CN110428191A - 配电网脆弱节点辨识的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网脆弱节点辨识的方法，包括以下步骤：建立节点脆弱度的评估指标；采用熵权法来计算各评估指标的权重值；基于改进隶属度函数，计算出各评估指标的隶属度；确定配电网节点的脆弱性综合评价指数；对很低、低、中、高、很高五个电网脆弱等级，依次赋以分值c1、c2、c3、c4、c5且相邻等级间的分值间距相等，分值由低到高表示电网脆弱度由低到高，最后采用加权平均法得到各节点的电网脆弱度值f，通过比较找出配电网络中相对脆弱的节点，并输出结果。本发明提供的配电网脆弱节点辨识的方法，基于熵权法与隶属度函数，能够客观准确地评估配电网络的脆弱节点。

Description

配电网脆弱节点辨识的方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种配电网脆弱节点辨识的方法。

背景技术

近年来，世界各地多次发生了大规模的停电事故。随着电网规模逐渐扩大和新能源的接入，电力系统已成为规模最大、元件复杂且存在大量随机因素的复杂系统，电力系统的安全问题更加突出。目前，通过配电网脆弱性的辨识，可以找寻网络中的薄弱环节，并采取相应的优化治理措施，以提高整个电力系统的安全性。

随着分布式电源的接入，电网发生故障的概率越来越高，使得配电网络的脆弱节点分析变得愈加困难。与此同时，目前各类隶属度函数处理配电网脆弱度的共同缺陷是没有细致刻画各评估指标相对于每个质量等级的特性，只是在笼统计算指标相对于整个合格范围的隶属度后，然后归一量化值确定节点的脆弱等级，无法准确的找寻配电网的薄弱环节，因此急需提出一种配电网络中的脆弱节点综合评估方法，辨识配电网的薄弱环节。

发明内容

本发明的目的是提供一种配电网脆弱节点辨识的方法，提出一种基于熵权法与隶属度函数的识别方法，能够客观准确地评估配电网络的脆弱节点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种配电网脆弱节点辨识的方法，包括以下步骤：

S1，建立节点脆弱度的评估指标；

S2，采用熵权法来计算各评估指标的权重值；

S3，基于改进隶属度函数，计算出各评估指标隶属度；

S4，确定配电网节点的脆弱性综合评价指数，具体包括：采用模糊矩阵复合运算方法划分电网脆弱等级，分别为很低、低、中、高、很高，并确定配电网节点的脆弱性综合评价指数u表示为：

u＝w·μ＝[u₁ u₂ u₃ u₄ u₅]，

式中，w为各评估指标的权重值进行权重归一化处理后，组成的模糊矩阵，μ为各评估指标的隶属度组成的模糊矩阵，u₁、u₂、u₃、u₄、u₅分别表示电网脆弱等级很低、低、中、高、很高的电网脆弱度综合指数；

S5，对很低、低、中、高、很高五个电网脆弱等级，依次赋以分值c1、c2、c3、c4、c5且相邻等级间的分值间距相等，分值由低到高表示电网脆弱度由低到高，最后采用加权平均法得到各节点的电网脆弱度值f，通过比较找出配电网络中相对脆弱的节点，并输出结果，其中，电网脆弱度值f计算公式为

式中，u_j表示综合脆弱度相对于第j个脆弱等级的隶属度。

可选的，所述步骤S1中，建立节点脆弱度的评估指标，具体包括：根据配电网拓扑结构和配电网正常运行状态下的潮流参数，计算配电线路的有功度数、节点级数、基于过负荷的电压增量严重度以及基于故障断线的电压增量严重度。

可选的，所述步骤S3中，基于改进隶属度函数，计算出各评估指标隶属度，具体包括：建立基于改进隶属度函数的脆弱节点评估指标模糊模型，将各评估指标的模糊性转化为相对于质量等级确定的隶属度，计算出各评估指标隶属度；

