CN103440401A - 提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明考虑切机、切负荷等紧急控制措施的代价，以风险指标的形式量化评估系统暂态稳定水平，量化提高电网输电能力的紧急控制措施风险评估指标，将系统安全稳定性和经济性结合，达到对提高电网输电能力的紧急控制措施进行综合评价与筛选的目的。本发明用于电力系统中提高输电能力紧急控制措施的评价和筛选，可实现紧急控制措施的风险量化评估，使得运行人员能够较为直观地了解整个系统所面临的暂态失稳风险，指导运行和规划采取相应的控制措施降低系统暂态失稳的风险，使系统运行在经济性和安全性较高的水平。

Description

提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法

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，本发明涉及一种提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法。

背景技术

电网的输电能力是指电网在一系列的约束条件下能够传输功率的能力。限制电网输电能力的主要因素包括热稳定限制、设备绝缘限制、理想线路的极限传输功率和电力系统稳定性限制等。制约电网输电能力的主导因素是随着电网的发展、运行特性的改变而变化的。总体来说，在电网发展初期，对电网输电能力的决定性制约因素是暂态稳定、动态稳定和电压稳定问题；但是电网规模发展到一定程度后，热稳定限制等因素对输电能力的影响则会逐渐提高。

在电网薄弱点加装安全稳定控制装置，利用安全稳定控制措施增加系统暂态和动态稳定极限，以适应电网中可能出现的短时期电源开机分布不合理的运行要求，是提高电网输电能力的有效方法之一。随着电网的发展，电网中的电源开机分布也在不断变化，一次电网要适应所有可能的变化必然要使电网的投资大大增加，否则电网稳定水平将降低；采用适当的稳定控制装置，增加的投资不多，但提高了电网运行的灵活性、适应性。

目前电力规划和运行部门通常采用确定性方法评估系统的暂态稳定性；该方法尽管取得了较大的成功，但也存在一定的问题：没有考虑故障、继电保护及稳控装置动作的随机性和不确定性；对事故集的选择带有任意性，某个严重事故是否被纳入事故集将彻底改变评估的结果；忽略了非限制性故障，会影响系统失稳的风险；没有量化系统失稳的风险，无法给出系统失稳的后果。Billinton、Kurugan等人通过评估临界切除时间、故障点、故障类型的概率分布，定义了一项概率指标，提出了一种评估暂态稳定的概率方法（参见“Billinton R,KutrgantyP.A probabilistic index for transient stability[J].IEEE Trans.On PowerApparatus and System,Vol.PAS-99,No.1,Jan.1980,pp:195-206”以及“Kutrganty P,Billinton R.A probabilistic assessment of transient stability[J].International Journal of Electric Power and Energy Systems,1980,2(2):115-119”）。但是该方法利用系统的暂态失稳概率来评估全系统的暂态稳定水平，单独从失稳概率或失稳后果来分析，并没有综合这两个要素。

跨区电网互联、大规模新能源并网、需求侧互动对大电网运行提出了新的挑战，大电网运行将面临复杂、多重的不确定性与风险；面对电力系统领域的新发展、新问题，传统的确定性方法和概率方法由于不能实现风险量化分析，无法对提高输电能力的紧急控制措施进行综合评价与筛选，无法提供有效的适应性与良好的扩展性。

发明内容

本发明的目的是：为了克服上述现有技术的不足，本发明提出一种提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法，考虑切机、切负荷等紧急控制措施的代价，以风险指标的形式量化评估系统暂态稳定水平，量化提高电网输电能力的紧急控制措施风险评估指标，将系统安全稳定性和经济性结合，达到对提高电网输电能力的紧急控制措施进行综合评价与筛选的目的。该方法用于电力系统中提高输电能力紧急控制措施的评价和筛选，可实现紧急控制措施的风险量化评估，使得运行人员能够较为直观地了解整个系统所面临的暂态失稳风险，指导运行和规划采取相应的控制措施降低系统暂态失稳的风险，使系统运行在经济性和安全性较高的水平。

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：

步骤1：确定电网某输电断面初始运行状态及该断面安全稳定考核故障，所述考核故障为《电力系统安全稳定导则》定义的N-1故障和N-2故障；

步骤2：校核电网初始状态在N-1故障下的系统稳定性，若系统稳定，则进入步骤3，若系统失稳，则结束本方法；

步骤3：增加断面传输功率，并校核N-1故障下和N-2故障下系统的安全稳定性，直至系统临界稳定，分别得到N-1故障下不考虑紧急控制措施的断面输电极限P₀和N-2故障下不考虑紧急控制措施的断面输电极限P₁；

