CN104022506A - 一种电力系统运行安全评价指标的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统运行安全评价指标的构建方法，包括以下步骤：S1:分别求解每种安全稳定约束对本区内多个发电机群出力的最大限定值，所述安全稳定约束包括电压稳定约束、功角稳定约束以及断面输电极限约束等；S2:求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值，所述本区内所有发电机总的发电出力的最大值满足上述每种安全稳定约束对本区内多个发电机群出力的最大限定值的约束条件；S3:根据上述求解的所有发电机总的发电出力的最大值、已知的所有发电机总的当前出力求解本区内满足安全稳定运行约束的备用水平，实现对电力系统运行安全评价指标的构建。

Description

一种电力系统运行安全评价指标的构建方法

技术领域

本发明涉及电网运行安全水平评价领域，尤其涉及一种电力系统运行安全评价指标的构建方法。

背景技术

在电网运行过程中，电网运行的主要任务是进行能量传输，在满足安全可靠的前提下为用户提供优质的电能，科学地对电网当前的安全运行状态进行评估并以此为依据制定合理的调度决策，是防止大面积停电的一种重要手段。传统的电网运行安全评价工作主要包括电压稳定、功角稳定、断面输电能力和拓扑结构脆弱性等单项评估，提出了负荷裕度、电压崩溃风险、脆弱性等单项指标。但是由于电力系统的复杂性，重点关注电网运行某一侧面的单项指标不足以全面表征整个系统的安全水平。

鉴于电网安全具有复杂性和多面性的特点，研究人员考虑用多个指标同时描述来反映其整体水平，并建立了一套电网安全评估指标体系。指标体系由若干层指标构成，底层为前述各单项评估指标，通过对底层指标的加权累加得到上一层指标，由此最终得到表征整个系统安全水平的顶层指标。纳入电网运行所有侧面单项指标的指标体系可较全面地表征系统的安全水平，但指标繁杂，且随之而来的问题是指标计算中的权重选取存在主观性。

发明内容

根据现有技术中对电网运行状态的评价，采用单项指标进行评价不足以全面覆盖整个电网系统的安全水平、采用一套指标体系进行评价虽全面却指标繁杂且指标加权存在主观性的不足，从而不利于电网调度运行的现象。本发明公开了一种电力系统运行安全评价指标的构建方法，该指标以备用水平为载体，将系统运行的多个安全稳定约束均转化为对发电出力的约束，从而计算得到真正能发挥作用的备用水平，并以此衡量系统安全运行水平，具体包括以下步骤：

S1:分别求解每种安全稳定约束对本区内多个发电机群出力的最大限定值，所述安全稳定约束包括电压稳定约束、功角稳定约束以及断面输电极限约束等；

S2:求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值，所述本区内所有发电机总的发电出力的最大值满足上述每种安全稳定约束对本区内多个发电机群出力的最大限定值的约束条件；

S3:根据上述求解的所有发电机总的发电出力的最大值、已知的所有发电机总的当前出力求解本区内满足安全稳定运行约束的备用水平，实现对电力系统运行安全评价指标的构建。

进一步的，S2中：求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值时具体采用如下算法：

$\begin{array}{ccc}\max & \underset{i\∈\mathrm{area}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{Gi}}& \\ \mathrm{st}& f\left(P_{\mathrm{Gj}}\right)\≤P_{\mathrm{st}1}^{\max }& j\∈\mathrm{st}1\\ & g\left(P_{\mathrm{Gk}}\right)\≤P_{\mathrm{st}2}^{\max }& k\∈\mathrm{st}2\\ & \·\·\·& \\ & h\left(P_{\mathrm{Gl}}\right)\≤P_{\mathrm{stn}}^{\max }& l\∈\mathrm{stn}\\ & P_{\mathrm{Gi}}\≤P_{\mathrm{Gi}}^{\max }& i\∈\mathrm{area}\end{array}---\left(2\right)$

其中：j、k和l分别为与第1种、第2种和第n种安全稳定约束相关需转化出力约束的发电机群st1、st2和stn中的发电机编号；f、g和h分别为第1种、第2种和第n种安全稳定约束转化为发电机群出力约束后发电机群中发电机的出力关系函数；为发电机自身当前能达到的最大出力。

