考慮負(fù)荷波動極限的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評估方法，具體為考慮負(fù)荷波動極限的電力 系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年世界范圍內(nèi)電力系統(tǒng)的電壓崩潰事故頻繁發(fā)生，造成大面積的停電事故， 不僅給電力部門和其它用電行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，還極大地影響了人民群眾的正常 生活。
[0003] 電壓失穩(wěn)事故發(fā)生具有突發(fā)性、隱蔽性，初期很難察覺，無法及時(shí)采取緊急措施， 當(dāng)電壓失穩(wěn)導(dǎo)致電壓崩潰時(shí)就很難挽回?；謴?fù)正常供電需數(shù)小時(shí)，甚至十幾小時(shí)，從而造 成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。
[0004] 因此，深入研宄電壓穩(wěn)定性問題，對系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性進(jìn)行評估，將風(fēng)險(xiǎn)評估方 法應(yīng)用于電力系統(tǒng)安全評估來定量評估系統(tǒng)的安全狀態(tài)，具有非常重要的理論和實(shí)際意 義。
[0005]負(fù)荷波動是電力系統(tǒng)運(yùn)彳丁面臨的最主要的不確定性因素之一。在考慮負(fù)荷波動情 況下，分析電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，具有重要的意義。
[0006]目前，電力系統(tǒng)的安全性評估方法主要有確定性評估方法、概率評估方法和風(fēng)險(xiǎn) 評估方法。確定性評估方法廣泛應(yīng)用于早期電力工業(yè)中，該方法通常只重視最嚴(yán)重、最可信 的事故，所得結(jié)論過于保守，很難反映系統(tǒng)整體狀況，無法計(jì)及系統(tǒng)中的不確定因素；概率 評估方法克服了上述不足，考慮了元件故障概率及系統(tǒng)事故發(fā)生的概率等，從概率角度反 映系統(tǒng)運(yùn)行的概率特性，但未考慮事故造成的后果；風(fēng)險(xiǎn)評估方法同時(shí)考慮故障發(fā)生概率 和故障所造成的嚴(yán)重后果，以兩者乘積作為電壓崩潰的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。風(fēng)險(xiǎn)評估方法定量地抓 住了事故的可能性和嚴(yán)重性兩個重要因素，全面地反映事故對整個電力系統(tǒng)的影響。
[0007] Borkowska在1974年提出概率潮流的概念。概率潮流可綜合考慮各種不確定因素 和各種系統(tǒng)運(yùn)行狀況，全面評價(jià)電力系統(tǒng)，量化分析薄弱環(huán)節(jié)?？蔀殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃、可靠性 分析和系統(tǒng)安全性分析等提供有參考價(jià)值的信息，已成為評估電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要工 具。
[0008] 概率潮流計(jì)算方法主要包括解析法（卷積法、半不變量法、一次二階矩法）、點(diǎn) 估計(jì)法（point estimate method，PEM)和蒙特卡羅模擬法（Monte Carlo simulation method，MCSM)。
[0009] 解析法中，卷積法概念清晰，但當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，需要大量的存儲空間和計(jì)算時(shí) 間；半不變量法采用半不變量代數(shù)運(yùn)算代替卷積運(yùn)算，提高了計(jì)算效率；一次二階矩法能 處理輸入隨機(jī)變量的相關(guān)性，但只能求出輸出隨機(jī)變量的均值與方差。
[0010] 點(diǎn)估計(jì)法是一種近似求解方法，根據(jù)已知輸入隨機(jī)變量的概率分布求取輸出隨機(jī) 變量各階矩。該方法計(jì)算速度快，得到的輸出隨機(jī)變量的均值和方差精度高，但輸出隨機(jī)變 量的高階矩誤差大，隨著輸入隨機(jī)變量數(shù)目的增加計(jì)算量也會增加。
[0011] 蒙特卡羅模擬法的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，可隨機(jī)模擬系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行方式，不需要對 實(shí)際問題做過多的簡化與假設(shè)，是最準(zhǔn)確、靈活的概率潮流計(jì)算方法。缺點(diǎn)是當(dāng)采樣規(guī)模足 夠大時(shí)，蒙特卡羅模擬法的計(jì)算結(jié)果精度高但耗時(shí)長。因此常用于驗(yàn)證其他方法的準(zhǔn)確性。
[0012] 蒙特卡羅模擬法應(yīng)用于電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性分析的求解步驟如下：
[0013] 1)建立系統(tǒng)各元件系統(tǒng)模型。包括系統(tǒng)中等效電源點(diǎn)、線路、負(fù)荷的模型。
[0014] 2)根據(jù)等效電源點(diǎn)、線路、負(fù)荷的模型抽樣獲得大量數(shù)據(jù)。
