CN109167357A - 一种优化电网静态安全分析时间的方法 - Google Patents

Abstract

一种优化地区电网静态安全分析时间的方法，包括如下步骤：获取地区电网的原始参数；对正常情况下的地区电网进行潮流计算，建立静态安全判据平面；模拟电网实际故障，分别进行n‑1和/或n‑2支路下的潮流计算，通过所述静态安全判据平面判断是否有支路潮流发生过载；如果有支路潮流发生过载，则对于过载的支路执行保护动作并切除相应的支路；重新对切除相应支路的电网进行拓扑分析，并重新计算切除相应支路后的电网系统潮流继续判断；直至所有n‑1和/或n‑2支路情形均已完成分析；进行备自投动作分析并配置备自投，对所有过载的支路进行切负荷处理；记录操作日志，结束静态安全分析。

Description

一种优化电网静态安全分析时间的方法

技术领域

本发明属于尤其涉及一种电力系统的安全控制技术领域，特别地，涉及一 种优化电网静态安全分析时间的方法。

背景技术

现代工业水平与生活水平的不断发展促使用电需求急速增长，从而使得电 力系统变得日益庞大和复杂，同时其发生故障的概率也在增加，尤其是发生故 障的连锁反应时，停电时间长、范围大，对社会的政治、经济和人们的日常生 活都会产生无法估量的严重后果。自上世纪60年代以来，电网大面积停电事 故时有发生，造成了巨大的经济损失，世界各国开始对电力系统的安全性给予 了足够的重视，电力系统安全性分析成为了非常活跃的研究领域。

对系统安全性的分析涉及到系统故障后的稳态行为和暂态行为，相应的安 全分析也分为静态安全分析和动态安全分析。电力系统的静态安全分析仅考虑 事故后稳态运行状况的安全性，即研究系统中的元件开断是否引起支路过载及 母线电压越限，并且对应一定的过载和越限给出可供选择的电网调整策略。

静态安全分析是对当前电网或某一研究态下的电网按照N-1原则和指定故 障集，计算运行元件因故障退出运行后，元件有无过负荷及母线电压有无越限， 以快速判断各种故障对电力系统产生的危害，并直观准确显示各种故障结果， 把危害程度大的故障及时提示给调度人员,提前做好应对措施。

静态安全分析由于通过潮流计算技术模拟输电线路或变压器等设备开断 对电网影响，计算速度快、评估结果准确，满足在线计算要求，因此已成为电 力系统安全分析评估的重要组成部分，成为电网稳定监视的重要参考依据。目 前在所有调度系统中静态安全分析模块已成为必配模块。在线安全分析中，预 想事故分析对计算速度和分析精度要求较高，然而，在大型电力系统中，信息 量巨大，电力系统的运行人员迫切需要高效的电力系统安全分析系统来帮助 他们分析电网运行的方式，分析当前系统运行的安全水平，以提高安全水平， 为事故处理提供相应的对策，防患于未然。

发明内容

基于此，为克服上述问题，能有效实现快速可靠的静态安全分析，提高电 力系统安全分析系统的效率，本发明提供了一种优化电网静态安全分析时间的 方法，具体包括：

(1)获取地区电网的原始参数，所述原始参数包括地区电网的各节点参 数、支路参数、节点间电学参数，其中所述地区电网包括m个节点，n条支路；

(2)对正常情况下的地区电网进行潮流计算，求出正常运行情况下电网 系统状态变量和各支路的潮流功率，计算分析各支路最大承载功率和最大电压， 建立静态安全判据平面；

(3)模拟电网实际故障，对于第k条支路故障或者第K、l条支路故障， 分别进行n-1和/或n-2支路下的潮流计算，从而求得故障状态下的电网系统 潮流的状态变量，其中，k＝1,2,3…m，l＝1,2,3…m，k不等于l，根据所述故 障状态下的电网系统潮流的状态变量，通过所述静态安全判据平面所述故障状 态下的电网系统是否有支路潮流发生过载，并进入步骤(4)；

(4)如果没有支路潮流发生过载，则进入步骤(6)，如果有支路潮流发 生过载，则对于过载的支路执行保护动作并切除相应的支路，并执行步骤(5)；

(5)重新对切除相应支路的电网进行拓扑分析，并重新计算切除相应支 路后的电网系统潮流并判断是否有支路潮流发生过载，并进入步骤(4)；

(6)若所有n-1和/或n-2支路情形均已完成分析，且电网系统所有支路 均不需要执行保护动作，系统达到新的稳定状态，则进入步骤(7)；

(7)建立执行过保护动作的支路信息，根据所述支路信息，进行备自投 动作分析并配置备自投，且待电网重新达到稳定运行时，对所有过载的支路进 行切负荷处理，进入步骤(8)；

