CN116151561A - 一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统 - Google Patents

一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统 Download PDF

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CN116151561A CN202310052125.8A CN202310052125A CN116151561A CN 116151561 A CN116151561 A CN 116151561A CN 202310052125 A CN202310052125 A CN 202310052125A CN 116151561 A CN116151561 A CN 116151561A
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张振亚
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许彦玲
郑腾达
刘洪敏
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Abstract

本发明涉及一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统，所述的方法包括以下步骤：定义电力系统安全态势感知架构；定义电力系统安全态势感知的三个要素；构建电力系统静态安全域；由安全距离模型求得系统当前态和未来态安全距离组成的时间序列函数；采用分级设定阈值的方式，使得分割算法能够满足自适应的在线趋势分析；利用电网运行均匀度评估指标来表征系统各输电元件负载率的相近程度；以直流潮流为基础，建立电网安全均匀调度模型；进行电网安全均匀调度；对电网安全均匀调度模型进行求解；本发明具有基于安全域理论、实现“态评估”和“势分析”、提供预警信息、采用均匀调度优化系统状态的优点。

Description

一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统
技术领域
本发明属于电网态势感知技术领域，具体涉及一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统。
背景技术
目前电网态势感知的研究主要集中在影响因素分析、状态估计、安全评估及可视化感知等几个方面，重点问题在于如何有效地辨识系统运行安全的态势特征，已有技术利用特定故障概率下的系统安全指标描述安全分析过程中的“态势”，但该指标着重于运行点安全裕度的评估，忽略了电网实际运行的趋势特征，电网运行环境复杂多变，海量的数据信息时刻处于更新之中，这些信息往往不能直接反应出系统运行安全状态的潜在变化趋势，想要准确把握系统运行态势、挖掘系统运行的潜在安全问题对调度运行人员而言无疑是个巨大的挑战；因此，提供一种基于安全域理论、实现“态评估”和“势分析”、提供预警信息、采用均匀调度优化系统状态的一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种基于安全域理论、实现“态评估”和“势分析”、提供预警信息、采用均匀调度优化系统状态的一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统。
本发明的目的是这样实现的：一种电力系统运行安全态势辨识方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤1：定义电力系统安全态势感知架构；
步骤2：定义电力系统安全态势感知的三个要素；
步骤3：构建由一组同时满足潮流方程和运行安全约束的全部运行点的节点功率注入构成的集合的电力系统静态安全域；
步骤4：由安全距离模型求得系统当前态和未来态安全距离组成的时间序列函数；
步骤5：采用分级设定阈值的方式，使得分割算法能够满足自适应的在线趋势分析；
步骤6：利用电网运行均匀度评估指标来表征系统各输电元件负载率的相近程度，具体为：输电线路(i,j)的负载率uij的平均值为：
Figure BDA0004058616410000021
式中，mL为系统中线路的总数；采用标准差来度量各输电线路负载率数值之间的差异程度：/>
Figure BDA0004058616410000022
可得对应的均匀度评估指标为：H＝1-h(14)，对于输电线路负载率有uij∈[0，1]，因此其标准差及运行均匀度评估指标H的取值范围也是[0，1]，在同一负荷水平下，h越小，电网中各线路负载率差异越小，潮流分布越均衡，相应的系统运行安全性就越高；
步骤7：以直流潮流为基础，采用电网运行均匀度指标作为评价的目标函数，建立电网安全均匀调度模型；
步骤8：采用输电网结构优化中的最优线路开断模型即OTS模型，进行电网安全均匀调度；
步骤9：对电网安全均匀调度模型进行求解。
所述的步骤3具体为：用发电机节点的有功功率注入向量PG来表征系统运行点，可将系统有功静态安全域表示为：
Figure BDA0004058616410000031
