CN111160716A - 基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，包括：截取待分析区域的电网网络，并建立相应的电网网络模型；利用复杂网络理论分析截取的电网网络的电网拓扑结构；基于电网网络模型，根据电网拓扑结构计算电网网络的潮流分布，并获取电网网络中各节点和支路的潮流分布；基于电网网络模型，并根据各节点和支路在电网网络中的潮流分布，构建电网局部故障阶段的结构脆弱性评估指标，结构脆弱性评估指标包括基于单一发电负荷对线路的潮流介数指标、线路的潮流介数指标和节点的潮流介数指标；根据所述结构脆弱性评估指标，对电网脆弱性进行评估。本发明量化节点和支路在电网功率传输中的关键作用，实现电网局部故障脆弱性定量分析。
Description
技术领域
本发明涉及电网脆弱性评估领域，具体地，涉及一种基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法。
背景技术
电网规模的不断扩大和新型元件的日渐复杂，不仅优化了电网的配置，也对系统的可靠性提出了新挑战。电网大停电事故常常是由于电网拓扑结构上脆弱环节的局部故障引起的连锁反应，从而导致整个系统的崩溃，因而有效评估大电网脆弱性，搜索脆弱节点与线路，提前采取防御措施，可以有效增加电网可靠性，减少停电事故的发生概率，提高系统整体的稳定性。
以往，电力系统拓扑结构分析都是基于分布式电网的工作特性建立动态数学方程，或者考虑电力器件的特点及其在电网中的相互关系建立数学模型，然后，通过对方程的计算仿真，以及对数学模型分析，实现对系统结构获知。然而，当前以上方法不再完全适用，其主要原因是：1)电网网络结构具有动态性，即网络中的分布式电源、微电网等电源，电动汽车、储能等负荷以及它们之间的连接是动态的，较难用一组固定不变的网络方程和数学模型表征；2)具有电源和负荷双重特性的电动汽车、储能、微电网等元件或系统规模化接入电网，电源和负荷的变换成为常态，系统网络建模面临挑战；3)庞大而复杂的网络动态数学模型，计算分析极其困难，且计算性能要求高，难以满足实时要求，其通常做法是对系统进行一些简化，但是大大降低了结果精度。
在大电网拓扑结构日渐复杂的背景下，复杂网络理论在电力系统拓扑分析方面一定程度上弥补了传统以还原论为基础的经典理论不足。基于随机图论的网络模型正成为研究复杂网络的有效方法，可以有效分析各种网络的性质。对于描述复杂网络的性质，专家学者定义了度、介数、集聚系数、平均距离等主要特性指标。中小世界模型和无标度模型为电网系统的分析提供了有力的理论依据。复杂网络理论可以分析结合电气特性的电网拓扑结构特性，可以对电网大停电事故进行分析，通过自组织临界性进而分析故障特性。但是，目前基于复杂网络理论对电网拓扑结构特性进行的分析，难以达到对电网局部故障脆弱性的定量分析。
发明内容
鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，以在复杂网络理论的基础上，引入潮流介数作为电网在局部故障阶段结构脆弱性的评估指标，实现电网脆弱节点及线路和潮流介数的相关性分析，实现电网局部故障脆弱性的定量分析，从而克服现有技术存在的难以达到对电网局部故障脆弱性定量分析的缺陷。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，包括以下步骤：
步骤S1，截取待分析区域的电网网络，并建立相应的电网网络模型；
步骤S2，利用复杂网络理论分析截取的电网网络的电网拓扑结构；
步骤S3，基于所述电网网络模型，根据所述电网拓扑结构计算电网网络的潮流分布，并获取电网网络中各节点和支路的潮流分布；
步骤S4，基于所述电网网络模型，并根据各节点和支路在电网网络中的潮流分布，构建电网局部故障阶段的结构脆弱性评估指标，所述结构脆弱性评估指标包括基于单一发电负荷对线路的潮流介数指标、线路的潮流介数指标和节点的潮流介数指标；
步骤S5，根据所述结构脆弱性评估指标，对电网脆弱性进行评估。
优选地，所述步骤S2包括：
基于小世界理论分析电网网络的网络特征，所述网络特征包括节点度数、平均距离、集聚系数；
根据电网拓扑结构计算无标度网络特征；
结合电网的拓扑结构参数、电气参数以及负荷水平与分布，进行电网自组织临界性分析。
优选地，所述步骤S3中，利用牛顿-拉夫逊法或高斯-赛德尔的潮流计算方法计算电网网络的潮流分布。
优选地，基于单一发电负荷对线路的潮流介数指标通过下式获取：
其中，Fij,mn为基于发电机Gm和负荷Ln对线路i-j的潮流介数；m为发电机节点的索引；n为负荷节点的索引；min(Sm,Sn)为发电机实际出力和负荷的较小值；Pmn为从发电机注入的功率；Pij(m,n)为经过线路i-j由发电机流向负荷的功率。
优选地，线路的潮流介数指标通过下式获取：
其中，Fij为线路i-j的潮流介数；G为流经线路i-j功率的所有发电机节点的集合；L为线路i-j功率流向的所有节点集合；Fij,mn为基于发电机Gm和负荷Ln对线路i-j的潮流介数。