(8)记录操作日志，结束静态安全分析。

本发明还提供了一种计算机存储介质，其存储有计算机程序，该计算机程 序被处理器执行时实现上述的方法。

进一步地，可选地，本发明还提供了所述潮流计算包括，(2-1)建立电网 支路潮流方程组，所述电网支路潮流方程组如下：

p_ij＝V_i ²g_ij-V_iV_jg_ijcosθ_ij-V_iV_jb_ijsinθ_ij，q_ij＝-V_i ²g_ij+V_iV_jb_ijcosθ_ij-V_iV_jg_ijsinθ_ij，其中，p_ij和q_ij为节点i和j之间线路传输有功功率，V_i和V_j为节点i和j的电压幅值， g_ij和b_ij节点i和j之间的电导和电纳，θ_ij为节点i和j之间的相位差，i,j∈m； (2-2)在给定系统运行点对所述潮流方程组进行展开，基于牛顿-拉夫逊计算 结构求得所述电网系统潮流的状态变量，所述电网系统潮流的状态变量包括状 态电压幅值区间量和线路传输功率区间量。

进一步地，可选地，本发明还提供了，借助GPU执行所述潮流计算，且所 述潮流计算中的牛顿-拉夫逊计算结构包括适于GPU的众多轻量线程的计算结 构，并通过多线程并行执行求解电网支路潮流方程组。

进一步地，可选地，本发明还提供了，所述通过执行GPU所述潮流计算， 包括：(4-1)启动计算程序；(4-2)将待计算数据加载至主存；(4-3)在显存 中分配待计算数据存储结构；(4-4)将待计算数据从主存拷贝到显存；(4-5) 激发GPU执行核函数，进行多线程并行运算；(4-6)将GPU执行运算的结果拷 贝回主存。

进一步地，可选地，本发明还提供了，所述借助GPU执行所述潮流计算具 体为使用GPU计算所述潮流方程组的雅可比矩阵及其求逆计算以及使用GPU计 算修正方程求解。

进一步地，可选地，本发明还提供了建立静态安全判据平面包括：(5-1) 根据正常运行情况下电网系统状态变量和各支路的潮流功率，以及各支路最大 承载功率和最大电压，得出满足静态安全稳定性约束的运行点集；(5-2)根据 满足静态安全稳定性约束的运行点集，分析得到电网静态安全临界点；(5-3) 根据所述电网静态安全临界点使用线性最小二乘法拟合出超平面，所述超平面 即为静态安全判据平面。

进一步地，可选地，本发明还提供了，其中所述切负荷处理可以根据需要 使用其他主动管理方式代替，所述其他主动管理方式包括负荷平移、DG有功 削减和无功控制、无功补偿设备控制、变压器分接头调节。

进一步地，可选地，本发明还提供了包括定期更新所述原始参数，还包括 设置时间触发器并预置计算条件，定时和/或满足闲时条件时自动启动所述静 态安全分析。

通过本发明提供的方法，能够有效的缩短地区电网静态安全分析时间，同 时提高了计算设备的运行效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所 需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提 下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明的一种优化电网静态安全分析时间的方法的示例性流程 图；

图2是根据本发明的的示例性示意图；

图3是根据本发明的的示例性流程图；

图4是根据本发明的另一个实施例中的示例性示意图；

图5是根据本发明的最小二乘拟合法得到的静态安全判据平面的一个示例 性示意图；

图6为本发明一个实施例中的一种使用静态安全域判据静态安全分析的流 程；

图7为泰安地区电网静态分析分析时间。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，将结合附图对本发明作进 一步地详细描述。这种描述是通过示例而非限制的方式介绍了与本发明的原理 相一致的具体实施方式，这些实施方式的描述是足够详细的，以使得本领域技 术人员能够实践本发明，在不脱离本发明的范围和精神的情况下可以使用其他 实施方式并且可以改变和/或替换各要素的结构。因此，不应当从限制性意义 上来理解以下的详细描述。为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目 的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