式中，Pd为负荷节点的有功功率向量；PGmax、PGmin分别为发电机有功出力的上、下限；D为节点-支路转移分布因子矩阵，有D＝BLATB-1，其中BL为支路电纳矩阵、A为节点-支路关联矩阵、B为节点电纳矩阵；DG为D中与发电机节点对应的列构成的矩阵；PLmax表示输电线路传输容量极限值向量；式(1)中的运行安全约束包括等式约束和不等式约束：其中，等式约束为负荷平衡约束；不等式约束包含发电机出力限值约束和线路潮流限值约束；安全域ΩSSR本质上是高维空间中的一个超多面体，式(1)中的运行安全约束是一组超平面，这些超平面共同构成了安全域的边界；在以上这些安全域边界中，线路传输容量极限值是限制系统安全裕度的主要因素，输电线路的静态传输容量极限即SLR是通过固定的环境气温、风速、日照强度气象条件和导线参数来计算得到的；采用当地的气象边界条件，确定实际的线路动态传输容量极限即DLR，根据导线热平衡方程，在稳态下输电线路吸收的功率和散热功率应相等，有：qr+qc＝qs+I2·R(Tc)(2)，式中，qr为由环境温度和导线温度差引起的辐射散热功率；qc为导线的对流散热功率，取决于风速和风向；qs为导线在日照下吸收的热功率；I为导线的稳态载流量；R(Tc)为导线温度在Tc条件下的交流电阻；I2·R(Tc)为导线交流电阻在Tc温度下的发热功率；设导线当前最大允许温度为Tcmax，基于导线温度模型，在给定的气象参数边界条件下，求得导线当前的最大允许载流量为：/>
Figure BDA0004058616410000032
则线路动态有功传输功率极限为：/>
Figure BDA0004058616410000033
式中，UN为额定电压；/>
Figure BDA0004058616410000034
为功率因数；将式(1)中的线路正向有功潮流约束集记为：LCi:ηi,1PG1+...+ηi,nPGn≤Li,i＝1,...,m(5)，式中，n为系统当中发电机节点总数；m为输电线路个数；PGi为第Gi个发电机节点的有功出力；ηi,j为矩阵DG的第i行第j列元素，DG＝[η]m×n；DL＝DPd+PLmax，Li为第i个约束的边界值；线路反向传输容量限制约束集同理；则线路i的潮流约束对应的边界方程为：Bi:ηi,1PG1+...+ηi,nPGn-Li＝0(6)，通过计算运行点到各线路潮流约束方程对应的安全域边界的欧氏距离，可以得到系统在各个方向上的安全裕度；系统当前运行点为/>
Figure BDA0004058616410000041
则/>
Figure BDA0004058616410000042
到线路i潮流约束对应边界的安全距离可通过如下模型来度量：/>
Figure BDA0004058616410000043
式中，ei为单位向量；PLmax,j为第j条线路正向或反向传输容量极限；当系统中无线路过载时，距运行点最近的安全边界对应的线路潮流约束就是系统安全裕度的“短板”；当系统出现一条或多条线路过载时，需要以最小的代价将系统运行点“拉回”安全域内，因此，定义运行点到各边界距离中的最小值作为指导安全态势辨识及后续控制的安全距离指标为：
Figure BDA0004058616410000044
所述的步骤4具体为：由上述安全距离模型求得的系统当前态和未来态安全距离可组成一个时间序列函数，设记为D(t)，对D(t)函数采用多项式拟合，则其趋势特征可通过该多项式函数的参数来识别，D(t)函数可以由多个二阶多项式函数
Figure BDA0004058616410000045
分段拟合，在t时刻，第i个数据片段Di(t)的拟合多项式可记作：/>
Figure BDA0004058616410000046
式中，β＝[β0,β1,β2]为拟合多项式的参数；采用基于累积和的分割算法对D(t)进行分段提取，假设在t1时刻对应的分段拟合函数为/>
Figure BDA0004058616410000047
采样时间间隔为Δt，则k个采样时间间隔(k＝1,2,3,...)之后，由函数/>
Figure BDA0004058616410000048
外推得到的拟合值为该拟合值与/>
Figure BDA0004058616410000049
时刻对应的真实值之间的误差绝对值为：/>
Figure BDA00040586164100000410
则从t1开始，误差绝对值的累积和为：
Figure BDA0004058616410000051
给定一个阈值ε，当累积和超过该阈值，认为当前拟合函数的精度己经无法满足态势分析的要求，则从下一时刻开始，采用新的拟合函数重新拟合。
所述的步骤5中的趋势分析具体包括以下步骤：
①初始化数据提取的滑动时间窗，设置其宽度为m，等待m个安全距离数据到达；
②用最小二乘法对这m个数据计算出拟合函数，如果该拟合函数在第ma个数据处存在极值点，则分别计算从第一个到第ma个数据的拟合函数和从第ma个到第m个数据的拟合函数；否则，转至步骤③；
③用该拟合函数进行模型外推，并计算外推所得的拟合值与真实值之间的误差的累积和，以及每个拟合值处拟合函数的一阶导数；
④若累积和没有超过阈值即|Cusum|＜ε，并且一阶导数不等于0，那么当前的拟合函数就是合格的，可继续接拟合新的数据；否则，将累积和置为0，转至步骤②，重新开始拟合；
⑤当剩余的待拟合数据个数少于m时，直接计算剩余数据的拟合函数，所有数据均拟合完毕，则结束提取过程。
所述的步骤7具体为：由于电网运行均匀度指标反映了潮流分布的综合水平，是一种全局性的评价指标，故以运行均匀度最髙作为安全调度运行的目标：
Figure BDA0004058616410000052
上述优化问题转化为：/>
Figure BDA0004058616410000053
基于直流潮流模型，可得线路潮流方程为：/>
Figure BDA0004058616410000054
式中，Bk为线路k的电纳；θn为节点n电压相角；Pnmk为线路k的有功潮流；在求解目标函数式(16)最小值的同时还需满足如下等式及不等式约束：节点有功功率平衡约束：/>
Figure BDA0004058616410000061
式中，Png为位于节点n的发电机g的有功出力；Pnd为节点的有功负荷；节点电压相角约束：
Figure BDA0004058616410000062
式中，θn,max、θn,min分别为节点n电压相角的上、下限；发电机有功出力约束：/>
Figure BDA0004058616410000063
式中，Pg,max、Pg,min分别为发电机g有功出力的上、下限；线路有功潮流传输限制约束：/>
Figure BDA0004058616410000064
