方法进行交叉组合的规划模型，该模型的基本特征是要求综合权重结果具有协调性和均衡一致性。

现有电网安全性评价方法存在的技术问题主要有评价的指标体系不够完整，且多为单层指标，单一的权重确定方法使得评价结果相对片面。且本领域目前尚未有应用基于灰色面积关联分析法和博弈论方法到电网安全性分析的技术方案出现。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于灰色面积关联分析法和博弈论的电网安全综合评价方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种电网安全综合评价方法，包括以下步骤，

步骤1，调研和搜集原始样本数据；

步骤2，基于步骤1所得样本数据，针对电网安全运行评价的需要，构建一套较完整的两级安全综合评价指标体系以及每级安全评价指标的计算方法，电网安全综合评价指标体系的一级指标包括静态安全指标、动态安全指标和短路电流指标，每个一级指标又由多个二级子指标构成；

步骤3，基于步骤2所得指标值构成的指标体系，采用灰色面积关联分析法确定每个一级指标的关联系数矩阵，利用博弈集合模型对层次分析法(AHP)、神经网络法(ANN)和熵权法得到的权重进行客观地组合得到组合权重，对各个一级指标进行初始评价；

步骤4，基于步骤3所得各个一级指标的初始评价结果，将其作为指标值，采用AHP法得到的一级指标的权重值，加权计算得到综合评价结果，即电网的安全性优劣排序。

而且，步骤2包括以下子步骤，

步骤2.1，构建两级安全综合评价指标体系：

提出的电网安全综合评价指标体系的一级指标包括静态安全指标、动态安全指标和短路电流指标。其中，静态安全指标的二级指标包括潮流分布指标、有功裕度指标、静态电压水平指标、N-1越限数指标、N-2越限数指标、线路极限传输功率指标；动态安全指标的二级指标体系包括暂态安全水平指标、小干扰稳定指标、功角稳定性指标、频率稳定性指标、动态电压稳定性指标；短路电流指标的二级指标体系包括短路电流水平指标。这3个一级指标和12个二级指标，构成一套电网安全综合评价指标体系，可以全面有效地评价电网安全运行水平，指标体系结构如附图2所示；

步骤2.2，二级指标的计算方法：

根据步骤2.1所得两级安全综合评价指标体系的每个二级指标的定义，提出二级指标的计算方法：

其中，静态安全指标(B1)的二级指标的计算方法如下：

C1.潮流分布指标指主要线路允许极限容量与线路潮流之差的和除以统计线路总回路数。该指标的稳定水平属于正向，即指标值越大，表明线路距离其允许极限容量越远，系统运行越稳定，需要指出的是由于不同线路型号的载流量不相同，导致其允许极限容量不同，因此不同线路的指标稳定水平亦不完全相同；

C2.有功负荷裕度指标指的是所研究电网的有功负荷临界状态与当前状态的差值占临界状态的比例。该指标的稳定水平属于正向，不同电网的指标值越大，说明该电网当前的工作点距离稳定极限点越远，承受负荷功率变化的能力越强；

C3.静态电压水平指标采用“负荷裕度指标”进行计算。该指标与负荷的有功裕度和无功裕度都有直接关系。“负荷裕度指标大”与“系统承受负荷增长能力强”成对应关系，因为负荷裕度是电网承受负荷增长能力表征，与负荷特性和网络特性有关，其中负荷特性对负荷裕度的影响更大。该指标的稳定水平属于正向，负荷静态电压指标越大，系统承受负荷增长的能力越强，电网静态安全稳定性越高；

C4.N-1越限数指标指的是在电网进行暂态分析过程中，不能满足N-1准则要求的故障元件数。由于电网220kV线路过多，本文统计500kV线路。该指标的稳定水平属于负向，表明不能满足N-1准则要求的故障元件数越少，电网运行越安全；

C5.N-2越限数指标指的是对电网进行暂态仿真计算的分析过程中，对N-2准则的要求不能满足的故障元件数。该指标的稳定水平与N-1越限数指标相同；

C6.线路极限传输功率指标指的是线路的两端电压的大小与线路等值电抗的比值。通常而言，较为准确的极限传输功率一般由仿真软件计算求得。该指标的稳定水平属于负向，指标越大，与热稳极限越接近，线路出现的热稳故障的概率越大；

动态安全指标(B2)的二级指标的计算方法如下：

C7.暂态安全水平指标采用的是临界切除时间裕度风险指标。事故的临界切除时间是衡量系统暂态稳定运行的重要指标，定义实际系统继电保护整定的故障切除时间与事故临界切除时间的差值为临界切除时间裕度，要求该裕度必须能够反映仿真事故对电网安全运行影响的严重程度。该指标的稳定水平属于正向，指标值越大，电网事故临界切除时间与实际系统继电保护整定的故障切除时间的差值越大，对继电保护和自动装置及各种措施的要求越低；

