CN105354756A - 一种冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法 - Google Patents

Abstract

一种冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法，属电网安全分析技术领域。评估方法为:对基于小世界网络的高压输电线路脆弱性分析结果，基于蒙特卡洛天气抽样的高压输电线路冰冻灾害脆弱性分析结果，以及基于专家打分的高压输电线路冰冻灾害脆弱性结果，利用DS证据融合理论进行联合判决，其最终的融合结果作为评定冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合性指标。再根据该指标高低，移除脆弱性较大的线路，计算电力系统失负荷百分比，从而最终确定高压输电线路在冰冻灾害下线路的脆弱性。优点在于：该方法是多种理论或方法结果的融合决策，提高了电网系统在冰冻灾害下对高压输电线路脆弱性评估的准确性，也为高压输电线路巡检提供了有效的依据。

Description

一种冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法

技术领域：

本发明属电网安全分析技术领域，涉及冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法，具体涉及基于电网系统结构脆弱性与冰冻灾害下的高压输电线路脆弱性的综合评估方法。

背景技术：

电力系统是最复杂的人造系统，电能的广泛利用，将人类生活提高到前所未有的高度,开创了近代史上第二次技术革命。然而，大型电力系统大停电事故，甚至是系统崩溃现象频频发生，给人类生产生活造成不必要的损失。纵观近年来的多次大规模停电事故，几乎都是由初始的局部故障演变为雪崩式的级联故障，故障过程具有系列性、随机性以及不可预测性，凸显了现代大型电力系统脆弱的一面。随着研究的深入，人们逐步认识到大停电事故的发生与电网的固有结构特征密不可分。

高压输电线路是电网系统的主体组成部分，其承担着电能的输送的任务，在云贵川地区，高压输电线路更承担着“西电东送”的国家战略任务。因此，保证高压输电线路的安全运行，不仅仅是保护电网系统的安全运行更是保护国家的利益不受损失。但我国的云贵川处于低纬度高海拔地区，其地理环境复杂，气候环境多变。每年冬季，在受北方寒流与南方暖湿气流的影响下，并受微地形和微气候的共同影响形成间歇性的覆冰现象。而严重覆冰过程将导致架空输变电系统金具损坏、导线断股、杆塔折损、绝缘子翻转破裂等机械事故，或是造成绝缘子污闪、舞动闪络、脱冰闪络等电气事故，极大的威胁着电网系统高压输电线网络的正常运行。在2008年1月，我国南方大范围遭遇了有气象记录以来最严重的持续低温雨雪冰冻灾害天气，此次气象灾害对我国西南、华中、华南、华东等地区的电网运行造成了重大危害造成大范围倒塔、断线和闪络。其中贵州、云南等地受灾尤为严重，给国民经济和人民生活造成极大的影响，全国范围10～500kV电网因灾停运电力线路数高达36740条，其中停运500kV线路119条、220kV线路348条、110kV线路888条、10～35kV线路35385条，直接经济损失上千亿元。

近年来，国内外学者们在电网系统高压输电线路结构脆弱性、冰冻灾害下电网系统高压输电线路脆弱性方面进行了大量的研究。

在电网系统高压输电线路结构脆弱性方面，随着1998年Watts和Strogatz提出小世界模型和1999年Barabasi提出无标度模型后,复杂网络理论在电网研究中得到广泛的研究和应用。曹一家，丁明等提出基于节点介数与线路介数的复杂网络模型，通过计算发“电机-负荷”节点的最短路径从而计算节点与线路在最短路径中出现的次数作为节点与线路介数，根据介数的大小来确定其脆弱性程度；刘耀年等提出基于加权的复杂网络模型，通过把线路的阻抗作为网络边的权值，从而计算节点介数与线路介数来确定节点与线路的脆弱程度，更加符合电力系统物理特性；徐林、王秀丽等提出基于电气介数的复杂网络模型，模型考虑了像电气距离，线路传输极限和功率分布等重要的特性，利用电气介数的大小来确定节点与线路的脆弱性程度，该模型比加权的小世界模型更加符合电力系统物理特性；刘文颖等提出基于潮流介数的复杂网络模型，模型考虑了线路中潮流的方向性和实际潮流分布特点，克服了以往(加权)介数指标假设节点间功率按最短路径传输的不足，使其物理背景更加符合电力系统特点，利用潮流介数确定电力系统的脆弱性。

