CN110649626A - 一种受端电网分层优化切负荷方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种受端电网分层优化切负荷方法及系统。该方法包括：建立受端电网的跨电压等级分层模型，跨电压等级分层模型包括500kV及以上电压等级系统模型和500kV以下电压等级系统模型；根据500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型；根据切负荷数学模型划分过负荷区域，确定需要切负荷的500kV节点；采用改进最优粒子群算法，优化过负荷区域内的需要切负荷的500kV节点的切负荷量；根据500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系；根据切负荷综合评价体系采用AHP‑模糊综合评价法，计算500kV以下电压等级系统模型中各线路的切负荷量。采用本发明的方法或系统能够实现快速准确地分层优化切负荷。

Description

一种受端电网分层优化切负荷方法及系统

技术领域

本发明涉及受端电网分层优化领域，特别是涉及一种受端电网分层优化切负荷方法及系统。

背景技术

随着特高压输电技术的快速发展以及“西电东送”战略的实施，我国东部电网已经成为典型的受端电网。然而作为送、受端功率通道的超、特高压线路本身输电功率巨大，这些线路因故障切除后会使受端电网出现大规模潮流转移，进而导致部分线路出现过负荷。如不能及时有效地消除过负荷现象，继电保护装置将切除过载线路造成故障事态的进一步扩大，严重时甚至会出现连锁性跳闸引发大面积停电，对社会经济造成难以估量的损失。然而，现有切负荷控制仍属于系统稳定控制功能范围，启动时间滞后，控制功能实现时，继电保护装置可能已经因过负荷而动作跳闸。因此，合理利用切负荷控制手段，在过负荷保护动作之前，快速高效地解决线路过载问题，对受端电网的安全运行至关重要。

目前，对受端电网切负荷方案的研究主要集中在低频低压减载及故障切除后系统暂态稳定控制两方面，而针对故障后潮流转移过负荷的切负荷方案研究较少。现有技术中利用粒子群算法对切负荷总量进行优化形成相应减载方法，但对复杂电网而言，同时对全部负荷节点进行优化求解会陷入“维数灾”导致计算时间过长；现有技术中提出一种基于WAMS的预防连锁跳闸控制方法，该方法可以有效解决单条线路的过载问题，但当潮流转移引发多条线路同时出现过负荷时该方法难以得到最优结果；现有技术中还提出了一种基于输电断面N-1静态安全潮流约束的联切负荷方案，该方案通过计算直流潮流来确定具体的联切负荷节点，但由于直流潮流无法计及系统中无功的影响，使得该方法可能出现较大误差。此外，上述研究均只针对高压线路节点进行切负荷，没有对低电压等级的切负荷方案进行详细分析，在实际应用时容易引起“过切”现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种受端电网分层优化切负荷方法及系统，能够实现快速准确地分层优化切负荷。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种受端电网分层优化切负荷方法，包括：

建立受端电网的跨电压等级分层模型，所述跨电压等级分层模型包括500kV及以上电压等级系统模型和500kV以下电压等级系统模型；

根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型；

根据所述切负荷数学模型划分过负荷区域，确定需要切负荷的500kV节点；

采用改进最优粒子群算法，优化所述过负荷区域内的所述需要切负荷的500kV节点的切负荷量；

根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系；

根据所述切负荷综合评价体系采用AHP-模糊综合评价法，计算所述500kV以下电压等级系统模型中各线路的切负荷量。

可选的，所述根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型，具体包括：

根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型，所述切负荷数学模型包括目标函数和约束条件。

可选的，所述根据所述切负荷数学模型划分过负荷区域，确定需要切负荷的500kV节点，具体包括：

令过负荷区域的全部节点向区域外延伸k个节点，各所述节点及节点间线路连同过负荷区域定义为k级过负荷区域；

根据所述k级过负荷区域确定需要切负荷的500kV节点。

可选的，所述采用改进最优粒子群算法，优化所述过负荷区域内的500kV节点的切负荷量，具体包括：

以所述需要切负荷的500kV节点的切负荷比例为决策变量组成粒子，并对各所述粒子位置和速度进行初始化；

对全部所述粒子按所述目标函数进行计算，记录每个粒子的历史最优值，找出并记录整个粒子群的历史最优值；

更新各所述粒子的位置和速度，并根据所述约束条件对各所述粒子的位置和速度进行检查与修改，得到更新后的粒子；

对所述更新后的粒子按所述目标函数进行计算，更新并记录所述粒子当前最优值和全局最优值；

判断是否达到最大迭代次数；

若是，则迭代终止，输出所述粒子当前最优值和全局最优值，将所述粒子当前最优值作为切负荷量，将所述全局最优值作为切负荷总量；

若否，则返回至“更新各所述粒子的位置和速度，并根据所述约束条件对各所述粒子的位置和速度进行检查与修改，得到更新后的粒子”。

可选的，所述根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系，具体包括:

根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系，所述切负荷综合评价体系包括负荷重要度、负荷承载度和负荷灵活度三个评价因素；

