CN104123685A - 综合风险下的电网静态安全分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合风险下的电网静态安全分析方法，解决了现有技术中单一指标进行评估会导致结果可信度不高的问题。其包括以下步骤：(一)搭建电力系统网络模型，录入参数；(二)以输电线路为评估对象，对系统线路进行N-1故障开断模拟，计算每个N-1线路故障带来的电压偏移、频率偏差、功率过载、失负荷影响和发电机出力变化的影响；(三)利用公式：Sev(l)＝ω₁·Sev^U(l)+ω₂·Sev^f(l)+ω₃·Sev^P(l)+ω₄·Sev^L(l)+ω₅·Sev^G(l)，得到每条线路故障的综合影响指标；(四)结合线路的故障概率，据公式：得到每条线路故障给系统带来的风险值R_isk；(五)将每条线路的风险值R_isk从大到小进行排序，所得排序就为线路的风险排序；定量分析线路的风险排序结果，验证所得综合风险指标的合理性。

Description

综合风险下的电网静态安全分析方法

技术领域

本发明涉及一种电力网络安全分析方法，具体的说，是涉及一种综合风险下的电网静态安全分析方法。

背景技术

广义上的风险被定义为系统不安全概率与事件影响的乘积，它体现的是概率性安全与后果的综合考虑，即在量化系统不确定性因素作用下的事件可能性的基础上，评估事件发生后对系统造成的影响。不难发现，量化“可能性”与量化“影响”是风险评估研究的两个主要内容。

现有技术中，电力系统风险研究大多数集中在了事件可能性分析上，即量化天气环境、随机负荷及新能源]等系统不确定因素的作用，而影响分析的研究较为单薄，一般以电压波动与负荷(或出力)损失为“影响”量化。如文献“H.Wan,J.D.McCalley,V.Vittal.Risk based voltage security assessment.IEEE Transactionon Power Systems,2000,15(4):1247-1254”和“Y.J.Dai,J.D.McCallyey,N.Abi-Samra,V.Vittal.Annual risk assessment for overload security[J].IEEETransactions on Power System,2001,16(4):616-623”分别研究了基于节点电压崩溃与线路过负荷概率的系统负荷损失的风险评估方法；文献“S.A.Farghal,M.S.Kandil,A.Elmitwally.Quantifying electric power quality via fuzzy modeling andanalytic hierarchy processing[J].IEE Proceeding on Generation,Transmission andDistribution,2002,149(1):44-49”从电能质量角度出发，采用模糊方法评估了低电压、过电压及暂态过程风险；文献“吴耀武,娄素华,余永泉,等.电力市场环境下输电线路过载风险评估[J].电工技术学报,2012,27(2):198-203”则结合市场因素，通过分析线路过负荷对发电商、电网公司和用户带来的损失差异，建立了基于不同主体的后果评估模型。上述研究从不同角度评估了概率事件发生后的影响，然而，显然无论从任一角度进行评估都会存在结果可信度不高的可能。因此，有文献“刘宇彬，刘建华.基于层次分析法和熵权法的电网风险评估[J].电力科学与工程，2013，29(11)：37-43”提出采用层次分析法和熵权法相综合的评估方法。该文中将负荷率、高负荷率、失负荷率、节点平均有/无功裕度、系统有功裕度，极限切除时间及平均短路过电流率等8个指标进行了综合考虑。但其指标选取上有待改进。首先，在负荷状况描述上，前3个指标者有一定重复性，且文中对高负荷率定义是为了刻画连锁故障下风险，其实则应由“可能性”量化部分体现；其次，为反映电压状况，文中采取的是节点平均有/无功裕度、系统有功裕度3个指标间接描述，显然不如电压指标更为直接、简洁；最后，文中考虑了极限切除时间与平均短路过电流率2个暂态过程指标，这里将稳态和暂态同时考虑，但对于工程计算(一般为事件静态结果分析，如N-k分析)来说意义不大，且会增加计算量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种可以更为全面衡量故障对系统造成的影响，且根据评估需要，可对评估侧重方向进行调整的综合风险下的电网静态安全分析方法。

