CN112001625A - 一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法，包括：1)输入输电系统数据，通过冰灾下输电线路的指数故障概率模型，得到各输电线路的故障概率；2)根据输电线路指数故障概率模型，提出用于量化输电系统韧性的系统级和元件级的韧性指标；3)判断输电系统级韧性量化指标是否大于韧性阈值，如果是，执行步骤4)；如果否，执行步骤1)；4)根据对冰灾阶段的划分所提出的全时段韧性增强框架，以及步骤2)中的元件级的韧性量化指标，实施冰灾不同时期的韧性增强策略；5)判断输电系统中是否存在故障线路，如果是，执行步骤4)；如果否，输出结果。本发明结合冰灾各个时期的特点，实施不同的韧性增强策略，从而指导冰灾下各个时段输电系统的韧性提升。
Description
技术领域
本发明涉及输电系统领域，尤其涉及一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法。
背景技术
由于现代社会的需要，输电系统往往已经满足一定的可靠性运行的标准，这点使得其在面对常规扰动时仍能保持正常运行。然而，近些年极端事件的发生表明，输电系统在面临高影响、低概率等极端天气事件时，仍可能表现出准备不足的特性。
在这些极端事件中，冰灾，作为其中较为常见的一种，给世界范围内的电力系统都带来了严峻的考验。因此，评估系统在冰灾下的韧性，并采取有效的韧性增强措施提高系统的韧性程度，以减小冰灾对输电系统的影响是必要的。
现有对冰灾下的输电网的韧性增强方式主要有：将系统状态的不确定顺序转换建模为马尔可夫过程，用一种主动操作策略以对正在发生极端事件的系统进行韧性提升；也有学者将态势感知与韧性增强相结合，提出了一个综合的韧性反应框架以提供预防和应急状态下的有效应对措施。此外，还有研究从减小故障规模、降低故障损失、缩短恢复时间等三个维度来分别对系统韧性进行提升。
但是，目前发现还存在以下问题：
1)专门针对冰灾的韧性增强方法较少
大多数对韧性增强的研究都是从通用层面上考虑的，以求获得一定的普适性。但是不同于大多数的自然灾害，例如：地震和台风等，冰灾有着它自己独特的特性，例如：结冰花费时期长，进程缓慢等。这使得常规的增强手段可能并不完全适用于冰灾的韧性提升。
2)韧性提升策略不能包含冰灾的所有时段
大多数对于冰灾下系统的韧性增强策略研究，主要从增强系统对灾害的抵抗能力及灾后的快速修复的方面出发，而忽略了冰灾过程应急措施的重要性，从而不能对冰灾的各个时段的系统进行无疏漏的韧性提升。
发明内容
本发明提供了一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法，本发明通过一个包含灾前、灾害过程和灾后时期的全时段韧性增强框架，结合冰灾各个时期的特点，实施不同的韧性增强策略，从而指导冰灾下各个时段输电系统的韧性提升，详见下文描述：
一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法，所述方法包括：
1)输入输电系统数据，通过冰灾下输电线路的指数故障概率模型，得到各输电线路的故障概率；
2)根据输电线路指数故障概率模型，提出用于量化输电系统韧性的系统级和元件级的韧性指标；
3)判断输电系统级韧性量化指标是否大于韧性阈值，如果是，执行步骤4)；如果否，执行步骤1)；
4)根据对冰灾阶段的划分所提出的全时段韧性增强框架，以及步骤2)中的元件级的韧性量化指标，实施冰灾不同时期的韧性增强策略；
5)判断输电系统中是否存在故障线路，如果是，执行步骤4)；如果否，输出结果。
其中，所述冰灾不同时期的韧性增强策略包括：冰灾灾前阶段韧性增强策略、冰灾过程阶段韧性增强策略、灾后阶段韧性增强策略。
进一步地，所述冰灾灾前阶段韧性增强策略包括：
