CN106709651B - 一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,包括电网拓扑结构参数输入模块、历史统计元件停运故障率输入模块、系统状态选择模块、潮流计算模块、故障事故后果严重度计算模块和风险评估模块。本发明有效克服了传统评估方法的不足;综合考虑了故障事故发生的概率及后果的严重程度两个方面,更为合理、全面地刻画了电力系统的风险情况;引入经济学领域的冒险型效用函数来定量刻画故障事故后果的严重程度,避免了采用线性严重度函数所带来的遮蔽现象,即多个小的元件越限值之和大于一个严重的元件越限值,进而更准确地反映出相对严重程度。

Description

一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统
技术领域
本发明属于电力系统风险评估领域,具体涉及一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统。
背景技术
目前,我国电力系统正逐渐发展成为超大规模的复杂系统,其表现为容量上的超大规模、空间上的广域分布和大范围的扰动传播,这种飞速发展在取得巨大经济和社会效益的同时,也承担着更大的风险,给电力系统稳定运行和控制带来了严峻挑战,一旦发生事故将会造成愈发严重的后果,因此快速、准确的安全性评估有助于全面了解电力系统风险并加以防范和规避,对电力系统的安全运行、规划决策等方面都具有重要意义。
然而传统的评估方法仅仅从元件失效停运的概率角度出发,忽略了对元件停运对电力系统所造成后果的严重程度的衡量,而电力系统中存在这样的元件,表现为:失效概率低,一旦发生失效将对系统造成很严重的后果,故风险指标应该是概率和后果的综合体现,即既可以体现出故障事故的可能性,也反应出故障事故的严重程度,因此传统评估方法难以全面、合理、准确地评估电力系统的风险情况。
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:
一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,其特征在于,包括:
电网拓扑结构参数输入模块:收集电网结构参数;
历史统计元件停运故障率输入模块:收集电网元件停运故障率历史数据信息,并建立事故发生概率的数学模型;
系统状态选择模块:接收电网拓扑结构参数输入模块和历史统计元件停运故障率输入模块输入的电网结构参数及电网元件停运故障率历史数据信息,基于输入信息通过蒙特卡洛模拟法产生系统状态并选取系统故障状态,将状态信息传输给潮流计算模块。并模拟产生系统的事故状态,并将当前系统事故状态信息传输给潮流计算模块;
潮流计算模块:对系统状态选择模块中所产生的当前事故状态对所选择系统状态进行潮流计算,分析系统运行状态进而发现诊断系统低电压、过电压、线路过载的风险情况;当前事故状态包括输电线路故障、变压器支路故障、发电机停运及其多重组合故障状态;
故障事故后果严重度计算模块:接收潮流计算模块输出的风险情况,并基于效用函数计算量化出电网中电压越限、线路过载、变压器过载以及失负荷情况的严重程度,
风险评估模块:根据故障事故后果严重度计算模块得到的计算结果并基于风险数学表达式计算电力系统各个风险指标数值;
所述的电网拓扑结构参数输入模块的输出端与历史统计元件停运故障率输入模块一同与系统状态选择模块的输入端相连接,系统状态选择模块的输出端和潮流计算模块的输入端相连接,潮流计算的输出端和故障事故后果严重度计算模块的输入端相连接,故障事故后果严重度计算模块的输出端与风险评估模块的输入端相连接,最后由风险评估模块得到电力系统风险指标数值。
在上述的一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,历史统计元件停运故障率输入模块建立事故发生概率的数学模型的具体方法是:
基于历史数据建立事故发生概率的数学模型,电力系统发生事故的概率基本符合泊松(Poisson)分布,即
Figure BDA0001192694180000031
式中λi为元件停运故障事故发生的概率。
在上述的一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,系统状态选择模块通过蒙特卡洛模拟法来模拟系统运行状态,通过对系统状态进行选取,输出至潮流计算模块进行系统状态分析。蒙特卡洛模拟法及系统状态抽取步骤如下:
步骤S1:针对系统元件i产生[0,1]区间内服从均匀分布的随机数Ri
步骤S2:用0表示系统元件正常工作状态,1表示失效状态,代入下式计算:
