CN109217296B - 一种基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，涉及电网关键环节辨识技术领域，通过获取电网系统中的基础数据，根据有功功率计算任一节点对应线路的负载率和负载率对应的权值，并对负载率进行加权和归一化处理，再计算任一节点对应有功功率的潮流熵，进而根据加权、归一化处理后的负载率和潮流熵，计算任一节点的加权潮流熵，并引入电压稳定性能指标，将两者的加权处理后的和值作为辨别电网关键节点的依据。通过本发明的技术方案，弥补了潮流熵在辨识电网关键节点时的局限性，提高了根据加权潮流熵辨别电网关键节点的准确性和可靠性，降低了电网连锁跳闸事故发生的可能性。

Description

一种基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法

技术领域

本发明涉及电网关键环节辨识技术领域，具体而言，涉及一种基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法。

背景技术

近年来，世界范围内电网大停电事故频发，造成巨大的经济损失和严重的社会影响，多数因部分元件故障或过负荷而引发一系列连锁故障，其中，这些元件在电网安全稳定运行中扮演了十分重要的作用，称为关键元件或脆弱元件。可见，有效和准确地辨识电网关键节点对电网的调度与控制，以及预防连锁跳闸事故等具有重要意义。在利用电网物理特性构建的电网模型，包括最大传输贡献度、奇异值熵、级联故障模型等，主要是基于系统运行参数构建关键节点辨识模型，与系统实际运行状态密切相关。

而现有技术中，基于节点介数的电网关键节点辨识方法，能够定性判断高介数节点对连锁故障传播具有推波助澜的作用，但是仅从拓扑结构的角度进行评估，未计及电网的实际运行情况。基于最大流传输贡献度的电网关键节点辨识方法，主要从节点在电能传输中的贡献和承载能力的角度进行评估，未考虑系统电压对电网安全运行的影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中或相关技术中存在的技术问题之一。

针对上述问题，本发明提出了一种基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，提高了根据加权潮流熵辨别电网关键节点的准确性和可靠性，降低了电网连锁跳闸事故发生的可能性。

为了实现上述目的，本发明中的技术方案提供了一种基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，包括：

步骤1，获取电网系统初始运行状态下的基础数据；

步骤2，根据基础数据中对应的任一节点的额定电压、有功功率、无功功率、电压幅值、电压相角差和电压偏移率，计算节点的电压稳定性能指标；

步骤3，根据节点对应的线路的有功功率和线路的负载率，计算节点的加权潮流熵；

步骤3中具体包括：

步骤31，根据节点对应的线路的有功功率P_l与电网系统的有功总负荷P_∑，计算节点权值

对应的计算公式为：

其中，为有功功率P_l的和值，L_i为直接输入节点功率的线路集；

步骤32，计算线路权值λ_l与负载率的乘积，记作权值负载率ε_l，

其中，线路权值λ_l为有功功率P_l与有功总负荷P_∑的比值，对应的计算公式为：

步骤33，根据加权潮流熵计算公式，计算节点权值

和归一化后的权值负载率ε_l的乘积，记作加权潮流熵H_wi，

其中，加权潮流熵计算公式为：

式中，ε'_l为归一化后的权值负载率，D为常数；

步骤4，根据归一化后的加权潮流熵

归一化后的电压稳定性能指标

第一权重因子w₁和第二权重因子w₂，计算节点的关键性综合指标，对应的计算公式为：

步骤5，根据关键性综合指标，确定电网关键节点。

上述任一项技术方案中，优选地，步骤4具体包括：

步骤41，根据基础数据和权重因子对照表，获取加权潮流熵和电压稳定性能指标对应的第一权重因子和第二权重因子；

步骤42，根据归一化后的加权潮流熵、归一化后的电压稳定性能指标、第一权重因子和第二权重因子，计算关键性综合指标。

上述任一项技术方案中，优选地，步骤5通过以下方式实现：

将节点按照关键性综合指标由大到小进行排序；

根据预设点数，选取对应数量的节点，记作电网关键节点。

上述任一项技术方案中，优选地，步骤5通过以下方式实现：

设定最小指标值；

判断节点的关键性综合指标是否大于或等于最小指标值；

当判定节点的关键性综合指标大于或等于最小指标值时，将节点记作电网关键节点。

上述任一项技术方案中，优选地，步骤5通过以下方式实现：

将节点按照关键性综合指标由大到小进行排序；根据节点的排序，对关键性综合指标进行累加求和计算，将计算的和值记作指标和值Y；当判定指标和值Y大于或等于预设阈值时，将累加求和过程中对应的节点记作电网关键节点。