在冰冻灾害下电网系统高压输电线路脆弱性方面，吴晶莹等提出基于蒙特卡洛法对高压线路进行模拟抽样，其方法利用蒙特卡洛算法对不同天气条件下的输电线路进行抽样，根据抽样结果作为高压输电线路的脆弱性指标；王佳明等利用电网具有自组织临界性的特点提出电网临界线路的判断约束标准模型，其预警模型对临界线路集中的长程连接线路进行预警，能为调度员预防连锁故障的发生提供依据；曹然等结合博弈论和协同学概念提出的连锁故障预测方法，该方法将子系统中的多个序参量映射为博弈中的参与人，建立了一种基于协同学的非合作博弈模型；王英英等一种基于图论的模式搜索方法，在供电通道包含的支路中确定初始故障,利用图论方法,搜索下一条可能的开断支路，从而确定连锁故障的演变。

上述在电网系统结构、冰冻灾害下对电网系统高压输电线路的运行脆弱性分析，要么只是单纯的对电网系统结构本身的脆弱性进行分析而没有考虑冰冻灾害的影响，要么只是考虑冰冻灾害的影响而忽略了电网系统本身的结构。实际中，电网系统是一个复杂的人造系统，本身结构具有脆弱性，同时电网系统在正常天气情况下往往不容易发生故障，而在冰冻灾害下发生故障的概率将大大增加。因此，研究电网系统高压输电线路的脆弱性既要考虑电网系统本身结构的脆弱性，也要考虑冰冻灾害下的电网系统高压输电线路脆弱性，要综合利用两者的脆弱性来评估电网系统高压输电线路的脆弱性。

此外，基于上述理论得到的脆弱性结果，往往是基于理想化的参数和环境得到的，因此得到的结果往往与实际情况不同。专家打分系统是基于电力工程人员和电力部门对常年的巡检记录和电网系统运行数据进行分析和总结设计的专家系统，该系统更能代表电网系统实际的运行情况。因此，在考虑了电网系统本身结构的脆弱性和冰冻灾害下的电网系统高压输电线路脆弱性的前提下，再融入电网系统实际的运行情况，将大大提高电网系统在冰冻气象条件下的脆弱性评估精度。

发明内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术之不足，而提供一种冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法。

本发明所采用的技术方案是：对基于小世界网络的高压输电线路脆弱性分析结果，基于蒙特卡洛天气抽样的高压输电线路冰冻灾害脆弱性分析结果，以及基于专家打分的高压输电线路冰冻灾害脆弱性结果，利用DS证据融合理论进行联合判决，用最终的融合结果作为评定冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合性指标；再根据该指标高低，移除脆弱性较大的线路，计算电力系统失负荷百分比，从而最终确定电网系统高压输电线路在冰冻灾害下线路的脆弱性；具体步骤如下：

步骤1：根据DS证据理论，建立包含电网系统的每条高压输电线路冰冻灾害脆弱性的分析架构；

步骤2：基于小世界网络的高压输电线路脆弱性分析结果作为证据1的基本概率赋值，基于蒙特卡洛天气抽样的高压输电线路冰冻灾害脆弱性分析结果作为证据2的基本概率赋值，基于专家打分的高压输电线路冰冻灾害脆弱性结果作为证据3的基本概率赋值；

步骤3：基于DS证据理论合成规则，对步骤2所得的证据1、证据2、证据3的基本概率赋值进行合成融合得到最终基本概率赋值；

步骤4：依据步骤3所得结果，利用冒泡排序辨识出高压输电线路脆弱性综合指标大小；

步骤5：依据步骤4所得的结果，依次分别移除脆弱性较大的高压输电线路，计算电力系统失负荷比例，依据电力系统失负荷比例的大小作为电网系统高压输电线路巡检的优先度。

上述所述步骤2应包括以下实现过程：

步骤2.1：利用基于小世界网络的高压输电线路脆弱性分析理论计算电网系统中每条高压输电线路的潮流介数，其结果作为每条高压输电线路的脆弱性指标；

步骤2.2：依据步骤2.1的结果，对电网系统的每条高压输电线路的潮流介数结果进行归一化处理，并且满足所有高压输电线路的潮流介数归一化结果之和等于1，其归一化处理后的结果作为DS证据理论中证据1的基本概率赋值；

