CN106058865A - 一种电网节点电压暂降的风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网节点电压暂降的风险评估方法，基于计算机模型模拟电网可能发生的短路故障，并仿真短路故障对电网造成的影响，通过模拟随机发生的各种类型、位置的短路故障，并获得区域电网在大量随机故障发生下的电压暂降统计情况，对区域电网内的各节点进行评估，分析各节点发生短路性电压暂降的风险情况。与传统的实测统计方法相比，本发明方法基于随机预估法，可以有效防止实测统计法耗费大量人力物力且避免原始数据不足的问题，有利于电网分析各节点发生电压暂降的风险，对于提高电网电能质量、防范电压暂降问题具有重要价值。

Description

一种电网节点电压暂降的风险评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统运行仿真评估领域，具体而言涉及到运用随机预估法中的蒙特卡洛法仿真电网随机短路故障，并以此评估电网节点电压暂降风险的方法。

背景技术

近年来，科学技术进步推动工业设备的革新，大量变频调速设备、自动生产线等设备被运用于社会生产。现代负荷对电能质量很敏感，一旦出现电压暂降将造成其功能失效，导致产品质量下降，使企业蒙受重大经济损失。电压暂降的发生有很多原因，短路故障、感应电机启动、操作刀闸等均会导致电压暂降，短路故障是引起电压暂降的主要因素，大量短路故障会引起多次电压暂降，导致用户损失。单次短路故障存在一定的偶然性，不能全面表现短路故障所引起的电压暂降对电网内节点的影响。因此，需要对各种位置可能发生的短路故障进行充分统计，消除单次故障仿真的偶然性，模拟短路故障发生时电网各节点出现的电压暂降情况。

传统的实测统计方法耗费大量人力物力且容易造成原始数据不足。随机预估法是将故障的发生视为随机事件，通过建立数学模型从理论上预估由故障导致的电压暂降及其统计特征。蒙特卡洛法是基于概率和统计理论的一种随机预估方法。蒙特卡洛法的优点在于能反映系统的随机特性，可以克服实测法置信度不高、局限性大、耗时长、投入费用高等缺陷，因此随机预估法比实测统计法得到的结果更为科学合理。运用随机预估法解决电压暂降问题对于改善供电质量、减少电压暂降造成的社会损失、提高电网的可靠性具有重要价值。

发明内容

发明目的：为了评估电网内各节点由短路故障引起电压暂降的风险，本发明基于蒙特卡洛仿真，提出了一种电网节点电压暂降的风险评估方法，通过大量随机仿真短路故障实现对电网各节点电压暂降风险的统计分析，从而评估电网内各节点电压暂降风险程度，有利于针对性采取电压暂降防范措施，提高电力系统的供电质量。

技术方案：为实现上述目的，本发明中电网节点电压暂降的风险评估方法包括以下步骤：

(1)选定故障线路、故障位置、故障类型作为随机变量。

故障线路对节点导纳矩阵的贡献用矩阵y表示，为保持原系统网络不变，并联负阻抗支路-y。设I^eq为故障发生前电力系统诺顿等值电流源电流，为故障发生前电力系统诺顿等值电流源导纳，单独分析故障线路，故障后其对节点导纳矩阵的贡献用矩阵Y_f表示。下面以某支路发生短路故障为例具体分析：

支路(i,j)对节点导纳矩阵的贡献：

$-y=-\left[\begin{array}{cc}{y}_{ij}& -y_{ij}\\ -y_{ij}& y_{ij}\end{array}\right]$

故障后该支路对节点导纳矩阵的贡献：

$Y_S=\left[\begin{array}{ccc}{y}_{ik}& & -y_{ik}\\ & y_{jk}& -y_{jk}\\ -y_{ik}& -y_{jk}& y_{\Σ}\end{array}\right]$

