CN114169655A

CN114169655A - 一种电网运行状态综合评价方法

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Publication number: CN114169655A
Application number: CN202010950612.2A
Authority: CN
Inventors: 胡可为; 李育发; 周玉光; 蒋宪军; 杨松; 孙宁
Original assignee: State Grid Jilin Electric Power Corp
Current assignee: State Grid Jilin Electric Power Corp
Priority date: 2020-09-11
Filing date: 2020-09-11
Publication date: 2022-03-11

Abstract

本发明针对智能电网调度技术支持系统(D5000)提供了大量的实时运行数据和在线分析结果，但缺乏一套有效的电网实时运行状态的评价指标体系和方法的问题，提出一种电网运行状态综合评价方法。首先，以D5000系统提供的运行数据和在线分析结果为基础，构建一套包含安全、经济、优质与清洁4个方面的多层综合指标体系。然后，采用模糊综合评判法与重心法相组合的算法计算各项指标值，分别从主、客观2个角度结合层次分析法和反熵权法计算指标权重。最后，将各指标值加权合成即为最终评价结果，构成一套完整的综合评价方法。

Description

一种电网运行状态综合评价方法

技术领域

本发明涉及智能电网调度技术支持系统(D5000)，是一套以D5000系统提供的运行数据和在线分析结果为基础的电网运行状态综合评价方法。

背景技术

智能电网的建设与发展使互联电网的调度运行面临新挑战，而智能电网调度技术支持系统(D5000)提供了大量的实时运行数据和在线分析结果，为运行人员准确评估电网实时运行状态带来了极大便利。对电网运行状态进行全面准确评价是运行人员驾驭电网的基本要求，因此，研究开发一种针对电网实时运行状态的综合评价方法具有重要意义。

现有的评价方法可分为指标评价与权重计算2部分，目前的研究在这两个部分都存在一定的局限性：(1)在指标评价方面，存在各项指标评价兼容能力不强的问题，比如与生产函数相关的方法对有明确投入与产出特性的经济性指标有较好应用，但对其他类型的指标很难发挥作用；(2)在权重计算方面，权重计算可以分为主观、客观2个方面，层次分析法(AHP) 是常用的主观权重方法，客观权重方法较多，如反映对象发展水平的双激励控制线法、结合了模糊一致矩阵和优选方法的模糊决策法、反映样本无序程度的熵权法等。根据不同的应用对象构建相应的评价体系，选择并组合出综合性的评价方法是目前的一个研究难点。

发明内容

目前传统电网运行状态评价方法能精确且深入地分析电网某一方面的运行情况，但不能反映综合运行水平，且部分指标脱离实际，无法直接得到应用。

本发明在D5000系统提供的运行数据和在线分析结果的基础上提出一种电网运行状态综合评价方法，该方法易于实现，能全面、准确的反映电网实时运行状态。本发明从二个方面对电网运行状态进行综合评价。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种电网运行状态综合评价方法，其特征是，它包括以下步骤：

步骤1)关键指标体系构建阶段。本方法的关键指标按性质分为2类，一类是决定评价方向和范围的定向指标，一类是起分解与深入分析的作用的定量指标。

(1.1)定向指标框架构建。定向指标的选取遵循3个原则：系统性、独立性和科学性，定向指标没有固定的计算公式和数据来源，需要通过逻辑分析找到它们之间的联系，把它们有机的整合在一起；

(1.2)安全性指标集构建。安全性指标集包括监测预警指标集，安全性-检修与备用指标集，安全性-静态安全分析指标集，安全性-动态安全分析指标集；

(1.3)经济性指标集构建。包括设备轻载率，月度发电计划偏差率，单位购电成本，上网电价，发电平均煤耗，供电平均煤耗；

(1.4)优质性指标集构建。包括电网最高/低频率，CPS1、CPS2，责任频率超限运行时间，责任频率合格率，一次调频投运率，一次调频电量，AGC指令调节性能，AGC调节速率，主网电压合格率，综合电压合格率，中枢点电压合格率，电压不合格厂站情况，电压波动率，AVC平均投运率；

(1.5)清洁性指标集构建。包括可再生能源发电并网率，可再生能源发电占比，直调水电厂水能利用提高率，烟尘浓度，二氧化硫浓度，氮氧化物浓度；

步骤2)综合评价方法设计。综合评价方法包括指标评价方法和权重设定方法，指标评价与权重设定合二为一就是综合评价。

(2.1)设计基于FCE-COG模型的指标评价方法。常规FCE在求得评价矩阵/向量后，以 “最大隶属度”原则评定指标优劣，舍弃了其他评判等级上的隶属度。因此本方法引入重心法 (COG)，弥补了信息量丢失的不足。