所述负荷重要度的隶属度函数为r₁＝0.6μ₁+0.3μ₂+0.1(1-μ₁-μ₂)，其中，r₁为负荷重要度的隶属度函数，μ₁和μ₂分别为一、二级负荷所占比例；

所述负荷承载度的隶属度函数为

其中，r₂为负荷承载度的隶属度函数，系数k的取值范围为[1,1.5]，λ_p为线路的过负荷程度，λ_p＝I_real/I_N，I_real和I_N分别为线路电流的当前值和额定值；

所述负荷灵活度的隶属度函数为r₃＝(a₁P_zy+a₂P_by)/P_real，其中，r₃为负荷灵活度的隶属度函数，P_zy为线路负荷中所含可平移负荷量；P_by为线路供电区域内发电机热备用容量；P_real为线路当前负载；a₁和a₂分别为可平移负荷量和发电机热备用容量的比例系数。

可选的，所述根据所述切负荷综合评价体系采用AHP-模糊综合评价法，计算所述500kV以下电压等级系统模型中各线路的切负荷量，具体包括：

以变电站为单位，根据所述负荷重要度的隶属度函数、所述负荷承载度的隶属度函数和所述负荷灵活度的隶属度函数建立评价矩阵；

采用层次分析法确定各评价因素的权重集；

根据所述评价矩阵和所述权重集采用模糊综合评价法计算，得到各变电站内出线线路的切负荷量。

一种受端电网分层优化切负荷系统，包括：

跨电压等级分层模型建立模块，用于建立受端电网的跨电压等级分层模型，所述跨电压等级分层模型包括500kV及以上电压等级系统模型和500kV以下电压等级系统模型；

切负荷数学模型建立模块，用于根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型；

过负荷区域划分模块，用于根据所述切负荷数学模型划分过负荷区域，确定需要切负荷的500kV节点；

切负荷量第一计算模块，用于采用改进最优粒子群算法，优化所述过负荷区域内的所述需要切负荷的500kV节点的切负荷量；

切负荷综合评价体系建立模块，用于根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系；

切负荷量第二计算模块，用于根据所述切负荷综合评价体系采用AHP-模糊综合评价法，计算所述500kV以下电压等级系统模型中各线路的切负荷量。

可选的，所述切负荷数学模型建立模块，具体包括：

切负荷数学模型建立单元，用于根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型，所述切负荷数学模型包括目标函数和约束条件。

可选的，所述切负荷综合评价体系建立模块，具体包括:

切负荷综合评价体系建立单元，用于根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系，所述切负荷综合评价体系包括负荷重要度、负荷承载度和负荷灵活度三个评价因素；

所述负荷重要度的隶属度函数为r₁＝0.6μ₁+0.3μ₂+0.1(1-μ₁-μ₂)，其中，r₁为负荷重要度的隶属度函数，μ₁和μ₂分别为一、二级负荷所占比例；

所述负荷承载度的隶属度函数为

其中，r₂为负荷承载度的隶属度函数，系数k的取值范围为[1,1.5]，λ_p为线路的过负荷程度，λ_p＝I_real/I_N，I_real和I_N分别为线路电流的当前值和额定值；

所述负荷灵活度的隶属度函数为r₃＝(a₁P_zy+a₂P_by)/P_real，其中，r₃为负荷灵活度的隶属度函数，P_zy为线路负荷中所含可平移负荷量；P_by为线路供电区域内发电机热备用容量；P_real为线路当前负载；a₁和a₂分别为可平移负荷量和发电机热备用容量的比例系数。

可选的，所述切负荷量第二计算模块，具体包括：

评价矩阵建立单元，用于以变电站为单位，根据所述负荷重要度的隶属度函数、所述负荷承载度的隶属度函数和所述负荷灵活度的隶属度函数建立评价矩阵；

权重集确定单元，用于采用层次分析法确定各评价因素的权重集；

切负荷量第二计算单元，用于根据所述评价矩阵和所述权重集采用模糊综合评价法计算，得到各变电站内出线线路的切负荷量。

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：

电网中超、特高压输电线路因故障切除后容易引发受端电网出现大规模潮流转移过负荷，严重时会导致连锁跳闸甚至大面积停电。因此本发明提出了一种受端电网分层优化切负荷方法。首先根据不同电压等级特点，建立受端电网的跨电压等级分层模型。一方面针对500kV及以上电压等级系统，实时监测线路过负荷情况并划分过负荷区域，以切负荷总量最小为目标函数，考虑电压和频率稳定约束，利用改进粒子群算法建立优化切负荷方案。另一方面，针对500kV以下电压等级系统，基于变电站之间传递的线路负荷信息，采用AHP-模糊综合评价法构建综合代价最低的切负荷预案，一旦接收到控制任务即按预案由500kV变电站逐级向下快速进行切负荷任务分配，最终实现快速准确地分层优化切负荷。

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为本发明受端电网分层优化切负荷方法流程图；

图2为本发明过负荷区域划分示意图；

图3为本发明切负荷综合评价体系示意图；

图4为本发明节点15以下低电压等级线路结构图；

图5为本发明受端电网分层优化切负荷系统结构图。

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受端电网分层优化切负荷方法及系统，能够实现快速准确地分层优化切负荷。

