CN103366220A - 电力系统的运行风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电力系统运行风险评估方法，包括：(1)建立电力系统风险评估指标体系；(2)计算所述指标体系中的指标；(3)根据所述指标的计算值对电力系统进行风险进行评估。根据本发明的电力系统运行风险评估方法，对电力系统可能存在的潮流越限、电压越限、电压失稳和连锁故障等危害其运行安全的事件进行风险评估，保障电网的安全稳定运行。

Description

电力系统的运行风险评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统的风险评估，尤其涉及电力系统的连锁故障分析。

背景技术

随着电力系统的不断发展，系统规模越来越大，结构越来越复杂，任何事故都可能给电力系统带来严重危害，甚至给整个社会带来巨大危害。因此，及时发现影响电力系统安全运行风险，及早采取应对措施，对保证电力系统安全运行和对用户的可靠供电十分重要。

目前，电力系统风险评估领域的研究工作主要从静态安全风险、电压稳定风险，暂态安全风险、连锁故障风险、基于风险评估的决策优化等几个方面进行，并取得了瞩目的研究成果。但是在风险评估方法研究方面还有待完善，比如在评估事故发生的可能性时采用的系统状态概率模型不够严格、连锁故障模型不够完整、未建立完备的系统风险指标体系、不能从多个侧面评估事故的严重程度等等。这些不足之处将影响衡量系统所面临风险的准确性。

为避免电力系统发生停电事件，尤其是连锁故障导致的大规模停电事故，必须建立完整的电力系统风险评估指标体系，并在此基础上对电力系统进行建模计算各项指标，这对于保障电力系统安全稳定运行，防止系统发生潮流越限、电压崩溃和连锁故障等事故具有重要意义。

由此，业界需要针对连锁故障分析的电力系统运行风险评估方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电力系统运行风险评估方法，以对电力系统可能存在的潮流越限、电压越限、电压失稳和连锁故障等危害其运行安全的事件进行风险评估，保障电网的安全稳定运行。

为了达成上述目的，本发明提出了一种电力系统运行风险评估方法，包括：

(1)建立电力系统风险评估指标体系；(2)计算所述指标体系中的指标；(3)根据所述指标的计算值对电力系统进行风险进行评估。

进一步地，所述指标体系包括：系统静态电压失稳风险指标、系统电压越限风险指标、潮流过载风险指标、及系统连锁故障风险指标。

进一步地，对于系统潮流过载风险指标、电压越限风险指标和静态电压失稳风险指标，采用解析法进行分析，分别计算系统设备的N-1和N-2等事件给系统带来的影响及事件发生的概率。

进一步地，对于系统连锁故障风险指标，采用蒙特卡洛模拟法对连锁故障仿真模型进行分析。

进一步地，还采用风险价值(VaR)理论对所述系统连锁故障风险进行量化，计算连锁故障的损失和发生概率。

进一步地，利用基于连续潮流的静态电压稳定性来进行所述风险评估。

进一步地，所述评估方法还包括建立电力系统状态概率模型，从而进行风险评估。

进一步地，所述建立电力系统状态概率模型包括：-根据电力系统中不同设备可能形成的状态空间，建立设备的停运概率模型；-在充分考虑组成支路的各设备停运模式基础上，建立支路等效停运模型；-考虑双回线多种停运模式重叠的概率模型；-在所建立的支路等效停运模型基础上给出电力系统状态概率。

进一步地，所述评估方法还包括建立连锁故障仿真模型。

进一步地，所述建立连锁故障仿真模型包括：-建立电力网络的拓扑模型，采用网络的特征量分析系统的脆弱设备；-基于最优潮流算法建立了连锁故障仿真模型，并且考虑设备运行状态和继电保护隐性故障的影响。