有益效果：

本发明中的技术方案，通过计算任一节点对应的潮流传输能力，作为该节点潮流熵的加权值，计算加权潮流熵，弥补了潮流熵在辨识电网关键节点时的局限性，提高了根据加权潮流熵辨别电网关键节点的准确性和可靠性，通过引入权重因子，计算加权潮流熵与电压稳定性能指标的和值，作为辨别电网关键节点的依据，降低了因单一评价指标导致关键节点辨识错误的可能性，提高了根据电网实际运行情况辨别关键节点的可靠性，降低了电网连锁跳闸事故发生的可能性。

在本发明中，通过对计算结果进行归一化处理，有利于提高计算节点关键性综合指标的准确性，进而提高了辨别关键节点的准确性，通过计算最小奇异值，判断对应节点电压与电压崩溃点的距离，有利于提高电网的稳定运行，降低了对应节点电压崩溃导致电网故障的可能性。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明的一个实施例的基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法的示意流程图；

图2是根据本发明的一个实施例的电网节点分布模拟图；

图3是根据本发明的一个实施例的仿真结果示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

在下面的描述中，阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例：

结合图1至图3对本发明中的实施例进行说明。

如图1所示，根据本发明一个实施例的基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，包括：

步骤1，获取电网系统初始运行状态下的基础数据；

其中，基础数据包括电网系统中节点和节点所在线路上的有功功率、无功功率、初始有功功率、初始无功功率、额定有功功率、额定无功功率、电压相角差以及实际电压。

步骤2，根据节点的额定电压U_Ni、有功功率P_i、无功功率Q_i、电压幅值U_i、电压相角差θ_ij和电压偏移率σ_i，计算节点的电压稳定性能指标μ_i；

需要说明的是，在步骤2中具体包括：

步骤21，根据节点的有功功率P_i、无功功率Q_i、电压幅值U_i、电压相角差θ_ij和第一预设公式，计算最小奇异值；

具体地，对待辨识节点进行负荷冲击，并进行潮流计算，设定电网中有m个独立节点和L条线路，在m个独立节点中含有n个PV节点，电网系统潮流方程的极坐标计算公式如下：

其中，i、j为节点的编号，i＝1，2，3，…，m，j＝1，2，3，…，m，P_i为流入节点i的有功功率，Q_i为流入节点i的无功功率，U_i、U_j为节点电压幅值，G_ij、B_ij为导纳矩阵元素，θ_ij为节点间的电压相角差。

利用泰勒级数对电网系统潮流方程进行展开，得到雅可比矩阵Z，再对雅可比矩阵进行奇异值分解，对应的计算公式如下：

其中，E和F为c×c的正交矩阵，Λ为奇异值δ_i构成的非负对角矩阵，e_i、f_i为E、F中奇异值δ_i所对应的列向量。

进一步地，根据第一预设公式计算最小奇异值δ_{i min}，第一预设公式为：

其中，Δθ为节点初始电压相角差与变化后电压相角差之间差值构成的列向量，ΔU为节点初始电压与变化后电压之间差值构成的列向量，U为节点的额定电压构成的列向量，ΔP为节点初始有功功率与变化后有功功率之间差值构成的列向量，ΔQ为节点初始无功功率与变化后无功功率之间差值构成的列向量。