式中，Pk,max、Pk,min分别为线路k有功传输功率的上、下限。
所述的步骤8具体为：为保证最优拓扑的鲁棒性，在进行线路开断的同时需要考虑N-1安全校核，假设用变量c来表征系统的运行状态，c＝0表示没有发生N-1预想事故时的系统状态，即稳态；c≠0时对应系统发生N-1故障后的运行状态；引入0-1变量Nkc表示在系统处于状态c下线路k的运行状态，Nkc＝0表示在状态c下线路k断开；Nkc＝1表示线路k是闭合；则对于c＝0时，有：
Figure BDA0004058616410000065
c＞0时，有：/>
Figure BDA0004058616410000066
Figure BDA0004058616410000067
式中，N为系统N-1预想事故总数；基于最优线路开断的安全均匀调度模型可表示为：/>
Figure BDA0004058616410000068
约束条件为：
Figure BDA0004058616410000069
Figure BDA00040586164100000610
Figure BDA00040586164100000611
Figure BDA00040586164100000612
式中，mz为最优拓扑下系统中的线路总数；uz为最优拓扑下系统的平均负载率；zk为表征线路运行状态的0-1变量，0表示断开线路，1表示投入该线路，断开的线路即为被排除在最优拓扑外的线路；J为最大允许的开断线路数。
所述的步骤9中的电网安全均匀调度模型的求解具体包括以下步骤：
①将所有N-1状态下的安全约束移出原优化模型(26)-(33)，得到只考虑基态安全约束的简化模型，并求出这个新模型下的最优解；
②判断在该最优解下系统的运行状态是否满足所有N-1安全校验；如果是，那么该最优解也是原模型的最优解；
③如果当前优化结果给出的最优拓扑不能满足某一个或某几个N-1安全校验，就将这些越限的支路N-1安全约束添加回新模型中，形成一个含部分支路N-1安全约束的模型；
④重新优化求解这个含部分N-1约束的模型，并检查在其最优解下是否满足所有安全约束；如此循环往复，将每次迭代后经校验不满足的约束添加回模型中，直到求得的最优解能满足所有N-1安全约束，该最优解就是原优化模型的最优解。
一种电力系统运行安全态势辨识系统，它包括第一层、第二层、及第三层三个层次，所述的第一层用于收集系统当前态运行信息和未来态运行信息；
所述的第二层用于根据所述的第一层中获取的信息，对系统当前态的安全距离进行求取；
所述的第三层包括对系统未来态安全距离的评估和其趋势特征的辨识。
所述的第一层收集的系统当前态运行信息包括发电机出力数据即发电计划、开关状态；所述的第一层收集的未来态运行信息包括调度计划，短期、超短期负荷预测。
一种电力系统运行安全态势辨识系统，包括安全态势感知要素，所述的安全态势感知要素包括系统运行点到安全域边界的安全距离、运行点的移动方向和运行点的移动速率；
所述的运行点的移动方向通过安全距离的增加或减少来体现：若安全距离减少，则运行点向着靠近安全域边界的方向移动，系统将有向更加“不安全”状态发展的趋势；若安全距离增加，则运行点向着远离安全域边界的方向移动，系统运行状态有向更“安全”状态发展的趋势；
所述的运行点的移动速率即运行点靠近或远离安全域边界的移动速率则通过系统在下一时刻或短期内安全距离指标的变化速率来表征。
本发明的有益效果：本发明为一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统，在使用中，本发明提出一种系统运行安全态势辨识架构，在采集系统当前运行数据信息和未来态预测数据信息的基础上，基于安全域理论，通过安全距离测度来对系统运行点在当前状态和未来状态下的安全性进行“态评估”，利用趋势分析技术进行“势分析”，对系统运行点的预测移动轨迹进行趋势提取，并识别系统运行状态安全裕度变化的趋势特征，给调度运行人员提供相应的预警信息；当系统安全裕度不断减小、即运行态势持续“变差”时，运行人员可釆取均匀调度来优化系统状态；本发明具有基于安全域理论、实现“态评估”和“势分析”、提供预警信息、采用均匀调度优化系统状态的优点。
附图说明
图1为本发明的电力系统运行安全态势感知架构图。
图2为本发明的系统安全域及运行点示意图。
图3为本发明的系统算例的历史负荷和预测负荷变化情况示意图。
图4为本发明的系统算例的安全距离和趋势变化情况示意图。
图5为本发明的系统算例的安全态势感知示意图。
图6为本发明的均匀调度前后系统中各线路负载率分布情况示意图。
图7为本发明的均匀调度与传统调度策略下潮流率分布情况对比图。
图8为本发明的不考虑线路开断的安全均匀调度策略下线路负载率分布直方图。
图9为本发明的基于最优线路开断的安全均匀调度策略下线路负载率分布直方图。
图10为本发明的电网安全均匀调度模型求解流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
如图1-10所示，一种电力系统运行安全态势辨识方法，所述的方法包括以下步骤：
步骤1：定义电力系统安全态势感知架构；
步骤2：定义电力系统安全态势感知的三个要素；
步骤3：构建由一组同时满足潮流方程和运行安全约束的全部运行点的节点功率注入构成的集合的电力系统静态安全域；
步骤4：由安全距离模型求得系统当前态和未来态安全距离组成的时间序列函数；
步骤5：采用分级设定阈值的方式，使得分割算法能够满足自适应的在线趋势分析；
步骤6：利用电网运行均匀度评估指标来表征系统各输电元件负载率的相近程度，具体为：输电线路(i,j)的负载率uij的平均值为：
Figure BDA0004058616410000101
式中，mL为系统中线路的总数；采用标准差来度量各输电线路负载率数值之间的差异程度：/>
Figure BDA0004058616410000102
可得对应的均匀度评估指标为：H＝1-h(14)，对于输电线路负载率有uij∈[0，1]，因此其标准差及运行均匀度评估指标H的取值范围也是[0，1]，在同一负荷水平下，h越小，电网中各线路负载率差异越小，潮流分布越均衡，相应的系统运行安全性就越高；
