CN108767848A - 一种电力系统脆弱线路辨识及连锁故障预防方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统脆弱线路辨识及连锁故障预防方法，包括以下步骤：首先将复杂电网转化为双向加权对偶图；然后利用输电线路间有功功率耦合及相关性关系确定对偶图中节点约束系数；再按照约束系数从小到大的顺序对脆弱线路进行排序，完成脆弱线路辨识；最后根据脆弱输电线路辨识结果改进经典OPA模型，提出一种基于脆弱输电线路辨识的连锁故障预防方法；本发明提出的方法首先能够有效、准确辨识出可能导致高风险的脆弱输电线路；其次可以降低系统的停电风险与连锁故障停电概率。

Description

一种电力系统脆弱线路辨识及连锁故障预防方法

技术领域

本发明涉及电力系统故障检测与防护领域，具体涉及一种电力系统脆弱线路辨识及连锁故障预防。

背景技术

根据北美电力可靠性公司(NERC)定义，连锁故障是“任意位置处故障触发的电力系统元件不受控的相继失效”；虽然连锁性大停电事故是小概率事故，但其灾难性的停电风险却不容忽视；尤其是当系统中的脆弱输电线路发生故障时，系统发生大规模负荷损失程度将明显增加；因此，辨识脆弱的输电线路并加强对其防控，对于抑制故障传播并最大限度地减少停电带来的负荷损失具有重要意义。

国内外对于电力系统薄弱环节辨识与连锁故障预防已有一些研究；目前对电力网络中脆弱线路识别方法包括：借鉴复杂网络结构统计指标-介数的改进电气介数法，该方法主要考虑了线路在功率传输中的作用以及“源-荷”间最大可用传输功率对线路关键性的影响、网络连通性及功率输送分配关系、线路间电气耦合度对故障功率传输的影响等方面；借鉴度量系统无序度的熵理论，该方法主要考虑了电网扰动下的线路潮流转移和分布特性、节点电压偏移、虚拟注入功率扰动等方面；除上述方法外，诸如基于最大流理论、连锁故障搜索等的薄弱环节辨识方法相继被提出；上述方法充分利用了电网的物理属性和静态参数以及扰动下的功率转移等特性，可以帮助电力系统工作人员及时了解、掌握系统中的薄弱环节；但是连锁故障是电气设备在有功功率的大规模转移下输电线路间相互作用的动态过程；因此，脆弱输电线路辨识需要考虑电网故障后响应功率转移与传输能力变换的动态特性以及输电线路在有功功率传输上的相关性等问题。

发明内容

本发明提供一种具有更好的辨识准确性与有效性，降低停电风险及停电概率的电力系统脆弱线路辨识方法及基于电力系统脆弱线路辨识的连锁故障预防方法。

本发明采用的技术方案是：一种电力系统脆弱线路辨识方法，包括以下步骤：

步骤1：将电力网络转化为双向加权对偶图；

步骤2：利用输电线路间有功功率耦合及相关性关系确定对偶图中节点约束系数；

步骤3：按照步骤2得到的约束系数对输电线路进行排序，完成脆弱线路的辨识；

步骤2具体过程如下：

式中：c_i为对偶图中节点i的约束系数，i和j为对偶图中的相邻节点，k为节点i和j的共同相邻节点，Γ_i为节点i的相邻节点集，r_ij为节点i为维持与节点j的邻居关系所投入的精力占总精力的比例，r_ik和r_kj分别为节点i和j与共同邻居k维持关系投入的精力占其总精力的比例；

其中：

式中：m为对偶图中的节点编号，Δp_ij和Δp_im分别为因输电线路L_i断线引起输电线路L_j和L_m的功率变化量，反映了输电线路L_i与输电线路L_j和L_m的状态相关性。

