CN104252686B - 一种电网安全综合指标确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网安全综合指标确定方法，该方法包括：根据实际电网调研结果选取15项电网安全基础指标，结合指标结构性、指标适应性和量纲一致性确定计算公式；采用层次分析法对15项基础指标在综合指标下的初始权重进行计算；利用变权重惩罚函数对步骤2)得到的权重进行修正；采用最终权重对电网安全综合指标进行计算；电网运行状态安全等级划分及展示；电网安全指标运行轨迹图绘制。本发明从工程实用化角度筛选电网安全基础指标并设计计算公式，在层次分析法计算得到各权重的基础上引入变权重惩罚函数对重载或越限指标权重进行修正，并确定电网当前及未来态势，以电网安全指标运行轨迹图来为调度人员提供直观的电网态势监视手段。

Description

一种电网安全综合指标确定方法

技术领域

本发明涉及一种电力技术领域的确定方法，具体涉及一种电网安全综合指标确定方法。

背景技术

特高压智能电网建设，特高压电网、交直流混联和新能源的发展，互联电网的复杂程度越来越高，电网运行状态量和信息量成几何级数增长，虽然用常规分类指标逐一表述电网状态，可以翔实反映电网安全情况，却无法直观感知电网安全整体情况。当系统当前突然遭遇事故或者未来即将发生危险时，调度员面对海量数据和各种分类指标，往往无法及时准确感知，这给电网的安全带来了极大隐患。因此，需要从庞大的电网运行信息中提炼、综合，建立起高度概括而又能准确反映电网整体安全水平的指标。

本发明人对现有技术的大量研究，尤其对于基础指标的选取计算已有较多文献和专利等已有技术进行研究发现这些技术停留在理论研究阶段，难于解决实际电网中的中存在的技术问题。各研究采用的指标计算方法千姿百态，应用在对量纲统一，意义一致要求较高的综合指标计算中存在困难，需要后期处理。在确定指标权重方面，国内外的研究也很多，有用基于主观经验的层次分析法、专家法、模糊评价法等，有用基于客观历史数据的熵权法、变异系数法、主成分分析法等。这些权重计算方法，在得到指标权重后，直接用于聚合综合指标，会带来关键信息湮没的问题，即某些指标的重载和越限因为聚合无法体现在综合指标的表征上，会给调度员的监视和控制带来困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种电网安全综合指标确定方法，本发明从工程实用化角度筛选电网安全基础指标并设计了计算公式，在层次分析法计算得到的各权重基础上引入变权重惩罚函数对重载或越限指标权重进行修正，根据设计的电网运行状态安全等级划分原则确定电网当前及未来态势，以包含历史、当前和未来电网态势的电网安全指标运行轨迹图来为调度人员提供直观的电网态势监视手段。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种电网安全综合指标确定方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

1)选取15项电网安全基础指标，结合指标结构性、指标适应性和量纲一致性设计计算公式；

2)用层次分析法计算15项基础指标在电网安全综合指标下的权重；

3)利用变权重惩罚函数确定最终权重；

4)用最终权重计算电网安全综合指标；

5)划分及展示电网运行状态安全等级；

6)绘制电网安全综合指标运行轨迹图。

进一步地，所述步骤1)中，15项电网安全基础指标包括线路负载率指标、变压器负载率指标、断面潮流指标、频率指标、电压指标、有功备用指标、电压稳定指标、短路电流指标、静态稳定指标、静态安全分析指标、暂态稳定指标、动态稳定阻尼比指标、失负荷率指标、断线率指标和负荷变化指标；各指标的计算表达式如下：

(1)线路负载率指标：

式中：I_li为线路电流值；I_li,lim为线路热稳限值；NL为线路总个数；α_i为修正因子，750kV以上电压等级的设备，取1.2，500kV电压等级的设备，取1.1，220kV电压等级的设备，取1.0，110kV电压等级设备，取0.9，35kV电压等级设备，取0.8；以下类同。

