CN111404163A - 一种电磁环网开环方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种电磁环网开环方法，包括以下步骤：步骤1：确定待选的电磁环网开环方案；步骤2：针对每个待选的电磁环网开环方案，分别进行仿真，并计算得到按照该开环方案进行开环后电网各个性能指标值；步骤3：针对每个待选的电磁环网开环方案，对按照该开环方案进行开环后电网各个性能指标值进行加权计算，得到该开环方案的综合性能指标值P；步骤4：比较各开环方案的综合性能指标值P，综合性能指标值P最大的开环方案即最优开环方案；按照该最优开环方案进行开环，实现分区运行，以提高电网运行的安全稳定性。

Description

一种电磁环网开环方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种电磁环网开环方法。

背景技术

近年来，随着能源危机的不断加剧，建设全球能源互联网，实现能源绿色、低碳发展已成为各国的共识，而特高压电网的建设对全球能源互联网的发展具有重要作用。但在特高压输电工程的不断建设中，电磁环网合环运行的风险也不断增大。由于电磁环网中高电压等级线路与低电压等级线路的功率传输能力相差很大，当电网发生故障时，因功率转移造成线路超过稳定极限的概率大大增加，而这将对电网的安全稳定运行造成很大威胁。因而打开电磁环网，实行分区运行对于提高电网运行的安全稳定性有着重要的意义。国内外许多学者对电磁环网的开环方法进行了研究，并且提出了许多待选的电磁环网开环方案。

因此，有必要提供一种能够从众多待选的电磁环网开环方案选择出综合性能最优的方案，从而能够按照该最优方案进行开环，实现分区运行，以提高电网运行的安全稳定性的方法。

发明内容

本发明所解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提出一种电磁环网开环方法，能够从待选的电磁环网开环方案准确有效地选择出综合性能最优的方案，并按照该最优方案进行开环分区运行，以提高电网运行的安全稳定性。

本发明所提供的技术方案为：

一种电磁环网开环方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待选的电磁环网开环方案；

步骤2：针对每个待选的电磁环网开环方案，分别进行仿真，并计算得到按照该开环方案进行开环后电网各个性能指标值；

步骤3：针对每个待选的电磁环网开环方案，对按照该开环方案进行开环后电网各个性能指标值进行加权计算，得到该开环方案的综合性能指标值P；

步骤4：比较各开环方案的综合性能指标值P，综合性能指标值P最大的开环方案即最优开环方案；按照该最优开环方案进行开环，实现分区运行。

进一步地，所述步骤2中，通过分析开环对电网安全运行的影响，综合考虑电力系统的安全可靠性，限流效果等因素，形成安全、效能和经济三个关键因素，将它们作为一级性能指标(性能指标)；并由安全、效能和经济这三个一级性能指标派生出五个具体性能指标，即五个二级性能指标，包括静态稳定性、暂态电压恢复水平、短路电流越限水平、潮流转移比、网损率。一级性能指标与二级之间具有对应的层次隶属关系，二级性能指标中的静态稳定性、暂态电压恢复水平隶属于一级性能指标中的安全性能指标，短路电流越限水平、潮流转移比隶属于效能性能指标，网损率隶属于经济性能指标。

进一步地，所述步骤2中，性能指标包括静态稳定性S₁，该性能指标主要反映电力系统中主变负载的轻载、重载情况，表征电网结构的合理性和运行的稳定性，其计算公式如下：

式中：N为电力系统中主变数量；η_n表示第n台主变的负载率，η_a为主变平均负载率；S₁即为主变负载率方差，可用来反映实际负载与平均负载的偏离度；S₁越大，表示主变整体带负载越不均衡，说明电网结构存在不合理的地方，S₁越小，说明电网结构越合理。

进一步地，所述步骤2中，性能指标包括暂态电压恢复水平S₂。暂态稳定性是指从事故前的稳态过渡到事故后的另一个稳态的暂态过程中保持稳定的能力。电力系统电压稳定评价导则指出“在电力系统受到扰动后的暂态过程中，负荷母线电压能够恢复到0.8pu以上”即为暂态电压恢复稳定。电磁环网开环有可能引起开环点周围侧母线电压降落，故用暂态电压恢复水平S₂表征电网的暂态稳定性，其计算公式如下：

