CN110601189B - 一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法，其包括以下步骤：步骤1，构建电网对于连锁跳闸事件的安全性指标函数；电网在初始故障作用下任意一个发生连锁跳闸状态相对电网安全正常状态的距离的范数函数的取最小值函数作为电网对于连锁跳闸事件的安全性指标函数，步骤2，分别获取电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前后的约束条件，进而构建电网对于连锁跳闸事件安全性的计算模型，步骤3，对连锁跳闸事件安全性的计算模型的各项约束条件施加惩罚并选择粒子群算法进行求解。本发明不限于考虑临界的节点注入功率状态，而是将引起电网连锁跳闸的各种状态都考虑进来，从而给出更加可靠的安全指示评估方法。

Description

一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法

技术领域

本发明涉及电力电网技术领域，尤其涉及一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法。

背景技术

目前，对电网连锁跳闸的分析和处理技术主要可以分为两大类，其中第一大类是将连锁跳闸置于长过程的连锁故障过程中，分析和处理整个连锁故障过程的相关问题；另一类是针对初始故障发生后的局部时段分析和研究连锁跳闸以及相关的预防措施。

(1)针对连锁故障长过程的分析方法和技术：目前，一些研究工作者正在开展将此理论用于指导实际的连锁故障分析的研究中，如文献[7]给出了通过连锁故障的搜索判别系统进入自组织临界态的算法，文献[8]]给出了运用自组织临界理论判别系统可能的停电规模的方法。这些研究和技术对于连锁故障场景中的任何一级故障一般都按照连锁跳闸的模式进行分析，一般不涉及连锁故障中的复杂动态现象。

研究和分析电网结构对连锁故障的影响，目前主要是基于复杂网络理论分析电网的拓扑结构故障传播的影响[9-12],如文献[13]给出了小世界电网的故障传播规律，文献[14-15]给出辨识影响电网故障传播的关键结构参数的方法。这些研究和技术对于连锁故障场景中的任何一级故障一般也都按照连锁跳闸的模式进行分析，一般也不涉及连锁故障中的复杂动态现象。

对于现有长过程连锁故障的模拟技术，目前，既有基于多级连锁跳闸模拟的分析技术[16]，也有在涉及复杂动态的情况进行模拟的技术[17-19]，不过无论是哪种技术，目前还很难完全真实地再现完整的连锁故障动态过程，主要原因是这些动态过程过于复杂，涉及到的自动装置也没有完全统一的标准。

(2)针对连锁故障某一局部时段的分析方法和技术：近年来的主要方法和技术有：1)基于广域信息的潮流转移识别技术[20-21]，以及基于潮流转移识别的广域后备保护技术[22]；2)基于本地信息的潮流转移识别和系统保护技术[22,23]；3)对初始故障产生的潮流转移所关联的输电断面进行识别的技术[24]以及输电断面保护技术[25]；4)根据初始故障发生后电网是否因潮流转移诱发下一轮连锁过载跳闸，辨识电网的脆弱支路的技术[26-28]；5)根据初始故障，根据电网的节点注入功率计算电网针对连锁跳闸的安全裕度[29]。而传统分析和应对连锁跳闸的技术主要是从九十年代以后开始在电力系统广泛使用的电力系统静态安全分析和控制技术[20-31]。

现有技术的主要缺点是在计算电网对于连锁跳闸的安全水平时只计及了电网当前运行状态与临界运行状态之间的距离，而没有考虑到电网当前运行状态与其他可引发连锁跳闸的运行状态之间的距离，这是不够完善的，因为在某些情况下，其他的可引发连锁跳闸的运行状态可能比临界运行状态与电网当前的运行状态之间的距离更近。

发明内容

本发明的目的在于提供一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法。

本发明采用的技术方案是：

一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法，其包括以下步骤：

步骤1，构建电网对于连锁跳闸事件的安全性指标函数；

步骤1-1，构建电网在初始故障作用下任意一个可发生连锁跳闸的状态S₂相对于电网安全正常状态S₁的距离K的范数函数：

K(S)＝||S-S′|| (1)

其中，S为S₂状态下电网对应的节点注入功率向量，S′为S₁状态下电网对应的节点注入功率向量，K表示S′和S两个向量之间的距离；

步骤1-2，以对K的范数函数的取最小值的函数作为电网对于连锁跳闸事件的安全性指标函数，表达公式为：

f(S)＝min K(S) (2)

其中，f(S)表示K(S)中最小的量；；

步骤2，分别获取电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前后的约束条件，以注入功率向量S为待求变量并以安全性指标函数为目标函数构建电网对于连锁跳闸事件安全性的计算模型，

