CN112865083B - 一种含可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法。该方法基于电力系统运行的关键要素及可再生能源接入带来的影响，提出一套含高比例可再生能源的电力系统运行评价指标体系，包括备用容量充裕度、爬坡安全裕度、惯量中心频率偏差、断面潮流裕度、综合在线电压稳定度、功角稳定裕度6个指标。并对指标评价结果进行等级划分。在此基础上，将电网运行状态划分为3个等级，借助决策树方法及雷达图法对指标进行综合与展示。所提方法可以实时反映含高比例可再生能源的电网安全状态变化，准确捕捉电网异常，协助调度人员做出有效决策。

Description

一种含可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统的技术领域，更具体地，涉及一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法。

背景技术

电力系统运行安全问题是一个直接关系到经济发展和人民生产生活的重大问题。近年来，国内外历次大停电事故都造成了重大的经济损失，严重危及了社会的正常运转。因此，电力系统运行安全受到了广泛的关注。如何评估含高比例可再生能源的电力系统(通常可再生能源比例至少大于30％可以称为高比例)运行安全状态，并以此为依据协助运行调度人员及时掌握电网实时运行信息，尽早发现存在的隐患与异常，从而实现电网运行的可观、可控，是提高电网运行安全水平，保障可再生能源高比例接入的重要手段。

当前，关于电力系统评价指标体系的构建已有众多的研究，但主要都集中在传统电力系统的运行指标，大多没有考虑到可再生能源接入比例不断提高所带来的影响，无法较好地应用于含高比例可再生能源的电力系统。此外，指标体系涵盖内容繁多，调度员面对大量的数据往往难以把握，无法聚焦含高比例可再生能源电力系统运行的关键信息。

可见，现有关于含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评价方法还有待改进。

发明内容

本发明为克服上述现有技术的缺陷，提供一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，能够实时反映含高比例可再生能源的电网安全状态变化，准确捕捉电网异常，协助调度人员做出有效决策。

本发明采用以下的技术方案：

输入含高比例可再生能源电力系统实时运行数据，包含发电机运行参数、母线电压、频率、潮流等具体数据。

构建含高比例可再生能源的电力系统运行评价指标体系。根据电力系统运行的灵活性资源、频率、电压、潮流、功角等关键要素及可再生能源接入带来的影响，构建备用容量充裕度、爬坡安全裕度、惯量中心频率偏差、断面潮流裕度、综合在线电压稳定度、功角稳定裕度6个指标；

计算系统实时运行状态下的各指标值，将系统运行状态及指标值进行等级划分。根据电网实时运行状态特性，将电网运行状态划分为3个等级，并依据3个不同等级对各指标进行阈值划分；

运用决策树方法及雷达图法对各指标评价结果进行综合展示，得到含高比例可再生能源电力系统实时运行状态。

具体的，构建含高比例可再生能源的电力系统运行评价指标体系，其中，包括以下步骤：

指标体系构建的最终目标是建立一个以指标为元素的集合，也就是含高比例可再生能源的电力系统运行态势指标体系，用其来描述整个系统的运行状态与发展趋势。一方面，所选取的态势指标应该能够涵盖电力系统运行的主要因素，使最终的态势感知结果能够反映真实系统状况；另一方面，态势指标的数量越多，范围越宽，确定指标的优先顺序就越难，处理和计算建模的过程就越复杂，扭曲系统本质特性的可能性就越大。指标体系建立的准确程度和科学合理性会直接影响其评价质量，所构建的评价指标体系应准确、全面、有效地反映含高比例可再生能源的电力系统运行的各种因素。因此，可以凝练、提取出含高比例可再生能源的电力系统运行评价的备用容量充裕度、爬坡安全裕度、惯量中心频率偏差、断面潮流裕度、综合在线电压稳定度、功角稳定裕度6个指标。

①构建备用容量充裕度指标：

系统正负旋转备用容量可以表示为：

P_{u_i}＝P_{h_max}+P_{w_max}+P_{re_i}+P_{re_sr}+P_{ess_sr}-P_{load_i}+P_{DRu_sr}

P_{d_i}＝P_{load_i}-P_{re_i}-P_{h_min}+P_{DRd_sr}

式中：P_{u_i}和P_{d_i}为分别表示系统在i时刻的正旋转备用和负旋转备用；P_{h_max}为火电机组开机容量，P_{h_min}为火电机组最小技术出力，通常为火电机组开机容量的30％-50％；P_{w_max}为当前运行的水电机组额定容量；P_{re_i}为当前时刻可再生能源出力数值；P_{ess_sr}为当前时刻储能可提供的旋转备用容量；P_{re_sr}为日前调度的可再生能源备用容量；P_{load_i}为当前时刻负荷的数值；P_{DRu_sr}和P_{DRd_sr}分别表示系统需求侧可提供的正负旋转备用。因此，含高比例可再生能源电力系统旋转备用容量不足风险指标可以定义为：

I_RCA＝max{I_{RCA_u},I_{RCA_d}}

式中：I_{RCA_u}和I_{RCA_d}分别表示系统正旋转备用不足风险指标和负旋转备用不足风险指标；I_RCA为系统备用容量不足风险指标，为正旋转备用及负旋转备用容量不足风险指标数值中性能较差的值，以反映系统正负旋转备用中更严重的问题；P_{pl_max}为系统最大发电负荷；α为系统所需正旋转备用率，考虑到负荷备用率为2％-5％，事故备用率通常为10％，其中事故备用中至少一半为旋转备用，故此处α取10％；β为系统要求的负旋转备用率，由于当前并没有提出对负旋转备用率的严格规定，故结合可再生能源出力的不确定性及可再生能源出力与负荷的预测误差，取β为5％。已有部分研究提出通过一定的模型将可再生能源纳入备用，西北电网基于统计学特征将风光等可再生能源纳入备用，但仍处于理论阶段，尚未投入运行。由于当前可再生能源作为备用在实际电网运行中几乎没有考虑，故在此情况下可以假设P_{re_sr}为0，未来考虑将可再生能源纳入备用时可根据实际情况予以赋值。指标在0到1之间代表旋转备用容量充裕，大于1代表旋转备用容量不足，存在风险。