[0015] 3)根據(jù)抽樣結(jié)果進(jìn)行確定性潮流計(jì)算。獲得對應(yīng)的求解數(shù)據(jù)，包括各節(jié)點(diǎn)電壓幅 值、各支路有功功率、無功功率等。
[0016] 蒙特卡羅模擬法最突出優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的規(guī)?；驈?fù)雜程度對其抽樣量幾乎沒有影響。 因此，該方法特別適用于處理各種復(fù)雜的不確定因素，獲得大量不同情況的系統(tǒng)狀態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明解決現(xiàn)有電壓穩(wěn)定性評估角度單一的問題，提供一種考慮負(fù)荷波動極限的 電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評估方法。該評估方法重點(diǎn)考慮系統(tǒng)中負(fù)荷波動極限并結(jié)合N-1 故障分析，從不同角度確定系統(tǒng)的薄弱區(qū)域，并對系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性進(jìn)行多角度、多指標(biāo)綜合 評估。
[0018] 本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：考慮負(fù)荷波動極限的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性風(fēng) 險(xiǎn)評估方法，是由如下步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0019] (1)獲取要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估的系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)、元件參數(shù)
[0020] 包括母線電壓參數(shù)、等效電源輸出功率（如發(fā)電機(jī)組、無功補(bǔ)償裝置、電網(wǎng)間聯(lián)絡(luò) 線等）、負(fù)荷功率、輸電線路阻抗參數(shù)及故障率參數(shù)、變壓器參數(shù)。其中：定義輸電線路、電 纜、變壓器以及連接兩個母線的輸電設(shè)備為"支路";將電力系統(tǒng)等效電源點(diǎn)、支路、負(fù)荷統(tǒng) 稱為"元件";定義電力系統(tǒng)中所有母線為"節(jié)點(diǎn)"。
[0021] ⑵確定各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)負(fù)荷的變化范圍：各負(fù)荷增長系數(shù)在[70%，KJ區(qū)間上服從 均勻分布
[0022] 1)負(fù)荷變化范圍的上限
[0023] 假設(shè)系統(tǒng)有X個節(jié)點(diǎn)，任一節(jié)點(diǎn)為w(l <w<X)，M個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)負(fù)荷 為L = [Lp L2,……，LM];其中，任一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)k(l彡k彡M)的初始負(fù)荷為LkQ;Z條傳輸線 路，發(fā)生N-1故障時(shí)，故障線路表示為1(1 < 1 < Z);采用確定性潮流計(jì)算方法中的連續(xù)潮 流法依次對系統(tǒng)中的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)按單負(fù)荷增長方式增加負(fù)荷至系統(tǒng)崩潰，此時(shí)計(jì)算得到增負(fù) 荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷記為L kl，負(fù)荷增長系數(shù)記為1^(1^= L kl/Lk(l)，各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷增長系數(shù)組成單負(fù) 荷增長系數(shù)矩陣本發(fā)明將單負(fù)荷增長方式的負(fù)荷增長極限作為負(fù)荷變化范圍的上限；
[0024] 2)負(fù)荷變化范圍的下限
[0025] 將電網(wǎng)中日最小負(fù)荷率巾％作為負(fù)荷變化范圍的下限，將巾％取值為70%。則負(fù) 荷增長系數(shù)在[70% 區(qū)間上服從均勻分布。
[0026] (3)通過概率潮流方法獲取系統(tǒng)的崩潰狀態(tài)。
[0027]1)將負(fù)荷增長系數(shù)[70%，KJ區(qū)間平均劃分為N個子區(qū)間進(jìn)行拉丁超立方抽樣， 即抽樣N次，j (1 < j < N)表示N次抽樣中的第j次，得到一個隨機(jī)負(fù)荷增長系數(shù)矩陣Knxm， 該矩陣中的K#表示第j次抽樣中第K個負(fù)荷節(jié)點(diǎn)負(fù)荷增長系數(shù)的取值，矩陣中第j行用L 表不。
[0028] 采用確定性潮流計(jì)算方法中的連續(xù)潮流法計(jì)算系統(tǒng)初始情況下按全負(fù)荷等比例 增長方式增加負(fù)荷至系統(tǒng)崩潰，得到負(fù)荷增長系數(shù)記為K m;
