CN108631306B - 一种电力系统灾后恢复能力的评估方法 - Google Patents

一种电力系统灾后恢复能力的评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力系统灾后恢复能力的评估方法：1)明确电力系统受损情况、获得系统恢复方案；2)模拟线路的修复过程，利用时序蒙特卡洛仿真对故障线路运行状态进行时序采样；3)分析系统状态，进行基于直流最优潮流的系统最小切负荷计算；4)计算恢复能力评价指标、绘制恢复过程曲线。利用本发明所述方法可以对电力系统受到灾害破坏后的设备与负荷恢复能力进行快速评估，该评估过程兼顾了救灾人员与救灾物资的运输过程，而且可以利用相关评价指标，分析灾后系统恢复的响应速度、恢复效率与恢复的经济性，并且比较不同恢复策略的预期效果，可以用于为电力系统灾后恢复策略的制定与防灾减灾规划提供参考建议。

Description

一种电力系统灾后恢复能力的评估方法
技术领域
本发明属于电力系统安全规划运行领域，具体涉及一种电力系统灾后恢复能力的评估方法。
背景技术
电力系统是国民经济发展建设的基础。安全可靠的电力系统是社会与经济良好健康发展的重要保证。极端天气对电力系统的影响在过去几十年里在世界范围内越来越明显。这些事件通常被归类为高影响率的低概率事件，因为它们的发生频率可能相对较低，但可能造成极其严重的危害，造成大规模的设备故障与负荷损失。如何实现灾害后电力系统设备的快速修复与负荷的快速恢复，已成为了目前电力系统领域研究中的热点问题。但是，目前还没有清晰明确的评估方法与评价指标来量化电力系统灾后恢复能力的大小。如何量化灾后系统恢复策略的快速性、有效性与经济性，如何建立合理的评估方法与评价指标，是值得深入研究的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电力系统灾后恢复能力的评估方法。本方法可对电力系统受到灾害破坏后的设备与负荷恢复能力进行快速评估，分析灾后系统恢复的响应速度、恢复效率与恢复的经济性，并且比较不同恢复策略的预期效果。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种电力系统灾后恢复能力的评估方法，所述方法包括以下步骤：
明确电力系统受损情况、获得系统恢复方案；
模拟线路的修复过程，利用时序蒙特卡洛仿真对故障线路运行状态进行时序采样；
分析系统状态，进行基于直流最优潮流的系统最小切负荷计算；
计算恢复能力评价指标、绘制恢复过程曲线。
作为本发明的进一步改进，在灾害结束后立即获得故障点的位置、故障元件的类型、电网拓扑结构以及电网的地理信息应该，在此基础上得到设备修复和系统负荷恢复方案。
作为本发明的进一步改进，线路修复过程仿真具体为：
用BPR函数来建立灾后抢修队伍的路程时间模型；其路程时间表达式为：
t＝t0[1+α(V/C)β]
式中，t0为正常状况下的自由行驶时间，V为道路交通流量，C为道路实际通行能力，α为回归系数，β为修正系数；V/C的值在0.8～1.2中均匀分布；
单个故障点的修复时间服从指数分布，修复时间为：
trepair＝-tmttr·ln(u)
tmttr是线路在灾害环境下的修复时间，设为小时，u为在0～1上均匀分布的随机数；
当某条输电线路上的所有故障都被清除时，该线路的运行状态设为1，表示该线路可以正常投入工作状态。
作为本发明的进一步改进，灾后电力系统状态分析方法为：
结合元件状态，通过潮流计算进行电力系统运行状态分析；如果出现发电机出力不足或线路潮流越线情况，进行系统最小切负荷计算；
首先判断线路是否停运，若有线路停运，则进入解列分析模块；若无线路停运，则输出结果；
分析系统是否解列，若系统解列，则在各个孤岛内进行功率潮流分析，统计各孤岛内的失负荷量，累加各孤岛的负荷损失量得到本次的失负荷量；如果没有解列，则进入潮流分析模块；具体流程如下：
灾害环境下对系统进行潮流计算。