(2.2)设计基于AHP-反熵权模型的权重设定方法。权重设定分为主观和客观2个方面。主观方面，AHP算法因其理论背景和较强的可靠性广泛用于各类模型的主观权重计算。客观方面，本方法采用的反熵与熵属性相同，与熵权法不同的地方是反熵权法产生的权重反差较弱，能和AHP算法相辅相成，所以本方法选择反熵权法计算客观权重。

步骤3)综合评价。首先求出评价矩阵R，差异矩阵D，然后设定权重向量w，最后合成评定结果。

本发明的一种电网运行状态综合评价方法根据电网调度工作的实际需求构造了一套涵盖安全性、经济性、优质性和清洁性4个方面的指标体系，具有良好的实用性。其中，定性指标能够全面覆盖电网运行的各方各面，定量指标具备细化分解各自方向的能力。本发明还改进了指标评价方法，提高了综合评价方法的精度，所得结果能够反映电网真实的运行状态。随着主动配网的进一步发展，可在本发明的基础上，进一步增加分布式能源与输配协调优化等方面的定性与定量指标，提高评价方法的精度与普遍适用性，以满足智能电网的发展需求。

附图说明

图1为一种电网运行状态综合评价方法流程图；

图2为定向指标框架图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种电网运行状态综合评价方法作详细描述。

一种电网运行状态综合评价方法，具体流程如图1所示，包括如下步骤：

1)关键指标体系构建阶段。本方法的关键指标按性质分为2类，一类是决定评价方向和范围的定向指标，一类是起分解与深入分析的作用的定量指标。

定向指标框架如图2所示，其中安全性可分为静态和动态2个方面，考虑到调度运行的实际情况，本文追加预警和备用2个指标集，其中虚线连接的“监测预警”仅为“故障态”的计算提供数据支撑，并不与其他3个指标集并列。

各个安全性指标集内容如下：

表1为监测预警指标集。

表1 监测预警指标集

表2为安全性-检修与备用指标集。

表2 安全性-检修与备用指标集

安全事故S_{1_1}：统计拉闸限电条次、故障跳闸次数、直调发电机组非计划停役台次等责任事故和电网解列等重大事故。

二次保护S_{1_2}：统计当前二次侧保护装置不能正常工作的电力设备名称或编号。

气象预警S_{1_3}：根据气象预报估计电网中可能受到雷击、高温、冰冻、降水与热带风暴影响的发电机(组)、变压器与母线，统计名称及编号。

主变检修S_{2_1}、重要线路检修S_{2_2}：分别统计220/330/500/1 000kV电压等级正在进行检修的变压器、重要线路的数量。

机组上/下旋转备用能力S_{2_3}：各机组分别以当天和10min内2个计划时间段按下式统计

S_{2_3}＝{S′_{2_3}，S″_{2_3}}×100％

式中：机组上旋转备用率

下旋转备用率S″_{2_3}＝(P-P)；

P，P分别为机组在该时段的有功出力上、下限和当前有功出力。

机组上/下调节备用能力S_{2_4}：各机组分别以当天和10min内2个计划时间段按下式统计

S_{2_4}＝{S′_{2_4}，S″_{2_4}}×100％

式中：机组上调节备用率

下调节备用率S″_{2_4}＝(P-P′)/P′；

和P′分别为机组在该时段有功的调节上、下限。

全网上/下旋转备用量S_{2_5}：分别以当天、10min内和30min内3个计划时间段按下式统计

S_{2_5}＝{S′_{2_5}，S″_{2_5}}×100％

式中：全网上旋转备用量

下旋转备用量

P_i 和P_i分别为机组i在该时段的有功出力上、下限和当前有功出力，Ω₁为全网统调机组集合。

全网上/下调节备用量S_{2_6}：分别以当天、10min内和30min内3个计划时间段按下式统计

S_{2_6}＝{S′_{2_6}，S″_{2_6}}×100％

式中：全网上调节备用量

下调节备用量

P_i′分别为机组i在该时段有功的调节上、下限。

表3为安全性-静态安全分析指标集。

表3 安全性-静态安全分析指标集

元件过/重载裕度(S_{31_1})如下

式中：I_N为元件热稳限额；I为元件在当前运行模式下的潮流解，单位为A或MVA。

母线电压越限裕度(S_{31_2})如下

式中

U与U分别为考核母线的电压上、下限和潮流计算电压。

断面潮流越限裕度(S_{31_3})：根据潮流计算结果，统计裕度低于20％的输电断面。

元件过/重载裕度(S_{32_1})、电压越限裕度(S_{32_2})：将N-1扫描结果分别代入S_{31_1}和S_{31_2}计算。统计最小值和预警故障的计算值，取加权平均值。