第一步，更新预测的天气数据；第二步，计算各输电线路未来一段时间的元件级灾前韧性指标，对指标进行排序，以确定各输电线路的预防优先级；根据优先级对关键线路采取预防措施，所有预防措施完成后，确定输电线路上是否有覆冰，如果否，返回第一步。
其中，所述冰灾过程阶段包含：覆冰增长阶段和多重故障阶段，其韧性增强策略包括：
第一步，更新除冰情况和预测的天气数据；第二步：获取次日各输电线路故障前韧性指标，基于指标更新输电线路重要度优先级排序，根据优先级排序对输电线路采取除冰措施，措施完成后，确定输电系统是否还产生新的故障线路，如果是，返回第一步。
进一步地，所述灾后阶段韧性增强策略包括：
第一步，更新系统中故障的输电线路；第二步：计算各输电线路灾后元件级韧性指标，对指标进行排序，确定各输电线路的维修优先级，按优先级顺序实施维修工作，每次维修工作后，检查是否还存在未被维修的故障线路，如果是，返回第一步。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明根据所提的韧性增强框架，冰灾前，可以得到输电线路的预防优先级排序，从而指导灾前预防措施；冰灾过程中，可以得到输电线路的重要度排序，从而指导应急除冰措施；冰灾后，可以得到输电线路的维修优先级排序，从而指导灾后维修措施；
2、本发明的输电系统的韧性可以在冰灾的不同时段得到提升，从而最小化冰灾给输电系统带来的影响。
附图说明
图1是冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法的流程图；
图2是冰灾灾前韧性增强策略流程图；
图3是冰灾过程韧性增强策略流程图；
图4是冰灾灾后韧性增强策略流程图；
图5是IEEE RTS-79测试输电系统的结构示意图；
图6是冰灾期间预测天气数据的示意图；
图7是不同场景下输电系统的韧性指标变化示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法，参见图1，该方法包括以下步骤：
步骤101：输入输电系统数据，通过冰灾下输电线路的指数故障概率模型，得到各输电线路的故障概率；
其中，该输电系统数据包括：输电系统参数、天气参数等。为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。
步骤102：结合步骤101所得的指数故障概率模型，提出一系列用于量化系统韧性的系统级和元件级的韧性指标，从而对输电系统的韧性进行评估；
步骤103：判断输电系统级韧性量化指标是否大于输电系统韧性阈值，如果是，则执行步骤104；如果否，则执行步骤101；
其中，上述输电系统韧性阈值根据实际应用中的需要进行设定，本发明实施例对此不做限制。
步骤104：根据对冰灾阶段的划分所提出的全时段韧性增强框架，以及步骤102中的元件级的韧性量化指标，实施冰灾不同时期的韧性增强策略；
步骤105：判断输电系统中是否还存在故障线路，如果是，重新执行步骤104；如果否，输出结果，流程结束。
下面结合图2-图7对上述的一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法的方案进行进一步地扩展和介绍，详见下文描述：
一、冰灾下输电线路的指数故障概率模型
冰灾期间，输电线路的断线主要原因是冰力所导致的垂直作用力和风力所导致的水平作用力造成的，因此要对这两个力进行综合分析。
1、冰风力载荷
首先，基于预测所得的天气数据，根据一种简单的覆冰增长模型可以得到覆冰厚度的计算如(1)所示：
其中，Req代表覆冰厚度(mm)，T代表冻雨持续小时数(h)，r代表降雨率(mm/h)，ρI和ρW分别代表冰和水的密度，W是空气中的含水量，由公式W＝0.067×r0.864计算出。
基于此，输电线路的冰力载荷和风力载荷可以分别由式(2)和(3)得到：
LI＝9.8×10-3ρIπ(D+Req)Req (2)
LW＝CSv2(D+2Req) (3)