星网变换消去节点k，得到节点i，j向支路看去的等值导纳：

$Y_f=\left[\begin{array}{cc}{Y}_{ii}& Y_{ij}\\ Y_{ji}& Y_{jj}\end{array}\right]$

其中，

电网节点导纳矩阵受影响的部分可表示为：

ΔY_f＝-y+Y_f

模拟短路故障接入的补偿支路电流为：

$\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I_f}={\mathrm{\ΔY}}_f{(Y_{eq}+{\mathrm{\ΔY}}_f)}^{-1}{\stackrel{\·}{I_{eq}}}^{\left(0\right)}$

其中，

得到故障后电网各节点电压的解析式为：

$\stackrel{\·}{V}={\stackrel{\·}{V}}^{\left(0\right)}-Z_f\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{I_f}{\stackrel{\·}{V}}^{\left(0\right)}-Z_f\[{\mathrm{\ΔY}}_f{(Y_{eq}+{\mathrm{\ΔY}}_f)}^{-1}{\stackrel{\·}{I_{eq}}}^{\left(0\right)}\]$

令L_ij为节点i，j间线路的长度，变量λ为故障点到节点i的距离，故障点到节点j的距离为L_ij-λ，z为线路单位长度阻抗值，故障接地点为k，则节点i与故障接地点k间的导纳为：y_ik＝(λz)^-1，节点j与故障接地点k间的导纳：y_jk＝[(L_ij-λ)z]^-1

把y_ik和y_jk代入节点电压解析式，则线路L_ij上任一节点x电压V_x可表示为：

$V_x={V_x}^{\left(0\right)}-f(\frac{1}{\mathrm{\λ}},\frac{1}{L_{ij}-\mathrm{\λ}})$

可知影响节点电压的因素有：线路(一般与长度L_ij有关)、短路点位置(即变量λ)、短路类型，因此将短路发生的故障线路、故障位置、故障类型等作为纳入蒙特卡洛法考虑的随机变量。

令线路L_ij发生短路概率为P(L_ij)，故障参数往往是随机的，其概率用P(X)表示，其中X表示不同的故障类型，则节点x处电压V_x的概率P(V_x)可表示为线路短路概率P(L_ij)、短路故障类型概率P(X)、以及节点电压条件概率P(V_x|X,L_ij)的乘积和：

P(V_x)＝∑P(V_x|X,L_ij)P(X)P(L_ij)

(2)基于蒙特卡洛仿真按照预先设定的次数N分别对步骤(1)中已选定的随机变量进行随机抽样，具体随机抽样过程如下：

a)短路故障线路选定

基于各段线路的长度占线路总长的比例作为该段线路发生故障的概率，即：

$P_{l_n}=\frac{l_n}{{\Σ}_1^N{l}_i}$

其中，l_n为第n条线路长度，即为从第1条至第N条线路总长度。

令设生成随机数t1～(0,1)，则：

取当前计算机系统的时间作为随机数种子，使结果具有随机性，生成[0,1]的任一双精度小数。将线路原始参数中各线路的电抗值读入并转化为数值形式存储在数组中，统计出所有线路电抗值之和，算出各线路概率区间上下限，形成具有N+1元素的数组。在每次随机抽样(程序循环)中生成一个随机数t1，通过比较随机数t1与任一区间上下限的大小关系即可确定故障线路，对于每条线路，都以接地点作为起始点，因此，当满足Θ_m-1≤t1＜Θ_m时则认为随机故障发生在第m条线路上。

b)短路故障位置选定

认为故障线路内各点发生故障的概率均相同，即从线路首端至线路尾端，各位置发生短路故障的概率满足均匀分布，设表示故障位置的变量为从线路首端至故障位置长度占线路总长百分比；在每次随机抽样中，取当前计算机系统的时间作为随机数种子，随机生成是(0,1)区间的两位小数t3，随机数t3表示从线路首端至故障位置长度占线路总长百分比，采用随机数语句实现。

c)短路故障类型选定

短路故障主要有单相接地短路(A、B、C相)、两相接地短路(AB、AC、BC相)、两相短路(AB、AC、BC相)以及三相短路、三相接地短路共11种情况，对于不同故障类型一般有不同的故障概率，可以参照历史数据或采用经验值，并生成故障类型的概率区间；为了表示不同故障发生的概率不同，依然采用上述方式，即生成0-1之间的数据区间表示不同故障类型的概率区间，随机生成[0,1]的任一双精度小数，判断该小数位于哪一个区间即可表示故障生成类型。