(2)变压器负载率指标：

式中：S_ti为变压器视在功率；S_ti,lim为变压器额定容量；NT为变压器总个数；

(3)断面潮流指标：

式中：P_si为断面传输功率；P_si,lim为断面传输限值；NS为断面个数；

(4)频率指标：

式中：f为当前系统频率；f_N为额定频率；Δf_threshold为安全频率偏差值，取0.2Hz；

(5)电压指标：

式中：V_i为母线电压；V_{i_max}和V_{i_min}分别为母线电压的上限值和下限值；NBUS为母线条数；

(6)有功备用指标：

式中：P_SR为有功旋转备用容量；P_SR,lim为有功旋转备用容量的最低限值，取系统最大负荷的10％；SR表示系统备用；

(7)电压稳定指标：

式中：P_d0为当前系统负荷功率；P_d.max为连续潮流算出的系统静态稳定最大负荷值；

(8)短路电流指标：

式中：I_short表示短路电流；I_max表示短路电流限额；

(9)静态安全分析指标：

(10)静态稳定指标：

式中：P₀为某一运行情况下的输送功率；P_M为极限功率；

(11)暂态稳定指标：

式中：Δδ_max为最大功角差；Δδ_sm为功角差最大限值，取180^°；

(12)动态稳定阻尼比指标：

式中：η为预想故障集下系统最小阻尼比；η_min为故障后的特殊运行方式下系统最小允许阻尼比，取0.01；

(13)断线率指标：

式中：NL_out为支路切除数；NL_ratio.max为系统允许最大断线率，取0.2；

(14)失负荷率指标：

式中：PD_out为失负荷功率量；PD为总负荷量；PD_ratio.max为系统允许最大失负荷率，取0.15；

(15)负荷变化指标：

式中：Pd_peak为负荷峰值；V_rise/drop为负荷上升或下降速率，η_lim为负荷异常变化率因子，一般取0.005(根据电网不同有所不同)；

所述步骤1)中，对线路负载率指标、变压器负载率指标、断面潮流指标、电压指标、静态安全分析指标根据电压等级和设备重要性等因素引入了修正因子α_i，通过加权修正的方式，计及了不同设备的重要性和电压等级，增强了指标计算公式对实际电网的适应性。

所述步骤1)中，对线路负载率指标、变压器负载率指标、断面潮流指标、电压指标采用的结构性设计包含：1)考虑了“木桶效应”，即电网该类安全指标取决于所有设备中安全性最差的那个；2)考虑了异常群体效应，计算了电网中所有超过惩罚门槛的设备负载率之和与设备总数的比值，反映了电网中负载率达到重载预警水平的那部分设备的影响；3)平均值效应，当电网所有设备负载率水平都在重载门槛以下的时候，此时用平均值反映电网安全水平。

所述步骤1)中，所有计算公式皆是度量当前电网状态值距离临界值的远近程度，保证了量纲的统一和物理意义的统一，便于后续各指标的赋权和聚合工作。

进一步地，所述步骤3)中，当电网安全基础指标到达惩罚门槛的时候，利用变权重惩罚函数，对各项电网安全基础指标权重进行修正，变权重惩罚函数为分段函数，表达式如下：

式中：w(0)为各基础指标初始权重；x_threshold为重载惩罚门槛；x为基础指标值。

由于各电网结构和特性不同，不同季节和时段的运行方式不同，对各基础指标的惩罚门槛也会有所不同。惩罚门槛针对不同指标，不同电网可以供调度人员灵活设置。变权重惩罚函数只在分项基础指标值超过其惩罚门槛时才会起作用，其他时候仍然采用赋权方法确定的初始权重值，而初始权重值只需计算一次，并存储在相应数据库中。

进一步地，所述步骤5)中，电网运行状态安全等级划分为安全区、预警区和危险区三个区域；

在区域划分中，分别设置了五个刻度点：“0”、历史最好值x_his.best、历史平均值x_his.ave、惩罚门槛值x_threshold和“1”；

“1”作为安全限值，是电网运行状态安全等级的关键刻度点；指标超过“1”认为电网进入危险区，需要采取措施，超过“1”的门槛越大，电网越危险；

当到达惩罚门槛值x_threshold指标水平时，电网进入预警区，调度员需要密切留意关注电网态势；

历史平均值x_his.ave和历史最好值x_his.best，分别反映历史上指标的平均水平和最好水平，起到当前和历史水平的参考对照作用；

“0”是指标的最低限值，表达指标的最安全状态，在0-x_threshold区间以内是指标的安全区。

结合可视化展示，分别将处于安全区、预警区和危险区的指标以绿色、橙色和红色表示，便于调度员准确、快速捕捉到系统异常指标。该电网运行状态安全等级划分方法既用于基础指标安全等级划分，也用于综合指标安全等级划分。

进一步地，所述步骤6)中，电网安全运行轨迹图为一段时间内(例如24h内)电网安全指标的时序图，描绘历史、当前和未来时段构成的连续时间段内电网安全变化过程；

指标曲线图包含：电网安全指标历史轨迹曲线，反映电网安全历史指标情况；电网安全当前指标点，反映电网安全指标当前值；电网安全未来轨迹曲线，反映电网安全未来一段时间(例如1h，根据负荷预测、发电计划及检修计划等数据决定)电网指标情况。每进行一次电网安全综合指标计算会在时间轴上新增当前电网运行轨迹点并重新描绘未来轨迹曲线。