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为本发明受端电网分层优化切负荷方法流程图。如图1所示，一种受端电网分层优化切负荷方法包括：

步骤101：建立受端电网的跨电压等级分层模型，所述跨电压等级分层模型包括500kV及以上电压等级系统模型和500kV以下电压等级系统模型；

步骤102：根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型，具体包括：

根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型，所述切负荷数学模型包括目标函数和约束条件。

将电力系统中的发电机、负荷都作为节点注入电流来表示，电路方程如下

U_B＝A^TU_n，I_B＝Y_BU_B，I_n＝Y_nU_n (1)

其中，U_B和U_n分别是支路电压向量和节点电压向量，I_B和I_n分别是支路电流向量和节点电流向量，Y_B和Y_n分别是支路导纳矩阵和节点导纳矩阵，A是网络关联矩阵。

由公式(1)可推出支路电流I_B与节点电流I_n的关系方程为

其中矩阵R为系数矩阵。

若电网支路数为m，节点数为n，则式(2)是一个包含n个变量的m阶方程组。假设潮流转移后由PMU装置实时测量发现系统中有M条线路出现过负荷，则针对过负荷线路有

I_b＝R_M,nI_n (4)

其中，I_b为过负荷支路的电流组成的向量，R_M,n为系数矩阵R中所有过负荷支路对应行向量组成的矩阵。

对于非发电机节点和非负荷节点，其节点注入电流总和为零，因此可对式(4)做进一步化简，即删去I_n中的非发电机节点和非负荷节点，以及R_M,n中与之对应的列，记系统中发电机节点和负荷节点总数为N，则式(4)最终化简为

I_b＝R_M,NI_N (5)

其中，I_N为系统中发电机节点和负荷节点的注入电流组成的列向量，R_M,N为R_M,n中发电机节点和负荷节点对应列向量组成的矩阵。

由PMU装置测得过负荷线路k上电流值I_b.k，通过与该线路上的过负荷保护设定值I_b.k.op比较，得到线路电流应调整值ΔI_b.k.re，考虑到计算误差，计算ΔI_b.k.re时应增加一个保险系数λ_k(λ_k≥1)：

ΔI_b.k.re＝λ_k·(I_b.k.op-I_b.k) (6)

切负荷后线路k上电流实际变化值ΔI_b.k需满足约束

ΔI_b.k＝R_k,...ΔI_N≤ΔI_b.k.re (7)

其中，R_k,...为线路k在R_M,N中的对应行向量，ΔI_N为发电机及负荷节点的注入电流变化量组成的列向量。

对节点的有功、无功负荷按等比例原则进行切除，即控制前后负荷节点i的有功、无功负荷比例α_i保持不变：

ΔQ_N.i＝α_iΔP_N.i (8)

其中ΔP_N.i和ΔQ_N.i分别为负荷节点i的有功、无功功率切除量。

则ΔI_N中元素ΔI_N.i与ΔP_N.i关系式为

此外，切负荷后系统内各节点电压值不应超出系统要求范围，即

U_i.min≤U_i+ΔU_i≤U_i.max (10)

其中，ΔU_i为采取控制措施后节点i的电压变化量，U_i.max和U_i.min分别为节点i电压的限定最大值和最小值，ΔU_i随节点注入有功、无功功率变化情况为：

由节点注入功率方程

可得

切负荷控制还应满足频率约束，即负荷切除后系统频率不应超出允许范围：

f_min≤f₀+Δf≤f_max (16)

其中，f₀为潮流转移后系统频率，Δf为切负荷前后系统频率的变化量，f_max和f_min分别为系统频率的限定最大值和最小值。

为简化分析，忽略系统电压波动的影响，则系统频率f和节点i处的有功负荷P_N.i的关系为

P_N.i＝a₀P_S+a₁P_S(f/f_N)+···+a_nP_S(f/f_N)ⁿ (17)

其中，P_S为系统的额定有功功率，f_N为系统额定频率，a_i(i＝0,1,…,n)为与系统额定频率的i次方成正比的负荷占额定负荷的百分比，一般n取到3即可。节点i处负荷的频率调节系数K_i为

K_i＝dP_N.i/df＝a₁+2a₂f+3a₃f² (18)

则有

为保证电网停电范围尽可能小，本发明的方法以切负荷总量最小为准则，则上述问题转化为以下最优化问题：

目标函数为：

约束条件为：

式(21)中，第1项为过负荷线路上的电流约束，第2和3项为负荷节点的有功和无功功率约束，第4和5项分别为节点电压约束和系统功率约束。

步骤103：根据所述切负荷数学模型划分过负荷区域，确定需要切负荷的500kV节点，具体包括：

令过负荷区域的全部节点向区域外延伸k个节点，各所述节点及节点间线路连同过负荷区域定义为k级过负荷区域；

根据所述k级过负荷区域确定需要切负荷的500kV节点。

大电网中节点数量庞大，直接对全部节点进行优化求解容易导致计算量巨大使得计算时间过长，甚至陷入维数灾。为避免这种情况，本发明的方法划分了过负荷区域，仅对过负荷区域内节点进行优化求解，从而有效节省计算时间。

