CN112632748A - 一种电力系统安稳风险优化方法、系统及存储介质 - Google Patents

一种电力系统安稳风险优化方法、系统及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力系统安稳风险优化方法、系统及存储介质，方法包括以下步骤：步骤1）建立电力系统元件停运概率模型，包括线路停运概率模型和元件停运概率模型；步骤2）选取电力系统中各节点电压越限和支路电流越限作为风险指标，对电力系统运行风险进行评估；步骤3）建立目标函数，以电力系统运行风险最低、负荷削减总量最小和系统经济损失后果最小为目标，设定约束条件，对目标函数求解，实现对系统运行风险进行多目标优化。本发明的方法降低了电力系统运行风险，在一定程度上扩展至电网规划与方案补强的评价策略研究。

Description

一种电力系统安稳风险优化方法、系统及存储介质
技术领域
本发明属于电力系统技术领域，具体涉及一种考虑多源负荷不确定性的电力系统安稳风险优化方法、系统及存储介质。
背景技术
随着居民用电需求的多元化改变，负荷类型从单一的电力负荷转变为电、气、热等多种类型负荷，多源负荷的波动性和不确定因素使得电力系统运行中不确定因素急剧增加，导致系统运行风险显著增加。一方面，多源负荷是随时间实时变化的，其波动性和不确定性因素会造成电力系统潮流发生改变，电力系统线路机械强度及热稳定性发生改变，导致系统安全事故概率增加，严重时可能会造成线路停运，造成系统运行故障。另一方面，多源负荷的波动性和不确定性因素会对电能与其他形式能源间的转换设备或电力系统设备运行造成影响，增加了系统设备极限运行或故障的概率，同时影响系统风险评估结果准确性。因此，如何在考虑多源负荷的波动性和不确定性影响的基础上准确快速的对系统运行风险进行评估，并基于评估结果对电力系统日运行风险进行优化是非常值得研究的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何优化电力系统运行风险。
为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种电力系统安稳风险优化方法，包括以下步骤：
步骤1)建立电力系统元件停运概率模型，包括线路停运概率模型和元件停运概率模型；
步骤2)选取电力系统中各节点电压越限和支路电流越限作为风险指标，对电力系统运行风险进行评估；
步骤3)建立目标函数，以电力系统运行风险最低、负荷削减总量最小和系统经济损失后果最小为目标，设定约束条件，对目标函数求解，实现对系统运行风险进行多目标优化。
一种电力系统安稳风险优化系统，其特征在于，包括以下功能模块：
模型建立模块：建立电力系统元件停运概率模型，包括线路停运概率模型和元件停运概率模型；
风险评估模块：选取电力系统中各节点电压越限和支路电流越限作为风险指标，对电力系统运行风险进行评估；
多目标优化模块：建立目标函数，以电力系统运行风险最低、负荷削减总量最小和系统经济损失后果最小为目标，设定约束条件，对目标函数求解，实现对系统运行风险进行多目标优化。
一种电力系统安稳风险优化系统的存储介质，其特征在于，存储以下功能模块：
模型建立模块：建立电力系统元件停运概率模型，包括线路停运概率模型和元件停运概率模型；
风险评估模块：选取电力系统中各节点电压越限和支路电流越限作为风险指标，对电力系统运行风险进行评估；
多目标优化模块：建立目标函数，以电力系统运行风险最低、负荷削减总量最小和系统经济损失后果最小为目标，设定约束条件，对目标函数求解，实现对系统运行风险进行多目标优化。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明根据分析多源负荷不确定应性对电力系统安稳运行造成的具体影响，建立考虑多源负荷不确定性的系统元件停运概率模型。然后，建立电力系统运行风险评估指标和评估流程，对风电出力和多源负荷波动下的电力系统运行风险进行准确评估。在此基础上，以系统运行风险最低、负荷削减总量最小和系统经济损失后果最小为目标，建立电力系统运行风险优化模型，降低了电力系统运行风险，可在一定程度上扩展至电网规划与方案补强的评价策略研究。
附图说明
图1是本发明的风险评估流程图；
图2是安稳风险优化模型求解算法流程图；
