CN111049128B - 一种考虑负荷预计用电影响的电力系统可靠性提高方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑负荷预计用电影响的电力系统可靠性提高方法。采集获得电力系统的初始数据，根据发电机和负荷预计用电关系处理获得每台发电机的剔除容量，模拟获得各个元件的初始故障概率；判断是否存在随机故障元件并处理；判断系统是否发生解列形成孤岛并处理；计算每个孤岛内的输电线路潮流，计算输电线路的级联故障概率；判断是否存在级联故障元件并处理；记录结果；判断故障模拟次数是否达到上限并处理；故障模拟结束，计算可靠性参数并对电力系统进行处理措施。本发明能够在考虑负荷预计用电影响的基础上更准确地对电力系统可靠性进行处理优化。

Description

一种考虑负荷预计用电影响的电力系统可靠性提高方法

技术领域

本发明属于电力系统、电力市场技术领域的一种电力系统优化方法，涉及了一种考虑负荷预计用电影响的电力系统可靠性提高方法。

背景技术

电力系统可靠性是指按可接受的质量标准和所需数量对电力系统不间断向电力用户供应电力的能力度量。传统的电力系统可靠性评估方法均是基于系统制定的运行状态或运行场景，没有考虑负荷预计用电因素的影响。随着负荷预计用电的引入，会对电力系统的安全运行带来深刻影响，主要体现在：

1)随着负荷预计用电规模的不断扩大，大容量低成本的发电机会竞争到更多的负荷预计用电量，而小容量高成本的发电机在市场中竞争到很少的负荷预计用电量，甚至无法竞争到负荷预计用电量，这将会导致线路潮流分配不均，加剧部分线路的阻塞程度，影响电力系统的安全运行。

2)当负荷预计用电规模放开到足够大时，大容量低成本的发电机竞争到的负荷预计用电量将会远远超过当前调度方式下安排的发电量，此时电力系统由于受到输电线路的热稳定极限等约束，无法安全地将大发电机签订的负荷预计用电量全部送到负荷地区，导致系统供电能力不足。

3)大用户自身负荷较大，负荷预计用电的引入将进一步刺激大用户用电，拉动大用户用电需求增长；而对于负荷较小且无法满足竞争到负荷预计用电量，负荷增长相对较缓。因此，系统中负荷不均衡程度将愈发严重。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种考虑负荷预计用电影响的电力系统可靠性提高方法，分析不同负荷预计用电规模下的电力系统可靠性与关键影响因素，为负荷预计用电的情况进行优化处理。

为此，本发明采用的具体技术方案是包括以下步骤：

步骤1、采集获得电力系统的初始数据，包括发电数据、负荷数据、输电线路数据和系统可靠性参数数据；

步骤2、根据发电机k和负荷预计用电关系处理获得每台发电机的剔除容量；

步骤3、初始设置故障模拟次数k＝1，进行蒙特卡洛故障故障模拟模拟，获得各个元件的初始故障概率；

步骤4、根据元件的当前故障概率，判断是否存在随机故障元件，如果有，则使随机故障元件断开并进行下一步；否则，跳至步骤8；

步骤5、判断系统是否发生解列形成孤岛，如果有，则采用孤岛功率平衡方式对孤岛进行功率平衡处理，并进行下一步；否则直接进行下一步；

步骤6、采用潮流处理方法计算每个孤岛内的输电线路潮流，根据潮流结果计算输电线路的级联故障概率；

步骤7、根据线路级联故障概率判断是否存在级联故障元件，如果有，则使级联故障元件断开，并返回步骤5；否则进行下一步；

步骤8、记录此次故障模拟结果，包括系统剩余用电量和最大孤岛包含的节点总数；最大孤岛是指节点总数最多的孤岛，系统剩余用电量是指电力系统在故障后最终能够正常供电的负荷用电量。

步骤9、判断故障模拟次数是否达到上限，如果没有，则令故障模拟次数k+1，并返回步骤4；否则进行下一步；

步骤10、重复上述步骤不断进行迭代直到故障模拟结束，计算可靠性参数，包括停电概率、负荷损失期望参数和节点损失期望参数，根据可靠性参数进行判断并对电力系统进行处理措施来提高可靠性。

