CN107196300B - 一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，包括以下步骤：(1)计算变压器故障后变电站负荷削减量；(2)建立变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型；(3)求解最优潮流模型的目标函数；(4)计算变压器故障后总负荷削减量，确定变压器重要程度。本发明通过对变电站电气连通性的分析，计算变压器故障后引发变电站的负荷削减量，此外建立最优负荷削减模型，计算变压器故障停运后可能造成电网负荷的削减量，求解出变压器故障后电力系统总负荷削减量，确定变压器的重要程度，计算简单，高效，不仅对变压器的风险控制具有参考价值，也对电网供电可靠性的评估有重要意义。

Description

一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法
技术领域
本发明属于变压器风险评估技术领域，具体涉及一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法。
背景技术
电网中变压器所在的位置不同故障停运后对电网的威胁程度不同，快速有效地估算变压器故障后可能导致的电网负荷削减量，是评估电网中不同变压器的重要程度的基础，对变压器运行维护和风险识别具有重要意义。
目前，针对变压器风险评估，不管是发达国家和地区的还是国内电力企业，普遍认为变压器风险为故障发生的可能性与严重程度的集合。其中，对于变压器故障所引起的后果，国内外研究人员从设备的不同角度展开了研究，如故障的严重程度和故障对设备本身的威胁程度等，但设备故障的后果相当复杂，其也受设备本身的状态约束，对其进行客观的估算相当困难。针对此种情况，近年来，随着设备在线监测系统的兴起，国内很多学者利用变压器的在线监测数据，结合变压器的历史运行数据和离线实验数据，提出了一系列变压器故障诊断的方法，如油中溶解气体分析法和局部放电的检测和定位等，并且根据国家电网出具的变压器状态评价导则，对变压器的状态评价方法进行了研究，实现了变压器运行状态的动态评价。此外，针对不同变压器的经济特性，国内的一些学者也提出了一些基于经济特性的变压器运行维护和维修策略，如考虑变压器的经济价值制定变压器运行维护策略。但对于变压器停运导致电网结构改变，或者是引发电网安全问题(线路过载等)的分析，上述研究还缺乏有效的方法，此外，变压器故障后可能引发的负荷削减的风险，上述研究也缺乏相关的计算，基于电网供电可靠性的变压器重要程度评估还未形成有效的方法。
发明内容
本发明的目的在于提出一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，该方法能够克服现有技术的缺点与不足，可以从电网供电可靠性的角度上评估变压器的重要程度。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：
一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，包括以下步骤：
1)计算变压器故障后变电站负荷削减量Cs；
2)建立变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型；
3)采用求解线性规划问题的方法求解步骤2)中变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型，得到变压器故障后电网最优的负荷削减量Cp；
4)综合步骤1)和步骤3)得到的变压器故障后变电站负荷削减量Cs和变压器故障后电网最优的负荷削减量Cp，计算变压器故障后总的负荷削减量Ca；
5)根据步骤4)得到的变压器故障后总的负荷削减量Ca，确定变压器重要程度。
本发明进一步的改进在于，步骤1)中，包含以下实现步骤：
101)建立变电站主接线拓扑的关联矩阵A：
变电站主接线中一个母线段是一个节点，其余设备有两个节点，位于该设备两端；矩阵的行和列号对应变电站中每个节点，矩阵A中元素aij表示节点i与节点j间的连通性：
Figure GDA0002521192460000031
102)对关联矩阵A进行自乘运算直到矩阵元素不再发生改变，记此矩阵为Ak；
Ak表示自乘k次后矩阵A中元素不再发生改变，运算规则如式(1)-(2)，其中a和b表示关联矩阵A中的元素：
Figure GDA0002521192460000032
Figure GDA0002521192460000033
103)检索每个负荷节点，记录变压器故障后变电站负荷削减量Cs：
当一个负荷节点所在行的元素除对角线上元素其余元素全是0时，则表明其与电源节点之间没有连接，这个负荷节点发生失效，记录此变电站中变压器故障后变电站负荷削减量Cs。
本发明进一步的改进在于，步骤2)中，建立变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型，包含以下方程：
模型的目标函数：