其中，LI代表冰力载荷(N/m)，LW代表风力载荷(N/m)，D是导线直径(mm)，S代表跨档因子，v是风速(m/s)，C为常系数，等于6.964×10-3。
根据力的合成，输电线路的冰风力载荷LWI可以由式(4)得到：
2、指数故障概率模型
输电线路可以承受的力是有一定限度的。当力超过一定值时，输电线路的承受能力随着力的增加呈指数下降，最终导致输电线路中断。单位距离的输电线路故障概率可以通过公式(5)计算出。
其中，Pf为单位距离的输电线路故障概率。aWI和bWI分别是两个输电线路冰风力载荷阈值(N/m)。
根据串联网络的定义，通过公式(6)可以得到不同输电线路的故障概率。
其中，Li代表第i条输电线路的长度。
二、冰灾下输电系统的韧性评估指标
1、输电系统级韧性量化指标
考虑到冰灾过程的不确定性，一个实用的输电系统级韧性指标不仅应该用来量化已经发生的灾害所带来的影响，还应该能够评估和量化输电系统可能的韧性损失。本方法综合考虑输电线路的多重故障和所有故障场景可能带来的输电系统负荷损失，定义输电系统韧性指标为公式(7)所示：
其中，Rsys表示输电系统级韧性指标。E[·]表示输电系统韧性的期望值，M表示输电线路的数目；A表示所有输电线路的集合，Ωk A表示A的k阶子集；s表示由极端冰灾引起的相应失效输电线路所表示的故障场景；Ps表示某一时刻故障场景的概率；Is表示故障场景s的影响。
其中，
因此
其中，pi表示第i条传输线的故障概率；ΔIs表示由故障场景s所导致的影响增量。
2、元件级韧性量化指标
在现实情况下，仅仅依靠整体输电系统的韧性量化指标只能得到输电系统整体的韧性情况，而不能了解组成输电系统的每一个元件的情况。因此，需要对每条输电线路的韧性进行量化，以定位输电系统的薄弱环节。考虑到冰灾的特性，从两个方面：预防和维修，提出两种元件级韧性量化指标，以更为全面的对不同时期的元件进行韧性评估。
1)灾前元件级韧性指标
一般来说，在冰灾期间，某条输电线路故障的概率越大，或者这条输电线路故障会引起的输电系统失负荷量越大，这条输电线路就越关键。综合这两点，从两个方面来对每个输电线路的韧性进行量化：
(1)每个输电线路中断引起的输电系统失负荷量增量；
(2)每个输电线路在特定冰灾中发生故障的概率。由此得到灾前元件级韧性指标如公式(10)所示：
其中，pm表示第m条输电线路的故障概率；sm表示所有包含输电线路m故障的故障场景，
为故障场景sm所导致的影响增量，ΔRc,pre为由第m条输电线路故障引起的输电系统韧性指标增量。
2)灾后元件级韧性指标
尽管采取一定的预防性措施可以减少输电系统的韧性损失，但是一场冰灾过后，输电系统仍不可避免地会遭受一定程度的打击。在这种情况下，有必要对每条故障的线路进行评估，以便及时采取补救措施，使输电系统尽快的恢复韧性状态。
因此，灾后元件级韧性指标Rcm,post反映的是修复一条特定输电线路时输电系统韧性的提升程度。具体计算如公式(11)所示：
其中，Ωs代表故障场景s下故障线路的集合，Ωm∈s代表集合Ωs中包含第m条输电线路的子集，j表示输电线路的编号，pj表示第j条输电线路的故障概率。。
三、冰灾全时段韧性增强框架
1、冰灾灾前阶段韧性增强策略
实际经验证明，覆冰的产生不是一蹴而就的，而是需要一定的时间和特定的环境。这个时期称之为冰灾前的覆冰形成期。在这个阶段，输电线路上还未产生覆冰，输电系统中也未有线路产生故障，但是气象部门已经能够通过天气预报获得未来几天的天气数据。因此，基于在前一节中提到的灾前元件级韧性指标，就可以计算得到各输电线路的灾前元件级韧性指标，也就是每条输电线路可能会导致的潜在韧性损失。根据定义，指标的数值越大，就代表着这条线路越重要，由此可以确定故障前的输电系统中的优先级排序。详细的韧性增强策略步骤如下：