其中，所述质量等级划分为很低、低、中、高、很高，对应步骤S4中很低、低、中、高、很高五个电网脆弱等级，所述改进隶属度函数包括：

评估指标对应为很低脆弱等级的隶属度函数为：

式中，a₁，a₂分别为不同指标下隶属于很低、低两脆弱等级的临界值，k为常数，取为0.125X；

评估指标对应于低、中、高脆弱等级的隶属度函数为：

式中，k的取值由国标限值确定，取为0.25X，其中n＝1，2，3；

评估指标对应于很高脆弱等级的隶属度函数为：

式中，n＝4。

可选的，所述根据配电网拓扑结构和配电网正常运行状态下的潮流参数，计算配电线路的有功度数、节点级数、基于过负荷的电压增量严重度以及基于故障断线的电压增量严重度，具体包括：设配电网拓扑结构包含n个节点和m条线路，

计算有功度数指标：用ND_i表示配电网中的节点有功度数，

式中，ND_i为第i个节点的重要度，k_i为本节点所连接的节点数量，P_i反映了本节点在电网中传输和分配的功率，表示网络中节点视在功率的最大。

计算节点级数指标：根据配电网拓扑结构，从末端节点依次向首端节点进行遍历，得到节点分级矩阵，在节点分级矩阵中，对于重复出现的节点，只保留其在最后一层出现的节点；

计算基于过负荷的电压增量严重度指标：对包含n个节点的配电网，配电网正常运行时表示为状态0，当第i个节点负荷单位增加即系统受到所带的负荷量增多时的运行状态表示为状态P，采用曼哈顿距离来计算状态P下各个节点的电压增量，

式中，表示系统正常运行情况下节点i的电压；表示节点P接入过量负荷时节点i的电压值；

计及配电网络的节点过负荷对系统中所有节点的影响，定义节点过负荷下的电压增量严重度LN_i，

式中，综合节点i过负荷所引起的系统中所有节点的电压变化量来衡量节点过负荷对整个配电系统的影响，以此作为节点i的过负荷下的脆弱度的评判指标；

计算基于故障断线的电压增量严重度：对于包含m条线路的配电网，当线路j断开时，第i个节点的电压损失值为

式中，表示系统正常运行情况下节点i的电压；表示线路j断开情况下节点i的电压值；

定义故障断线下的电压增量严重度LM_i，

针对以上节点的过负荷以及线路的故障断开，即每一个节点i包含了n个状态，则每一个节点的电压增量严重度可以组成n维列向量。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供的配电网脆弱节点辨识的方法，首先根据配电网的拓扑结构以及实际运行中的状况，计算整个网络结构的有功度数、节点级数、基于过负荷的电压增量严重度以及基于故障断线的电压增量严重度的四个评估指标，然后根据指标变化的离散程度，采用熵权法来客观的给予每个指标的权重，再采用改进的隶属度函数得到基于各个评估指标相对于各个质量等级的隶属度，通过改进的隶属度函数建立隶属度评估模型，对配电网进行脆弱性评估，采用上述的隶属度评估模型可以建立相邻两个脆弱等级之间的联系，而不是笼统的得到整体合格范围的隶属度，提高了配电网脆弱节点辨识的准确性和客观性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，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为本发明配电网脆弱节点辨识的方法流程图；

图2为本发明实施例IEEE33节点的配电网拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例基于IEEE33节点有功度数原始数据；