步骤7：以直流潮流为基础，采用电网运行均匀度指标作为评价的目标函数，建立电网安全均匀调度模型；
步骤8：采用输电网结构优化中的最优线路开断模型即OTS模型，进行电网安全均匀调度；
步骤9：对电网安全均匀调度模型进行求解。
所述的步骤3具体为：用发电机节点的有功功率注入向量PG来表征系统运行点，可将系统有功静态安全域表示为：
Figure BDA0004058616410000103
式中，Pd为负荷节点的有功功率向量；PGmax、PGmin分别为发电机有功出力的上、下限；D为节点-支路转移分布因子矩阵，有D＝BLATB-1，其中BL为支路电纳矩阵、A为节点-支路关联矩阵、B为节点电纳矩阵；DG为D中与发电机节点对应的列构成的矩阵；PLmax表示输电线路传输容量极限值向量；式(1)中的运行安全约束包括等式约束和不等式约束：其中，等式约束为负荷平衡约束；不等式约束包含发电机出力限值约束和线路潮流限值约束；安全域ΩSSR本质上是高维空间中的一个超多面体，式(1)中的运行安全约束是一组超平面，这些超平面共同构成了安全域的边界；在以上这些安全域边界中，线路传输容量极限值是限制系统安全裕度的主要因素，输电线路的静态传输容量极限即SLR是通过固定的环境气温、风速、日照强度气象条件和导线参数来计算得到的；我国的相关规程规定相比较其他国家而言最为严格，采用最恶劣的条件下参数取值，计算较为保守，在电网实际运行中难以满足对线路允许载流边界的合理估计；因此，应采用当地的气象边界条件，确定实际的线路动态传输容量极限即DLR，根据导线热平衡方程，在稳态下输电线路吸收的功率和散热功率应相等，有：qr+qc＝qs+I2·R(Tc)(2)，式中，qr为由环境温度和导线温度差引起的辐射散热功率；qc为导线的对流散热功率，取决于风速和风向；qs为导线在日照下吸收的热功率；I为导线的稳态载流量；R(Tc)为导线温度在Tc条件下的交流电阻；I2·R(Tc)为导线交流电阻在Tc温度下的发热功率；设导线当前最大允许温度为Tcmax，基于导线温度模型，在给定的气象参数边界条件下，求得导线当前的最大允许载流量为：/>
Figure BDA0004058616410000111
式中，一般取Tcmax＝70℃；则线路动态有功传输功率极限为：/>
Figure BDA0004058616410000112
式中，UN为额定电压；/>
Figure BDA0004058616410000113
为功率因数；将式(1)中的线路正向有功潮流约束集记为：LCi:ηi,1PG1+...+ηi,nPGn≤Li,i＝1,...,m(5)，式中，n为系统当中发电机节点总数；m为输电线路个数；PGi为第Gi个发电机节点的有功出力；ηi,j为矩阵DG的第i行第j列元素，DG＝[η]m×n；DL＝DPd+PLmax，Li为第i个约束的边界值；线路反向传输容量限制约束集同理；则线路i的潮流约束对应的边界方程为：Bi:ηi,1PG1+...+ηi,nPGn-Li＝0(6)，通过计算运行点到各线路潮流约束方程对应的安全域边界的欧氏距离，可以得到系统在各个方向上的安全裕度；系统当前运行点为/>
Figure BDA0004058616410000114
则/>
Figure BDA0004058616410000115
到线路i潮流约束对应边界的安全距离可通过如下模型来度量：
Figure BDA0004058616410000121
式中，ei为单位向量；PLmax,j为第j条线路正向或反向传输容量极限；当系统中无线路过载时，距运行点最近的安全边界对应的线路潮流约束就是系统安全裕度的“短板”；当系统出现一条或多条线路过载时，需要以最小的代价将系统运行点“拉回”安全域内，因此，定义运行点到各边界距离中的最小值作为指导安全态势辨识及后续控制的安全距离指标为：/>
Figure BDA0004058616410000122
在本实施例中，该指标对线路的潮流重载程度和拓扑脆弱性这两方面进行了衡量，是线路“危险”程度的综合指标，辨识系统运行过程中安全距离指标的变化趋势，对感知系统安全态势具有重要意义；
本发明对所用系统算例在某一时段内的安全态势进行分析，取该时段内负荷峰值为系统原始负荷的70％，在其余时刻，系统负荷按照某区域电网上午10：15至12:15的负荷变化情况同比例波动，如图3所示，每5分钟作为一个时刻记录点；其中t＝0至t＝12时刻为历史负荷数据；t＝12至t＝24时刻为预测负荷数据，用于对系统未来状态进行态势辨识，为保持功率平衡，系统中发电机出力随负荷同比例增减；根据公式(1)建立系统的静态安全域模型，基于式(7)及式(8)所示的安全距离模型分别计算t＝12至t＝24各时刻运行点到最近安全域边界的距离，并进行趋势提取，得到系统在当前运行状态(对应t＝12时刻)和未来运行状态下的安全裕度变化情况及其趋势提取结果如图4所示。
所述的步骤4具体为：由上述安全距离模型求得的系统当前态和未来态安全距离可组成一个时间序列函数，设记为D(t)，对D(t)函数采用多项式拟合，则其趋势特征可通过该多项式函数的参数来识别，D(t)函数可以由多个二阶多项式函数
Figure BDA0004058616410000131
分段拟合，在t时刻，第i个数据片段Di(t)的拟合多项式可记作：/>
Figure BDA0004058616410000132
式中，β＝[β0,β1,β2]为拟合多项式的参数；采用基于累积和的分割算法对D(t)进行分段提取，假设在t1时刻对应的分段拟合函数为/>
Figure BDA0004058616410000133
采样时间间隔为Δt，则k个采样时间间隔(k＝1,2,3,...)之后，由函数/>
Figure BDA0004058616410000134
外推得到的拟合值为该拟合值与/>
Figure BDA0004058616410000135