进一步的，所述步骤1具体过程如下：

对偶图中节点表示电网中的输电线路，各条边对应于输电线路之间的状态相关性连接；

建立相关性矩阵ΔP：

式中：n为输电线路的数目，u和v为输电线路的编号，且u,v∈{0,1,2…n}，对应于对偶图中的节点编号，Δp_uv因输电线路L_u断线引起输电线路L_v的功率变化量，并将其设为对偶图中的边u→v的权重。

一种基于电力系统脆弱线路辨识的连锁故障预防方法，根据脆弱输电线路辨识结果改进经典OPA模型，完成电力系统连锁故障预防；

具体过程如下：

通过以下升级策略提升经典OPA模型慢动态过程中的线路容量：

C_l＝C_l+ΔC*I_l

ΔC＝(λ-1)*∑_i∈LC_i

式中：C_l和C_i分别为输电线路L_l和L_i的线路容量；ΔC为OPA模型对跳闸线路容量进行等比例升级后的容量增量；I_l表示输电线路L_l的相对重要性；λ(>1)为输电线路容量升级比例因子；L为出现开断的线路集；

其中：

I_l＝(1/c_l)/∑_i∈L(1/c_i)。

式中：c_l为对偶图中节点l的约束系数。

本发明中用到的OPA模型为经典OPA(ORNL-Pserc-Alaska)模型。

本发明的有益效果是：

(1)本发明中由于考虑了网络的有功潮流在输电线路间约束信息，与基于电力网络物理属性与静态参数的脆弱线路辨识方法，具有更好的辨识准确性与有效性；

(2)本发明对现有的经典OPA模型进行改进，与线路容量同比例升级相比，基于该辨识结果的复杂电网线路容量择优演化升级可以大大降低停电风险及停电概率；

(3)本发明可以为指导电力网络演化和抑制连锁故障的传播提供新的方法，对于电力系统的规划和运行具有重要意义。

附图说明

图1为本发明中改进OPA模型流程图。

图2为本发明实施例中IEEE-39节点系统示意图。

图3为本发明实施例中改进OPA模型与经典OPA模型风险值对比图。

图4为本发明实施例中改进OPA模型与经典OPA模型风险条件值对比图。

图5为本发明实施例中IEEE-39节点系统中46条输电线路引起的停电概率分布图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种电力系统脆弱线路辨识方法，包括以下步骤：

步骤1：将复杂电力网络转化为双向加权对偶图；

对偶图中节点表示电网中的输电线路，各条边对应于输电线路之间的状态相关性连接；建立一个相关性矩阵ΔP，反映输电线路的拓扑连接和电气相关性。

式中：n为输电线路的数目，u和v为输电线路的编号，且u,v∈{0,1,2…n}，对应于对偶图中的节点编号，Δp_uv因输电线路L_u断线引起输电线路L_v的功率变化量，并将其设为对偶图中的边u→v的权重。

不考虑输电线路对自身影响的条件下，所有对角元素均设为0；将Δp_vu设对偶图中边u→v的权重，由于Δp_uv实际中可能与Δp_vu不同，所以得到的是一个双向加权的对偶图，用于后续的脆弱输电线路辨识。

步骤2：利用输电线路间有功功率耦合及相关性关系确定对偶图中节点约束系数；

将电网中无多余备用，对电力传输有绝对控制权的脆弱输电线路称为具有“结构洞”属性的输电线路。Burt利用约束系数来描述节点形成结构洞的可能性，将这种方法称为基于结构洞理论的Burt方法；具体如下：

式中：c_i为对偶图中节点i的约束系数，i和j为对偶图中的相邻节点，k为节点i和j的共同相邻节点，Γ_i为节点i的相邻节点集，r_ij为节点i为维持与节点j的邻居关系所投入的精力占总精力的比例，r_ik和r_kj分别为节点i和j与共同邻居k维持关系投入的精力占其总精力的比例；

根据步骤1中对偶图各边互相之间的权重定义方式重新定义r_ij，其中：

式中：m为对偶图中的节点编号，Δp_ij和Δp_im分别为因输电线路L_i断线引起输电线路L_j和L_m的功率变化量，反映了输电线路L_i与输电线路L_j和L_m的状态相关性。上述改进之后，将确定节点约束系数的改进方法命名为M-Burt方法。

