一種大幹擾概率電壓穩定性的評估方法

2023-06-11 21:18:31 1

專利名稱：：一種大幹擾概率電壓穩定性的評估方法
技術領域：
：本發明涉及一種電力系統的模擬與計算，特別涉及基於電力系統可靠性評估的大幹擾概率電壓穩定性的評估方法。
背景技術：
：當今環境問題和能源危機日趨嚴重的發展趨勢對全球電力工業的可持續發展提出了無法迴避的挑戰，從而促使世界各國普遍加速研究和發展適應這一新挑戰的各種電力領域的新技術和新方法，其中就包括了概率性的電力系統可靠性評估方法。從歷史上看，由於發電系統可以用簡單的單節點模擬，上世紀五、六十年代就已在有些國家使用了基於概率的可靠性評估方法，現在很多國家都開展了相關的研究和應用工作，如俄羅斯已開始使用包括設備年平均故障次數、故障平均恢復時間、計劃檢修的平均頻率和計劃檢修係數等在內的概率性指標，指導電網規劃工作的開展。但由於電網可靠性計算模型的複雜性，這些概率性評價方法的應用範圍主要局限於規劃方案比較、配網評估等領域，而在電力系統的安全性評估，如電壓穩定分析方面，絕大多數國家目前仍幾乎無一例外地採用諸如N-1準則等的確定性方法。本發明中開展的將概率性方法應用於輸電系統電壓穩定評價的研究甚少有相關報導，而概率電壓穩定性概念定義的確定、評價原則和指標的選取以及適應於工程應用的實用分析方法的建立等內容則更是屬於急待開展的前沿性工作。
發明內容本發明在調研國內外電壓穩定可靠性評估研究進展基礎之上，結合電壓穩定的定義和分類情況，提出了大幹擾概率電壓穩定性的概念，基於所提的概念定義構造了能結合暫態和長期電壓穩定性的大幹擾電壓穩定的可靠性指標，制定了概率電壓穩定的綜合評價原則，在此基礎上，發展出了大幹擾概率電壓穩定性評估的算法流程。仿真分析結果表明，本發明所提出的大幹擾概率電壓穩定性概念及其分析方法能夠用定量評估指標直觀地表達系統的安全性能，並確定製約電力系統安全性的瓶頸和薄弱環節，這有利於指導調度運行人員制定相應的防範和改進措施，從而減少電壓崩潰事故的發生。大幹擾概率電壓穩定性評估的目標是結合概率統計方法和確定性分析方法來定量評估電力系統的電壓穩定性，給出概率性的電壓穩定指標。為此需要解決以下一些問題如大幹擾概率電壓穩定性概念定義的確定、適用於工程應用的概率分析模型的選取、概率電壓穩定評價原則和指標的制定以及實用算法流程的建立等。本發明針對上述問題，首次明確提出了大幹擾概率電壓穩定性的概念定義，基於該概念定義發展出了大幹擾概率電壓穩定性的工程實用分析方法，為電壓穩定的可靠性評估工作的開展提供了技術手段。以下將就本發明的技術內容進行具體介紹。1.大幹擾概率電壓穩定性的概念定義我國《電力系統安全穩定導則》以及國際《IEEE/CIGRE》均定義大幹擾電壓穩定作為電壓穩定的第一級子類，且大幹擾電壓穩定都包含短期和長期過程，其中短期大幹擾電壓穩定就是通常所說的暫態電壓穩定，根據以上定義，本發明首先限定在概率電壓穩定研究中的兩個特徵第一特徵是擾動形式為大幹擾，第二特徵是持續時間包含了短期和長期。結合概率穩定性定義，本發明提出大幹擾電壓穩定的概念。電力系統在本質上是一個隨機系統。電力系統的概率分析基於對電力系統的概率建模及統計評價，從整體和宏觀上評價電力系統的性能。電力系統可靠性概率評估的目的是研究系統安全運行的能力，以及如果元件等發生故障，可能引起的停電和解列事故，並以量化指標，如系統停電概率(LossofLoadProbability)等來表示系統可靠性。因此，本發明定義大幹擾概率電壓穩定性指標是指電力系統受到大擾動後，經過暫態和長期過程，系統發生電壓崩潰的概率。2.概率分析模型大幹擾概率電壓穩定性評估的概率分析模型包括元件模型和系統狀態模型兩部分。(1)元件模型發輸電系統的可靠性分析中，馬爾柯夫模型是基本的元件模型。對於線路、變壓器、母線這三類元件，都可以採用馬氏模型來描述。