式中：γ为预想事故集合，β为关键母线集合(关键母线一般指电力系统中承担较大功率传输，对电网连锁故障及其蔓延导致全网崩溃起着重要作用的线路)；T_cj为预想事故j的清除时刻；T_ej为计算截止时间，可根据电力系统电压稳定评价导则的规定，取预想事故j清除时刻T_c后第10s；U_bt,j为预想事故j发生后关键母线b在t时刻的电压幅值，通过潮流计算获得；U_b0为关键母线b的额定电压。S₂越小，表示开环后电网发生故障后电压恢复越快，S₂越大，表示电压恢复越慢，甚至无法恢复。

进一步地，所述步骤2中，性能指标包括短路电流越限水平E₁，该性能指标表征开环方案的短路电流抑制效果，其计算公式如下：

式中：I_l为第l条母线发生三相短路故障下的短路电流；

为第l条母线断路器最大遮断电流；N_b为母线(指所规划电网中的500kv母线和220kv母线)数目；K_l大于-1表示线路短路电流超标，K_l小于-1则表示线路短路电流未超标。其中通过

对K_l进行归一化处理，使其归一化至区间[0,1]，以方便计算。K_l(l＝1,2,…,N_b)越小，E₁越趋近于0，表示限流效果越好；则K_l越大，E₁越趋近于1，表示限流效果越差。

进一步地，所述步骤2中，性能指标包括潮流转移比E₂。

在输电网络中，当高电压等级线路发生故障时，会将潮流转移至相邻线路以及低电压等级线路，从而对电网的安全稳定运行造成影响。因此定义故障下电网关键母线的潮流转移比E₂以表征系统所受线路潮流转移冲击的大小。

当电网中某一故障发生率较高的线路h(根据经验选取)发生故障时第k条关键母线分担线路h转移的潮流为：

Δδ_kh＝P_kh-P_k0 (6)

式中：Δδ_kh线路h对第k条关键母线的潮流转移冲击；P_kh为线路h发生故障后第k条关键母线上的潮流；P_k0为未发生故障情况下第k条关键母线上的潮流；

线路h发生故障后关键母线的潮流转移比E₂为：

式中：N_c为关键母线数目；P_r,k为第k条关键母线的额定传输容量；E₂越小，线路h断开潮流转移的冲击越小，对电力系统造成的影响越小，更容易造成电力系统中线路过载甚至连锁故障的发生。

进一步地，所述步骤2中，性能指标包括网损率C₁。一般来说，合理地开断电磁环网，实现电网的分层分区运行后，电力系统的潮流分布会更加合理。在电磁环网中，由于高压线路电阻远小于低压线路，如果断开低压线路，将功率转移到高压线路，将减小线路的有功损耗，从而降低了网损。网损率C₁的具体计算如下：

式中：P_G,u为第u个发电厂的额定容量或500KV变电站下网功率，N_G为发电厂与500KV变电站数目之和；P_L,v为第v个负荷容量大小，N_L为负荷数目。

进一步地，所述步骤3中，结合层次分析法和变异系数法计算各个性能指标的权重。基于层次分析法对各级性能指标进行主观赋权，计算其主观权重；利用变异系数法定量计算各性能指标客观权重，进而来描述各性能指标的重要程度。

采用层次分析法计算性能指标的主观权重的方法为：首先进行各性能指标相对重要性问卷调查，然后结合“九分位”比例标度确定各性能指标之间的相对重要程度，进而采用标度扩展法确定判断矩阵A，从而在满足一致性要求的同时简化计算量。详细的计算步骤如下：

1)根据专家意见对所有性能指标进行两两比较，按重要程度递减排序；假设根据标度扩展法得到L个性能指标的重要性排序为x₁≥x₂≥…≥x_L，对x_i与x_i+1进行比较，并将其对应的标度值记为t_i，然后按照性能指标重要程度的传递性计算出判断矩阵中的其他元素值，从而得出判断矩阵A，A为L阶方阵：