②构建爬坡安全裕度指标：

爬坡资源不足风险指标可定义为：

式中：P_net(t)为当前时刻净负荷，其为负荷与可再生能源出力之差，即P_net(t)＝P_load(t)-P_re(t)；P_net(t-1)为前一采样时刻净负荷，采样时间间隔为ΔT；∑R_{custom_u}为系统当前时刻可调节资源所能提供的上爬坡速率；∑R_{custom_d}为系统当前时刻可调节资源所能提供的下爬坡速率。该指标可通过净负荷波动速率与系统爬坡资源所能提供的爬坡速率的比值反映系统爬坡资源的充裕情况。I_RRA指标越小代表系统爬坡资源越充裕，I_RRA大于1代表爬坡资源不足，电力系统无法及时匹配净负荷波动。

③构建惯量中心频率偏差指标：

对含高比例可再生能源的电力系统实时运行状态下的系统频率进行分析与评估具有重要实际意义及工程价值，可以协助调度员准确快速地发现当前频率存在的问题，从而尽早做出必要的决策与调整。值得注意的是，从系统中任一点测得的频率并不一定能反映系统整体情况。故对能够反映系统整体频率水平的系统惯量中心频率加以研究，其可定义为：

式中：n_t为采样时间段内的采样次数；n_s为系统的同步发电机数目；f_i,j为同步发电机j在i时刻的频率,由同步发电机转速计算得到；H_j代表同步发电机j的惯量，

系统等效惯量中心的惯量。惯量中心频率偏差通过监测各个同步发电机组的速度反映给定系统的频率偏差情况。因此，惯量中心频率偏差指标可以定义为：

式中：f₀为系统额定频率；Δf_threshold为系统频率偏差限值，通常取0.2Hz。惯量中心频率偏差通过对系统各同步发电机频率的监测反映电力系统等效惯量中心的频率偏差大小。通过对该指标的监控，调度员可以了解频率偏离额定值的程度以及距离安全事故频率的远近，可以直观反映频率是否越限，亦可以根据频率偏差指标曲线了解系统频率变化的动态情况，分析当前调度的合理性。I_FDCOI的值越小表示电力系统惯量中心频率偏差越小，反之值越大表示系统惯量中心频率偏差越大。当I_FDCOI取值大于1时，表示电力系统频率偏差越限，需采取有效控制措施限制频率进一步的偏移，防止系统频率崩溃。

④构建断面潮流裕度指标：

输电断面一般是指系统不同分区间的输电走廊，即定义为系统中有功潮流方向一致的一组输电线路，如果断开断面中的所有线路，则整个系统将形成2个相互独立的连通系统；关键断面为电力系统需要重点监控的输电断面。在含高比例可再生能源的电力系统中，关键断面即为与可再生能源联系紧密、潮流重、安全裕度小、需要重点监控的断面。

断面潮流为组成断面的各个支路的潮流之和，其可以清晰地反映断面所连接的两地区之间的功率交换关系，可以表示为：

式中：j＝1,2,…,n_l，n_l表示断面i的线路数目；P_si表示断面i的潮流。关键断面的潮流情况是决定电力系统能否安全稳定运行的关键要素之一。通过对关键断面的识别以及对关键断面潮流进行实时在线监视、分析，可以协助调度员控制断面有功潮流，保证单支路实时满足热稳定限制并保证地区电压稳定及系统暂态稳定，最终保证整个电网的安全。针对系统中的关键断面，断面潮流越限风险指标可定义为：

式中：i＝1,2,…,n_d，n_d为关键断面个数；P_{si_lim}为断面传输功率限值；x_threshold为断面潮流指标门槛值。该指标考虑了木桶效应和异常个体效应，其中木桶效即在电网中存在不安全断面时，安全指标取其安全性最差的断面；异常个体效应即反映了电网中处于安全警戒水平的那些断面对指标的影响，即起到一个叠加放大作用，能更为直观地体现出潮流越限情况。I_IPFM在0到1之间表示系统断面潮流处于安全裕度内；大于1表示系统出现断面潮流越限的情况。

⑤构建综合在线电压稳定指标：

含高比例可再生能源电力系统实时运行电压指标可以通过构造综合在线电压稳定指标来表示，该指标综合考虑了电压稳定性与电压偏移问题。

首先，构造一个功能性函数，使得在电网节点本身电压即将越界时，该函数能迅速指向电压稳定性指标的失稳阈值1；而在节点本身电压处于正常范围内时，该函数值无限接近于0。因此，这里采用模拟阶跃特性的连续函数f(e_i)，即：

式中：e_i为需要监视阶跃变化的状态变量，本文取其为节点i的电压幅值；α_i、c为待定常数，通过设定不同数值来确定阶跃发生的区间范围。

上述连续函数具有如下特性：当e_i∈[-α_i,α_i]时，f(e_i)≈0；当e_i∈[-∞,-α_i)∪(α_i,∞]，且略偏离边界点时，f(e_i)快速上升，到达1。

进一步，改进函数f(e_i)，可得到反映节点i电压越限的函数f(U_i)：

式中：U_i和U₀为节点i当前时刻电压及额定电压的标幺值。其中，a的取值由电力系统电压质量规范所规定的电压允许偏差值确定，同时，考虑到函数f(e_i)的阶跃特性及实际运行的需求，a取值略小于最大允许偏差，以在电压即将越限时予以警示；通过调整b、c的取值，使函数f(U_i)满足阶跃特性。a、b、c的具体数值由实际需求所决定。