元件的可靠性模型一般採用傳統的二狀態模型，如附圖1所示。其中，N表示正常狀態，R表示故障修復狀態；義和;/分別表示故障率和修復率，與平均無故障運行持續時間MTTF和平均故障修復時間MTTR的關係如下所示(2)系統狀態模型故障前系統狀態由系統的網絡拓撲、發電方式和負荷水平確定，再根據故障發生的位置、故障類型、保護和開關動作情況即可確定系統狀態。一特定系統可能出現的全部狀態的集合稱為狀態空間Q，狀態空間分解法用系統所處的狀態和這些狀態之間可能發生的轉移來表示系統，並由故障判據劃分系統工作狀態和故障狀態，求得系統的可靠性指標。在元件的故障密度函數服從指數分布的情況下，元件的故障率和修復率都是常數，可用時齊次馬爾柯夫過程描述系統狀態的變化，求解得到系統狀態的概率、頻率和持續時間等指標。在基於故障枚舉法的概率安全性評估中，首先對狀態空間Q中所有的系統狀態一一列舉，然後再確定每一系統狀態中各個元件的狀態，其中，系統元件包括各種系統設備(如發電機、線路、變壓器等)以及不同的負荷水平。對一包括w個元件的電力系統來說，系統中的任一元件A(l《A《m)，設其不可用概率為A，14是它的運行狀態，則A^的概率函數戶(XJ為[l-/V捉行，&=0I,=(《|,1,2,...,義,4,...,《。,)是狀態空間中的一個系統運行狀態，i為正整數，根據各元件的不可用概率和相互關係，可以確定其聯合概率分布函數i5(1,)。例如當各元件的故障相互獨立時3.概率電壓穩定性評價的綜合原則及可靠性指標電壓穩定的動態可靠性評價原則主要是指可靠性評估中的指標選擇及其量化標準；由於動態可靠性評估總是和電力系統的穩定計算相關聯的，因此規定系統故障的選取準則也是必不可少的，此外，系統的可靠性要求和可靠性評價原則及其量化評估標準並不是一成不變的，它們會隨著社會和經濟的發展而不斷變化和提高，因此還必須規定評價原則及其量化標準的更新準則。(1)電壓穩定的可靠性指標考慮到電壓穩定的機理和特徵與功角穩定有很大不同，本發明提出的大幹擾概率電壓穩定的可靠性評估指標主要針對電壓穩定自身的評價內容，具體即為a)系統大幹擾電壓失穩概率。(2)系統故障選取準則在計算系統的可靠性概率指標時，需要模擬電網故障事件，因此必須確定系統故障的選取準則。本發明提出的故障準則主要考慮單重獨立元件故障和兩重獨立元件同時故障，即考慮元件的N—1和N—2故障，另外根據我國《電力系統安全穩定導則》，計算中還需要考慮較可能發生的一些多重嚴重故障類型。(3)可靠性評價原則及其量化標準的更新準則可靠性評價原則及量化評估標準應隨實際情況定期修改，例如可考慮每5年或10年修訂一次，以適應經濟的發展。4.大幹擾概率電壓穩定性評估的實用算法流程從理論上來講，對狀態空間Q中的所有狀態進行枚舉後，即可用下式計算系統的可靠性指標式中屍(X,)為每一系統狀態Z,eQ的發生概率，F(X,)為根據實際計算任務目的確定的可靠性指標。下述概率可靠性評估程序PSD-PRE就是基於上述算法原理實現的。其主要流程如附圖2所示，具體步驟描述如下-(1)構建概率電壓穩定評估的仿真計算條件i=&n&門&門i。；其中，R,表示電網故障前的網絡拓撲條件；Rp表示電網故障前的系統狀態條件，其包括潮流和負荷水平；Rf表示故障條件，其包括故障元件、故障類型和故障持續時間；R。為該系統在所關心時段內的後續擾動序列條件，即為^={^,<51,672,...^,,(^+1,...}，式中Ci(i二0，l，2,3,…)表示發生第i級擾動時的擾動元件集合，m為正整數，CQ=0表示任何擾動均未發生，^表示空集，加上劃線的擾動表示已出現，未加上劃線的擾動表示將要出現。(2)根據上述概率電壓穩定評估的仿真計算條件，採用時域仿真手段，進行確定性的暫態穩定和中長期穩定計算；(3)對包括連鎖故障在內的所有故障後果進行評估；(4)基於系統元件可靠性統計指標計算電壓穩定的概率安全指標5(F)。