首先定义电网中发生潮流转移过负荷的线路及与之直接相连接的节点为过负荷区域，令过负荷区域的全部节点向区域外延伸k个节点，这些节点及节点间线路连同过负荷区域定义为k级过负荷区域。图2为本发明过负荷区域划分示意图。潮流转移发生后，电网中的过负荷区域可能是连通状态，也可能是分散的。

为快速确定各级过负荷区域所含节点，定义k级过负荷区域线路集L_k＝{l_i,l_j,…}，定义n×1阶向量U_K

定义判断向量J_K

J_K＝AU_K (23)

其中A为网络关联矩阵。

则k级过负荷区域所含节点集合为

N_K＝{n_i|J_K.i≠0,i＝1,2,···,n} (24)

潮流转移发生后，首先将过负荷区域设为研究区域，为提高方法整体计算效率，需按式(25)对研究区域进行校验以判断区域内节点的切负荷控制是否能满足全部过负荷线路的电流调整目标。

其中ΔI_b.k.max为研究区域内切负荷能够使过负荷线路k上电流减少的最大值。

若校验通过，则以过负荷区域内的负荷节点为对象按式(20、21)进行求解，反之，则将研究区域扩大至1级过负荷区域，同样按式(25)进行校验，直至满足校验条件。

步骤104：采用改进最优粒子群算法，优化所述过负荷区域内的所述需要切负荷的500kV节点的切负荷量，具体包括：

以所述需要切负荷的500kV节点的切负荷比例为决策变量组成粒子，并对各所述粒子位置和速度进行初始化；切负荷比例的初始值由计算机确定，取值范围是[0,1]，然后计算机根据自身算法进行优化计算，不断更新该比例数据直至搜索到最优解。

对全部所述粒子按所述目标函数进行计算，记录每个粒子的历史最优值，找出并记录整个粒子群的历史最优值；

更新各所述粒子的位置和速度，并根据所述约束条件对各所述粒子的位置和速度进行检查与修改，得到更新后的粒子；

对所述更新后的粒子按所述目标函数进行计算，更新并记录所述粒子当前最优值和全局最优值；

判断是否达到最大迭代次数；

若是，则迭代终止，输出所述粒子当前最优值和全局最优值，将所述粒子当前最优值作为切负荷量，将所述全局最优值作为切负荷总量；

若否，则返回至“更新各所述粒子的位置和速度，并根据所述约束条件对各所述粒子的位置和速度进行检查与修改，得到更新后的粒子”。

以步骤103确定的过负荷区域内负荷节点的切负荷比例α_i(0≤α_i≤1)为决策变量组成粒子，位置向量和速度向量为

x＝[α₁,α₂,···,α_N] (26)

v＝[v₁,v₂,···,v_N] (27)

粒子i通过以下公式进行更新，其中P_i和P_g分别是当前粒子搜索到的最优位置和整个粒子群的最优位置，c₁和c₂.是学习因子，分别表示粒子跟踪的历史最优值和群体最优值的权重系数，r₁和r₂是[0,1]区间服从均匀分布的随机数

v_ij＝ωv_ij+c₁r₁(p_i.j-x_i.j)+c₂r₂(p_g.j-x_i.j) (28)

x_ij＝x_ij+v_ij (29)

ω为惯性因子，有研究表明，较大的ω值有利于跳出局部极小点，而较小的ω值有利于算法收敛，因此本发明采取自适应调整ω值的方法，随着迭代的进行，线性地减小ω的值：

其中ω_max和ω_min分别为惯性因子的设定最大、最小值，k为当前迭代次数，n为算法的最大迭代次数。

步骤105：根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系，具体包括:

根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系，所述切负荷综合评价体系包括负荷重要度、负荷承载度和负荷灵活度三个评价因素；

所述负荷重要度的隶属度函数为r₁＝0.6μ₁+0.3μ₂+0.1(1-μ₁-μ₂)，其中，r₁为负荷重要度的隶属度函数，μ₁和μ₂分别为一、二级负荷所占比例；

所述负荷承载度的隶属度函数为

其中，r₂为负荷承载度的隶属度函数，系数k的取值范围为[1,1.5]，λ_p为线路的过负荷程度，λ_p＝I_real/I_N，I_real和I_N分别为线路电流的当前值和额定值；

所述负荷灵活度的隶属度函数为r₃＝(a₁P_zy+a₂P_by)/P_real，其中，r₃为负荷灵活度的隶属度函数，P_zy为线路负荷中所含可平移负荷量；P_by为线路供电区域内发电机热备用容量；P_real为线路当前负载；a₁和a₂分别为可平移负荷量和发电机热备用容量的比例系数。

经步骤103确定500kV节点切负荷量后，为避免停电范围扩大，需将控制任务细分至500kV以下各电压等级。而切负荷综合评价体系明确了负荷重要度、负荷承载度以及负荷灵活度这三个评价因素的隶属度函数的计算方法，是步骤106的计算依据。