时刻对应的真实值之间的误差绝对值为：/>
Figure BDA0004058616410000136
则从t1开始，误差绝对值的累积和为：
Figure BDA0004058616410000137
给定一个阈值ε，当累积和超过该阈值，认为当前拟合函数的精度己经无法满足态势分析的要求，则从下一时刻开始，采用新的拟合函数重新拟合。
在本实施例中，可见，阈值的大小直接影响到趋势提取的准确度，而在系统运行过程中安全距离的波动程度不一定均匀，如果阈值固定不变，有可能出现累积和很快或很慢达到阈值的情况，造成计算复杂度增大或者某些趋势片段拟合精度较低，因此，根据实际电网情况来动态设定阈值，用拟合多项式的二阶导数的绝对值大小来表征安全距离指标变化的快慢，当指标变化较慢时，采用较小的累积和阈值；当指标变化较快时，采用较大的阈值；通过这种分级设定阈值的方式，使得分割算法能够满足自适应的在线趋势分析的要求。
所述的步骤5中的趋势分析具体包括以下步骤：
①初始化数据提取的滑动时间窗，设置其宽度为m，等待m个安全距离数据到达；
②用最小二乘法对这m个数据计算出拟合函数，如果该拟合函数在第ma个数据处存在极值点，则分别计算从第一个到第ma个数据的拟合函数和从第ma个到第m个数据的拟合函数；否则，转至步骤③；
③用该拟合函数进行模型外推，并计算外推所得的拟合值与真实值之间的误差的累积和，以及每个拟合值处拟合函数的一阶导数；
④若累积和没有超过阈值(即|Cusum|＜ε)，并且一阶导数不等于0，那么当前的拟合函数就是合格的，可继续接拟合新的数据；否则，将累积和置为0，转至步骤②，重新开始拟合；
⑤当剩余的待拟合数据个数少于m时，直接计算剩余数据的拟合函数，所有数据均拟合完毕，则结束提取过程。
所述的步骤7具体为：由于电网运行均匀度指标反映了潮流分布的综合水平，是一种全局性的评价指标，故以运行均匀度最髙作为安全调度运行的目标：
Figure BDA0004058616410000141
上述优化问题转化为：/>
Figure BDA0004058616410000142
基于直流潮流模型，可得线路潮流方程为：/>
Figure BDA0004058616410000143
式中，Bk为线路k的电纳；θn为节点n电压相角；Pnmk为线路k(首末端节点为m和n)的有功潮流；在求解目标函数式(16)最小值的同时还需满足如下等式及不等式约束：节点有功功率平衡约束：
Figure BDA0004058616410000144
式中，Png为位于节点n的发电机g的有功出力；Pnd为节点的有功负荷；节点电压相角约束：/>
Figure BDA0004058616410000145
式中，θn,max、θn,min分别为节点n电压相角的上、下限；发电机有功出力约束：/>
Figure BDA0004058616410000146
式中，Pg,max、Pg,min分别为发电机g有功出力的上、下限；线路有功潮流传输限制约束：
Figure BDA0004058616410000147
式中，Pk,max、Pk,min分别为线路k有功传输功率的上、下限。
所述的步骤8具体为：为保证最优拓扑的鲁棒性，在进行线路开断的同时需要考虑N-1安全校核，假设用变量c来表征系统的运行状态，c＝0表示没有发生N-1预想事故时的系统状态，即稳态；c≠0时对应系统发生N-1故障后的运行状态；引入0-1变量Nkc表示在系统处于状态c下线路k的运行状态，Nkc＝0表示在状态c下线路k断开；Nkc＝1表示线路k是闭合；则对于c＝0时，有：
Figure BDA0004058616410000151
c＞0时，有：/>
Figure BDA0004058616410000152
Figure BDA0004058616410000153
式中，N为系统N-1预想事故总数；基于最优线路开断的安全均匀调度模型可表示为：/>
Figure BDA0004058616410000154
约束条件为：
Figure BDA0004058616410000155
Figure BDA0004058616410000156
Figure BDA0004058616410000157
Figure BDA0004058616410000158
式中，mz为最优拓扑下系统中的线路总数；uz为最优拓扑下系统的平均负载率；zk为表征线路运行状态的0-1变量，0表示断开线路，1表示投入该线路，断开的线路即为被排除在最优拓扑外的线路；J为最大允许的开断线路数。/>
在本实施例中，式(27)和(28)为由式(17)转化而来的直流潮流方程，其中Mkc为大于等于|Bk(θc,max-θc,min)|的数值较大的常数，用以在线路开断时松弛直流潮流方程；当zk＝1且Nkc＝1(即线路投运)时，直流潮流方程等式约束严格成立；当zk＝0或Nkc＝0(即线路断开)时，直流潮流方程被松弛，与式(32)配合确保线路免的有功潮流为0；式(29)-(31)分别为节点有功功率平衡约束、节点电压相角约束和发电机有功出力约束，与传统的安全均匀调度模型相同；式(32)为线路有功潮流传输限制约束；式(33)为允许开断的线路数目限制约束。
在本实施例中，本发明采用安全均匀调度模型对开断状态进行优化调整，均匀调度前后对应的两种运行状态下，系统中各线路负载率的分布状况对比如图6所示，其中横坐标为按照负载率值由大到小的顺序依次对各条线路赋予的编号；由图6可见，实施安全均匀调度后系统中各线路负载率分布曲线较优化前更为平坦，各线路负载率值之间的差别减小，电网运行均匀度提高；通过调度方式的调整，这部分轻载线路的剩余容量可以承担一部分重载线路的传输容量，为重载线路预留出一定的输送能力，从而提高系统整体的运行安全性；另外，对优化调度后的系统运行状态进行N-1安全校验，均无元件过载，在有线路开断的情况下系统仍然能够满足N-1安全校验；若采用传统经济调度方法对系统运行状态进行优化，目标函数为最小化经济成本，调整后系统的潮流分布情况与安全均匀调度结果对比如图7所示；