步骤2.3：利用基于蒙特卡洛天气抽样的高压输电线路冰冻灾害脆弱性分析理论计算电网系统中每条高压输电线路在冰冻灾害下的故障次数，其结果作为每条高压输电线路的脆弱性指标；

步骤2.4：依据步骤2.3的结果，对电网系统的每条高压输电线路的故障次数结果进行归一化处理，并且满足所有高压输电线路的故障次数归一化结果之和等于1，其归一化处理后的结果作为DS证据理论中证据2的基本概率赋值；

步骤2.5：利用专家打分系统为电网系统中的每条高压输电线路做出重要度评定，并且满足所有高压输电线路的重要度评定结果之和等于1，其结果作为DS证据理论中证据3的基本概率赋值。

上述所述步骤3应包括以下实现过程：

步骤3.1：根据DS证据理论合成规则对步骤2所得证据1、证据2、证据3的基本概率赋值进行合成融合得到最终融合后的基本概率赋值；

步骤3.2：最终融合后的基本概率赋值作为冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合性指标。

上述所述步骤4应包括以下实现过程：

步骤4.1：依据步骤3所得到的结果，利用冒泡排序方式对最终合成的基本概率赋值进行排序；

步骤4.2：根据步骤4.1所得结果，得到电网系统中每条高压输电线路在电网系统中的脆弱程度大小。

上述所述步骤5应包括以下实现过程：

步骤5.1：依据步骤4得到的高压输电线路脆弱性综合性指标大小，依次分别移除脆弱性较大的高压输电线路，计算电力系统失负荷比例；

步骤5.2：依据步骤5.1所得电力系统失负荷比例的大小作为电网系统高压输电线路巡检的优先度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.与现有的电网系统高压输电线路脆弱性评估相比，本方法对基于小世界网络的高压输电线路脆弱性分析结果，基于蒙特卡洛天气抽样的高压输电线路冰冻灾害脆弱性分析结果，以及基于专家打分的高压输电线路冰冻灾害脆弱性结果，利用DS证据融合理论进行联合判决，用最终的融合结果作为评定冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合性指标。再根据该指标高低，移除脆弱性较大的线路，计算电力系统失负荷百分比，从而最终确定电网系统高压输电线路在冰冻灾害下线路的脆弱性。使得最终所求结果不仅考虑了天气因素同时考虑了电网系统本身结构特性与电网系统的实际运行情况，更加符合实际电网系统。同时结果不仅仅只依靠某一种理论或方法所得的脆弱性结果来判定电网系统高压输电线路的脆弱性，而是多种理论或方法结果的融合决策，提高了判定的准确性和容错性。

2.通过依次分别移除脆弱性较大的高压输电线路后，计算电力系统失负荷比例，其结果更加直观的表现出移除的高压输电线路在电网系统中的重要程度。因此依据电力系统失负荷比例的大小作为电网系统高压输电线路巡检的优先度，符合保证电网系统有效运行的实际，能为电力巡检提供有效依据。

附图说明：

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式：

本实施例的冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法同发明内容部分所述。

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本发明的冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法，具体过程如下：

根据复杂网络理论，确定电力系统的拓扑结构。具体为读入发电机节点、线路的始末节点，变压器节点、负荷节点和线路信息，将变压器支路转换为线路，合并多回路；确定拓扑模型的边，形成拓扑图的关联矩阵；对于每台发电机，搜索与之相对应的节点，确定网络中的电源节点；搜索度数为1的非电源节点，确定网络的终端节点，确定网络中的联络节点。

把网络中的节点分为发电、负荷和联络节点三类，线路_n的潮流介数如式1所示：

$P_f\left(n\right)=\underset{i\∈G,j\∈L}{\Σ}\sqrt{W_i{W}_j}{P}_{ij}\left(n\right)---\left(1\right)$