Figure GDA0002521192460000034
线性约束条件：
Figure GDA0002521192460000035
Figure GDA0002521192460000036
Figure GDA0002521192460000037
0≤Cn≤PDn (n∈NG) (7)
|Ps|≤Pmax (8)
该模型的目标是基于线性约束方程组(4)-(8)求解变压器故障后电网最优负荷削减的目标函数(3)，使变压器故障后电网负荷削减量最小，Cn是节点n的负荷削减量；
其中，方程(4)为线路和节点功率平衡约束，方程(5)为节点注入功率平衡约束，方程(6)为发电机组有功功率约束，方程(7)为电网负荷削减量约束，方程(8)为线路功率传输约束，PG和PD分别是节点发电机组注入的有功功率向量和有功负荷向量，PGmax和PGmin是PG的约束向量，Ps表示变压器故障后支路s传送的有功功率，Pmax表示线路传送有功功率的极限值，L和NS分别是电网中线路和变电站节点的总数，tk是线路有功功率向量和节点注入功率间的关联矩阵T中元素。
本发明进一步的改进在于，线路有功功率向量和节点注入功率间的关联矩阵T由下式确定：
矩阵T的行号对应电网中的每条线路，第m行的元素：
Figure GDA0002521192460000041
其中，te和tf是仅考虑线路电抗的节点导纳矩阵B的逆矩阵B-1中加入平衡节点后矩阵Y的第e行和第f行的元素，xm是线路m的电抗。
本发明进一步的改进在于，矩阵B，Y中的元素由下式计算：
Figure GDA0002521192460000042
Figure GDA0002521192460000043
矩阵B为n×n阶矩阵，n表示电网中不包含平衡节点的电网总节点数，其中，xij表示线路i-j的电抗，i＝1,2,...,n，平衡节点相角为0，矩阵Y：
Figure GDA0002521192460000051
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，具体包含以下步骤：
301)由步骤1)中变压器故障后变电站负荷削减量Cs作为其所在节点有功负荷向量的修改依据，对正常运行时电网变电站节点的有功负荷向量PD进行修正：
Figure GDA0002521192460000052
其中，PDs为变压器故障后变电站负荷削减量Cs所在的节点有功负荷向量；
302)由电网中每条线路电抗x代入方程(9)-(12)，求解得到矩阵T；
303)根据电网运行参数，节点发电机组注入的有功功率向量PG，PG的约束向量PGmax和PGmin，线路传送有功功率的极限值Pmax，电网中线路和变电站节点的总数L和NS，结合修正后的节点有功负荷向量PD和计算得到的矩阵T，代入线性约束条件，求解变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型的目标函数(3)。
本发明进一步的改进在于，步骤3)中，变压器故障后电网最优的负荷削减量Cp由下式确定：
Figure GDA0002521192460000053
本发明进一步的改进在于，步骤4)中，变压器故障后总的负荷削减量Ca由下式计算：
Ca＝Cs+Cp (15)。
本发明进一步的改进在于，步骤5)中，确定变电站的重要程度的方法如下：
501)计算电网中不同变压器故障后总的负荷削减量Ca；
502)确定变压器的重要程度，变压器故障后总的负荷削减量Ca越大，此变压器在电网中就越重要。
本发明具有如下优点：
本发明广泛适用于电网中不同位置变压器之间的重要程度评估，并且可以得到电网中不同类型变压器故障后的事故负荷削减量，有利于定量的识别变压器的运行安全风险。
进一步，通过对建立的变电站节点编号关联矩阵的计算和处理，可以快速识别出变电站中失效的负荷功率，得到变压器故障后变电站负荷削减量，有利于清晰明确的反应出变压器故障后对变电站负荷的影响。
进一步，变压器故障后会对电网潮流分布产生影响，引发电网运行安全问题，本发明建立的变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型，考虑了电网运行安全的约束条件，并综合电网的各项约束条件，求解变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型的目标函数，得到符合电网运行安全的变压器故障后电网最小的负荷削减量，有利于制定变压器故障后的电网优化策略。
进一步，本发明建立的最优潮流模型是一种线性的最优化问题，便于求解最有潮流的目标函数，有利于现场中变压器重要程度的快速评估。
综上所述，本发明综合变压器故障后对变电站负荷的供电影响和对电网运行安全的影响，提出了变压器重要程度评估的方法，克服了传统变压器重要程度评估方法中缺少考虑变压器故障后对电网供电可靠性影响的缺陷，使本发明不仅对变压器的风险控制具有参考价值，而且对电网供电可靠性的评估亦有重要意义。
附图说明
图1为某地区220kV电网的局部接线拓扑；
图2为本发明总体评估流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