进一步的，S2中：求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值时：所述多个发电机群中的任意一个发电机群中至少包括一台发电机，当某个发电机群中只包括一台发电机时采用如下算法计算该发电机出力的最大限定值：

$P_{\mathrm{st},G}^{\max }=\min \{P_{\mathrm{st}1,G}^{\max },...,P_{\mathrm{sti},G}^{\max },...,P_{\mathrm{stn},G}^{\max },P_G^{\max }\};$

其中：为计及各种安全稳定约束后的发电机最大出力；为第i种安全稳定约束转化后的该发电机的最大出力，共计n种安全稳定约束；为理论上该发电机当前能达到的最大出力。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种电力系统运行安全评价指标的构建方法，从全局角度评价电网安全水平的总指标，该指标的核心内容是以体现电力供求关系的备用作为载体，将安全稳定约束转化为对发电出力的约束，以得到的计及安全稳定约束的备用水平来表征整个系统的安全运行水平，本发明通过构建计及运行安全约束的备用水平指标，实现从宏观统一的视角展示电网运行的整体安全水平，为实时调度决策提供有效而简洁的参考依据。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的示意图；

图2为本发明实施例的示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

电网运行的主要任务是进行能量传输，在满足安全可靠的前提下为用户提供优质电能。由于电能传输特点，这一任务体现出来也即功率平衡。功率平衡必然与供给和需求水平相关，即发电水平和负荷水平。为了应对实时运行的不确定性，电力系统必须留有一定的备用容量。备用是一个体现电力供给与需求关系的概念，简明扼要地抓住了电网运行任务的本质。

但备用的概念仅限于反映总供给与总需求的关系，也即发电、用电两个环节的匹配，而没有体现输电环节的影响。在电网安全评估中，输电网却恰恰起着很重要的制约作用。所谓的备用可能因线路阻塞约束而无法发挥作用，某部分局部电网可能出现备用不足的情况。具体到发电机个体上，某发电机可能因线路阻塞制约了其最大出力而无法达到其上调备用值，换言之，此时发电机可提供的真实备用已经小于其理想备用数值。因此，当以备用为出发点寻求电网运行安全评估的总指标时，在传统的备用概念基础上，必须计及网络制约。

本发明的重点在于将网络安全约束体现在备用水平上，考虑发电机受网络制约后的最大出力，将其与发电机的理想最大出力进行比较，以其中的较小数值为基准计算真实备用水平。将网络安全约束转化为对发电机组出力的约束，这样就可以在备用水平这一载体上计入电网各侧面运行约束的影响，从而使得问题得以同化，指标得以统一。

例如：某发电机当前出力为450MW，当前能达到的最大出力为500MW，其理想情况下可提供的备用为500-450＝50MW。若为了避免某线路发生阻塞(暂不考虑其他网络制约因素)，其实际最大出力只能为470MW，这体现的即是线路传输极限约束向发电出力约束的转化。此时，发电机能提供的真正备用应为470-450＝20MW。因此本发明将网络安全约束体现在备用水平上，考虑发电机受网络制约后的最大出力将其与发电机的理想最大出力进行比较，以其中的较小数值为基准计算真实备用水平，构建电力系统运行安全评价指标，具体采用如下方法：

S1:分别求解每种安全稳定约束对本区内多个发电机群出力的最大限定值，所述安全稳定约束包括电压稳定约束、功角稳定约束以及断面输电极限约束、传输极限约束等等。

S2:求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值，在求解的过程中：本区内所有发电机总的发电出力的最大值满足每种安全稳定约束对本区内多个发电机群出力的最大限定值的约束条件。具体求解采用本发明中公开的公式(2)的算法进行优化，具体的约束方式和约束条件由S1确定。

S3:根据上述求解的所有发电机总的发电出力的最大值、已知的所有发电机总的当前出力来求解本区内满足安全稳定运行约束的备用水平，实现对电力系统运行安全评价指标的构建。具体为：将所有发电机总的发电出力的最大值减去所有发电机总的当前出力值即计算出发电机能提供的真正备用值，得到的真正备用值再除以本区内所有发电机总的当前出力并取百分数形式计算出的结果即求出本区内满足安全稳定运行约束的备用水平，实现对电力系统运行安全评价指标的构建过程。