为保证不同电压等级之间的切负荷任务分配能够快速进行，应当在潮流转移发生前的正常情况下提前形成切负荷方法预案，而这依赖于一个合理的切负荷综合评价体系。以负荷重要度、负荷承载度以及负荷灵活度为评价因素，建立了综合评价体系。图3为本发明切负荷综合评价体系示意图。

1)负荷重要度

负荷重要度体现了线路所带负荷的重要程度。如果线路上的一、二级负荷较多，一旦停电可能造成无法挽回的损失，则该线路的重要程度较高，而对于没有承担重要负荷的线路，如城市景观灯等，当发生事故时应优先考虑切除。因此，负荷重要度是切负荷过程中必须考虑的因素之一。本发明以线路上一、二、三级负荷所占比例为基础构建隶属度函数

r₁＝0.6μ₁+0.3μ₂+0.1(1-μ₁-μ₂) (31)

其中，r₁为负荷重要度的隶属度函数，μ₁和μ₂分别为一、二级负荷所占比例。

2)负荷承载度

负荷承载度表示线路当前电流与其额定值的比例程度。负荷承载度越高，线路本身及相邻变压器等重要设备因热动力导致故障甚至损坏的几率也越大，给系统安全及供电可靠性带来风险，因此应优先在负荷承载度高的线路进行负荷切除。考虑到线路在额定负荷以下运行时风险较小，而超过额定负荷后发生故障风险迅速增大，本发明采用指数函数表征负荷承载度

其中，r₂为负荷承载度的隶属度函数，系数k的取值范围为[1,1.5]，λ_p为线路的过负荷程度，I_real和I_N分别为线路电流的当前值和额定值。

3)负荷灵活度

负荷灵活度主要考虑线路负荷中所含可平移负荷多少以及线路供电区域内发电机热备用容量大小。可平移负荷是指负荷的供电时间可根据系统运行状态灵活改变的负荷，如电储热系统等。可平移负荷越多，线路供电区域内发电机热备用容量越大，则该线路的用电及供电灵活度越高，紧急事故时应优先考虑切除。定义负荷灵活度为

r₃＝(a₁P_zy+a₂P_by)/P_real (33)

其中，r₃为负荷灵活度的隶属度函数，P_zy为线路负荷中所含可平移负荷量；P_by为线路供电区域内发电机热备用容量；P_real为线路当前负载；a₁和a₂分别为可平移负荷量和发电机热备用容量的比例系数。

为使具有不同量纲的评价因素之间能够进行合理对比，需对各隶属度函数进行归一化处理。但在进行归一化时应注意一个事实：对于负荷承载度和负荷灵活度，其隶属度函数值越高越应进行切负荷控制，而对负荷重要度则相反，因此在进行归一化时负荷承载度和负荷灵活度需用式(34)而负荷重要度应采用式(35)

其中，r_i.j为线路j对于评价因素i的隶属度函数，i的取值范围为{1,2,3}，r^* _i.j为r_i.j的归一化值，r_i.max和r_i.min分别是r_i.j取到的最大值和最小值。

步骤106：根据所述切负荷综合评价体系采用AHP-模糊综合评价法，计算所述500kV以下电压等级系统模型中各线路的切负荷量，具体包括：

以变电站为单位，根据所述负荷重要度的隶属度函数、所述负荷承载度的隶属度函数和所述负荷灵活度的隶属度函数建立评价矩阵；

采用层次分析法确定各评价因素的权重集；

根据所述评价矩阵和所述权重集采用模糊综合评价法计算，得到各变电站内出线线路的切负荷量。

模糊综合评价法(FCE)是一种根据模糊数学隶属度理论把定性评价转化为定量评价的方法，具有结果清晰，系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题。FCE计算的前提条件之一是确定各个评价因素的权重，它一般由决策者直接指定。但对于复杂的问题，直接给出各个评价因素的权重比较困难，而这个问题正是层次分析法(AHP)所擅长的。在层次分析法中，可通过两两比较的方式来确定各评价因素的相对重要性，经过定性和定量分析，最终得到评价因素的排序权重。基于AHP-模糊综合评价法的低电压等级切负荷方法的具体步骤如下:

1)确定500kV变电站的切负荷总量X以及评价因素集U(u₁,…,u_n)。

2)以变电站为单位，各变电站收集本站低压侧线路的负荷重要度、负荷承载度以及负荷灵活度等负荷信息并传递至相邻上级变电站。各变电站确定本站内切负荷线路方案集V_k(v_k1,…,v_km)并根据归一化后的隶属度函数建立评价矩阵R_k:

其中，k为变电站编号，r^* _ij为方案v_j对评价因素i的隶属度，由隶属度函数归一化后得到。

3)利用层次分析法确定各评价因素的权重集W。

a.构造两两比较判断矩阵。根据专家决策对n个影响因素重要度做两两比较，确定判断矩阵A。

A＝(a_ij)_n×n (37)

b.计算评价因素权重。计算矩阵A的最大特征值λ_max与对应特征向量

对

进行归一化，得到评价因素权重集W。

W＝[w₁ w₂ ··· w_n] (38)

c.对特征向量进行一致性校验。

CR＝CI/RI (40)