(3)将随机故障下各节点A、B、C三相故障前电压、故障后电压以及各相电压变化量等信息进行处理，计算出各节点电压暂降程度，并以百分比表示。通过统计多次仿真得出各节点受到随机故障影响的电压下降幅度百分比分布情况，可得电网内各节点受短路故障影响的电压暂降风险程度。

具体步骤如下，首先针对N次随机故障下各节点三相故障前电压、故障后电压以及各相电压变化量进行处理，找出单次随机故障下该节点A、B、C三相中电压下降幅度最高的一相，并将该相数值作为反映该节点电压下降幅度的特征量进行存储，得到该节点多次随机故障电压暂降特征量。随后依照电压下降幅度的百分比等间隔划分区间，并对该节点N个电压暂降特征量进行统计，统计出各区间内的频数、频率等参数，并输出数据。依据N次随机故障下各节点电压下降幅度统计，基于电压暂降定义可以对全网内所有节点在N次随机故障下出现电压暂降的次数做出累计，据此对全网节点进行排序，判断网内各节点电压暂降风险程度并进行分级。

通过图形程序框架编程实现数据统计图表的输出，可以直观判断该节点受到电压暂降的影响程度，系统中多个节点也可进行比较，由此判断哪些节点受网内随机故障引起的电压暂降影响较大，便于对敏感节点采取措施。

有益效果：本发明中电网节点电压暂降的风险评估方法通过选取短路故障的几种影响因素故障类型、线路、位置作为随机变量，基于蒙特卡洛法实现大量随机故障的仿真，统计在多次随机短路故障下，各节点电压下降幅度的频率分布，从而定量评估电网内各节点电压暂降的风险，具有较高的实践性；免除了实测统计法耗费大量人力物力的缺点，节约了成本，具有较高的经济性。可基于历史数据对故障发生概率以及发生位置进行相应的仿真，使得仿真出短路故障概率更加贴近实际情况，对于电网电压暂降的预防及节点电压暂降风险评估具有较好的增益效果。

附图说明

图1为本发明中电网节点电压暂降风险评估方法的流程图；

图2为运用本发明的评估方法得到的IEEE-14网络8号节点电压下降幅度柱状统计图；

图3为运用本发明的评估方法得到的IEEE-118网络87号节点电压下降幅度统计图；

图4为运用本发明的评估方法得到的IEEE-118网络86号节点电压下降幅度折线统计图。

具体实施方式

下面结合实施案例对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，本发明中电网节点电压暂降风险评估方法首先结合网络参数，生成含大量随机故障的故障列表，并读入短路故障计算程序中，运算短路故障，输出各短路故障发生后各节点的电压下降情况，并进行统计；统计各节点发生不同电压下降幅度的概率，针对单个节点电压下降幅度的不同进行概率统计并绘制柱状图及折线图；根据电网内所有节点发生电压暂降的概率大小进行排序，并输出统计结果。

(1)IEEE-14节点网络

采用IEEE-14节点网络，随机生成10000次随机故障，编程计算各节点各相电压暂降概率如表1，进行统计排序并通过程序绘图输出节点电压下降幅度概率如图2。

表1IEEE-14网络10000次随机故障节点电压暂降次数统计结果

受篇幅所限未将所有节点列出，各节点的多次随机故障下发生电压暂降概率较小，大部分节点在随机短路故障发生情况下电压下降的幅值并不大，基本保持在0％～5％之间，但有少部分节点电压下降幅度超出10％，依据电压暂降的定义，电压下降幅度超过10％则认为发生了电压暂降。例如表1和图2中节点8出现电压暂降的概率大，为15.88％，需要采取应对措施防范电压暂降。而对于节点1，如表1中所示，则遭受电压暂降的可能性较小(仅为0.8％)，且一般电压下降幅度不大，除非有极敏感负荷，否则可以不采取措施。