失电元件数(S_{32_3})：N-1扫描后，统计各类故障引起的失电线路数量，取最大值。

母线短路电流(S_{32_4})：根据预想故障集，计算各母线的电流越限情况以及越限量，取最大值。

断路器短路电流(S_{32_5})：计算所有母线短路故障时流经断路器的电流越限量，取最大值。

表4为安全性-动态安全分析指标集。

表4 安全性-动态安全分析指标集

小扰动稳定裕度(S_{411_1})：在线分析系统当前存在的故障，确定位移点，通过IRAM方法计算该点一定范围内所有临界特征值。

静稳储备系数(S_{411_2})：针对指定联络线或联络断面，按下式计算

式中：

为指定联络线/断面的静态功角稳定极限，即最大输送功率；

)为其基态传输功率。

暂态功角稳定裕度(S_{412_1})

大扰动稳定裕度(S_{412_2})：对预想故障后指定的各关键联络线的有功功率曲线做Prony分析，取其阻尼裕度的最小值。

暂态频率稳定裕度(S_{421_1})

当前系统频率计算(S_{422_1})：根据电网运行模式和预想故障集，运用拓扑分析技术，搜索系统中可能出现的联系薄弱线路以及电网薄弱区域。

孤网频率计算(S_{422_2})：若系统频率计算不安全，则计算孤立电网在过渡到稳态后的系统频率以及过渡过程中孤立电网的低频低压切负荷和高周切机。根据考虑一次调频计算出的系统稳态频率判断出断面功率调整方向；调整系统出力水平或系统负荷水平，迭代计算直至保持系统稳态频率安全下断面传输功率的极限值。

暂态电压稳定裕度(S_{431_1})

电压稳定裕度(S_{432_1})：设定负荷、发电增长方向、增长模式，绘制系统P-V曲线，得到电压崩溃点，计算负荷裕度。

表5为经济性指标集。

表5 经济性指标集

设备轻载率(E_{1_1})：实际负载率低于30％的设备(如机组、变压器等)数量与其总数的比值。

高压输电网络网损率(E_{1_2})按下式计算

式中：W_i为机组i在统计周期内的总发电量；W_S为高压(220kV及以上)输电网的售电总量；Ω₂表示与高压电网相连的机组集合。

月度发电计划偏差率(E_{1_3})：月度实际发电量和计划电量之差与计划电量的比值。

单位购电成本(E_{1_4})：电力公司从发电厂购买电量的总成本与总购电量之比。

上网电价(E_{1_5})：购电合同中规定的电力和电量，在发电企业接入主网架那一点的计量价格。

发电平均煤耗(E_{1_6})按下式计算

式中：P_i为机组i的当前有功出力；λ_i为其发电煤耗(燃料需折算为标准煤)；Ω₃为燃料机组集合。

供电平均煤耗(E_{1_7})按下式计算：

式中：λ′_i为机组i的供电煤耗；E_{1_6}、E_{1_7}的单位都为g/kW·h。

表6为优质性指标集。

表6 优质性指标集

系统频率(Q_{1_1})：统计全网系统频率与50Hz工频的偏差量，精确到0.01Hz。

电网最高/低频率(Q_{1_2})：统计周期内电网责任频率的峰、谷值。

CPS1、CPS2(Q_{1_3})：实时调度运行过程中，电网对联络线交换功率和区域内频率控制的水平。

责任频率超限运行时间(Q_{1_4})：统计周期内责任频率超出50±Δf(Δf可设为0.2)Hz的时长。

责任频率合格率(Q_{1_5})：责任频率合格总时间的总和与统计周期的比值。

一次调频投运率(Q_{1_6})：电网在统计周期内，一次调频投运的时间占机组总运行时间的比例。

一次调频电量(Q_{1_7})：设定频率偏差量

(如0.033Hz)，从电网频率超出

时起到恢复至

时止，实际发电出力与起始实际发电出力之差的积分电量，积分时间最长为2min。

AGC指令调节性能(Q_{1_8})：运行机组对AGC指令的平均响应速度和平均调节精度。

AGC调节速率(Q_{1_9})：机组响应负荷的速率，包括上升和下降2个方向。

主网电压合格率(Q_{2_1})：主网电压没有越(上/下)限的时长占统计周期的比例。

综合电压合格率(Q_{2_2})：统计各类(A/B/C/D)供电电压合格率的加权平均值，按下式计算

Q_{2_2}＝a·U_A+b·(U_B+U_C+U_D)/3

式中：a，b为考核系数；U_A，U_B，U_C，U_D表示4类电压合格率，计算方式参考Q_{2_1}。A类：变电站10kV母线；B类：35kV及以上专线客户；C类：10kV客户；D类：380/220V低压客户。