考虑电压越限后，进一步考虑电压稳定性。结合计及有功和无功要素的支路电压稳定指标，改进后即：

式中：U_i和U_j为支路两端节点电压标幺值；δ_ij为节点i和j的相角差。f(r_i)小于1，则不发生电压崩溃，等于1则达到电压崩溃的临界点。在实际应用时，可将稳定上限阈值设为略小于1的值k，以保留一定的稳定裕度，协助自动电压无功控制系统预防电压失稳。

因此，综合考虑电压稳定与越限的节点综合在线电压失稳风险指标I_{SVS_x}为：

I_{SVS_x}＝f(r_x)/k+max{f(U_i),f(U_j)}

当线路两端节点电压幅值处于正常范围内时，max{f(U_i),f(U_j)}函数趋近于0，此时指标值主要受f(r_x)/k影响，能反映系统的电压稳定性状况；当线路两端存在节点电压接近越限时，max{f(U_i),f(U_j)}函数跃升为1，能较好地反映出电压偏移严重的问题。此时f(r_x)指标变化趋势不明显，指标的值主要受max{f(U_i),f(U_j)}函数值影响。

上述I_{SVS_x}指标为支路x的综合电压失稳风险指标，系统综合在线电压稳定情况则需要考虑所以支路的状况。为此，系统的综合在线电压失稳风险指标I_SVS为各支路综合电压失稳风险指标的最大值，即：

式中：S代表系统支路的集合。I_SVS在0-1之间表示系统电压稳定且不越限，大于1则表示系统电压处于异常状态。

⑥构建功角稳定裕度指标：

已有研究表明，随着可再生能源接入比例的增大，系统的功角稳定性逐渐改善，到达一定程度后，稳定性不再改善，反而出现恶化趋势。因此，对含高比例可再生能源的电力系统的实时功角进行监测很有必要。本文通过衡量系统中各同步发电机功角与COI等效功角之间的相对摇摆角，判断系统的功角稳定情况及稳定裕度。COI等效功角可表示为：

式中：δ_COI代表系统惯量中心等值功角，δ_i代表同步发电机i的功角。最大摇摆角定义为一段时间内系统同步发电机组间功角差的最大摇摆幅度。因此，系统最大摇摆角可以表示为：

式中：Δδ_i ^T代表同步发电机组i和惯量中心COI在时段T内最大相对摇摆角。根据工程实践经验，当系统相对最大摇摆角大于180°时系统功角失稳。因此，系统功角稳定裕度指标可以定义为：

式中：i＝1,2,…,n_s，180°代表系统相对摇摆角限值。该指标通过监测系统最大相对摇摆角和允许限值的比值反映系统功角稳定裕度。I_ASM越小，则系统功角稳定性越好，反之值越大表示系统功角稳定性越差。当I_ASM大于1时，系统发生功角失稳。

进一步的，系统运行状态及指标等级划分，包括：

含高比例可再生能源的电力系统实时运行状态可以简单划分为异常、警戒和安全3种状态。异常状态表明系统中各要素出现严重问题。异常状态下，调度员需要找出问题，以避免故障的蔓延或大规模故障的出现甚至系统解列。警戒状态介于安全与异常状态之间，表明系统存在一定的故障风险，若不及时进行优化调度，极有可能演化成为异常状态。因此，调度员需要找出警戒原因，并进行合理的优化调度以使系统维持在稳定运行状态。不考虑恢复状态，则可将含高比例可再生能源的电力系统运行状态划分为安全状态、警戒状态和异常状态。

对应电力系统的安全、警戒、异常这3个运行状态可以将上述6个指标值进行区间划分。其中各个指标的警戒门槛值由调度员根据历史运行评价情况、电网相关规定及实际评价对象的特征给定，使其能充分反映电网运行状态的警戒水平，具体的可以根据标准算例系统的仿真经验及电网调度相关规定选取。

为了形象地表征电力系统及其各个要素的不同运行状态，可以采用红、黄、绿颜色分类的方法向调度控制人员直观地展现当前状况。

进一步的，运用决策树方法及雷达图法对指标体系评价结果进行综合与展示，包括：

综合评估通常通过确定指标权重实现。指标权重值反映了不同指标在上一层级指标计算中所占百分比，刻画了各个指标间的相对重要程度。指标权重结果直接影响综合评价结果并关系到综合指标结果的可信程度。常用指标权重的确定方法有层次分析法、熵权法、主成分分析法等。通过指标权重的确定方法，可得到指标的综合评估结果，通过合理的划分，将评估结果与电力系统运行状态对应，可以明确每个时刻电力系统的情况。除通过确定权重的方法外，综合评估亦可通过考察各个指标结果相对于电力系统实时运行状态的关系实现。

考虑到前文所述6个指标相对电力系统运行状态的并列关系，任意一个指标发生越限，就会导致电力系统处于异常状态，若持续时间过长，会导致严重的系统故障甚至解列。此外，任意一个指标处于警戒状态，电力系统就有可能演化为异常运行状态，则电力系统也处于警戒状态。只有当所有指标都在安全范围内时，电力系统才处于安全运行状态。对电力系统实时运行状态而言，各个评价指标的结果之间是逻辑“与”的关系。

因此，由各个评价指标之间的关系，采用决策树方法，根据指标评价结果对含高比例可再生能源电力系统运行状态进行判断。高比例可再生能源电力系统的运行状态决策树以备用容量不足风险为根节点，按指标体系中的次序逐一根据各指标值进行判断，直到能够确定系统运行状态为止。建立电力系统运行状态决策树后，利用监测计算得到的各指标信息可以明确判断出电力系统所处的运行状态，从而直观地为调度人员提供辅助，以迅速制定、采取不同的应对措施，保障电力系统的安全运行。