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明将注意力集中在调度人员最为关心的电网安全上，并通过实际电网调研，结合我国电力调度部门的切实需求和电网运行的实际情况，选取15项电网安全基础指标，结合指标结构性、指标适应性和量纲一致性确定计算公式，增加了指标计算公式应用的合理性、适用性和一致性。

2、本发明提出的基于变权重惩罚机制的权重修正方法可以在基础指标发生重载和越限时，凸显关键信息，放大重载越限效应，避免综合指标值因为指标的聚合而导致关键重载越限信息被湮没，为调度员及时发现电网隐患提供了保障。

3、本发明提出的电网运行状态安全等级划分方法包含三个区域和五个刻度点，结合可视化展示方法，以简洁、直观的方式表示电网安全指标的安全等级和运行情况，便于调度员快速把握系统关键问题。

4、本发明提出的电网安全综合指标运行轨迹图，描绘了历史、当前和未来时段构成的连续时间段内电网安全变化过程，全方位多维度的表征了电网当前“态”和未来“势”。

附图说明

图1是本发明提供的选取的电网安全基础指标示意图；

图2是本发明提供的一种电网安全综合指标确定方法的流程图；

图3是本发明提供的变权重惩罚函数为分段函数示意图；

图4是本发明提供的综合指标安全等级划分示意图；

图5是本发明提供的某次计算完成后的电网安全运行轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

本发明提供的一种电网安全综合指标确定方法的流程图如图2所示，包括下述步骤：

1)根据实际电网调研结果选取15项电网安全基础指标，结合指标结构性、指标适应性和量纲一致性设计了计算公式进行计算；选取的电网安全基础指标示意图如图1所示，15项电网安全基础指标包括线路负载率指标、变压器负载率指标、断面潮流指标、频率指标、电压指标、有功备用指标、电压稳定指标、短路电流指标、静态安全分析指标、静态稳定指标、暂态稳定指标、动态稳定阻尼比指标、失负荷率指标、断线率指标和负荷变化指标；由于它们描述电网状态的方面不同，计算表达式也相应有所不同，在进行指标聚合时需要对各指标进行转化，保证量纲的统一性。在本发明中，所有基础指标皆是度量当前状态值距离临界值的远近程度，无需再进行各指标的一致化和无量纲化。

各指标的计算表达式如下：

(1)线路负载率指标：

式中：I_li为线路电流值；I_li,lim为线路热稳限值；NL为线路总个数；α_i为修正因子，750kV以上电压等级的设备，取1.2，500kV电压等级的设备，取1.1，220kV电压等级的设备，取1.0，110kV电压等级设备，取0.9，35kV电压等级设备，取0.8；以下类同；

(2)变压器负载率指标：

式中：S_ti为变压器视在功率；S_ti,lim为变压器额定容量；NT为变压器总个数；

(3)断面潮流指标：

式中：P_si为断面传输功率；P_si,lim为断面传输限值；NS为断面个数；

(4)频率指标：

式中：f为当前系统频率；f_N为额定频率；Δf_threshold为安全频率偏差值，取0.2Hz；

(5)电压指标：

式中：V_i为母线电压；V_{i_max}和V_{i_min}分别为母线电压的上限值和下限值；NBUS为母线条数；

(6)有功备用指标：

式中：P_SR为有功旋转备用容量；P_SR,lim为有功旋转备用容量的最低限值，取系统最大负荷的10％；SR表示系统备用；

(7)电压稳定指标：

式中：P_d0为当前系统负荷功率；P_d.max为连续潮流算出的系统静态稳定最大负荷值；

(8)短路电流指标：

式中：I_short表示短路电流；I_max表示短路电流限额；

(9)静态安全分析指标

(10)静态稳定指标：

式中：P₀为某一运行情况下的输送功率；P_M为极限功率；

(11)暂态稳定指标：

式中：Δδ_max为最大功角差；Δδ_sm为功角差最大限值，取180^°；

(12)动态稳定阻尼比指标：

式中：η为预想故障集下系统最小阻尼比；η_min为故障后的特殊运行方式下系统最小允许阻尼比，取0.01；

(13)断线率指标：

式中：NL_out为支路切除数；NL_ratio.max为系统允许最大断线率，取0.2；

(14)失负荷率指标：

式中：PD_out为失负荷功率量；PD为总负荷量；PD_ratio.max为系统允许最大失负荷率，取0.15；

(15)负荷变化指标：

式中：Pd_peak为负荷峰值；V_rise/drop为负荷上升或下降速率，η_lim为负荷异常变化率因子，一般取0.005(根据电网不同有所不同)