本发明的所述电力系统是由多个节点组成，发电机、负荷均连接在节点上，节点之间是由输电线路l连接进而构成电力系统，发电机、输电线路均为元件。负荷是指用电设备。

所述的步骤2具体如下：

对于电力系统中节点m处的每个发电机g，采用以下公式计算发电机g的剔除容量：

式中，Q_u为负荷u的预计用电量；τ_u为负荷u的往年用电利用小时数，

为与节点m处的发电机k有预计用电关系的负荷集合。

所述的步骤4具体如下：

电力系统大停电事故一般是由于初始一个或几个元件故障造成的，将发电机和输电线路(包括变压器支路)视为初始故障元件。元件的故障概率表示为每个元件正常工作或发生故障的概率：

式中，X_g、Y_l分别为发电机g和输电线路l的状态变量；x_g和y_l分别为发电机g和输电线路l的实际状态量，若该元件正常工作，则状态为1，若该元件发生故障，则状态为0；α_g为发电机g的故障概率，一般为历史统计的强迫停运率；b_l为输电线路的故障概率，与历史统计的故障概率和当前的负载率有关；P(X_g＝x_g)表示发电机g的实际状态量为x_g的概率，P(Y_l＝y_l)表示输电线路l的实际状态量为y_l的概率；

根据元件的故障概率，通过蒙特卡洛方法模拟判断每个元件的工作状态，对于处于正常工作状态的元件，不处理；对于处于故障状态的元件，将这些元件作为随机故障元件并断开，如果是发电机，则使其退出运行，如果是输电线路，则使其断开。

所述的步骤5具体分为如下情况：

在级联故障过程中，输电线路在连接上连续断开可能会导致电力系统发生解列形成孤岛，此时每个孤岛内都需要进行功率平衡，因此包含如下两种情况。

情况一：若孤岛内所有负荷的需求用电量小于孤岛内所有发电机的总可调度发电容量，则针对该孤岛，根据总可调度发电容量按比例调整(增加或减少)各发电机的出力功率，负荷的需求用电量保持不变，每个发电机的出力功率调整为：

式中，

为节点m处第g台发电机在调整后的出力功率，

为节点m处第g台发电机在调整前的出力功率；

为节点m在调整前的负荷的需求用电量；

为节点m处第g台发电机的调整比例系数；

为节点m处第g台发电机在调整前的最大出力功率；

为节点m处的发电机g的剔除容量；Φ_sb为孤岛sb内的节点集合；

情况二：若孤岛内所有负荷的需求用电量大于等于孤岛内所有发电机的总可调度发电容量，则针对该孤岛，所有发电机按可调度容量增加出力功率，各可削减需求用电量的负荷根据当前总需求用电量按比例减少需求用电量，每个发电机的出力功率和负荷的需求用电量调整为：

式中，

表示节点m处第u个负荷在调整后的需求用电量；

表示节点m处第u个负荷在调整前的需求用电量；

为节点m处第u个负荷的调整比例系数；Φ_u表示可削减需求用电量的负荷集合。

所述步骤6具体如下：

元件发生随机故障后，切除故障元件，随后电力系统潮流重新分配。如果由于潮流转移导致新的输电线路过载，大量的元件在短时间内退出正常运行，这些元件则为级联故障元件。输电线路的停电概率与潮流的大小有关。建立以下级联故障概率P_l与潮流之间关系的分段线性函数，处理获得输电线路的级联故障概率P_l：

式中，P_l0为输电线路的随机故障概率；F_l、

和

分别为输电线路l的运行潮流值、线路额定功率和最大功率极限，均是由潮流得到；k_l为线路负载率，是由潮流得到。

在潮流计算的每次迭代过程中，通过潮流计算可以计算出每条输电线路上的潮流，从而算出每条输电线路的级联故障概率，进而得到下一级串联的故障的输电线路。

所述的步骤7具体如下：根据线路的级联故障概率，通过蒙特卡洛方法模拟判断每条线路的工作状态，对于处于正常工作状态的线路，不作处理；对于处于故障状态的线路，将这些线路作为随机故障元件并断开。