为了实现上述目的，本发明采用了技术方案如下：

综合风险下的电网静态安全分析方法，包括以下步骤：

(一)搭建电力系统网络模型，录入参数：发电机参数、线路参数和负荷参数及变压器参数；其中，搭建电力系统网络模型为现有成熟技术，故在此不做赘述；

(二)以输电线路为评估对象，对系统线路进行N-1故障开断模拟，计算每个N-1线路故障带来的电压偏移、频率偏差、功率过载、失负荷影响和发电机出力变化的影响；

(三)利用公式：

Sev(l)＝ω₁·Sev^U(l)+ω₂·Sev^f(l)+ω₃·Sev^P(l)

                                                   (1)

+ω₄·Sev^L(l)+ω₅·Sev^G(l)

得到每条线路故障的综合影响指标Sev(l)；

(四)结合线路的故障概率，据公式：

$\begin{array}{c}{R}_k^l=p_k^l\left(t\right)\·[{\mathrm{\ω}}_1\·{\mathrm{Sev}}^U\left(l\right)+{\mathrm{\ω}}_2\·{\mathrm{Sev}}^f\left(l\right)+{\mathrm{\ω}}_3\·{\mathrm{Sev}}^P\left(l\right)\\ +{\mathrm{\ω}}_4\·{\mathrm{Sev}}^L\left(l\right)+{\mathrm{\ω}}_5\·{\mathrm{Sev}}^G\left(l\right)]\end{array}---\left(2\right)$

得到每条线路故障给系统带来的风险值R_isk；

(五)将每条线路的风险值R_isk从大到小进行排序，所得排序就为线路的风险排序；

(六)定量分析线路的风险排序结果，验证所得综合风险指标的合理性；

上述公式中，ω₁～ω₅为5个不同后果严重度指标所占的权重，Sev^U(l)为电压偏移影响，Sev^f(l)为频率偏差影响，Sev^P(l)为线路功率过载影响，Sev^L(l)为失负荷影响，Sev^G(l)为发电机出力变化影响，为线路k的风险值。

上述因素影响确定的具体方式如下：

电压偏移影响及其量化

电压偏高或偏低都会影响设备的运行可靠性。依据国标供电电压允许偏差，电压偏移量不得超过额定电压的10％。电压偏移影响描述如图1所示，图中，为母线i的额定电压；为母线i的电压偏移程度。定义电压偏移影响如下：

${\mathrm{Sev}}_j^U\left(l\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& (u_i\left(l\right)<0.9u_i^N)\&cup;(u_i\left(l\right)>1.1u_i^N)\\ 10\left|\frac{u_i\left(l\right)-u_i^N\left(l\right)}{u_i^N\left(l\right)}\right|& 0.9u_i^N\&le;u_i\left(l\right)\&le;1.1u_i^N\end{array}\right.---\left(4\right)$

${\mathrm{Sev}}^U\left(l\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Sev}}_i^U\left(l\right)---\left(5\right)$

式中，u_i(l)为线路l故障后母线i的电压，N为节点数，Sev^U(l)为线路l故障后系统的电压偏移影响程度。

以输电线路为评估对象，定义输电线路运行风险评估指标如下：

$R_k^l=p_k^l\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}_k^l---\left(3\right)$

式中，为线路k风险值；为线路k发生故障的概率；为线路故障后对系统造成的影响。

频率偏差影响及其量化

电力系统频率变化对用户影响很大，为加大故障线路的频率偏差影响区分度，据式(6)和(7)量化故障后系统频率偏差影响：

${\mathrm{Sev}}_i^f\left(l\right)=|f_i\left(l\right)-1|---\left(6\right)$

${\mathrm{Sev}}^f\left(l\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Sev}}_i^f\left(l\right)/n---\left(7\right)$

式中，f_i(l)为线路l故障后节点i的频率最大偏幅标幺值，n为节点数，Sev^f(l)为线路l故障后系统的频率偏差影响程度。

线路功率过载影响及其量化

当线路传输功率超过其额定传输容量时，会影响线路的运行可靠性。而从潮流转移的角度分析，轻载线路在接受转移潮流后往往还能够稳定运行；而重载线路在接受转移潮流后将不堪重负，易造成负载越限，进一步引起跳闸，从而扩大了潮流转移范围，形成大规模连锁跳闸，线路功率过载影响描述如图2所示。

定义线路功率过载影响如下：

${\mathrm{Sev}}_k^P\left(l\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& P_k\left(l\right)<P_k^N\\ \frac{P_k\left(l\right)-P_k^N}{P_k^{\lim }-P_k^N}& P_k^N\&le;P_k\left(l\right)\&le;P_k^{\lim }\\ 1& P_k\left(l\right)>P_k^{\lim }\end{array}\right.---\left(8\right)$