綜上所述，本發明提出了一種大幹擾概率電壓穩定性的評估方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1)構建概率電壓穩定評估的仿真計算條件i=&門&n&ni。，其中，R,表示電網故障前的網絡拓撲條件；Rp表示電網故障前的系統狀態條件，其包括潮流和負荷水平；Rf表示故障條件，其包括故障元件、故障類型和故障持續時間；R。為該系統在所關心時段內的後續擾動序列條件，11。={(^，^，(^,.丄:，^+1,...}，式中Ci^O，l，2,3,…)表示發生第i級擾動時的擾動元件集合，m為正整數，^=0表示任何擾動均未發生，^表示空集，加上劃線的擾動表示已出現，未加上劃線的擾動表示將要出現；(2)根據上述概率電壓穩定評估的仿真計算條件，採用時域暫態仿真程序和全過程動態仿真程序，進行確定性的暫態穩定和中長期穩定計算；(3)對包括連鎖故障在內的所有故障後果^KU)J)進行評估；其中，Xf表示系統當前的運行方式；Ei表示第i個故障模式；Sev(Ei，X》表示在當前運行方式下Ei發生後系統的嚴重程度，具體可為穩定性、功率、電量和損失指標中的任意一種，i為正整數；(4)在對狀態空間Q中的所有狀態完成確定性的穩定計算之後，應用故障枚舉法，計算系統的電壓穩定概率安全指標五(F)，完成概率電壓穩定性評估；其中，首先要對狀態空間Q中所有的系統狀態全部逐一列舉，然後再確定每一系統狀態中各個系統元件的狀態和不同的負荷水平，對一包括m個元件的系統來說，元件運行狀態的概率可由下式計算得到式中，A(1《A《m)表示電力系統中的任一元件，A為其不可用概率，J^是它的運行狀態，屍(x》為的概率函數；其次，在各元件故障相互獨立的條件下，得到元件運行狀態概率後，狀態空間中的一個系統運行狀態I,二(d,X,2,…,J^,…,U的聯合概率分布函數屍(X,)可由下式計算得到最後，即可由公式五(F)-ZF(義,)P(Z,)計算得到系統的電壓穩定概率安全指標式中屍(X,)為每一系統狀態義，eQ的發生概率，F(X,)為計算得到的指標函數，為根據實際計算任務目的確定的可靠性指標。本發明的大幹擾概率電壓穩定性的評估方法，其特徵還在於所述構建的概率電壓穩定評估的仿真計算條件中，故障條件的確定包括以下歩驟(1)根據穩定導則要求，計算中加入元件的單重故障模式，其中元件範圍包括線路、變壓器、母線和保護；(2)根據電網運行實際需要並顧及中長期穩定計算需求，計算中加入兩重獨立元件同時故障，其中需包括元件故障耦合繼電保護誤動的情況。本發明的優點是和電壓穩定的確定性評估分析相比，本發明提出的概率電壓穩定性評估能夠提供各節點和全網的失效概率和各種可靠性指標的數學期望，所提的狀態指標的狀態概率加權之和可構成某節點或全網的總指標，這樣的加權過程避免了極稀少多重事件的過度考慮，一般易於為工程上接受。因為這一方法可以考慮全部可能的狀態，並且指標的定義與系統結構無關，因此大幹擾概率電壓穩定性評估獲得的可靠性指標構成了比相應的電壓穩定確定性指標對事故風險更好的估計。電網仿真結果表明，大幹擾概率電壓穩定性評估可以用定量評估指標直觀地表達系統的安全性能，同時還可以找出制約電力系統安全性的瓶頸和薄弱環節，通過制定相應的防範和改進措施，能提高電力系統運行的安全性和可靠性，減少電壓崩潰事故的發生。圖l是電網元件的二狀態模型；圖2是大幹擾概率電壓穩定性評估主流程圖。具體實施例方式大幹擾概率電壓穩定性評估屬於可靠性評估的範疇。電力系統可靠性是對電力系統按可接受的質量標準和所需數量不間斷的向電力用戶供應電力和電能能力的度量。它包括充裕度和安全性兩個方面。充裕度又稱靜態可靠性，也就是在靜態條件下，電力系統滿足用戶對電力和電能量需求的能力；安全性也稱為動態可靠性，即在動態條件下電力系統經受住突然擾動(電力系統經受住大幹擾)，並不間斷地向用戶提供電力和電能量的能力。