静态安全分析反映的是断面下的电网风险状况，目前静态安全分析时间过 长，结果滞后严重，明显无法满足实时应用需要，甚至会影响电网的安全运行。

基于此本发明主要针对地区电网静态安全分析，特别是优化静态安全分析 时间，如附图1所示，本发明的一种优化电网静态安全分析时间的方法的示例 性流程图，主要包括：

步骤(1)，获取地区电网的原始参数，所述原始参数包括地区电网的各节 点参数、支路参数、节点间电学参数，其中所述地区电网包括m个节点，n条 支路。

在一些实施例中，原始参数还包括地区电网的网络参数、分布式电源与储 能的相关参数、基础负荷与可平移负荷的相关数据，还包括发生气象灾害、用 电负荷大幅度升高等情况，以及单一线路、同塔双回线路、单一母线、主变、 发电机，以及自定义的故障集等等。

在一些实施例中，所述原始参数应当定期更新。

步骤(2)对正常情况下的地区电网进行潮流计算，求出正常运行情况下 电网系统状态变量和各支路的潮流功率，计算分析各支路最大承载功率和最大 电压，建立静态安全判据平面。

在一些实施例中，电网不同运行状态及数据可以通过往年历史真实数据来 确定，例如通过历年正常运行状态数据，计算电网静态安全临界点。

步骤(3)模拟电网实际故障，对于第k条支路故障或者第K、l条支路故 障，分别进行n-1和/或n-2支路下的潮流计算，从而求得故障状态下的电网 系统潮流的状态变量，其中，k＝1,2,3…m，l＝1,2,3…m，k不等于l，根据所 述故障状态下的电网系统潮流的状态变量，通过所述静态安全判据平面所述故 障状态下的电网系统是否有支路潮流发生过载，并进入步骤(4)。

步骤(4)如果没有支路潮流发生过载，则进入步骤(6)，如果有支路潮 流发生过载，则对于过载的支路执行保护动作并切除相应的支路，并执行步骤 (5)。

步骤(5)重新对切除相应支路的电网进行拓扑分析，并重新计算切除相 应支路后的电网系统潮流并判断是否有支路潮流发生过载，并进入步骤(4)。

步骤(6)若所有n-1和/或n-2支路情形均已完成分析，且电网系统所有 支路均不需要执行保护动作，系统达到新的稳定状态，则进入步骤(7)。

步骤(7)建立执行过保护动作的支路信息，根据所述支路信息，进行备 自投动作分析并配置备自投，且待电网重新达到稳定运行时，对所有过载的支 路进行切负荷处理，进入步骤(8)。

在一些实施例中，切负荷操作可以用其他主动管理方式代替，例如负荷平 移、有功削减和无功控制、无功补偿设备控制、变压器分接头调节，实施的优 先级依次降低，最后才是采取切负荷来确保网络安全。

步骤(8)记录操作日志，结束静态安全分析。

在一些实施例中，本发明进一步提供了一种潮流计算方法，主要包括：

(2-1)建立电网支路潮流方程组，所述电网支路潮流方程组如下：

p_ij＝V_i ²g_ij-V_iV_jg_ijcosθ_ij-V_iV_jb_ijsinθ_ij，

q_ij＝-V_i ²g_ij+V_iV_jb_ijcosθ_ij-V_iV_jg_ijsinθ_ij，

其中，p_ij和q_ij为节点i和j之间线路传输有功功率，V_i和V_j为节点i和j 的电压幅值，g_ij和b_ij节点i和j之间的电导和电纳，θ_ij为节点i和j之间的相 位差，i,j∈m。

(2-2)在给定系统运行点对所述潮流方程组进行展开，基于牛顿-拉夫 逊计算结构求得所述电网系统潮流的状态变量，所述电网系统潮流的状态变量 包括状态电压幅值区间量和线路传输功率区间量。

在一些实施例中，采用PQ分解法及保留非线性法求解潮流方程组，PQ分 解法及保留非线性法相比牛顿-拉夫逊法减少了每次迭代的计算量；但由于是 线性收敛，相对于牛顿-拉夫逊法的平方收敛，增加了迭代次数。

在一些实施例中，实现静态安全分析的实时应用，则单次潮流计算平均用 时应降至1秒以内，使静态安全分析的计算时间减少，认为须高效率地增加计 算线程。本发明借助GPU执行所述潮流计算，且所述潮流计算中的牛顿-拉夫 逊计算结构包括适于GPU的众多轻量线程的计算结构，并通过多线程并行执行 求解电网支路潮流方程组。

