用於大型電力系統快速進行n-1故障掃描的實現方法
2024-02-09 18:45:15
專利名稱：用於大型電力系統快速進行n-1故障掃描的實現方法
技術領域：
本發明涉及一種可對大型電力系統N-I故障進行快速掃描的程序實現方法。
背景技術：
N-I故障掃描是對電力系統單一設備元件故障情況的模擬，即分析正常方式下單一設備元件故障退出後整個系統的運行狀態，掃描的元件類型一般包括發電機、變壓器、母線、線路等。N-I方式是一種預想的故障狀態，要進行完整的掃描需要進行多次的潮流計算， 時間很長，如何有效縮短計算時間是N-I故障掃描的一個重要問題。N-I故障掃描的基礎是電力系統潮流計算，常見潮流計算方法有高斯塞德爾法、牛頓拉夫遜法(又分直角坐標法、極坐標法、帶二階項法)、PQ分解法、直流潮流法等。PQ分解法由於其計算速度快，佔用計算資源少，應用較為廣泛，但PQ分解法對潮流模型做了較多的等值處理，對於計算模型有更為嚴格的要求，如支路電阻遠小於電抗，節點電壓幅值約等於1等，由此導致使該方法在某些情況下收斂性較差；牛頓拉夫遜法保留了更為完整的計算模型信息，對計算條件具有更好的適應性；高斯塞德爾法沒有收斂性問題，但該方法計算效率偏低，多用於供電網或配電網的分析計算，在中高壓輸電網的計算中一般不用。直流潮流法沒有收斂性問題，該方法是一種近似算法，但對於大型電力系統中高壓輸電網部分， 其計算的精度是滿足要求的。對於潮流計算來講，如果不能穩定得到計算結果，則計算速度的提高已經失去了意義，因此在算法的篩選上，優先採用PQ分解法，當PQ分解法迭代較多次數(30次)仍不收斂時，改用牛頓拉夫遜法，如果牛頓拉夫遜法不收斂，則採用直流潮流模型。N-I是在基態潮流模型基礎上停掉某一設備元件，對基態模型的修改相對局部化， 網絡的大部分沒有變化，如果能夠有效利用變化前已有的信息快速計算出變化後的網絡， 則可以使計算速度大幅提高。常用的網絡方程修正解法有兩種一種是補償法，另一種是因子表修正算法。補償法基於矩陣求逆輔助定理，在變化部分階次較低時有明顯優勢。補償法可分為後補償、前補償和中補償三種計算格式，各有其特點。補償也可分為面向節點的補償和面向支路的補償。因子表修正算法特別適用於網絡變化時永久性的應用場合。因子表修正在原有的因子表上進行，有秩1因子修正和局部因子再分解兩種方法。這兩種方法可以採用稀疏矢量技術，因此計算量相當小。當網絡變化引起網絡方程階次變化時，也有相應的處理辦法，而且利用稀疏矢量技術可以使計算速度大大提高。目前N-I掃描計算在EMS高級應用、安全穩定分析、電能計劃校核等領域都有應用。實際應用中計算速度並不能令人滿意，以1000多個設備元件，完成一次潮流計算所需時間大約為0. 04秒，完成一個所有元件的完整掃描所需時間約為40秒，要完成一天96個時段的完整掃描所需時間約為64分鐘。對省級電網如此，對應更大規模的區域級電網、國家級電網，則計算時間更長。況且對於電能計劃安全校核來講，由於計劃本身即存在多次調整的情況，如果每次都重新進行N-I掃描，則計算時間更顯得不現實。現有工程應用中縮短計算時間的措施可分為兩類消減計算任務和分散計算任務。消減計算任務主要是故障集合的篩選，即通過適當的選擇方法，挑出對電網薄弱點靈敏高的設備元件進行計算，從而減少N-I掃描數目。但故障集的篩選本身要花費一定的時間， 而且電力系統是一個非線性的系統，部分N-I運行方式甚至改變了電網的結構，因此篩選機制並不可靠。分散計算任務主要是並行計算的採用，即將由一臺計算機完成的計算任務分給多臺。但並行計算對硬體設備要求較高，程序實現複雜，其中的計算任務分配與綜合、 數據同步等也會佔用很多的機時，並不能從根本上解決問題。
發明內容