步骤4：采用紧急控制措施提高断面输电能力，先考虑采用系统内已有可参与控制的直流调制控制措施提高断面输电能力，将提高后的断面输电能力记为P_e1，判断断面输电能力是否可以接受，若可以接受则结束本方法，否则进入步骤5；

步骤5：考虑包括切机措施、切负荷措施在内的紧急控制措施以进一步提高断面输电能力，并将考虑紧急控制措施提高后的断面输电能力记为P_e2，计算在提高断面输电能力中所采取的切机措施、切负荷措施的控制代价和系统失稳的控制风险、以及提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标η；

步骤6：判断断面输电能力是否可以接受，若是则进入步骤7，若否则进一步调整紧急控制措施并返回步骤5；

步骤7：判断提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标η是否可以接受，若是则结束，否则进一步调整紧急控制措施并返回步骤5。

上述技术方案的进一步特征在于：所述步骤3中，增加断面传输功率的方法为：增加送端机组出力同时增加受端负荷，或减少送端负荷同时增加受端负荷，或增加送端机组出力同时减少受端机组出力，或减少送端负荷同时减少受端机组出力；达到系统临界稳定的方法为：按照上述增加断面传输功率的方法确定的送、受端发电机和负荷的功率调整量生成新的运行方式，采用暂态稳定量化评估方法对N-1故障、N-2故障进行暂态安全稳定评估，得到每个故障的暂态功角稳定、电压安全稳定及频率稳定性，若在输电极限求取过程中一个或多个故障下系统失稳，则通过反向调整的方法减少断面传输功率，直至所有N-1故障、N-2故障下系统均稳定，则得到系统的临界稳定点。

上述技术方案的进一步特征在于：所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5-1：通过包括切机措施、切负荷措施在内的紧急控制措施以进一步提高断面输电能力，并将考虑紧急控制措施的断面输电能力记为P_e2；

步骤5-2：按公式（1）计算切机措施的控制代价：

$L_{\mathrm{gen}}(E_i,P_{e2})=({\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{gen}}\·C_{\mathrm{gen}})T_1+C_{\mathrm{gen}-\mathrm{restart}}---\left(1\right)$

其中，E_i代表第i个线路发生的故障，L_gen(E_i,P_e2)代表提高断面输电能力至P_e2时所采取的针对第i个线路发生的故障的切机措施的控制代价，ΔP_gen为第i个线路发生的故障所导致的切机量，C_gen为平均单位电能切机损失，T₁为第i个线路发生的故障所导致的切机停运时间，C_gen-restart为被切机组重新启动需要的费用；

步骤5-3：按公式（2）计算切负荷措施的控制代价：

$L_{\mathrm{load}}(E_i,P_{e2})=({\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{load}}\·C_{\mathrm{load}})T_2+C_{\mathrm{safety}}+C_{\mathrm{fine}}---\left(2\right)$

其中，L_load(E_i,P_e2)代表提高断面输电能力至P_e2时所采取的针对第i个线路发生的故障的切负荷措施的控制代价，ΔP_load为第i个线路发生的故障所导致的切负荷量，C_load为平均单位电能切负荷损失，T₂为第i个线路发生的故障所导致的切负荷时间，C_safety为电力安全事故责任代价，C_fine为行政罚款代价；

步骤5-4：按公式（3）计算系统失稳的控制风险R(E)：

$R\left(E\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[L_{\mathrm{gen}}(E_i,P_{e2})+L_{\mathrm{load}}(E_i,P_{e2})]\·P\left(E_i\right)\·\underset{l}{\mathrm{\Σ}}\{P\left(L_l\right)\·\underset{r}{\mathrm{\Σ}}\{P\left(C_r\right)\·P\left(m\right)\}\left\}\right\}$

（3）

$P\left(m\right)=\underset{m=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left\{P\right[(A=m)\left|E_i\right]\·P\left[K\right|E_i\∩(A=m)\∩L_l\∩C_r\left]\right\}$

其中，P(E_i)为第i个线路发生故障的概率，n为系统的线路总数；P(L_l)代表第i个线路上第l个位置发生故障的概率；P(C_r)为第i个线路上第l个位置发生故障时继电保护装置在第r个时刻动作后切除故障时间位于临界切除时间区间内的概率；P[(A＝m)|E_i]为第i个线路发生故障且故障类型为m的概率，m为1、2、3、4分别对应单相接地故障、两相故障、两相接地故障和三相故障；