所述步骤10具体如下：

10.1)停电概率

发生停电的概率是电力系统可靠性的最基本度量参数，采用以下公式计算电力系统的停电概率：

式中，ΔP_load,k为在第k次故障模拟中所有负荷的用电量损失值，具体为电力系统中所有负荷的初始需求用电量减去系统剩余用电量；N_s为故障模拟的总次数；

为节点i处在第k次故障模拟后的所有负荷的总需求用电量；

为节点i处初始的所有负荷的总需求用电量；N为故障前的节点总数；

10.2)负荷损失期望参数

电力系统是可靠地将电能从发电侧转移到负荷侧，级联故障结果用所有负荷的损失用电量来衡量，采用以下公式计算负荷损失期望参数：

10.3)节点损失期望参数

连锁故障可能导致电力系统的解列造成许多孤岛，不属于最大孤岛的节点被视为丢失节点，通过计算损失节点的数目从网络拓扑的角度来获得级联故障所造成的电力损失量，具体采用以下公式计算节点损失期望参数：

ΔN_node,k＝N-N_node,k (15)

式中，ΔN_node,k为在第k次故障模拟中所有节点的数量损失值，即为电力系统中原始的节点总数减去最大孤岛所包含的节点总数；N_node,k为第k次故障模拟后的节点总数；N表示电力系统中的节点总数；

10.4)然后进行判断：

若停电概率、负荷损失期望参数和节点损失期望参数不同时小于各自预设的可靠阈值，则认为电力系统稳定可靠；

若停电概率、负荷损失期望参数和节点损失期望参数同时大于各自预设的可靠阈值，则认为电力系统不稳定可靠，进行加固输电线路和加粗输电电路，从而增大输电线路传输容量，减少故障传播的概率，增强电力系统的可靠性。

本发明建立考虑负荷预计用电影响的电力系统可靠性评估模型，包含负荷预计用电影响造成的发电机剔除容量、发电系统与输电系统的随机故障因素、潮流转移引起的故障连锁效应因素等，采用基于重要抽样方法的蒙特卡洛法进行估算进而提高电力系统可靠性性能。

本发明具有的有益效果如下：

本发明能够在考虑负荷预计用电影响的基础上更准确地对电力系统可靠性进行处理和优化。

本发明对传统的电力系统可靠性分析方法进行改进，通过在传统的电力系统可靠性分析方法中引入负荷预计用电因素，有效分析不同负荷预计用电规模下的电力系统可靠性与关键影响因素。

本发明的可靠性结果，可以为负荷预计用电的参与规模进行帮助，避免过多的负荷预计用电量的引入对电力系统安全运行造成威胁，提取影响电力系统可靠性的关键因素，为提高电力系统可靠性提供可行提高方案。

附图说明

图1是电力系统结构示意图。

图2是本发明方法流程图。

图3是不同负荷预计用电量占比下的LOLP参数变化曲线图。

图4是不同负荷预计用电量占比下的EDNS参数变化曲线图。

图5是不同负荷预计用电量占比下的ELON参数变化曲线图。

图6是线路传输能力提高到1.1倍时，不同负荷预计用电量占比下的EDNS参数变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的实施例及其实施过程如下：

以IEEE-RTS79节点系统为例，结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体措施。

如图1所示，IEEE-RTS79节点系统包含33个发电机组，24个节点和38条电力线路。系统总装机容量为3405MW，并且负荷峰值为2850MW。为了方便计算，对该系统作如下修改：将所有线路均简化为无向有权边，不计并联电容支路(消除自环和多重线路)；除了特别说明，所有发电机组的初始故障概率为0.05，所有电力线路的初始故障概率为0.1。

