CN104484728A - 一种电网安全综合指标体系架构方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网安全综合指标体系架构方法，该方法包括下述步骤：1)选取n项电网安全基础指标；2)构建包含五级指标层的电网安全综合指标体系；3)采用层次分析法对n项电网安全基础指标在电网安全综合指标下的权重进行计算；4)采用基础指标权重对电网安全基础指标进行聚合得到电网安全综合指标。本发明提出的电网安全综合指标体系架构方法，力求从构建电网安全指标体系出发，将当前态、未来态和风险态相结合，全方位多角度评估了电网运行的当前、发展趋势以及故障风险情况，有效辅助调度运行人员完成对电网的运行控制。

Description

一种电网安全综合指标体系架构方法

技术领域

本发明涉及一种电力技术领域的体系架构方法，具体涉及一种电网安全综合指标体系架构方法。

背景技术

电网规模的不断扩大，电网运行的复杂性不断提高，电网安全性问题越来越突出，调度人员不仅需要监视电网的实时安全性，还要在更长的时间范围内提前评估电网未来安全风险。近年来冰灾、地震等自然灾害频发，极端自然灾害下的运行状况，更大程度上增加了调度人员监视和控制的难度。为了提高电网调度部门科学调度水平和驾驭大电网的能力，参考其他领域如股票市场的指标曲线，很多学者在思考是否可以以一个指标来反映电网运行轨迹。

关于电网安全综合指标体系的已有技术按指标类型划分有，安全供电能力、静态电压安全性、拓扑结构脆弱性、暂态安全性、风险性5个方面构建电网安全评价指标体系；从电网运行指标对系统运行的影响角度出发，将指标分为系统特性类指标、优化控制类指标、故障评估类指标、二次支持类指标、操作环境评估类指标、外部环境类指标六类；从效果评估指标、主要特性指标、技术支撑评估指标构建了三层评估指标体系，包含了对智能电网核心价值、主要特性、关键技术领域三要素的评估。这些已有技术对电网评估指标体系的建立提供了有意义的探索，其思路都非常值得借鉴，但不足之处在于其往往局限于当前态下的电网安全评估，未充分估计到来发展趋势及故障风险，或者主要着眼于电网发展、运营、规划，对于的电网安全性有待增强，因此需要提供一种将指标体系应用到实际电网的方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种电网安全综合指标体系架构方法，本发明提出的电网安全综合指标体系架构方法，力求从构建电网安全指标体系出发，将当前态、未来态和风险态相结合，全方位多角度评估了电网运行的当前、发展趋势以及故障风险情况，有效辅助调度运行人员完成对电网的运行控制。

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体系架构方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

1)选取n项电网安全基础指标；

2)构建包含五级指标层的电网安全综合指标体系；

3)用层次分析法计算n项电网安全基础指标在电网安全综合指标下的权重；

4)用基础指标权重聚合电网安全基础指标得到电网安全综合指标。

进一步地，所述步骤2)中，所述包含五级指标层的电网安全综合指标体系包括电网综合安全指标层、计及三态指标的基础指标层、三态指标层、未来时刻点指标层和未来时刻点多场景风险指标层。

进一步地，计及三态指标的基础指标层为二级指标层，包含各项电网基础指标，每一项基础指标均包含当前态指标、未来态指标和风险态指标，是这三态指标的聚合叠加；

所述三态指标层为三级指标层，描述电网基础指标在当前态、未来态和风险态下的指标值；所述未来时刻点指标层包含多个未来时刻点的基础指标值和风险指标值；所述未来时刻点多场景风险指标层包含多故障场景下的风险指标。

进一步地，当前态指标描述的是当前状态下电网安全情况，设置每隔周期T从能量管理系统EMS系统中获取实时电网状态量信息和应用模块计算得到的各指标计算结果，得到电网安全基础指标在当前态下的指标值b₁₀,b₂₀,b₃₀,…,b_n0；

未来态指标描述的是当前时刻后N个时刻点(根据电网情况调度员可灵活设置)电网安全变化趋势情况；基于负荷预测数据及发电计划数据，采用指标计算方法计算未来N个时刻点基础指标值基于负荷预测数据在时间轴上准确性的差异，假设未来时刻1、时刻2、…、时刻N-1和时刻N下的预测精度分别为a₁％,a₂％,…,a_N-1％,a_N％，计算在未来态指标下的权重p_i：