為了解決現有技術在N-I故障掃描計算時間過長的問題，本發明結合大型電力系統N-I故障掃描的計算特點，通過採用模型復用和修正計算等，提供一種用於大型電力系統N-I故障進行快速掃描的程序實現方法，大幅提高計算速度。實現上述目的的本發明技術方案如下用於大型電力系統快速進行N-I故障掃描的實現方法，所述大型電力系統輸電電壓等級、負荷水平較高，N-I故障掃描的對象包括發電機、變壓器、母線、線路等。快速進行 N-I故障掃描的實現方法包括如下步驟(1)結合大型電力系統拓撲結構特點，根據導納矩陣階數、矩陣結構、矩陣數值的異同分三級建模；(2)對每個N-I計算任務首先進行模型匹配，復用已有模型，對形成的新模型則根據後續待掃描的元件類型和拓撲屬性，進行復用性評估，保留必要的計算過程信息；(3)採用後補償法進行掃描計算；(4)根據迭代過程中偏差量的變化規律，在三種潮流算法間自動切換。所述潮流方程的三級建模和模型復用，即根據導納矩陣階數、矩陣結構、矩陣數值的異同分三級建模，經復用性評估，保留必要的計算過程信息，與後補償法相結合，通過模型的匹配減少重複計算，以空間換時間，大幅提高N-I掃描效率。所述潮流算法的自動切換和後補償法的應用，即根據計算過程中偏差量的變化規律，在三種潮流算法PQ分解法、牛頓拉夫遜法、直流潮流法間自動切換，通過分析迭代矩陣中的各元素的組成結構和特點，優化構造修正矩陣，將後補償法應用於N-I故障掃描的各潮流計算方法。本發明方法與現有技術相比較的有益技術效果體現在以下方面(1)對計算流程優化，獲得計算速度的大幅度根本性提升遵循以空間換時間的處理思路，採用潮流方程的三級建模，動態保存有復用價值的中間計算結果，節省了大量耗費機時的匹配檢索及數值運算，以可以控制的資源開銷獲得計算速度的大幅提升。以2009年7月安徽電網的計算情況為例說明。全省220kV以上母線數451、線路數402、發電機數106、變壓器數88個，每天要進行96個時段的N-I掃描，按獨立的潮流計算，需要完成051+402+106+88) *96 = 100512，如果採用傳統的程序實現方法，則完成所有計算需要耗費100512*0. 04秒，約為67分鐘，而採用本發明的程序實現方法，單計算線程完成整個計算只需不到8分鐘的時間，效率提升近8倍。並且通過對模型的分解和組合，為實現並行計算提供了更為便利的條件。
(2)實現潮流計算方法的動態切換，穩定獲得分析結果潮流方程是非線性方程，解算的方法是迭代求解，由於初始值選擇不當或病態矩陣等原因，可能導致迭代反覆或發散的情況。本發明提供了 PQ分解法、牛頓拉夫遜法、直流潮流法等方法，並跟蹤計算過程，對各潮流求解方法動態切換，可以穩定獲得潮流解，很好地兼顧了計算效率和計算精度。
圖1為常規方法的潮流計算流程示意圖。圖2為本發明方法的潮流計算流程示意圖。
具體實施例方式下面通過實施例本發明做進一步地描述。(1)潮流方程的三級建模和模型復用N-I故障快速掃描中涉及的設備類型包括發電機、變壓器、母線、線路等。各類元件對計算模型的影響分析如下，所作分析圍繞計算節點數是否變化、導納矩陣結構是否變化、 導納矩陣數值是否變化、節點注入功率是否平衡展開。見表1 表1不同類型元件故障對計算模型的影響
元件類型故障影響計算節點數導納矩陣結構導納矩陣數值功率平衡發電機VVVX變壓器有並列VVXV無並列XXXV母線有並聯接機組或負荷VVXX無機組或負荷VVXV無並聯接機組或負荷XXXX無機組或負荷XXXV線路有並聯VVXV無並聯VXXV表中，「 V」表示沒有變化，「X」表示發生了變化或不平衡。①發電機故障當發電機發生故障時，只影響節點的注入功率平衡，如果計算電網對外有聯絡線，則不平衡量加載在聯絡線上，如果沒有，則在網內實現分散平衡。②變壓器故障變壓器故障情況較為複雜，如果是聯絡變壓器，且沒有並列運行的情況，則會引起計算節點數的變化，如果是聯絡變有並列運行的情況，則只影響導納陣的數值，而其他情況如升壓變、啟備變、終端變等，則一般採用等值建模等措施，不納入N-I掃描範圍。③母線故障廠站內母線一般都設置多條，如果是分母運行，則母線故障會引起計算節點數發生變化，如果是並聯運行，則引起導納陣數值變化，如母線上接有發電機或負荷，在會引起節點注入功率發生變化。④線路故障如果有並聯運行線路，則導納陣數值發生變化，如果沒有並聯運行線路，則導納陣結構發生變化，由於大型電力系統在較高電壓等級一般都不採用輻射狀接線， 因此線路故障引起節點數發生變化的情況很少。基於以上分析，本發明採用內存資料庫技術，對潮流模型以及中間結果進行優化篩選和保留。