CN106951618A - 多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气工程及计算机处理技术领域，公开一种多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法及系统，以快速、有效地分析在山火灾害引发输电线路多重故障情形下，电网输电线路的重要性排序。本发明方法根据随机的预模拟预估实际模拟中各重故障所需模拟次数与总模拟次数的比例关系，并以该预估的比例关系指导实际模拟中的各重故障集的分配，然后再对不同的故障重数进行独立的分层模拟计算，并对各重故障的风险指标进行收敛性验证；当需要增加模拟时，以接近预模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系为分配目标确定当次模拟故障集的重数，直至满足精度要求，确保了最终数据的可靠性。

Description

多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法及系统

技术领域

本发明涉及电气工程及计算机处理技术领域，尤其涉及一种多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法及系统。

背景技术

受天气、植被和工农业生产、生活的影响，山火灾害具有短时间内高集中性的特点，容易在高发期大范围爆发，引起多条输电线路同时跳闸，且线路跳闸后重合闸率低，严重威胁电网的安全稳定运行，山火灾害已成为引发输电线路跳闸的重要灾害。

在输电线路山火发生前，将灭火装备提前部署至山火风险最大的区域，可以提高山火救援效率，降低电网灾害损失。而当山火大面积爆发时，灭火资源的总量通常是有限的，因此，需要对输电线路山火风险程度进行排序，从而提前科学布置灭火装备至电网风险最大的线路，提高山火救援效率。由于山火大面积爆发时有多条输电线路同时遭受山火威胁，如果采用枚举法计算不同线路故障组合情形下(又称：故障集)的电网风险，并对输电线路的重要程度进行排序，将出现维数灾问题，例如当有30条输电线路同时遭受山火威胁时，总共约有1.05×1.1×10⁹种可能的故障集，计算量过大，计算时间长达数千小时，无法应用于实际工程；同时，现有的稳定性指标(EEAC和FASTEST.薛禹胜.电力系统自动化，1998，22(9)：25-30)主要考虑电网的频率、电压、潮流等因素，2011年国务院和电网公司相继颁布了《电力安全事故应急处置和调查处理条例》、《国家电网公司安全事故调查规程》、《中国南方电网有限责任公司电力事故(事件)调查规程》以及相关的输电线路运行考核管理规定，对电网风险程度评价提出了更全面的要求，除电网稳定性外还需考虑负荷损失、停电范围等多方面因素。

专利ZL201510191773.7提出了山火灾害下输电线路风险集对分析方法，该方法运用集对分析理论，根据火点数量、火点与线路告警距离得出山火风险等级，未对风险进行量化；专利CN104732103A和专利CN104715346A提出了山火灾害下输电线路临近风险分析方法，该方法根据输电线路附近的植被类型、风速大小、火点与线路告警距离分析输电线路的风险大小，未分析电网的风险；专利CN104915775A提出了山火灾害下输电线路的风险分析与应急方法，该方法根据输电线路跳闸概率和电网负荷切除量分析山火灾害对电网的风险大小，未分析对每条输电线路的风险大小。

以上专利均未考虑多故障组合下单条线路的风险评估问题，没有解决当电网系统规模扩大、火点数增加导致的计算量和计算时间的维数灾问题,也没有提出符合工程实际的电网风险评价指标。针对上述专利的局限，本文发明一种多重山火故障的输电线路风险程度分层快速分析方法及系统，同时提出了考虑稳定裕度、电网事故等级以及运行评价指标的电网风险综合评价指标，可快速、有效地分析大范围山火灾害下大电网输电线路的重要性排序，为灭火装备的提前布置提供重要依据。

发明内容

本发明目的在于公开一种多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法及系统，以快速、有效地分析在山火灾害引发输电线路多重故障情形下，电网输电线路的重要性排序。

为实现上述目的，本发明公开了一种多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法，包括：

步骤(1)、获取受山火威胁的线路数为N，采用随机数列生成器生成长度为N的0/1数列作为电网的故障集，记为X＝[x₁,x₂,...,x_N]，其中x_i表示受威胁线路i的状态，为1表示正常运行，为0表示跳闸，当故障集中有k个0时，该故障集为k重故障集；

步骤(2)、综合电网稳定裕度指标、电网事故风险指标和电网运行风险指标评估各故障集下的电网风险R；

步骤(3)、对电网进行q次预模拟，结合电网风险预估实际模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系，计算公式如下：