图4为本发明实施例基于IEEE33节点的节点级数原始数据；

图5为本发明实施例基于IEEE33节点基于过负荷的电压增量严重度原始数据；

图6为本发明实施例基于IEEE33节点基于故障断线的电压增量严重度原始数据；

图7为本发明实施例基于IEEE33节点有功度数归一化后数据；

图8为本发明实施例基于IEEE33节点节点级数归一化后数据；

图9为本发明实施例基于IEEE33节点基于过负荷的电压增量严重度归一化后数据；

图10为本发明实施例基于IEEE33节点基于故障断线的电压增量严重度归一化后数据；

图11为本发明实施例基于IEEE33节点有功度数指标离散程度的柱状图；

图12为本发明实施例基于IEEE33节点节点级数的柱状图；

图13为本发明实施例基于IEEE33节点基于过负荷的电压增量严重度的柱状图；

图14为本发明实施例基于IEEE33节点基于故障断线的电压增量严重度的柱状图；

图15为评估指标相对于各划分等级的隶属度函数。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种配电网脆弱节点辨识的方法，提出一种基于熵权法与隶属度函数的识别方法，能够客观准确地评估配电网络的脆弱节点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明配电网脆弱节点辨识的方法流程图，如图1所示，本发明提供的配电网脆弱节点辨识的方法，包括以下步骤：

S1，建立节点脆弱度的评估指标；

S2，采用熵权法来计算各评估指标的权重值；

S3，基于改进隶属度函数，计算出各评估指标隶属度；

S4，确定配电网节点的脆弱性综合评价指数，具体包括：采用模糊矩阵复合运算方法划分电网脆弱等级，分别为很低、低、中、高、很高，并确定配电网节点的脆弱性综合评价指数u表示为：

u＝w·μ＝[u₁ u₂ u₃ u₄ u₅] (1)，

式中，w为各评估指标的权重值进行权重归一化处理后，组成的模糊矩阵，μ为各评估指标的隶属度组成的模糊矩阵，u₁、u₂、u₃、u₄、u₅分别表示电网脆弱等级很低、低、中、高、很高的电网脆弱度综合指数；

S5，对很低、低、中、高、很高五个电网脆弱等级，依次赋以分值c1、c2、c3、c4、c5且相邻等级间的分值间距相等，分值由低到高表示电网脆弱度由低到高，最后采用加权平均法得到各节点的电网脆弱度值f，通过比较找出配电网络中相对脆弱的节点，并输出结果，其中，电网脆弱度值f计算公式为

式中，u_j表示综合脆弱度相对于第j个脆弱等级的隶属度。

其中，所述步骤S1中，建立节点脆弱度的评估指标，具体包括：根据配电网拓扑结构和配电网正常运行状态下的潮流参数，计算配电线路的有功度数、节点级数、基于过负荷的电压增量严重度以及基于故障断线的电压增量严重度。

所述根据配电网拓扑结构和配电网正常运行状态下的潮流参数，计算配电线路的有功度数、节点级数、基于过负荷的电压增量严重度以及基于故障断线的电压增量严重度，具体包括：设配电网拓扑结构包含n个节点和m条线路，第一，计算有功度数指标：用ND_i表示配电网中的节点有功度数，

式中，ND_i为第i个节点的重要度，k_i为本节点所连接的节点数量，P_i反映了本节点在电网中传输和分配的功率，表示网络中节点视在功率的最大值。

在复杂的电力系统网络中，传统节点度数k_i表示与i节点直接相连的其他节点数量，然而针对配电网而言，由于其多为辐射状结构，单纯的节点度数并不能准确地反映其重要度，针对这个问题，本文提出了上述“有功度数ND_i”来表示配电网中的节点度数；

第二，计算节点级数指标：根据配电网拓扑结构，从末端节点依次向首端节点进行遍历，得到节点分级矩阵，在节点分级矩阵中，对于重复出现的节点，只保留其在最后一层出现的节点；在配电网络中，节点的级数越高，表明其所处的位置越靠近首端节点，如果该节点受到影响，其波及的范围会比较广；例如图2所示，在IEEE33节点配电系统中，从末端节点依次向首端节点进行遍历，该拓扑结构的末端节点分别为21,17,32,24，则节点分级矩阵的第一层为Layer1＝[21,17,32,24]^T，然后依次的向首端节点进行遍历，得到最后的节点分级矩阵为