步骤3：按照步骤2得到的约束系数对输电线路进行排序，约束系数越小对应着越脆弱的输电线路；将电力网络中节点约束系数从小到大排列，节点的约束系数越小，节点形成结构洞的机会越大，相应输电线路将更加脆弱。

一种基于电力系统脆弱线路辨识的连锁故障预防方法，根据脆弱输电线路辨识结果改进经典OPA模型，完成电力系统连锁故障预防，在电网演化升级中强化对脆弱线路保护。

基于脆弱线路识别的改进OPA模型流程如图1所示，改进后的OPA模型仍然包括快速动态过程和慢速动态过程；其中仿真天数Day_max＝2000；与经典的OPA模式不同，改进后的模块重新定义了慢动态下线路容量的升级策略；而经典的OPA模型，采用的是对出现开断的线路进行等比例的线路容量升级策略；本发明中基于M-Burt方法的择优升级策略来提升OPA电力系统模型的慢动态过程中的线路容量。

在经典的OPA模型中，线路容量升级是等比例扩展开断线路的容量，数学表示如下：

C_l＝λ*C_l

λ为输电线路容量升级比例因子，本实施例中λ取1.003；基于M-Burt方法的线路容量择优升级策略来提升OPA电力系统模型的慢动态演化中的线路容量，升级策略如下：

C_l＝C_l+ΔC*I_l

ΔC＝(λ-1)*∑_i∈LC_i

式中：C_l和C_i分别为输电线路L_l和L_i的线路容量；ΔC为OPA模型对跳线容量进行等比例升级后的线路容量增量；I_l表示输电线路L_l的相对重要性；λ为输电线路容量升级比例因子；L为出现开断的线路集；

其中：

I_l＝(1/c_l)/∑_i∈L(1/c_i)。

式中：c_l为对偶图中节点l的约束系数。

为了反映线路容量改善对连锁故障减少的影响；本发明中采用两个脆弱指数，包括VaR(风险值，MW)和CVaR(风险条件值，MW)来评估停电风险；VaR表示一定时期内在给定置信度σ下的系统最大可能负荷损失；CVaR表示在给定置信度下损失超过VaR时的条件平均值；在本发明实施例中，σ＝0.95。

图2为本发明实施例中IEEE-39节点系统示意图，代表一个345kV电网，其中包括10个发动机、39个节点和46条输电线路；本发明实施例通过比较线路容量择优升级策略和经典等比例升级策略对连锁性停电风险的影响，从而验证M-Burt方法的有效性和准确性。

为了评估M-Burt方法的性能，表1列出了改进Burt方法前后的脆弱线路识别结果对比。

表1 IEEE-39节点系统的脆弱线路识别结果排序

规定排名前5的脆弱线路是最容易受到影响的线路，并在表1中列出了这些线路；比较和这两个指数代表了最脆弱的输电线路引发的平均停电风险；我们可以看到，由最脆弱输电线路引起的和M-Burt法明显高于Burt方法；这表明M-Burt方法识别脆弱线路是准确有效的。

图3和图4为改进OPA模型前后连锁性故障风险对比图，其中图3以风险值作为指标，图4以风险条件值作为指标，从中可以看出，改进的OPA模型下的停电风险明显低于经典OPA模型下的停电风险；实施例中46条线路以等概率轮流触发级联故障，仿真结果显示：本发明中的择优升级策略导致的平均停电风险与等比例容量升级策略引起的平均停电风险的对比为1840.86MW/1456.75MW(VaR)和124.51MW/110.63MW(CVaR)；究其原因，前一天的发生开断的线路可以在第二天提供防止连锁故障的报警；表示发生过开断的线路是脆弱的线路，需要更多的保护，以提高系统的安全性；采取本发明中择优升级策略，提升脆弱线路过载的能力，可大幅降低第二天的停电风险。