2)利用排序原理得出矩阵排序矢量，计算各性能指标的主观权重：

式中：M_i为判断矩阵A每一行元素的积；B_i为M_i的L次方根；v_i为重要性排序为i的性能指标x_i的主观权重，i＝1,2,…,L。

本实施例中L＝5；5个性能指标分别为：静态稳定性、暂态电压恢复水平、短路电流越限水平、潮流转移比、网损率。

所述步骤3中利用变异系数法定量计算各性能指标客观权重，具体为：

对任一电磁环网开环方案m，设其对应的性能指标矩阵为

其中，y_ij,j＝1,2分别表示按该电磁环网开环方案开环运行前、后性能指标x_i的值；i＝1,2,...,L；

首先，对原始性能指标矩阵Y_m进行标准化处理，得到标准性能指标矩阵Y′_m，其第i行第j列的元素y′_ij表达式为：

其次，确定性能指标均值

然后求得性能指标标准差s_i，具体计算如(13)、(14)。

最后，利用均值和标准差求解得到变异系数V_i，并利用变异系数法计算性能指标x_i的客观权重ω_i，具体计算如(15)、(16)：

进一步地，所述步骤3中，对任一电磁环网开环方案m，设由其对应的性能指标矩阵求得的第i个性能指标x_i的客观权重为ω_i，则电磁环网开环方案m的综合性能指标值P_m计算方法为：

式中：y_i2表示按该电磁环网开环方案开环运行后性能指标x_i的值；v_i为性能指标x_i的主观权重；ω_i为电磁环网开环方案m对应的性能指标x_i的客观权重，L为性能指标的个数。

综合性能指标值P越小，表明该开环方案综合性能越高。

有益效果：

本发明提供的上述技术方案，针对每个待选的电磁环网开环方案，分别进行仿真，并计算得到按照该开环方案进行开环后电网各个性能指标值；针对每个待选的电磁环网开环方案，对按照该开环方案进行开环后电网各个性能指标值进行加权计算，得到该开环方案的综合性能指标值P；比较各开环方案的综合性能指标值P，综合性能指标值P最大的开环方案即最优开环方案；按照该最优开环方案进行开环，实现分区运行，由此提高了电网运行的安全稳定性。

计算各开环方案的综合性能指标时，考虑了电磁环网开环分区过程中的安全可靠、限流效果因素，分层分级选取了能对分区方案进行综合全面评估的性能指标，具体地，从安全、效能、经济三个方面出发选取了五个具体性能指标：静态稳定性S₁、暂态电压恢复水平S₂、短路电流越限水平E₁、潮流转移比E₂、网损率C₁，以安全、效能、经济为一级性能指标，五个具体性能指标为二级性能指标建立了性能指标评估体系，相较于现有的方法建立的评估体系更加全面完善，能更综合全面的反映开环对电网运行的影响(开环分区效果)，全面反映分区方案优劣，保证了最终选择的开环方案为综合性能最优的方案，对于选取科学合理的开环分区方案有较好的效果；并且在确定各个性能指标的权重时，采取综合赋权方法，全面考虑了主观因素和客观因素进行，其中层次分析法是一种主观赋权方法，考虑了决策者对不同属性性能指标的重视程度，充分考虑并满足了工程中的实际需求，更具实际应用性；其中变异系数法是一种客观赋权方法，包含了对客观因素的考虑，减小赋权的主观随意性，使得评估结果更加真实、准确、合理；通过综合赋权方法，对性能指标属性的赋权达到主观与客观的统一，对确定合理的电磁环网方案具有重要的意义。综上，本发明能够从待选的电磁环网开环方案选择出综合性能最优的方案，并按照该最优方案进行开环分区运行，以提高电网运行的安全稳定性和供电可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例1流程图；