为进一步验证本发明所提方法的有效性，对不考虑线路开断的安全均匀调度策略和基于最优线路开断的安全均匀调度策略进行对比分析，两种情况下系统中各线路负载率的分布情况如图8和图9所示。
所述的步骤9中的电网安全均匀调度模型的求解具体包括以下步骤：
①将所有N-1状态下的安全约束移出原优化模型(26)-(33)，得到只考虑基态安全约束的简化模型，并求出这个新模型下的最优解；
②判断在该最优解下系统的运行状态是否满足所有N-1安全校验；如果是，那么该最优解也是原模型的最优解；
③如果当前优化结果给出的最优拓扑不能满足某一个或某几个N-1安全校验，就将这些越限的支路N-1安全约束添加回新模型中，形成一个含部分支路N-1安全约束的模型；
④重新优化求解这个含部分N-1约束的模型，并检查在其最优解下是否满足所有安全约束；如此循环往复，将每次迭代后经校验不满足的约束添加回模型中，直到求得的最优解能满足所有N-1安全约束，该最优解就是原优化模型的最优解；本发明所提的电网安全均匀调度优化模型求解流程如图10所示。
本发明为一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统，在使用中，本发明提出的态势感知模型能够对系统整体以及薄弱环节的安全态势提供定量描述，模型提取的趋势特征不仅反映了系统运行状态是向安全边界靠近还是远离，还给出了安全裕度变化速率的定量信息，可实现系统运行状态的自动辨识，有助于缓解海量运行数据给调度人员带来的巨大压力，同时，为调度人员后续进行有效的控制措施提供了科学指导；本发明提出的均匀调度方法通过灵活选择最优网络拓扑结构，进一步提高了潮流分布的均匀度及输电元件的利用率，对于充分挖掘现有电网的输电能力、建设灵活有效的智能电网调度策略等具有重要意义；本发明具有基于安全域理论、实现“态评估”和“势分析”、提供预警信息、采用均匀调度优化系统状态的优点。
实施例2
如图1-10所示，一种电力系统运行安全态势辨识系统，它包括第一层、第二层、及第三层三个层次，所述的第一层用于收集系统当前态运行信息和未来态运行信息；
所述的第二层用于根据所述的第一层中获取的信息，对系统当前态的安全距离进行求取；
所述的第三层包括对系统未来态安全距离的评估和其趋势特征的辨识。
在本实施例中，图1为本发明提出的电力系统安全态势感知架构，通过这三层态势分析过程，运行人员可获取电网早期预警信息，从而为后续的均匀调度或预防控制等措施提供指导，优化系统运行状态。
所述的第一层收集的系统当前态运行信息包括发电机出力数据即发电计划、开关状态；所述的第一层收集的未来态运行信息包括调度计划，短期、超短期负荷预测。
一种电力系统运行安全态势辨识系统，包括安全态势感知要素，所述的安全态势感知要素包括系统运行点到安全域边界的安全距离、运行点的移动方向和运行点的移动速率；
所述的运行点的移动方向通过安全距离的增加或减少来体现：若安全距离减少，则运行点向着靠近安全域边界的方向移动，系统将有向更加“不安全”状态发展的趋势；若安全距离增加，则运行点向着远离安全域边界的方向移动，系统运行状态有向更“安全”状态发展的趋势；
所述的运行点的移动速率即运行点靠近或远离安全域边界的移动速率则通过系统在下一时刻或短期内安全距离指标的变化速率来表征。
在本实施例中，本发明提出的安全态势辨识架构包含了三个方面：系统运行点对应的安全距离，运行点在安全域内的移动方向和移动速率；综合这二方面的系统态势感知图如图5所示：图中每个柱体代表了安全距离指标在该趋势片段对应的时间段内的变化量，其中颜色较深的柱体表示安全距离变化量小于0，即安全距离有减小的趋势；颜色较浅的柱体表示安全距离变化趋势为增加；颜色较深的柱体上向上的竖线表示趋势变化速率处于加速状态，颜色较浅的柱体上向上的竖线表示减速变化的趋势，反之亦然；线段长度表征了趋势变化速率的绝对值大小；特别地，若趋势识别为基元A，即该时段内安全距离指标变化量为0，则态势图中用水平线段来表示；由图5可见，系统的安全裕度随着负荷水平的变化经历了一个先变低而后变高的过程，对应着系统安全水平先变差而后变好；从t＝12时刻开始，系统负荷迅速增加，并在t＝15时刻达到峰值，此阶段对应的安全距离指标值迅速减小到最低值；尽管系统运行状态在该时段内是安全的(安全距离指标值始终大于0)，但是系统运行点在持续靠近安全域边界，安全裕度加速减小；这种感知出的“变差”的趋势特征将触发预警系统，给调度人员以提示；随后，系统负荷水平开始降低，系统的安全裕度也在逐渐增大，运行状态向着“变好”的趋势发展。
本发明为一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统，在使用中，本发明提出的一种电力系统运行的安全态势辨识架构；基于安全域理论，分析了安全域空间中系统运行的态势特征，提出了安全态势辨识的基本概念；综合考虑了线路动态传输容量极限等实际运行约束，通过安全距离测度对系统运行安全裕度进行度量；基于改进的趋势分析技术，对指标序列进行趋势提取和趋势特征识别，给出了相应的态势预警信息；另外针对态势不断恶化的系统，本发明提出了一种基于输电网结构优化的安全均匀调度模型，通过线路在运行过程中开断状态的灵活调整实现优化调度。所提出的态势辨识模型实现了对系统运行安全状态演化的趋势特征的定量描述，为智能监控提供了科学依据；提出的安全均匀调度模型充分挖掘了电网现有输电能力，提高了系统运行状态优化策略的灵活性；本发明具有基于安全域理论、实现“态评估”和“势分析”、提供预警信息、采用均匀调度优化系统状态的优点。

Claims (10)

1.一种电力系统运行安全态势辨识方法，其特征在于：所述的方法包括以下步骤：
步骤1：定义电力系统安全态势感知架构；
步骤2：定义电力系统安全态势感知的三个要素；
步骤3：构建由一组同时满足潮流方程和运行安全约束的全部运行点的节点功率注入构成的集合的电力系统静态安全域；
步骤4：由安全距离模型求得系统当前态和未来态安全距离组成的时间序列函数；