步骤22，计算电压偏移率σ_i和最小奇异值δ_{i min}的比值，记作电压稳定性能指标

具体地，电压偏移率的计算公式为：

式中，U_i为节点i的实际电压，U_i0为节点i的初始电压，U_Ni为节点i的额定电压。

需要说明的是，为了提高计算的准确性和降低计算量，根据第二预设公式，对电压稳定性能指标μ_i进行归一化处理，其中，第二预设公式为：

式中，

为归一化后的电压稳定性能指标，M为电网系统中待辨识的节点集。

步骤3，根据任一节点对应线路的有功功率P_l和线路的负载率，计算节点的加权潮流熵H_wi；

需要说明的是，步骤3具体包括：

步骤31，根据所述节点对应的所述线路的所述有功功率P_l与电网系统的有功总负荷P_∑，计算节点权值

具体地，根据节点i对应线路的有功功率P_l，计算有功功率P_l的和值

其中，L_i为直接输入节点i功率的线路集。

进一步地，计算有功功率P_l的和值

与电网系统的有功总负荷P_∑的比值，记作节点的节点权值对应的计算公式为：

步骤32，计算线路权值λ_l与负载率η_l的乘积，记作权值负载率ε_l，对应的计算公式为：ε_l＝λ_l×η_l。

其中，线路权值λ_l为任一线路的有功功率P_l与有功总负荷P_∑的比值，对应的计算公式为：

负载率η_l为任一线路的有功功率P_l和对应的最大有功传输容量

比值的绝对值，对应的计算公式为：

需要说明的是，为了提高计算的准确性和降低计算量，根据第三预设公式，对权值负载率进行归一化处理，其中，第三预设公式为：

式中，ε'_l为归一化处理后的权值负载率。

步骤33，根据加权潮流熵计算公式，计算节点权值

和归一化后的权值负载率ε'_l的乘积，记作加权潮流熵H_wi。

其中，加权潮流熵计算公式为：

式中，D为常数，一般取值为ln10。

需要说明的是，为了提高计算的准确性和降低计算量，根据第五预设公式，对加权潮流熵H_wi进行归一化处理，其中，第五预设公式为：

式中，

为归一化后的加权潮流熵，M为电网系统中待辨识的节点集。

步骤4，根据归一化后的加权潮流熵

归一化后的电压稳定性能指标

第一权重因子w₁和第二权重因子w₂，计算节点的关键性综合指标，

在步骤4中，步骤4具体包括：

步骤41，根据基础数据和权重因子对照表，获取加权潮流熵和电压稳定性能指标对应的第一权重因子w₁和第二权重因子w₂；

具体地，可以先设定第一权重因子w₁和第二权重因子w₂均为0.5，判断是否需要依据电网系统实际运行情况或调度经验对第一权重因子w₁和第二权重因子w₂进行调整，若是，则重新设定第一权重因子w₁和第二权重因子w₂，若否，则执行步骤42；

步骤42，根据归一化后的加权潮流熵、归一化后的电压稳定性能指标、第一权重因子和第二权重因子，计算关键性综合指标α_i。

具体地，计算关键性综合指标α_i的计算公式为：

关键性综合指标α_i越大，表明该节点i对电网系统的影响越大，对维持电网安全运行的贡献越大，需要电网运行人员重点监视；反之，关键性指标α_i越小，该节点i对系统安全运行带来的影响越小。

步骤5，根据关键性综合指标，确定电网关键节点。

具体地，步骤5通过以下方式实现：

将节点按照关键性综合指标由大到小进行排序；根据预设点数，选取对应数量的节点，记作电网关键节点。

具体地，设定预设点数为20，则将节点按照关键性综合指标由大到小进行排序后，选取前20个节点作为电网系统的关键节点。

可替代地，步骤5可以第二种方式实现，具体包括：

设定最小指标值；判断节点的关键性综合指标是否大于或等于最小指标值；当判定节点的关键性综合指标大于或等于最小指标值时，将该节点记作电网关键节点。

利用发明中的辨识方法，对新英格兰IEEE39节点系统进行分析，其中，新英格兰IEEE39节点系统如图2所示，电网系统中含有10个PV节点，28个PQ节点，节点31为平衡节点，G表示电网中的发电机节点。

设定最小指标值为0.02，根据本申请中的辨识方法，对图3中的电网系统进行辨识，得到的仿真结果如图3所示，其中，301为加权潮流熵曲线，302为关键性综合指标曲线，303为电压稳定性指标曲线。

通过对仿真结果进行比较，判断节点的关键性综合指标是否大于或等于最小指标值，将符合条件的节点记作电网关键节点，其中，电网关键节点的信息如表1所示。

表1

节点编号	关键性指标	排序	节点编号	关键性指标	排序
						12	0.1337	1	14	0.0331	11
9	0.0973	2	11	0.0312	12
						1	0.0483	3	13	0.0311	13
18	0.0425	4	8	0.0310	14
						28	0.0408	5	24	0.0304	15
27	0.0399	6	3	0.0297	16
						17	0.0367	7	4	0.0281	17
7	0.0334	8	5	0.0257	18
						15	0.0333	9	25	0.0240	19
26	0.0332	10	21	0.0240	20

结合图3和表1可得，节点12、节点9、节点1均为传输节点，节点18、节点28、节点27、节点7、节点15均为负荷节点，以上节点共性为只有一条输入与输出线路。可见，潮流传输通道越单一的节点，受到负荷冲击后，对系统的能量冲击比较集中，易引发电网连锁故障；而潮流传输通道越多的节点，受到负荷冲击后，能量可以分散到与其相连的多条线路。

