CN107423921B - 一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法 - Google Patents

一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，利用发电机和负荷之间电气剖分信息，对无权拓扑模型下的线路进行加权，形成加权电网拓扑模型，确定支路脆弱性指标，识别电力系统关键环节，反映发电机和负荷节点对之间功率传输对线路的利用情况，并量化这种利用情况与支路传输功率极限的关系，进行电网运行风险分析。本发明较好的反应某运行状态下发电机和负荷对之间的电气供求关系，可以量化这种情况与支路传输功率极限的关系。

Description

一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法
技术领域
本发明涉及一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法。
背景技术
近年来，国内外相继发生了多起造成严重后果的电网大停电事故，因此，电力系统的运行风险分析成为重要的研究课题。统计数据表明，大停电事故一般由个别元件故障开始并最终导致全系统崩溃，而其中极少数具有长程连接的线路往往起到推波助澜的作用。
因此如何定义支路脆弱性指标寻找这些关键性线路，或称“脆弱线路”,可以为预防和控制电力系统的连锁故障提供理论依据。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，本发明基于电力系统双向剖分理论，提出一种利用发电机和负荷之间电气剖分信息，确定支路脆弱性指标，识别电力系统关键环节的方法。该方法能够真实的反映发电机和负荷节点对之间功率传输对线路的利用情况，并量化这种利用情况与支路传输功率极限的关系。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，利用发电机和负荷之间电气剖分信息，对无权拓扑模型下的线路进行加权，形成加权电网拓扑模型，确定支路脆弱性指标，识别电力系统关键环节，反映发电机和负荷节点对之间功率传输对线路的利用情况，并量化这种利用情况与支路传输功率极限的关系，进行电网运行风险分析。
一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，具体包括以下步骤：
(1)将电网中的潮流以通信网络中的信号流的形式按最短路径在发电机—负荷节点对间传输，定义线路的加权线路介数；
(2)对线路加权介数进行修正，根据修正后的线路加权介数定义线路的支路有向电气介数；
(3)基于复杂网络理论的最大流方法定义评价网络中支路的脆弱性评价指标，以进行电网运行风险分析。
所述步骤(1)中，对无权拓扑模型下的线路进行加权，形成加权电网拓扑模型，在加权拓扑模型中，认为电网中的潮流像通信网络中的信号流那样按最短路径在发电机—负荷节点对间传输，据此定义线路的加权线路介数。
所述步骤(2)中，将线路的加权介数修正为与该线路始末端相连接的所有线路的加权介数的最大值后，将加权线路介数与节点的负荷经济因子相乘，得到修正的加权线路介数。
所述步骤(2)中，根据各负荷节点所带负荷的大小、发电机节点所带的发电机的出力大小以及假设在发电机节点到负荷节点的传输路径上注入单位的电流值后线路上流过的电流值，确定线路的电气介数。
所述步骤(2)中，根据发电机的有功功率、发电机向负荷传输的功率在线路上的分量和发电机向负荷传输的功率，确定支路有向电气介数。
所述步骤(3)中，基于复杂网络理论的最大流方法定义评价网络中支路的脆弱性评价指标为
Figure BDA0001416414520000031
式中：Cij为支路ij的支路脆弱性评价指标；
Figure BDA0001416414520000032
为发电机节点u向负荷节点v传递功率时流经支路ij的流；
Figure BDA0001416414520000033
为发电机节点u—负荷节点v之间的最大流。
针对于发电机至负荷的传输路径链定义功率传输容量，以表示功率从发电机节点注入，负荷节点流出时，线路在所有传输路径链中的最小传输极限。
针对运行状态确定的电力网络，首先对其进行双向电气剖分，得出发电机和负荷之间的供求关系，以及支路的电气特征信息等剖分结果，结合已有模型的基本思想，确定剖分子支路脆弱性评价指标。