步骤5：采用分级设定阈值的方式，使得分割算法能够满足自适应的在线趋势分析；
步骤6：利用电网运行均匀度评估指标来表征系统各输电元件负载率的相近程度，具体为：输电线路(i,j)的负载率uij的平均值为：
Figure FDA0004058616400000011
式中，mL为系统中线路的总数；采用标准差来度量各输电线路负载率数值之间的差异程度：/>
Figure FDA0004058616400000012
可得对应的均匀度评估指标为：H＝1-h(14)，对于输电线路负载率有uij∈[0，1]，因此其标准差及运行均匀度评估指标H的取值范围也是[0，1]，在同一负荷水平下，h越小，电网中各线路负载率差异越小，潮流分布越均衡，相应的系统运行安全性就越高；
步骤7：以直流潮流为基础，采用电网运行均匀度指标作为评价的目标函数，建立电网安全均匀调度模型；
步骤8：采用输电网结构优化中的最优线路开断模型即OTS模型，进行电网安全均匀调度；
步骤9：对电网安全均匀调度模型进行求解。
2.如权利要求1所述的一种电力系统运行安全态势辨识方法，其特征在于：所述的步骤3具体为：用发电机节点的有功功率注入向量PG来表征系统运行点，可将系统有功静态安全域表示为：
Figure FDA0004058616400000021
式中，Pd为负荷节点的有功功率向量；PGmax、PGmin分别为发电机有功出力的上、下限；D为节点-支路转移分布因子矩阵，有D＝BLATB-1，其中BL为支路电纳矩阵、A为节点-支路关联矩阵、B为节点电纳矩阵；DG为D中与发电机节点对应的列构成的矩阵；PLmax表示输电线路传输容量极限值向量；式(1)中的运行安全约束包括等式约束和不等式约束：其中，等式约束为负荷平衡约束；不等式约束包含发电机出力限值约束和线路潮流限值约束；安全域ΩSSR本质上是高维空间中的一个超多面体，式(1)中的运行安全约束是一组超平面，这些超平面共同构成了安全域的边界；在以上这些安全域边界中，线路传输容量极限值是限制系统安全裕度的主要因素，输电线路的静态传输容量极限即SLR是通过固定的环境气温、风速、日照强度气象条件和导线参数来计算得到的；采用当地的气象边界条件，确定实际的线路动态传输容量极限即DLR，根据导线热平衡方程，在稳态下输电线路吸收的功率和散热功率应相等，有：qr+qc＝qs+I2·R(Tc)(2)，式中，qr为由环境温度和导线温度差引起的辐射散热功率；qc为导线的对流散热功率，取决于风速和风向；qs为导线在日照下吸收的热功率；I为导线的稳态载流量；R(Tc)为导线温度在Tc条件下的交流电阻；I2·R(Tc)为导线交流电阻在Tc温度下的发热功率；设导线当前最大允许温度为Tcmax，基于导线温度模型，在给定的气象参数边界条件下，求得导线当前的最大允许载流量为：/>
Figure FDA0004058616400000022
则线路动态有功传输功率极限为：
Figure FDA0004058616400000031
式中，UN为额定电压；/>
Figure FDA0004058616400000032
为功率因数；将式(1)中的线路正向有功潮流约束集记为：LCi:ηi,1PG1+...+ηi,nPGn≤Li,i＝1,...,m(5)，式中，n为系统当中发电机节点总数；m为输电线路个数；PGi为第Gi个发电机节点的有功出力；ηi,j为矩阵DG的第i行第j列元素，DG＝[η]m×n；DL＝DPd+PLmax，Li为第i个约束的边界值；线路反向传输容量限制约束集同理；则线路i的潮流约束对应的边界方程为：Bi:ηi,1PG1+...+ηi,nPGn-Li＝0(6)，通过计算运行点到各线路潮流约束方程对应的安全域边界的欧氏距离，可以得到系统在各个方向上的安全裕度；系统当前运行点为/>
Figure FDA0004058616400000037
则/>
Figure FDA0004058616400000038
到线路i潮流约束对应边界的安全距离可通过如下模型来度量：/>
Figure FDA0004058616400000033
式中，ei为单位向量；PLmax,j为第j条线路正向或反向传输容量极限；当系统中无线路过载时，距运行点最近的安全边界对应的线路潮流约束就是系统安全裕度的“短板”；当系统出现一条或多条线路过载时，需要以最小的代价将系统运行点“拉回”安全域内，因此，定义运行点到各边界距离中的最小值作为指导安全态势辨识及后续控制的安全距离指标为：
Figure FDA0004058616400000034
3.如权利要求1所述的一种电力系统运行安全态势辨识方法，其特征在于：所述的步骤4具体为：由上述安全距离模型求得的系统当前态和未来态安全距离可组成一个时间序列函数，设记为D(t)，对D(t)函数采用多项式拟合，则其趋势特征可通过该多项式函数的参数来识别，D(t)函数可以由多个二阶多项式函数
Figure FDA0004058616400000035
分段拟合，在t时刻，第i个数据片段Di(t)的拟合多项式可记作：/>
Figure FDA0004058616400000036
式中，β＝[β0,β1,β2]为拟合多项式的参数；采用基于累积和的分割算法对D(t)进行分段提取，假设在t1时刻对应的分段拟合函数为/>
Figure FDA0004058616400000041
采样时间间隔为Δt，则k个采样时间间隔(k＝1,2,3,...)之后，由函数/>
Figure FDA0004058616400000042
外推得到的拟合值为该拟合值与/>
Figure FDA0004058616400000043
时刻对应的真实值之间的误差绝对值为：
Figure FDA0004058616400000044
则从t1开始，误差绝对值的累积和为：
Figure FDA0004058616400000045
给定一个阈值ε，当累积和超过该阈值，认为当前拟合函数的精度己经无法满足态势分析的要求，则从下一时刻开始，采用新的拟合函数重新拟合。