优选地，节点的潮流介数指标通过下式获取：
其中，Bi为节点i的潮流介数；Li为与节点i相连的支路集合；Pi为节点i的注入功率，
为支路lk的潮流介数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
本发明所述大电网脆弱性评估方法应用复杂网络理论分析网络拓扑结构，获取网络拓扑结构中的关键节点特性，并基于电网在当前的运行状态，计算各个节点和支路潮流，获得节点和支路在电网中的参与程度，量化节点和支路在电网功率传输中的关键作用，并以此构建了大电网局部故障阶段的结构脆弱性评估指标，实现了电网局部故障脆弱性定量分析。
附图说明
图1为本发明所述基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法的流程示意图；
图2为电网网络的简化示意图；
图3为系统节点潮流介数指标与拓扑介数指标变化趋势对比示意图；
图4为系统支路潮流介数指标与拓扑介数指标变化趋势对比示意图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
图1为本发明所述基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法的流程示意图，如图1所示，本发明所述基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，包括以下步骤：
步骤S1，截取待分析区域的电网网络，并建立相应的电网网络模型，以便于利用电网网络模型对电网的分布与构造进行基本分析。如图2所示，建立电网网络模型时，对模型进行简化处理。
步骤S2，利用复杂网络理论分析截取的电网网络的电网拓扑结构，以便于获取电网拓扑结构中的关键脆弱节点和支路。
在复杂网络理论中，小世界理论是研究复杂电网网络的一个基本理论，小世界网络是介于规则网络和随即网络之间的网络模型，具有高聚集程度、小平均距离的特点。在一个可选实施例中，所述步骤S2包括：
基于小世界理论分析电网网络的网络特征，所述网络特征包括节点度数、平均距离、集聚系数；
根据电网拓扑结构计算无标度网络特征；
结合电网的拓扑结构参数、电气参数以及负荷水平与分布，进行电网自组织临界性分析。
本发明中，通过以上三个复杂网络特性，综合分析电网。
例如，选取典型的IEEE模型，分别采用IEEE30、IEEE39、IEEE57标准模型，对比分析同等边数的ER模型的随机网络和规则网络的平均距离和集聚系数，验证电网模型的小世界性，具体网络特征计算如表1所示。
表1
步骤S3，基于所述电网网络模型，根据所述电网拓扑结构计算电网网络的潮流分布，并获取电网网络中各节点和支路的潮流分布。可选地，利用牛顿-拉夫逊法或高斯-赛德尔的潮流计算方法计算电网网络的潮流分布。不同的电网网络模型选用不同的潮流计算方法进行潮流分布的计算，例如IEEE-33节点系统属于辐射状网络，更适用于高斯赛德尔潮流计算方法；而IEEE-30节点系统属于环状网络，更适用于牛顿-拉夫逊法。
步骤S4，基于所述电网网络模型，并根据各节点和支路在电网网络中的潮流分布，构建电网局部故障阶段的结构脆弱性评估指标，所述结构脆弱性评估指标包括基于单一发电负荷对线路的潮流介数指标、线路的潮流介数指标和节点的潮流介数指标。通过潮流介数指标获取电网在当前运行状态，节点和支路在电网中的参与程度，从而对电网的脆弱节点和支路进行评估。
步骤S5，根据所述结构脆弱性评估指标，对电网脆弱性进行评估。在电网网络系统中，通过计算连接各节点支路的输入和输出功率，求得每一条支路上潮流的平均值，计算节点和支路的潮流介数指标，从而可以得到各支路的潮流介数指标坐标图，从而可以反映电网运行状态与结构上的脆弱性，其中潮流介数大小可以反映系统中各节点和支路在潮流分配中的重要程度，提高电网脆弱性评估的可靠性。
本发明可以适用于大电网局部故障阶段的脆弱性评估，可以适用于不同区域，通过对复杂的电网网络进行简化建模，量化节点和支路在电网功率传输中的关键作用，建立大电网复杂区域可靠性与结构脆弱性评估指标。
对于图2所示的电网网络模型，电机Gm传输有功功率Pm到负荷Ln的过程中，潮流一般只经过部分线路且每条线路传输的功率不同，因此，可以认为：线路传输的P与PLn的比值越高，则负荷Ln传输功率的重要性越高。所以，基于单一发电负荷对线路(m,n)的潮流介数指标通过下式获取：
其中，Fij,mn为基于发电机Gm和负荷Ln对线路i-j的潮流介数；m为发电机节点的索引；n为负荷节点的索引；min(Sm,Sn)为发电机Gm实际出力和Ln负荷的较小值，代表着两者之间可传输的最大功率；负荷Ln的功率PLn来源于电源Gm和G1，其中Pmn为从发电机Gm注入的功率；经过线路i-j的潮流分别流向负荷PLn、PL1、PL2，Pij(m,n)为经过线路i-j由发电机Gm流向负荷Ln的功率。
由于电网中的每条线路都承担了不同节点之间功率传输的任务，被节点之间传输路径经过的次数反映了该线路在电网中的重要程度。所以，线路的潮流介数指标通过下式获取：
