CN116596394A - 一种电力系统节点可靠性评估方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统节点可靠性评估方法及系统。方法包括：S1、收集电力系统各节点和线路参数信息；S2、添加电力系统中各节点的约束；S3、设置初始故障k值为1；S4、以最小化各个故障场景下节点的功率不平衡量为优化目标，在步骤S2获得的约束条件下，求解优化模型得到各节点的切负荷数据；S5、根据切负荷数据判断该节点的N‑k安全约束是否满足，若不满足约束，则计算该节点的可靠性指标；S6、进行下一负荷节点的计算，直到所有负荷节点的可靠性指标均计算完毕。本发明在无需引入其他变量的前提下通过故障严重程度直接推得节点的可靠性，建立了节点N‑k安全约束与可靠性之间的直接联系，为电力系统可靠性评估提供了一个全新的视角。

Description

一种电力系统节点可靠性评估方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统可靠性评估技术领域，更具体地说，特别涉及一种电力系统节点可靠性评估方法及系统。

背景技术

N-1安全准则是衡量电力系统稳定性的重要手段，其含义在于系统中任意一个设备因故障或计划退出运行时，不影响整个电网的安全稳定供电，包括所有节点不切负载、所有线路不过负荷、电压和频率均在允许范围之内，能够满足电能质量的要求。随着可再生能源的大量并网，系统中负荷的复杂性日益提升，电网的安全稳定运行面临着极大的挑战，原有N-1安全准则已经无法保证系统的供电可靠性，N-k安全准则应运而生。相较于传统N-1安全准则，N-k安全准则适用于因极端天气、随机攻击或蓄意攻击导致系统中多个元件故障的场景。

然而，k值每增加1，因提升系统可靠性而带来的投资成本将会呈指数级增长，且通常情况下仅仅是其中部分关键节点有提高可靠性的需求，而不是将所有的负荷节点用同样的可靠性标准对待。当前对N-k安全准则的研究都是从系统整体的角度考虑，而忽略了不同节点可靠性需求的差异性。此外，当前研究中关于多个故障的成因绝大多数都来自于因单一故障引发的连锁反应，最终导致系统中k个元件故障，而忽略了极低概率事件的影响，即系统遭受攻击而同时出现k个元件故障的场景。为此，有必要开发一种考虑改进的N-k安全准则的电力系统节点可靠性评估方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电力系统节点可靠性评估方法及系统，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种电力系统节点可靠性评估方法，该方法基于改进的N-k安全准则实现，改进的N-k安全准则定义为电力系统中同时有任意k个元件因故障或计划退出运行，若某节点处负载需求仍能得到满足，则称该节点满足节点的N-k安全准则，该方法包括以下步骤：

S1、收集电力系统各节点和线路参数信息；

S2、添加电力系统中各节点的功率平衡约束、直流潮流方程约束、线路潮流限制约束、发电量约束、功角约束以及功率不平衡量约束，并从第一个负荷节点开始循环；

S3、设置初始故障k值为1，k故障元件数；

S4、以最小化各个故障场景下节点的功率不平衡量为优化目标，以电力系统中的发电机发电量、线路潮流、节点的电压功角、节点的功率不平衡量为决策变量，在步骤S2获得的约束条件下，通过GUROBI求解器求解优化模型，得到各节点的切负荷数据；

S5、根据切负荷数据判断该节点的N-k安全约束是否满足，若不满足约束，则计算该节点的可靠性指标，且该节点的指标不再更新；若满足约束，则故障等级升级，并重复步骤S4，直至计算出该负荷节点的可靠性指标；

S6、进行下一负荷节点的计算，并返回步骤S3，直到所有负荷节点的可靠性指标均计算完毕。

进一步地，所述步骤S1中电力系统总的发电能力大于其负载需求，每个节点的发电机注入功率等于该节点处所连的所有发电单元的功率之和，线路参数包含系统拓扑、传输容量上限以及线路导纳。

进一步地，所述步骤S4中得到的各节点的切负荷数据为故障场景下各节点的最小切负荷量。

进一步地，所述步骤S5中根据切负荷数据判断该节点的N-k安全约束是否满足具体为：根据切负荷数据判断节点i是否切负荷，若有切负荷量则该节点不满足N-k安全约束。

进一步地，所述步骤S4中的优化模型的目标函数为：

式中，r_i ⁺、r_i ^-分别表示节点i处的功率盈余和功率缺额，θ_i表示节点的电压功角，p_l表示线路l的传输功率，g_i表示节点i处发电机的注入功率；

所述优化模型的约束条件为：

式中，f(l)＝i和t(l)＝i分别表示节点i为线路功率的送端和受端，d_i为节点的负荷需求，B_l为线路l的导纳值，a_l为一二元变量，b_l为一二元变量，M为利用大M法对等式进行松弛时所用的系数。

