CN106683021A - 一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评估方法，尤其是涉及一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法。本发明采用基于潮流特征的母线电压、线路功率作为电网脆弱性评估的指标，并综合电压脆弱性评估指标和线路功率脆弱性评估指标得出电网整体的脆弱性，既能够反映出在非故障状态下电网的脆弱环节集合，又可以反映故障状态下系统承受故障冲击的能力，以及对电网发生级联故障时的可能路径及概率，对脆弱性环节实施提前保护和控制，有效的预防大面积停电事故发生。

Description

一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法

技术领域

本发明涉及一种评估方法，尤其是涉及一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法。

背景技术

电力系统脆弱性指标是用来描述电力系统的相对脆弱性程度，反映当电网发生意外事故时系统的一种承受能力。电力系统脆弱性指标也是电网脆弱性评估的关键所在，也能正确的反应当前电网的安全水平。一个好的脆弱性指标既要反映出在非故障状态下电网的脆弱环节集合，又要反映故障状态下系统承受故障冲击的能力，以及对电网发生级联故障时的可能路径及概率，对脆弱性环节实施提前保护和控制，有效的预防大面积停电事故发生。

当电网结构或运行参数发生变化时，电网的各项运行指标也将会发生改变。全面电网脆弱性指标分析，涉及到了发电机、母线和传输线路。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法，其特征在于，电网脆弱性指标具体包括：

指标一、母线电压的脆弱性指标：首先采用局部参数连续潮流法求出母线的静态电压稳定极限，然后表征出母线当前的电压相对于静态电压稳定极限的逼近程度，最后得出母线电压脆弱性指标F(V_i)，

其中,m为非中间节点的PQ节点的个数,V_i为节点当前电压，V_ilim为节点静态电压稳定极限值；

指标二、线路功率的脆弱性指标：线路的功率越限指标仅仅只反映在某种电网网络拓扑结构下线路过负荷的一种风险性，并不反映这种情况出现的可能性；将线路功率越限指标与形成此种网络结构的概率相结合，得到线路功率脆弱性指标，定义为：

其中，n为线路总数，S_j为支路当前传输功率，S_jN为支路额定传输功率，S_jlim为支路功率传输极限；

采用母线电压的脆弱性指标和路功率的脆弱性指标乘积作为综合反映电力系统脆弱性的指标：

具体采用N-1故障分析的脆弱性评估，包括：

步骤1：用MATPOWER软件进行N-1故障潮流计算，得到N-1故障后每条线路的实际传输功率和每条母线的实际电压幅值；

步骤2：计算系统电压脆弱性指标，

步骤3：计算系统功率脆弱性指标，

步骤4：计算综合脆弱性指标，

本发明在这里采用基于潮流特征的母线电压、线路功率作为电网脆弱性评估的指标，并综合电压脆弱性评估指标和线路功率脆弱性评估指标得出电网整体的脆弱性。

在上述的一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法，所述指标一中，首先采用局部参数连续潮流法求出母线的静态电压稳定极限，然后表征出母线当前的电压相对于静态电压稳定极限的逼近程度，最后得出母线电压脆弱性指标的具体步骤包括：

步骤1：采用局部参数连续潮流法求出母线的静态电压稳定极限；

步骤2：计算每条母线电压裕度风险指标，

步骤3：计算系统电压裕度风险指标，

在上述的一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法，所述指标二中，将线路功率越限指标与形成此种网络结构的概率相结合，最后得到线路功率脆弱性指标，的具体步骤包括：

步骤1：计算线路N-1发生的概率；

步骤2：计算功率越限的风险指标，

步骤3：将线路功率越限指标与形成此种网络结构的概率相结合，得到线路功率的脆弱性指标，

在上述的一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法，所述综合指标中，采用母线电压的脆弱性指标和线路功率的脆弱性指标乘积作为综合反映电力系统脆弱性的指标，