原始网络中所有支路表现的脆弱性，是各个支路对应的剖分子支路脆弱性分量的综合效应之和。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明严格遵循基本的电气原理和规律，能够真实的反映发电机和负荷节点对之间功率传输对线路的利用情况；
2.本发明可以较好的反应某运行状态下发电机和负荷对之间的电气供求关系，可以量化这种情况与支路传输功率极限的关系。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是示例网络；
图2是示例电网；
图3是简单反例系统；
图4是IEEE 10机39节点系统接线图；
图5是支路25-26故障后发电机功角偏差曲线；
图6是支路16-17故障后发电机功角偏差曲线。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在大停电事故一般由个别元件故障开始并最终导致全系统崩溃，而其中极少数具有长程连接的线路往往起到推波助澜的作用的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种利用发电机和负荷之间电气剖分信息、确定支路脆弱性指标、识别电力系统关键环节的方法。
电网脆弱性评价中的核心部分是评价指标的建立。为了使所建立的评价指标对电网的脆弱性评价结果有意义，在建立脆弱性评价指标时一定要结合电网的网络特性。介绍了采用双向电气剖分理论进行潮流追踪，追踪结果严格准训基本的电气原理和规律，反映的是网络拓扑结构和运行状态的共同作用的影响。在对现有的电网脆弱性评价指标进行总结的基础上，基于电力系统双向剖分理论，提出一种利用发电机和负荷之间电气剖分信息，确定支路脆弱性指标，识别电力系统关键环节的方法。该方法能够真实的反映发电机和负荷节点对之间功率传输对线路的利用情况，并量化这种利用情况与支路传输功率极限的关系。
本发明是通过下述技术方案实现的，具体措施为：
1)线路(m,n)的加权线路介数
对无权拓扑模型下的线路进行加权，形成加权电网拓扑模型,在加权拓扑模型中，认为电网中的潮流像通信网络中的信号流那样按最短路径在发电机—负荷节点对间传输。据此定义线路(m,n)的加权线路介数为：
Figure BDA0001416414520000051
式中：BLW(m,n)为线路(m,n)的加权介数，m为线路的始端节点，n为线路的末端节点；SW为经过线路(m,n)的最短路径的发电机序号集合；Wk为网络潮流在按最短路径进行传输的前提下，第k台发电机的发电容量与第k台发电机的最短传输路径经过线路(m,n)的次数的乘积。图1给出了简单网络的示意图。
2)支路有向电气介数
将线路的加权介数修正为与该线路始末端相连接的所有线路的加权介数的最大值，修正后的线路加权介数如公式(2)所示：
BLW(m,n)＝max(BLW(m,i),BLW(j,n)) (2)
式中BLW(m,i)是所有与节点m相连的线路的加权介数；BLW(j,n)是所有与节点n相连的线路的加权介数。
将加权线路介数与节点的负荷经济因子相乘，进一步改进了加权线路介数：
Figure BDA0001416414520000061
式中：αk为负载的经济因子。
定义线路(m,n)的电气介数(Electric Betweenness)Bε(m,n)如下：
Figure BDA0001416414520000062
式中：G是所有发电机节点的集合；L是所有负荷节点的集合；Wi是节点i所带的发电机的出力大小；Wj是节点j所带负荷的大小；Iij(m,n)是假设在发电机节点i到负荷节点j的传输路径上注入单位的电流值后，线路(m,n)上流过的电流值。
改进支路电气介数，指出如下的支路有向电气介数：
Figure BDA0001416414520000071
式中：B(l)为支路l的有向电气介数；G为网络中的发电机节点编号；L为网络中的负荷节点编号；PGi为发电机i的有功功率；Pij(l)为发电机i向负荷j传输的功率在线路l上的分量；Pij为发电机i向负荷j传输的功率。
图2给出了利用修正后的支路加权介数指标进行脆弱性评价的网络。
3)支路的脆弱性评价指标
图3给出了有一个发电机节点和两个负荷节点的简单系统，支路i-j上流过的功率大小为