如附图2所示，所述通过执行GPU所述潮流计算，包括：

(4-1)启动计算程序；

(4-2)将待计算数据加载至主存；

(4-3)在显存中分配待计算数据存储结构；

(4-4)将待计算数据从主存拷贝到显存；

(4-5)激发GPU执行核函数，进行多线程并行运算；

(4-6)将GPU执行运算的结果拷贝回主存。

在一些实施例中，考虑开发基于GPU的多线程并行潮流计算程序，将GPU 线程嵌入到潮流计算中耗时量较大的环节。GPU(显卡)作为PC机一个通用模 块，近年来其核心数增长很快，可同时运行上千个轻量化线程，单块GPU运算 能力可达普通CPU的上百倍；实际上，使用牛顿－拉夫逊法求解大规模电力系 统潮流时，近80％时间都消耗在修正方程的求解上；更新雅可比矩阵又占了剩 余20％时间的大部分；这2项运算的流程和逻辑并不复杂，但运算密集，适合 用轻量线程来处理。

在一些实施例中，GPU是一种通用并行计算架构，该架构使GPU能够解决 复杂的计算问题，用C语言编制了基于GPU的多线程并行潮流计算程序，如附 图3所示。

在一些实施例中，将潮流计算中的需迭代执行的部分(雅可比矩阵及其求 逆、修正方程求解)全部由GPU来实现，如附图4所示，所述借助GPU执行所 述潮流计算具体为使用GPU计算雅可比矩阵及其求逆计算以及使用GPU计算修 正方程求解。静态安全分析程序为纵向分步处理的串行计算流程，各个子流程 在时间上时先后相继完成；为充分发挥设备潜力，在C语言源程序中使用 pthread_create函数为静态安全分析启动了一个新的线程，将所有计算任务 分配到两个并行的线程中计算。

在一些实施例中，所述建立静态安全判据平面包括：(5-1)根据正常运行 情况下电网系统状态变量和各支路的潮流功率，以及各支路最大承载功率和最 大电压，得出满足静态安全稳定性约束的运行点集；(5-2)根据满足静态安全 稳定性约束的运行点集，分析得到电网静态安全临界点；(5-3)根据所述电网 静态安全临界点使用线性最小二乘法拟合出超平面，所述超平面即为静态安全 判据平面。所述述超平面即为静态安全判据平面。

在一些实施例中，根据电网历年不同的运行状态及数据，在离线状态下计 算出了N-1、N-2情况下约10万个电网静态安全临界点，并使用线性最小二乘 拟合法拟合出超平面作为静态安全域的判据。

附图5是根据本发明的最小二乘拟合法得到的静态安全判据平面的一个示 例性示意图。

在一些实施例中，在某个N-1情况下利用判据进行概算，若判断当前电网 运行状态在静态安全域中，则无须进行该N-1情况下潮流计算的精算；若判断 当前电网运行状态在静态安全域外或靠近静态安全域的边界，则进行该N-1情 况下的潮流计算。附图6给出了一种使用静态安全域判据静态安全分析的流程。

在一些实施例中，还可以通过设置时间触发器并预置计算条件，定时和/ 或满足闲时条件时自动启动所述静态安全分析。以节省计算资源。

通过本发明的实施，可以使地区电网静态安全分析所需要的时间有了大幅 度的减少，从而调度值班人员可以有充足的时间考虑电网风险和校验数据正确 性。以泰安地区电网静态分析分析时间为例，对某月份31天地区电网静态安 全分析耗时进行了统计，结果统计地区电网静态安全分析耗时由本发明应用前 的19.56分钟降至4.22分钟，平均达到了5.2分钟的时间，仅为之前的21.6％。 如附图7所示。

在一些实施例中，本发明还提供了一种计算机存储介质，其存储有计算机 程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述的方法。计算机介 质指的是能存储信息的任意物质，包括不限于各种ROM、RAM、机械存储器、固 体存储器、便携式存储器等等。

通过本发明的提供的优化方法，可以实现安全分析时间的明显减少，时效 性大大增强，初步具备在线实时应用能力，给调度员提供实时辅助决策，为故 障的快速准确处理提供了强有力的支撑，有效的保证了电网的安全稳定运行。 同时电网静态安全分析的自动化程度大大增加，调度员参与程度与参与时间均 大为降低，腾出更多时间与精力参与其他工作，既缓解了调度员的工作压力又 提升了工作效率。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例 对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的 技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其 均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

此外，根据公开的本发明的说明书，本发明的其他实现对于本领域的技术 人员是明显的。实施方式和/或实施方式的各个方面可以单独或者以任何组合 用于本发明的系统和方法中。说明书和其中的示例应该是仅仅看作示例性，本 发明的实际范围和精神由所附权利要求书表示。