C8.衡量系统的小干扰稳定指标最主要的指标是阻尼比。通常要求系统正常运行条件下区域振荡模式的阻尼比等于、大于5%时称为强阻尼，小于5%大于3%时称为中等阻尼，小于3%大于0时称为弱阻尼，等于0时称为临界阻尼，小于0时称为负阻尼。该指标的稳定水平属于正向，指标越大，发电机的阻尼绕组能吸收系统振荡所产生的能量越多，使得振荡幅值衰减越快，使得系统小干扰越稳定；

C9.功角稳定性指标反映的是预想事故引起发电机功角摇摆的可能性以及造成的危害程度。发电机之间的功角差是电力系统暂态稳定判据的基本指标，取线路中的最大功角偏移量。该指标的稳定水平属于负向，指标越大，功角偏移量越大，对系统安全运行造成的危害就越大；

C10.频率稳定性指标反映的是电力系统预想事故引起发电机频率偏移的可能性以及造成的危害程度。电力系统遭受大扰动后，发电和负荷需求出现大的不平衡，引起频率偏移，取线路中的最大频率偏移量。该指标的稳定水平与指标C9类同；

C11.动态电压稳定性指标指在给定的初始运行状态下，遭受预想事故后系统中所有母线电压维持在规定值的能力。该指标反映的是预想事故后引起发电机母线电压偏移的可能性以及造成的危害程度，取线路中的最大电压偏移量。该指标的稳定水平与指标C9类同；

短路电流指标(B3)的二级指标的计算方法如下：

短路电流指标指主要母线短路电流与该母线允许短路电流之差的和与统计母线总数之比。在实际计算中可以采用基于全微分的戴维南等值参数跟踪计算得到。该指标的稳定水平属于正向，反映的是在系统当前运行状态的短路电流水平下，母线节点的当前短路电流离断路器最大遮断电流有多远；

而且，步骤3包括以下子步骤，

步骤3.1，计算关联系数矩阵：

基于步骤1所得样本空间和步骤2所得各个指标的计算值，归一化处理后，采用基于灰色面积关联分析法得到每个一级指标的关联系数矩阵；

步骤3.2，博弈论确定组合权重：

基于步骤3.1得到的关联系数矩阵，分别采用AHP法、神经网络法和熵权法计算得到静态和动态安全指标二级指标的权重向量，进而采用博弈论方法计算得到静态和动态安全指标二级指标的组合权重向量，将该组合权重与步骤3.1得到的关联系数矩阵进行加权计算，得到这两个一级指标的初始评价结果；

而且，步骤4包括以下子步骤，

步骤4.1，计算一级指标权重：

基于步骤3.1所得两个一级指标的初始评价结果和步骤2.2所得短路电流指标，采用AHP法确定对应的权重向量；

步骤4.2，安全性综合评价结果：

基于步骤4.1所得一级指标的权重向量，并与步骤3.1所得初始评价的一级指标值进行加权计算，进而得到电网安全性综合评价结果的优劣排序。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、本发明提出一套完整的电网安全性评价指标体系，指标做到了足够完备，且将整个体系分为两层，逐层进行评价，实现指标信息的充分性。

2、本发明采用基于博弈论的组合权重确定方法避免了单一方法确定权重的片面性，实现了权重信息的全面性。

附图说明

图1是湖北省2011年潮流分布指标的两序列曲线分布图；

图2是本发明的电网安全性综合评价指标体系结构框图；

图3是本发明实施例的流程图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细说明本发明的技术方案。

实施例提供的电网安全性综合评价方法的流程如图3所示，具体包含步骤如下：

步骤1，采用中国电力科学研究院编制的《电力系统分析综合程序》PSASP6.28作为电网计算程序，以湖北省2011年丰大运行方式的PSASP数据包作为原始样本数据；

实施例的步骤2包括以下子步骤，

步骤2.1，构建两级安全综合评价指标体系：

步骤2.2，二级指标的计算方法：

根据步骤2.1所得两级安全综合评价指标体系的每个二级指标的定义，提出二级指标的计算方法，并得到计算结果；

实施例的步骤3包括以下子步骤，

步骤3.1，计算关联系数矩阵：

步骤3.2，博弈论确定组合权重：

步骤4，基于步骤3所得各个一级指标的初始评价结果，将其作为指标值，采用AHP法得到的一级指标的权重值，加权计算得到综合评价结果，即电网的安全性优劣排序；

实施例的步骤4包括以下子步骤，

步骤4.1，计算一级指标权重：

步骤4.2，安全性综合评价结果：

通过以上步骤，最终完成对某省电网的安全性评价，并对将要投产的新建项目做出合理的安全性评价，对指导项目投产时序有一定意义。

本文中所描述的具体实施案例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种电网安全综合评价方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1，调研和搜集原始样本数据；