$p_i=\frac{a_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i}---<1>;$

式中：a_i为预测精度；i为时刻点；N为时刻总数；

在得到未来N个时刻点在未来态指标下的权重后，通过指标聚合得到未来态指标b_k1，即b₁₁,b₂₁,b₃₁,…,b_n1，表达式如下：

$b_{k1}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i\&CenterDot;b_{k1}^{\left(i\right)}---<2>;$

式中：为未来N个时刻点基础指标值，k＝1、2、……n；

风险态指标描述的是当前时刻后N个时刻点计及故障风险的电网安全情况；在获取当前时刻后N个时刻点的电网信息后，综合外部环境和设备自身物理特性，分析设备故障概率，确定严重故障集，计算多场景电网风险指标。

进一步地，所述步骤3)包括下述步骤：

①对指标进行两两比较和评估，按照1-9标度法确定各基础指标的判断矩阵；

②计算判断矩阵中每行各标度数据的几何平均值，记为w_i′；

③归一化处理，确定指标的权重系数 $w_i=\frac{{w_i}^{\&prime;}}{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w_i}^{\&prime;}}---<3>.$

进一步地，在得到n项基础指标权重系数后，通过对各基础指标x_i聚合，得到电网安全综合指标X：

$X=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\&CenterDot;w_i---<4>.$

与现有技术比，本发明达到的有益效果是：

1、本发明提供了包含五级指标层的电网安全综合指标体系，引入了各基础指标在当前态、未来态和风险态下的指标值，在把握电网当前状态的前提下还计及了电网未来的发展趋势和未来故障风险，使得指标体系中第二层基础指标全维度，多视角的反映了电网安全情况，比常规指标体系只考虑当前态计算得到的指标更准确，更有意义。本发明力求解决“电网当前是什么状态，将来是什么趋势，未来发生故障的风险有多大”等问题，为新一代自动智能调度系统提供思路。

2、本发明从工程实用化角度提出了包含电网安全综合指标计算中消息传递模式、“三态”指标并行计算模式等方面的整体计算框架和流程，实际工程应用价值很高。

附图说明

图1是本发明提供的电网安全综合指标体系示意图；

图2是本发明提供的具体实施例的实施步骤流程图。

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。

本发明提供一种电网安全综合指标体系架构方法，包括下述步骤：

1)选取n项电网安全基础指标；

n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、失负荷率指标和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：x₁为线路负载率指标值；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：

$x_4=\frac{|f-f_N|}{\mathrm{\&Delta;}{f}_{\mathrm{threshold}}};$

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：

$x_6=\frac{P_{\mathrm{SR},\lim }}{P_{\mathrm{SR}}};$

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：

$x_7=\frac{P_{d0}}{P_{d.\max }};$

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：

$x_8=\left\{\begin{array}{cc}1& (I_{\mathrm{short}}>I_{\max })\\ 0& (I_{\mathrm{short}}<I_{\max })\end{array}\right.;$

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

$x_9=\underset{i=1...\mathrm{NL}+\mathrm{NT}+\mathrm{NS}}{\max }\left[{({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{li}}\frac{I_{\mathrm{li}}}{I_{\mathrm{li}.\lim }},{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{ti}}\frac{S_{\mathrm{ti}}}{S_{\mathrm{ti}.\lim }},{\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{si}}\frac{P_{\mathrm{si}}}{P_{\mathrm{si}.\lim }})}_{|\frac{I_{\mathrm{li}}}{I_{\mathrm{li}.\lim }}>1\mathrm{or}\frac{S_{\mathrm{ti}}}{S_{\mathrm{ti}.\lim }}>1\mathrm{or}\frac{P_{\mathrm{si}}}{P_{\mathrm{si}.\lim }}>1}\right];$

(10)静态稳定指标：

$x_{10}=\frac{P_0}{P_M};$

式中：P₀为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：

$x_{11}=\frac{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&delta;}}_{\max }}{\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&delta;}}_{\mathrm{sm}}};$

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：

$x_{12}=\frac{{\mathrm{\&eta;}}_{\min }}{\mathrm{\&eta;}};$

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：

$x_{13}=\frac{{\mathrm{NL}}_{\mathrm{out}}/\mathrm{NL}}{{\mathrm{NL}}_{\mathrm{ratio}.\max }};$

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；ratio.max是比率最大的意思。

(14)失负荷率指标：

$x_{14}=\frac{{\mathrm{PD}}_{\mathrm{out}}/\mathrm{PD}}{{\mathrm{PD}}_{\mathrm{ratio},\max }};$