P[K|E_i∩(A=m)∩L_l∩C_r]为第i个线路上第l个位置发生类型为m的故障时继电保护装置在第r个时刻动作后系统暂态失稳的概率。

上述技术方案的进一步特征在于：所述步骤5中提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标η的计算方法如下：

$\mathrm{\η}=\frac{R\left(E\right)}{P_{e2}-P_1}---\left(4\right)$

其中，R(E)为系统暂态失稳的风险，P_e2为N-2故障下考虑紧急控制措施的断面输电能力，P₁为N-2故障下不考虑紧急控制措施时断面输电能力。

本发明的有益效果如下：本发明能够有效评估电力系统安全稳定紧急控制措施中切机、切负荷的控制代价，有效评估提高电网输电能力紧急控制措施的风险，通过风险量化评估，进行紧急控制措施的综合评价和筛选，指导运行和规划采取相应的控制措施降低系统暂态失稳的风险，从而提高电网输电能力。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

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。

如图1所示，本发明的提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法，包括以下步骤：

步骤1：确定电网某输电断面初始运行状态及该断面安全稳定考核故障。考核故障为《电力系统安全稳定导则》定义的第一级和第二级故障（即N-1故障和N-2故障，输电断面一般由多条输电线路组成，因此考核故障一般为线路故障）。

步骤2：校核电网初始状态在N-1考核故障下的系统稳定性，若系统稳定，则进入步骤3，若系统失稳，则结束。

步骤3：增加断面传输功率，并校核N-1故障下和N-2故障下系统的安全稳定性，直至系统临界稳定，分别得到N-1故障下不考虑紧急控制措施的断面输电极限P₀和N-2故障下不考虑紧急控制措施的断面输电极限P₁。

其中增加断面传输功率的方法是：增加送端机组出力同时增加受端负荷，或减少送端负荷同时增加受端负荷，或增加送端机组出力同时减少受端机组出力，或减少送端负荷同时减少受端机组出力；增加断面传输功率达到系统临界稳定的方法是：按照上述方法确定的送、受端发电机和负荷的功率调整量生成新的运行方式，采用暂态稳定量化评估方法对N-1、N-2考核故障进行暂态安全稳定评估，得到每个故障的暂态功角稳定、电压安全稳定及频率稳定性，若在输电极限求取过程中一个或多个故障下系统失稳，则通过反向调整的方法减少断面传输功率，直至所有N-1、N-2考核故障下系统均稳定，则得到系统的临界稳定点。

步骤4：采用紧急控制措施提高断面输电能力，先考虑采用系统内已有可参与控制的直流调制控制措施提高断面输电能力，记为P_e1，判断断面输电能力是否可以接受，若可以接受则结束本方法，否则进入下一步。

步骤5：考虑切机、切负荷等紧急控制措施进一步提高断面输电能力，并记最终的断面输电能力，记为P_e2，计算在提高断面输电能力中所采取的切机、切负荷紧急控制措施的代价和系统失稳的控制风险以及提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标η；

步骤6：判断断面输电能力是否可以接受，若是则进入下一步，若否则进一步调整紧急控制措施返回步骤5；

步骤7：判断提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标是否可以接受，若是则结束，若否则进一步调整紧急控制措施返回步骤5。

所述步骤5包括以下步骤：

步骤5-1通过切机、切负荷等紧急控制措施进一步提高断面输电能力，得到考虑紧急控制措施的断面输电能力P_e2。值得一提的是，采用不同的紧急控制措施可能得到不同的断面输电能力，其中P₁＜P_e2＜P₀；

步骤5-2按公式（1）计算切机措施的控制代价：

$L_{\mathrm{gen}}(E_i,P_{e2})=({\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{gen}}\·C_{\mathrm{gen}})T_1+C_{\mathrm{gen}-\mathrm{restart}}---\left(1\right)$

其中，E_i代表第i个线路发生的故障，L_gen(E_i,P_e2)代表提高断面输电能力至P_e2时所采取的针对第i个线路发生的故障的切机措施的控制代价，ΔP_gen为第i个线路发生的故障所导致的切机量，C_gen为平均单位电能切机损失，T₁为第i个线路发生的故障所导致的切机停运时间，C_gen-restart为被切机组重新启动需要的费用；