步骤2，基于步骤1所得样本数据，针对电网安全运行评价的需要，构建一套两级电网安全综合评价指标体系以及各级安全评价指标的计算方法，电网安全综合评价指标体系的一级指标包括静态安全指标、动态安全指标和短路电流指标，每个一级指标均包括二级指标；

步骤3，基于步骤2所得的各指标值构成的指标体系，采用灰色面积关联分析法确定每个一级指标的关联系数矩阵，利用博弈集合模型对层次分析法(AHP)、神经网络法(ANN)和熵权法得到的权重进行组合得到组合权重，对各个一级指标进行初始评价；

步骤4，基于步骤3所得的各个一级指标的初始评价结果，将其作为指标值，结合AHP法得到的一级指标的权重值，加权计算得到综合评价结果，即电网的安全性优劣排序。

2.根据权利要求1所述的电网安全综合评价方法，其特征在于：所述步骤2包括以下子步骤，

步骤2.1，构建两级电网安全综合评价指标体系：

两级电网安全综合评价指标体系的一级指标包括静态安全指标、动态安全指标和短路电流指标；其中，静态安全指标的二级指标包括潮流分布指标、有功裕度指标、静态电压水平指标、N-1越限数指标、N-2越限数指标、线路极限传输功率指标；动态安全指标的二级指标包括暂态安全水平指标、小干扰稳定指标、功角稳定性指标、频率稳定性指标、动态电压稳定性指标；短路电流指标的二级指标包括短路电流水平指标；

步骤2.2，二级指标的计算方法：

根据步骤2.1所得的两级电网安全综合评价指标体系的每个二级指标的定义，提出二级指标的计算方法：

静态安全指标(B1)包括的二级指标的计算方法如下：

潮流分布指标（C1）指的是主要线路允许极限容量与线路潮流之差的和除以统计线路总回路数；

有功负荷裕度指标（C2）指的是所研究电网的有功负荷临界状态与当前状态的差值占临界状态的比例；

静态电压水平指标（C3）采用“负荷裕度指标”进行计算；

N-1越限数指标（C4）指的是在电网进行暂态分析过程中，不能满足N-1准则要求的故障元件数；

N-2越限数指标（C5）指的是对电网进行暂态仿真计算的分析过程中，对N-2准则的要求不能满足的故障元件数；

线路极限传输功率指标（C6）指的是线路的两端电压的大小与线路等值电抗的比值；

动态安全指标(B2)的二级指标的计算方法如下：

暂态安全水平指标（C7）采用的是临界切除时间裕度风险指标；事故的临界切除时间是衡量系统暂态稳定运行的重要指标，定义实际系统继电保护整定的故障切除时间与事故临界切除时间的差值为临界切除时间裕度；

小干扰稳定指标（C8）指的是阻尼比；

功角稳定性指标（C9）指的是预想事故引起发电机功角摇摆的可能性以及造成的危害程度；

频率稳定性指标（C10）指的是电力系统预想事故引起发电机频率偏移的可能性以及造成的危害程度；

动态电压稳定性指标（C11）指在给定的初始运行状态下，遭受预想事故后系统中所有母线电压维持在规定值的能力；

短路电流指标(B3)的二级指标的计算方法如下：

短路电流指标指的是主要母线短路电流与该母线允许短路电流之差的和与统计母线总数之比；其采用基于全微分的戴维南等值参数跟踪计算得到。

3.根据权利要求2所述的电网安全综合评价方法，其特征在于：所述的步骤3包括以下子步骤，

步骤3.1，计算关联系数矩阵：

步骤3.2，博弈论确定组合权重：

基于步骤3.1得到的关联系数矩阵，分别采用AHP法、神经网络法和熵权法计算得到静态和动态安全指标的二级指标的权重向量，采用博弈论方法计算得到静态和动态安全指标二级指标的组合权重向量，将该组合权重向量与步骤3.1得到的关联系数矩阵进行加权计算，得到这两个一级指标的初始评价结果；

根据权利要求3所述的电网安全综合评价方法，其特征在于：所述的步骤4包括以下子步骤，

步骤4.1，计算一级指标权重：

基于步骤3.1所得的两个一级指标的初始评价结果和步骤2.2所得的短路电流指标，采用AHP法确定对应的权重向量；

步骤4.2，安全性综合评价结果：

基于步骤4.1所得的一级指标的权重向量，与步骤3.1所得的初始评价的一级指标值进行加权计算，得到电网安全性综合评价结果的优劣排序。