进一步地，所述步骤S5中的可靠性指标为：

式中，h为节点首次切负荷所对应的故障元件数k，q_ij为节点i在故障场景j下的切负荷量。

进一步地，所述步骤S6中确定是否所有负荷节点的可靠性指标均已计算完毕，若仍有待计算的节点，则返回步骤S3继续计算，否则结束。

进一步地，所述步骤S5中的故障等级升级为即故障元件数k加一。

本发明还提供一种用于实现上述电力系统节点可靠性评估方法的系统，包括：

收集模块，用于收集电力系统各节点和线路参数信息；

添加模块，用于添加电力系统中各节点的功率平衡约束、直流潮流方程约束、线路潮流限制约束、发电量约束、功角约束以及功率不平衡量约束，并从第一个负荷节点开始循环；

设置模块，用于设置初始故障k值为1，k故障元件数；

优化模块，用于以最小化各个故障场景下节点的功率不平衡量为优化目标，以电力系统中的发电机发电量、线路潮流、节点的电压功角、节点的功率不平衡量为决策变量，在步骤添加模块获得的约束条件下，通过GUROBI求解器求解优化模型，得到各节点的切负荷数据；

判断模块，用于根据切负荷数据判断该节点的N-k安全约束是否满足，若不满足约束，则计算该节点的可靠性指标，且该节点的指标不再更新；若满足约束，则故障等级升级，并重复优化模块的步骤，直至计算出该负荷节点的可靠性指标；

计算模块，用于进行下一负荷节点的计算，并返回设置模块，直到所有负荷节点的可靠性指标均计算完毕。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明在N-k安全准则的定义层面上，打破了传统定义将系统看作整体进行研究的限制，将研究对象细化为节点，对于故障的形成原因也与现有研究所考虑的因单一故障引发的连锁反应不同，考虑因攻击导致的多个故障同时发生的极低概率事件；在可靠性评估指标层面上，利用切负荷量这一变量将N-k安全准则与节点可靠性评估建立了直接联系，三个指标侧重点不同，第一个指标强调节点切负荷的频次，第二个指标强调节点切负荷量的期望值，第三个指标强调节点相对切负荷量的期望值，同时第一个和第三个指标与节点违反约束的k值相结合，能够真实反应其所能承受的故障严重程度，以小数形式精确体现。该评估方法凸显了节点之间的可靠性差异，在无需引入其他变量的前提下通过故障严重程度直接推得节点的可靠性，建立了节点N-k安全约束与可靠性之间的直接联系，为电力系统可靠性评估提供了一个全新的视角。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明电力系统节点可靠性评估方法的流程图。

图2是本发明电力系统节点可靠性评估方法的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

参阅图1所示，本实施例公开了一种电力系统节点可靠性评估方法，该方法基于改进的N-k安全准则实现，改进的N-k安全准则定义为电力系统中同时有任意k个元件因故障或计划退出运行，若某节点处负载需求仍能得到满足，即未切负荷，则称该节点满足节点的N-k安全准则，该方法包括以下步骤：

步骤S1、收集电力系统各节点和线路参数信息。

具体的，电力系统总的发电能力大于其负载需求，每个节点的发电机注入功率等于该节点处所连的所有发电单元的功率之和，线路参数包含系统拓扑、传输容量上限以及线路导纳。

步骤S2、添加电力系统中各节点的功率平衡约束、直流潮流方程约束、线路潮流限制约束、发电量约束、功角约束以及功率不平衡量约束，并从第一个负荷节点开始循环。

具体的，该步骤中的约束是使得求解出的决策变量满足电力系统潮流，采用直流潮流是为了简化计算。

步骤S3、设置初始故障k值为1，k故障元件数。

步骤S4、以最小化各个故障场景下节点的功率不平衡量为优化目标，以电力系统中的发电机发电量、线路潮流、节点的电压功角、节点的功率不平衡量为决策变量，在步骤S2获得的约束条件下，通过GUROBI求解器求解优化模型，得到各节点的切负荷数据。

具体的，所述步骤S2中将获得的约束条件添加到优化模型中，在所述步骤S4求解出故障场景下各节点的最小切负荷量。

步骤S5、根据切负荷数据判断该节点的N-k安全约束是否满足，若不满足约束，则计算该节点的可靠性指标，且该节点的指标不再更新；若满足约束，则故障等级升级，并重复步骤S4，直至计算出该负荷节点的可靠性指标。

具体的，该步骤根据步骤S4获得的切负荷数据判断节点i是否切负荷，若有切负荷量则说明该节点不满足N-k安全约束，因此需要计算可靠性指标以得出其真正能承受的故障严重程度k'，可得k'∈[k-1,k]，得出可靠性指标后该节点的指标将不再更新；若所有故障场景下该节点均未切负荷，则说明节点满足N-k安全约束，需要提升故障等级(即k＝k+1)，返回步骤S4进一步计算，直到确定该节点的可靠性指标方可进入下一步。