本发明采用发电机群(包括一个发电机群中仅包含一台发电机的情况)为基本对象，根据具体的电网安全稳定问题：如功角稳定约束、电压稳定约束、断面输电极限约束、N-1等，将上述所有安全稳定约束转换成对若干群发电机出力的约束。在满足各种安全稳定运行约束的前提下求解总的发电出力最大值，求解得到的最大值与当前出力之差即为计及安全稳定运行约束的备用。

进一步的，求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值时具体采用如下算法：

$\begin{array}{ccc}\max & \underset{i\∈\mathrm{area}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{Gi}}& \\ \mathrm{st}& f\left(P_{\mathrm{Gj}}\right)\≤P_{\mathrm{st}1}^{\max }& j\∈\mathrm{st}1\\ & g\left(P_{\mathrm{Gk}}\right)\≤P_{\mathrm{st}2}^{\max }& k\∈\mathrm{st}2\\ & \·\·\·& \\ & h\left(P_{\mathrm{Gl}}\right)\≤P_{\mathrm{stn}}^{\max }& l\∈\mathrm{stn}\\ & P_{\mathrm{Gi}}\≤P_{\mathrm{Gi}}^{\max }& i\∈\mathrm{area}\end{array}---\left(2\right)$

其中：j、k和l分别为与第1种、第2种和第n种安全稳定约束相关需转化出力约束的发电机群st1、st2和stn中的发电机编号；f、g和h分别为第1种、第2种和第n种安全稳定约束转化为发电机群出力约束后发电机群中发电机的出力关系函数；为发电机自身当前能达到的最大出力。

进一步的，所述多个发电机群中的任意一个发电机群中至少包括一台发电机，也就是说某个发电机群中只包括一台发电机的现象，那么当某个发电机群中只包括一台发电机时采用如下算法计算该发电机群出力的最大限定值：

$P_{\mathrm{st},G}^{\max }=\min \{P_{\mathrm{st}1,G}^{\max },...,P_{\mathrm{sti},G}^{\max },...,P_{\mathrm{stn},G}^{\max },P_G^{\max }\}---\left(1\right)$

其中：为第i种安全稳定约束转化后的发电最大出力，共计n种安全稳定约束；为理论上该发电机当前能达到的最大出力，但是上述公式是针对一个发电机进行评价计算的，不能针对一组发电机群进行指标评价。

那么：即计及各种安全稳定约束后的发电机能提供的真正备用值采用如下公式计算：

$P_{R,G}^{\mathrm{st}}=P_{\mathrm{st},G}^{\max }-P_{G,0}$

为计及安全稳定约束的有功备用指标，P_G,0为该发电机当前出力；将求解出的所有发电机总的真正备用值除以所有发电机总的出力值结果取百分数形式即：即为本区内满足安全稳定运行约束的备用水平。

当将功角稳定约束、电压稳定约束等各种约束均做类似处理后，发电机的出力约束将有若干种，分别为：理论上发电机当前能达到的最大出力、因线路传输极限产生的出力约束，因功角稳定引发的出力约束，因电压稳定约束转化的出力约束等等。然后，从中择数值最小者为基准来计算真正备用水平。

实施例：

下面针对S2中，求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值时进行举例说明：如表1所示：

设本区有三台发电机G1G2G3，当前出力均为100；

St1:电压稳定，st2:功角稳定，St3:传输极限；这些安全稳定约束都可以转化为对发电机出力的约束，设对每台发电机的出力约束都可知，见表1

表1

这样按公式(1)，G1的最大出力是min(110，150,160,200)＝110同理，G2、G3的最大出力分别是120、115。所以，系统总的真正备用水平是[(110+120+115)-100×3]÷(100×3)＝15％

当安全稳定约束对若干组发电机群的出力造成约束时，而非前述的对单台发电机出力造成约束，此时需按公式(2)计算本区内发电最大出力。

仍设三台发电机，有G1G2G3，当前出力均为100。St1:电压稳定，st2:功角稳定，St3:传输极限；这些安全稳定约束对发电机出力的约束见表2.