在节点分级矩阵中，对于重复出现的节点，为了表明节点的重要度，只需要保留其在最后一层出现的节点。则修正后的节点分级矩阵为

第三，计算基于过负荷的电压增量严重度指标：

过负荷率S_i是指节点加入过量的负荷与该点所带的负荷量之比。由于电网的实质功能是输送电能，因此，将节点的脆弱性表示为节点加入过量的负荷对整个系统节点电压的影响，采用节点过负荷下的电压变化量来衡量节点的抗干扰能力，通常用该指标反映节点加入过量负荷后系统受影响的程度。

式中：P_i ⁺为在节点i投入的负荷，∑P_i ⁰为初始时该节点总的有功负荷值。

对包含n个节点的配电网，配电网正常运行时表示为状态0，当第i个节点负荷单位增加S_i＝200％，即系统受到所带的负荷量增多时的运行状态表示为状态P，采用曼哈顿距离来计算状态P下各个节点的电压增量，

式中，表示系统正常运行情况下节点i的电压；表示节点P接入过量负荷时节点i的电压值；

计及配电网络的节点过负荷对系统中所有节点的影响，定义节点过负荷下的电压增量严重度LN_i，

式中，综合节点i过负荷所引起的系统中所有节点的电压变化量来衡量节点过负荷对整个配电系统的影响，以此作为节点i的过负荷下的脆弱度的评判指标；

计算基于故障断线的电压增量严重度：对于包含m条线路的配电网，当线路j断开时，第i个节点的电压损失值为

式中，表示系统正常运行情况下节点i的电压；表示线路j断开情况下节点i的电压值；

定义故障断线下的电压增量严重度LM_i，

针对以上节点的过负荷以及线路的故障断开，即每一个节点i包含了n个状态，则每一个节点的电压增量严重度可以组成n维列向量。

如图11至14，在步骤S2中，根据个评估指标变化的离散程度，采用熵权法来客观的给予每个评估指标的权重值，得到如图3至图6所示的权重值，图7-图10，为基于IEEE33节点脆弱性评估指标归一化后的数据，其中，熵权法是一种由待评价指标来确定指标权重的一种客观评价方法，系统的熵越大，其有序程度越低；反之，系统的有序程度越高，其熵越小，根据指标的变异程度，能够客观计算出各指标的权重值，具体计算步骤为：

第一步，对判断矩阵进行标准化处理，得到标准矩阵P＝(Pij)n*m：

式中：P_ij为第j个指标下第i个项目的指标值的比重，n为待评项目的个数，m为评价指标的个数，a_ij为第j个指标下第i个项目的原始数据值。

第二步，计算第j个指标的信息熵e_j：

式中：e_j(0≤e_j≤1)为第j项指标的熵值；-1/ln n为信息熵系数。

第三步，计算第j个指标的熵权值w_j：

采用熵权法法仅需要通过对指标原始数据的分析，便可以客观的给予每个指标的权重，避免主观分析对指标权重的影响。本文所叙述熵权法的三个步骤，是计算权重的标准步骤，使用这种方法，便可以求解出四个指标分别占得的权重值。

其中，所述步骤S3中，基于改进隶属度函数，计算出各评估指标隶属度，具体包括：建立基于改进隶属度函数的脆弱节点评估指标模糊模型，将各评估指标的模糊性转化为相对于质量等级确定的隶属度，计算出各评估指标隶属度；

电网脆弱度的评估指标的模糊性与确定性是可以转化的，即其模糊性可转化为相对于质量等级确定的隶属度，因此将质量等级划分为很低、低、中、高、很高，由于指标相对于两个质量等级具有模糊性，图15中a1、a2的取值由实际情况确定；