图3是IEEE-39节点为算例拓扑结构图；
图4是典型日多源负荷预测曲线图；
图5是本文评估方法与传统风险评估方法的系统风险评估结果对比示意图；
图6是优化前后日运行风险值示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
本发明的一种考虑多源负荷不确定性的电力系统安稳风险优化方法，包括以下步骤：
1)建立电力系统元件停运概率模型：
(a)线路停运概率模型
线路的正常运行是保证电力系统正常运行的重要因素之一。随着时间的变化，用户对多种负荷需求发生急剧变化，其不确定性因素造成电力系统线路潮流发生急剧改变，线路的发热量也随着潮流的改变而发生改变。当线路潮流超过线路额定潮流，线路热稳定性发生改变，其机械强度也可能会因长时间的高温影响而降低，极限时可能造成线路熔断，导致电力系统出现运行故障、切负荷，增加了电力系统安稳运行风险。
因此，考虑多源负荷不确定性的电力系统线路停运概率模型可表示为：
Figure BDA0002793647000000041
式中，P(LW)为线路停运概率；tanh()是双曲正切函数，a1、b1为待定参数一、待定参数二，可根据线路参数进行确定；Lw为线路w潮流，取为线路w传输的视在功率，可按照式(2)计算多源负荷变化，
Figure BDA0002793647000000042
式中，Pw、Qw分别为线路w当前多源负荷的有功功率、无功功率；Pw0、Qw0分别为线路w初始多源负荷的有功功率、无功功率；KP、KQ分别为线路w初始多源负荷的有功功率、无功功率的增加比例，KP、KQ的波动可视为电力系统功率因数的波动；λW为多源负荷不确定性影响因子，反应多源负荷水平变化。
当多源负荷在正常范围内发生波动时，即
Figure BDA0002793647000000043
多源负荷随时间的波动使得电力系统线路潮流处于线路潮流额定范围，即
Figure BDA0002793647000000044
时，此时电力系统线路停运概率一P1(LW)可按式(3)计算：
Figure BDA0002793647000000045
式中，
Figure BDA0002793647000000046
为线路w正常潮流的最大值；
Figure BDA0002793647000000047
为小范围波动时多源负荷不确定性影响因子上限值。
多源负荷急剧变化时，即λw＞λmax，造成电力系统线路潮流超过极限值，即Lw＞Lmax，线路因为温度急剧升高造成线路熔断或者因为过载而导致保护装置动作切除线路，此时电力系统线路停运概率三P3(LW)为1，即：
P3(Lw)＝1(4)
式中，Lmax为线路w潮流极限值；λmax为急剧变化时多源负荷不确定性影响因子下限值。
多源负荷波动超出正常范围时，即
Figure BDA0002793647000000051
使得线路运行在极限状态，线路可短时间极限运行，此时线路潮流位于
Figure BDA0002793647000000052
电力系统线路停运概率二P2(LW)可按下式进行计算：
Figure BDA0002793647000000053
(b)元件停运概率模型
多源负荷不确定因素除了线路运行造成影响外，还会对电能与其他形式能源间的转换设备和电力系统元件运行造成影响，增加了系统设备极限运行或故障的概率。所以，元件停运概率模型可描述为：
Figure BDA0002793647000000054
式中，P(t)为t时刻元件停运概率；p(t)为t时刻元件正常老化故障概率；t为使用时间；T为元件已使用时间；λw为多源负荷不确定性影响因子，反应多源负荷水平变化；Δt为相对T比较小的时间间隔，可以取1小时，ε、χ为元件尺寸参数和元件类型参数，且ε＞0、χ＞0，可按下式进行计算：
Figure BDA0002793647000000061
式中，μ、σ为威尔分布的均值和方差；Γ(x)为伽马函数。
2)对电力系统运行风险进行评估
在上述电力系统线路、元件停运概率模型的基础上，考虑多源负荷不确定因素的影响，从而对电力系统安稳运行风险进行准确评估。主要是考虑多源负荷急剧波动和不确定应因素导致系统元件故障停运，从而使得系统在运行过程中发生各种风险事故，受到的风险显著攀升。因此，选取系统中各节点电压越限和支路电流越限作为风险指标，其计算可按下式：