Figure BDA0001416414520000072
式中：Pij为支路i-j上流过的功率；Ui和Uj分别为支路i-j首端节点i和终端节点j的电压幅值；θi和θj分别为支路i-j首端节点i和终端节点j的电压相角；Xij为支路i-j的电抗值。基于复杂网络理论的最大流方法定义评价网络中支路的脆弱性评价指标为
Figure BDA0001416414520000073
式中：Cij为支路ij的支路脆弱性评价指标；
Figure BDA0001416414520000074
为发电机节点u向负荷节点v传递功率时流经支路ij的流；
Figure BDA0001416414520000075
为发电机节点u—负荷节点v之间的最大流。
矩阵元素hej的物理意义是：在节点j注入单位的功率后，线路e上产生的功率变化；
Figure BDA0001416414520000076
的物理意义是：当功率是由发电机g注入，负荷节点d流出时，线路e的功率变化。
Figure BDA0001416414520000077
的计算公式如下：
Figure BDA0001416414520000081
式中：hεg表示在节点g注入单位的功率后，在支路e上引起的功率变化；hεd表示在节点d注入单位的功率后，在支路上e引起的功率变化；E表示网络的支路集合。
针对于发电机至负荷的传输路径链定义了功率传输容量
Figure BDA0001416414520000082
Figure BDA0001416414520000083
表示功率从发电机节点g注入，负荷节点d流出时，线路e在所有传输路径链中的最小传输极限。其定义式如下：
Figure BDA0001416414520000084
至此，该文中重新将线路介数定义，定义式如下：
T(e)＝max[Tp(e)，|Tp(e)|] e∈E (10)
Figure BDA0001416414520000085
式中：
Figure BDA0001416414520000086
的意思同上；
Figure BDA0001416414520000087
表示功率从节点g流向d时线路e上的实际功率值；T(e)是线路e上传送功率总和；G是网络中的所有发电机节点集合；D是网络中的所有负荷节点的集合。
针对运行状态确定的某电力网络，首先对其进行双向电气剖分，得出发电机和负荷之间的供求关系，以及支路的电气特征信息等剖分结果，结合已有模型的基本思想，本发明提出了如下的剖分子支路脆弱性评价指标：
Figure BDA0001416414520000088
式中：Pk,p为发电机i向负荷j传输功率时，流经线路l的剖分子支路k时传输的功率；Pk(l)max为剖分子支路k所在的原始网络第l条支路的有功功率极限值；Pi和Pij分别为发电机i出力和负荷j实际值；G为网路中的发电机的节点集合；L为网络中的负荷节点的集合。
原始网络第l条支路表现的脆弱性，应是支路l对应的剖分子支路脆弱性分量的综合效应，本发明定义原始网络第l条支路的脆弱性指标：
Figure BDA0001416414520000091
图4给出了IEEE39节点系统结构图，对线路脆弱性进行分析。
对IIEEE39节点系统进行双向电气剖分，应用本发明所提出的支路脆弱性指标模型，对支路的脆弱性指标进行计算和排序，结果如表1所示：
表1IEEE39节点系统脆弱线路排序
Figure BDA0001416414520000092
Figure BDA0001416414520000101
Figure BDA0001416414520000111
使用MATLAB中工具箱PSAT进行时域仿真：1s时分别在支路25-26和16-17设置故障，4s时解除故障，记录20s内各台发电机相对平衡节点的功角偏差曲线。图5为支路25-26故障后的发电机功角偏差曲线，可看出发电机30，37和39的功角差变得越来越大，不能恢复到之前的状态，表明系统在此种情况下不能保持暂态稳定；图6为支路16-17故障后发电机功角偏差曲线，可以看出各发电机的功角偏差曲线发生振荡，并且振幅逐渐衰减，表明系统在此种情况下能保持暂态稳定。
应用双向电气剖分结果深入分析，可以看出发电机节点30、37、38、39、和负荷节点15、24之间传输路径集合均含有支路16-17，该支路虽承担较多的输电任务，但其支路本身电气特征参数相比其他支路对系统运行状态影响较小，导致支路16-17脆弱性指标排序相对靠后，表明本发明模型在衡量电力网络线路脆弱性时，能准确反映电力系统的运行状态特性。
