CN105391052A - 一种电网畅通性评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网畅通性评价方法，涉及电网规划评估领域。该方法明确了电能传输路径、电气路径距离以及路径裕度的概念，采用上行潮流追踪算法解析电网发电-负荷节点对之间的电能传输路径，在此基础上，提出了从电网连通性、支路裕度以及电能传输效率3个角度评价电网畅通性的方法。畅通度高的电网连通性好，裕度大且传输效率高，为量化评价电网规划方案的优劣提供了新的途径，具有很好的实用价值。

Description

一种电网畅通性评价方法

技术领域

本发明属于电网规划评估领域，具体涉及一种电网畅通性评价方法。

背景技术

随着特高压电网建设，区域电网间的互联与耦合越来越强，电网规模不断增大，电网形态更加复杂。建立详细的特高压交直流大规模互联电网模型并进行实时仿真计算，计算量过大甚至可能无法进行计算。电网最重要的功能是把发电厂发出的电能安全、高效地传输到用户，利用复杂网络理论从总体上分析电网传输电能的畅通度，可以给电网规划和运行人员提供一种把握电网性能的新视角。电网的畅通性关心的是电能从发电厂到用户的可达程度以及传输的畅通程度。电网的畅通性评估，不仅能反映电网传输电能的效率，还能一定程度上评估电网对事故的抵抗能力，但当前鲜有对电网电能传输畅通性的研究。

中国科学技术大学出版社出版的《图论及其算法》(作者：王树禾)一书介绍了无向图的连通性概念，即无向图中任意两个节点是连通的，则认为该图是连通图，否则是非连通图。该定义根据网络拓扑结构表征网络中节点间的连接关系。从网络拓扑结构的观点出发，电网的电能输送是确保发电机节点与负荷节点的可到达性，与描述普通网络中所有节点间的连通程度的连通性概念不完全相同。对于通过一条联络线连接的电网两个子系统，若联络线断开，整个电网是非连通的，但两个子系统内部可以通过启停机实现发电与负荷的再平衡，整个电网的供电能力并没有损失，因此，传统的连通性定义不能有效地反映电网畅通程度。

电网更注重的是电能从电源节点到负荷节点间的可达性，负荷能否从最优的路径获取电能，以及输送电能的路径的容量是否足够和畅通，即电网畅通性主要考察如下三个方面：电源节点到负荷节点的电能传输路径是否存在；电源节点到负荷节点的电能传输路径的长短；电能传输路径的传输容量。传统的电网复杂网络模型假设电能沿“最短路径”传输，尽管“最短路径”的定义从任意2个节点间最少边数发展到2个节点间线路电抗值之和最小，但与电网实际情况仍有差距。

电能在电网中的传输遵守基尔霍夫定律，传输路径(由节点和支路构成)是有容量限制的，并且电能在传输过程中将产生损耗，因此，不能简单地把从图论和信息科学中发展而来的复杂网络模型直接用于电网。电网中电源节点和负荷节点之间通过支路相连通的实际电能传输路径、路径的电气距离、路径的传输能力是电网最基本的物理特性。将电源-负荷节点对之间传输电能的路径及路径的电气距离、传输功率和传输能力等属性反映在所建立的电网复杂网络模型中，使建立的模型能够考虑到电网的物理特性及运行约束，进而能对电网的畅通性进行分析。

层次分析法是将与决策有关的元素分解成目标、准则、方案等层次，在此基础之上进行定性和定量分析的决策方法，该方法是美国运筹学家萨蒂应用网络系统理论和多目标综合评价方法提出的一种层次权重决策分析方法。文献《Quantifyingelectricpowerqualityviafuzzymodellingandanalytichierarchyprocessing》(作者：FarghalSA，KandilMS，ElmitwallyA；来源：IEEProceedings-Generation，TransmissionandDistribution，2002，149(1)：44-49)给出了基于层次分析法的权重计算方法，通过对各指标之间进行两两对比之后，按9分位比率排定各评价指标的相对优劣顺序，依次构造出评价指标的判断矩阵，利用几何平均法或规范列平均法计算得到各指标的权重系数。