步骤3，对连锁跳闸事件安全性的计算模型的各项约束条件施加惩罚并选择粒子群算法进行求解。

进一步地，步骤2中约束条件获取步骤如下：

步骤2-1，确定电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前满足潮流方程的等式约束条件；初始故障发生前电网需要满足正常的潮流分配，即应符合稳态时的潮流方程，其缩略的表达式如下：

h⁰(x)＝0 (3)

其中，h⁰为初始故障发生前电网潮流所对应的映射关系，x为求解潮流时的电网状态变量；

步骤2-2，确定电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前所应满足的不等式约束条件；初始故障发生前电网中的各发电机输出的有功、无功以及节点电压和输电线路传输的功率和长期允许载流量都不应超出允许的范围，其具体的表达形式如下：

其中，P_Gi、Q_Gi分别为系统中第i台发电机的有功出力和无功出力；P_Gi·min、P_Gi·max分别为第i台发电机有功出力的下限和上限；Q_Gi·min、Q_Gi·max分别为第i台发电机无功出力的下限和上限，N₁为电网中的发电机总数；P_s为支路L_s传输的有功功率，P_s·max为支路L_s传输的有功功率上限值；I_s为支路L_s上流动的电流的有效值，I_s·max为支路L_s的长期允许载流量，l为电网中的支路总数；U_k为节点k的电压，U_k·min为节点k允许的电压下限，U_k·max为节点k允许的电压上限，N₂为电网节点的总数；

步骤2-3，确定电网在注入功率向量S状态下切除初始故障后满足潮流方程的等式约束条件；初始故障发生后电网应满足潮流方程，其缩略的表达式如下：

h^m(x)＝0 (6)

其中，h^m为初始故障发生后电网潮流所对应的映射关系，x为初始故障发生后电网的状态变量。

步骤2-4，确定电网在注入功率向量S状态下切除初始故障后所应满足的不等式约束条件，其不等式约束条件如下：

max(I_t-I_t·set)≥0 t＝1,2,…,l,t≠m (7)

其中，I_t为电网剩余系统中任意一条支路L_t在初始故障切除后的电流，I_t·set支路L_t所配后备保护的电流定值。

进一步地，步骤2-2中公式4的缩略表达式如下：

g⁰(x)≤0 (5)

其中，g⁰为初始故障发生前，电网所应满足的不等约束关系的缩略表达形式，x为初始故障发生前的电网状态变量。

进一步地，连锁跳闸事件安全性的计算模型表示为：

其中，f(S)表示电网对于连锁跳闸事件的安全性指标函数，h⁰(x)＝0表示电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前满足潮流方程的等式约束条件，g⁰(x)≤0表示电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前所应满足的等式约束条件，h^m(x)＝0表示电网在注入功率向量S状态下初始故障发生后满足潮流方程的等式约束条件，max(I_t-I_t·set)≥0 t＝1,2,…,l,t≠m表示电网在注入功率向量S状态下切除初始故障后所应满足的不等式约束条件，I_t为电网剩余系统中任意一条支路L_t在初始故障切除后的电流，I_t·set支路L_t所配后备保护的电流定值。

进一步地，步骤3中对原优化模型施加惩罚项，给出无约束形式的目标函数，然后选择粒子群算法进行求解。

本发明采用以上技术方案，针对电网的连锁跳闸现象，给出如何计算电网当前正常运行状态与可引发连锁跳闸的运行状态之间的距离，进而反映出电网当前正常运行状态对于连锁跳闸的安全水平。本发明的方法不限于考虑临界的节点注入功率状态，而是将引起电网连锁跳闸的各种状态都考虑进来，从而给出更加可靠的安全指示。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法的流程示意图。

图2为本发明电网对于连锁跳闸事件安全性的计算模型的构建流程示意图。

具体实施方式

本发明针对电网因潮流转移而引发的连锁跳闸现象，并在计及电流型后备保护的基础上，给出一种计算电网对于连锁跳闸事件安全性的方法。如图1所示，本发明技术方案的主要步骤如下：

步骤1，给出电网对于连锁跳闸事件的安全性指标；

具体地，设电网当前的运行状态为安全正常状态，并用S₁来表示，而该运行状态下对应的节点注入功率向量用S′来表示。又设电网中发生初始故障的支路是电网的第m条支路L_m。对于该初始故障，设在该初始故障作用下任意一个可发生连锁跳闸的状态为S₂，而S₂状态下电网对应的节点注入功率向量为S。则任一S₂状态与S₁状态之间的距离可表为式(1)所示的范数形式：