步骤5-3按公式（2）计算切负荷措施的控制代价：

$L_{\mathrm{load}}(E_i,P_{e2})=({\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{load}}\·C_{\mathrm{load}})T_2+C_{\mathrm{safety}}+C_{\mathrm{fine}}---\left(2\right)$

其中，L_load(E_i,P_e2)代表提高断面输电能力至P_e2时所采取的针对第i个线路发生的故障的切负荷措施的控制代价，ΔP_load为第i个线路发生的故障所导致的切负荷量，C_load为平均单位电能切负荷损失，T₂为第i个线路发生的故障所导致的切负荷时间，C_safety为电力安全事故责任代价，C_fine为行政罚款代价；

步骤5-4：按公式（3）计算系统失稳的控制风险R(E)：

$R\left(E\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[L_{\mathrm{gen}}(E_i,P_{e2})+L_{\mathrm{load}}(E_i,P_{e2})]\·P\left(E_i\right)\·\underset{l}{\mathrm{\Σ}}\{P\left(L_l\right)\·\underset{r}{\mathrm{\Σ}}\{P\left(C_r\right)\·P\left(m\right)\}\left\}\right\}$

（3）

$P\left(m\right)=\underset{m=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left\{P\right[(A=m)\left|E_i\right]\·P\left[K\right|E_i\∩(A=m)\∩L_l\∩C_r\left]\right\}$

其中，P(E_i)为第i个线路发生故障的概率，n为系统的线路总数；P(L_l)代表第i个线路上第l个位置发生故障的概率；P(C_r)为第i个线路上第l个位置发生故障时继电保护装置在第r个时刻动作后切除故障时间位于临界切除时间区间内的概率；P[(A＝m)|E_i]为第i个线路发生故障且故障类型为m的概率，m为1、2、3、4分别对应单相接地故障、两相故障、两相接地故障和三相故障；P[K|E_i∩(A=m)∩L_l∩C_r]为第;个线路上第l个位置发生类型为m的故障时继电保护装置在第r个时刻动作后系统暂态失稳的概率。

所述步骤5中提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标η的计算方法如下：

$\mathrm{\η}=\frac{R\left(E\right)}{P_{e2}-P_1}---\left(4\right)$

其中，R(E)为系统暂态失稳的风险，P_e2为N-2故障下考虑紧急控制措施的断面输电能力，P₁为N-2故障下不考虑紧急控制措施时断面输电能力。

综上所述，本发明基于对提高输电能力紧急控制措施风险代价的量化分析，考虑故障类型、故障地点和故障切除时间的随机性，同时考虑紧急控制措施切机时间、被切机组重新启动需要的费用、切负荷导致停电时间、切负荷导致的电力安全事故责任代价以及行政罚款代价等，给出提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标，该指标可用于提高电网输电能力紧急控制措施的综合评价和筛选，指导运行和规划采取相应的控制措施降低系统暂态失稳的风险，提高电网输电能力。

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 (4)

1.提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法，其特征在于，包括如下步骤:

步骤1：确定电网某输电断面初始运行状态及该断面安全稳定考核故障，所述考核故障为《电力系统安全稳定导则》定义的N-1故障和N-2故障；

步骤2：校核电网初始状态在N-1故障下的系统稳定性，若系统稳定，则进入步骤3，若系统失稳，则结束本方法；

步骤3：增加断面传输功率，并校核N-1故障下和N-2故障下系统的安全稳定性，直至系统临界稳定，分别得到N-1故障下不考虑紧急控制措施的断面输电极限P₀和N-2故障下不考虑紧急控制措施的断面输电极限P₁；

步骤4：采用紧急控制措施提高断面输电能力，先考虑采用系统内已有可参与控制的直流调制控制措施提高断面输电能力，将提高后的断面输电能力记为P_e1，判断断面输电能力是否可以接受，若可以接受则结束本方法，否则进入步骤5；

步骤5：考虑包括切机措施、切负荷措施在内的紧急控制措施以进一步提高断面输电能力，并将考虑紧急控制措施提高后的断面输电能力记为P_e2，计算在提高断面输电能力中所采取的切机措施、切负荷措施的控制代价和系统失稳的控制风险、以及提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标η；

步骤6：判断断面输电能力是否可以接受，若是则进入步骤7，若否则进一步调整紧急控制措施并返回步骤5；

步骤7：判断提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标η是否可以接受，若是则结束，否则进一步调整紧急控制措施并返回步骤5。