式中G为发电机节点集合；L为负荷节点集合,(i,j)为所有“发电-负荷”节点对；W_i为发电节点的权重，取发电机额定容量或实际出力,W_j为负荷节点的权重，取实际或峰值负荷,P_ij(n)为(i,j)输电路径中线路n上流过的有功功率,支路i的注入功率在支路j中的分配比例K_ij如式2所示:

$K_{ij}=\frac{P_{jo}}{\underset{j=1}{\overset{N}{\Σ}}{P}_{jo}}---\left(2\right)$

其中P_jo为第j条支路流出的有功功率，N为与节点A相关联流出功率支路数。沿着供电路径，从发电机节点出发，根据分流比例因子计算各支路的功率分配额,如式3所示：

P_ij＝K_ijP_Ii(3)

其中P_Ii为第i条支路注入的有功功率。

对注入支路j的功率分配额做加权求和，即得到该支路的潮流介数P_f，对每条支路的潮流介数进行归一化处理,如式4所示：

$P_f=p_i/\underset{i\∈G}{\Σ}{p}_i---\left(4\right)$

其中G为线路集合。其结果作为证据1的基本概率赋值。

依据蒙特卡洛算法分别进行覆冰类型抽样和线路脆弱性抽样。覆冰类型抽样：根据i种覆冰类型的概率构建离散型分布函数,如式5所示：

$F\left(x\right)=\underset{x<i}{\&Sigma;}{B}_i---\left(5\right)$

抽取[0,1]区间均匀分布的随机数ν，当满足式6所示的条件时，则取当前i值，确定当前为第i种天气类型出现，B_i为第i类气候出现的概率。

F(i-1)＜ν≤F(i)(6)

线路脆弱性抽样：抽取[0,1]区间均匀分布的随机数ν，令ν与某线路不可用度U_i做比较：若ν≤U_i，则判断该线路因覆冰因素出现故障；若ν＞U_i，则判断该线路在该情况下正常工作，转向下一条线路进行抽样，直到所有线路检查完毕；其中U_i的计算如式7所示：

U_i＝λ_iX_i/(λ_iX_i+μ_i)(7)

其中X_i是各分段占线路总长百分数，μ_i为某段线路的修复率，它与线路修复时间r_i的关系为如式8所示：

r_i＝1/μ_i(8)

λ_i为在第i类气候条件下的故障率，计算公式如式9所示：

λ_i＝λA_i/B_iλ_i(9)

其中λ为年平均故障率，A_i为第i类气候下出现的故障占总故障次数的比例，B_i为第i类气候出现的概率，A_i和B_i都由统计资料获得，根据所得结果统计每条线路出现故障的次数作为其脆弱性指标u_j，对其结果利用进行归一化处理，如式10所示，其结果作为证据2的基本概率赋值，其中G为线路集合。

$u_j=u_j/\underset{j\&Element;G}{\&Sigma;}{u}_j---\left(10\right)$

基于专家打分系统，依据电力系统运行情况和冰冻气象条件下的运行情况，综合评判出每条线路的重要程度D_i，并且满足式11所示，其中G为线路集合。

$\underset{i\&Element;G}{\&Sigma;}{D}_i=1---\left(11\right)$

P_f组成证据1的基本概率赋值m₁，u_j组成证据2的基本概率赋值m₂，D_i组成证据3的基本概率赋值m₃，依据DS证据合成原则，如式12所示：

对上述三组证据进行合成，其最终结果作为每条线路的关键性指标，并利用冒泡法对其进行排序；

根据所得的关键线路结果，移除关键线路，计算电力系统的失负荷百分比L_cut，如式13所示：

$L_{cut}=(\underset{j\&Element;G_1}{\&Sigma;}{L}_j/\underset{k\&Element;G_0}{\&Sigma;}{L}_k)\&times;100\%---\left(13\right)$

其中G₁为失效线路集合，其中G₀为所有输电线路集合，L为输电线路负荷。

所得电力系统失负荷比例的大小作为电网系统高压输电线路巡检的优先度。

本发明方法实际应用表明：电网系统在冰冻灾害下对高压输电线路脆弱性评估的准确性高，且为高压输电线路巡检提供了有效的依据。

Claims (5)