其中RI为随机一致性指标，CR为一致性校验指标。

如果CR<0.1，则认为评价矩阵A具有满意的一致性，否则就需要调整A的元素取值。

4)分别对不同变电站进行模糊综合评价计算。

B_k＝W·R_k＝[b_k.1 b_k.2 ··· b_k.m] (41)

结果集B_k中的元素b_k.i代表了方案i相对于总目标的优劣性，得分最高者表示该方案最优。

5)自500kV变电站起按电压等级逐级计算各变电站内出线线路的切负荷量。

其中P_k.i和P_k.sum分别为变电站k内线路i的切负荷量和切负荷总量。

按照上述步骤即可实现以变电站为基本单元的由高电压等级至低电压等级逐级分配的优化切负荷控制。

本发明的受端电网分层优化切负荷方法与已有文献的区别主要体现在保护控制系统架构、具有快速性和具有实用性三方面。

首先本发明采用的系统架构是新型保护与控制架构，该架构利用的是不同电压等级变电站之间的天然物理联系，如500kV电压等级变电站的负荷是由其相邻220kV变电站的负荷构成的，而220kV变电站的负荷又是由其相邻110kV变电站的负荷构成的，所提分层切负荷方法由500kV电压等级向低电压等级逐级分配切负荷任务，体现了切负荷控制与负荷物理分布的一致性，一方面可实现切负荷的精准化，防止“过切”现象，另一方面对于500kV以下电压等级切负荷仅需在相邻变电站之间传递切负荷信息，具有信息可靠性高，传递速度快的特点。

其次本发明的分层切负荷方法具备快速性的优点。首要目的是当电力系统中大容量输电线路因故障切除后，系统中其他线路不会因为潮流转移引发的过负荷而被继电保护装置切除，继而引发连锁跳闸甚至大规模停电。由于线路过负荷的保护动作时间可以低至1.5s，这就要求所提方法能够快速解除高压侧线路因潮流转移出现的过负荷现象，为此本发明在500kV及以上电压等级切负荷方法和500kV以下电压等级切负荷方法中均做了快速性考虑。在500kV及以上电压等级切负荷方法中通过设置过负荷区域，避免了对系统中全部负荷节点进行全局计算，新英格兰10机39节点系统的仿真算例表明本发明方法用时(1.38s)较全局计算方法(4.04s)减少了65.84％。对500kV以下电压等级切负荷方法，其主体计算部分即各电压等级线路的模糊综合评价结果集是在故障发生之前就已经形成的。以220kV变电站为例，220kV变电站在系统未发生故障时即实时接收由相邻110kV等级变电站传来的线路负荷信息，对站内110kV线路按式(31～36)分别计算其对负荷重要度、负荷承载度和负荷灵活度这三项评价因素的隶属度并建立评价矩阵R_k，最终按式(41)形成模糊综合评价结果集B_k。

r₁＝0.6μ₁+0.3μ₂+0.1(1-μ₁-μ₂) (31)

r₃＝(a₁P_zy+a₂P_by)/P_real (33)

B_k＝W·R_k＝[b_k.1 b_k.2 ··· b_k.m] (41)

上述计算均在故障发生前完成，故障发生后，220kV变电站由上级500kV变电站处接收到切负荷量随之按式(42)对站内110kV线路进行切负荷任务分配，并将分配结果下发至相邻110kV变电站。因此，故障发生后，本发明500kV以下电压等级切负荷方法的计算量仅为各级变电站所进行的式(42)的简单四则运算，而传统切负荷控制采用分时分轮切除的办法，触发时间过长，其他切负荷方法为计及切负荷后网络电压或频率往往需要对电网进行若干次潮流计算，面对大系统时同样可能导致高压侧线路过负荷现象无法得到及时控制。为验证本发明500kV以下电压等级切负荷方法的快速性，利用matlab2016a仿真平台对本发明计算时间同潮流计算一次的时间进行对比，本发明500kV以下电压等级切负荷方法部分计算时间为0.001s，而潮流计算一次所需时间为0.289s，可见本发明的方法用时远小于其他方法，而且随着系统节点增多，潮流计算时间明显增大，但本发明的方法计算时间并不会明显增加，因此本发明方法在时效性方面具有明显优势。

其中P_k.i和P_k.sum分别为变电站k内线路i的切负荷量和切负荷总量。

最后，本发明500kV以下电压等级切负荷方法对所有低压线路的负荷按照负荷重要度、负荷承载度和负荷灵活度三个评价因素进行综合评价，目的是尽可能多切除线路负荷重、负荷灵活度高的负荷，不切或少切负荷重要度高的线路负荷，将本发明的方法与“节点分层切负荷”方法进行对比：

图4为本发明节点15以下低电压等级线路结构图。按“节点分层切负荷”方法对图4中各负荷节点建立分层如表1所示，其中可切除负荷为该线路除去一二级负荷后的其余负荷，两种方法下负荷切除量如表2所示。不同方法效果分析如表3所示，可以看出，本发明方法和“节点分层切负荷”方法均能完成切负荷任务分配，且都避免了切除重要负荷。而由于本发明进一步考虑了线路承载度和负荷灵活度的影响，本发明方法下全部线路的过负荷程度均降到了0.8以下，从而降低了重载线路上元件的过负荷运行风险，且本发明方法下，负荷灵活度最高的线路L_110.6切负荷量最多，说明本发明的方法优先选择具有可平移负荷和备用电源的线路进行切负荷以减小切负荷对用户的影响。