本發明主要涉及電壓穩定的動態可靠性評價問題即大幹擾概率電壓穩定性的定義、可靠性評價指標的算法流程的提出和建立。電壓穩定的概率性分析方法可以看成是確定性方法的推廣，即對所有可能的狀態都可以檢驗，並計算每一狀態的一個或幾個可靠性指標，這些狀態指標的狀態概率加權之和即為某節點或全網的總指標。在電力系統的規劃、設計、運行的全過程中，堅持系統全面的可靠性定量評估制度，是提高電力系統效能的有效方法。在電壓穩定的可靠性評估中，除了能夠對可能出現的故障進行故障分析，採取相應措施，以減少故障造成的影響之外，還可以確定電網合理的可靠性水平，使電力系統的綜合效益趨於最佳。以下是本發明方法的一個實施例，以某省實際電網進行仿真試驗作實施例，進一步說明如下大幹擾概率電壓穩定評估方法具體包括以下步驟，(1)形成概率電壓穩定評估的仿真計算條件對於本實施例，根據公式列式^=7,門&門^門&，確定電網故障前的潮流、負荷水平以及故障元件、故障類型、故障持續時間等仿真計算初始條件。10(2)根據概率電壓穩定評估的仿真計算條件，進行確定性的穩定計算本實施例中，根據所列仿真計算條件，基於時域仿真計算方法，採用中國電力科學研究院的中國版BPA潮流和暫態穩定程序以及全過程動態仿真程序，進行暫態穩定和中長期穩定計算。(3)對包括連鎖故障在內的所有故障後果5"eK《乂)進行評估，分析當前運行方式下《故障發生後系統的嚴重程度對於本實施例，Xf表示系統當前的運行方式；Ei表示第i個故障模式；Sev(Ei,Xf)表示在當前運行方式下Ei發生後系統的嚴重程度，可以是穩定性、功率、電量、損失等指標，i為正整數。(4)計算系統的電壓穩定概率安全指標五(F):對於本實施例，先根據
發明內容中介紹的概率分析模型公式要求，整理了系統的可靠性數據，主要包括一，發電機組、變壓器、架空線路、斷路器、母線等元件的強迫停運率(故障率)、計劃檢修(停運)次數、計劃停運時間、統計臺(百公裡)年數的可靠性指標；二，故障類型分布及重合閘率統計數據；三，繼電保護裝置誤動概率統計數據。表1和表2列出了部分統計數據。表1全國220kV以上電壓等級架空線故障類型統計tableseeoriginaldocumentpage11表22000-2004年全國繼電保護裝置不正確動作率tableseeoriginaldocumentpage11220kV系統0.680.860.850.811.140.868330kV系統1,071.390.681.081.91,224500kV系統1.151.281.341.261.491.304根據上述統計得到的系統及元件的可靠性數據，基於某省級電網2008年豐大方式的各種單一故障和多重故障的確定性穩定計算結果，即可利用本發明所提的指標和相應的算法流程計算系統的電壓穩定概率安全指標，完成概率電壓穩定評估。具體如下首先，對狀態空間Q中所有的系統狀態一一列舉，然後再確定每一系統狀態中各個元件的狀態，根據公式列式計算元件運行狀態的概率戶(義,)，其中;^表示系統的運行狀態，A(1《A《w)表示電力系統中的任一元件，m為系統元件個數。其次，在得到元件運行狀態概率後，根據公式列式計算狀態空間中的系統運行狀態=(《,,《2,..,...,《,)的聯合概率分布函數屍(I,);最後，根據公式列式計算系統的電壓穩定概率安全指標五(F)。在本實施例中，釆用基於概率的安全可靠性評估方法進行電壓穩定評估，求解結果如表3所示，和現有工程實際中常用的確定性評估方法相比，克服了確定性分析方法只能針對有限的、故障重數較少的事故進行安全穩定性校驗，且只能給出定性評價的缺點；本實施例中的方法能夠以量化的指標，如系統電壓失穩概率等，對系統保持安全可靠運行的能力給予更全面的評價。