${\mathrm{Sev}}^P\left(l\right)=\underset{k=1,k\&NotEqual;l}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{Sev}}_k^P\left(l\right)---\left(9\right)$

式中，为线路l故障后线路k功率过载影响，P_k(l)为线路l故障后线路k的传输功率，为线路k的额定传输容量，为支路k的极限传输容量，m为线路数，Sev^P(l)为线路l故障后系统线路功率过载影响程度。

失负荷影响及其量化

线路故障会引系统潮流转移，甚至发生级联效益，致使系统部分负荷被切除。为弥补过去传统安全性中忽略了负荷间的重要程度差异，定义失负荷影响如下：

${\mathrm{Sev}}^L\left(l\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i\mathrm{\&Delta;P}{\left(l\right)}_i}{\underset{i=1}{\overset{n_L}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&alpha;}}_i{P_i}^0}---\left(10\right)$

式中，ΔP(l)_i为线路l故障后引起节点i上的负荷损失量；α_i为对应的负荷权重因子，即可从经济上考虑率，也可从负荷重要性等级考虑；P_i ⁰为故障前节点i上的初始负荷大小；n_L为负荷节点的集合。

发电机出力变化影响及其量化

同样，线路故障会引起发电机部分出力变化，发生较严重事故时，还会可能有切机操作。定义发电机出力变化影响如下：

${\mathrm{Sev}}^G\left(l\right)=\frac{\underset{i=1}{\overset{n_G}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i\mathrm{\&Delta;}{G}_i\left(l\right)}{\underset{i=1}{\overset{n_G}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i{G}_i^0}---\left(11\right)$

式中，ΔG_i(l)为线路l故障后引起发电机节点i出力变化量；为发电机节点i初始出力；β_i为对应的机组权重；n_G为发电机节点集合。

以输电线路为评估对象，定义输电线路运行风险评估指标如下：

$R_k^l=p_k^l\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}_k^l---\left(3\right)$

ω₁～ω₅五个不同后果严重度指标所占的权重通过层次分析法判断得出。

本发明的设计原理：兼顾系统概率安全性与经济性，综合考虑事件结果影响，在量化节点电压偏移、频率偏差、线路功率过载、系统负荷损失率及机组出力变化5类主要风险因素的基础上，采用层次分析方法判定各自权重，得出综合风险指标，并进一步结合事件发生可能性，对电网静态安全进行风险评估。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明以输电线路为评估对象，综合了电压偏移影响、频率偏差影响、线路功率过载影响、失负荷影响和发电机出力变化影响，在上述风险因素的基础上，采用层次分析方法判定各自权重，得出综合风险指标，并进一步结合事件发生可能性，对电网静态安全进行风险评估，可以更为全面衡量故障对系统造成的影响，且根据评估需要，可对评估侧重方向进行调整，分析结果可为系统操作人员的运行决策提供风险比较。

附图说明

图1为电压偏移影响描述图。

图2为线路过载影响描述图。

图3为新英格兰10机39节点系统图。

图4为系统线路故障综合风险图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

线路故障后对系统造成影响是多方面的，从不同角度计算出来的影响程度势必存在差异，单一从某指标进行评估会存在结果可信度不高的可能，因此，本实施例提供了一种综合风险下的电网静态安全分析方法，包括以下步骤：

(一)搭建电力系统网络模型，录入参数：发电机功率、线路阻抗和负荷大小；

(二)以输电线路为评估对象，定义输电线路运行风险评估指标如下：对系统线路进行N-1故障开断模拟，计算每个N-1线路故障带来的电压偏移、频率偏差、功率过载、失负荷影响和发电机出力变化的影响；

(三)利用公式：

Sev(l)＝ω₁·Sev^U(l)+ω₂·Sev^f(l)+ω₃·Sev^P(l)

                                                      (1)

+ω₄·Sev^L(l)+ω₅·Sev^G(l)

得到每条线路故障的综合影响指标Sev(l)；

(四)结合线路的故障概率，据公式：

$\begin{array}{c}{R}_k^l=p_k^l\left(t\right)\&CenterDot;[{\mathrm{\&omega;}}_1\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^U\left(l\right)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^f\left(l\right)+{\mathrm{\&omega;}}_3\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^P\left(l\right)\\ +{\mathrm{\&omega;}}_4\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^L\left(l\right)+{\mathrm{\&omega;}}_5\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^G\left(l\right)]\end{array}---\left(2\right)$