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：

$x_{15}=\frac{{\&Integral;}_0^{5\min }{V}_{\mathrm{rise}/\mathrm{drop}}\mathrm{dt}}{{\mathrm{Pd}}_{\mathrm{peak}}}/{\mathrm{\&eta;}}_{\lim };$

式中：Pd_peak为负荷峰值；V_rise/drop为负荷上升或下降速率。

2)构建包含五级指标层的电网安全综合指标体系；

图1是电网安全综合指标体系示意图，包含了五级指标层。一级指标层为电网综合安全指标层，为体系的最高层。二级指标层为计及“三态”指标的基础指标层。三级指标层为“三态”指标层，描述了各基础指标在当前态、未来态和风险态下的指标值。四级指标层为未来时刻点指标层，包含多个未来时刻点的基础指标值和风险指标值。五级指标层为未来时刻点多场景风险指标层，包含多故障场景下的风险指标。为了阐述方便，从体系的第三层“三态”指标层开始说明。

“三态”指标层中的当前态指标描述的是当前状态下电网安全情况。设置每隔周期T从EMS系统中获取实时电网状态量信息和各高级应用模块计算得到的各指标计算信息，采用以上提到的指标计算方法得到各基础指标在当前态下的指标值b₁₀,b₂₀,b₃₀,…,b_n0(指标体系中第三层)。

“三态”指标层中的未来态指标描述的是当前时刻后N个时刻点电网安全变化趋势情况。基于负荷预测数据及发电计划数据，采用以上提到的指标计算方法计算未来N个时刻点基础指标值(指标体系中第四层)。基于负荷预测数据在时间轴上准确性的差异，假设未来时刻1、时刻2、…、时刻N-1和时刻N下的预测精度分别为a₁％,a₂％,…,a_N-1％,a_N％，计算在未来态指标下的权重p_i：

$p_i=\frac{a_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i}---<1>;$

式中：a_i为预测精度；i为时刻点；N为时刻总数；

在得到未来N个时刻点在未来态指标下的权重后，通过指标聚合得到未来态指标b_k1，即b₁₁,b₂₁,b₃₁,…,b_n1，表达式如下：

$b_{k1}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i\&CenterDot;b_{k1}^{\left(i\right)}---<2>;$

式中：为未来N个时刻点基础指标值，k＝1、2、……n；

风险态指标描述的是当前时刻后N个时刻点计及故障风险的电网安全情况；在获取当前时刻后N个时刻点的电网信息后，综合外部环境和设备自身物理特性，分析设备故障概率，确定严重故障集，计算多场景电网风险指标。

风险态指标描述的是当前时刻后N个时刻点计及故障风险的电网安全情况。与未来态指标不同，在获取当前时刻后N个时刻点的电网信息后，并不是直接进行指标计算，而是综合外部环境和设备自身物理特性，分析设备故障概率，确定严重故障集，计算多场景电网风险指标。如附图1，以指标3为例，(指标体系中第五层)为基础指标3未来时刻点1下M个故障场景下的风险指标，通过取其最大值得到指标3未来时刻点1的风险指标(指标体系中第四层)。同理，可以得到指标3未来其他时刻点的风险指标(指标体系中第四层)。直接采用未来态指标下确定的权重(权利要求4中的p_i)，计算基础指标3在风险态下的指标值b₃₂(指标体系中第三层)，其他基础指标在风险态下的指标计算以此类推，不再赘述。

在得到各基础指标在“三态”下指标值后，利用专家经验确定当前态指标、未来态指标和风险态指标分别在指标体系第二层中所占的权重。通过聚合得到计及“三态”的电网安全各基础指标值。到此为止，得到了二到五级指标层的所有指标。

3)采用层次分析法对第二级指标层中n项电网安全基础指标在电网安全综合指标下的权重进行计算；包括下述步骤

①对指标进行两两比较和评估，按照1-9标度法确定各基础指标的判断矩阵；

②计算判断矩阵中每行各标度数据的几何平均值，记为w_i′；

③归一化处理，确定指标的权重系数 $w_i=\frac{{w_i}^{\&prime;}}{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w_i}^{\&prime;}}---<3>.$