第一步，更新预测的天气数据；第二步，计算各输电线路未来一段时间的元件级灾前韧性指标；第三步，对这些指标进行排序，以确定各输电线路的预防优先级；第四，根据优先排序对关键线路采取预防措施，如提前为输电线路涂防冻材料，以减少结冰的可能性。最后，在所有这些措施完成后，确定输电线路上是否有覆冰。如果没有，返回第一步；否则，灾前阶段结束，进入下一阶段。
2、冰灾过程阶段韧性增强策略
冰灾过程阶段包含两个阶段，覆冰增长阶段和多重故障阶段。这个时期从输电线路上产生覆冰开始持续到输电系统中不再产生新的故障线路。
冰灾过程是一个缓慢的过程，这使得过程的应急措施的实施成为可能。然而，由于冰灾天气造成的恶劣环境，相关工作人员将会难以开展故障输电线路的维修工作。与此相比，在覆冰导致输电线路故障前，对一些潜在的关键线路采取除冰措施显然更容易在这个时期实施。因此，这个阶段的韧性增强策略主要是对未故障的输电线路进行除冰，从而尽可能的减少韧性损失。值得注意的是，随着实时天气的变化和除冰措施的实施，每条输电线路的元件级韧性指标，也就是输电线路的重要程度排序将发生变化。因此，这一排序需要在每日除冰工作之后更新，以提供最符合实际情况的指导。详细的韧性增强策略步骤如下：
第一步：更新除冰情况和预测的天气数据；第二步：基于第一步获取次日各输电线路故障前韧性指标；第三步：基于这些指标更新输电线路重要度优先级排序；第四步是根据优先级安排相关人员对输电线路采取除冰措施。在所有这些措施完成后，确定输电系统中是否还在产生新的故障线路，如果有，则返回第一步，否则冰灾过程阶段结束，进入下一阶段。
3、灾后韧性增强策略
在灾后阶段，输电系统中不再有新的故障产生，因此此时输电系统中所有故障的输电线路都是已经确定的。在这种情况下，有效率的实施维修工作，使输电系统尽快恢复到韧性状态就成了首要任务。为了实现这一目标，需要找出每次维修后会对输电系统韧性恢复贡献最大的故障线路，并优先对其进行维修。基于之前所提出的灾后元件级韧性指标，这一点很容易被实现。
考虑到维修措施不仅会改变被修复线路的韧性及输电系统的韧性，还会影响输电系统中其他输电线路的韧性程度。因此在每日维修工作后应更新维修的优先级排序，为下一步维修工作提供最可靠的指导。详细的韧性增强策略步骤如下：
第一步：更新输电系统中识别故障的输电线路；第二步：计算各输电线路灾后元件级韧性指标；第三步：对这些指标进行排序，确定各输电线路的维修优先级；第四步：按维修优先级顺序实施维修工作。每次维修工作后，检查输电系统中是否还存在未被维修的故障线路。如果有，回到第一步，否则输出，结束。
为了突出本发明方法的适用性，选择本方法所包含的冰灾过程阶段韧性增强策略进行验证：
对于本发明的实施例，算例为IEEE RTS－79可靠性测试系统，其网络拓扑示意图如图5所示。该测试系统包括24个节点、38条支路，总负荷需求分别为2850MW。根据我国架空输电线路现行设计规范GB50545-2010的要求，电网设计风速和冰厚的选择以冰灾区为基准，分别为25m/s和20mm。相关的气象数据参数如图6所示。
本发明实施例中韧性评估方法为基于影响增量的状态枚举法，状态枚举阶数为3，选取输电系统总负荷的10％作为判断输电系统韧性是否失衡的阈值。
本发明实施例的计算机硬件配置包括Intel Xeon Platinum 8180 CPU(ES)28×1.8GHz，128GB内存；操作系统为Windows 10操作系统，仿真软件为MATLAB2018a。
冰灾过程输电系统的韧性增强策略：
为了突出本发明方法的实用性，在设定维修人员的日常除冰能力为20km的前提下，设置了五种测试场景：
场景1(S1)：不采取除冰措施；
场景2(S2)：按照输电线路长度降序的顺序，从冰灾的第一天开始除冰；
场景3(S3)：按照不采取除冰措施情况下得到的稳定的输电线路优先级排序，从冰灾第一天开始除冰；
场景4(S4)：从输电系统开始产生韧性损失再开始除冰，每天更新除冰优先级；
场景5(S4)：从产生覆冰就开始进行除冰，每天更新除冰优先级；
分别得到五种场景下的除冰优先级排序及输电系统级韧性指标如表1-表5所示：