考虑到上面所述决策树输出为含高比例可再生能源的电力系统运行状态评价整体结果，调度控制人员无法从中得出各个关键指标的具体情况，无法感知各个指标相对临界值的裕度。因此，可同时采用高比例可再生能源电力系统运行状态雷达图，通过各个指标在同一幅图中的显示，直观地获知当前电力系统的运行状态和各类指标的所属区间及裕度，并为调度控制人员迅速判断高比例可再生能源电力系统运行状态提供依据。

根据各个指标的状态划分，同样将电力系统的三个运行状态划分为绿色、黄色、红色三个区间。当且仅当所有指标值均在绿色区域内时，系统才处于安全状态；若存在指标越过绿色区域，但不存在指标越过黄色区域时，系统处于警戒状态；存在指标越过黄色区域时，系统处于异常状态。调控人员可以从雷达图中直观地察看各个指标的裕度，尽早做出调整，以避免发生更加严峻的事故。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的评估方法，充分考虑了高比例可再生能源接入对电力系统实时运行状态带来的影响，以实时反映含高比例可再生能源的电网安全状态变化，准确捕捉电网异常，以协助调度人员做出有效决策。

附图说明

图1是本发明整体流程示意图。

图2是本发明中涉及函数f(e_i)特性曲线。

图3是本发明电力系统运行状态区间划分示意图。

图4是本发明含高比例可再生能源电力系统运行状态决策树；

图5是本发明含高比例可再生能源电力系统运行状态雷达图；

图6是本发明使用的NETS-NYPS16机68节点系统接线图；

图7是本发明使用的CEPRI_RE算例系统结构示意图；

图8是本发明基于评价指标的电力系统运行评价指标变化曲线；

图9是本发明基于评价指标的电力系统运行评价指标变化曲线故障点附近结果；

图10是本发明基于评价指标的典型工况运行状态雷达图a)2018/3/31 12:00；b)2018/3/31 21:00；c)2018/4/4 6:00；d)2018/4/4 14:30。

具体实施方式

为了更好地理解本发明的目的、技术方案以及技术效果，以下结合附图对本发明进行进一步的讲解说明。

本发明提出了一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评价方法，其实施流程包括如下详细步骤：

步骤1、输入含高比例可再生能源电力系统实时运行数据，包含发电机运行参数、母线电压、频率、潮流等具体数据。

步骤2、计算电力系统在各评价指标上的指标值，具体指标包括：

①备用容量充裕度指标：

系统正负旋转备用容量可以表示为：

P_{u_i}＝P_{h_max}+P_{w_max}+P_{re_i}+P_{re_sr}+P_{ess_sr}-P_{load_i}+P_{DRu_sr}

P_{d_i}＝P_{load_i}-P_{re_i}-P_{h_min}+P_{DRd_sr}

式中：P_{u_i}和P_{d_i}为分别表示系统在i时刻的正旋转备用和负旋转备用；P_{h_max}为火电机组开机容量，P_{h_min}为火电机组最小技术出力，通常为火电机组开机容量的30％-50％；P_{w_max}为当前运行的水电机组额定容量；P_{re_i}为当前时刻可再生能源出力数值；P_{ess_sr}为当前时刻储能可提供的旋转备用容量；P_{re_sr}为日前调度的可再生能源备用容量；P_{load_i}为当前时刻负荷的数值；P_{DRu_sr}和P_{DRd_sr}分别表示系统需求侧可提供的正负旋转备用。因此，含高比例可再生能源电力系统旋转备用容量不足风险指标可以定义为：

I_RCA＝max{I_{RCA_u},I_{RCA_d}}

式中：I_{RCA_u}和I_{RCA_d}分别表示系统正旋转备用不足风险指标和负旋转备用不足风险指标；I_RCA为系统备用容量不足风险指标，为正旋转备用及负旋转备用容量不足风险指标数值中性能较差的值，以反映系统正负旋转备用中更严重的问题；P_{pl_max}为系统最大发电负荷；α为系统所需正旋转备用率，考虑到负荷备用率为2％-5％，事故备用率通常为10％，其中事故备用中至少一半为旋转备用，故此处α取10％；β为系统要求的负旋转备用率，由于当前并没有提出对负旋转备用率的严格规定，故结合可再生能源出力的不确定性及可再生能源出力与负荷的预测误差，取β为5％。指标在0到1之间代表旋转备用容量充裕，大于1代表旋转备用容量不足，存在风险。

②爬坡安全裕度指标：

爬坡资源不足风险指标可定义为：

式中：P_net(t)为当前时刻净负荷，其为负荷与可再生能源出力之差，即P_net(t)＝P_load(t)-P_re(t)；P_net(t-1)为前一采样时刻净负荷，采样时间间隔为ΔT；∑R_{custom_u}为系统当前时刻可调节资源所能提供的上爬坡速率；∑R_{custom_d}为系统当前时刻可调节资源所能提供的下爬坡速率。该指标可通过净负荷波动速率与系统爬坡资源所能提供的爬坡速率的比值反映系统爬坡资源的充裕情况。I_RRA指标越小代表系统爬坡资源越充裕，I_RRA大于1代表爬坡资源不足，电力系统无法及时匹配净负荷波动。

③惯量中心频率偏差指标：

系统惯量中心频率定义为：

式中：n_t为采样时间段内的采样次数；n_s为系统的同步发电机数目；f_i,j为同步发电机j在i时刻的频率,由同步发电机转速计算得到；H_j代表同步发电机j的惯量，

