CN107292481B - 一种基于节点重要度的电网关键节点评估方法 - Google Patents

一种基于节点重要度的电网关键节点评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于节点重要度的电网关键节点评估方法。识别出电网关键节点并进行重点保护对防止发生重大停电事故具有重要意义，但目前少有简单实用的综合评估方法。在此背景下，首先基于功率传输转移因子(PTDF,Power Transfer Distribution Factors)定义了改进的电气距离；接着定义了节点效率和节点初始权重；然后给出节点重要度贡献系数矩阵和节点重要度贡献矩阵的构建方法，在此基础上给出了电网节点重要度的计算方法，从而识别出区域电网的关键节点。本发明可以实时、有效地根据电网运行情况识别出区域电网的关键节点，使得在电网关键节点综合评估上有满足实际工程需求的实用评估方法。

Description

一种基于节点重要度的电网关键节点评估方法
技术领域
本发明涉及电力系统应急领域，特别是涉及一种区域电网关键节点评估方法。
背景技术
极端天气造成的大规模停电事故时有发生，这些大停电事故为电力系统的安全稳定运行敲响了警钟，也促使人们对电网的运行提出了更高的要求。大规模停电事故往往起源于继保设备的误动作或是少量元件的相继故障，在事故扩大阶段则与电力系统中的脆弱环节有紧密的联系。传统的电网安全性分析方法建立在还原论及确定性原理基础之上，难以合理解释这类由小故障引发的大规模停电事故发生的内在机制。
随着研究的深入，人们逐步认识到大停电事故的发生与电网的固有结构特征密不可分。基于复杂网络理论对电网的关键节点进行识别并有针对性地进行重点保护，对提高电力系统的可靠性、降低大规模停电事故的发生概率有十分重要的意义。复杂网络理论起源于20世纪60年代两位匈牙利数学家
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000011
和Rényi建立的随机图理论。在复杂网络理论中，每个复杂的系统都可以抽象为一个网络，网络中的节点可以视为系统中的个体，连接网络节点的边可以视为个体之间的联系或相互作用关系，由此就可以建立一个抽象的复杂网络模型，在此基础上，从复杂网络结构出发，运用图论和统计物理学的理论、方法和工具对复杂系统进行研究。复杂网络研究首先从统计角度考察网络中大规模节点及其连接之间的性质，这些性质的不同意味着不同的网络内部结构，而网络内部结构的不同导致系统功能有所差异。
重要度贡献理论最初用于通信网络中关键节点的识别，其衍生方法后来逐渐被用于其他领域，如复杂网络中关键节点的识别、电网网架重构过程中节点重要度的计算等。然而，在关键节点的识别过程中这些衍生方法并没有体现出节点本身重要性对其重要度的影响，并且往往认为节点之间的连接是无差异的，同时还隐含了节点对间的联系都是按照最短路径进行的这一假设。
目前，在电网关键节点识别方面国内外已有不少相关研究，但现有研究在识别电网关键节点时大多基于节点和输电线路的拓扑关系，在考虑节点间潮流流动时也较少考虑基尔霍夫定律，因此所得结果与电网实际情况仍然存在较大的差距。同时，部分识别方法也存在计算过程较为复杂，耗时过多的不足。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种基于节点重要度贡献理论，通过对关键性节点的重要性进行综合排序的区域电网关键节点评估方法。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于节点重要度的电网关键节点评估方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤1.输入电力系统拓扑结构、线路参数和节点参数；
步骤2.计算节点对之间的改进的电气距离；设节点i与节点j为节点对，该节点对之间的改进的电气距离
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000021
其中，
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000022
表示在节点i增加单位功率注入，在节点j增加单位功率消耗时支路k上潮流的变化量；lk表示支路的长度，xk表示支路k的电抗值，取lk＝xk，；其中，i＝1,2,...,nb，j＝1,2,...,nb， k＝1,2,...,nbr，nb和nbr分别表示节点和支路的数目；
步骤3.计算每一个节点的效率值
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000023
步骤4.确定每一个节点的初始权重Di；
步骤5.将所有支路的电阻值设为0后进行稳态潮流计算，得出从节点i往节点j传输的有功功率Pij；
步骤6.计算并形成节点重要度贡献系数矩阵；节点重要度贡献系数矩阵
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000024
其中，δij表示节点i对于节点j的重要度贡献系数；
步骤7.计算并形成节点重要度贡献矩阵