中枢点电压合格率(Q_{2_3})：调度中心控制区域内合格的中枢点电压点数与监测点总数的比值。

电压不合格厂站情况(Q_{2_4})：针对当前电网所有电压越限的厂站，统计其电压不合格点数。

电压波动率Q_{2_5}按下式计算

Q_{2_5}＝(U_max-U_min)/U_c

式中：U_max和U_min分别表示考核母线在24h内的电压最大值与最小值；U_c为考核母线的电压等级。

AVC平均投运率(Q_{2_6})按下式计算：

式中：

为机组i的AVC投运时间；t_i为机组i的运行时间；

为运行机组台数；Ω₄为全网运行机组集合。

表7为清洁性指标集。

表7 清洁性指标集

可再生能源发电并网率(C_{1_1})按下式计算

式中：P_i为机组i的有功出力；T_i为机组i的并网时长；W_i为机组i在统计周期内的总发电量；Ω₅为全网可再生能源机组集合。

可再生能源发电占比(C_{1_2})按下式计算：

式中W^T为统计周期内的全网总发电量。

直调水电厂水能利用提高率(C_{1_3})计算如下：

式中：W^t为考核电量；Ω₆为全网直调水电厂集合。

烟尘浓度(C_{2_1})、二氧化硫浓度(C_{2_2})、氮氧化物浓度(C_{2_3})按下式折算为基准氧含量下的浓度值

式中：C′表示污染物实测浓度，mg/m³；O′₂与O₂分别为实测与基准氧含量，％。

2)综合评价方法设计。综合评价方法包括指标评价方法和权重设定方法，指标评价与权重设定合二为一就是综合评价。

首先，定义2个集合：指标集U与评判集A。

U＝(U₁，...，U_i，...，U_n)

式中U_i为指标U的下一级指标，i＝1，...，n。

A＝(A₁，...，A_j，...，A_m)

式中：A_j为评判等级，如“较好”、“一般”等；j＝1，...，m。

其次，用模糊化方法计算评价矩阵

式中：i＝1，...，n；j＝1，...，m；r_i为指标U_i的评价向量；r_ij为U_i对于等级S_j的隶属度。

最后，计算重心值。计算前需量化评判集，即将描述型评判等级转化为0到1之间的值。如“较好-0.7”，“一般-0.5”等。

为等级A_j的量化值，量化后的评判集合记为A^*。

则指标U_i的重心值定义如下：

(2.2)设计基于AHP-反熵权模型的权重设定方法。权重设定分为主观和客观2个方面。主观方面，AHP算法因其理论背景和较强的可靠性广泛用于各类模型的主观权重计算。客观方面，本方法采用的反熵与熵属性相同，与熵权法不同的地方是反熵权法产生的权重反差较弱，能和AHP算法相辅相成，所以本发明选择反熵权法计算客观权重。

AHP算法的计算结果即为指标集U的主观权重向量ω′：

ω′＝[ω′₁，...，ω′_i，...，ω′_n]

式中：i＝1，...，n；n为指标集U中U_i的数量；

为U_i相对于U的主观权重。

本发明采用相同指标在不同分区的重心值差异来计算反熵值。对指标集U，选择t个分区，建立差异矩阵

式中k＝1，...，t；r_ik，COG为U_i在分区k的重心值。

计算各U_i的反熵h_i

式中

确定客观权重向量ω″

ω″＝[ω″₁，...，ω″_i，...，ω″_n]

式中

是U_i对于U的客观权重。

进一步确定指标集U的综合权重向量

ω＝[ω₁，...，ω_i，...，ω_n]

式中

是U_i对于U的综合权重。

3)综合评价。首先求出评价矩阵R，差异矩阵D，然后设定权重向量w，最后合成评定结果。

Step 1：求评价矩阵R。确定待评指标集U(含n个元素)、评判集A(含m个元素)以及分区(t个)，列出全网及各分区的n×m维评价矩阵。

Step 2：求差异矩阵D。计算各分区评价矩阵的所有行向量，得t组n×1维的重心值向量，再按列排放即可得到n×t维差异矩阵。

Step 3：设定权重向量ω。首先计算主观权重ω′；然后计算客观权重ω″；最后计算综合权重ω。

Step 4：合成评定结果。f＝ωR

式中：f为全网范围下指标集U的评价向量；R为全网的评价矩阵；ω为指标权重向量。

Step 5：量化。将步骤4)的结果代入r_ij，COG的计算公式中进行计算即可得到综合量化结果。

为验证采用本发明提供的电网运行状态综合评价方法能全面、准确的反映电网实时运行状态，发明人分别采用本发明提供的方法进行实验验证：1)安全性-静态安全分析-基态；2) 全网综合评价结果。实验所用数据为某地区2014年4月某一时刻的数据，其中实验1展示了一组定量指标：安全性-静态安全分析-基态的详细计算过程，并与FCE、AHP-熵权方法的计算过程及结果进行对比；算例2展示了全网4大定性指标的综合评价结果，并分析其合理性。