[0029] 2)根據(jù)Km對隨機(jī)負(fù)荷增長系數(shù)矩陣K NXM進(jìn)行篩選：如果，min(K /Km) > 1，負(fù)荷增 長系數(shù)矩陣KNXM的第j行L必然導(dǎo)致潮流不收斂，該行不進(jìn)行連續(xù)潮流計(jì)算，刪除該行；如 果，ma X(K/Km) < 1，負(fù)荷增長系數(shù)矩陣KNXM的第j行L必然導(dǎo)致潮流收斂，該行不進(jìn)行連 續(xù)潮流計(jì)算，刪除該行，最后得到隨機(jī)負(fù)荷增長系數(shù)矩陣;
[0030] 3)將隨機(jī)負(fù)荷增長系數(shù)矩陣中的各行進(jìn)行連續(xù)潮流計(jì)算，排除其中不收斂 的行，如果剩余的行中存在任意兩行K A、KB，使得max (KA) < min (KB)，則心必然導(dǎo)致潮流收 斂，刪除KA;得到隨機(jī)負(fù)荷增長系數(shù)矩陣Kv:xm;
[0031] 4)重復(fù)步驟1)至步驟3)得到一個&，將與前一步驟最終得到的隨機(jī)負(fù) 荷增長系數(shù)矩陣合并，如果合并后的矩陣中存在任意兩行1(。、1( 1)，1^11〇(。*/1(1))>1，說明1(。 比K D使系統(tǒng)更加接近崩潰狀態(tài)，則保留K。，刪除KD，得到?，
[0032] 5)重復(fù)步驟4) 10000/N次，使采樣結(jié)果更加逼近系統(tǒng)崩潰點(diǎn)，最終得到隨機(jī)負(fù)荷 增長系數(shù)矩陣KnXM，n表示最終得到的系統(tǒng)崩潰狀態(tài)的個數(shù)；
[0033] 6)校正，將隨機(jī)負(fù)荷增長系數(shù)矩陣KnXM的每行進(jìn)行連續(xù)潮流計(jì)算，按照全負(fù)荷等 比例增長方式增加負(fù)荷至系統(tǒng)崩潰，此時(shí)各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷增長系數(shù)構(gòu)成校正后的隨機(jī)負(fù) 荷增長系數(shù)矩陣K' nXM，根據(jù)K' nXM通過連續(xù)潮流計(jì)算得到由于負(fù)荷波動導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰時(shí)的 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)崩潰電壓矩陣Vnxx;
[0034] 7)采用N-1故障分析法隨機(jī)斷開傳輸線路造成系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化，重復(fù)步驟1)至 步驟6)，得到不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下的隨機(jī)負(fù)荷增長系數(shù)矩陣（K'gMh和節(jié)點(diǎn)崩潰電壓矩陣 (V nxx) 1。
[0035] 前述在采用確定性潮流計(jì)算方法中的連續(xù)潮流法計(jì)算過程中，系統(tǒng)元件的數(shù)學(xué)模 型如下：
[0036] a.等效電源點(diǎn)出力約束
[0037] 潮流計(jì)算中等效電源點(diǎn)出力的約束為：等效電源有功達(dá)到上限時(shí)，剩余功率由其 他等效電源或平衡機(jī)提供；PV節(jié)點(diǎn)無功越限時(shí)，將節(jié)點(diǎn)從PV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)镻Q節(jié)點(diǎn)。
[0038] b.負(fù)荷模型
[0039] 采用最常用的恒功率因數(shù)負(fù)荷模型，不考慮負(fù)荷之間的相關(guān)性。
[0040] c?線路模型
[0041] 根據(jù)線路故障率，線路模型采用最常用的0-1概率模型。
[0042] 在步驟（3)中，為獲得在不同負(fù)荷波動及不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)情況下的系統(tǒng)崩潰狀態(tài)， 本發(fā)明采用基于拉丁超立方抽樣的概率潮流模擬法。
[0043] 拉丁超立方抽樣是 M. D. McKay、R. J. Beckman、W. J. Conover 在 1979 年提出的一種 多維分層抽樣方法，在采樣規(guī)模相同的情況下，采用拉丁超立方抽樣的電力系統(tǒng)概率潮流 計(jì)算方法與采用簡單隨機(jī)采樣相比，誤差改善明顯且誤差收斂穩(wěn)健性更高，可以得到較為 穩(wěn)定的收斂精度。即拉丁超立方抽樣能提高采樣效率，用較小的采樣規(guī)?？梢赃_(dá)到較高的 計(jì)算精度。
[0044] 拉丁超立方抽樣方法由采樣和排序兩部分組成，采樣要求對每個輸入隨機(jī)變量的 采樣點(diǎn)均能夠完全覆蓋其對應(yīng)的隨機(jī)分布區(qū)間。排序要求控制各隨機(jī)變量采樣值的相關(guān) 性。
[0045] 常用的排序方法包括隨機(jī)排序、Cholesky分解法、Gram-Schmidt序列正交化方 法、模擬退火算法和遺傳算法等。
[0046] 采用Gram-Schmidt序列正交化方法進(jìn)行排列，相互獨(dú)立的隨機(jī)變量的采樣值的 相關(guān)性比其他方法低。因此，本發(fā)明采用Gram-Schmidt序列正交化方法對采樣結(jié)果進(jìn)行排 列。
[0047] (4)建立多尺度電壓穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系，包括電壓風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)、負(fù)荷節(jié)點(diǎn)類型 風(fēng)