K(S)＝||S-S′|| (1)

式(1)中，K表示S′和S两个向量之间的距离，因为它随S的变化而变化，所以将其写成K(S)这一函数的形式。

在所有K(S)中，取值最小的那一个可表示为式(2)所示的形式：

f(S)＝min K(S) (2)

式(2)中，f(S)为K(S)中最小的量，因为它也是S的函数，所以写成f(S)的形式。

由式(2)及电网的安全性可知，若电网受到初始故障的冲击后，f(S)的值越大，则电网越安全，所以在考虑连锁跳闸的场景下，f(S)是一个可以用来作为表征电网安全性的指标。

步骤2，针对给定的预想初始故障，给出电网对于连锁跳闸事件安全性的计算模型。

具体地，是围绕f(S)的求取建立相关的计算模型。由于式(2)所给出的f(S)计算形式具有优化问题中所具有的目标函数形式，所以本项目将按照求解优化问题的思路给出计算安全性的模型，如图2所示，具体思路如下：

(一)给定目标函数：如前所述，目标函数就是式(2)所示的函数，其中的待求解变量是S。

(二)给出在S注入状态下，电网在初始故障发生前所应满足的等式约束条件

初始故障发生前电网所应满足的等式约束主要体现在：电网需要满足正常的潮流分配，即应符合稳态时的潮流方程，将其表示为缩略的形式可如式(3)所示。

h⁰(x)＝0 (3)

式(3)中，h⁰为初始故障发生前，电网潮流所对应的映射关系，x为求解潮流时的电网状态变量。

(三)给出在S注入状态下，电网在初始故障发生前所应满足的不等式约束条件

初始故障发生前电网所应满足的等式约束主要体现在：电网中的各发电机输出的有功、无功以及节点电压和输电线路传输的功率和长期允许载流量都不应超出允许的范围，其具体的表达形式如式(4)所示。

式(4)中，P_Gi、Q_Gi分别为系统中第i台发电机的有功出力和无功出力；P_Gi·min、P_Gi·max分别为第i台发电机有功出力的下限和上限；Q_Gi·min、Q_Gi·max分别为第i台发电机无功出力的下限和上限，N₁为电网中的发电机总数；P_s为支路L_s传输的有功功率，P_s·max为支路L_s传输的有功功率上限值；I_s为支路L_s上流动的电流的有效值，I_s·max为支路L_s的长期允许载流量，l为电网中的支路总数；U_k为节点k的电压，U_k·min为节点k允许的电压下限，U_k·max为节点k允许的电压上限，N₂为电网节点的总数，将式(4)写成缩略形式，可表示成式(5)的形式。

g⁰(x)≤0 (5)

式(5)中，g⁰为初始故障发生前，电网所应满足的不等约束关系的缩略表达形式，x为初始故障发生前的电网状态变量。

(四)给出电网在S注入状态下切除初始故障后所应满足的等式约束条件

初始故障发生后电网所应满足的等式约束主要体现在：电网应满足潮流方程，将其表示为缩略的形式可如式(6)所示。

h^m(x)＝0 (6)

式(6)中，h^m为初始故障发生后，电网潮流所对应的映射关系，而x为初始故障发生后电网的状态变量。

(五)给出电网在S注入状态下切除初始故障后所应满足的不等式约束条件

在S注入状态下切除初始故障后电网所应满足的不等式约束条件与电网发生连锁跳闸是相关联的。根据电网连锁跳闸的实际表现，若电网在初始故障支路切除后发生连锁跳闸，则电网的剩余系统中至少有一条支路发生连锁跳闸，按此条件，在考虑电流型后备保护的情形下，电网在S注入状态下切除初始故障后应满足如下的不等式约束条件：

max(I_t-I_t·set)≥0 t＝1,2,…,l,t≠m (7)

式(7)中，I_t为电网剩余系统中任意一条支路L_t在初始故障切除后的电流，I_t·set支路L_t所配后备保护的电流定值。

(六)综合目标函数即约束条件，给出完整的计算安全性的模型

综合以上分析，针对预想的初始故障，电网对于连锁跳闸的安全性计算模型为式(8)所示的形式。

步骤3，针对给出的安全性计算模型，给出求解算法。具体地，对式(8)中各项约束条件施加惩罚，进而给出式(8)的惩罚函数形式，然后选择粒子群算法进行求解。

本发明采用以上技术方案，针对电网的连锁跳闸现象，给出如何计算电网当前正常运行状态与可引发连锁跳闸的运行状态之间的距离，进而反映出电网当前正常运行状态对于连锁跳闸的安全水平。本发明的方法不限于考虑临界的节点注入功率状态，而是将引起电网连锁跳闸的各种状态都考虑进来，从而给出更加可靠的安全指示。