其中，n_k表示第k重故障所需的模拟次数，n表示总模拟次数，表示k重故障的第r次模拟，表示t重故障的第r次模拟，m_k表示q次预模拟中k重故障的个数，m_t表示q次预模拟中t重故障的个数，e是自然常数；

步骤(4)、在当前大于或等于100的模拟总数n中，根据上述所计算出的各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系计算电网各重故障所需的模拟次数n_k，分别对k重故障进行n_k次实际模拟，计算线路i在k重故障中的风险指标如下所示：

其中，表示线路i在第j次模拟的k重故障中的风险指标，在该次模拟中，若线路i跳闸，则该线路在该次模拟中的风险指标为R；若线路i未跳闸，则该线路在该次模拟中的风险指标为0；

步骤(5)、将线路i在各重故障中风险指标的期望值进行求和，得到线路i总的风险指标E_i，如下所示：

步骤(6)、计算总共n次模拟后的收敛指标C_n，如下所示：

其中，表示线路i在模拟总次数为w时的风险指标；如果C_n大于预先设定的精度ε，则令n＝n+1，然后返回步骤(4)，并以接近预模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系为分配目标确定当次模拟故障集的重数；如果C_n小于或等于预先设定的精度ε，则根据E_i的大小得到线路i的重要性排名，E_i越大则线路i的重要性越高。

可选的，上述电网风险R的计算公式为：

其中，为电网稳定裕度指标，R^a为电网事故风险指标，R^o为电网运行风险指标。

与上述方法相对应的，本实施例还公开一种执行上述方法的多火点电网风险矩阵增零变换快速救援系统。可选的，该系统包括：

山火信息统计模块：用于获取山火密度分布图及受山火威胁的输电线路；

电网故障集生成模块：用于采用随机数列生成器，生成电网山火情形下的故障集；

电网风险指标计算模块：用于计算电网故障情形下的风险指标；

分层模拟计算模块：用于确定每一层故障重数所需的模拟次数，对不同的故障重数进行独立的模拟计算。

本发明具有以下有益效果：

根据随机的预模拟预估实际模拟中各重故障集与总模拟次数的比例关系，并以该预估的比例关系指导实际模拟中的各重故障集的分配，然后再对不同的故障重数进行独立的分层模拟计算，并对各重故障的风险指标进行收敛性验证；如果C_n大于预先设定的精度ε，则令n＝n+1，并以接近预模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系为分配目标确定当次模拟故障集的重数，直至满足精度要求，确保了最终数据的可靠性。藉此，本发明方案原理清楚，可操作性强；可快速得到山火灾害下输电线路重要性的排序；对灭火装备的科学预先布置有重要指导作用。

另一方面，现有的随机模拟通常需要对从头到尾的每一次模拟都进行收敛性判断，而且是对电网风险各重故障集所组合的整体进行收敛性判断；而本发明对前n次模拟仅需要进行一次收敛性判断，并且整个处理过程中都是分别对各重故障的收敛性单独进行判断；相比之下，本发明从微观层面进一步确保了各重故障集模拟数据分配的合理性和结果的可靠性。

此外，经大量实验验证，本发明具有很好的兼容性，受山火威胁的线路数多少都能基于本发明方法及系统进行分析；当受山火威胁的线路数多时，相应故障集的重现率就低；相反，当受山火威胁的线路数少时，相应故障集的重现率就高，且最终所得的结果与枚举法结果一致；同时，基于通过预模拟所预估的各重故障集与总模拟次数的比例关系，当精度ε∈[0.01,0.1时]，实际模拟总数在1100次前后都基本收敛，使得受山火威胁的线路数多这种情况下的计算效率大大提升，可有效应用于工程实际。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明应用例1的线路拓扑图；

图2是本发明应用例2的线路拓扑图；

图3是本发明方法应用例的收敛性结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

本实施例公开一种多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法，包括：

步骤(1)、获取受山火威胁的线路数为N，采用随机数列生成器生成长度为N的0/1数列作为电网的故障集，记为X＝[x₁,x₂,...,x_N]，其中x_i表示受威胁线路i的状态，为1表示正常运行，为0表示跳闸，当故障集中有k个0时，该故障集为k重故障集。