如图2所示，具体步骤如下：

步骤1、采集获得电力系统的初始数据，包括发电数据、负荷数据、输电线路数据和系统可靠性参数数据；

步骤2、根据发电机k和负荷预计用电关系处理获得每台发电机的剔除容量；

所述的步骤2具体如下：

对于电力系统中节点m处的每个发电机g，采用以下公式计算发电机g的剔除容量：

式中，Q_u为负荷u的预计用电量；τ_u为负荷u的往年用电利用小时数，

为与节点m处的发电机k有预计用电关系的负荷集合。

步骤3、初始设置故障模拟次数k＝1，进行蒙特卡洛故障故障模拟模拟，获得各个元件的初始故障概率；

步骤4、根据元件的故障概率，判断是否存在随机故障元件，如果有，则使随机故障元件断开并进行下一步；否则，跳至步骤8；

元件的初始故障概率表示为每个元件正常工作或发生故障的概率：

根据元件的故障概率，通过蒙特卡洛方法模拟判断每个元件的工作状态。对于处于正常工作状态的元件，让其保持不变；对于处于故障状态的元件，将这些元件视为随机故障元件，如果是发电机，则使其退出运行，如果是输电线路，则使其断开。

步骤5、判断系统是否发生解列形成孤岛，如果有，则采用孤岛功率平衡方式对孤岛进行功率平衡处理，并进行下一步；否则直接进行下一步；

具体分为如下情况：

在级联故障过程中，输电线路在连接上连续断开可能会导致电力系统发生解列形成孤岛，此时每个孤岛内都需要进行功率平衡，因此包含如下两种情况。

情况一：若孤岛内所有负荷的需求用电量小于孤岛内所有发电机的总可调度发电容量，则针对该孤岛，根据总可调度发电容量按比例调整(增加或减少)各发电机的出力功率，负荷的需求用电量保持不变，每个发电机的出力功率调整为：

情况二：若孤岛内所有负荷的需求用电量大于等于孤岛内所有发电机的总可调度发电容量，则针对该孤岛，所有发电机按可调度容量增加出力功率，各可削减需求用电量的负荷根据当前总需求用电量按比例减少需求用电量，每个发电机的出力功率和负荷的需求用电量调整为：

步骤6、采用潮流处理方法计算每个孤岛内的输电线路潮流，根据潮流结果计算输电线路的级联故障概率；

元件发生随机故障后，切除故障元件，随后电力系统潮流重新分配。如果由于潮流转移导致新的输电线路过载，大量的元件在短时间内退出正常运行，这些元件则为级联故障元件。输电线路的停电概率与潮流的大小有关。建立以下级联故障概率P_l与潮流之间关系的分段线性函数，处理获得输电线路的级联故障概率P_l：

在潮流计算的每次迭代过程中，通过潮流计算可以计算出每条输电线路上的潮流，从而算出每条输电线路的级联故障概率，进而得到下一级串联的故障的输电线路。

步骤7、根据线路级联故障概率判断是否存在级联故障元件，如果有，则使级联故障元件断开，并返回步骤5；否则进行下一步；

根据线路的级联故障概率，通过蒙特卡洛方法模拟判断每条线路的工作状态。对于处于正常工作状态的线路，让其保持不变；对于处于故障状态的线路，将这些线路视为随机故障元件，并使其断开。

步骤8、记录此次故障模拟结果，包括系统剩余用电量和最大孤岛包含的节点总数；最大孤岛是指节点总数最多的孤岛，系统剩余用电量是指电力系统中负荷剩余下来未用电的需求用电量。

步骤9、判断故障模拟次数是否达到上限，如果没有，则令故障模拟次数k+1，并返回步骤4；否则进行下一步；

步骤10、重复上述步骤不断进行迭代直到故障模拟结束，计算可靠性参数，包括停电概率、负荷损失期望参数和节点损失期望参数，根据可靠性参数进行判断并对电力系统进行处理措施来提高可靠性。