图5为本发明实施例中IEEE-39节点系统中46条输电线路引起的停电概率分布图；由图5所示的46条输电线路引起的停电概率分布可以看出，本发明中择优升级后的电力系统停电概率明显低于等比例升级的停电概率；随着系统停电规模的增大，择优升级策略在降低系统停电概率方面比同等比例升级策略更好；特别是当系统停电规模为900MW时，优先升级策略与等比例升级策略下的停电概率相差2.75％；此外，择优升级下的最大负荷损失低于3200MW，在相同比例升级情况下，最大负荷损失达到4012MW。这说明本发明中线路容量择优升级策略有助于减少停电风险；同时，还验证了M-Burt方法识别易损输电线路的有效性。

本发明在基于改进结构洞理论的M-Burt方法进行电力网络脆弱线路辨识的基础上，利用辨识结果改进经典OPA模型，提出了一种基于M-Burt脆弱线路辨识的电力系统连锁故障预防方法。本实施例中仿真结果表明，本发明方法可以有效和准确地辨识电力系统中的脆弱输电线路；相较于传统Burt方法，用M-Burt方法可识别出更大可能导致电力系统连锁故障的脆弱输电线路；与线路容量等比例升级相比，基于辨识结果的线路容量择优升级策略可以大大降低停电风险及停电概率。因此基于M-Burt脆弱输电线路辨识的连锁故障预防方法为指导电网演化发展和抑制连锁故障的传播提供了新的方法和思路，这对于电力系统的规划和运行具有重要意义。

Claims (3)

1.一种电力系统脆弱线路辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将电力网络转化为双向加权对偶图；

步骤2：利用输电线路间有功功率耦合及相关性关系确定对偶图中节点约束系数；

步骤3：按照步骤2得到的约束系数对输电线路进行排序，完成脆弱线路的辨识；

步骤2具体过程如下：

式中：c_i为对偶图中节点i的约束系数，i和j为对偶图中的相邻节点，k为节点i和j的共同相邻节点，Γ_i为节点i的相邻节点集，r_ij为节点i为维持与节点j的邻居关系所投入的精力占总精力的比例，r_ik和r_kj分别为节点i和j与共同邻居k维持关系投入的精力占其总精力的比例；

其中：

式中：m为对偶图中的节点编号，Δp_ij和Δp_im分别为因输电线路L_i断线引起输电线路L_j和L_m的功率变化量，反映了输电线路L_i与输电线路L_j和L_m的状态相关性。

2.根据权利要求1所述的一种电力系统脆弱线路辨识方法，其特征在于，所述步骤1具体过程如下：

对偶图中节点表示电网中的输电线路，各条边对应于输电线路之间的状态相关性连接；

建立相关性矩阵ΔP：

式中：n为输电线路的数目，u和v为输电线路的编号，且u,v∈{0,1,2…n}，对应于对偶图中的节点编号，Δp_uv因输电线路L_u断线引起输电线路L_v的功率变化量，并将其设为对偶图中的边u→v的权重。

3.基于如权利要求1所述一种电力系统脆弱线路辨识方法的连锁故障预防方法，其特征在于，根据脆弱输电线路辨识结果改进经典OPA模型，完成电力系统连锁故障预防；

具体过程如下：

通过以下升级策略提升经典OPA模型慢动态过程中的线路容量：

C_l＝C_l+ΔC*I_l

ΔC＝(λ-1)*∑_i∈LC_i

式中：C_l和C_i分别为输电线路L_l和L_i的线路容量；ΔC为经典OPA模型对跳闸线路容量进行等比例升级后的容量增量；I_l表示输电线路L_l的相对重要性；λ(>1)为输电线路容量升级比例因子；L为出现开断的线路集；

其中：

I_l＝(1/c_l)/∑_i∈L(1/c_i)。

式中：c_l为对偶图中节点l的约束系数。