Figure BDA0002793647000000062
式中，Risk为电力系统总运行风险值；i是系统中节点编号；N为系统中总节点数；j为系统中支路的编号；M为系统中总支路数；
Figure BDA0002793647000000063
分别为系统中节点i电压越限分布函数和支路j电流越限分布函数；Ui、Ij分别为系统中节点i的实际电压值和支路j的实际支路电流；SV(.)、SI(.)分别为系统中节点i电压越限程度和支路j电流越限程度；
Figure BDA0002793647000000064
分别为系统中节点i电压越限值和支路j电流越限值，可按式(9)和式(10)进行计算：
Figure BDA0002793647000000065
Figure BDA0002793647000000066
式中，
Figure BDA0002793647000000071
为系统中节点i电压允许最小值和最大值；
Figure BDA0002793647000000072
为系统中支路j电流允许最大值。
节点电压越限程度或支路电流越限程度是指电力系统中某一节点i电压或支路j电流超出电压或电流允许范围的程度，当节点实际电压值或支路实际电流值离允许范围越远，电压越限程度或电流越限程度越严重，则可用下式进行描述：
Figure BDA0002793647000000073
式中，
Figure BDA0002793647000000074
为节点i的电压越限程度；
Figure BDA0002793647000000075
为支路j的电流越限程度；ai、bi、ci分别为系统中节点i的电压越限程度函数参数一、电压越限程度函数参数二、电压越限程度函数参数三；Ai、Bi、Ci分别为系统中节点j的电流越限程度函数参数一、电流越限程度函数参数二、电流越限程度函数参数三，上述参数均可通过数学拟合的方法得到。
3)对电力系统安全稳定风险进行优化
(a)建立目标函数，为建立考虑多源负荷不确定性的电力系统安稳风险优化模型，需要考虑多源负荷波动和不确定性因素影响，以系统运行风险最低、负荷削减总量最小和系统经济损失后果最小为目标，考虑系统功率平衡约束、潮流约束等其他约束，对系统运行风险进行多目标优化。
1)优化目标1f1的目标函数为：
Figure BDA0002793647000000081
式中，T1为电力系统运行风险优化的计算时段总数。
2)优化目标2f2主要是考虑多源负荷不确定因素影响下，电力系统发生元件故障停运，系统进行切负荷操作时多源负荷削减总量最小，其目标函数为：
Figure BDA0002793647000000082
式中，Li(S)为状态S下系统中节点i处多源负荷削减量。
3)优化目标3f3主要考虑多源负荷不确定因素影响下，电力系统元件故障停运而造成的经济性损失期望最小，目标函数为：
Figure BDA0002793647000000083
式中，C1为电网电价；C2为系统故障切负荷风险罚金；PLi(S)为状态S出现的概率；Th为系统故障切负荷时间。
(b)约束条件包括：
1)总功率平衡约束
Figure BDA0002793647000000084
式中，Pw为第w个风电机组出力；
Figure BDA0002793647000000086
为第k个传统发电机组出力；PL为系统多源负荷量。K、W、N分别为系统中传统发电机组总数、风电机组总数和总节点数。
2)系统潮流约束
Figure BDA0002793647000000085
式中，PGi、QGi为系统中节点i注入的有功、无功功率；PLi、QLi分别表示系统中节点i负荷的有功和无功功率需求；节点n为与节点i相连的节点集合；Gin、Bin分别为节点i与节点n之间的电导和电纳，θin为系统中节点i与节点n之间功率相角差；Un为节点n电压；
系统中节点i电压约束为：
Figure BDA0002793647000000091
节点i与节点n之间连接支路两端的功率相角差约束为：
Figure BDA0002793647000000092
式中，
Figure BDA0002793647000000093
为系统中节点i与节点n之间功率相角差的最小值、最大值。
3)线路传输约束
Figure BDA0002793647000000094