系统等效惯量中心的惯量。惯量中心频率偏差通过监测各个同步发电机组的速度反映给定系统的频率偏差情况。因此，惯量中心频率偏差指标可以定义为：

式中：f₀为系统额定频率；Δf_threshold为系统频率偏差限值，通常取0.2Hz。惯量中心频率偏差通过对系统各同步发电机频率的监测反映电力系统等效惯量中心的频率偏差大小。I_FDCOI的值越小表示电力系统惯量中心频率偏差越小，反之值越大表示系统惯量中心频率偏差越大。当I_FDCOI取值大于1时，表示电力系统频率偏差越限，需采取有效控制措施限制频率进一步的偏移，防止系统频率崩溃。

④断面潮流裕度指标：

断面潮流为组成断面的各个支路的潮流之和，其可以清晰地反映断面所连接的两地区之间的功率交换关系，可以表示为：

式中：j＝1,2,…,n_l，n_l表示断面i的线路数目；P_si表示断面i的潮流。

针对系统中的关键断面，断面潮流越限风险指标可定义为：

式中：i＝1,2,…,n_d，n_d为关键断面个数；P_{si_lim}为断面传输功率限值；x_threshold为断面潮流指标门槛值。该指标考虑了木桶效应和异常个体效应，其中木桶效即在电网中存在不安全断面时，安全指标取其安全性最差的断面；异常个体效应即反映了电网中处于安全警戒水平的那些断面对指标的影响，即起到一个叠加放大作用，能更为直观地体现出潮流越限情况。I_IPFM在0到1之间表示系统断面潮流处于安全裕度内；大于1表示系统出现断面潮流越限的情况。

⑤综合在线电压稳定指标：

含高比例可再生能源电力系统实时运行电压指标可以通过构造综合在线电压稳定指标来表示，该指标综合考虑了电压稳定性与电压偏移问题。

首先，构造一个功能性函数，使得在电网节点本身电压即将越界时，该函数能迅速指向电压稳定性指标的失稳阈值1；而在节点本身电压处于正常范围内时，该函数值无限接近于0。因此，这里采用模拟阶跃特性的连续函数f(e_i)，即：

式中：e_i为需要监视阶跃变化的状态变量，本文取其为节点i的电压幅值；α_i、c为待定常数，通过设定不同数值来确定阶跃发生的区间范围。

上述连续函数具有如下特性：当e_i∈[-α_i,α_i]时，f(e_i)≈0；当e_i∈[-∞,-α_i)∪(α_i,∞]，且略偏离边界点时，f(e_i)快速上升，到达1。

进一步，改进函数f(e_i)，可得到反映节点i电压越限的函数f(U_i)：

式中：U_i和U₀为节点i当前时刻电压及额定电压的标幺值。其中，a的取值由电力系统电压质量规范所规定的电压允许偏差值确定，同时，考虑到函数f(e_i)的阶跃特性及实际运行的需求，a取值略小于最大允许偏差，以在电压即将越限时予以警示；通过调整b、c的取值，使函数f(U_i)满足阶跃特性。a、b、c的具体数值由实际需求所决定。

考虑电压越限后，进一步考虑电压稳定性。结合计及有功和无功要素的支路电压稳定指标，改进后即：

式中：U_i和U_j为支路两端节点电压标幺值；δ_ij为节点i和j的相角差。f(r_i)小于1，则不发生电压崩溃，等于1则达到电压崩溃的临界点。在实际应用时，可将稳定上限阈值设为略小于1的值k，以保留一定的稳定裕度，协助自动电压无功控制系统预防电压失稳。

因此，综合考虑电压稳定与越限的节点综合在线电压失稳风险指标I_{SVS_x}为：

I_{SVS_x}＝f(r_x)/k+max{f(U_i),f(U_j)}

当线路两端节点电压幅值处于正常范围内时，max{f(U_i),f(U_j)}函数趋近于0，此时指标值主要受f(r_x)/k影响，能反映系统的电压稳定性状况；当线路两端存在节点电压接近越限时，max{f(U_i),f(U_j)}函数跃升为1，能较好地反映出电压偏移严重的问题。此时f(r_x)指标变化趋势不明显，指标的值主要受max{f(U_i),f(U_j)}函数值影响。其中，max{f(U_i),f(U_j)}参数a、b、c的设置由表1给出。

表1不同电压限制下的a、b和c的参数配置

表1中，a的取值略小于电压质量规范规定的电压允许偏差值，以及时体现电压偏移即将越限的情况；通过调整b、c的取值，使函数f(U_i)满足图2所示函数的阶跃特性。

上述I_{SVS_x}指标为支路x的综合电压失稳风险指标，系统综合在线电压稳定情况则需要考虑所以支路的状况。为此，系统的综合在线电压失稳风险指标I_SVS为各支路综合电压失稳风险指标的最大值，即：

式中：S代表系统支路的集合。I_SVS在0-1之间表示系统电压稳定且不越限，大于1则表示系统电压处于异常状态。

⑥功角稳定裕度指标：

通过衡量系统中各同步发电机功角与COI等效功角之间的相对摇摆角，判断系统的功角稳定情况及稳定裕度。COI等效功角可表示为：

式中：δ_COI代表系统惯量中心等值功角，δ_i代表同步发电机i的功角。最大摇摆角定义为一段时间内系统同步发电机组间功角差的最大摇摆幅度。因此，系统最大摇摆角可以表示为：

式中：Δδ_i ^T代表同步发电机组i和惯量中心COI在时段T内最大相对摇摆角。根据工程实践经验，当系统相对最大摇摆角大于180°时系统功角失稳。因此，系统功角稳定裕度指标可以定义为：

式中：i＝1,2,…,n_s，180°代表系统相对摇摆角限值。该指标通过监测系统最大相对摇摆角和允许限值的比值反映系统功角稳定裕度。I_ASM越小，则系统功角稳定性越好，反之值越大表示系统功角稳定性越差。当I_ASM大于1时，系统发生功角失稳。