4.如权利要求1所述的一种电力系统运行安全态势辨识方法，其特征在于：所述的步骤5中的趋势分析具体包括以下步骤：
①初始化数据提取的滑动时间窗，设置其宽度为m，等待m个安全距离数据到达；
②用最小二乘法对这m个数据计算出拟合函数，如果该拟合函数在第ma个数据处存在极值点，则分别计算从第一个到第ma个数据的拟合函数和从第ma个到第m个数据的拟合函数；否则，转至步骤③；
③用该拟合函数进行模型外推，并计算外推所得的拟合值与真实值之间的误差的累积和，以及每个拟合值处拟合函数的一阶导数；
④若累积和没有超过阈值即|Cusum|＜ε，并且一阶导数不等于0，那么当前的拟合函数就是合格的，可继续接拟合新的数据；否则，将累积和置为0，转至步骤②，重新开始拟合；
⑤当剩余的待拟合数据个数少于m时，直接计算剩余数据的拟合函数，所有数据均拟合完毕，则结束提取过程。
5.如权利要求1所述的一种电力系统运行安全态势辨识方法，其特征在于：所述的步骤7具体为：由于电网运行均匀度指标反映了潮流分布的综合水平，是一种全局性的评价指标，故以运行均匀度最髙作为安全调度运行的目标：
Figure FDA0004058616400000051
上述优化问题转化为：/>
Figure FDA0004058616400000052
基于直流潮流模型，可得线路潮流方程为：
Figure FDA0004058616400000053
式中，Bk为线路k的电纳；θn为节点n电压相角；Pnmk为线路k的有功潮流；在求解目标函数式(16)最小值的同时还需满足如下等式及不等式约束：节点有功功率平衡约束：/>
Figure FDA0004058616400000054
式中，Png为位于节点n的发电机g的有功出力；Pnd为节点的有功负荷；节点电压相角约束：/>
Figure FDA0004058616400000055
式中，θn,max、θn,min分别为节点n电压相角的上、下限；发电机有功出力约束：/>
Figure FDA0004058616400000056
式中，Pg,max、Pg,min分别为发电机g有功出力的上、下限；线路有功潮流传输限制约束：
Figure FDA0004058616400000057
式中，Pk,max、Pk,min分别为线路k有功传输功率的上、下限。
6.如权利要求1所述的一种电力系统运行安全态势辨识方法，其特征在于：所述的步骤8具体为：为保证最优拓扑的鲁棒性，在进行线路开断的同时需要考虑N-1安全校核，假设用变量c来表征系统的运行状态，c＝0表示没有发生N-1预想事故时的系统状态，即稳态；c≠0时对应系统发生N-1故障后的运行状态；引入0-1变量Nkc表示在系统处于状态c下线路k的运行状态，Nkc＝0表示在状态c下线路k断开；Nkc＝1表示线路k是闭合；则对于c＝0时，有：
Figure FDA0004058616400000058
c＞0时，有：/>
Figure FDA0004058616400000059
/>
Figure FDA00040586164000000510
式中，N为系统N-1预想事故总数；基于最优线路开断的安全均匀调度模型可表示为：/>
Figure FDA00040586164000000511
约束条件为：
Figure FDA0004058616400000061
Figure FDA0004058616400000062
Figure FDA0004058616400000063
Figure FDA0004058616400000064
式中，mz为最优拓扑下系统中的线路总数；uz为最优拓扑下系统的平均负载率；zk为表征线路运行状态的0-1变量，0表示断开线路，1表示投入该线路，断开的线路即为被排除在最优拓扑外的线路；J为最大允许的开断线路数。
7.如权利要求1所述的一种电力系统运行安全态势辨识方法及系统，其特征在于：所述的步骤9中的电网安全均匀调度模型的求解具体包括以下步骤：
①将所有N-1状态下的安全约束移出原优化模型(26)-(33)，得到只考虑基态安全约束的简化模型，并求出这个新模型下的最优解；
②判断在该最优解下系统的运行状态是否满足所有N-1安全校验；如果是，那么该最优解也是原模型的最优解；
③如果当前优化结果给出的最优拓扑不能满足某一个或某几个N-1安全校验，就将这些越限的支路N-1安全约束添加回新模型中，形成一个含部分支路N-1安全约束的模型；
④重新优化求解这个含部分N-1约束的模型，并检查在其最优解下是否满足所有安全约束；如此循环往复，将每次迭代后经校验不满足的约束添加回模型中，直到求得的最优解能满足所有N-1安全约束，该最优解就是原优化模型的最优解。
8.一种电力系统运行安全态势辨识系统，它包括第一层、第二层、及第三层三个层次，其特征在于：所述的第一层用于收集系统当前态运行信息和未来态运行信息；
所述的第二层用于根据所述的第一层中获取的信息，对系统当前态的安全距离进行求取；
所述的第三层包括对系统未来态安全距离的评估和其趋势特征的辨识。
9.如权利要求8所述的一种电力系统运行安全态势辨识系统，其特征在于：所述的第一层收集的系统当前态运行信息包括发电机出力数据即发电计划、开关状态；所述的第一层收集的未来态运行信息包括调度计划，短期、超短期负荷预测。
10.如权利要求8所述的一种电力系统运行安全态势辨识系统，包括安全态势感知要素，其特征在于：所述的安全态势感知要素包括系统运行点到安全域边界的安全距离、运行点的移动方向和运行点的移动速率；
所述的运行点的移动方向通过安全距离的增加或减少来体现：若安全距离减少，则运行点向着靠近安全域边界的方向移动，系统将有向更加“不安全”状态发展的趋势；若安全距离增加，则运行点向着远离安全域边界的方向移动，系统运行状态有向更“安全”状态发展的趋势；
所述的运行点的移动速率即运行点靠近或远离安全域边界的移动速率则通过系统在下一时刻或短期内安全距离指标的变化速率来表征。
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