4)负荷削减量约束
0≤Li(S)≤PLi(20)
(5)节点约束
Figure BDA0002793647000000095
式中，
Figure BDA0002793647000000096
分别为系统中节点k处发电机组有功出力的最小、最大值；
Figure BDA0002793647000000097
分别为节点k处发电机组无功出力的最小、最大值；Pw,min、Pw,max分别为节点w处风电机组出力的最小、最大值。
(c)对模型求解
采用多目标差分进化算法对电力系统安稳安稳风险优化模型进行求解，该算法可实现多个优化目标并行全局寻优，建立的多目标优化模型可描述为式(22)，
Figure BDA0002793647000000101
式中，F(X)为优化目标，X为输入功率优化决策变量；hv(X)≤0为不等式约束，p为不等式约束总数；gw(X)＝0为等式约束，q为等式约束总数。
以某地电网的IEEE-39节点为算例进行仿真，其拓扑结构如图3所示，典型日内多源负荷预测如图4所示。设定削负荷惩罚为
Figure BDA0002793647000000103
并设多源负荷不确定性波动最大为50％。
通过将本发明建立的评估方法与传统风险评估法进行对比分析，验证本发明方法的可行性，仿真时模型参数、仿真时间和次数保持一致，其结果如图5所示。
图5为本发明评估方法与传统风险评估方法的电力系统日运行风险评估结果，可以看出两种方法所得到的风险变化曲线基本一致，本发明所提方法具有较高的准确性。同时，在进行电力系统风险评估时，考虑多源负荷不确定性因素影响，会使得电力系统风险评估值更加接近于系统运行真实风险。
在此基础上，以不考虑多源负荷不确定影响为参照(情景1)，本发明在考虑多源负荷不确定性(情景2)，对电力系统安稳运行风险进行了优化对比分析。选取图4中红圈对应时刻，计算该时间段长度为1小时的系统风险评估平均值和系统经济性损失，计算结果如表1所示。通过表1对比发现，在考虑多源负荷不确定性后对电力系统运行风险进行优化，系统预计削减负荷量和经济性损失明显降低，提高了系统运行稳定性。
表1风险优化结果
Figure BDA0002793647000000102
Figure BDA0002793647000000111
进一步对典型日内电力系统运行风险进行了优化，其结果如图6所示。从图6中可以看出，在考虑多源负荷不确定性的电力系统优化后，系统运行风险降幅明显，仅会在典型日内用能高峰时期受多源负荷波动明显的影响，导致电力系统运行风险的增加，其余时刻基本维持在低风险状态，充分验证了本发明所提出的电力系统风险优化模型可以有效降低系统运行风险，减少系统经济性损失，提高系统运行可靠性。
以上实施例仅用以说明发明的技术方案而非对其限制，所属领域的研发人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些没有脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围以内。

Claims (10)

1.一种电力系统安稳风险优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)建立电力系统元件停运概率模型，包括线路停运概率模型和元件停运概率模型；
步骤2)选取电力系统中各节点电压越限和支路电流越限作为风险指标，对电力系统运行风险进行评估；
步骤3)建立目标函数，以电力系统运行风险最低、负荷削减总量最小和系统经济损失后果最小为目标，设定约束条件，对目标函数求解，实现对系统运行风险进行多目标优化。
2.根据权利要求1所述的电力系统安稳风险优化方法，其特征在于：所述线路停运概率模型表示为：
Figure FDA0002793646990000011
式中，P(LW)为线路停运概率；tanh()是双曲正切函数，a1、b1为待定参数一、待定参数二，可根据线路参数进行确定；Lw为线路w潮流，取为线路w传输的视在功率，可按照式(2)计算多源负荷变化，
Figure FDA0002793646990000012
Figure FDA0002793646990000013