因此，本发明具有如下优点：采用基于潮流特征的母线电压、线路功率作为电网脆弱性评估的指标，并综合电压脆弱性评估指标和线路功率脆弱性评估指标得出电网整体的脆弱性，既能够反映出在非故障状态下电网的脆弱环节集合，又可以反映故障状态下系统承受故障冲击的能力，以及对电网发生级联故障时的可能路径及概率，对脆弱性环节实施提前保护和控制，有效的预防大面积停电事故发生。

附图说明

附图1是本发明实施例中局部参数法连续潮流的计算过程示意图。

附图2是本发明实施例中RTS79系统线路图。

附图3是本发明涉及的电力系统脆弱性评估流程示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

下面结合具体案例，阐述本发明的具体方法。

一、首先介绍本发明的方法原理。

1母线电压的脆弱性评估。

电压安全是电力系统在额定运行条件下和遭受扰动之后系统中所有母线都持续地保持可接受的电压的能力。在电压不安全状态，系统电压将偏离正常电压水平，甚至发生电压崩溃导致整个电力系统的瓦解。随着负荷的增长和电力市场的实行，电力系统的长线路、重负载以及无功储备不充足的隐患逐渐明显，电压安全问题受到广泛的关注。而且当节点电压高于或低于限定值时，会影响产品的产量和质量，电压偏低时有可能引起系统电压崩溃。

目前研究表明，电力系统电压从稳定状态变为电压崩溃并不是一个短暂的过程，而是包括电磁、机电多种暂态过程相互缓慢共同作用的结果，故本发明采用静态方法研究电力系统事故集的电压风险性。在静态电压分析中，随着电力系统负荷的增加，网络中节点的电压值将会随之减小。若负荷增加到一定程度，网络电压的减小将会不可逆转，发生崩溃。

对于任意一个事故集，可以先以牛顿-拉夫逊法计算出每个PQ节点的电压值。然后针对每个PQ节点，用连续潮流法得到其静态电压稳定极限。

1.1求静态电压稳定极限的局部参数连续潮流法。

连续潮流法在PV曲线的每一点均反复迭代，计算出准确的潮流，所以能得到准确的PV曲线等信息，并能考虑一定的非线性控制及约束条件，具有较强的鲁棒性。

在第k条母线负荷可变的情况下，电力系统的连续潮流方程如式(1)所示：

f(x)-λ·b＝0 (1)

其中参数λ为实数参数变量，表示系统的负荷水平；x为n维状态向量；f(x)为n维函数向量；b＝(P₁,...P_k,...P_n,Q₁,...Q_k,...Q_n)^T,有且仅有P_k,Q_k≠0，可取P_k,Q_k为母线初始负荷值，表示负荷的增长方向。

局部参数法的参数方程为：

x-x₀＝0,x∈(V,λ) (2)

其中x为系统变量中变化最大的变量，即母线PV曲线上局部变化最大的变量。x₀是对应变量的估计值。从图1中不难看出，在PV曲线平坦的部分，应选取λ为局部参数变量；在PV曲线鼻点即靠近电压稳定极限处，选V为局部参数变量。

式(1)和式(2)组成含局部参数方程的扩展连续潮流方程，比常规潮流方程多一个方程和一个变量。在增加一个方程的同时增加了一个变量，可通过形成扩展雅可比矩阵运用极坐标下的牛顿-拉夫逊法来求解扩展潮流方程。

1.2母线电压的脆弱性指标

根据上面用局部参数连续潮流法求出母线的静态电压稳定极限后，就可以表征出母线当前的电压相对于静态电压稳定极限的逼近程度，最后得出电压脆弱性指标，用f(V_i)表示。

由分析可知，对此电压脆弱性指标要满足以下三个要求：

①该指标包含电压失稳指标即用各节点当前的电压值与极限电压值的距离来表征。

②对于不同节点的不同极限电压，电压指标要具有可比性。换而言之，此电压指标应该反映节点当前电压离极限电压的相对距离。

③为了和电力系统支路功率指标相综合，该指标应具有归一性特征。可假定当节点当前电压V_i等于额定电压1时，有f(V_i)＝f(1)＝0；当节点当前电压V_i等于极限电压V_ilim时，f(V_i)＝f(V_ilim)＝1。