根据本发明的电力系统运行风险评估方法，对电力系统可能存在的潮流越限、电压越限、电压失稳和连锁故障等危害其运行安全的事件进行风险评估，保障电网的安全稳定运行。

结合附图，根据下文的通过示例说明本发明主旨的描述可清楚本发明的其他方面和优点。

附图说明

结合附图，通过下文的述详细说明，可更清楚地理解本发明的上述及其他特征和优点，其中：

图1为示出本发明方法之步骤的流程图；

图2示出了PV曲线及负荷裕度；

图3为系统静态电压稳定风险评估指标计算流程图；

图4为电压越限风险评估指标计算流程图；

图5为潮流过载风险评估指标计算流程图；

图6为电力系统连锁故障风险评估指标计算流程图。

具体实施方式

参见示出本发明实施例的附图，下文将更详细地描述本发明。然而，本发明可以以许多不同形式实现，并且不应解释为受在此提出之实施例的限制。相反，提出这些实施例是为了达成充分及完整公开，并且使本技术领域的技术人员完全了解本发明的范围。这些附图中，为清楚起见，可能放大了层及区域的尺寸及相对尺寸。

现参考图1描述根据本发明的电力系统运行风险评估方法。

如图1所示，在步骤S101中，根据本发明的电力系统运行风险评估方法首先建立电力系统风险评估指标体系。

由于系统运行风险评估研究的首要任务，是建立反映电力系统安全的指标体系，因此，根据本发明的电力系统运行风险评估方法首先建立电力系统风险评估指标体系。

本实施例中，电力系统风险评估指标体系涵盖了系统潮流过载风险指标、系统电压越限风险指标、系统静态电压失稳风险指标以及系统连锁故障风险指标。这些风险指标定量地衡量了系统各种故障事件发生概率及故障损失。

步骤S102中，计算所述指标体系中的指标。

本实施例中，利用静态电压稳定性以及切负荷来进行所述指标的计算。

本实施例中，对于系统潮流过载风险指标、电压越限风险指标和静态电压失稳风险指标，本文采用解析法进行分析，分别计算系统设备的N-1和N-2等事件给系统带来的影响及事件发生的概率。对于系统连锁故障风险指标本文采用蒙特卡洛模拟法对连锁故障仿真模型进行分析，并应用金融领域的风险价值(VaR)理论对风险进行量化，计算连锁故障的损失和发生概率。

连续潮流(CPF)是电力系统静态电压稳定分析的一种重要方法。连续潮流法通过一种预测-校正方案寻找因负荷增长而变化的电压路径，逐步增加系统负荷直到系统达到静态电压稳定极限。如图2所示，从基本负荷开始，根据切线原则预测下一个运行点的位置，该预测被Newton-Raphson方法所校正，有效消除了PV曲线鼻点处潮流雅克比矩阵奇异的数值问题。该方法在潮流方程中引入负荷参数λ：

0≤λ≤λ_cr                    (4-1)

式中，λ＝0表示系统负荷为基本负荷，λ＝λ_cr表示系统达到静态电压稳定极限时的负荷。

潮流方程表示如下：

$P_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Li}}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0---(4-2)$

$Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Li}}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_i{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0---(4-3)$

其中，

P_Gi＝P_Gi0(1+λk_Gi)                    (4)

P_Li＝P_Li0(1+λk_Li)                    (5)

Q_Li＝Q_Li0(1+λk_Li)                    (6)

式中，k_Li、k_Gi分别为负荷参数λ变化时，第i条母线负荷或发电机出力变化的比率，P_Gi0是初始状态母线i上的发电机出力，P_Li0、Q_Li0是初始状态母线i上有功和无功负荷。

通过迭代计算，CPF可以精确获得电压稳定极限点和比较完整的PV曲线。在极限点，λ＝λ_cr，此时系统总负荷为：

$P_{\mathrm{cr}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(1+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cr}}{k}_{\mathrm{Li}})P_{\mathrm{Li}0}---\left(7\right)$