其中，Fij为线路i-j的潮流介数；G为流经线路i-j功率的所有发电机节点的集合；L为线路i-j功率流向的所有节点集合；Fij,mn为基于发电机Gm和负荷Ln对线路i-j的潮流介数。
根据基尔霍夫定律节点的注入功率等于流出功率，通过计算节点的注入功率和流出功率，同时类比线路的潮流介数可得到节点的潮流介数，通过下式获取：
其中，Bi为节点i的潮流介数；Li为与节点i相连的支路集合；Pi为节点i的注入功率，
为支路lk的潮流介数。
下面以IEEE30母线系统为例，进一步地说明本发明所述基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法在对该系统进行脆弱性评估中的应用。
图3为系统节点潮流介数指标与拓扑介数指标变化趋势对比示意图，如图3所示，潮流介数指标能够较好的拟合潮流曲线，尤其对于大潮流的节点拟合度越好，如节点1、2、3、10、12。虽然潮流介数指标对潮流较小的节点拟合度不理想，但对应的支路对电网脆弱性的影响不大，可不予考虑。反观节点拓扑介数指标，对于潮流曲线的拟合性较差，如节点1、2、3实际潮流较大但拓扑介数较小，节点10、21、26实际潮流较小但拓扑介数较大。
图4为系统支路潮流介数指标与拓扑介数指标变化趋势对比示意图，如图4所示，潮流介数指标总体能够较好的拟合潮流曲线，对于大潮流的支路尤为明显，如支路1、2、3、15、36。虽然潮流介数指标不能很好的拟合潮流较小的支路，如支路9和支路26到34，同样潮流较小的支路对电网脆弱性的影响不大，所以可不予考虑。反观节点拓扑介数指标对于潮流曲线的拟合性较差，且拓扑介数要明显高于实际潮流，如支路7、11、15、36、41尤为明显。
通过对比可以看出，潮流介数指标相对于拓扑介数指标更能反映潮流的真实情况，尤其是对于潮流较大的节点。节点和支路的潮流介数对实际的潮流有较好的拟合度主要是由于其能够表征每一个节点和支路在潮流分配中的参与程度，潮流介数越高意味着承担的潮流越大，反之亦然。然而，拓扑介数仅能够简单的表征节点和支路被最优路径经过的次数，但是实际的潮流分布只遵循基尔霍夫定律而不是最优路径。因此，基于潮流介数对大电网脆弱性进行评估的准确性和可靠性均较高。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，截取待分析区域的电网网络，并建立相应的电网网络模型；
步骤S2，利用复杂网络理论分析截取的电网网络的电网拓扑结构；
步骤S3，基于所述电网网络模型，根据所述电网拓扑结构计算电网网络的潮流分布，并获取电网网络中各节点和支路的潮流分布；
步骤S4，基于所述电网网络模型，并根据各节点和支路在电网网络中的潮流分布，构建电网局部故障阶段的结构脆弱性评估指标，所述结构脆弱性评估指标包括基于单一发电负荷对线路的潮流介数指标、线路的潮流介数指标和节点的潮流介数指标；
步骤S5，根据所述结构脆弱性评估指标，对电网脆弱性进行评估。
2.根据权利要求1所述的基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
基于小世界理论分析电网网络的网络特征，所述网络特征包括节点度数、平均距离、集聚系数；
根据电网拓扑结构计算无标度网络特征；
结合电网的拓扑结构参数、电气参数以及负荷水平与分布，进行电网自组织临界性分析。
3.根据权利要求1所述的基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，其特征在于，所述步骤S3中，利用牛顿-拉夫逊法或高斯-赛德尔的潮流计算方法计算电网网络的潮流分布。
4.根据权利要求1所述的基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，其特征在于，基于单一发电负荷对线路的潮流介数指标通过下式获取：
其中，Fij,mn为基于发电机Gm和负荷Ln对线路i-j的潮流介数；m为发电机节点的索引；n为负荷节点的索引；min(Sm,Sn)为发电机实际出力和负荷的较小值；Pmn为从发电机注入的功率；Pij(m,n)为经过线路i-j由发电机流向负荷的功率。
5.根据权利要求1所述的基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，其特征在于，线路的潮流介数指标通过下式获取：
其中，Fij为线路i-j的潮流介数；G为流经线路i-j功率的所有发电机节点的集合；L为线路i-j功率流向的所有节点集合；Fij,mn为基于发电机Gm和负荷Ln对线路i-j的潮流介数。
6.根据权利要求1所述的基于潮流介数的大电网脆弱性评估方法，其特征在于，节点的潮流介数指标通过下式获取：
其中，Bi为节点i的潮流介数；Li为与节点i相连的支路集合；Pi为节点i的注入功率，
为支路lk的潮流介数。
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