在该步骤中，受山火威胁的线路可通过山火密度分布图获取，山火密度的计算方法可参见本发明人在先已公开的ZL 201510255860.4号发明专利，专利名称为“一种输电线路山火精细化密度预报方法”。

步骤(2)、综合电网稳定裕度指标、电网事故风险指标和电网运行风险指标评估各故障集下的电网风险R。

在该步骤中，可选的，其中，为电网稳定裕度指标，R^a为电网事故风险指标，R^o为电网运行风险指标。

为电网稳定裕度指标，根据文献《EEAC和FASTEST》(薛禹胜，电力系统自动化，1998，22(9)：25-30)方法计算。

根据国务院颁布的《电力安全事故应急处置和调查处理条例》、国家电网公司颁布的《国家电网公司安全事故调查规程》和南方电网公司颁布《中国南方电网有限责任公司电力事故(事件)调查规程》，将电网事故严重程度分为八个等级，电网事故风险指标R^a如表1所示：

表1：

根据国家电网运检部对输电线路的考核评价规定，电网运行风险指标R^o由所有跳闸线路中最高电压等级而定，如表2所示：

表2：

步骤(3)、对电网进行q次预模拟，结合电网风险预估实际模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系，计算公式如下：

其中，n_k表示第k重故障所需的模拟次数，n表示总模拟次数，表示k重故障的第r次模拟，表示t重故障的第r次模拟，m_k表示q次预模拟中k重故障的个数，m_t表示q次预模拟中t重故障的个数，e是自然常数。

本实施例中，基于电网在做硬件部署时都确保了全网同一时任意1处故障都不影响电网运行的保障措施，因此预先设置1重故障集占总模拟次数的比例为0。

步骤(4)、在当前大于或等于100的模拟总数n中，根据上述所计算出的各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系计算电网各重故障所需的模拟次数n_k，分别对k重故障进行n_k次实际模拟，计算线路i在k重故障中的风险指标如下所示：

其中，表示线路i在第j次模拟的k重故障中的风险指标，在该次模拟中，若线路i跳闸，则该线路在该次模拟中的风险指标为R；若线路i未跳闸，则该线路在该次模拟中的风险指标为0。

在该步骤中，由于在同一故障集所造成的电网风险中难以进一步量化任一线路的风险指标，因此，在一次模拟中，将同一故障集中的各个线路的风险指标都设为该故障集所造成的总的电网风险R；而且由于各种故障集下各线路都遵循同一处理原则，因此对后续各线路重要性排序的最终处理结果都是公平的，确保了最终结果的可靠性。

步骤(5)、将线路i在各重故障中风险指标的期望值进行求和，得到线路i总的风险指标E_i，如下所示：

步骤(6)、计算总共n次模拟后的收敛指标C_n，如下所示：

其中，表示线路i在模拟总次数为w时的风险指标(上述收敛指标公式的本质为：在n次由各重故障集组成的总模拟次数中，重点对后100次模拟的收敛性进行评估)；如果C_n大于预先设定的精度ε，则令n＝n+1，然后返回步骤(4)，并以接近预模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系为分配目标确定当次模拟故障集的重数；如果C_n小于或等于预先设定的精度ε，则根据E_i的大小得到线路i的重要性排名，E_i越大则线路i的重要性越高。

在该步骤中，所谓“以接近预模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系为分配目标确定当次模拟故障集的重数”，举例说明如下：

假设根据预模拟所计算的模拟次数与总模拟次数的比例关系为： 当前已进行的总模拟次数为950次尚未满足精度要求，其中，2重故障的模拟次数为650次，3重故障的模拟次数为299次，4重故障的模拟次数为1次；现在需进行第951次的模拟，以接近预模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系为分配目标，则计算现有的分配比例中具体哪重故障与上述所计算出的比例差值，并将该次新增的模拟分配给差值越大的故障集，藉此，第951次模拟需要分配给3重故障；特殊情况下，当各重故障已分配的比例与上述所计算比例的差值都相等时，则可将下一次模拟分配给任一故障集；后续依次类推，不做赘述。