表2

按公式(2)

约束为：

PG1≤150

PG1≤200

PG2≤150

PG2≤200

PG3≤110

PG3≤200

PG1+PG2≤240

PG1+PG2+PG3≤400

然后求优化模型，Max(PG1+PG2+PG3)，结果应为120+120+110＝350，减去当前出力100×3，再除以总的当前出力100×3，即得到真正备用水平为16.7％。

在实际的电力系统控制中，很难每一种安全稳定问题都能得到对每一台发电机的出力约束，而是对一群发电机出力的约束，如(PG1+PG2)≤250。这样需要采用本发明公开的计算方式即公式(2)进行计算求解发电机群的备用数据，为电力调度工作提供参考依据。

应用中，本区存在局部运行松紧程度不同的情况，如潮流不均衡。因此所提指标在实际应用中，需根据系统运行情况建立整体指标、局部指标。如图1和图2所示：

上述两种情况下，若输电断面裕度均对发电出力造成约束，则计算出的计及安全稳定运行约束的备用整体水平相同，均为500÷5000＝10％，即给出相同的指标信息。

按照上述指标信息，B若增加10％负荷需求是可满足的。但对于右图而言实际情形是无法满足的。

因此在计及安全稳定运行约束的备用水平的整体指标基础上，需形成局部指标。

仍看图1、图2，总的计及安全约束的备用水平为10％，但局部备用水平不同。

图1，局部A、局部B的备用水平均为10％；

图2，局部A的备用水平为13％，局部B的备用水平为5％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种电力系统运行安全评价指标的构建方法，其特征在于：该指标以备用水平为载体，将系统运行的多个安全稳定约束均转化为对发电出力的约束，从而计算得到真正能发挥作用的备用水平，并以此衡量系统安全运行水平，具体包括以下步骤：

S1:分别求解每种安全稳定约束对本区内多个发电机群出力的最大限定值，所述安全稳定约束包括电压稳定约束、功角稳定约束以及断面输电极限约束等；

S2:求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值，所述本区内所有发电机总的发电出力的最大值满足上述每种安全稳定约束对本区内多个发电机群出力的最大限定值的约束条件；

S3:根据上述求解的所有发电机总的发电出力的最大值、已知的所有发电机总的当前出力求解本区内满足安全稳定运行约束的备用水平，实现对电力系统运行安全评价指标的构建。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统运行安全评价指标的构建方法，其特征还在于：S2中：求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值时具体采用如下算法：

$\begin{array}{ccc}\max & \underset{i\∈\mathrm{area}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{Gi}}& \\ \mathrm{st}& f\left(P_{\mathrm{Gj}}\right)\≤P_{\mathrm{st}1}^{\max }& j\∈\mathrm{st}1\\ & g\left(P_{\mathrm{Gk}}\right)\≤P_{\mathrm{st}2}^{\max }& k\∈\mathrm{st}2\\ & \·\·\·& \\ & h\left(P_{\mathrm{Gl}}\right)\≤P_{\mathrm{stn}}^{\max }& l\∈\mathrm{stn}\\ & P_{\mathrm{Gi}}\≤P_{\mathrm{Gi}}^{\max }& i\∈\mathrm{area}\end{array}---\left(2\right)$

其中：j、k和l分别为与第1种、第2种和第n种安全稳定约束相关需转化出力约束的发电机群st1、st2和stn中的发电机编号；f、g和h分别为第1种、第2种和第n种安全稳定约束转化为发电机群出力约束后发电机群中发电机的出力关系函数；为发电机自身当前能达到的最大出力。

3.根据权利要求1或2所述的一种电力系统运行安全评价指标的构建方法，其特征还在于：S2中：求解本区内所有发电机总的发电出力的最大值时：所述多个发电机群中的任意一个发电机群中至少包括一台发电机，当某个发电机群中只包括一台发电机时采用如下算法计算该发电机出力的最大限定值：

$P_{\mathrm{st},G}^{\max }=\min \{P_{\mathrm{st}1,G}^{\max },...,P_{\mathrm{sti},G}^{\max },...,P_{\mathrm{stn},G}^{\max },P_G^{\max }\};$

其中：为计及各种安全稳定约束后的发电机最大出力；为第i种安全稳定约束转化后的该发电机的最大出力，共计n种安全稳定约束；为理论上该发电机当前能达到的最大出力。