得到每条线路故障给系统带来的风险值R_isk；

(五)将每条线路的风险值R_isk从大到小进行排序，所得排序就为线路的风险排序；

(六)定量分析线路的风险排序结果，验证所得综合风险指标的合理性。

采用层次分析法判断步骤(三)中5个不同后果严重度指标所占的权重。层次分析法是一种解决对目标的复杂问题的定性与定量相结合的决策分析方法，具体的层次分析法见文献“赵云飞，陈金富.层次分析法及其在电力系统中的应用[J].电力自动化设备，2004，24(9)：85-87,95”。它利用将决策者的经验判断各衡量指标是否实现的标准之间的相对重要程度，合理地给出每个决策方案的每个标准的权重数，并利用权重数求出各方案的优劣次序。其中，判断矩阵A：

式中，a_ij为判断矩阵元素；c_i为影响因素。

虽然矩阵赋值具有主观意识，即考察角度的不同和决策者的偏好会使得判定矩阵有所差异，但是决策会受一致性条件的限定，各角度得出的权重系数不会有太大差异，风险评估的结果会在合理的范围内波动。考虑的5个影响因素间的关系并非完全独立，但各自侧重点有所不同，如ω₁、ω₂侧重于电能质量，ω₃侧重于电网安全，ω₄、ω₅侧重于经济性。取值时，可根据不同评估目的进行。

根据风险评估定义，还需要进一步量化线路故障概率，参考文献“J.CHEN,J.S.Thorp,I.Dobson.Cascading dynamics and mitigation assessment in powersystem disturbances via a hidden failure model[J].Electrical Power and EnergySystems,2005,27(4):318-326.”，线路故障概率量化具体如下：

$p_k\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{p}_k^0& P_k^{\min }\&le;P_k\left(t\right)\&le;P_k^N\\ p_k^0+\frac{(1-p_k^0)(P_k\left(t\right)-P_k^N)}{P_k^{\lim }-P_k^N}& P_k^N\&le;P_k\left(t\right)\&le;P_k^{\lim }\\ 1& P_k^{\lim }\&le;P_k\left(t\right)\end{array}\right.---\left(13\right)$

式中，为线路k初始故障概率，由历史统计得出；P_k(t)为线路k实时传输功率；为额定传输容量；为线路极限传输容量，其中有将上述式(13)和式(1)代入式(3)中，即可得到系统某时刻下的各输电线路风险值Risk如下：

$\begin{array}{c}{R}_k^l=p_k^l\left(t\right)\&CenterDot;[{\mathrm{\&omega;}}_1\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^U\left(l\right)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^f\left(l\right)+{\mathrm{\&omega;}}_3\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^P\left(l\right)\\ +{\mathrm{\&omega;}}_4\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^L\left(l\right)+{\mathrm{\&omega;}}_5\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^G\left(l\right)]\end{array}---\left(14\right)$

为了使得本领域技术人员对本发明有更清晰的了解和认识，下面采用新英格兰IEEE39节点系统为例进行仿真计算，其拓扑结构如图3所示。

由于标准系统没有可靠性相关参数，不妨假设线路初始外部故障概率为0.1。对于实际系统而言，该数据可由历史统计或实时测量获取。公式(10)、(11)中发电机、负荷权重参数见表1：

表1.发电机、负荷权重

在实际系统中，可根据实际情况进行调整，如参考机组效率，负荷等级等。

本实施例以电网安全为侧重，判定矩阵A赋值如下：

$A=\left[\begin{array}{ccccc}1& \frac{3}{2}& \frac{1}{3}& 2& 2\\ \frac{2}{3}& 1& \frac{1}{3}& 2& 2\\ 3& 3& 1& 4& 4\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{4}& 1& 1\\ \frac{1}{2}& \frac{1}{2}& \frac{1}{4}& 1& 1\end{array}\right]---\left(15\right)$

因此，线路故障综合影响风险指标有：

Sev(l)＝0.192·Sev^U(l)+0.163·Sev^f(l)+0.453·Sev^P(l)

                                                            (16)

+0.096·Sev^L(l)+0.096·Sev^G(l)