表1“分层紧急切负荷”方法对策表

表2各线路切负荷量

表3不同方法效果对比

综上所述，本发明可以在快速解除高压侧线路因潮流转移出现的过负荷现象的同时合理考虑低压线路负荷重要度、负荷承载度和负荷灵活度的综合影响，具有快速性和实用性的优点。

图5为本发明受端电网分层优化切负荷系统结构图。如图5所示，一种受端电网分层优化切负荷系统包括：

跨电压等级分层模型建立模块201，用于建立受端电网的跨电压等级分层模型，所述跨电压等级分层模型包括500kV及以上电压等级系统模型和500kV以下电压等级系统模型；

切负荷数学模型建立模块202，用于根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型；

过负荷区域划分模块203，用于根据所述切负荷数学模型划分过负荷区域，确定需要切负荷的500kV节点；

切负荷量第一计算模块204，用于采用改进最优粒子群算法，优化所述过负荷区域内的所述需要切负荷的500kV节点的切负荷量；

切负荷综合评价体系建立模块205，用于根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系；

切负荷量第二计算模块206，用于根据所述切负荷综合评价体系采用AHP-模糊综合评价法，计算所述500kV以下电压等级系统模型中各线路的切负荷量。

所述切负荷数学模型建立模块202，具体包括：

切负荷数学模型建立单元，用于根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型，所述切负荷数学模型包括目标函数和约束条件。

所述切负荷综合评价体系建立模块205，具体包括:

切负荷综合评价体系建立单元，用于根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系，所述切负荷综合评价体系包括负荷重要度、负荷承载度和负荷灵活度三个评价因素；

所述负荷重要度的隶属度函数为r₁＝0.6μ₁+0.3μ₂+0.1(1-μ₁-μ₂)，其中，r₁为负荷重要度的隶属度函数，μ₁和μ₂分别为一、二级负荷所占比例；

所述负荷承载度的隶属度函数为

其中，r₂为负荷承载度的隶属度函数，系数k的取值范围为[1,1.5]，λ_p为线路的过负荷程度，λ_p＝I_real/I_N，I_real和I_N分别为线路电流的当前值和额定值；

所述负荷灵活度的隶属度函数为r₃＝(a₁P_zy+a₂P_by)/P_real，其中，r₃为负荷灵活度的隶属度函数，P_zy为线路负荷中所含可平移负荷量；P_by为线路供电区域内发电机热备用容量；P_real为线路当前负载；a₁和a₂分别为可平移负荷量和发电机热备用容量的比例系数。

所述切负荷量第二计算模块206，具体包括：

评价矩阵建立单元，用于以变电站为单位，根据所述负荷重要度的隶属度函数、所述负荷承载度的隶属度函数和所述负荷灵活度的隶属度函数建立评价矩阵；

权重集确定单元，用于采用层次分析法确定各评价因素的权重集；

切负荷量第二计算单元，用于根据所述评价矩阵和所述权重集采用模糊综合评价法计算，得到各变电站内出线线路的切负荷量。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本发明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 (10)

1.一种受端电网分层优化切负荷方法，其特征在于，包括：

建立受端电网的跨电压等级分层模型，跨电压等级分层模型包括500kV及以上电压等级系统模型和500kV以下电压等级系统模型；

根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型；

根据所述切负荷数学模型划分过负荷区域，确定需要切负荷的500kV节点；

采用改进最优粒子群算法，优化所述过负荷区域内的所述需要切负荷的500kV节点的切负荷量；

根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系；

根据所述切负荷综合评价体系采用AHP-模糊综合评价法，计算所述500kV以下电压等级系统模型中各线路的切负荷量。

2.根据权利要求1所述的受端电网分层优化切负荷方法，其特征在于，所述根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型，具体包括：

根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型，所述切负荷数学模型包括目标函数和约束条件。

3.根据权利要求2所述的受端电网分层优化切负荷方法，其特征在于，所述根据所述切负荷数学模型划分过负荷区域，确定需要切负荷的500kV节点，具体包括：

令过负荷区域的全部节点向区域外延伸k个节点，各所述节点及节点间线路连同过负荷区域定义为k级过负荷区域；

根据所述k级过负荷区域确定需要切负荷的500kV节点。

4.根据权利要求3所述的受端电网分层优化切负荷方法，其特征在于，所述采用改进最优粒子群算法，优化所述过负荷区域内的500kV节点的切负荷量，具体包括：

以所述需要切负荷的500kV节点的切负荷比例为决策变量组成粒子，并对各所述粒子位置和速度进行初始化；

对全部所述粒子按所述目标函数进行计算，记录每个粒子的历史最优值，找出并记录整个粒子群的历史最优值；

更新各所述粒子的位置和速度，并根据所述约束条件对各所述粒子的位置和速度进行检查与修改，得到更新后的粒子；

对所述更新后的粒子按所述目标函数进行计算，更新并记录所述粒子当前最优值和全局最优值；

判断是否达到最大迭代次数；

若是，则迭代终止，输出所述粒子当前最优值和全局最优值，将所述粒子当前最优值作为切负荷量，将所述全局最优值作为切负荷总量；

若否，则返回至“更新各所述粒子的位置和速度，并根据所述约束条件对各所述粒子的位置和速度进行检查与修改，得到更新后的粒子”。

5.根据权利要求4所述的受端电网分层优化切负荷方法，其特征在于，所述根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系，具体包括:

根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系，所述切负荷综合评价体系包括负荷重要度、负荷承载度和负荷灵活度三个评价因素；

所述负荷重要度的隶属度函数为r₁＝0.6μ₁+0.3μ₂+0.1(1-μ₁-μ₂)，其中，r₁为负荷重要度的隶属度函数，μ₁和μ₂分别为一、二级负荷所占比例；

所述负荷承载度的隶属度函数为

其中，r₂为负荷承载度的隶属度函数，系数k的取值范围为[1,1.5]，λ_p为线路的过负荷程度，λ_p＝I_real/I_N，I_real和I_N分别为线路电流的当前值和额定值；

所述负荷灵活度的隶属度函数为r₃＝(a₁P_zy+a₂P_by)/P_real，其中，r₃为负荷灵活度的隶属度函数，P_zy为线路负荷中所含可平移负荷量；P_by为线路供电区域内发电机热备用容量；P_real为线路当前负载；a₁和a₂分别为可平移负荷量和发电机热备用容量的比例系数。

6.根据权利要求5所述的受端电网分层优化切负荷方法，其特征在于，所述根据所述切负荷综合评价体系采用AHP-模糊综合评价法，计算所述500kV以下电压等级系统模型中各线路的切负荷量，具体包括：

以变电站为单位，根据所述负荷重要度的隶属度函数、所述负荷承载度的隶属度函数和所述负荷灵活度的隶属度函数建立评价矩阵；

采用层次分析法确定各评价因素的权重集；

根据所述评价矩阵和所述权重集采用模糊综合评价法计算，得到各变电站内出线线路的切负荷量。

7.一种受端电网分层优化切负荷系统，其特征在于，包括：

跨电压等级分层模型建立模块，用于建立受端电网的跨电压等级分层模型，所述跨电压等级分层模型包括500kV及以上电压等级系统模型和500kV以下电压等级系统模型；

切负荷数学模型建立模块，用于根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型；

过负荷区域划分模块，用于根据所述切负荷数学模型划分过负荷区域，确定需要切负荷的500kV节点；

切负荷量第一计算模块，用于采用改进最优粒子群算法，优化所述过负荷区域内的所述需要切负荷的500kV节点的切负荷量；

切负荷综合评价体系建立模块，用于根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系；

切负荷量第二计算模块，用于根据所述切负荷综合评价体系采用AHP-模糊综合评价法，计算所述500kV以下电压等级系统模型中各线路的切负荷量。

8.根据权利要求7所述的受端电网分层优化切负荷系统，其特征在于，所述切负荷数学模型建立模块，具体包括：

切负荷数学模型建立单元，用于根据所述500kV及以上电压等级系统模型建立切负荷数学模型，所述切负荷数学模型包括目标函数和约束条件。

9.根据权利要求8所述的受端电网分层优化切负荷系统，其特征在于，所述切负荷综合评价体系建立模块，具体包括:

切负荷综合评价体系建立单元，用于根据所述500kV以下电压等级系统模型建立切负荷综合评价体系，所述切负荷综合评价体系包括负荷重要度、负荷承载度和负荷灵活度三个评价因素；

所述负荷重要度的隶属度函数为r₁＝0.6μ₁+0.3μ₂+0.1(1-μ₁-μ₂)，其中，r₁为负荷重要度的隶属度函数，μ₁和μ₂分别为一、二级负荷所占比例；

所述负荷承载度的隶属度函数为

其中，r₂为负荷承载度的隶属度函数，系数k的取值范围为[1,1.5]，λ_p为线路的过负荷程度，λ_p＝I_real/I_N，I_real和I_N分别为线路电流的当前值和额定值；

所述负荷灵活度的隶属度函数为r₃＝(a₁P_zy+a₂P_by)/P_real，其中，r₃为负荷灵活度的隶属度函数，P_zy为线路负荷中所含可平移负荷量；P_by为线路供电区域内发电机热备用容量；P_real为线路当前负载；a₁和a₂分别为可平移负荷量和发电机热备用容量的比例系数。

10.根据权利要求9所述的受端电网分层优化切负荷方法，其特征在于，所述切负荷量第二计算模块，具体包括：

评价矩阵建立单元，用于以变电站为单位，根据所述负荷重要度的隶属度函数、所述负荷承载度的隶属度函数和所述负荷灵活度的隶属度函数建立评价矩阵；

权重集确定单元，用于采用层次分析法确定各评价因素的权重集；

切负荷量第二计算单元，用于根据所述评价矩阵和所述权重集采用模糊综合评价法计算，得到各变电站内出线线路的切负荷量。

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