假设系统负荷增长方式是全部负荷节点的功率同比例增加，即k_Li＝1，则有：

$P_{\mathrm{cr}}=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}(1+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cr}})P_{\mathrm{Li}0}=(1+{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cr}})P_{L0}---\left(8\right)$

${\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cr}}=\frac{P_{\mathrm{cr}}-P_{L0}}{P_{L0}}---\left(9\right)$

式中，P_L0是初始运行点的系统总负荷。

式(9)与电压稳定负荷裕度的定义相吻合。由CPF得到的最大负荷参数λ_cr即为系统初始运行点的负荷裕度。从PV曲线看到，若初始运行点接近静态电压稳定极限点，则系统负荷裕度很小，在极限点附近，负荷裕度趋近零。因此，通过λ_cr与0的比较可作为判断系统某种状态是否静态电压稳定的判据。

所述评估方法包括建立电力系统状态概率模型，从而利用基于连续潮流的静态电压稳定性建立所述所述风险评估指标体系。

切负荷是电力系统安全稳定紧急控制的主要手段之一，通过迅速切除部分负荷可以防止因设备故障而导致系统事故扩大。

为尽可能地减少负荷停电损失，需要在系统安全运行约束下，对何处削减负荷以及削减多少进行优化，可以通过建立并求解最小切负荷优化模型来解决这一问题。

本实施例中，以系统有功负荷削减总量最小为优化目标，以满足系统功率平衡、支路潮流、母线电压、发电出力，以及系统电压稳定等为约束条件，模型具体如下：

目标函数：

$\min \underset{i\∈N_L}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{C}_i---(4-10)$

式中，N_L是所有负荷母线的集合，C_i是母线i的有功负荷削减量，ω_i是反映负荷重要程度的权重因子。

约束条件：

节点功率平衡方程

$P_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Li}}+C_i-V_i\underset{j\∈N_B}{\mathrm{\Σ}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0---(4-11)$

$Q_{\mathrm{Gi}}+Q_{\mathrm{Cri}}-Q_{\mathrm{Li}}+\frac{Q_{\mathrm{Li}}}{P_{\mathrm{Li}}}{C}_i-V_i\underset{j\∈N_B}{\mathrm{\Σ}}{V}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}})=0---(4-12)$

式中，i∈N_B；N_B、N_L分别是所有母线和负荷母线集合；P_Gi、Q_Gi是发电母线i出力；Q_Cri是母线i上无功补偿设备注入的无功功率；P_Li、Q_Li是母线i上的负荷；G_ij和B_ij为节点导纳矩阵相应元素，如果系统存在FACTS元件，则节点导纳矩阵的实部和虚部将是FACTS元件运行参数的函数；δ_ij为相角差；按照功率因数等比例削减负荷，母线i的有功和无功负荷削减量分别是C_i和(Q_Li/P_Li)·C_i。

系统运行限制

$P_{\mathrm{Gi}}^{\min }\≤P_{\mathrm{Gi}}\≤P_{\mathrm{Gi}}^{\max }(i\∈N_G)---(4-13)$

$Q_{\mathrm{Gi}}^{\min }\≤Q_{\mathrm{Gi}}\≤Q_{\mathrm{Gi}}^{\max }(i\∈N_G)---(4-14)$

$Q_{\mathrm{Cri}}^{\min }\≤Q_{\mathrm{Cri}}\≤Q_{\mathrm{Cri}}^{\max }(i\∈N_{\mathrm{Cr}})---(4-15)$

$V_i^{\min }\≤V_i\≤V_i^{\max }(i\∈N_B)---(4-16)$

$T_i\≤T_i^{\max }(i\∈N_l)---(4-17)$

0≤C_i≤P_Li(i∈N_L)                      (4-18)