于是根据要求①和②，可设：

再由分别由③：f(V_i)＝f(V_ilim)＝1；f(V_i)＝f(1)＝0代入(3)可得：

将上式(4)代入(3)式故可得：

又由电力系统电压崩溃一般开始某一节点，电压降低至一定程度后，并迅速波及到互联的其他节点，从而使整个电力系统电压崩溃。故可以取电力网络中各节点中最逼近静态稳定极限电压那一个点来评估整个系统的电压风险性。

综合以上可得整个电力系统的电压指标函数为：

其中,m为非中间节点的PQ节点的个数,V_i为节点当前电压，V_ilim为节点静态电压稳定极限值。

1.2线路功率的脆弱性评估

1.2.1线路功率越限的风险指标

若以支路切除后，以被切除支路向其他支路转移的功率值为基础，得出评价其他支路风险性的指标。但是，不同线路的功率传输极限不同，功率传输极限较高的支路即使分担了被切除支路更多的功率，也未必比功率传输极限较低的支路更容易发生故障。故而还是要考虑线路当前传输功率值相对于线路的功率传输极限的逼近程度，才能得出正确的功率指标，用g(S_j)来表示。

对于此线路功率脆弱性指标，也应该满足和电压脆弱性指标类似的三个要求：

①必须含有当前传输功率S_j离功率传输极限S_jlim的绝对数值。

②对于功率传输极限不同的不同支路，线路功率指标要具有可比性。换而言之，此线路功率指标应当反映支路当前所传输功率离功率传输极限的相对距离。

③为与电力系统节点电压指标相综合，该指标同样应具有归一性特征。也设定当支路当前传输功率S_j等于额定传输功率S_jN时，有g(S_j)＝g(S_jN)＝0；当支路当前传输功率S_j等于功率传输极限S_jlim时，g(S_j)＝g(S_jlim)＝1。

首先以线路额定传输功率S_jN为基准值，对各功率进行标么值化处理，之后根据要求①和②，可设：

再由要求③可分别得：

将上式(8)代入(7)故可得：

1.2.2基于级联故障概率的脆弱性评估

线路的功率越限指标仅仅只反映在某种电网网络拓扑结构下线路过负荷的一种风险性，并不反映这种情况出现的可能性。将线路功率越限指标与形成此种网络结构的概率相结合，即可得到线路功率脆弱性指标，即：

g_P(S_j)＝P_j·g(S_j),j＝1,2,...,n (10)

电力系统只要有一条支路达到传输极限，该支路就会被在线监测装置识别并被继电保护装置切除，从而使整个网络结构发生新的改变，故可以取g_P(S_j)的最大值作为整个电力系统的功率脆弱性指标。

整个电力网络的线路功率指标函数可定义为：

其中，n为线路总数，S_j为支路当前传输功率，S_jN为支路额定传输功率，S_jlim为支路功率传输极限。

1.3基于电压功率概率综合指标的脆弱性评估

由前面分析可知，母线电压指标F(V_i)反映的是电力系统发生电压崩溃的风险性。若节点电压处于额定值和极限电压之间，上述电压指标F(V_i)取值在0－1之间；若节点电压高于额定值F(V_i)＜0，系统安全运行；若节点电压低于极限电压,F(V_i)＞1，此时系统已经崩溃，此节点为系统的高脆弱性节点。同理由前面分析可知，系统线路功率指标G(S)反映的是网络中线路发生功率振荡或热、动不稳定的概率风险性。由此，可以看出电力系统某一方面的单一脆弱性很难对整个电力系统做出准确的评估，故可以将节点电压脆弱性与线路功率脆弱性相结合来表征电力系统的整体脆弱性。因此可用二者乘积作为综合反映电力系统脆弱性的指标，即：