(2)IEEE-118节点网络

采用IEEE-118节点网络，随机生成10000次随机故障进行统计运算，得出以下结果，如表2。

表2IEEE-118网络10000次随机故障节点电压暂降次数统计结果

总体而言大约80％的随机故障的发生所造成的电压下降幅度约在0％～5％以内，换言之网内节点在大部分随机故障下受到的影响较小，但是依然会受到某些短路故障的冲击，例如图3中87号节点出现暂降幅度达70％以上，少数条件下甚至超过90％(发生电压中断)，在这种情况下必然会造成与之相连的敏感负荷的不正常工作，虽然概率相对较小，但是单次短路故障亦会造成严重的后果，因此需要对87号节点的敏感负荷采取必要措施，而图4所示的86号节点则相对风险略低于87号节点。

从图3及图4可见，电压暂降风险较大的节点往往分布更为均匀，折线图曲线较平缓，表明不同幅度的电压暂降均有一定的分布，而电压暂降风险小的节点往往集中分布在较小的暂降幅值区间内，大幅度的电压暂降一般较少发生，折线图曲线也更陡，相应的风险程度也较低。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出以上实施列对本发明不构成限定，相关工作人员在不偏离本发明技术思想的范围内，所进行的多样变化和修改，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种电网节点电压暂降的风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)选定故障线路、故障位置、故障类型作为随机变量；

(2)基于蒙特卡洛仿真按照预先设定的次数N分别对步骤(1)中已选定的随机变量进行随机抽样；

(3)统计N次随机抽样中各节点受到随机故障影响后的电压下降幅度的百分比，对电网内任意节点将该节点电压下降幅度超过10％的概率作为该节点受短路故障影响的电压暂降风险程度。

2.根据权利要求1所述的电网节点电压暂降的风险评估方法，其特征在于，步骤(2)中对故障线路进行随机抽样，包括以下步骤：

1)设定各故障线路的概率区间，对于任意故障线路号m，其概率区间为[Θ_m-1，Θ_m)，其中，l_n为第n条线路长度，即为从第1条至第N条线路总长度；

2)在每次随机抽样中，取当前计算机系统的时间作为随机数种子，随机生成[0,1]的任一双精度小数t1，随机数t1所落入的概率区间对应的故障线路为该次抽样的故障线路。

3.根据权利要求1所述的电网节点电压暂降的风险评估方法，其特征在于，步骤(2)中对故障位置进行随机抽样，包括以下步骤：

1)根据故障线路内各点发生故障的概率均相同设定故障位置服从均匀分布，设表示故障位置的变量为从线路首端至故障位置长度占线路总长百分比；

2)在每次随机抽样中，取当前计算机系统的时间作为随机数种子，随机生成是(0,1)区间的两位小数t3，随机数t3对应的故障位置为该次抽样的故障位置。

4.根据权利要求1所述的电网节点电压暂降的风险评估方法，其特征在于，步骤(2)中对故障类型进行随机抽样，包括以下步骤：

1)根据历史数据设置故障类型的概率区间，所述故障类型包括：单相接地短路、两相接地短路、两相短路以及三相短路、三相接地短路共11种情况；

2)在每次随机抽样中，取当前计算机系统的时间作为随机数种子，随机生成[0,1]的任一双精度小数，该随机数落入的概率区间对应的故障类型为该次抽样的故障类型。

5.根据权利要求1所述的电网节点电压暂降的风险评估方法，其特征在于，步骤(3)中统计随机抽样中各节点受到随机故障影响后的电压下降幅度的百分比，包括以下步骤：

1)在每次随机抽样中，对任意节点，找出该节点三相中电压下降幅度最大的一相，并将该相的电压下降幅度作为该次抽样中反映该节点电压暂降特征量进行存储；

2)依照电压下降幅度的百分比等间隔划分区间，对于任意节点，对该节点N次随机抽样中的电压暂降特征量进行统计，统计出各区间内的频数。