10.1)停电概率

发生停电的概率是电力系统可靠性的最基本度量参数，采用以下公式计算电力系统的停电概率：

10.2)负荷损失期望参数

电力系统是可靠地将电能从发电侧转移到负荷侧，级联故障结果用所有负荷的损失用电量来衡量，采用以下公式计算负荷损失期望参数：

10.3)节点损失期望参数

连锁故障可能导致电力系统的解列造成许多孤岛，不属于最大孤岛的节点被视为丢失节点，通过计算损失节点的数目从网络拓扑的角度来获得级联故障所造成的电力损失量，具体采用以下公式计算节点损失期望参数：

ΔN_node,k＝N-N_node,k (15)

10.4)然后进行判断：

若停电概率、负荷损失期望参数和节点损失期望参数不同时小于各自预设的可靠阈值，则认为电力系统稳定可靠；

若停电概率、负荷损失期望参数和节点损失期望参数同时大于各自预设的可靠阈值，则认为电力系统不稳定可靠，进行加固输电线路和加粗输电电路，从而增大输电线路传输容量，减少故障传播的概率，增强电力系统的可靠性。

通过给定不同的负荷预计用电量占总负荷用电量的比例，可以计算出步骤10中提出的可靠性参数，包括：停电概率、负荷损失期望参数、节点损失期望参数，分别用LOLP、EDNS、ELON表示，计算结果见表1所示。三个可靠性参数计算值随负荷预计用电量占比的变化曲线分别见图3、图4、图5所示。图6是将线路传输能力提高到1.1倍时，不同负荷预计用电量占比下的EDNS参数变化曲线。

表1不同的负荷预计用电量占比下的可靠性指标计算结果

可以看出，逐渐增加负荷预计用电量占总负荷用电量的占比，三个可靠性参数(LOLP、EDNS、ELON)均不断增加，这表明负荷预计用电量的引入将会降低电力系统可靠性。这是因为负荷预计用电会压缩发电机组出力的调整空间，缩减电网的调节资源。当随机故障发生的时候，电网应对故障所做出的调整能力将会受限，导致故障传播范围更广，电力系统可靠性降低。另外，由图6可以看出，线路传输能力得到提高后，负荷损失有了明显的降低，这表明电力系统可靠性得到了有效改善。

因此，本发明能够在充分考虑负荷预计用电因素的基础上对电力系统可靠性进行估算，基于可靠性估算结果，可以为负荷预计用电的参与规模进行指导，避免过多的负荷预计用电量的引入对电力系统安全运行造成威胁。另外，通过加粗线路或采用双回线路以提高线路传输能力，可以有效预防电力系统停电概率，提高电力系统可靠性。

Claims (2)

1.一种考虑负荷预计用电影响的电力系统可靠性提高方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、采集获得电力系统的初始数据；

步骤2、根据发电机k和负荷预计用电关系处理获得每台发电机的剔除容量；

步骤3、初始设置故障模拟次数k＝1，进行蒙特卡洛故障模拟，获得各个元件的初始故障概率；

步骤4、根据元件的当前故障概率，判断是否存在随机故障元件，如果有，则使随机故障元件断开并进行下一步；否则，跳至步骤8；

步骤5、判断系统是否发生解列形成孤岛，如果有，则采用孤岛功率平衡方式对孤岛进行功率平衡处理，并进行下一步；否则直接进行下一步；

步骤6、计算每个孤岛内的输电线路潮流，根据潮流结果计算输电线路的级联故障概率；

步骤7、根据线路级联故障概率判断是否存在级联故障元件，如果有，则使级联故障元件断开，并返回步骤5；否则进行下一步；

步骤8、记录此次故障模拟结果，包括系统剩余用电量和最大孤岛包含的节点总数；

步骤9、判断故障模拟次数是否达到上限，如果没有，则令故障模拟次数k+1，并返回步骤4；否则进行下一步；

步骤10、故障模拟结束，计算可靠性参数，包括停电概率、负荷损失期望参数和节点损失期望参数，根据可靠性参数进行判断并对电力系统进行处理措施来提高可靠性；

所述的步骤2具体如下：

对于电力系统中节点m处的每个发电机g，采用以下公式计算发电机g的剔除容量：

式中，Q_u为负荷u的预计用电量；τ_u为负荷u的往年用电利用小时数，

为与节点m处的发电机k有预计用电关系的负荷集合；

所述的步骤4具体如下：元件的故障概率表示为每个元件正常工作或发生故障的概率：

式中，X_g、Y_l分别为发电机g和输电线路l的状态变量；x_g和y_l分别为发电机g和输电线路l的实际状态量，若该元件正常工作，则状态为1，若该元件发生故障，则状态为0；α_g为发电机g的故障概率；β_l为输电线路的故障概率；P(X_g＝x_g)表示发电机g的实际状态量为x_g的概率，P(Y_l＝y_l)表示输电线路l的实际状态量为y_l的概率；