二、下面结合具体的案例进行分析。

2.1算例基础

本发明采用如图2所示的RTS79系统作为算例，RTS79系统是IEEE PowerEngineering Society开发的，用来比较采用不同方法所得的结果的普通测试系统。系统基本负荷2850MW。有24个节点，38条线路和32台发电机。其节点和线路数据参见附录。该系统给出了各支路的长期额定功率，短期额定功率和紧急状态额定功率，其中长期额定功率可视为文中所述的额定功率，紧急状态额定功率可视为文中所述的支路功率传输极限。故可用确定性评估方法中的N-k的故障分析来分析此系统的脆弱性，并用MATPOWER电力系统仿真软件进行仿真计算。算例的网络图如图2所示。

由于RTS79系统相对互联电网系统比较小，故在在电力系统系统脆弱性评估中，为兼顾准确性和效率性,可取k＝1,即用N-1故障分析方法来分析系统的脆弱性评估。整个电力系统脆弱性评估流程如图3所示。

2.2N-1故障分析的脆弱性评估

N-1故障是指正常运行方式下的电力系统中任一元件(如线路、发电机、变压器等)无故障或因故障断开，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内。对此系统分析时首先计用MATPOWER计算出系统在正常运行的仿真数据，再用N-1故障分析来分别分析系统的脆弱性指标，由附录RTS79系统的故障率可知L31、L21、L2、L22、L5、L38故障率较高，故可分别对这些线路进行N-1故障脆弱性评估，分别切除每一条线路进行分析计算，由于切除线路后系统的节点数据和线路数据都会相对系统正常运行时有所变化，但通过在MATPOWER软件上仿真计算可知，只有一些节点的电压和线路的功率有较大的变化，故可选取这些具有代表性的节点和线路进行计算，可先根据连续潮流方法求取这些节点的静态电压稳定极限值，再分别由式(5)、(9)计算出这些节点和线路的电压、功率指标，最后通过分析比较得出系统的电压、功率脆弱性指标，进而得到在此线路故障下系统的综合脆弱性指标。下表数据为切除各代表线路后仿真计算得到的各节点电压和线路功率数据。

表1切除线路31

节点	3	4	8	11	24
						Vi	0.989	0.998	0.993	0.990	0.978
Vilim	0.830	0.677	0.702	0.792	0.843

线路	7	10	11	23
					Sj	412.59	177.49	199.36	516.26
SjN	400	175	175	500
					Sjlim	600	200	220	625

表2切除线路21

节点	3	4	8	9	11	12	24
								Vi	0.983	0.994	0.990	0.994	0.985	0.994	0.971
Vilim	0.819	0.676	0.761	0.815	0.781	0.769	0.836

线路	7	10	11	23
					Sj	442.75	154.07	179.92	541.22
SjN	400	175	175	500
					Sjlim	600	200	220	625

表3切除线路2

节点	3	4	8	9	11	24
							Vi	0.970	0.995	0.991	0.996	0.989	0.971
Vilim	0.800	0.671	0.772	0.893	0.804	0.865

线路	7	10	11	23
					Sj	405.54	157.40	180.44	520.69
SjN	400	175	175	500
					Sjlim	600	200	220	625

表4切除线路22

节点	3	4	8	9	11	12	24
								Vi	0.985	0.995	0.991	0.997	0.988	0.995	0.973
Vilim	0.826	0.689	0.740	0.809	0.793	0.754	0.841

线路	7	10	11	23
					Sj	434.16	155.18	183.76	525.05
SjN	400	175	175	500
					Sjlim	600	200	220	625

表5切除线路5

节点	3	4	6	8	9	11	24
								Vi	0.989	0.997	0.995	0.990	0.999	0.998	0.978
Vilim	0.830	0.654	0.698	0.793	0.819	0.826	0.843