1)安全性-静态安全分析-基态

Step 1：求评价矩阵。

确定指标集：U＝(S_{31_1}，S_{31_2}，S_{31_3})

确定评判集并量化：A＝(很差，较差，一般，较好，极好)

A^*＝(0.1，0.3，0.5，0.7，0.9)

由U在A上的模糊化结果列出评价矩阵

Step2：求差异矩阵。该电网可分为5个区，以区为单位计算各自的评价矩阵，并算出各指标的重心值，作为差异矩阵的元素，如表8所示。

表8 差异矩阵

指标	1区	2区	3区	4区	5区
						S<sub>31_1</sub>	0.7147	0.8134	0.7785	0.9649	0.9572
S<sub>31_2</sub>	0.3058	0.4324	0.6469	0.7576	0.7854
						S<sub>31_3</sub>	0.1270	0.0975	0.9575	0.9706	0.8003

Step 3：综合权重向量。邀请专家组，使用1～9标度的AHP算法给出主观权重同量

ω′＝[0.32 0.56 0.12]

由表8数据，计算反熵，设定客观权重向量

ω″＝[0.29 0.31 0.40]

得出综合权重向量ω＝[0.30 0.55 0.15]

Step 4：量化结果。

评价向量f＝[0 0.07 0.39 0.33 0.40]，“基态”最终评定值f_COG＝0.6814。

表9展示了本发明方法(以α表示)与FCE、AHP-熵权方法(以β表示)的计算结果对比。

表9 结果对比

此时全网仅一台变压器的过/重载裕度小于20％，为16.87％；母线电压越限裕度最低值为56.63％；2个断面越限裕度小于20％，裕度最小的仅为13.98％。从5个分区的统计情况来看，前2个指标的数据差异不大，但指标3的结果差异较大。

由于β方法使用了熵权法作为客观权重的计算方法，分配给S_{31_1}的权重为0.02，合成后的综合权重仅为0.03，从而造成指标S_{31_1}失效。而α方法采用的反熵权法能很好的控制降权力度。从量化结果看来，采用了“COG法”的结果为0.68，而以“最大隶属度”为原则的β方法结果为一般，即0.5左右，实际上虽然有个别线路运行接近极限，但毕竟没有越限，因此α方法的评价结果较为合理。

2)全网综合评价结果。

某地区电网2014年4月某时刻综合评价结果如表10所示。

表10 某地区电网2014年4月某时综合评价结果

数据统计的时刻正值负荷高峰期，机组的旋转备用和AGC可调容量都较低，同时系统频率偏低量和不合格时间都偏大，但没有带来稳定问题。由表9，综合评价总分为0.6423，情况属于一般偏好。“安全”、“经济”、“优质”和“清洁”相应的单项评价结果分别为0.6518、0.690 2、0.526 5、0.719 3，优质性指标分数明显偏低，安全性分数合格但并不高，经济性和清洁性情况较好，与实际情况吻合。

发明人根据本发明提供的电网运行状态综合评价方法，以智能电网调度技术支持系统 (D5000)提供的大量数据为基础，从安全性、经济性、优质性以及清洁性4个角度出发，构造了一套评价电网运行状态的关键指标体系。同时提出一套综合评价方法，用以计算并量化出评价结果。其中，采用模糊综合评判法与重心法相组合的算法计算各项指标值，分别从主、客观2个角度结合层次分析法和反熵权法计算指标权重。将各指标值加权合成即为最终评价结果。通过某地区电网实例验证，所提的评价指标体系及方法易于实现，能全面、准确的反映电网实时运行状态。

Claims

1.一种电网运行状态综合评价方法，其特征是，它包括以下步骤：

(2.1)设计基于FCE-COG模型的指标评价方法。常规FCE在求得评价矩阵/向量后，以“最大隶属度”原则评定指标优劣，舍弃了其他评判等级上的隶属度。因此本方法引入重心法(COG)，弥补了信息量丢失的不足。