发明内容

本发明的目的是提供一种电网畅通性评价方法。该方法明确了电能传输路径、电气路径距离以及路径裕度的概念，采用上行潮流追踪算法解析电网发电-负荷节点对之间的电能传输路径，在此基础上，提出了从电网连通性、支路裕度以及电能传输效率3个角度评价电网畅通性的方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电网畅通性评价方法，该方法在有N个节点的电网中评价电网的畅通性，具体步骤如下：

a、计算电网潮流并进行无损等效，即假设线路上传输的潮流是线路两端发送和接受潮流的平均值，并把潮流损失当作负荷平均分配到线路的两端；采用上行潮流追踪算法，按下列步骤解析电网的电能传输路径，电能传输路径是指连接某一发电节点与某一负荷节点的由一条支路或多条首尾相连的支路组成的电能传输通道：

计算第i个节点的注入功率P_i：

$P_i=\underset{j\∈{\mathrm{\α}}_i^{\left(u\right)}}{\Σ}\left|P_{i-j}\right|+P_{Gi},\left(i=1,2,3,\mathrm{...},N\right)$

其中，是给节点i供电的节点集合(相应线路的潮流流向节点i)，P_i-j是支路j-i流入节点i的潮流，P_Gi是节点i的发电功率，无损等效后，|P_j-i|＝|P_i-j|，记c_ji＝|P_j-i|/P_j，则上式可表示为：

$P_i-\underset{j\∈{\mathrm{\α}}_i^{\left(u\right)}}{\Σ}{c}_{ji}{P}_j=P_{Gi}$ 或A_uP＝P_G

其中，A_u是n×n的上行潮流分布矩阵，P是各节点的注入功率向量，P_G是节点发电功率向量，A_u的第(i，j)元素为：

矩阵A_u的第i行记录向节点i供电的节点及供电比例，若节点j不向节点i供电，则第(i，j)元素为0，从而可以解析出电网中的电能传输路径以及各电能传输路径传输的功率；

b、计算电网的电能传输路径数指标N_path，即电网电能传输路径总数；

c、计算电网的路径平均裕度指标M_avr，即电网所有电能传输路径的路径裕度的平均值：

$M_{avr}=\frac{\underset{k=1}{\overset{N_{path}}{\Σ}}{M}_k}{N_{path}}$

其中，M_k为第k条电能传输路径的路径裕度，电能传输路径的路径裕度是指路径各组成支路传输极限与其实际功率的差值的最小值；

d、计算电网的电能传输效率指标E_grid：

$E_{grid}=\frac{N_{path}\·P_{load}}{\underset{k=1}{\overset{N_{path}}{\Σ}}{w}_k{D}_k}$

其中，P_load为电网所有负荷功率之和，D_k为所有电能传输路径的电气路径距离，电气路径距离是指电能传输路径各支路的电气距离之和，电气距离为该支路的阻抗；w_k为权重系数；

$w_k=\frac{P_{path}^k}{\underset{i=1}{\overset{N_{path}}{\Σ}}{P}_{path}^i},(k=1,2,3,...,N_{path})$

其中，为第k条电能传输路径的传输功率；

e、对电能传输路径数、路径平均裕度和电能传输效率3个指标分别进行标幺化，每个指标的基准值均为该指标所有计算结果的最大值；

f、采用层次分析法计算电能传输路径数、路径平均裕度和电能传输效率3个指标的权重系数，分别为w₁，w₂，w₃；

g、计算电网畅通性指标S_g：

S_g＝w₁N_path+w₂M_avr+w₃E_grid

其中，N_path、M_avr、E_grid均为标幺值，每个指标的基准值均为该指标所有计算结果的最大值；

h、电网畅通性指标S_g的值越大表示电网畅通性越好。

与现有技术相比，本发明的优点是：提出了电网畅通性评价方法，能综合考虑电网连通性、支路裕度以及电能传输效率。畅通度高的电网连通性好，裕度大且传输效率高，对量化评价电网规划方案的优劣提供了新的途径，具有很好的实用价值。

附图说明

图1是巴西南部46节点系统。

图2是巴西南部46节点系统的两种规划扩建方案，即方案0和方案1。

具体实施方式

为了便于技术人员理解和实现本发明，现结合附图描述本发明的实施例。图1所示巴西南部46节点系统(SouthernBrazilian46-busnetwork)是国际通用的输电规划测试系统，图2所示的该系统两种规划扩建方案，虚线标识的路径为扩建的线路路径，其中方案0和方案1均有46个节点。实现本发明的具体实施步骤如下：