图1为某地区220kV电网的局部接线拓扑，包含三个变电站节点，各变电站内编号相互独立，每个变电站都包含一个负荷节点，节点参数和线路参数如表1和表2所示，基准电压230kV，基准容量100MW，变电站节点3为平衡节点，假设变电站节点1内变压器T1故障，计算变压器T1故障后总的负荷削减量Ca1；
表1变电站节点参数(MW)
Figure GDA0002521192460000071
表2线路参数
线路编号 线路两端节点 线路电抗(p.u.) 70℃下线路传送功率极限(MW)
1 1-2 0.00497 224
2 1-3 0.00551 289
3 2-3 0.00504 251
具体来说，本发明提出的一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，包括以下步骤：
1)计算变压器故障后变电站负荷削减量Cs，包含以下实现步骤：
101)建立变电站节点1主接线拓扑的关联矩阵A：
Figure GDA0002521192460000081
102)对关联矩阵A进行自乘运算直到矩阵元素不再发生改变，记此矩阵为A5(A5表示自乘5次后矩阵A中元素不再发生改变)：
Figure GDA0002521192460000082
103)检索每个负荷节点，记录变压器故障后变电站负荷削减量Cs：
变电站节点1中负荷节点6所在行的元素除对角线上元素其余元素全是0，表明其与电源节点之间没有连接，这个负荷节点发生失效，记录此变电站中变压器故障后变电站负荷削减量Cs＝230MW；
2)建立变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型，包含以下步骤：
201)根据式(10)-(12)，求解矩阵B，Y：
Figure GDA0002521192460000091
Figure GDA0002521192460000092
202)根据式(9)，求解矩阵T：
Figure GDA0002521192460000093
203)根据式(13)，修正电网变电站节点的有功负荷向量PD：
Figure GDA0002521192460000094
204)根据式(3)-(8)建立变压器T1故障后电网负荷削减最优潮流模型：目标函数：
min(C1+C2+C3)
线性约束条件：
Figure GDA0002521192460000095
Figure GDA0002521192460000096
Figure GDA0002521192460000097
Figure GDA0002521192460000098
Figure GDA0002521192460000101
3)采用求解线性规划问题的方法求解步骤2)中变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型，得到变压器故障后电网最优的负荷削减量Cp，其中包含以下步骤：
301)变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型的目标函数：C1＝0MW，C2＝15MW，C3＝0MW；
302)变压器故障后电网最优的负荷削减量Cp：
Cp＝C1+C2+C3＝0+15+0＝15MW
4)综合步骤1)和步骤3)得到的变压器故障后变电站负荷削减量Cs和变压器故障后电网最优的负荷削减量Cp，计算变压器故障后总的负荷削减量Ca1：
Ca1＝Cs+Cp＝230+15＝245MW
5)根据步骤4)得到的变压器故障后总的负荷削减量Ca，确定变压器重要程度，包含以下步骤：
501)计算电网中不同变压器故障后总的负荷削减量Ca：
T1变压器故障后总的负荷削减量Ca1＝245MW，
同理求得T2变压器故障后总的负荷削减量Ca2＝580MW，
同理求得T3变压器故障后总的负荷削减量Ca3＝296MW；
502)确定变压器的重要程度，变压器故障后总的负荷削减量Ca越大，此变压器在电网中就越重要：
变压器故障后总的负荷削减量比较：Ca2>Ca3>Ca1；
变压器重要程度比较：T2>T3>T1。
以上所述仅为本发明的优选实施示例，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 (6)

1.一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)计算变压器故障后变电站负荷削减量Cs；包含以下实现步骤：
101)建立变电站主接线拓扑的关联矩阵A：
变电站主接线中一个母线段是一个节点，其余设备有两个节点，位于该设备两端；矩阵的行和列号对应变电站中每个节点，矩阵A中元素aij表示节点i与节点j间的连通性：
Figure FDA0002518909460000011
102)对关联矩阵A进行自乘运算直到矩阵元素不再发生改变，记此矩阵为Ak；
Ak表示自乘k次后矩阵A中元素不再发生改变，运算规则如式(1)-(2)，其中a和b表示关联矩阵A中的元素：
Figure FDA0002518909460000012