步骤3、将系统运行状态及指标值进行等级划分。

根据电网实时运行状态特性，将电网运行状态划分为3个等级，并依据3个不同等级对各指标进行阈值划分。

含高比例可再生能源的电力系统实时运行状态可以简单划分为异常、警戒和安全3种状态。异常状态表明系统中各要素出现严重问题。异常状态下，调度员需要找出问题，以避免故障的蔓延或大规模故障的出现甚至系统解列。警戒状态介于安全与异常状态之间，表明系统存在一定的故障风险，若不及时进行优化调度，极有可能演化成为异常状态。因此，调度员需要找出警戒原因，并进行合理的优化调度以使系统维持在稳定运行状态。不考虑恢复状态，则可将含高比例可再生能源的电力系统运行状态划分为安全状态、警戒状态和异常状态。

对应电力系统的安全、警戒、异常这3个运行状态可以将上述6个指标值进行区间划分，如表2所示。其中各个指标的警戒门槛值由调度员根据历史运行评价情况、电网相关规定及实际评价对象的特征给定，使其能充分反映电网运行状态的警戒水平。这里则根据标准算例系统的仿真经验及电网调度相关规定选取，其按照表2进行划分。

表2电力系统运行各指标区间划分

为了形象地表征电力系统及其各个要素的不同运行状态，可以采用图3所示颜色分类的方法向调度控制人员直观地展现当前状况。

步骤4、运用决策树方法及雷达图法对指标体系评价结果进行综合与展示，得到含高比例可再生能源电力系统实时运行状态。

考虑到前文所述6个指标相对电力系统运行状态的并列关系，任意一个指标发生越限，就会导致电力系统处于异常状态，若持续时间过长，会导致严重的系统故障甚至解列。此外，任意一个指标处于警戒状态，电力系统就有可能演化为异常运行状态，则电力系统也处于警戒状态。只有当所有指标都在安全范围内时，电力系统才处于安全运行状态。对电力系统实时运行状态而言，各个评价指标的结果之间是逻辑“与”的关系。

因此，由各个评价指标之间的关系，采用如图4所示决策树的方法，根据指标评价结果对含高比例可再生能源电力系统运行状态进行判断。高比例可再生能源电力系统的运行状态决策树以备用容量不足风险为根节点，按指标体系中的次序逐一根据各指标值进行判断，直到能够确定系统运行状态为止。建立电力系统运行状态决策树后，利用监测计算得到的各指标信息可以明确判断出电力系统所处的运行状态，从而直观地为调度人员提供辅助，以迅速制定、采取不同的应对措施，保障电力系统的安全运行。

考虑到上面所述决策树输出为含高比例可再生能源的电力系统运行状态评价整体结果，调度控制人员无法从中得出各个关键指标的具体情况，无法感知各个指标相对临界值的裕度。因此，可同时采用如图5所示高比例可再生能源电力系统运行状态雷达图，通过各个指标在同一幅图中的显示，直观地获知当前电力系统的运行状态和各类指标的所属区间及裕度，并为调度控制人员迅速判断高比例可再生能源电力系统运行状态提供依据。

根据各个指标的状态划分，同样将电力系统的三个运行状态划分为绿色、黄色、红色三个区间。当且仅当所有指标值均在绿色区域内时，系统才处于安全状态；若存在指标越过绿色区域，但不存在指标越过黄色区域时，系统处于警戒状态；存在指标越过黄色区域时，系统处于异常状态。调控人员可以从雷达图中直观地察看各个指标的裕度，尽早做出调整，以避免发生更加严峻的事故。

为了进一步理解本发明，以下以NETS-NYPS 16机68节点算例系统及CEPRI_RE标准算例系统的送端部分为例，来解释本发明的实际应用。

NETS-NYPS 16机68节点算例系统是简化后的纽约互联电力系统和新英格兰电力系统，其单线图如图6所示。基准功率为100MW，基准频率为60Hz，母线65为平衡节点，电压为1.0pu且最大承受电压为1.10pu，最小为0.9pu。

在节点53、54、55、56、57、62、63、64、66处接入双馈感应风力发电机，额定功率分别为600MW、600MW、400MW、800MW、700MW、650MW、1200MW、1500MW、1950MW。风速模型均采用威布尔分布模型。

对基础工况进行配置，假设节点23在600s时发生瞬时性三相接地短路故障，0.16s后故障消失，采用时域仿真输出1500s仿真结果，仿真采样步长为0.10s。将仿真结果代入实时运行评价指标体系，输出各指标评价结果如图7所示，输出窗口每隔1s刷新一次。

从图7中各指标变化曲线可以看出，在该运行工况下，发生故障前的600s内各指标评价结果均在故障阈值1以内且均在预警门槛值之下，表明系统当前运行状态正常，综合评价结果呈“绿色”。但是结合表2可得综合在线电压稳定度指标及备用容量充裕度指标非常接近预警门槛值。即调度员需要进一步关注相关指标后续的运行情况，以尽早防范预警事件或异常事件的发生。此外，从图中可以观察到0～600s内断面潮流裕度指标及爬坡安全裕度指标曲线波动幅度较大、波动较为频繁。该问题与9台双馈感应风力发电机的接入密切相关。算例系统采用的风速模型为威布尔分布模型，因此风电机组出力在仿真中存在较大的波动，进而影响了爬坡安全裕度指标的结果。尽管如此，总体情况仍处于安全范围内，且距离预警门槛值较远，调度员无需对其进行任何处理。此外，该系统关键潮流断面NYPS-NETS由1-2、1-27、9-8三条输电线路构成，三条输电线路附近接有多台风力发电机，故交流断面潮流波动程度较高，指标波动较为频繁。