表6切除线路38

节点	3	4	8	11	24
						Vi	0.990	0.998	0.993	0.990	0.978
Vilim	0.831	0.659	0.744	0.792	0.846

线路	7	10	11	23
					Sj	408.51	157.66	199.30	525.64
SjN	400	175	175	500
					Sjlim	600	200	220	625

表7切除线路10

节点	3	4	6	8	9	10	11	12	24
										Vi	0.984	0.993	0.673	0.983	0.994	0.991	0.982	0.993	0.974
Vilim	0.824	0.717	0.568	0.772	0.845	0.808	0.819	0.747	0.836

线路	5	7	11	23
					Sj	176.07	478.65	183.34	513.14
SjN	175	400	175	500
					Sjlim	220	600	220	625

对N-1故障的分析显示可知,若第11条线路因故障而被切除，会导致系统潮流不收敛，从系统的网络结构图也可以看出，此时第7条母线成为孤岛，对整个系统来说相当于切除了一台发电机组，若不考虑切负荷必会引起系统功率的不平衡。若第10条线路因故障被切除，则第6条母线电压会大幅降低，第5条线路的传输功率也会超过额定功率但没达到功率传输极限，此时系统处于非常危险的状态下，必须进行切负荷等紧急处理措施。由上表切除各代表线路后仿真计算得到当前电压V_i、极限电压V_ilim和线路当前的传输功率S_j后，即可得到N-1情况的脆弱性故障和N-1情况的高脆弱性故障分别如下表8、9所示。

表8N-1情况的脆弱性故障

故障线路编号	线路故障概率	电压脆弱性指标	功率脆弱性指标	综合脆弱性性指标
					2	0.51	0.2148	0.1655	0.0181
5	0.48	0.1401	0.4440	0.0298
					10	0.33	0.7569	0.3933	0.0982
21	0.52	0.1768	0.3297	0.0303
					22	0.49	0.1698	0.2004	0.0167
31	0.54	0.1401	0.5413	0.0410
					38	0.45	0.1429	0.5400	0.0347

表9N-1情况的高脆弱性故障

故障线路编号	线路故障概率	电压脆弱性指标	功率脆弱性指标	综合脆弱性性指标
					10	0.33	0.7569	0.3933	0.0982

由上表8、9可以看出电力系统的综合脆弱性与线路故障概率、电压脆弱性和线路功率脆弱性共同决定。从表9可见，第10条线路综合脆弱性指标最大，一旦因故障被切除，会在很大程度上影响电力系统的稳定，由前面分析的也可知，若第10条线路因故障被切除后，则第6条母线电压会大幅降低，故系统的电压脆弱性指标较高，第5条线路的传输功率也会超过额定功率但没达到功率传输极限，此时系统处于非常危险的状态下，故必须进行切负荷等紧急处理措施。因此，第10条线路为系统的关键线路，故系统运行时需要重点对该线路采取预防保护措施。其余指标值比较大的线路也是电力系统运行时重点监测保护的线路

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法，其特征在于，电网脆弱性指标具体包括：

指标一、母线电压的脆弱性指标：首先采用局部参数连续潮流法求出母线的静态电压稳定极限，然后表征出母线当前的电压相对于静态电压稳定极限的逼近程度，最后得出母线电压脆弱性指标F(V_i)， $F\left(V_i\right)=\max \left\{\frac{1-V_i}{1-V_{i\lim }}\right\},i=1,2,\mathrm{...},m,$

其中,m为非中间节点的PQ节点的个数,V_i为节点当前电压，V_ilim为节点静态电压稳定极限值；

指标二、线路功率的脆弱性指标：线路的功率越限指标仅仅只反映在某种电网网络拓扑结构下线路过负荷的一种风险性，并不反映这种情况出现的可能性；将线路功率越限指标与形成此种网络结构的概率相结合，得到线路功率脆弱性指标，定义为：