Figure FDA0002518909460000013
103)检索每个负荷节点，记录变压器故障后变电站负荷削减量Cs：
当一个负荷节点所在行的元素除对角线上元素其余元素全是0时，则表明其与电源节点之间没有连接，这个负荷节点发生失效，记录此变电站中变压器故障后变电站负荷削减量Cs；
2)建立变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型，包含以下方程：
模型的目标函数：
Figure FDA0002518909460000014
线性约束条件：
Figure FDA0002518909460000021
Figure FDA0002518909460000022
Figure FDA0002518909460000023
0≤Cn≤PDn，n∈NS (7)
|Pg|≤Pmax (8)
该模型的目标是基于线性约束方程组(4)-(8)求解变压器故障后电网最优负荷削减的目标函数(3)，使变压器故障后电网负荷削减量最小，Cn是节点n的负荷削减量；
其中，方程(4)为线路和节点功率平衡约束，方程(5)为节点注入功率平衡约束，方程(6)为发电机组有功功率约束，方程(7)为电网负荷削减量约束，方程(8)为线路功率传输约束，PG和PD分别是节点发电机组注入的有功功率向量和有功负荷向量，PGmax和PGmin是PG的约束向量，Pg表示变压器故障后支路g传送的有功功率，Pmax表示线路传送有功功率的极限值，L和NS分别是电网中线路和变电站节点的总数，tk是线路有功功率向量和节点注入功率间的关联矩阵T中元素；
线路有功功率向量和节点注入功率间的关联矩阵T由下式确定：
矩阵T的行号对应电网中的每条线路，第m行的元素：
Figure FDA0002518909460000024
其中，te和tf是仅考虑线路电抗的节点导纳矩阵B的逆矩阵B-1中加入平衡节点后矩阵Y的第e行和第f行的元素，xm是线路m的电抗；
3)采用求解线性规划问题的方法求解步骤2)中变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型，得到变压器故障后电网最优的负荷削减量Cp；
4)综合步骤1)和步骤3)得到的变压器故障后变电站负荷削减量Cs和变压器故障后电网最优的负荷削减量Cp，计算变压器故障后总的负荷削减量Ca；
5)根据步骤4)得到的变压器故障后总的负荷削减量Ca，确定变压器重要程度。
2.根据权利要求1所述的一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，其特征在于，矩阵B，Y中的元素由下式计算：
Figure FDA0002518909460000031
Figure FDA0002518909460000032
矩阵B为h×h阶矩阵，h表示电网中不包含平衡节点的电网总节点数，其中，xi-j表示线路i-j的电抗，i＝1,2,...,h，平衡节点相角为0，矩阵Y：
Figure FDA0002518909460000033
3.根据权利要求2所述的一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，其特征在于，步骤3)中，具体包含以下步骤：
301)由步骤1)中变压器故障后变电站负荷削减量Cs作为其所在节点有功负荷向量的修改依据，对正常运行时电网变电站节点的有功负荷向量PD进行修正：
Figure FDA0002518909460000034
其中，PDs为变压器故障后变电站负荷削减量Cs所在的节点有功负荷向量；
302)将电网中每条线路电抗代入方程(9)-(12)，求解得到矩阵T；
303)根据电网运行参数，节点发电机组注入的有功功率向量PG，PG的约束向量PGmax和PGmin，线路传送有功功率的极限值Pmax，电网中线路和变电站节点的总数L和NS，结合修正后的节点有功负荷向量PD和计算得到的矩阵T，代入线性约束条件，求解变压器故障后电网负荷削减最优潮流模型的目标函数(3)。
4.根据权利要求3所述的一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，其特征在于，步骤3)中，变压器故障后电网最优的负荷削减量Cp由下式确定：
Figure FDA0002518909460000041
5.根据权利要求4所述的一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，其特征在于，步骤4)中，变压器故障后总的负荷削减量Ca由下式计算：
Ca＝Cs+Cp (15)。
6.根据权利要求5所述的一种考虑事故负荷削减量的变压器重要程度评估方法，其特征在于，步骤5)中，确定变电站的重要程度的方法如下：
501)计算电网中不同变压器故障后总的负荷削减量Ca；
502)确定变压器的重要程度，变压器故障后总的负荷削减量Ca越大，此变压器在电网中就越重要。
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