(a)系统潮流收敛，但是变量超出平衡节点调节范围时或线路传输容量约束等其他不等式约束范围，灵活调节系统各机组出力情况：统计非平衡机且未达到最大出力上限的机组集合ng，将负荷-出力不平衡量按机组出力比例分配到ng中各台机组，将调整后出力越限的机组出力限制到最大值，并更新ng；重复计算直至潮流收敛，当计算次数超过指定的调节次数上限时，进行基于最优潮流的最小切负荷分析；
(b)系统潮流不收敛，总负荷超过系统发电机最大出力之和调节，进行最小切负荷优化计算；否则按照步骤(a)中的流程对处理；
Figure BDA0001666676730000031
Figure BDA0001666676730000032
0≤P≤Pmax
0≤D≤Dmax
Figure BDA0001666676730000033
PTDF·(P-D)≥F
式中i是节点的编号，D是节点的负荷功率向量，P是节点的发电机注入功率向量，N是节点总数，Dmax是各节点的负荷需求向量，Pmax是各发电机的最大发电量向量，PTDF是功率分布因子矩阵，
Figure BDA0001666676730000035
是线路潮流容量上限向量，F是线路潮流容量下限向量；pi和di分别是各节点的注入功率和负荷功率，是决策变量；该状态校正模型的目标函数是系统总的失负荷量最小。
作为本发明的进一步改进，恢复能力评价指标为：
响应能力方面
a.从灾害结束时刻(ted)到负荷开始恢复时刻(tsl)的时间长度，即LEDSR，表示系统处于灾后最严重故障状态的时间长度；
b.负荷恢复开始一小时后的负荷恢复比例RLRO
Figure BDA0001666676730000034
L1h,i是母线i在tsl一小时后恢复的负荷大小；Nb是系统母线数量，是母线i上的实际负荷需求，Leb,i是母线i上的灾后实际失负荷量；
c.从ted到系统恢复到指定比例的时间长度，用tsp表示；
恢复效率方面
从系统负荷平均恢复速度、系统负荷恢复效率、重要负荷恢复效率三个方面进行了评估：
Figure BDA0001666676730000041
tre是系统负荷恢复结束时间，母线i上的负荷根据负荷重要度被分为ni类，pij是时刻tsl母线i上负荷j的失负荷量，pij(t)是母线i上负荷j的实时失负荷量，从式中可以观察到，ARSS本质上是系统恢复避免的负荷损失与不进行恢复造成的最大损失之间的比例：
Figure BDA0001666676730000042
wij是母线i上负荷j的负荷重要度因子；
Figure BDA0001666676730000043
pid是时刻tsl母线i上重要负荷的失负荷量，pi(t)是母线i上重要负荷的实时失负荷量；
恢复经济性方面
Figure BDA0001666676730000044
cij是母线i上负荷j单位时间内的停电经济损失，Crep是系统恢复过程的总经济成本。
负荷j单位时间内的停电经济损失，Crep是系统恢复过程的总经济成本。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明先明确电力系统受损情况、获得系统恢复方案，进而模拟线路的修复过程，利用时序蒙特卡洛仿真对故障线路运行状态进行时序采样；分析系统状态，进行基于直流最优潮流的系统最小切负荷计算，计算恢复能力评价指标、绘制恢复过程曲线。通过本发明的方法可以对电力系统受到灾害破坏后的设备与负荷恢复能力进行快速评估，该评估过程兼顾了救灾人员与救灾物资的运输过程，而且可以利用相关评价指标，分析灾后系统恢复的响应速度、恢复效率与恢复的经济性，并且比较不同恢复策略的预期效果，可以用于为电力系统灾后恢复策略的制定与防灾减灾规划提供参考建议。
附图说明
图1为电力系统灾后恢复能力的评估方法的程序流程图。
图2为故障线路修复流程图。
图3为算例示意图。
图4为灾后负荷恢复曲线。
图5为灾后故障元件修复曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