4)在得到n项基础指标权重系数后，通过对各基础指标x_i聚合，得到电网安全综合指标X：

$X=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\&CenterDot;w_i---<4>.$

实施例

在实际调度系统中，其具体实施步骤如图2所示，首先指标计算模块判断是否到达指定计算周期，如果没有到达，则继续等待，反之，开始发送相应消息号(包含：当前态消息号0，未来态消息号1、风险态消息号2)给各指标计算模块；当任意时刻人工启动指标计算时，立即开始发送消息号。各指标计算模块收到消息后开始进行相应模式的指标计算：1)当前态的指标计算比较简单，只需要获取电网当前数据，便可以完成计算，计算量小，可以在一台机器上完成；2)未来态取未来N时刻点的发电计划数据和负荷预测数据，用来计算未来N时刻点的各基础指标，然后通过权重p_i聚合得到未来态指标。当N个数较多时，其计算量较大，可以考虑在一台机器或多台机器上多进程并行计算；3)风险态分析未来N时刻点的故障风险情况，基于未来电网数据、外部环境和设备的物理特性，计算设备故障概率，筛选严重故障，计算未来N时刻下多场景的基础指标风险值，之后从中选取最大的风险值作为未来某时刻下的风险指标。在得到N个时刻的风险指标后，通过聚合的方式得到风险态指标。由于风险态模式下，需要计算未来多时刻点下多个故障场景的基础指标，其计算量极大，即使N个数较小，严重故障集较少，计算量依然可观，因此采用多台机器并行计算方式。

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 (6)

1.一种电网安全综合指标体系架构方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

1)选取n项电网安全基础指标；

2)构建包含五级指标层的电网安全综合指标体系；

3)用层次分析法计算n项电网安全基础指标在电网安全综合指标下的权重；

4)用基础指标权重聚合电网安全基础指标得到电网安全综合指标。

2.如权利要求1所述的电网安全综合指标体系架构方法，其特征在于，所述步骤2)中，所述包含五级指标层分别为电网综合安全指标层、计及三态指标的基础指标层、三态指标层、未来时刻点指标层和未来时刻点多场景风险指标层。

3.如权利要求2所述的电网安全综合指标体系架构方法，其特征在于，计及三态指标的基础指标层为二级指标层，包含各项电网基础指标，每一项基础指标均包含当前态指标、未来态指标和风险态指标三态指标的聚合叠加；

所述三态指标层为三级指标层，描述电网基础指标在当前态、未来态和风险态下的指标值；所述未来时刻点指标层包含多个未来时刻点的基础指标值和风险指标值；所述未来时刻点多场景风险指标层包含多故障场景下的风险指标。

4.如权利要求3所述的电网安全综合指标体系架构方法，其特征在于，当前态指标描述的是当前状态下电网安全情况，设置每隔周期T从能量管理系统EMS系统中获取实时电网状态量信息和应用模块计算得到的各指标计算结果，得到电网安全基础指标在当前态下的指标值b₁₀,b₂₀,b₃₀,…,b_n0；

未来态指标描述的是当前时刻后N个时刻点电网安全变化趋势情况；基于负荷预测数据及发电计划数据，采用指标计算方法计算未来N个时刻点基础指标值基于负荷预测数据在时间轴上准确性的差异，假设未来时刻1、时刻2、…、时刻N-1和时刻N下的预测精度分别为a₁％,a₂％,…,a_N-1％,a_N％，计算N个时刻点基础指标在未来态指标下的权重p_i：

$p_i=\frac{a_i}{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{a}_i}---<1>;$

式中：a_i为预测精度；i为时刻点；N为时刻总数；

在得到未来N个时刻点在未来态指标下的权重后，通过指标聚合得到未来态指标b_k1，即b₁₁,b₂₁,b₃₁,…,b_n1，表达式如下：

$b_{k1}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{p}_i\&CenterDot;b_{k1}^{\left(i\right)}---<2>;$

式中：为未来N个时刻点基础指标值，k＝1、2、……n；

风险态指标描述的是当前时刻后N个时刻点计及故障风险的电网安全情况；在获取当前时刻后N个时刻点的电网信息后，综合外部环境和设备自身物理特性，分析设备故障概率，确定严重故障集，计算多故障场景电网风险指标。

5.如权利要求1所述的电网安全综合指标体系架构方法，其特征在于，所述步骤3)包括下述步骤：

①对指标进行两两比较和评估，按照1-9标度法确定各基础指标的判断矩阵；

②计算判断矩阵中每行各标度数据的几何平均值，记为w_i′；

③归一化处理，确定指标的权重系数 $w_i=\frac{{w_i}^{\&prime;}}{\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w_i}^{\&prime;}}---<3>.$

6.如权利要求1所述的电网安全综合指标体系架构方法，其特征在于，所述步骤4)中，在得到n项基础指标权重系数后，通过对各基础指标x_i聚合，得到电网安全综合指标X：

$X=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i\&CenterDot;w_i---<4>.$