$G\left(S\right)=max\left\{g_P\left(S_j\right)\right\}=max\{P_j\·\frac{1-\frac{S_j}{S_{jN}}}{1-\frac{S_{j\lim }}{S_{jN}}}\},j=1,2,...,n$

其中，n为线路总数，S_j为支路当前传输功率，S_jN为支路额定传输功率，S_jlim为支路功率传输极限；

采用母线电压的脆弱性指标和路功率的脆弱性指标乘积作为综合反映电力系统脆弱性的指标：

$H(V,S)=F\left(V_i\right)\·G\left(S\right)=max\left\{\frac{1-V_i}{1-V_{i\lim }}\right\}\·max\{P_j\·\frac{1-\frac{S_j}{S_{jN}}}{1-\frac{S_{j\lim }}{S_{jN}}}\}$

具体采用N-1故障分析的脆弱性评估，包括：

步骤1：基于MATPOWER进行N-1故障潮流计算，得到N-1故障后每条线路的实际传输功率和每条母线的实际电压幅值；

步骤2：计算系统电压脆弱性指标，

步骤3：计算系统功率脆弱性指标，

$G\left(S\right)=max\left\{g_P\left(S_j\right)\right\}=max\{P_j\·\frac{1-\frac{S_j}{S_{jN}}}{1-\frac{S_{j\lim }}{S_{jN}}}\},j=1,2,...,n;$

步骤4：计算综合脆弱性指标，

$H\left(V,S\right)=F\left(V_i\right)\·G\left(S\right)=\max \left\{\frac{1-V_i}{1-V_{i\lim }}\right\}\·\max \left\{P_j\·\frac{1-\frac{S_j}{S_{jN}}}{1-\frac{S_{j\lim }}{S_{jN}}}\right\}.$

2.根据权利要求1所述的一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法，其特征在于，所述指标一中，首先采用局部参数连续潮流法求出母线的静态电压稳定极限，然后表征出母线当前的电压相对于静态电压稳定极限的逼近程度，最后得出母线电压脆弱性指标的具体步骤包括：

步骤1：采用局部参数连续潮流法求出母线的静态电压稳定极限；

步骤2：计算每条母线电压裕度风险指标，

$f\left(V_i\right)=\frac{1-V_i}{1-V_{i\lim }},i=1,2,...,m$

步骤3：计算系统电压裕度风险指标，

$F\left(V_i\right)=\max \left\{\frac{1-V_i}{1-V_{i\lim }}\right\},i=1,2,\mathrm{...},m.$

3.根据权利要求1所述的一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法，其特征在于，所述指标二中，将线路功率越限指标与形成此种网络结构的概率相结合，最后得到线路功率脆弱性指标，的具体步骤包括：

步骤1：计算线路N-1发生的概率；

步骤2：计算功率越限的风险指标，

$g\left(S_j\right)=\frac{1-\frac{S_j}{S_{jN}}}{1-\frac{S_{j\lim }}{S_{jN}}},j=1,2,\mathrm{...},n$

步骤3：将线路功率越限指标与形成此种网络结构的概率相结合，得到线路功率的脆弱性指标，

$G\left(S\right)=max\left\{g_P\left(S_j\right)\right\}=max\{P_j\·\frac{1-\frac{S_j}{S_{jN}}}{1-\frac{S_{j\lim }}{S_{jN}}}\},j=1,2,...,n.$

4.根据权利要求1所述的一种基于潮流特征的电网脆弱性指标的评估方法，其特征在于，所述综合指标中，采用母线电压的脆弱性指标和线路功率的脆弱性指标乘积作为综合反映电力系统脆弱性的指标，

$H\left(V,S\right)=F\left(V_i\right)\·G\left(S\right)=\max \left\{\frac{1-V_i}{1-V_{i\lim }}\right\}\·\max \left\{P_j\·\frac{1-\frac{S_j}{S_{jN}}}{1-\frac{S_{j\lim }}{S_{jN}}}\right\}.$