参见图1，本发明所述一种本发明提供了一种电力系统灾后恢复能力的评估方法。通过明确电力系统受损情况、获得系统恢复方案，模拟线路的修复过程，利用时序蒙特卡洛仿真对故障线路运行状态进行时序采样，进而分析系统状态，进行基于直流最优潮流的系统最小切负荷计算，最后计算恢复能力评价指标、绘制恢复过程曲线。可对电力系统受到灾害破坏后的设备与负荷恢复能力进行快速评估，分析灾后系统恢复的响应速度、恢复效率与恢复的经济性，并且比较不同恢复策略的预期效果。
1)明确电力系统受损情况、获得系统恢复方案
故障点的位置，故障元件的类型，电网拓扑结构以及电网的地理信息应该在灾害结束后立即获得，调度员和决策者在此基础上制定设备修复和系统负荷恢复方案。救灾资源的充裕度与情况，修理人员的数量，负荷节点上可用的分布式发电配置情况。以这些信息为基础，决策者完成系统恢复方案的制定，给出维修队伍的分配和路线情况。
2)模拟线路的修复过程，利用时序蒙特卡洛仿真对故障线路运行状态进行时序采样
在给定恢复方案后，进行故障元件状态采样，以模拟修复队伍的工作过程与故障设备修复下运行状态变化过程，而顺序蒙特卡罗方法适合于这种仿真。
用BPR函数来建立灾后抢修队伍的路程时间模型。其路程时间表达式为：
t＝t0[1+α(V/C)β]
式中，t0为正常状况下的自由行驶时间，V为道路交通流量，C为道路实际通行能力，α为回归系数，β为修正系数。考虑到灾后道路通行能力可能受阻，且车流量较大，因此定V/C的值在0.8～1.2中均匀分布。
单个故障点的修复时间服从指数分布。本专利只考虑了灾害对输电线路的破坏情况，对输电线路故障进行修复。修复时间为：
trepair＝-tmttr·ln(u)
tmttr是线路在灾害环境下的修复时间，设为小时，u为在0～1上均匀分布的随机数。
当某条输电线路上的所有故障都被清除时，该线路的运行状态设为1，表示该线路可以正常投入工作状态。
3)分析系统状态，进行基于直流最优潮流的系统最小切负荷计算
结合元件状态，通过潮流计算进行电力系统运行状态分析。如果出现发电机出力不足或线路潮流越线情况，进行系统最小切负荷计算。
首先判断线路是否停运(故障)，若有线路停运，则进入解列分析模块；若无线路停运，则输出结果。
分析系统是否解列，若系统解列，则在各个孤岛内进行功率潮流分析，统计各孤岛内的失负荷量，累加各孤岛的负荷损失量得到本次的失负荷量(负荷损失量)；如果没有解列，则进入潮流分析模块。具体流程如下：
灾害环境下对系统进行潮流计算(若系统发生了解列则对孤岛进行潮流计算)。
(a)系统(孤岛)潮流收敛，但是变量超出平衡节点调节范围时或线路传输容量约束等其他不等式约束范围，灵活调节系统(孤岛)各机组出力情况：统计非平衡机且未达到最大出力上限的机组集合ng，将负荷-出力不平衡量按机组出力比例分配到ng中各台机组，将调整后出力越限的机组出力限制到最大值，并更新ng；重复计算直至潮流收敛，当计算次数超过指定的调节次数上限时，进行基于最优潮流的最小切负荷分析。
(b)系统(孤岛)潮流不收敛，总负荷超过系统(孤岛)发电机最大出力之和调节，进行最小切负荷优化计算；否则按照步骤(a)中的流程对处理。
Figure BDA0001666676730000071
Figure BDA0001666676730000072
0≤P≤Pmax
0≤D≤Dmax
Figure BDA0001666676730000073
PTDF·(P-D)≥F
式中i是节点的编号，D是节点的负荷功率向量，P是节点的发电机注入功率向量，N是节点总数，Dmax是各节点的负荷需求向量，Pmax是各发电机的最大发电量向量，PTDF是功率分布因子矩阵，
Figure BDA0001666676730000074
是线路潮流容量上限向量，F是线路潮流容量下限向量。pi和di分别是各节点的注入功率和负荷功率，是决策变量。该状态校正模型的目标函数是系统总的失负荷量最小。
4)计算恢复能力评价指标、绘制恢复过程曲线。
所有的仿真过程结束后，进行恢复能力指标计算与恢复过程曲线的绘制。恢复力指标有：
响应能力方面