$L_i<\stackrel{\&OverBar;}{L}(i\&Element;N_L)---(4-19)$

式中，

和

分别是母线i电压幅值上下限；N_l是支路集合，T_i和

分别是支路i的实际电流和额定电流；N_G、N_Cr分别是发电母线和有无功补偿的母线集合；

分别是发电母线i上注入有功和无功功率的上下限；是第i个补偿点注入的无功功率上下限；L_i是负荷母线i的电压稳定指标，是为使系统有一定电压稳定裕度而设置的阈值。

本实施例中，对于上述模型可以采用内点法IP(interior point)进行求解。本实施例，利用意大利学者Federico Milano博士开发的PSAT(Power SystemAnalysis Toolbox)软件中的最优潮流模块完成该模型的计算。

下文将详细描述各指标的计算。

图3为系统静态电压稳定风险评估指标计算流程图，现根据图3详细描述电力系统静态电压稳定风险评估指标计算步骤。如图3所示，系统静态电压稳定风险评估指标计算包括：

1)形成系统事故状态集合I；

2)从集合I中依次抽取系统状态，进入下一步计算；

3)进行连续潮流计算，根据系统静态电压稳定性判据判断系统在该状态是否能保持静态电压稳定。如果系统电压稳定，则跳到步骤5)；如果失稳，将该状态计入集合S₁，进入下一步计算；

4)利用最小切负荷优化模型，对系统进行发电机优化调度和切负荷，如果优化调整后系统不需要切负荷，则进入下一步；如果需要切负荷，则将该系统状态计入集合S₂，进入下一步；

5)如果集合I中的系统状态枚举完毕，则进入下一步计算；否则回到步骤2)；

6)计算S₁、S₂中各事故状态概率和系统风险值。

图4为电压越限风险评估指标计算流程图，现根据图4详细描述电压越限风险评估指标计算。如图4所示，电压越限风险评估指标计算包括：

1)形成系统事故状态集合I；

2)从集合中依次抽取系统状态，进入下一步计算；

3)进行系统潮流计算，判断每条母线电压是否越限。如果没有母线电压越限，则跳到步骤5)；否则将该系统状态计入集合S₁，进入下一步计算；

4)进行发电出力重新调度，若仍存在电压越限，则需要切负荷，将该系统状态计入集合S₂，然后进入下一步计算：

5)如果集合I中的所有状态枚举完毕，进入下一步计算；否则回到步骤2)；

6)计算S₁、S₂中各事故状态概率P_j和系统电压越限风险值。

图5为潮流过载风险评估指标计算流程图，现参考图5详细描述潮流过载风险评估指标计算。如图5所示，潮流过载风险评估指标计算包括：

1)形成系统事故状态集合I；

2)从集合中依次抽取系统状态，进入下一步计算；

3)进行系统潮流计算，判断每条支路潮流是否过载。如果没有支路潮流过载，则跳到步骤5)；否则将该系统状态计入集合S₁，进入下一步计算；

4)进行发电出力重新调度，若仍存在支路潮流过载，则需要切负荷，将该系统状态计入集合S₂，统计切负荷量C，然后进入下一步计算：

5)如果集合I的所有系统状态枚举完毕，进入下一步计算；否则回到步骤2)；

6)计算S₁、S₂中各事故状态概率P_j和系统潮流过载风险值。

图6为电力系统连锁故障风险评估指标计算流程图，现参考图6详细描述电力系统连锁故障风险评估指标计算。如图6所示，电力系统连锁故障风险评估指标计算包括：

1)对于第k次，确定系统的负荷水平和发电机容量；

2)求解潮流，如果潮流收敛，进入下一步；如果潮流不收敛，调用OPF不断切系统负荷直到收敛，进入下一步计算；

3)设定故障支路集合，对于支路潮流和额定容量之比大于α的重载支路以概率β设定故障(模拟断路器误动)，小于α的支路以概率γ设定故障(模拟系统随机故障)，形成故障支路集合L₁；对于L₁中的支路以概率μ设定拒绝断开，因此会引起拒绝断开支路相邻支路故障，形成故障支路集合L₂；由L₁和L₂并集得到故障支路集合L_out，若L_out为空则跳到步骤6)，否则进入下一步计算；