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Claims (4)

1.一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法，其特征在于：其包括以下步骤：

步骤1，构建电网对于连锁跳闸事件的安全性指标函数；

步骤1-1，构建电网在初始故障作用下任意一个可发生连锁跳闸的状态S₂相对于电网安全正常状态S₁的距离K的范数函数：

K(S)＝||S-S′|| (1)

其中，S为S₂状态下电网对应的节点注入功率向量，S′为S₁状态下电网对应的节点注入功率向量，K表示S′和S两个向量之间的距离；

步骤1-2，以对K的范数函数的取最小值的函数作为电网对于连锁跳闸事件的安全性指标函数，表达公式为：

f(S)＝minK(S) (2)

其中，f(S)表示K(S)中最小的量；

步骤2，分别获取电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前后的约束条件，以注入功率向量S为待求变量并以安全性指标函数为目标函数构建电网对于连锁跳闸事件安全性的计算模型，步骤2中约束条件获取步骤如下：

步骤2-1，确定电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前满足潮流方程的等式约束条件；初始故障发生前电网需要满足正常的潮流分配，即应符合稳态时的潮流方程，其缩略的表达式如下：

h⁰(x)＝0 (3)

其中，h⁰为初始故障发生前电网潮流所对应的映射关系，x为求解潮流时的电网状态变量；

步骤2-2，确定电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前所应满足的不等式约束条件；初始故障发生前电网中的各发电机输出的有功、无功以及节点电压和输电线路传输的功率和长期允许载流量都不应超出允许的范围，其具体的表达形式如下：

其中，P_Gi、Q_Gi分别为系统中第i台发电机的有功出力和无功出力；P_Gi·min、P_Gi·max分别为第i台发电机有功出力的下限和上限；Q_Gi·min、Q_Gi·max分别为第i台发电机无功出力的下限和上限，N₁为电网中的发电机总数；P_s为支路L_s传输的有功功率，P_s·max为支路L_s传输的有功功率上限值；I_s为支路L_s上流动的电流的有效值，I_s·max为支路L_s的长期允许载流量，l为电网中的支路总数；U_k为节点k的电压，U_k·min为节点k允许的电压下限，U_k·max为节点k允许的电压上限，N₂为电网节点的总数；

步骤2-3，确定电网在注入功率向量S状态下切除初始故障后满足潮流方程的等式约束条件；初始故障发生后电网应满足潮流方程，其缩略的表达式如下：

h^m(x)＝0 (6)

其中，h^m为初始故障发生后电网潮流所对应的映射关系，x为初始故障发生后电网的状态变量；

步骤2-4，确定电网在注入功率向量S状态下切除初始故障后所应满足的不等式约束条件，其不等式约束条件如下：

max(I_t-I_t.set)≥0 t＝1,2,…,l,t≠m (7)

其中，I_t为电网剩余系统中任意一条支路L_t在初始故障切除后的电流，I_t.set支路L_t所配后备保护的电流定值；

步骤3，对连锁跳闸事件安全性的计算模型的各项约束条件施加惩罚并选择粒子群算法进行求解。

2.根据权利要求1所述的一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法，其特征在于：步骤2-2中的公式4的缩略表达式如下：

g⁰(x)≤0 (5)

其中，g⁰为初始故障发生前，电网所应满足的不等约束关系的缩略表达形式，x为初始故障发生前的电网状态变量。

3.根据权利要求1至2任一所述的一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法，其特征在于：连锁跳闸事件安全性的计算模型表示为：

其中，f(S)表示电网对于连锁跳闸事件的安全性指标函数，h⁰(x)＝0表示电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前满足潮流方程的等式约束条件，g⁰(x)≤0表示电网在注入功率向量S状态下初始故障发生前所应满足的等式约束条件，h^m(x)＝0表示电网在注入功率向量S状态下初始故障发生后满足潮流方程的等式约束条件，max(I_t-I_t·set)≥0t＝1,2,…,l,t≠m表示电网在注入功率向量S状态下切除初始故障后所应满足的不等式约束条件，I_t为电网剩余系统中任意一条支路L_t在初始故障切除后的电流，I_t·set支路L_t所配后备保护的电流定值。

4.根据权利要求1所述的一种考虑连锁跳闸的电网安全性评估方法，其特征在于：步骤3中对原优化模型施加惩罚项，给出无约束形式的目标函数，然后选择粒子群算法进行求解。

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