Claims (9)

1.一种优化地区电网静态安全分析时间的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获取地区电网的原始参数，所述原始参数包括地区电网的各节点参数、支路参数、节点间电学参数等，其中所述地区电网包括m个节点，n条支路；

(2)对正常情况下的地区电网进行潮流计算，求出正常运行情况下电网系统状态变量和各支路的潮流功率，计算分析各支路最大承载功率和最大电压，建立静态安全判据平面；

(3)模拟电网实际故障，对于第k条支路故障或者第K、l条支路故障，分别进行n-1和/或n-2支路下的潮流计算，从而求得故障状态下的电网系统潮流的状态变量，其中，k＝1,2,3…m，l＝1,2,3…m，(但是k不等于l)，根据所述故障状态下的电网系统潮流的状态变量，通过所述静态安全判据平面所述故障状态下的电网系统是否有支路潮流发生过载，并进入步骤(4)；

(4)如果没有支路潮流发生过载，则进入步骤(6)，如果有支路潮流发生过载，则对于过载的支路执行保护动作并切除相应的支路，并执行步骤(5)；

(5)重新对切除相应支路的电网进行拓扑分析，并重新计算切除相应支路后的电网系统潮流并判断是否有支路潮流发生过载，并进入步骤(4)；

(6)若所有n-1和/或n-2支路情形均已完成分析，且电网系统所有支路均不需要执行保护动作，系统达到新的稳定状态，则进入步骤(7)；

(7)建立执行过保护动作的支路信息，根据所述支路信息，进行备自投动作分析并配置备自投，且待电网重新达到稳定运行时，对所有过载的支路进行切负荷处理，进入步骤(8)；

(8)记录操作日志，结束静态安全分析。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述潮流计算包括，

(2-1)建立电网支路潮流方程组，所述电网支路潮流方程组如下：

p_ij＝V_i ²g_ij-V_iV_jg_ijcosθ_ij-V_iV_jb_ijsinθ_ij，

q_ij＝-V_i ²g_ij+V_iV_jb_ijcosθ_ij-V_iV_jg_ijsinθ_ij，

其中，p_ij和q_ij为节点i和j之间线路传输有功功率，V_i和V_j为节点i和j的电压幅值，g_ij和b_ij节点i和j之间的电导和电纳，θ_ij为节点i和j之间的相位差，i,j∈m；

(2-2)在给定系统运行点对所述潮流方程组进行展开，基于牛顿-拉夫逊计算结构求得所述电网系统潮流的状态变量，所述电网系统潮流的状态变量包括状态电压幅值区间量和线路传输功率区间量。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，借助GPU执行所述潮流计算，且所述潮流计算中的牛顿-拉夫逊计算结构包括适于GPU的众多轻量线程的计算结构，并通过多线程并行执行求解电网支路潮流方程组。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，其中，所述借助GPU执行所述潮流计算，包括：

(4-1)启动计算程序；

(4-2)将待计算数据加载至主存；

(4-3)在显存中分配待计算数据的存储结构；

(4-4)将待计算数据从主存拷贝到显存；

(4-5)激发GPU执行核函数，进行多线程并行运算；

(4-6)将GPU执行运算的结果拷贝回主存。

5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述借助GPU执行所述潮流计算具体为使用GPU计算所述潮流方程组的雅可比矩阵及其求逆计算以及使用GPU计算修正方程求解。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其中，所述建立静态安全判据平面包括：

(5-1)根据正常运行情况下电网系统状态变量和各支路的潮流功率，以及各支路最大承载功率和最大电压，得出满足静态安全稳定性约束的运行点集；

(5-2)根据满足静态安全稳定性约束的运行点集，分析得到电网静态安全临界点；

(5-3)根据所述电网静态安全临界点使用线性最小二乘法拟合出超平面，所述超平面即为静态安全判据平面。

7.如权利要求1-6任一所述的方法，其特征在于，其中所述切负荷处理可以根据需要使用其他主动管理方式代替，所述其他主动管理方式包括负荷平移、DG有功削减和无功控制、无功补偿设备控制、变压器分接头调节。

8.如权利要求1-7任一所述的方法，其特征在于，其中，还包括定期更新所述原始参数。

9.如权利要求1-8任一所述的方法，其特征在于，其中，还包括设置时间触发器并预置计算条件，定时和/或满足闲时条件时自动启动所述静态安全分析。