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000031
其中，矩阵元素Cij表示节点i对节点j的重要度贡献；
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000032
表示所有节点初始权重的平均值；
步骤8.计算每一个节点的节点重要度
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000033
并按照由大到小的顺序进行排序；
步骤9.排序完成，输出与节点重要程度相对应的排序结果。排名越靠前的节点其重要程度越高。
特别是在步骤1中，发电机、负荷和变电站母线设为节点；除并联电容支路外，包括输电线和变压器支路的每一电力线路均设为无向有权边，且同杆并架的输电线合并。通过这种简化，消除自环和多重线路，使模型成为简单图。
其中，发电机节点的Di为发电机的有功出力；负荷节点的Di为负荷消耗的有功功率的正值；同时与电机和负荷相连的节点，Di为注入有功功率和消耗有功功率中的较大值。
更进一步的是，采用直流法计算PTDF向量
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000034
其中，H(ij)表示在节点i增加单位功率注入，在节点j增加单位功率消耗时得到的 PTDF向量。
特别地，在进行稳态潮流计算时忽略了输电线路的电阻，故有|Pij|＝|Pji|；同时又由于潮流分布的不确定性，δij未必等于δji。
一种基于节点重要度的电网关键节点评估方法，其特征在于，针对区域电网的有功潮流分布情况，依据节点重要程度对区域电网关键节点排序。
本发明的有益效果是：
本发明首先基于功率传输转移因子(PTDF,Power Transfer DistributionFactors)定义了改进的电气距离；接着定义了节点效率和节点初始权重；然后给出节点重要度贡献系数矩阵和节点重要度贡献矩阵的构建方法，在此基础上给出了电网节点重要度的计算方法，从而识别出区域电网的关键节点。本发明从有功功率分布的角度综合了节点的全局重要性和局部重要性，能够提高识别的准确性；而且随着电网运行方式及运行状态的不同，本发明计算得到的节点重要度也可以动态地发生变化，符合节点重要度评估的实际工程需要；所得结果还可以有助于指导电力系统运行人员制定电力系统应急预防策略。这种基于节点重要度的电网关键节点评估方法，简单实用，可以实时、有效地根据电网运行情况识别出区域电网的关键节点，对识别出电网关键节点并进行重点保护对防止发生重大停电事故具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的计算流程图。
图2为新英格兰10机39节点电力系统接线图。
图3为本发明实施例的计算结果。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明某一实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅附图1，附图1为本发明一种基于节点重要度的电网关键节点评估方法的计算流程图，所述方法包括如下步骤：
步骤1.输入电力系统拓扑结构、线路参数和节点参数；
步骤2.计算节点对之间的改进的电气距离；
步骤3.计算每一个节点的效率值；
步骤4.确定每一个节点的初始权重；
步骤5.将所有支路的电阻值设为0后进行稳态潮流计算；
步骤6.计算并形成节点重要度贡献系数矩阵；
步骤7.计算并形成节点重要度贡献矩阵；
步骤8.计算每一个节点的节点重要度并按从大至小排序；
步骤9.排序完成，输出排序结果。
具体地，在步骤1中，将发电机、负荷和变电站母线等效为节点；所有电力线路(包括输电线和变压器支路)均简化为无向有权边，合并同杆并架的输电线，不计并联电容支路(消除自环和多重线路)，使模型成为简单图。在步骤2中，节点i与节点j之间的改进的电气距离按下式计算：
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000051
式中，
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000052
为采用直流法计算得到PTDF向量
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000053
中第个k元素，H(ij)表示在节点i增加单位功率注入，在节点j增加单位功率消耗时得到的PTDF向量；lk表示支路的长度，用电气距离代替实际长度，即lk＝xk，xk表示支路k的电抗值；其中，i＝1,2,...,nb，j＝1,2,...,nb，k＝1,2,...,nbr，nb和nbr分别表示节点和支路的数目。在步骤3中，节点i的效率值按下式进行计
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000054
在步骤4中，将发电机节点的初始权重Di定义为发电机的有功出力；将负荷节点的初始权重Di定义为负荷消耗的有功功率(取正值)；对于既连着发电机，又连着负荷的节点，初始权重Di取注入有功功率和消耗有功功率中的较大值。在步骤5中，稳态潮流计算采用牛顿法进行迭代计算。在步骤6中，节点重要度贡献系数矩阵按下式计算：