步骤S6、进行下一负荷节点的计算，并返回步骤S3，直到所有负荷节点的可靠性指标均计算完毕。

具体的，该步骤中确定是否所有负荷节点的可靠性指标均已计算完毕，若仍有待计算的节点，则返回步骤S3继续计算，否则结束。

本实施例提出的电力系统节点可靠性评估方法，在获得各个节点的发电能力、负载需求、线路拓扑、线路传输容量上限、线路导纳等信息后，添加节点的功率平衡约束、线路潮流方程约束以及潮流容量约束、发电机功率上限约束、功角约束以及功率不平衡量约束。此时，以最小化节点功率不平衡量为优化目标；以系统中节点的发电量、线路传输功率、节点的电压功角、节点的功率不平衡量为决策变量；以上述所有约束所构成的集合为约束条件，进而求解出系统中各个节点的切负荷数据，据此进行后续可靠性指标的计算。

本实施例步骤S4中的优化模型的目标函数为：

式中，式(1)表示需进行最小化的目标函数，r_i ⁺、r_i ^-分别表示节点i处的功率盈余和功率缺额，θ_i表示节点的电压功角，p_l表示线路l的传输功率，g_i表示节点i处发电机的注入功率；

所述优化模型的约束条件为：

其中，式(2)为节点的功率平衡约束，其中f(l)＝i和t(l)＝i分别表示节点i为线路功率的送端和受端，d_i为节点的负荷需求，该式表示节点的注入功率与输出功率之间的平衡；式(3)为直流潮流方程，其中B_l为线路l的导纳值，a_l为一二元变量，当邻接矩阵中两节点编号所确定的位置值为1(即a_l＝1)时代表该线路在系统拓扑当中，否则该线路不在拓扑当中，b_l为一二元变量，当线路l故障时取值为1，正常运行时取值为0，M为利用大M法对等式进行松弛时所用的系数，即当且仅当两点间有线路连接且线路运行正常时传输功率可由线路导纳和两端点功角差得出，线路不在拓扑内或因故障开断时则由不等式约束；式(4)为线路传输功率约束；式(5)为发电机功率上限约束；式(6)为节点功角约束；式(7)为功率不平衡量的约束。

步骤S5中的可靠性指标为：

其中，h为节点首次切负荷所对应的故障元件数k，m_i为节点在所有故障场景下的切负荷次数，n_k为k个元件故障时所有可能的场景数，式(8)为第一个指标，强调了切负荷场景的数量；式(9)为第二个指标，强调了节点的平均切负荷量，其中q_ij为节点i在故障场景j下的切负荷量；式(10)为第三个指标，在平均切负荷量的基础上引入了节点的负荷需求d_i，从而得出平均相对切负荷值。首先执行N-1准则，如果节点i违反安全约束，则h设置为1，节点i的所有指标从现在起不再更新。对于其他满足N-1准则的节点，当k＝2时将更新指标。重复上述步骤，直到找到所有负荷节点的指标值。

参阅图2所示，本发明还提供一种用于实现上述电力系统节点可靠性评估方法的系统，包括收集模块1，用于收集电力系统各节点和线路参数信息；添加模块2，用于添加电力系统中各节点的功率平衡约束、直流潮流方程约束、线路潮流限制约束、发电量约束、功角约束以及功率不平衡量约束，并从第一个负荷节点开始循环；设置模块3，用于设置初始故障k值为1，k故障元件数；优化模块4，用于以最小化各个故障场景下节点的功率不平衡量为优化目标，以电力系统中的发电机发电量、线路潮流、节点的电压功角、节点的功率不平衡量为决策变量，在步骤添加模块获得的约束条件下，通过GUROBI求解器求解优化模型，得到各节点的切负荷数据；判断模块5，用于根据切负荷数据判断该节点的N-k安全约束是否满足，若不满足约束，则计算该节点的可靠性指标，且该节点的指标不再更新；若满足约束，则故障等级升级，并重复优化模块的步骤，直至计算出该负荷节点的可靠性指标；计算模块6，用于进行下一负荷节点的计算，并返回设置模块，直到所有负荷节点的可靠性指标均计算完毕。