在600s时于23节点处施加了瞬时性三相接地短路故障，0.16s后故障清除。可以从图8中明显观察到5个指标数值的跃升。将故障发生时间范围内的指标评价曲线放大，如图8所示。其中，综合在线电压稳定度指标、爬坡安全裕度指标及备用容量充裕度指标显著超出了故障阈值1，表明系统当前发生了明显的故障，电压严重失稳，可再生能源机组出力波动及负荷波动异常，这与发生三相短路后节点23处所接负荷及与23节点直接相连的发电机节点59的动态变化密切相关。除此之外，惯量中心频率偏差指标及断面潮流裕度指标在故障区间也发生了明显的跃升，表明系统频率及关键断面潮流亦受到了短路故障的严重影响。随着故障的清除，各指标曲线波动程度逐渐降低，趋于故障前的稳定状态。该算例结果清晰地反映了含高比例可再生能源的电力系统实时运行中各个关键要素的实际情况，动态地呈现了系统当前的状态，能够及时有效地反映系统当前存在的问题，协助调度人员发现潜在问题、排除存在的故障。

本节采用课题基于DigSILENT PowerFactory搭建的CEPRI_RE高比例可再生能源标准算例系统的送端部分作为研究对象。该系统简化结构图如图9所示。系统基准功率为100MW，基准频率为50Hz。结合2018年该系统实际运行数据，根据可再生能源出力情况及弃风弃光水平，生成正午、夜间、凌晨、下午4个典型工况，根据系统潮流信息及时域仿真信息，得到4个典型基础工况的运行评价指标结果如表3所示。

表3典型工况运行指标评价结果

对应四个运行工况的评价结果，其电力系统运行状态雷达图如图10所示。图10详细地展现了正午、夜间、凌晨、下午4个典型基础运行工况断面下的送端系统运行状态。当系统存在预警指标时，雷达图呈现黄色；当系统各指标均处于安全范围内时，雷达图呈现绿色；当系统存在异常指标时，雷达图呈现红色。故图10的a)、c)、d)3个工况下，综合评价结果呈绿色，送端系统运行正常。但是值得注意的是，这3个工况下的备用容量充裕度指标数值较大，接近预警门槛值。考察具体指标评价结果及系统运行参数，出现该问题的原因为系统火电机组出力接近最小技术出力值，导致系统负备用容量相对较低。该现象与可再生能源出力密切相关，根据2018年该系统实际运行数据可以发现，a)、d)两个断面时刻下光伏大发，c)时刻风电大发。a)、c)、d)3个时刻可再生能源出力显著高于夜间b)时刻下光伏为0，风电出力平缓的场景，为一天中可再生能源出力的高峰时期。为了降低弃风弃光率，提高新能源利用程度，调度在运行中削减了火电机组的出力，使得指标值显著升高，接近于预警门槛值。尽管如此，系统仍处于安全范围内，调度人员仅需对相关备用问题加以一定的关注，综合下一时段的运行结果及未来可再生能源出力预测结果进行考量。

在b)工况下，系统处于警戒状态，结合指标评价结果可知当前时刻交流断面潮流裕度超越了警戒门槛值，接近越限阈值，处于警戒水平。调度人员需及时关注关键交流输电断面动态情况，以防止未来出现潮流越限事故，危及电网安全。

综上，本发明方法评估含高比例可再生能源电力系统实时运行状态有效，且考虑比较全面。采用雷达图法对评价结果进行展示，还能形象直观地反映各时间断面下系统的运行特点。

Claims (9)

1.一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定含高比例可再生能源电力系统实时运行数据，包含发电机运行参数、母线电压、频率、潮流数据；

根据电力系统运行的灵活性资源、频率、电压、潮流、功角的关键要素及可再生能源接入带来的影响，构建备用容量充裕度、爬坡安全裕度、惯量中心频率偏差、断面潮流裕度、综合在线电压稳定度、功角稳定裕度6个指标；

计算系统实时运行状态下的各指标值，根据电网实时运行状态特性，对各指标进行阈值划分，从而分为安全、警戒、异常三个等级；只有当6个指标均处于安全等级则电网运行状态才为安全等级，只要有一个指标为异常等级，则电网运行状态为异常等级；

运用决策树方法及雷达图法对各指标结果进行综合展示；

所述的6个指标中综合在线电压稳定度指标具体为：

综合考虑电压稳定性与电压偏移问题构建综合在线电压稳定度指标，

首先采用模拟阶跃特性的连续函数f(e_i)，即：

式中：e_i为需要监视阶跃变化的状态变量，取其为节点i的电压幅值；α_i、c为待定常数，通过设定不同数值来确定阶跃发生的区间范围，且满足：当e_i∈[-α_i,α_i]时，f(e_i)≈0；当e_i∈[-∞,-α_i)∪(α_i,∞]，且偏离边界点时，f(e_i)快速上升，到达1；

改进函数f(e_i)，得到反映节点i电压越限的函数f(U_i)：

式中：U_i和U₀为节点i当前时刻电压及额定电压的标幺值，其中，a的取值由电力系统电压质量规范所规定的电压允许偏差值确定，同时，考虑到函数f(e_i)的阶跃特性及实际运行的需求，a取值应小于最大允许偏差，以在电压即将越限时予以警示；通过调整b、c的取值，使函数f(U_i)满足阶跃特性；

结合计及有功和无功要素的支路电压稳定性，得到反映节点i电压稳定性的函数：

式中：U_i和U_j为支路两端节点i和j电压标幺值；δ_ij为节点i和j的相角差，f(r_i)小于1，则不发生电压崩溃，等于1则达到电压崩溃的临界点；

因此，综合考虑电压稳定与越限的支路x的节点综合在线电压失稳风险指标I_{SVS_x}为：

I_{SVS_x}＝f(r_x)/k+max{f(U_i),f(U_j)}

k为节点电压的稳定上限阈值；

系统的综合在线电压失稳风险指标I_SVS为各支路综合电压失稳风险指标的最大值，即：

式中：S代表系统支路的集合，I_SVS在0-1之间表示系统电压稳定且不越限，大于1则表示系统电压处于异常状态。

2.根据权利要求1所述的一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，其特征在于：所述的6个指标中备用容量充裕度指标具体如下：