2.根据权利要求1所述的提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法，其特征在于，所述步骤3中，增加断面传输功率的方法为：增加送端机组出力同时增加受端负荷，或减少送端负荷同时增加受端负荷，或增加送端机组出力同时减少受端机组出力，或减少送端负荷同时减少受端机组出力；

达到系统临界稳定的方法为：按照上述增加断面传输功率的方法确定的送、受端发电机和负荷的功率调整量生成新的运行方式，采用暂态稳定量化评估方法对N-1故障、N-2故障进行暂态安全稳定评估，得到每个故障的暂态功角稳定、电压安全稳定及频率稳定性，若在输电极限求取过程中一个或多个故障下系统失稳，则通过反向调整的方法减少断面传输功率，直至所有N-1故障、N-2故障下系统均稳定，则得到系统的临界稳定点。

3.根据权利要求1所述的提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法，其特征在于，所述步骤5具体包括以下步骤：

步骤5-1：通过包括切机措施、切负荷措施在内的紧急控制措施以进一步提高断面输电能力，并将考虑紧急控制措施的断面输电能力记为P_e2；

步骤5-2：按公式（1）计算切机措施的控制代价：

$L_{\mathrm{gen}}(E_i,P_{e2})=({\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{gen}}\·C_{\mathrm{gen}})T_1+C_{\mathrm{gen}-\mathrm{restart}}---\left(1\right)$

其中，E_i代表第i个线路发生的故障，L_gen(E_i,P_e2)代表提高断面输电能力至P_e2时所采取的针对第i个线路发生的故障的切机措施的控制代价，ΔP_gen为第i个线路发生的故障所导致的切机量，C_gen为平均单位电能切机损失，T₁为第i个线路发生的故障所导致的切机停运时间，C_gen-restart为被切机组重新启动需要的费用；

步骤5-3：按公式（2）计算切负荷措施的控制代价：

$L_{\mathrm{load}}(E_i,P_{e2})=({\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{load}}\·C_{\mathrm{load}})T_2+C_{\mathrm{safety}}+C_{\mathrm{fine}}---\left(2\right)$

其中，L_load(E_i,P_e2)代表提高断面输电能力至P_e2时所采取的针对第i个线路发生的故障的切负荷措施的控制代价，ΔP_load为第i个线路发生的故障所导致的切负荷量，C_load为平均单位电能切负荷损失，T₂为第i个线路发生的故障所导致的切负荷时间，C_safety为电力安全事故责任代价，C_fine为行政罚款代价；

步骤5-4：按公式（3）计算系统失稳的控制风险R(E)：

$R\left(E\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\right[L_{\mathrm{gen}}(E_i,P_{e2})+L_{\mathrm{load}}(E_i,P_{e2})]\·P\left(E_i\right)\·\underset{l}{\mathrm{\Σ}}\{P\left(L_l\right)\·\underset{r}{\mathrm{\Σ}}\{P\left(C_r\right)\·P\left(m\right)\}\left\}\right\}$

（3）

$P\left(m\right)=\underset{m=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}\left\{P\right[(A=m)\left|E_i\right]\·P\left[K\right|E_i\∩(A=m)\∩L_l\∩C_r\left]\right\}$

其中，P(E_i)为第i个线路发生故障的概率，n为系统的线路总数；P(L_l)代表第i个线路上第l个位置发生故障的概率；P(C_r)为第i个线路上第l个位置发生故障时继电保护装置在第r个时刻动作后切除故障时间位于临界切除时间区间内的概率；P[(A＝m)|E_i]为第i个线路发生故障且故障类型为m的概率，m为1、2、3、4分别对应单相接地故障、两相故障、两相接地故障和三相故障；

P[K|E_i∩(A=m)∩L_l∩C_r]为第，个线路上第l个位置发生类型为m的故障时继电保护装置在第r个时刻动作后系统暂态失稳的概率。

4.根据权利要求1所述的提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估方法，其特征在于，所述步骤5中提高电网输电能力的紧急控制措施风险量化评估指标η的计算方法如下：

$\mathrm{\η}=\frac{R\left(E\right)}{P_{e2}-P_1}---\left(4\right)$

其中，R(E)为系统暂态失稳的风险，P_e2为N-2故障下考虑紧急控制措施的断面输电能力，P₁为N-2故障下不考虑紧急控制措施时断面输电能力。

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