本发明在N-k安全准则的定义层面上，打破了传统定义将系统看作整体进行研究的限制，将研究对象细化为节点，对于故障的形成原因也与现有研究所考虑的因单一故障引发的连锁反应不同，考虑因攻击导致的多个故障同时发生的极低概率事件；在可靠性评估指标层面上，利用切负荷量这一变量将N-k安全准则与节点可靠性评估建立了直接联系，三个指标侧重点不同，第一个指标强调节点切负荷的频次，第二个指标强调节点切负荷量的期望值，第三个指标强调节点相对切负荷量的期望值，同时第一个和第三个指标与节点违反约束的k值相结合，能够真实反应其所能承受的故障严重程度，以小数形式精确体现。该评估方法凸显了节点之间的可靠性差异，在无需引入其他变量的前提下通过故障严重程度直接推得节点的可靠性，建立了节点N-k安全约束与可靠性之间的直接联系，为电力系统可靠性评估提供了一个全新的视角。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电力系统节点可靠性评估方法，其特征在于，该方法基于改进的N-k安全准则实现，改进的N-k安全准则定义为电力系统中同时有任意k个元件因故障或计划退出运行，若某节点处负载需求仍能得到满足，则称该节点满足节点的N-k安全准则，该方法包括以下步骤：

S1、收集电力系统各节点和线路参数信息；

S2、添加电力系统中各节点的功率平衡约束、直流潮流方程约束、线路潮流限制约束、发电量约束、功角约束以及功率不平衡量约束，并从第一个负荷节点开始循环；

S3、设置初始故障k值为1，k故障元件数；

S4、以最小化各个故障场景下节点的功率不平衡量为优化目标，以电力系统中的发电机发电量、线路潮流、节点的电压功角、节点的功率不平衡量为决策变量，在步骤S2获得的约束条件下，通过GUROBI求解器求解优化模型，得到各节点的切负荷数据；

S5、根据切负荷数据判断该节点的N-k安全约束是否满足，若不满足约束，则计算该节点的可靠性指标，且该节点的指标不再更新；若满足约束，则故障等级升级，并重复步骤S4，直至计算出该负荷节点的可靠性指标；

S6、进行下一负荷节点的计算，并返回步骤S3，直到所有负荷节点的可靠性指标均计算完毕。

2.根据权利要求1所述的电力系统节点可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S1中电力系统总的发电能力大于其负载需求，每个节点的发电机注入功率等于该节点处所连的所有发电单元的功率之和，线路参数包含系统拓扑、传输容量上限以及线路导纳。

3.根据权利要求1所述的电力系统节点可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S4中得到的各节点的切负荷数据为故障场景下各节点的最小切负荷量。

4.根据权利要求1所述的电力系统节点可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S5中根据切负荷数据判断该节点的N-k安全约束是否满足具体为：根据切负荷数据判断节点i是否切负荷，若有切负荷量则该节点不满足N-k安全约束。

5.根据权利要求1所述的电力系统节点可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S4中的优化模型的目标函数为：

式中，r_i ⁺、r_i ^-分别表示节点i处的功率盈余和功率缺额，θ_i表示节点的电压功角，p_l表示线路l的传输功率，g_i表示节点i处发电机的注入功率；

所述优化模型的约束条件为：

式中，f(l)＝i和t(l)＝i分别表示节点i为线路功率的送端和受端，d_i为节点的负荷需求，B_l为线路l的导纳值，a_l为一二元变量，b_l为一二元变量，M为利用大M法对等式进行松弛时所用的系数。

6.根据权利要求1所述的电力系统节点可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S5中的可靠性指标为：

式中，h为节点首次切负荷所对应的故障元件数k，q_ij为节点i在故障场景j下的切负荷量。

7.根据权利要求1所述的电力系统节点可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S6中确定是否所有负荷节点的可靠性指标均已计算完毕，若仍有待计算的节点，则返回步骤S3继续计算，否则结束。

8.根据权利要求1所述的电力系统节点可靠性评估方法，其特征在于，所述步骤S5中的故障等级升级为即故障元件数k加一。

9.一种用于实现权利要求1-8任意一项所述电力系统节点可靠性评估方法的系统，其特征在于，包括：

收集模块，用于收集电力系统各节点和线路参数信息；

添加模块，用于添加电力系统中各节点的功率平衡约束、直流潮流方程约束、线路潮流限制约束、发电量约束、功角约束以及功率不平衡量约束，并从第一个负荷节点开始循环；

设置模块，用于设置初始故障k值为1，k故障元件数；

优化模块，用于以最小化各个故障场景下节点的功率不平衡量为优化目标，以电力系统中的发电机发电量、线路潮流、节点的电压功角、节点的功率不平衡量为决策变量，在步骤添加模块获得的约束条件下，通过GUROBI求解器求解优化模型，得到各节点的切负荷数据；

判断模块，用于根据切负荷数据判断该节点的N-k安全约束是否满足，若不满足约束，则计算该节点的可靠性指标，且该节点的指标不再更新；若满足约束，则故障等级升级，并重复优化模块的步骤，直至计算出该负荷节点的可靠性指标；

计算模块，用于进行下一负荷节点的计算，并返回设置模块，直到所有负荷节点的可靠性指标均计算完毕。