Figure BDA0001192694180000032
式中:Si表示系统元件i当前状态,Pi表示其失效概率。
步骤S3:具有N个元件的系统状态用向量S为:
S=(S1,S2,...,SN)
步骤S4:抽取当前系统状态,判断是否出现元件失效状态,若是则将系统状态S输入至潮流计算模块;若否,返回步骤S1。
在上述的一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,潮流计算模块采用PQ分解法进行电力系统潮流计算,根据电力系统运行特点,即发电机功角主要与有功功率输出有关,发电机端口电压主要与无功功率输出有关,将复杂的牛顿-拉夫逊法潮流计算方程组解耦,大大减小了计算量,在保证具有较高精度的情况下减少了计算时间,提高计算效率。
在上述的一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,潮流计算模块功能为对系统状态选择模块中所输入的当前故障状态进行潮流计算分析,获取系统运行状态(节点电压幅值、支路潮流信息),算法采用PQ分解法,根据电力系统中发电机功角主要与有功功率输出有关,发电机端口电压主要与无功功率输出有关的特点,将复杂的牛顿-拉夫逊法潮流计算方程组解耦,大大减小了计算量,在保证具有较高精度的情况下减少了计算时间,提高计算效率。
在上述的一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,所述故障事故后果严重度计算模块基于经济学领域的冒险型效用函数进行表征,定义母线电压越限严重度函数为SV,母线的电压幅值决定其电压越限严重度的高低,用母线电压实际值与额定值的偏差程度表征后果的严重程度。设定当母线电压为1.0pu时,严重度函数取值为0;随着电压值偏离额定值,严重度不断增大。电压越限严重度函数表示为:
Figure BDA0001192694180000041
与电压越限严重度函数类似,设定线路负载额定值为0.7pu,定义线路过载严重度函数为:
Figure BDA0001192694180000048
设定变压器负载额定值为0.8pu,定义变压器过载严重度函数为:
Figure BDA0001192694180000049
基于直流潮流最优潮流模型计算系统失负荷量,其数学表达式为:
Figure BDA0001192694180000044
约束条件为:
Figure BDA0001192694180000045
Figure BDA0001192694180000046
0≤Ci≤PDi(i∈ND)
Figure BDA0001192694180000047
其中,T(S)、PG和PD分别指系统故障潮流、发电机容量和母线负荷;C是负荷削减矢变量;PGi、PDi、Ci和T(S)分别为PG、PD、C和T(S)的元素;NG、ND和L分别是系统发现母线、负荷母线以及支路的集合。模型目标是求取满足功率平衡、直流潮流方程、线路潮流和发电出力约束条件下的最小负荷削减总量。失负荷严重度SC用失负荷量占当期负荷的百分比表示。
在上述的一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,定义风险为:伤害的可能性与该伤害所致的严重程度,即综合发生概率和后果严重度两个重要因素。风险值用这二者的乘积定量表示,即:
Risk(X)=P(X)×Sev(X)
式中,Risk(X)表示故障事故的风险值,P(X)为故障事故发生的概率,Sev(X)为故障事故发生所造成后果的严重程度;
所述风险评估模块基于风险理论,将故障事故的概率与严重度相乘,最终计算出各个风险指标数值。
因此,本发明具有如下优点:1、通过蒙特卡洛模拟法来选择系统状态,考虑了电力系统本身的不确定性,有效克服了传统评估方法的不足;2、综合考虑了故障事故发生的概率及后果的严重程度两个方面,更为合理、全面地刻画了电力系统的风险情况;3、电力系统各个风险值的数学公式表征为故障事故发生的概率及故障事故后果的严重程度的的乘积,并引入经济学领域的冒险型效用函数来定量刻画故障事故后果的严重程度,避免了采用线性严重度函数所带来的遮蔽现象,即多个小的元件越限值之和大于一个严重的元件越限值,进而更准确地反映出相对严重程度。
附图说明
图1为本发明提供的电力系统安全性评估系统的结构示意图。
图2为本发明中故障事故后果严重度计算模块得到的严重度函数曲线示意图。
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:
如图1所示,该电力系统安全性评估系统包括:电网拓扑结构参数输入模块的输出端与历史统计元件停运故障率输入模块一同与系统状态选择模块的输入端相连接,将电网结构参数及历史相关数据信息传入到系统状态选择模块中,进而通过计算机模拟产生系统的事故状态,并将当前系统事故状态信息经输出端和潮流计算模块的输入端相连接,潮流计算模块对所选择系统状态进行潮流计算,分析系统运行状态进而发现诊断系统低电压、过电压、线路过载等风险情况,经输出端和故障事故后果严重度计算模块的输入端相连接,故障事故后果严重度计算模块基于效用函数计算量化出电网中电压越限、线路过载、变压器过载以及失负荷情况的严重程度,其输出端与风险评估模块的输入端相连接,最后由风险评估模块基于风险数学表达式计算电力系统各个风险指标数值,供运行人员参考决策。
该系统工作过程及各模块技术细节如下:
首先,通过电网拓扑结构参数输入模块,将所分析电网的拓扑结构,连接方式,线路设备参数等相关信息输入。
基于大量历史数据,历史统计元件停运故障率输入模块将停运故障率参数输入,建立事故发生概率的数学模型,电力系统发生事故的概率基本符合泊松(Poisson)分布,即
Figure BDA0001192694180000071
式中λi为元件停运故障事故发生的概率。
根据输入电网相关参数及各元件停运故障事故发生的概率数学模型,系统状态选择模块通过蒙特卡洛模拟法来模拟系统运行状态,通过随机抽样对系统状态进行选取,输出至潮流计算模块进行系统状态分析。
潮流计算模块采用PQ分解法进行电力系统潮流计算,根据电力系统运行特点,即发电机功角主要与有功功率输出有关,发电机端口电压主要与无功功率输出有关,将复杂的牛顿-拉夫逊法潮流计算方程组解耦,大大减小了计算量,在保证具有较高精度的情况下减少了计算时间,提高计算效率。
故障事故后果严重度计算模块基于经济学领域的冒险型效用函数进行表征,严重度函数曲线可表示如图2所示。
本系统利用计算电压越限、线路过载、变压器过载及失负荷的严重程度。
电压越限风险反映了系统中母线电压越限的可能性及危害程度,定义母线电压越限严重度函数为SV,母线的电压幅值决定其电压越限严重度的高低,用母线电压实际值与额定值的偏差程度表征后果的严重程度。设定当母线电压为1.0pu时,严重度函数取值为0;随着电压值偏离额定值,严重度不断增大。电压越限严重度函数表示为:
Figure BDA0001192694180000074
与电压越限严重度函数类似,设定线路负载额定值为0.7pu,定义线路过载严重度函数为:
Figure BDA0001192694180000075
设定变压器负载额定值为0.8pu,定义变压器过载严重度函数为:
Figure BDA0001192694180000086
基于直流潮流最优潮流模型计算系统失负荷量,其数学表达式为:
Figure BDA0001192694180000082
约束条件为:
Figure BDA0001192694180000083
Figure BDA0001192694180000084
0≤Ci≤PDi(i∈ND)
Figure BDA0001192694180000085
其中,T(S)、PG和PD分别指系统故障潮流、发电机容量和母线负荷;C是负荷削减矢变量;PGi、PDi、Ci和T(S)分别为PG、PD、C和T(S)的元素;NG、ND和L分别是系统发现母线、负荷母线以及支路的集合。模型目标是求取满足功率平衡、直流潮流方程、线路潮流和发电出力约束条件下的最小负荷削减总量。失负荷严重度SC用失负荷量占当期负荷的百分比表示。
风险常被定义为:伤害的可能性与该伤害所致的严重程度,即综合发生概率和后果严重度两个重要因素。风险值用这二者的乘积定量表示,即:
Risk(X)=P(X)×Sev(X)
式中,Risk(X)表示故障事故的风险值,P(X)为故障事故发生的概率,Sev(X)为故障事故发生所造成后果的严重程度。
风险评估模块基于风险理论,将故障事故的概率与严重度相乘,最终计算出各个风险指标数值。
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 (2)

1.一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,其特征在于,包括:
电网拓扑结构参数输入模块:收集电网结构参数;
历史统计元件停运故障率输入模块:收集电网元件停运故障率历史数据信息,并建立事故发生概率的数学模型;
系统状态选择模块:接收电网拓扑结构参数输入模块和历史统计元件停运故障率输入模块输入的电网结构参数及电网元件停运故障率历史数据信息,基于输入信息通过蒙特卡洛模拟法产生系统状态并选取系统故障状态,将状态信息传输给潮流计算模块;并模拟产生系统的事故状态,并将当前系统事故状态信息传输给潮流计算模块;