系统线路进行N-1故障开断模拟。计算系统综合影响风险如图4所示，其中线路编号见表2：

表2.线路编号

将故障风险前十位的线路列于表3。

表3高风险线路排序

风险值较大线路，多为系统传输枢纽线路，承担着较重的传输任务。如线路21-22传输功率为604MW，线路23-24传输功率为354MW，线路16-21传输功率为330MW。这些大功率传输线路，如发生故障将引起系统大面积潮流转移，对系统安全造成较大影响。例如，线路23-24故障开断，会造成线路16-21故障概率上升到38.5％，线路21-22故障概率上升到23.4％。其中，若线路16-21进一步故障开断，会造成35#和36#发电机、21#和22#负荷退出系统；而若线路21-22开断会造成更大范围的潮流转移与故障可能。

进一步的，对线路故障后的“影响”进行分解细化。利用公式(3)～(10)分别计算故障线路后对系统造成的影响，结果列于表4中(取排序前十位线路)：

表4单一风险与综合风险排序对比

由上表可以看出，普通单一风险指标下的线路排名存在较明显差异；其次，综合风险指标下的排序与线路过载排序非常接近。其原因在于，功率过载影响相对于电能质量影响与经济性影响来说，重要程度较高，即在判定矩阵A中赋值较大；再者，引起系统频率偏差较大的，多为发电机母线出线；而引起功率过载的线路多为大功率传输线路，这与实际情况相一致。此外，值得注意的是，虽负荷损失和发电机削减侧重于经济性，电压偏移和频率偏差侧重于供电质量，但都同时识别出了系统高风险线路6-31和16-19，而线路过载影响中并不能够得以体现。原因在于，线路过载影响是系统运行状态与线路自身耐受性即极限传输容量的综合表现，而其他因子是节点上的变化影响，因此，从不同角度考察系统运行或故障下的风险单元，结果会存在显著差异，若仅从其中某一指标进行衡量，造成结果可信度不高是必然的。由此可毫无疑义地得知，综合风险指标的合理性。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.综合风险下的电网静态安全分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

(一)搭建电力系统网络模型，录入参数：发电机参数、线路参数和负荷参数及变压器参数；

(二)以输电线路为评估对象，对系统线路进行N-1故障开断模拟，计算每个N-1线路故障带来的电压偏移、频率偏差、功率过载、失负荷影响和发电机出力变化的影响；

(三)利用公式：

Sev(l)＝ω₁·Sev^U(l)+ω₂·Sev^f(l)+ω₃·Sev^P(l)

                                                          (1)

+ω₄·Sev^L(l)+ω₅·Sev^G(l)

得到每条线路故障的综合影响指标Sev(l)；

(四)结合线路的故障概率，据公式：

$\begin{array}{c}{R}_k^l=p_k^l\left(t\right)\&CenterDot;[{\mathrm{\&omega;}}_1\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^U\left(l\right)+{\mathrm{\&omega;}}_2\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^f\left(l\right)+{\mathrm{\&omega;}}_3\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^P\left(l\right)\\ +{\mathrm{\&omega;}}_4\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^L\left(l\right)+{\mathrm{\&omega;}}_5\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}^G\left(l\right)]\end{array}---\left(2\right)$

得到每条线路故障给系统带来的风险值R_isk；

(五)将每条线路的风险值R_isk从大到小进行排序，所得排序就为线路的风险排序；

(六)定量分析线路的风险排序结果，验证所得综合风险指标的合理性；

上述公式中，ω₁～ω₅为5个不同后果严重度指标所占的权重，Sev^U(l)为电压偏移影响，Sev^f(l)为频率偏差影响，Sev^P(l)为线路功率过载影响，Sev^L(l)为失负荷影响，Sev^G(l)为发电机出力变化影响，为线路k的风险值。

2.根据权利要求1所述的综合风险下的电网静态安全分析方法，其特征在于，以输电线路为评估对象，定义输电线路运行风险评估指标如下：

$R_k^l=p_k^l\&CenterDot;{\mathrm{Sev}}_k^l---\left(3\right)$

式中，为线路k风险值；为线路k发生故障的概率；为线路故障后对系统造成的影响。

3.根据权利要求1所述的综合风险下的电网静态安全分析方法，其特征在于，采用层次分析法判断步骤(三)中5个不同后果严重度指标所占的权重。