图2为本发明实施例2中综合性能指标体系；

图3为本发明实施例3中计算综合性能指标值的流程图；

图4为本发明实施例4中39节点系网络拓扑图；

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。

实施例1：

本实施例提供一种电磁环网开环方法，包括以下步骤：

步骤1：确定待选的电磁环网开环方案；

步骤2：针对每个待选的电磁环网开环方案，分别进行仿真，并计算得到按照该开环方案进行开环后电网各个性能指标值；

步骤3：针对每个待选的电磁环网开环方案，对按照该开环方案进行开环后电网各个性能指标值进行加权计算，得到该开环方案的综合性能指标值P；

步骤4：比较各开环方案的综合性能指标值P，综合性能指标值P最大的开环方案即最优开环方案；按照该最优开环方案进行开环，实现分区运行。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上，所述步骤2中，性能指标包括静态稳定性、暂态电压恢复水平、短路电流越限水平、潮流转移比、网损率。

其中静态稳定性S₁的计算公式如下：

式中：N为电力系统中主变数量；η_n表示第n台主变的负载率，η_a为主变平均负载率。

暂态电压恢复水平S₂的计算公式如下：

式中：γ为预想事故集合，β为关键母线集合；T_cj为预想事故j的清除时刻；T_ej为计算截止时间；U_bt,j为预想事故j发生后关键母线b在t时刻的电压幅值；U_b0为关键母线b的额定电压。

短路电流越限水平E₁的计算公式如下：

式中：I_l为第l条母线发生三相短路故障下的短路电流；

为第l条母线断路器最大遮断电流；N_b为母线数目。

潮流转移比E₂取电网中某一故障发生率较高的线路h发生故障后关键母线的潮流转移比，其计算公式如下：

Δδ_kh＝P_kh-P_k0 (23)

式中：Δδ_kh线路h对第k条关键母线的潮流转移冲击；P_kh为线路h发生故障后第k条关键母线上的潮流；P_k0为未发生故障情况下第k条关键母线上的潮流；N_c为关键母线数目；P_r,k为第k条关键母线的额定传输容量。

网损率C₁的计算公式如下：

式中：P_G,u为第u个发电厂的额定容量或500KV变电站下网功率，N_G为发电厂与500KV变电站数目之和；P_L,v为第v个负荷容量大小，N_L为负荷数目。

实施例3：

本实施例在实施例2的基础上，所述步骤3加权计算中，结合层次分析法和变异系数法计算各个性能指标的权重包括主观权重和客观权重，各性能指标x_i的主观权重基于层次分析法得到，任一电磁环网开环方案m对应的性能指标x_i的客观权重基于变异系数法得到。

电磁环网开环方案m的综合性能指标P_m计算方法为：

式中：y_i2表示按该电磁环网开环方案开环运行后性能指标x_i的值；v_i为性能指标x_i的主观权重；ω_i为电磁环网开环方案m对应的性能指标x_i的客观权重，L为性能指标的个数。

实施例4：

选取新英格兰10机39节点系统对上述实施:3的实现过程和效果进行说明，具体步骤如下：

(1)性能指标的选取

分析开环对受端电网安全运行的影响，综合考虑系统的安全可靠性，限流效果等因素，选取5个具体性能指标，包括：静态稳定性S₁、暂态电压恢复水平S₂、短路电流越限水平E₁、潮流转移比E₂、网损率C₁。

(2)待选的电磁环网开环(分区)方案的确定

利用PSASP搭建IEEE39模型并设置相关参数，根据系统仿真需求，在原始网络拓扑的基础上增加了5-16、16-26和5-26线路，从而构成高低压500/220KV电磁环网结构；最后，为满足仿真分析开环前后系统暂态水平，修正了G30-G39的相关参数。修正后的网络拓扑图如图4所示。

通过PSASP对修正后的模型进行仿真，得到该算例短路电流超标情况，超标部分节点短路电流情况如表1所示。

表1部分220千伏母线短路电流超标情况

母线名	三相短路电流(KA)
		BUS-17	55.193
BUS-21	51.912
		BUS-24	55.458
BUS-33	50.116
		BUS-6	51.001