其中，所述质量等级划分为很低、低、中、高、很高，对应步骤S4中很低、低、中、高、很高五个电网脆弱等级，所述改进隶属度函数包括：

评估指标对应为很低脆弱等级的隶属度函数为：

式中，a₁，a₂分别为不同指标下隶属于很低、低两脆弱等级的临界值，k为常数，取为0.125X；

评估指标对应于低、中、高脆弱等级的隶属度函数为：

式中，k的取值由国标限值确定，取为0.25X，其中n＝1，2，3；

评估指标对应于很高脆弱等级的隶属度函数为：

式中，n＝4。

针对IEEE33节点的配电网，基于改进隶属度函数，计算出各评估指标隶属度，得出如表1至表6数据，表1为节点有功度数的隶属度值，表2为节点级数的隶属度值，表3为节点过负荷下电压增量严重度的隶属度值，表4为故障断线下电压增量严重度的隶属度值，表5为配电网络各个节点加权后的隶属度值，根据电网脆弱度值f，计算得到各节点的脆弱度排序，如表6为配电网络中脆弱节点的排序。

表1节点有功度数的隶属度值

表2为节点级数的隶属度值

表3为节点过负荷下电压增量严重度的隶属度值

表4为故障断线下电压增量严重度的隶属度值

节点	很低	低	中	高	很高	节点	很低	低	中	高	很高
												1	1	0	0	0	0	18	0	0	0	0	1
2	1	0	0	0	0	19	0.13	0.87	0	0	0
												3	0.08	0.92	0	0	0	20	0	1	0	0	0
4	0	1	0	0	0	21	0	1	0	0	0
												5	0	1	0	0	0	22	0	0.96	0.04	0	0
6	0	0.99	0.01	0	0	23	0	1	0	0	0
												7	0	0.14	0.86	0	0	24	0	1	0	0	0
8	0	0	1	0	0	25	0	0.99	0.01	0	0
												9	0	0	1	0	0	26	0	0.15	0.85	0	0
10	0	0	1	0	0	27	0	0	1	0	0
												11	0	0	0.60	0.40	0	28	0	0	1	0	0
12	0	0	0	1	0	29	0	0	1	0	0
												13	0	0	0	1	0	30	0	0	0.87	0.13	0
14	0	0	0	1	0	31	0	0	0.04	0.96	0
												15	0	0	0	1	0	32	0	0	0	1	0
16	0	0	0	0.28	0.72	33	0	0	0	1	0
												17	0	0	0	0	1

表5配电网络各个节点加权后的隶属度值

表6为配电网络中脆弱节点的排序

本发明提供的配电网脆弱节点辨识的方法，首先根据配电网的拓扑结构以及实际运行中的状况，计算整个网络结构的有功度数、节点级数、基于过负荷的电压增量严重度以及基于故障断线的电压增量严重度的四个评估指标，然后根据指标变化的离散程度，采用熵权法来客观的给予每个指标的权重，再采用改进的隶属度函数得到基于各个评估指标相对于各个质量等级的隶属度，通过改进的隶属度函数建立隶属度评估模型，对配电网进行脆弱性评估，采用上述的隶属度评估模型可以建立相邻两个脆弱等级之间的联系，而不是笼统的得到整体合格范围的隶属度，提高了配电网脆弱节点辨识的准确性和客观性。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种配电网脆弱节点辨识的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，建立节点脆弱度的评估指标；

S2，采用熵权法来计算各评估指标的权重值；

S3，基于改进隶属度函数，计算出各评估指标的隶属度；

S4，确定配电网节点的脆弱性综合评价指数，具体包括：采用模糊矩阵复合运算方法划分电网脆弱等级，分别为很低、低、中、高、很高，并确定配电网节点的脆弱性综合评价指数u表示为：

u＝w·μ＝[u₁ u₂ u₃ u₄ u₅]，

式中，w为各评估指标的权重值进行权重归一化处理后，组成的模糊矩阵，μ为各评估指标的隶属度组成的模糊矩阵，u₁、u₂、u₃、u₄、u₅分别表示电网脆弱等级很低、低、中、高、很高的电网脆弱度综合指数；