所述步骤1)中，对线路负载率指标、变压器负载率指标、断面潮流指标、电压指标、静态安全分析指标根据电压等级和设备重要性等因素引入了修正因子α_i，通过加权修正的方式，计及了不同设备的重要性和电压等级，增强了指标计算公式对实际电网的适应性。

所述步骤1)中，对线路负载率指标、变压器负载率指标、断面潮流指标、电压指标采用的结构性设计包含：1)考虑了“木桶效应”，即电网该类安全指标取决于所有设备中安全性最差的那个；2)考虑了异常群体效应，计算了电网中所有超过惩罚门槛的设备负载率之和与设备总数的比值，反映了电网中负载率达到重载预警水平的那部分设备的影响；3)平均值效应，当电网所有设备负载率水平都在重载门槛以下的时候，此时用平均值反映电网安全水平。

所述步骤1)中，所有计算公式皆是度量当前电网状态值距离临界值的远近程度，保证了量纲的统一和物理意义的统一，便于后续各指标的赋权和聚合工作。

2)采用层次分析法对15项基础指标在综合指标下的权重进行计算；利用层次分析法，针对各基础指标的重要性以及其具体计算形式，确定其在电网安全综合指标中的权重w_i，其权重计算只需进行一次，并保存在数据库中。

3)利用变权重惩罚函数确定最终权重；

当电网安全基础指标到达惩罚门槛的时候，利用变权重惩罚函数，对各项电网安全基础指标权重进行修正，变权重惩罚函数为分段函数，表达式如下：

式中：w(0)为各基础指标初始权重；x_threshold为重载惩罚门槛；x为基础指标值。

由于各电网结构和特性不同，不同季节和时段的运行方式不同，对各基础指标的惩罚门槛也会有所不同。惩罚门槛针对不同指标，不同电网可以供调度人员灵活设置。变权重惩罚函数只在分项基础指标值超过其惩罚门槛时才会起作用，其他时候仍然采用赋权方法确定的初始权重值，而初始权重值只需计算一次，并存储在相应数据库中。变权重惩罚函数为分段函数示意图如图3所示。

4)电网运行状态安全等级划分及展示；

电网运行状态安全等级划分为安全区、预警区和危险区三个区域；在区域划分中，分别设置了五个刻度点：“0”、历史最好值x_his.best、历史平均值x_his.ave、惩罚门槛值x_threshold和“1”；

“1”作为安全限值，是电网运行状态安全等级的关键刻度点；指标超过“1”认为电网进入危险区，需要采取措施，超过“1”的门槛越大，电网越危险；

当到达惩罚门槛值x_threshold指标水平时，电网进入预警区，调度员需要密切留意关注电网态势；

历史平均值x_his.ave和历史最好值x_his.best，分别反映历史上指标的平均水平和最好水平，起到当前和历史水平的参考对照作用；

“0”是指标的最低限值，表达指标的最安全状态，在0-x_threshold区间以内是指标的安全区。

结合可视化展示，分别将处于安全区、预警区和危险区的指标以绿色、橙色和红色表示，便于调度员准确、快速捕捉到系统异常指标。该电网运行状态安全等级划分方法既用于基础指标安全等级划分，也用于综合指标安全等级划分。指标安全等级划分示意图如图4所示。

6)电网安全指标运行轨迹图绘制：

电网安全运行轨迹图为一段时间内(例如24h内)电网安全指标的时序图，描绘历史、当前和未来时段构成的连续时间段内电网安全变化过程；

指标曲线图包含：电网安全指标历史轨迹曲线，反映电网安全历史指标情况；电网安全当前指标点，反映电网安全指标当前值；电网安全未来轨迹曲线，反映电网安全未来一段时间(例如1h，根据负荷预测、发电计划及检修计划等数据决定)电网指标情况。每进行一次电网安全综合指标计算会在时间轴上新增当前电网运行轨迹点并重新描绘未来轨迹曲线。某次计算完成后的电网安全运行轨迹示意图如图5所示。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种电网安全综合指标确定方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