式中，Pw、Qw分别为线路w当前多源负荷的有功功率、无功功率；Pw0、Qw0分别为线路w初始多源负荷的有功功率、无功功率；KP、KQ分别为线路w初始多源负荷的有功功率、无功功率的增加比例，KP、KQ的波动可视为电力系统功率因数的波动；λW为多源负荷不确定性影响因子，反应多源负荷水平变化。
3.根据权利要求2所述的电力系统安稳风险优化方法，其特征在于：当多源负荷在正常范围内发生波动时，即
Figure FDA0002793646990000021
多源负荷随时间的波动使得电力系统线路潮流处于线路潮流额定范围，即
Figure FDA0002793646990000022
时，此时电力系统线路停运概率一P1(LW)按式(3)计算：
Figure FDA0002793646990000023
式中，
Figure FDA0002793646990000024
为线路w正常潮流的最大值；
Figure FDA0002793646990000025
为小范围波动时多源负荷不确定性影响因子上限值；
多源负荷急剧变化时，即λw＞λmax，造成电力系统线路潮流超过极限值，即Lw＞Lmax，线路因为温度急剧升高造成线路熔断或者因为过载而导致保护装置动作切除线路，此时电力系统线路停运概率三P3(LW)为1，即：
P3(Lw)＝1 (4)
式中，Lmax为线路w潮流极限值；λmax为急剧变化时多源负荷不确定性影响因子下限值；
多源负荷波动超出正常范围时，即
Figure FDA0002793646990000026
使得线路运行在极限状态，线路可短时间极限运行，此时线路潮流位于
Figure FDA0002793646990000027
电力系统线路停运概率二P2(LW)按下式进行计算：
Figure FDA0002793646990000028
4.根据权利要求1所述的电力系统安稳风险优化方法，其特征在于：所述元件停运概率模型描述为：
Figure FDA0002793646990000031
式中，P(t)为t时刻元件停运概率；p(t)为t时刻元件正常老化故障概率；t为使用时间；T为元件已使用时间；λw为多源负荷不确定性影响因子，反应多源负荷水平变化；Δt为时间间隔，ε、χ为元件尺寸参数和元件类型参数，且ε＞0、χ＞0，按下式进行计算：
Figure FDA0002793646990000032
式中，μ、σ为威尔分布的均值和方差；Γ(x)为伽马函数。
5.根据权利要求1所述的电力系统安稳风险优化方法，其特征在于：在所述步骤2)中，选取系统中各节点电压越限和支路电流越限作为风险指标，其计算按下式：
Figure FDA0002793646990000033
式中，Risk为电力系统总运行风险值；i是系统中节点编号；N为系统中总节点数；j为系统中支路的编号；M为系统中总支路数；
Figure FDA0002793646990000034
分别为系统中节点i电压越限分布函数和支路j电流越限分布函数；Ui、Ij分别为系统中节点i的实际电压值和支路j的实际支路电流；SV(.)、SI(.)分别为系统中节点i电压越限程度和支路j电流越限程度；
Figure FDA0002793646990000035
分别为系统中节点i电压越限值和支路j电流越限值，按式(9)和式(10)进行计算：
Figure FDA0002793646990000041
Figure FDA0002793646990000042
式中，
Figure FDA0002793646990000043
为系统中节点i电压允许最小值和最大值；
Figure FDA0002793646990000044
为系统中支路j电流允许最大值。
6.根据权利要求5所述的电力系统安稳风险优化方法，其特征在于：节点电压越限程度或支路电流越限程度是指电力系统中某一节点i电压或支路j电流超出电压或电流允许范围的程度，当节点实际电压值或支路实际电流值离允许范围越远，电压越限程度或电流越限程度越严重，则用下式进行描述：
Figure FDA0002793646990000045
式中，
Figure FDA0002793646990000046
为节点i的电压越限程度；
Figure FDA0002793646990000047
为支路j的电流越限程度；ai、bi、ci分别为系统中节点i的电压越限程度函数参数一、电压越限程度函数参数二、电压越限程度函数参数三；Ai、Bi、Ci分别为系统中节点j的电流越限程度函数参数一、电流越限程度函数参数二、电流越限程度函数参数三。