备用容量充裕度指标即含高比例可再生能源电力系统旋转备用容量不足风险指标，为：

I_RCA＝max{I_{RCA_u},I_{RCA_d}}

式中：I_{RCA_u}和I_{RCA_d}分别表示系统正旋转备用不足风险指标和负旋转备用不足风险指标；I_RCA为系统备用容量不足风险指标，为正旋转备用及负旋转备用容量不足风险指标数值中性能较差的值，以反映系统正负旋转备用中更严重的问题；P_{pl_max}为系统最大发电负荷；α为系统所需正旋转备用率；β为系统要求的负旋转备用率，P_{u_i}和P_{d_i}分别表示系统在i时刻的正旋转备用和负旋转备用；

所述系统备用容量不足风险指标I_RCA在0到1之间代表旋转备用容量充裕，大于1代表旋转备用容量不足，存在风险。

3.根据权利要求1所述的一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，其特征在于：所述的6个指标中爬坡安全裕度指标具体为：

爬坡安全裕度指标即爬坡资源不足风险指标，为：

式中：P_net(t)为当前时刻净负荷，其为负荷P_load(t)与可再生能源出力P_re(t)之差，即P_net(t)＝P_load(t)-P_re(t)；P_net(t-1)为前一采样时刻净负荷，采样时间间隔为ΔT；∑R_{custom_u}为系统当前时刻可调节资源所能提供的上爬坡速率；∑R_{custom_d}为系统当前时刻可调节资源所能提供的下爬坡速率；

爬坡资源不足风险指标I_RRA越小代表系统爬坡资源越充裕，I_RRA大于1代表爬坡资源不足，电力系统无法及时匹配净负荷波动。

4.根据权利要求1所述的一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，其特征在于：所述的6个指标中惯量中心频率偏差指标具体为：

式中：f₀为系统额定频率；Δf_threshold为系统频率偏差限值，f_COI为系统惯量中心频率；

式中：n_t为采样时间段内的采样次数；n_s为系统的同步发电机数目；f_i,j为同步发电机j在i时刻的频率,由同步发电机转速计算得到；H_j代表同步发电机j的惯量，

系统等效惯量中心的惯量；

惯量中心频率偏差指标I_FDCOI的值越小表示电力系统惯量中心频率偏差越小，反之值越大表示系统惯量中心频率偏差越大，当I_FDCOI取值大于1时，表示电力系统频率偏差越限，需采取有效控制措施限制频率进一步的偏移，防止系统频率崩溃。

5.根据权利要求1所述的一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，其特征在于：所述的6个指标中断面潮流裕度指标具体为：

断面潮流裕度指标即断面潮流越限风险指标，为：

式中：i＝1,2,…,n_d，n_d为关键断面个数；P_{si_lim}为断面传输功率限值；x_threshold为断面潮流指标门槛值，P_si表示断面i的潮流：

式中：j＝1,2,…,n_l，n_l表示断面i的线路数目；P_si,j表示断面i的第j支路的潮流：

断面潮流越限风险指标I_IPFM在0到1之间表示系统断面潮流处于安全裕度内；大于1表示系统出现断面潮流越限的情况。

6.根据权利要求1所述的一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，其特征在于：所述的6个指标中功角稳定裕度指标具体为：

通过衡量系统中各同步发电机功角与COI等效功角之间的相对摇摆角，判断系统的功角稳定情况及稳定裕度，COI等效功角表示为：

式中：δ_COI代表系统惯量中心等值功角，δ_i代表同步发电机i的功角，一段时间内系统同步发电机组间功角差的最大摇摆幅度即系统最大摇摆角，表示为：

式中：Δδ_i ^T代表同步发电机组i和惯量中心COI在时段T内最大相对摇摆角，表示时段内系统同步发电机组间功角差的最大摇摆幅度；系统功角稳定裕度指标为：

式中：i＝1,2,…,n_s，180°代表系统相对摇摆角限值，指标I_ASM越小，则系统功角稳定性越好，反之值越大表示系统功角稳定性越差，当I_ASM大于1时，系统发生功角失稳。

7.根据权利要求1所述的一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，其特征在于：各指标的警戒阈值根据经验设置，从而将各指标进行区间划分为安全、警戒、异常状态。

8.根据权利要求1所述的一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，其特征在于：运用决策树方法及雷达图法对各指标结果进行综合展示，包括：

采用决策树的方法，根据指标评价结果对含高比例可再生能源电力系统运行状态进行判断，高比例可再生能源电力系统的运行状态决策树以备用容量不足风险为根节点，按指标体系中的次序逐一根据各指标值进行判断，直到能够确定系统运行状态为止，建立电力系统运行状态决策树后，利用监测计算得到的各指标信息明确判断出电力系统所处的运行状态，并同时将各个指标在同一幅雷达图中进行显示，直观地获知当前电力系统的运行状态和各类指标的所属区间及裕度。

9.根据权利要求8所述的一种含高比例可再生能源电力系统的实时运行状态评估方法，其特征在于：

根据各个指标的状态划分，将电力系统的安全、警戒、异常三个运行状态划分为绿色、黄色、红色三个区间，当且仅当所有指标值均在绿色区域内时，系统才处于安全状态；若存在指标越过绿色区域，但不存在指标越过黄色区域时，系统处于警戒状态；存在指标越过黄色区域时，系统处于异常状态。

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