本实施例中，优选的，上述预模拟次数的取值范围为：q∈[250,350]；上述步骤S4中模拟总数n初次的取值范围为：n∈[900,1200]。

与上述方法相对应的，本实施例公开一种执行上述方法的多火点电网风险矩阵增零变换快速救援系统。可选的，该系统包括：

山火信息统计模块：用于获取山火密度分布图及受山火威胁的输电线路；

电网故障集生成模块：用于采用随机数列生成器，生成电网山火情形下的故障集；

电网风险指标计算模块：用于计算电网故障情形下的风险指标；

分层模拟计算模块：用于确定每一层故障重数所需的模拟次数，对不同的故障重数进行独立的模拟计算。

综上，本实施例公开的多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法，根据随机的预模拟预估实际模拟中各重故障集与总模拟次数的比例关系，并以该预估的比例关系指导实际模拟中的各重故障集的分配，然后再对不同的故障重数进行独立的分层模拟计算，并对各重故障的风险指标进行收敛性验证；如果C_n大于预先设定的精度ε，则令n＝n+1，并以接近预模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系为分配目标确定当次模拟故障集的重数，直至满足精度要求，确保了最终数据的可靠性。藉此，本发明方案原理清楚，可操作性强；可快速得到山火灾害下输电线路重要性的排序；对灭火装备的科学预先布置有重要指导作用。

另一方面，现有的随机模拟通常需要对从头到尾的每一次模拟都进行收敛性判断，而且是对电网风险各重故障集所组合的整体进行收敛性判断；而本发明对前n次模拟仅需要进行一次收敛性判断，并且整个处理过程中都是分别对各重故障的收敛性单独进行判断；相比之下，本发明从微观层面进一步确保了各重故障集模拟数据分配的合理性和结果的可靠性。

此外，经大量实验验证，本发明具有很好的兼容性，受山火威胁的线路数多少都能基于本发明方法及系统进行分析；当受山火威胁的线路数多时，相应故障集的重现率就低；相反，当受山火威胁的线路数少时，相应故障集的重现率就高，且最终所得的结果与枚举法结果一致；同时，基于通过预模拟所预估的各重故障集与总模拟次数的比例关系，当精度ε∈[0.01,0.1时]，实际模拟总数在1100次前后都基本收敛，使得受山火威胁的线路数多这种情况下的计算效率大大提升，可有效应用于工程实际。

基于上述系统及方法的典型应用1如下：

(1)、以IEEE新英格兰10机39节点标准算例为对象进行研究，如图1所示。获取火点实时信息，得出受火点威胁线路以及线路跳闸概率为：线路16-24，线路23-24，线路22-23，线路21-22。

(2)、按照线路跳闸概率模拟生成电网故障集，以及计算各山火故障集下的电网风险指标。

(3)、根据输电线路的跳闸概率进行次数为q＝300的预模拟，计算得到实际模拟中各重故障的所需的模拟次数与总的模拟次数的比值：

(4)、设精度ε＝0.1，计算得到当模拟次数n＝1000时，满足精度收敛条件C_n≤ε。

(5)、根据上述公式计算线路i在k重故障中的风险指标如下表1所示。

表1：

(6)、计算线路i在各重故障中风险指标之和，得到线路i总的风险指标E_i如表2所示。

表2：

线路	风险指标总期望
		线路16-24	0.5151
线路23-24	1.0167
		线路22-23	0.6871
线路21-22	1.0896

(6)根据E_i的大小得到线路i的重要性排名，E_i越大则线路i的重要性排名越靠前，最终计算得到线路的排序结果如下表3所示。

表3：

线路	重要性排名
		线路16-24	4
线路23-24	2
		线路22-23	3
线路21-22	1

其中，该排序结果与通过枚举法所得排序结果一致。

基于上述系统及方法的典型应用2如下：

将IEEE10机39节点系统的火点数增加到20个，如果运用枚举法进行求解火点数为20时各线路的风险值，需进行2²⁰-1≈1.05×10⁶次计算，工程实际中无法应用。如图2所示，受火点威胁的各线路的跳闸概率如下表4所示。

表4：

基于本发明的上述方法，总共进行3000次模拟，结果如图3所示，其中纵坐标为各线路总的风险值，横坐标为总的模拟次数，线条代表受山火威胁线路在不同模拟次数下的风险值。与枚举法相比，在本专利提出的多重山火故障的输电线路风险程度分层快速分析方法下，取精度ε＝0.1，则模拟次数达1100次后结果收敛，计算效率大大提升。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法，其特征在于，包括：