7.根据权利要求5所述的电力系统安稳风险优化方法，其特征在于：
1)优化目标1f1的目标函数为：
Figure FDA0002793646990000051
式中，T1为电力系统运行风险优化的计算时段总数；
2)优化目标2f2主要是考虑多源负荷不确定因素影响下，电力系统发生元件故障停运，系统进行切负荷操作时多源负荷削减总量最小，其目标函数为：
Figure FDA0002793646990000052
式中，Li(S)为状态S下系统中节点i处多源负荷削减量；
3)优化目标3f3主要考虑多源负荷不确定因素影响下，电力系统元件故障停运而造成的经济性损失期望最小，目标函数为：
Figure FDA0002793646990000053
式中，C1为电网电价；C2为系统故障切负荷风险罚金；PLi(S)为状态S出现的概率；Th为系统故障切负荷时间；
约束条件包括：
1)总功率平衡约束
Figure FDA0002793646990000054
式中，Pw为第w个风电机组出力；
Figure FDA0002793646990000055
为第k个传统发电机组出力；PL为系统多源负荷量，K、W、N分别为系统中传统发电机组总数、风电机组总数和总节点数；
2)系统潮流约束
Figure FDA0002793646990000056
式中，PGi、QGi为系统中节点i注入的有功、无功功率；PLi、QLi分别表示系统中节点i负荷的有功和无功功率需求；节点n为与节点i相连的节点集合；Gin、Bin分别为节点i与节点n之间的电导和电纳，θin为系统中节点i与节点n之间功率相角差；Un为节点n电压；
系统中节点i电压约束为：
Figure FDA0002793646990000061
节点i与节点n之间连接支路两端的功率相角差约束为：
Figure FDA0002793646990000062
式中，
Figure FDA0002793646990000063
为系统中节点i与节点n之间功率相角差的最小值、最大值；
3)线路传输约束
Figure FDA0002793646990000064
4)负荷削减量约束
0≤Li(S)≤PLi (20)
(5)节点约束
Figure FDA0002793646990000065
式中，
Figure FDA0002793646990000066
分别为系统中节点k处发电机组有功出力的最小、最大值；
Figure FDA0002793646990000067
分别为节点k处发电机组无功出力的最小、最大值；Pw,min、Pw,max分别为节点w处风电机组出力的最小、最大值。
8.根据权利要求7所述的电力系统安稳风险优化方法，其特征在于：在对模型求解过程中，采用多目标差分进化算法对电力系统安稳安稳风险优化模型进行求解，建立的多目标优化模型可描述为式(22)，
Figure FDA0002793646990000071
式中，F(X)为优化目标，X为输入功率优化决策变量；hv(X)≤0为不等式约束，p为不等式约束总数；gw(X)＝0为等式约束，q为等式约束总数。
9.一种电力系统安稳风险优化系统，其特征在于，包括以下功能模块：
模型建立模块：建立电力系统元件停运概率模型，包括线路停运概率模型和元件停运概率模型；
风险评估模块：选取电力系统中各节点电压越限和支路电流越限作为风险指标，对电力系统运行风险进行评估；
多目标优化模块：建立目标函数，以电力系统运行风险最低、负荷削减总量最小和系统经济损失后果最小为目标，设定约束条件，对目标函数求解，实现对系统运行风险进行多目标优化。
10.一种电力系统安稳风险优化系统的存储介质，其特征在于，存储以下功能模块：
模型建立模块：建立电力系统元件停运概率模型，包括线路停运概率模型和元件停运概率模型；
风险评估模块：选取电力系统中各节点电压越限和支路电流越限作为风险指标，对电力系统运行风险进行评估；
多目标优化模块：建立目标函数，以电力系统运行风险最低、负荷削减总量最小和系统经济损失后果最小为目标，设定约束条件，对目标函数求解，实现对系统运行风险进行多目标优化。
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