根据元件的故障概率，通过蒙特卡洛方法模拟判断每个元件的工作状态，对于处于正常工作状态的元件，不处理；对于处于故障状态的元件，将这些元件作为随机故障元件并断开；

所述的步骤5具体分为如下情况：

情况一：若孤岛内所有负荷的需求用电量小于孤岛内所有发电机的总可调度发电容量，则针对该孤岛，根据总可调度发电容量按比例调整各发电机的出力功率，负荷的需求用电量保持不变，每个发电机的出力功率调整为：

式中，

为节点m处第g台发电机在调整后的出力功率，

为节点m处第g台发电机在调整前的出力功率；

为节点m在调整前的负荷的需求用电量；

为节点m处第g台发电机的调整比例系数；

为节点m处第g台发电机在调整前的最大出力功率；

为节点m处的发电机g的剔除容量；Φ_sb为孤岛sb内的节点集合；

情况二：若孤岛内所有负荷的需求用电量大于等于孤岛内所有发电机的总可调度发电容量，则针对该孤岛，所有发电机按可调度容量增加出力功率，各可削减需求用电量的负荷根据当前总需求用电量按比例减少需求用电量，每个发电机的出力功率和负荷的需求用电量调整为：

式中，

表示节点m处第u个负荷在调整后的需求用电量；

表示节点m处第u个负荷在调整前的需求用电量；

为节点m处第u个负荷的调整比例系数；Φ_u表示可削减需求用电量的负荷集合；

所述步骤6具体如下：建立以下分段线性函数，处理获得输电线路的级联故障概率P_l：

式中，P_l0为输电线路的随机故障概率；F_l、F_l ^rate和F_l ^max分别为输电线路l的运行潮流值、线路额定功率和最大功率极限；k_l为线路负载率；

所述步骤10具体如下：

10.1)停电概率

采用以下公式计算电力系统的停电概率：

式中，ΔP_load,k为在第k次故障模拟中所有负荷的用电量损失值，具体为电力系统中所有负荷的初始需求用电量减去系统剩余用电量；N_s为故障模拟的总次数；

为节点i处在第k次故障模拟后的所有负荷的总需求用电量；

为节点i处初始的所有负荷的总需求用电量；N为故障前电力系统中的节点总数；

10.2)负荷损失期望参数

采用以下公式计算负荷损失期望参数：

10.3)节点损失期望参数

采用以下公式计算节点损失期望参数：

ΔN_node,k＝N-N_node,k(15)

式中，ΔN_node,k为在第k次故障模拟中所有节点的数量损失值，即为电力系统中原始的节点总数减去最大孤岛所包含的节点总数；N_node,k为第k次故障模拟后的节点总数；N表示故障前电力系统中的节点总数；

10.4)然后进行判断：

若停电概率、负荷损失期望参数和节点损失期望参数不同时小于各自预设的可靠阈值，则认为电力系统稳定可靠；

若停电概率、负荷损失期望参数和节点损失期望参数同时大于各自预设的可靠阈值，则认为电力系统不稳定可靠，进行加固输电线路和加粗输电电路，从而增大输电线路传输容量。

2.根据权利要求1所述的考虑负荷预计用电影响的电力系统可靠性提高方法，其特征在于：所述的步骤7具体如下：根据线路的级联故障概率，通过蒙特卡洛方法模拟判断每条线路的工作状态，对于处于正常工作状态的线路，不作处理；对于处于故障状态的线路，将这些线路作为随机故障元件并断开。

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