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000055
其中，δij表示节点 i对于节点j的重要度贡献系数；Pij表示从节点i往节点j传输的有功功率，由步骤5计算得到，实际中，一般采用商业软件PSD-BPA进行计算获得。在步骤7 中，节点重要度贡献矩阵按下式计算：
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000056
式中，矩阵元素Cij表示节点i对节点j的重要度贡献；
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000057
表示所有节点初始权重的平均值。在步骤8中，节点重要度按下式计算：
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000061
请参阅附图2，以附图2所示的新英格兰10机39节点电力系统作为算例，图中，数字1～39分别代表39个节点，系统的线路参数和节点参数见表1～表3；系统的基准容量为100MVA，基准电压为345kV；表1中，节点类型1、2和3 分别表示该节点类型为PQ节点、PV节点和平衡节点；按照上述步骤进行计算，计算得到各节点的效率值、节点重要度及节点重要度排序见附图3。
表1新英格兰10机39节点系统节点参数
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000062
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000071
表2新英格兰10机39节点系统发电机参数
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000072
表3新英格兰10机39节点系统线路参数
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000073
Figure DEST_PATH_GDA0001346379680000081
请参阅附图3，由附图3的结果，节点16为附图2所示系统中最重要的节点，重要度最高的10个关键节点依次为节点16、节点19、节点20、节点6、节点 23、节点22、节点8、节点10、节点34和节点5。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (3)

1.一种基于节点重要度的电网关键节点评估方法，其特征在于包含如下步骤：
步骤1.输入电力系统拓扑结构、线路参数和节点参数，其中发电机、负荷和变电站母线设为节点，除并联电容支路外，包括输电线和变压器支路的每一电力线路均设为无向有权边，且同杆并架的输电线合并；
步骤2.计算节点对之间的改进的电气距离；设节点i与节点j为节点对，该节点对之间的改进的电气距离
Figure FDA0002408966740000011
其中，
Figure FDA0002408966740000012
表示在节点i增加单位功率注入，在节点j增加单位功率消耗时支路k上潮流的变化量；lk表示支路的长度，xk表示支路k的电抗值，取lk＝xk，其中，i＝1,2,...,nb，j＝1,2,...,nb，k＝1,2,...,nbr，nb和nbr分别表示节点和支路的数目；
步骤3.计算每一个节点的效率值
Figure FDA0002408966740000013
步骤4.确定每一个节点的初始权重Di，其中，发电机节点的Di为发电机的有功出力；负荷节点的Di为负荷消耗的有功功率的正值；同时与电机和负荷相连的节点，Di为注入有功功率和消耗有功功率中的较大值；
步骤5.将所有支路的电阻值设为0后进行稳态潮流计算，得出从节点i往节点j传输的有功功率Pij，且|Pij|＝|Pji|；
步骤6.计算并形成节点重要度贡献系数矩阵；节点重要度贡献系数矩阵
Figure FDA0002408966740000014
其中，δij表示节点i对于节点j的重要度贡献系数；
步骤7.计算并形成节点重要度贡献矩阵
Figure FDA0002408966740000015
其中，矩阵元素Cij表示节点i对节点j的重要度贡献；
Figure FDA0002408966740000021
表示所有节点初始权重的平均值；
步骤8.计算每一个节点的节点重要度
Figure FDA0002408966740000022
并按照由大到小的顺序进行排序；
步骤9.排序完成，输出与节点重要程度相对应的排序结果。
2.根据权利要求1所述的基于节点重要度的电网关键节点评估方法，其特征在于，采用直流法计算PTDF向量
Figure FDA0002408966740000023
其中，H(ij)表示在节点i增加单位功率注入，在节点j增加单位功率消耗时得到的PTDF向量。
3.根据权利要求1所述的基于节点重要度的电网关键节点评估方法，其特征在于，针对区域电网的有功潮流分布情况，依据节点重要程度对区域电网关键节点排序。
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