1.一种冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法，其特征在于：该方法对基于小世界网络的高压输电线路脆弱性分析结果，基于蒙特卡洛天气抽样的高压输电线路冰冻灾害脆弱性分析结果，以及基于专家打分的高压输电线路冰冻灾害脆弱性结果，利用DS证据融合理论进行联合判决，用最终的融合结果作为评定冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合性指标；再根据该指标高低，移除脆弱性较大的线路，计算电力系统失负荷百分比，从而最终确定电网系统高压输电线路在冰冻灾害下的脆弱性；具体步骤如下：

步骤1：根据DS证据理论，建立包含电网系统的每条高压输电线路冰冻灾害脆弱性的分析架构；

步骤2：基于小世界网络的高压输电线路脆弱性分析结果作为证据1的基本概率赋值，基于蒙特卡洛天气抽样的高压输电线路冰冻灾害脆弱性分析结果作为证据2的基本概率赋值，基于专家打分的高压输电线路冰冻灾害脆弱性结果作为证据3的基本概率赋值；

步骤3：基于DS证据理论合成规则，对步骤2所得的证据1、证据2、证据3的基本概率赋值进行合成融合得到最终基本概率赋值；

步骤4：依据步骤3所得结果，利用冒泡排序辨识出高压输电线路脆弱性综合指标大小；

步骤5：依据步骤4所得的结果，依次分别移除脆弱性较大的高压输电线路，计算电力系统失负荷比例，依据电力系统失负荷比例的大小作为电网系统高压输电线路巡检的优先度。

2.根据权利要求1所述的一种冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法，其特征在于所述步骤2应包括以下实现过程：

步骤2.1：利用基于小世界网络的高压输电线路脆弱性分析理论计算电网系统中每条高压输电线路的潮流介数，其结果作为每条高压输电线路的脆弱性指标；

步骤2.2：依据步骤2.1的结果，对电网系统的每条高压输电线路的潮流介数结果进行归一化处理，并且满足所有高压输电线路的潮流介数归一化结果之和等于1，其归一化处理后的结果作为DS证据理论中证据1的基本概率赋值；

步骤2.3：利用基于蒙特卡洛天气抽样的高压输电线路冰冻灾害脆弱性分析理论计算电网系统中每条高压输电线路在冰冻灾害下的故障次数，其结果作为每条高压输电线路的脆弱性指标；

步骤2.4：依据步骤2.3的结果，对电网系统的每条高压输电线路的故障次数结果进行归一化处理，并且满足所有高压输电线路的故障次数归一化结果之和等于1，其归一化处理后的结果作为DS证据理论中证据2的基本概率赋值；

步骤2.5：利用专家打分系统为电网系统中的每条高压输电线路做出重要度评定，并且满足所有高压输电线路的重要度评定结果之和等于1，其结果作为DS证据理论中证据3的基本概率赋值。

3.根据权利要求1所述的一种冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法，其特征在于所述步骤3应包括以下实现过程：

步骤3.1：根据DS证据理论合成规则对步骤2所得证据1、证据2、证据3的基本概率赋值进行合成融合得到最终融合后的基本概率赋值；

步骤3.2：最终融合后的基本概率赋值作为冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合性指标。

4.根据权利要求1所述的一种冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法，其特征在于所述步骤4应包括以下实现过程：

步骤4.1：依据步骤3所得到的结果，利用冒泡排序方式对最终合成的基本概率赋值进行排序；

步骤4.2：根据步骤4.1所得结果，得到电网系统中每条高压输电线路在电网系统中的脆弱程度大小。

5.根据权利要求1所述的一种冰冻灾害下高压输电线路脆弱性的综合评估方法，其特征在于所述步骤5应包括以下实现过程：

步骤5.1：依据步骤4得到的高压输电线路脆弱性综合性指标大小，依次分别移除脆弱性较大的高压输电线路，计算电力系统失负荷比例；

步骤5.2：依据步骤5.1所得电力系统失负荷比例的大小作为电网系统高压输电线路巡检的优先度。