S5，对很低、低、中、高、很高五个电网脆弱等级，依次赋以分值c1、c2、c3、c4、c5且相邻等级间的分值间距相等，分值由低到高表示电网脆弱度由低到高，最后采用加权平均法得到各节点的电网脆弱度值f，通过比较找出配电网络中相对脆弱的节点，并输出结果，其中，电网脆弱度值f计算公式为

式中，u_j表示综合脆弱度相对于第j个脆弱等级的隶属度。

2.根据权利要求1所述的配电网脆弱节点辨识的方法，其特征在于，所述步骤S1中，建立节点脆弱度的评估指标，具体包括：根据配电网拓扑结构和配电网正常运行状态下的潮流参数，计算配电线路的有功度数、节点级数、基于过负荷的电压增量严重度以及基于故障断线的电压增量严重度。

3.根据权利要求1所述的配电网脆弱节点辨识的方法，其特征在于，所述步骤S3中，基于改进隶属度函数，计算出各评估指标隶属度，具体包括：建立基于改进隶属度函数的脆弱节点评估指标模糊模型，将各评估指标的模糊性转化为相对于质量等级确定的隶属度，计算出各评估指标隶属度；

其中，所述质量等级划分为很低、低、中、高、很高，对应步骤S4中很低、低、中、高、很高五个电网脆弱等级，所述改进隶属度函数包括：

评估指标对应为很低脆弱等级的隶属度函数为：

式中，a₁，a₂分别为不同指标下隶属于很低、低两脆弱等级的临界值，k为常数，取为0.125X；

评估指标对应于低、中、高脆弱等级的隶属度函数为：

式中，k的取值由国标限值确定，取为0.25X，其中n＝1，2，3；

评估指标对应于很高脆弱等级的隶属度函数为：

式中，n＝4。

4.根据权利要求2所述的配电网脆弱节点辨识的方法，其特征在于，所述根据配电网拓扑结构和配电网正常运行状态下的潮流参数，计算配电线路的有功度数、节点级数、基于过负荷的电压增量严重度以及基于故障断线的电压增量严重度，具体包括：设配电网拓扑结构包含n个节点和m条线路，

计算有功度数指标：用ND_i表示配电网中的节点有功度数，

式中，ND_i为第i个节点的重要度，k_i为本节点所连接的节点数量，P_i反映了本节点在电网中传输和分配的功率，S_imax表示本节点视在功率的最大值。

计算节点级数指标：根据配电网拓扑结构，从末端节点依次向首端节点进行遍历，得到节点分级矩阵，在节点分级矩阵中，对于重复出现的节点，只保留其在最后一层出现的节点；

计算基于过负荷的电压增量严重度指标：对包含n个节点的配电网，配电网正常运行时表示为状态0，当第i个节点负荷单位增加即系统受到所带的负荷量增多时的运行状态表示为状态P，采用曼哈顿距离来计算状态P下各个节点的电压增量，

式中，表示系统正常运行情况下节点i的电压；表示节点P接入过量负荷时节点i的电压值；

计及配电网络的节点过负荷对系统中所有节点的影响，定义节点过负荷下的电压增量严重度LN_i，

式中，综合节点i过负荷所引起的系统中所有节点的电压变化量来衡量节点过负荷对整个配电系统的影响，以此作为节点i的过负荷下的脆弱度的评判指标；

计算基于故障断线的电压增量严重度：对于包含m条线路的配电网，当线路j断开时，第i个节点的电压损失值为

式中，表示系统正常运行情况下节点i的电压；表示线路j断开情况下节点i的电压值；

定义故障断线下的电压增量严重度LM_i，

针对以上节点的过负荷以及线路的故障断开，即每一个节点i包含了n个状态，则每一个节点的电压增量严重度可以组成n维列向量。