综上，经过对以往脆弱性评价指标的深入分析和探讨，定义了新的支路脆弱性指标。该脆弱性指标是根据电气剖分，结果得到的，是电网结构和运行状态共同作用的结果，能够真实的反映发电机和负荷节点对之间功率传输对线路的利用情况，并量化这种利用情况与支路传输功率极限的关系。最后本章对IEEE39节点系统进行算例仿真，对线路的脆弱性指标进行计算和排序，验证了本发明方法的有效性。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，其特征是：利用发电机和负荷之间电气剖分信息，对无权拓扑模型下的线路进行加权，形成加权电网拓扑模型，确定支路脆弱性指标，识别电力系统关键环节，反映发电机和负荷节点对之间功率传输对线路的利用情况，并量化这种利用情况与支路传输功率极限的关系，进行电网运行风险分析；具体包括以下步骤：
(1)将电网中的潮流以通信网络中的信号流的形式按最短路径在发电机—负荷节点对间传输，定义线路的加权线路介数；
(2)对线路加权介数进行修正，根据修正后的线路加权介数定义线路的支路有向电气介数；
(3)基于复杂网络理论的最大流方法定义评价网络中支路的脆弱性评价指标，以进行电网运行风险分析。
2.如权利要求1所述的一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，其特征是：所述步骤(1)中，对无权拓扑模型下的线路进行加权，形成加权电网拓扑模型，在加权拓扑模型中，认为电网中的潮流像通信网络中的信号流那样按最短路径在发电机—负荷节点对间传输，据此定义线路的加权线路介数。
3.如权利要求1所述的一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，将线路的加权介数修正为与该线路始末端相连接的所有线路的加权介数的最大值后，将加权线路介数与节点的负荷经济因子相乘，得到修正的加权线路介数。
4.如权利要求1所述的一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，根据各负荷节点所带负荷的大小、发电机节点所带的发电机的出力大小以及假设在发电机节点到负荷节点的传输路径上注入单位的电流值后线路上流过的电流值，确定线路的电气介数。
5.如权利要求1所述的一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，其特征是：所述步骤(2)中，根据发电机的有功功率、发电机向负荷传输的功率在线路上的分量和发电机向负荷传输的功率，确定支路有向电气介数。
6.如权利要求1所述的一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，其特征是：所述步骤(3)中，基于复杂网络理论的最大流方法定义评价网络中支路的脆弱性评价指标为
Figure FDA0002457490190000021
式中：cij为支路ij的支路脆弱性评价指标；
Figure FDA0002457490190000022
为发电机节点u向负荷节点v传递功率时流经支路ij的流；
Figure FDA0002457490190000023
为发电机节点u—负荷节点v之间的最大流。
7.如权利要求1所述的一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，其特征是：针对于发电机至负荷的传输路径链定义功率传输容量，以表示功率从发电机节点注入，负荷节点流出时，线路在所有传输路径链中的最小传输极限。
8.如权利要求1所述的一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，其特征是：针对运行状态确定的电力网络，首先对其进行双向电气剖分，得出发电机和负荷之间的供求关系，以及支路的电气特征信息剖分结果，结合已有模型的基本思想，确定剖分子支路脆弱性评价指标。
9.如权利要求1所述的一种基于剖分理论的电网运行风险分析方法，其特征是：原始网络中所有支路表现的脆弱性，是各个支路对应的剖分子支路脆弱性分量的综合效应之和。
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