隨著電網複雜化程度的增加和電力管理體制的變化，本發明提出的概率電壓穩定性評估方法作為電力系統安全穩定分析的輔助分析手段，將被更多地應用到工程實際中，具有廣泛的推廣應用前景。表3某省級電網2008年主網可靠性評估結果失穩形態失去安全性概率值大幹擾電壓失穩概率1.294146e-9此處已經根據特定的示例性實施例對本發明進行了描述。對本領域的技術人員來說在不脫離本發明的範圍下進行適當的替換或修改將是顯而易見的。示例性的實施例僅僅是例證性的，而不是對本發明的範圍的限制，本發明的範圍由所附的權利要求定義。權利要求1、一種大幹擾概率電壓穩定性的評估方法，其特徵在於該方法包括以下步驟(1)構建概率電壓穩定評估的仿真計算條件R＝Rt∩Rp∩Rf∩Rc，其中，Rt表示電網故障前的網絡拓撲條件；Rp表示電網故障前的系統狀態條件，其包括潮流和負荷水平；Rf表示故障條件，其包括故障元件、故障類型和故障持續時間；Rc為該系統在所關心時段內的後續擾動序列條件，Rc＝{C0，C1，C2，...Cm，Cm+1，...}，式中Ci(i＝0，1，2，3，…)表示發生第i級擾動時的擾動元件集合，m為正整數，C0＝φ表示任何擾動均未發生，φ表示空集，加上劃線的擾動表示已出現，未加上劃線的擾動表示將要出現；(2)根據上述概率電壓穩定評估的仿真計算條件，採用時域暫態仿真程序和全過程動態仿真程序，進行確定性的暫態穩定和中長期穩定計算；(3)對包括連鎖故障在內的所有故障後果Sev(Ei，Xf)進行評估；其中，Xf表示系統當前的運行方式；Ei表示第i個故障模式；Sev(Ei，Xf)表示在當前運行方式下Ei發生後系統的嚴重程度，具體可為穩定性、功率、電量和損失指標中的任意一種，i為正整數；(4)在對狀態空間Ω中的所有狀態完成確定性的穩定計算之後，應用故障枚舉法，計算系統的電壓穩定概率安全指標E(F)，完成概率電壓穩定性評估；其中，首先要對狀態空間Ω中所有的系統狀態全部逐一列舉，然後再確定每一系統狀態中各個系統元件的狀態和不同的負荷水平，對一包括m個元件的系統來說，元件運行狀態的概率可由下式計算得到式中，k(1≤k≤m)表示電力系統中的任一元件，pk為其不可用概率，Xk是它的運行狀態，P(Xk)為Xk的概率函數；其次，在各元件故障相互獨立的條件下，得到元件運行狀態概率後，狀態空間中的一個系統運行狀態Xi＝(Xi1，X-2，...，Xik，...，Xim)的聯合概率分布函數P(Xi)可由下式計算得到最後，即可由公式計算得到系統的電壓穩定概率安全指標E(F)，式中P(Xi)為每一系統狀態Xi∈Ω的發生概率，F(Xi)為計算得到的指標函數，F(Xi)為根據實際計算任務目的確定的可靠性指標。2、如權利要求l所述的大幹擾概率電壓穩定性的評估方法，其特徵在於所述構建的概率電壓穩定評估的仿真計算條件中，故障條件的確定包括以下步驟(1)根據穩定導則要求，計算中加入元件的單重故障模式，其中元件範圍包括線路、變壓器、母線和保護；(2)根據電網運行實際需要並顧及中長期穩定計算需求，計算中加入兩重獨立元件同時故障，其中需包括元件故障耦合繼電保護誤動的情況。全文摘要本發明基於國內外電力系統穩定的定義和分類，結合電力系統可靠性評估方法，提出了大幹擾概率電壓穩定性的概念定義，基於該概念定義構造了能綜合考慮暫態和長期電壓穩定性的大幹擾電壓穩定的可靠性指標，制定了概率電壓穩定的綜合評價原則，在此基礎上，發明了基於電力系統可靠性評估的大幹擾概率電壓穩定的評估方法，通過該方法所建立的概率電壓穩定性評估實用算法流程可以對系統電壓穩定的安全特性給出定量的評估結果。文檔編號G06F17/50GK101446990SQ20081011795公開日2009年6月3日申請日期2008年8月18日優先權日2008年8月18日發明者劍丁,孫華東,宋雲亭,馬世英申請人:中國電力科學研究院