可替代地，步骤5可以第三种方式实现，具体包括：

将节点按照关键性综合指标由大到小进行排序；

根据节点的排序，对关键性综合指标进行累加求和计算，将计算的和值记作指标和值Y；

当判定指标和值Y大于或等于预设阈值时，将累加求和过程中对应的节点记作电网关键节点。

具体地，按照表1中排序的序号，对关键性综合指标进行累加求和，计算公式为：

其中，x为排序序号，x＝1，2，…，k，k为排序序号的最大值，预设阈值设定为0.8。

按照排序的序号对表1中的关键性综合指标进行累加求和，经过计算，当累加到表1中的第19个节点，即节点25时，得到的Y＝0.8031，大于设定的预设阈值0.8，因此将表1中的前19个节点作为电网关键节点，电网关键节点包括节点12、节点9、节点1、…、节点5和节点25。

以上结合附图详细说明了本发明的技术方案，本发明提出了一种基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，涉及电网关键环节辨识技术领域，通过获取电网系统中的基础数据，根据有功功率计算任一节点对应线路的负载率和负载率对应的权值，并对负载率进行加权和归一化处理，再计算任一节点对应有功功率的潮流熵，进而根据加权、归一化处理后的负载率和潮流熵，计算任一节点的加权潮流熵，并引入电压稳定性能指标，将两者的加权处理后的和值作为辨别电网关键节点的依据。通过本发明的技术方案，弥补了潮流熵在辨识电网关键节点时的局限性，提高了根据加权潮流熵辨别电网关键节点的准确性和可靠性，降低了电网连锁跳闸事故发生的可能性。

本发明中的步骤可根据实际需求进行顺序调整、合并和删减。

尽管参考附图详地公开了本发明，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本发明的应用。本发明的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本发明保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (5)

1.一种基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，其特征在于，包括：

步骤1，获取电网系统初始运行状态下的基础数据；

步骤2，根据所述基础数据中对应的任一节点的额定电压、有功功率、无功功率、电压幅值、电压相角差和电压偏移率，计算所述节点的电压稳定性能指标；

步骤3，根据所述节点对应的线路的所述有功功率和所述线路的负载率，计算所述节点的加权潮流熵；

所述步骤3中具体包括：

步骤31，根据所述节点对应的所述线路的所述有功功率P_l与电网系统的有功总负荷P_∑，计算节点权值

对应的计算公式为：

其中，

为所述有功功率P_l的和值，L_i为直接输入所述节点功率的线路集；

步骤32，计算线路权值λ_l与所述负载率的乘积，记作权值负载率ε_l，

其中，所述线路权值λ_l为所述有功功率P_l与所述有功总负荷P_∑的比值，对应的计算公式为：

步骤33，根据加权潮流熵计算公式，计算所述节点权值

和归一化后的所述权值负载率ε_l的乘积，记作所述加权潮流熵H_wi，

其中，加权潮流熵计算公式为：

式中，ε’_l为归一化后的权值负载率，D为常数；

步骤4，根据归一化后的加权潮流熵

归一化后的电压稳定性能指标

第一权重因子w₁和第二权重因子w₂，计算所述节点的关键性综合指标，对应的计算公式为：

其中，所述归一化后的电压稳定性能指标

的计算公式为：

式中，μ_i为节点i的所述电压稳定性能指标，σ_i为所述节点i的电压偏移率，σ_imin为最小奇异值，M为电网系统中待辨识的节点集；

步骤5，根据所述关键性综合指标，确定电网关键节点。

2.根据权利要求1所述的基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，其特征在于，所述步骤4具体包括：

步骤41，根据所述基础数据和权重因子对照表，获取所述加权潮流熵和所述电压稳定性能指标对应的第一权重因子w₁和第二权重因子w₂；

步骤42，根据所述归一化后的加权潮流熵、所述归一化后的电压稳定性能指标、所述第一权重因子和所述第二权重因子，计算所述关键性综合指标。

3.根据权利要求1所述的基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，其特征在于，所述步骤5通过以下方式实现：

将所述节点按照所述关键性综合指标由大到小进行排序；

根据预设点数，选取对应数量的所述节点，记作所述电网关键节点。

4.根据权利要求1所述的基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，其特征在于，所述步骤5通过以下方式实现：

设定最小指标值；

判断所述节点的所述关键性综合指标是否大于或等于所述最小指标值；

当判定所述节点的所述关键性综合指标大于或等于所述最小指标值时，将所述节点记作所述电网关键节点。

5.根据权利要求1所述的基于加权潮流熵和电压稳定的电网关键节点辨识方法，其特征在于，所述步骤5通过以下方式实现：

将所述节点按照所述关键性综合指标由大到小进行排序；根据所述节点的排序，对所述关键性综合指标进行累加求和计算，将计算的和值记作指标和值Y；当判定所述指标和值Y大于或等于预设阈值时，将累加求和过程中对应的所述节点记作所述电网关键节点。

Images