步骤(1)、获取受山火威胁的线路数为N，采用随机数列生成器生成长度为N的0/1数列作为电网的故障集，记为X＝[x₁,x₂,...,x_N]，其中x_i表示受威胁线路i的状态，为1表示正常运行，为0表示跳闸，当故障集中有k个0时，该故障集为k重故障集；

步骤(2)、综合电网稳定裕度指标、电网事故风险指标和电网运行风险指标评估各故障集下的电网风险R；

步骤(3)、对电网进行q次预模拟，结合电网风险预估实际模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系，计算公式如下：

$n_k=n\frac{e^{-k}\sqrt{\frac{\underset{r=1}{\overset{m_k}{\Σ}}{\[R\left(X_r^k\right)-\frac{1}{m_k}\underset{r=1}{\overset{m_k}{\Σ}}R\left(X_r^k\right)\]}^2}{m_k}}}{\underset{t=1}{\overset{N}{\Σ}}{e}^{-t}\sqrt{\frac{\underset{r=1}{\overset{m_t}{\Σ}}{\[R\left(X_r^t\right)-\frac{1}{m_t}\underset{r=1}{\overset{m_t}{\Σ}}R\left(X_r^t\right)\]}^2}{m_t}}};$

其中，n_k表示第k重故障所需的模拟次数，n表示总模拟次数，表示k重故障的第r次模拟，表示t重故障的第r次模拟，m_k表示q次预模拟中k重故障的个数，m_t表示q次预模拟中t重故障的个数；

步骤(4)、在当前大于或等于100的模拟总数n中，根据上述所计算出的各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系计算电网各重故障所需的模拟次数n_k，分别对k重故障进行n_k次实际模拟，计算线路i在k重故障中的风险指标如下所示：

$E_i^k=\frac{e^{-k}}{n_k}\underset{j=1}{\overset{n_k}{\Σ}}{L}_i\left(X_j^k\right);$

其中，表示线路i在第j次模拟的k重故障中的风险指标，在该次模拟中，若线路i跳闸，则该线路在该次模拟中的风险指标为R；若线路i未跳闸，则该线路在该次模拟中的风险指标为0；

步骤(5)、将线路i在各重故障中风险指标的期望值进行求和，得到线路i总的风险指标E_i，如下所示：

$E_i=\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{E}_i^k;$

步骤(6)、计算总共n次模拟后的收敛指标C_n，如下所示：

$C_n=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}\left(\frac{\underset{w=n-99}{\overset{n}{\Σ}}{\[E_i^w-\frac{1}{100}\underset{w=n-99}{\overset{n}{\Σ}}{E}_i^w\]}^2}{100}\right);$

其中，表示线路i在模拟总次数为w时的风险指标；如果C_n大于预先设定的精度ε，则令n＝n+1，然后返回步骤(4)，并以接近预模拟中各重故障的模拟次数与总模拟次数的比例关系为分配目标确定当次模拟故障集的重数；如果C_n小于或等于预先设定的精度ε，则根据E_i的大小得到线路i的重要性排名，E_i越大则线路i的重要性越高，e是自然常数。

2.根据权利要求1所述的多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法，其特征在于：

$R=\frac{1-R_0^s}{2}+R^a+R^o;$

其中，为电网稳定裕度指标，R^a为电网事故风险指标，R^o为电网运行风险指标。

3.根据权利要求1或2所述的多重山火故障输电线路风险程度分层快速分析方法，其特征在于：预先设置1重故障集占总模拟次数的比例为0；且所述预模拟次数的取值范围为：q∈[250,350]；当精度ε∈[0.01,0.1]时，所述步骤S4中模拟总数n初次的取值范围为：n∈[900,1200]。

4.一种用于执行如权利要求1至3任一所述方法的多火点电网风险矩阵增零变换快速救援系统。

5.根据权利要求4所述的多火点电网风险矩阵增零变换快速救援系统，其特征在于，包括：

山火信息统计模块：用于获取山火密度分布图及受山火威胁的输电线路；

电网故障集生成模块：用于采用随机数列生成器，生成电网山火情形下的故障集；

电网风险指标计算模块：用于计算电网故障情形下的风险指标；

分层模拟计算模块：用于确定每一层故障重数所需的模拟次数，对不同的故障重数进行独立的模拟计算。