1、采用专业计算软件计算电网潮流并进行无损等效，采用上行潮流追踪算法解析电网的电能传输路径；

2、计算电能传输路径数、路径平均裕度和电能传输效率3个指标并进行标幺化，结果如下：

3、采用层次分析法计算电能传输路径数、路径平均裕度和电能传输效率3个指标的权重系数。建立电能传输路径数、路径平均裕度和电能传输效率的两两判断矩阵，如下式所示。

$A_{smooth}=\left[\begin{array}{ccc}1& 1/2& 1/3\\ 2& 1& 1/2\\ 3& 2& 1\end{array}\right]$

计算得到3个指标权重系数分别为0.1638，0.2973，0.5390。

4、计算3个指标的加权和得到两个方案的畅通性指标，分别为0.9551和0.7002，因此方案0的畅通性优于方案1。

本发明方法不受具体电网以及电网节点和支路规模的限制。

本文中所描述的有关方法步骤和数据只是本发明专利的具体实施例，是对本发明专利精神作的总体阐释和举例说明，本发明专利所属领域的技术人员还可意识到可选的实施例的多种可能性，在本发明的精神和原理启发下，作各种修改、补充、改进或类似替代，例如在步骤a中采用不同的潮流计算软件，或在步骤d中采用不同的权重系数，或在步骤f中采用不同的权重系数计算方法。可以理解的是，这些修改、补充、改进或替代将被认为是包括在本发明中，而并不会偏离本发明专利的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种电网畅通性评价方法，其特征在于，该方法在有N个节点的电网中评价电网的畅通性，具体步骤如下：

a、计算电网潮流并进行无损等效，即假设线路上传输的潮流是线路两端发送和接受潮流的平均值，并把潮流损失当作负荷平均分配到线路的两端；采用上行潮流追踪算法，按下列步骤解析电网的电能传输路径，电能传输路径是指连接某一发电节点与某一负荷节点的由一条支路或多条首尾相连的支路组成的电能传输通道：

计算第i个节点的注入功率P_i：

$P_i=\underset{j\∈{\mathrm{\α}}_i^{\left(u\right)}}{\Σ}\left|P_{i-j}\right|+P_{Gi},(i=1,2,3,...,N)$

其中，是给节点i供电的节点集合，P_i-j是支路j-i流入节点i的潮流，P_Gi是节点i的发电功率，无损等效后，|P_j-i|＝|P_i-j|，记c_ji＝|P_j-i|/P_j，则上式可表示为：

$P_i-\underset{j\∈{\mathrm{\α}}_i^{\left(u\right)}}{\Σ}{c}_{ji}{P}_j=P_{Gi}$ 或A_uP＝P_G

其中，A_u是n×n的上行潮流分布矩阵，P是各节点的注入功率向量，P_G是节点发电功率向量，A_u的第(i，j)元素为：

矩阵A_u的第i行记录向节点i供电的节点及供电比例，若节点j不向节点i供电，则第(i，j)元素为0，从而可以解析出电网中的电能传输路径以及各电能传输路径传输的功率；

b、计算电网的电能传输路径数指标N_path，即电网电能传输路径总数；

c、计算电网的路径平均裕度指标M_avr：

$M_{avr}=\frac{\underset{k=1}{\overset{N_{path}}{\Σ}}{M}_k}{N_{path}}$

其中，M_k为第k条电能传输路径的路径裕度，电能传输路径的路径裕度是指路径各组成支路传输极限与其实际功率的差值的最小值；

d、计算电网的电能传输效率指标E_grid：

$E_{grid}=\frac{N_{path}\·P_{load}}{\underset{k=1}{\overset{N_{path}}{\Σ}}{w}_k{D}_k}$

其中，P_load为电网所有负荷功率之和，D_k为所有电能传输路径的电气路径距离，电气路径距离是指电能传输路径各支路的电气距离之和，电气距离取该支路的阻抗；w_k为权重系数；

$w_k=\frac{P_{path}^k}{\underset{i=1}{\overset{N_{path}}{\Σ}}{P}_{path}^i},(k=1,2,3,...,N_{path})$

其中，为第k条电能传输路径的传输功率；

e、对电能传输路径数、路径平均裕度和电能传输效率3个指标分别进行标幺化，每个指标的基准值均为该指标所有计算结果的最大值；

f、采用层次分析法计算电能传输路径数、路径平均裕度和电能传输效率3个指标的权重系数，分别为w₁，w₂，w₃；

g、计算电网畅通性指标S_g：

S_g＝w₁N_path+w₂M_avr+w₃E_grid

其中，N_path、M_avr、E_grid均为标幺值，每个指标的基准值均为该指标所有计算结果的最大值；

h、电网畅通性指标S_g的值越大表示电网畅通性越好。