依据短路电流超标情况以及分区原则拟定了4个待选的电磁环网开环方案。

表2待选的电磁环网开环方案

序号	电磁环网开环方案
		方案1	开断：1-39，3-4，16-17和16-26
方案2	开断：25-26，18-17，14-15和5-16
		方案3	开断：1-39，3-4，3-18，17-27，14-15和16-26
方案4	开断：1-39，3-4，14-15，16-17和16-26

(3)性能指标的计算

在PSASP对4个待选的电磁环网开环方案进行仿真得到各方案的短路电流大小、电网的潮流分布以及暂态电压恢复曲线，依据仿真结果计算得到的各方案的性能指标如表3所示。

表3开环前和待选方案性能指标结果

(4)性能指标的处理

1)层次分析法

进行各性能指标相对重要性问卷调查，然后结合“九分位”比例标度确定各性能指标之间的相对重要程度，进而采用标度扩展法确定判断矩阵A：

利用排序原理得出矩阵排序矢量，计算各性能指标的主观权重，结果如表4所示。

表4各性能指标的主观权重

M<sub>i</sub>	3/8	384	12	3/8	1/648
						B<sub>i</sub>	0.8218	3.2875	1.6437	0.8218	0.2739
v<sub>i</sub>	0.12	0.48	0.24	0.12	0.04

2)变异系数法

计算各候选方案的性能指标生成评价矩阵Y，对评价矩阵Y进行标准化处理，得到标准矩阵Y'；计算指标矩阵中第i个性能指标的平均值y*和标准差s_i，进而可计算出第i个性能指标的变异系数V_i。将V_i代入公式(14)，即可计算第i个性能指标的客观权值ω_i，各性能指标的客观权值计算结果如表5所示。

表5各性能指标的客观权重

3)综合赋权法

选择层次分析法与变异系数法求得的主观权重与客观权重通过公式(16)求得各待选的电磁环网开环方案。

表7各待选的电磁环网开环方案的综合性能指标

对于待选的电磁环网开环方案，其综合性能指标值越小，表明按照其进行分区运行后综合性能越好，根据综合性能指标值的大小得到对应的综合性能排序为：方案2>方案4>方案3>方案1。由此得出方案2为最优方案。

(5)主、客观评价法对比分析

为验证本发明所提出的电磁环网开环方案综合评估方法的正确性和优越性，下面分别采用其他主、客观评价法进行对比分析。

表8各评估方法评选结果

方法	评选结果
		人工经验法	方案3>方案1>方案2>方案4
综合赋权法	方案2>方案4>方案3>方案1
		变异系数法	方案4>方案3>方案2>方案1
层次分析法	方案1>方案2>方案4>方案3

可以看出，根据单一主观赋权方法与客观赋权方法求出的评估结果，各待选方案综合性能靠前的分别为方案1、2与方案4、3。这是由于方案2、1与3、4通过线路开断分别将39节点系统划分为两个分区和三个分区。其中两分区方案由于开断线路较少，系统中对线路连接的改变少，其对系统的暂态电压恢复能力影响要小于三分区方案，但三分方案短路电流抑制效果优于两分区方案。而由于各性能指标主观权重的确定主要依据专家经验，通过主观赋权法计算的暂态电压恢复水平指标权重较大，因此通过单一主观赋权方法所得出的结果中，暂态电压恢复能力更好的方案1为最优方案。而方案3是三分区方案，对短路电流抑制效果优于方案1，因而权重系数取决于各方案指标值的客观赋权方法所得的最优方案为方案3。由以上分析可以发现如果只采用其中的一种方法，最终结果会带有强烈的主观性或者过于依赖纯粹的数据推理，最后的结果也会有偏差。对于人工经验法，其凭借工程经验在综合考虑了暂稳和限流效果的重要程度后，在小系统求解空间相对较小情况下，也能得到较优异方案，但该方法主要依靠人工经验方法进行方案选择，缺乏对各方案评估值客观情况的考虑，仍不可避免的带有较强的主观性，在实际电网规划时仍具有较大局限性。而综合赋权方法综合了单一的主、客观赋权方法，在考虑了方案性能指标客观情况的同时也对工程的实际需求与侧重点进行了考虑，因而更具实际应用性。