4)将L_out中支路切除，判断有无孤岛产生，若没有则回到步骤2)，否则进入下一步计算：

5)处理孤岛问题，返回步骤2)；

6)统计第k次仿真系统损失负荷、支路和发电机数，k＝k+1，若k达到最大仿真次数则结束，否则返回步骤1)。

步骤S103中，根据所述指标的计算值对电力系统进行风险进行评估。

本实施例中，根据本发明的电力系统运行风险评估方法还包括建立电力系统状态概率模型和系统风险值，从而进行风险评估。

本实施例中，在建立电力系统状态概率模型时，根据电力系统中不同设备可能形成的状态空间，建立设备的停运概率模型，然后在充分考虑组成支路的各设备停运模式基础上，建立支路等效停运模型，同时考虑双回线多种停运模式重叠的概率模型，最后，在所建立的支路等效停运模型基础上给出电力系统状态概率。

较佳实施例中，所述评估方法还包括建立连锁故障仿真模型，从而建立所述系统连锁故障风险指标。

本实施例中，在建立电力系统连锁故障模型时，分别从复杂网络角度和电力系统分析角度建立连锁故障仿真模型。一方面，建立了电力网络的拓扑模型，采用网络的特征量(如：节点度数和网络介数等)分析系统的脆弱设备；另一方面，基于最优潮流算法建立了连锁故障仿真模型，其中还考虑了设备运行状态和继电保护隐性故障的影响。

因本技术领域的技术人员应理解，本发明可以以许多其他具体形式实现而不脱离本发明的精神或范围。尽管业已描述了本发明的实施例，应理解本发明不应限制为这些实施例，本技术领域的技术人员可如所附权利要求书界定的本发明精神和范围之内作出变化和修改。

Claims (10)

1.一种电力系统运行风险评估方法，其特征在于，包括：

(1)建立电力系统风险评估指标体系；

(2)计算所述指标体系中的指标；

(3)根据所述指标的计算值对电力系统进行风险进行评估。

2.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述指标体系包括：系统静态电压失稳风险指标、系统电压越限风险指标、潮流过载风险指标、及系统连锁故障风险指标。

3.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，利用静态电压稳定性以及切负荷来进行所述指标的计算。

4.根据权利要求3所述的评估方法，其特征在于，对于系统潮流过载风险指标、电压越限风险指标和静态电压失稳风险指标，采用解析法进行分析，分别计算系统设备的N-1和N-2等事件给系统带来的影响及事件发生的概率。

5.根据权利要求3所述的评估方法，其特征在于，对于系统连锁故障风险指标，采用蒙特卡洛模拟法对连锁故障仿真模型进行分析。

6.根据权利要求5所述的评估方法，其特征在于，还采用风险价值(VaR)理论对所述系统连锁故障风险进行量化，计算连锁故障的损失和发生概率。

7.根据权利要求3所述的评估方法，其特征在于，所述评估方法包括建立电力系统状态概率模型，从而利用基于连续潮流的静态电压稳定性进行所述指标的计算。

8.根据权利要求7所述的评估方法，其特征在于，所述建立电力系统状态概率模型包括：

-根据电力系统中不同设备可能形成的状态空间，建立设备的停运概率模型；

-在充分考虑组成支路的各设备停运模式基础上，建立支路等效停运模型；

-考虑双回线多种停运模式重叠的概率模型；

-在所建立的支路等效停运模型基础上给出电力系统状态概率。

9.根据权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述评估方法还包括建立连锁故障仿真模型，从而建立所述系统连锁故障风险指标。

10.根据权利要求9所述的评估方法，其特征在于，所述建立连锁故障仿真模型包括：

-建立电力网络的拓扑模型，采用网络的特征量分析系统的脆弱设备；

-基于最优潮流算法建立了连锁故障仿真模型，并且考虑设备运行状态和继电保护隐性故障的影响。

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