表1场景1情况下的输电系统级韧性指标及优先级排序
表2场景2情况下的输电系统级韧性指标及优先级排序
表3场景3情况下的输电系统级韧性指标及优先级排序
表4场景4情况下的输电系统级韧性指标及优先级排序
表5场景5情况下的输电系统级韧性指标及优先级排序
结合上述表格1-5和图7所示的折线图可知，尽管场景2-4相对于场景1都能在一定程度上减少韧性损失。但是由于除冰能力有限，场景2按照输电线路长度进行除冰，导致一些更为重要的线路除冰过晚，输电系统的韧性提升程度较低。场景3尽管选择了长期范围内更为重要的五条线路进行了除冰，但是在冰灾初期的时候这五条线路的优先级并不是最高。因此场景3尽管相对于场景2对于输电系统韧性的提升效果好些，但是还是超过了所设输电系统韧性阈值。而场景4从输电系统开始产生韧性损失才开始采取除冰措施，此时输电线路上覆冰已经有了一定厚度，且输电系统中的输电线路纷纷开始故障，在除冰能力有限的情况下，即使后续实时对输电线路优先级进行排序，并且严格按照优先级进行除冰，输电系统韧性的损失还是非常的大。
可以发现无论是中间过程还是最终结果，场景5，也就是本发明方法中所包含的冰灾过程韧性增强策略，相较于其他几种方法均表现出了明显的优势，这证明了本发明方法的有效性。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (5)
1.一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法，其特征在于，所述方法包括：
1)输入输电系统数据，通过冰灾下输电线路的指数故障概率模型，得到各输电线路的故障概率；
2)根据指数故障概率模型，提出用于量化输电系统韧性的系统级和元件级的韧性指标；
3)判断输电系统级韧性量化指标是否大于韧性阈值，如果是，执行步骤4)；如果否，执行步骤1)；
4)根据对冰灾阶段的划分所提出的全时段韧性增强框架，以及步骤2)中的元件级的韧性量化指标，实施冰灾不同时期的韧性增强策略；
5)判断输电系统中是否存在故障线路，如果是，执行步骤4)；如果否，输出结果。
2.根据权利要求1所述的一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法，其特征在于，所述冰灾不同时期的韧性增强策略包括：冰灾灾前阶段韧性增强策略、冰灾过程阶段韧性增强策略、灾后阶段韧性增强策略。
3.根据权利要求2所述的一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法，其特征在于，所述冰灾灾前阶段韧性增强策略包括：
第一步，更新预测的天气数据；第二步，计算各输电线路未来一段时间的元件级灾前韧性指标，对指标进行排序，以确定各输电线路的预防优先级；根据优先级对关键线路采取预防措施，所有预防措施完成后，确定输电线路上是否有覆冰，如果否，返回第一步。
4.根据权利要求2所述的一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法，其特征在于，所述冰灾过程阶段包含：覆冰增长阶段和多重故障阶段，其韧性增强策略包括：
第一步，更新除冰情况和预测的天气数据；第二步：获取次日各输电线路故障前韧性指标，基于指标更新输电线路重要度优先级排序，根据优先级排序对输电线路采取除冰措施，措施完成后，确定输电系统是否还产生新的故障线路，如果是，返回第一步。
5.根据权利要求2所述的一种冰灾下输电系统的全时段韧性增强方法，其特征在于，所述灾后阶段韧性增强策略包括：
第一步，更新系统中确定的输电线路；第二步：计算各输电线路灾后元件级韧性指标，对指标进行排序，确定各输电线路的维修优先级，按优先级顺序实施维修工作，每次维修工作后，检查是否还存在未被维修的故障线路，如果是，返回第一步。
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