响应能力衡量灾害发生后电力系统快速动作的能力。一个拥有快速响应能力的系统将尽快为负荷，尤其是重要负荷和用户恢复供电，显着提高其灾后供电可靠性。
a.从灾害结束时刻(ted)到负荷开始恢复时刻(tsl)的时间长度，即LEDSR，表示系统处于灾后最严重故障状态的时间长度。
b.负荷恢复开始一小时后的负荷恢复比例RLRO
Figure BDA0001666676730000081
L1h,i是母线i在tsl一小时后恢复的负荷大小。Nb是系统母线数量，是母线i上的实际负荷需求，Leb,i是母线i上的灾后实际失负荷量。
c.从ted到系统恢复到指定比例的时间长度，用tsp表示。
该比例可根据电力系统运行水平或经济、社会效益来制定。
恢复效率方面
恢复效率是系统灾后恢复能力评估的核心环节，主要侧重灾后系统恢复方案的有效性与实际价值。本专利从系统负荷平均恢复速度(ARSS)、系统负荷恢复效率(RES)、重要负荷恢复效率(REI)三个方面进行了评估。
Figure BDA0001666676730000082
tre是系统负荷恢复结束时间。母线i上的负荷根据负荷重要度被分为ni类，pij是时刻tsl母线i上负荷j的失负荷量，pij(t)是母线i上负荷j的实时失负荷量。从式中可以观察到，ARSS本质上是系统恢复避免的负荷损失与不进行恢复造成的最大损失之间的比例。
Figure BDA0001666676730000091
wij是母线i上负荷j的负荷重要度因子。
Figure BDA0001666676730000092
pid是时刻tsl母线i上重要负荷的失负荷量，pi(t)是母线i上重要负荷的实时失负荷量。
负荷重要度是系统恢复过程中需要考虑的重要因素，有必要率先恢复重要负荷(如，医院、政府、救援调度中心等)，这样能显著降低停电损失、减少社会影响。此外，在电力市场环境下，处于经济性考虑，普通用户愿意承担的停电损失可以不视为负荷损失来考虑，可用其他方式进行补偿。
恢复经济性方面
Figure BDA0001666676730000093
cij是母线i上负荷j单位时间内的停电经济损失，Crep是系统恢复过程的总经济成本。
算例分析
采用标准IEEE-RTS 79测试系统作为算例说明，该系统有33台发电机，38条线路，系统峰值负荷为2850MW，假设系统线路18(11-13)，19(11-14)，20(12-13)，21(12-23)，27(15-24)受到灾害破坏而断线，系统解列为两个孤岛。故障点分布情况见表1。失负荷节点上分布式发电的分布情况、灾后开始工作时间见表2。表3为各节点的失负荷情况
表1
线路 15-24 11-14 12-23 11-13 12-13
故障点距离(km) 70,20,15 55,28 108,3,6,48 75,38,4 90,13,4,3
第二行单元表示线路上相邻故障点之间的距离。每个单元的第一个元素表示维修站到线路上最近故障点的距离。
表2
母线编号 5 8 10
分布式发电容量(MW) 5 12 12
开始工作时间(h) 2 2 2
表3
母线编号 1 5 6 8 10
切负荷量(MW) 75 71 136 171 195
假设该系统有三个维修队，每个队有五个队员。系统修复过程中不会出现物资短缺的情况。每个故障点的修复工作结束后，抢修队会立即前往下一个故障点，直到本队的任务完成为止。
基于以上假设，提出两套系统恢复方案，见表4，表5.
表4
任务1 任务2
队伍1 18(30,38,4), 20(65,13,4,3)
队伍2 21(108,4,48) -
队伍3 27(70,20,15) 19(110,28)
表5
Figure BDA0001666676730000101
Figure BDA0001666676730000111
各任务单元中的第一个元素表示待修复线路的编号，括号中为相邻工作点之间的距离，任务1中括号中的第一个元素为抢修中心与线路上最近故障点的距离。
通过时序蒙特卡洛仿真，模拟了系统的灾后恢复过程。各项恢复能力参数见表6和表7.