1)选取15项电网安全基础指标，结合指标结构性、指标适应性和量纲一致性设计计算公式；

2)用层次分析法计算15项基础指标在电网安全综合指标下的权重；

3)利用变权重惩罚函数确定最终权重；

4)用最终权重计算电网安全综合指标；

5)划分及展示电网运行状态安全等级；

6)绘制电网安全综合指标运行轨迹图；

所述步骤1)中，15项电网安全基础指标为分别按式(1)～(15)表示的指标：

(1)线路负载率指标：

式中：I_li为线路电流值；I_li,lim为线路热稳限值；NL为线路总个数；α_i为修正因子，750kV以上电压等级的设备，取1.2，500kV电压等级的设备，取1.1，220kV电压等级的设备，取1.0，110kV电压等级设备，取0.9，35kV电压等级设备，取0.8；

(2)变压器负载率指标：

式中：S_ti为变压器视在功率；S_ti,lim为变压器额定容量；NT为变压器总个数；

(3)断面潮流指标：

式中：P_si为断面传输功率；P_si,lim为断面传输限值；NS为断面个数；

(4)频率指标：

式中：f为当前系统频率；f_N为额定频率；Δf_threshold为安全频率偏差值，取0.2Hz；

(5)电压指标：

式中：V_i为母线电压；V_{i_max}和V_{i_min}分别为母线电压的上限值和下限值；NBUS为母线条数；

(6)有功备用指标：

式中：P_SR为有功旋转备用容量；P_SR,lim为有功旋转备用容量的最低限值，取系统最大负荷的10％；SR表示系统备用；

(7)电压稳定指标：

式中：P_d0为当前系统负荷功率；P_d.max为连续潮流算出的系统静态稳定最大负荷值；

(8)短路电流指标：

式中：I_short表示短路电流；I_max表示短路电流限额；

(9)静态安全分析指标

(10)静态稳定指标：

式中：P₀为某一运行情况下的输送功率；P_M为极限功率；

(11)暂态稳定指标：

式中：Δδ_max为最大功角差；Δδ_sm为功角差最大限值，取180^°；

(12)动态稳定阻尼比指标：

式中：η为预想故障集下系统最小阻尼比；η_min为故障后的特殊运行方式下系统最小允许阻尼比，取0.01；

(13)断线率指标：

式中：NL_out为支路切除数；NL_ratio.max为系统允许最大断线率，取0.2；

(14)失负荷率指标：

式中：PD_out为失负荷功率量；PD为总负荷量；PD_ratio.max为系统允许最大失负荷率，取0.15；

(15)负荷变化指标：

式中：Pd_peak为负荷峰值；V_rise/drop为负荷上升或下降速率，η_lim为负荷异常变化率因子，取0.005。

2.如权利要求1所述的电网安全综合指标确定方法，其特征在于，所述步骤3)中，当电网安全基础指标到达惩罚门槛的时候，利用下式(16)表达的变权重惩罚函数修正电网安全基础指标权重：

式中：w(0)为各基础指标初始权重；x_threshold为重载惩罚门槛；x为基础指标值。

3.如权利要求1所述的电网安全综合指标确定方法，其特征在于，所述步骤5)中，电网运行状态安全等级划分为安全区、预警区和危险区；

在区域划分中，分别设置了五个刻度点：“0”、历史最好值x_his.best、历史平均值x_his.ave、惩罚门槛值x_threshold和“1”；

“1”作为安全限值，是电网运行状态安全等级的关键刻度点；指标超过“1”认为电网进入危险区，需要采取措施，超过“1”的门槛越大，电网越危险；

当到达惩罚门槛值x_threshold指标水平时，电网进入预警区，调度员需要密切留意关注电网态势；

历史平均值x_his.ave和历史最好值x_his.best，分别反映历史上指标的平均水平和最好水平，起到当前和历史水平的参考对照作用；

“0”是指标的最低限值，表达指标的最安全状态，在0-x_threshold区间以内是指标的安全区；

结合可视化展示，分别将处于安全区、预警区和危险区的指标以绿色、橙色和红色表示，便于调度员捕捉到系统异常指标；该电网运行状态安全等级划分方法既用于基础指标安全等 级划分，也用于综合指标安全等级划分。

4.如权利要求1所述的电网安全综合指标确定方法，其特征在于，所述步骤6)中，电网安全运行轨迹图为一段时间内电网安全指标的时序图，描绘历史、当前和未来时段构成的连续时间段内电网安全变化过程；

指标曲线图包含：电网安全指标历史轨迹曲线，反映电网安全历史指标情况；电网安全当前指标点，反映电网安全指标当前值；电网安全未来轨迹曲线，反映电网安全未来一段时间电网指标情况；

每进行一次电网安全综合指标计算会在时间轴上新增当前电网运行轨迹点并重新描绘未来轨迹曲线。