潮流计算模块:对系统状态选择模块中所产生的当前事故状态对所选择系统状态进行潮流计算,分析系统运行状态进而发现诊断系统低电压、过电压、线路过载的风险情况;当前事故状态包括输电线路故障、变压器支路故障、发电机停运及其多重组合故障状态;
故障事故后果严重度计算模块:接收潮流计算模块输出的风险情况,并基于效用函数计算量化出电网中电压越限、线路过载、变压器过载以及失负荷情况的严重程度,
风险评估模块:根据故障事故后果严重度计算模块得到的计算结果并基于风险数学表达式计算电力系统各个风险指标数值;
所述的电网拓扑结构参数输入模块的输出端与历史统计元件停运故障率输入模块一同与系统状态选择模块的输入端相连接,系统状态选择模块的输出端和潮流计算模块的输入端相连接,潮流计算的输出端和故障事故后果严重度计算模块的输入端相连接,故障事故后果严重度计算模块的输出端与风险评估模块的输入端相连接,最后由风险评估模块得到电力系统风险指标数值;
历史统计元件停运故障率输入模块建立事故发生概率的数学模型的具体方法是:
基于历史数据建立事故发生概率的数学模型,电力系统发生事故的概率基本符合泊松(Poisson)分布,即
Figure FDA0002612358880000021
式中λi为元件停运故障事故发生的概率;
系统状态选择模块通过蒙特卡洛模拟法来模拟系统运行状态,通过随机抽样对系统状态进行选取,输出至潮流计算模块进行系统状态分析;蒙特卡洛模拟法及系统状态抽取步骤如下:
步骤S1:针对系统元件i产生[0,1]区间内服从均匀分布的随机数Ri
步骤S2:用0表示系统元件正常工作状态,1表示失效状态,代入下式计算:
Figure FDA0002612358880000022
式中:Si表示系统元件i当前状态,Pi表示其失效概率;
步骤S3:具有N个元件的系统状态用向量S为:
S=(S1,S2,...,SN)
步骤S4:抽取当前系统状态,判断是否出现元件失效状态,若是则将系统状态S输入至潮流计算模块;若否,返回步骤S1;
潮流计算模块对系统状态选择模块中所输入的当前故障状态进行潮流计算分析,采用PQ分解法进行电力系统潮流计算,将牛顿-拉夫逊法潮流计算方程组解耦;系统运行状态包括节点电压幅值、支路潮流信息;
所述故障事故后果严重度计算模块基于经济学领域的冒险型效用函数进行表征,定义母线电压越限严重度函数为SV,母线的电压幅值决定其电压越限严重度的高低,用母线电压实际值与额定值的偏差程度表征后果的严重程度;设定当母线电压为1.0pu时,严重度函数取值为0;随着电压值偏离额定值,严重度不断增大;电压越限严重度函数表示为:
Figure FDA0002612358880000031
LLV=|1-V|
与电压越限严重度函数类似,设定线路负载额定值为0.7pu,定义线路过载严重度函数为:
Figure FDA0002612358880000032
LO=L-0.7
设定变压器负载额定值为0.8pu,定义变压器过载严重度函数为:
Figure FDA0002612358880000033
LT=L-0.8
基于直流潮流最优潮流模型计算系统失负荷量,其数学表达式为:
Figure FDA0002612358880000034
约束条件为:
Figure FDA0002612358880000035
Figure FDA0002612358880000037
0≤Ci≤PDi(i∈ND)
Figure FDA0002612358880000036
其中,T(S)、PG和PD分别指系统故障潮流、发电机容量和母线负荷;C是负荷削减矢变量;PGi、PDi、Ci和T(S)分别为PG、PD、C和T(S)的元素;NG、ND和L分别是系统发现母线、负荷母线以及支路的集合;模型目标是求取满足功率平衡、直流潮流方程、线路潮流和发电出力约束条件下的最小负荷削减总量;失负荷严重度SC用失负荷量占当期负荷的百分比表示。
2.根据权利要求1所述的一种基于风险理论的电力系统安全性评估系统,其特征在于,定义风险为:伤害的可能性与该伤害所致的严重程度,即综合发生概率和后果严重度两个重要因素;风险值用这二者的乘积定量表示,即:
Risk(X)=P(X)×Sev(X)
式中,Risk(X)表示故障事故的风险值,P(X)为故障事故发生的概率,Sev(X)为故障事故发生所造成后果的严重程度;
所述风险评估模块基于风险理论,将故障事故的概率与严重度相乘,最终计算出各个风险指标数值。
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