表6
指标 方案1 方案2
LEDS 2.25 2.25
RLRO 17 17
t<sub>sp</sub>(h) 16.25 15.25
表7
指标 方案1 方案2
ARSS 0.751264 0.765123
RES 0.829625 0.802211
REI 0.951892 0.928232
RSE 0.786423 0.756063
系统恢复曲线见图4与图5.可见，方案1的恢复方案全面优于方案2，因此决策者应选择方案1作为灾后系统恢复方案。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，倘若对本发明进行的各种改动和变形属于本发明权利要求及等同技术范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (4)

1.一种电力系统灾后恢复能力的评估方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
明确电力系统受损情况、获得系统恢复方案；
模拟线路的修复过程，利用时序蒙特卡洛仿真对故障线路运行状态进行时序采样；
分析系统状态，进行基于直流最优潮流的系统最小切负荷计算；
计算恢复能力评价指标、绘制恢复过程曲线；
线路修复过程仿真具体为：
用BPR函数来建立灾后抢修队伍的路程时间模型；其路程时间表达式为：
t＝t0[1+α(V/C)β]
式中，t0为正常状况下的自由行驶时间，V为道路交通流量，C为道路实际通行能力，α为回归系数，β为修正系数；V/C的值在0.8～1.2中均匀分布；
单个故障点的修复时间服从指数分布，修复时间为：
trepair＝-tmttr·ln(u)
tmttr是线路在灾害环境下的修复时间，设为小时，u为在0～1上均匀分布的随机数；
当某条输电线路上的所有故障都被清除时，该线路的运行状态设为1，表示该线路正常投入工作状态。
2.根据权利要求1所述的一种电力系统灾后恢复能力的评估方法，其特征在于，在灾害结束后立即获得故障点的位置、故障元件的类型、电网拓扑结构以及电网的地理信息，在此基础上得到设备修复和系统负荷恢复方案。
3.根据权利要求1所述的一种电力系统灾后恢复能力的评估方法，其特征在于，灾后电力系统状态分析方法为：
结合元件状态，通过潮流计算进行电力系统运行状态分析；如果出现发电机出力不足或线路潮流越线情况，进行系统最小切负荷计算；
首先判断线路是否停运，若有线路停运，则进入解列分析模块；若无线路停运，则输出结果；
分析系统是否解列，若系统解列，则在各个孤岛内进行功率潮流分析，统计各孤岛内的失负荷量，累加各孤岛的负荷损失量得到本次的失负荷量；如果没有解列，则进入潮流分析模块；具体流程如下：
灾害环境下对系统进行潮流计算；
(a)系统潮流收敛，但是变量超出平衡节点调节范围时或线路传输容量约束的不等式约束范围，灵活调节系统各机组出力情况：统计非平衡机且未达到最大出力上限的机组集合ng，将负荷-出力不平衡量按机组出力比例分配到ng中各台机组，将调整后出力越限的机组出力限制到最大值，并更新ng；重复计算直至潮流收敛，当计算次数超过指定的调节次数上限时，进行基于最优潮流的最小切负荷分析；
(b)系统潮流不收敛，总负荷超过系统发电机最大出力之和调节，进行最小切负荷优化计算；否则按照步骤(a)中的流程处理；
Figure FDA0002257628210000021
Figure FDA0002257628210000022
0≤P≤Pmax
0≤D≤Dmax
Figure FDA0002257628210000023
PTDF·(P-D)≥F
式中i是节点的编号，D是节点的负荷功率向量，P是节点的发电机注入功率向量，N是节点总数，Dmax是各节点的负荷需求向量，Pmax是各发电机的最大发电量向量，PTDF是功率分布因子矩阵，
Figure FDA0002257628210000024
是线路潮流容量上限向量，F是线路潮流容量下限向量；pi和di分别是各节点的注入功率和负荷功率，是决策变量；该状态校正模型的目标函数是系统总的失负荷量最小。
4.根据权利要求1所述的一种电力系统灾后恢复能力的评估方法，其特征在于，恢复能力评价指标为：
响应能力方面
a.从灾害结束时刻(ted)到负荷开始恢复时刻(tsl)的时间长度，即LEDSR，表示系统处于灾后最严重故障状态的时间长度；
b.负荷恢复开始一小时后的负荷恢复比例RLRO
Figure FDA0002257628210000031
L1h,i是母线i在tsl一小时后恢复的负荷大小；Nb是系统母线数量，是母线i上的实际负荷需求，Leb,i是母线i上的灾后实际失负荷量；
c.从ted到系统恢复到指定比例的时间长度，用tsp表示；
恢复效率方面
从系统负荷平均恢复速度、系统负荷恢复效率、重要负荷恢复效率三个方面进行了评估：
Figure FDA0002257628210000032
tre是系统负荷恢复结束时间，母线i上的负荷根据负荷重要度被分为ni类，pij是时刻tsl母线i上负荷j的失负荷量，pij(t)是母线i上负荷j的实时失负荷量，从式中可以观察到，ARSS本质上是系统恢复避免的负荷损失与不进行恢复造成的最大损失之间的比例：
Figure FDA0002257628210000033
wij是母线i上负荷j的负荷重要度因子；
Figure FDA0002257628210000041
pid是时刻tsl母线i上重要负荷的失负荷量，pi(t)是母线i上重要负荷的实时失负荷量；
恢复经济性方面
Figure FDA0002257628210000042
cij是母线i上负荷j单位时间内的停电经济损失，Crep是系统恢复过程的总经济成本。
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