综上表明本发明所提出的电磁环网开环方法，综合了主观赋权方法对专家经验与规划侧重点的考虑与客观赋权法对各待选方案性能指标值客观情况的考虑，所得的最优开环方案相对于通过传统的开环方案评估方法所求得的结果，具有更高的准确性和有效性；按照该最优方案进行开环分区运行，能够有效提高电网运行的安全稳定性。

本发明按照优选实施例进行了说明，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电磁环网开环方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：确定待选的电磁环网开环方案；

步骤2：针对每个待选的电磁环网开环方案，分别进行仿真，并计算得到按照该开环方案进行开环前后电网的各个性能指标值；

步骤3：针对每个待选的电磁环网开环方案，对按照该开环方案进行开环前后电网的各个性能指标值进行加权计算，得到该开环方案的综合性能指标值P；

步骤4：比较各开环方案的综合性能指标值P，综合性能指标值P最大的开环方案即最优开环方案；按照该最优开环方案进行开环，实现分区运行。

2.根据权利要求1所述的电磁环网开环方法，其特征在于，所述步骤2中，性能指标包括静态稳定性、暂态电压恢复水平、短路电流越限水平、潮流转移比、网损率。

3.根据权利要求1所述的电磁环网开环方法，其特征在于，所述步骤2中，性能指标包括静态稳定性S₁，其计算公式如下：

式中：N为电力系统中主变数量；η_n表示第n台主变的负载率，η_a为主变平均负载率。

4.根据权利要求1所述的电磁环网开环方法，其特征在于，所述步骤2中，性能指标包括暂态电压恢复水平S₂，其计算公式如下：

式中：γ为预想事故集合，β为关键母线集合；T_cj为预想事故j的清除时刻；T_ej为计算截止时间；U_bt,j为预想事故j发生后关键母线b在t时刻的电压幅值；U_b0为关键母线b的额定电压。

5.根据权利要求1所述的电磁环网开环方法，其特征在于，所述步骤2中，性能指标包括短路电流越限水平E₁，其计算公式如下：

式中：I_l为第l条母线发生三相短路故障下的短路电流；

为第l条母线断路器最大遮断电流；N_b为母线数目。

6.根据权利要求1所述的电磁环网开环方法，其特征在于，所述步骤2中，性能指标包括潮流转移比E₂，其取电网中某一故障发生率较高的线路h发生故障后关键母线的潮流转移比，其计算公式如下：

Δδ_kh＝P_kh-P_k0 (6)

式中：Δδ_kh线路h对第k条关键母线的潮流转移冲击；P_kh为线路h发生故障后第k条关键母线上的潮流；P_k0为未发生故障情况下第k条关键母线上的潮流；N_c为关键母线数目；P_r,k为第k条关键母线的额定传输容量。

7.根据权利要求1所述的电磁环网开环方法，其特征在于，所述步骤2中，性能指标包括网损率C₁，其计算公式如下：

式中：P_G,u为第u个发电厂的额定容量或500KV变电站下网功率，N_G为发电厂与500KV变电站数目之和；P_L,v为第v个负荷容量大小，N_L为负荷数目。

8.根据权利要求1所述的电磁环网开环方法，其特征在于，所述步骤3加权计算中，结合层次分析法和变异系数法计算各个性能指标的权重包括主观权重和客观权重，各性能指标x_i的主观权重基于层次分析法得到，任一电磁环网开环方案m对应的性能指标x_i的客观权重基于变异系数法得到。

9.根据权利要求1～8中任一项所述的电磁环网开环方法，其特征在于，电磁环网开环方案m的综合性能指标值P_m计算方法为：

式中：y_i2表示按该电磁环网开环方案开环运行后性能指标x_i的值；v_i为性能指标x_i的主观权重；ω_i为电磁环网开环方案m对应的性能指标x_i的客观权重，L为性能指标的个数。

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