在掃描計算過程中，首先檢索內存資料庫，看是否有相匹配的模型，如果有相匹配的模型，則直接載入原有模型，修正節點注入量後即啟動計算，如果沒有相匹配的模型，則形成新模型，並進行模型的可復用性評估，根據評估結果決定是否有必要保留該模型。與常規處理方法區別如下其中的模型匹配算法和復用性評價算法是關鍵，而模型的保存方式則是充分利用計算機存儲的特點，通過特徵量的Hash編碼，實現優化檢索和快速匹配。模型匹配是以計算模型Case的特徵量作為匹配依據的，每個計算Case包含的特徵量有基態運行方式、故障元件類型、故障元件名稱等，而基態運行方式下即處於檢修或者備用狀態的元件，在存儲上與故障元件相區別。復用性評價是對模型的特徵量進行分析，評估與尚未完成的N-I方式的相關性， 相關性較強的則以特徵量的Hash編碼為標記，將其中間結果保存。而對於復用性不強的模型在設置可刪除標誌位，新模型信息可以覆蓋該存儲區域，節省存儲空間。在應用中，可以根據計算設備的配置情況，設置不同的可復用性指標，對應復用性評價結果大於該指標的才保存，從而有效控制存儲空間，取得時間和空間的協調平衡。由於模型完全一致的情況較少，為了最大程度地減少計算量，本發明採用分級建模的方法，即結合計算的特點將完整的潮流方程模型細分為不同級別的元模型，大大提高可復用性。具體做法是將基態運行方式進行歸類，並分為三級，分級標準及處理方案如下 (1)第一級計算節點數是否一致。如果在96時段中，由於母線檢修等原因，引起電網計算節點線數目有變化，則依據節點數為依據，將模型劃分。(2)第二級導納陣結構是否一致。 如果是雙回線，當一條線路退出時，另一條線路仍然可以保持導納陣的結構不變。(3)第三級導納陣數值是否一致。當導納陣數值相同時，可以共用雅可比矩陣。在計算過程中，採用故障設備類型和基態運行方式進行一致性判別，如果第三級一致，在跳過第一、二級直接啟動計算，如果第二級一致則跳過第一級啟動計算。對於節點數一致的情況，潮流解算過程中節點的準最優排序可以復用；導納陣結構一致的情況，只需記錄其有變化的元素的位置信息和數值信息即可，方便補償法的應用。分級建模也為計算過程中潮流算法的切換提供了便利。PQ分解法、牛頓拉夫遜法、 直流潮流法三種潮流計算方法對應的方程是不同的，如果只保留最終的方程矩陣，則在切換潮流算法時，需要從零開始形成與新算法對應的模型。而採用三級建模，則在形成新的計算模型時，可以根據情況從中間的某一級切入，並充分利用三種潮流方程矩陣元素的相關性，直接復用大部分的數值，實現新潮流算法的快速建模和啟動。(2)潮流算法的自動切換和後補償法的應用本發明提供PQ分解法、牛頓拉夫遜法、直流潮流法三種方法。在計算過程中優先採用PQ分解法，並記錄迭代偏差量的變化，如果偏差量出現反覆，則自動切換至牛頓拉夫遜法，如果偏差量依然反覆，則轉到直流潮流法。三種方法都有相匹配的補償法，其中牛頓拉夫遜法中補償法的應用需要採用序列修正的方法。採用以極坐標形式表示的NR潮流算法，由於雅可比矩陣僅具有結構對稱性而數
值上不對稱，因此當網絡出現支路開斷時，為反映這一幵斷而修正雅可比矩陣就相對複雜。
當支路i_j開斷時，雅可比矩陣的修正量為 .0
W丨 ι■
權利要求
1.用於大型電力系統快速進行N-I故障掃描的實現方法，所述大型電力系統輸電電壓等級、負荷水平較高，N-I故障掃描的對象包括發電機、變壓器、母線、線路等；其特徵在於 快速進行N-I故障掃描的實現方法包括如下步驟(1)結合大型電力系統拓撲結構特點，根據導納矩陣階數、矩陣結構、矩陣數值的異同分三級建模；(2)對每個N-I計算任務首先進行模型匹配，復用已有模型，對形成的新模型則根據後續待掃描的元件類型和拓撲屬性，進行復用性評估，保留必要的計算過程信息；(3)採用後補償法進行掃描計算；(4)根據迭代過程中偏差量的變化規律，在三種潮流算法間自動切換。
2.根據權利要求1所述的用於大型電力系統快速進行N-I故障掃描的實現方法，其特徵在於所述潮流方程的三級建模和模型復用，即根據導納矩陣階數、矩陣結構、矩陣數值的異同分三級建模，經復用性評估，保留必要的計算過程信息，與後補償法相結合，通過模型的匹配減少重複計算，以空間換時間，大幅提高N-I掃描效率。
3.根據權利要求1所述的用於大型電力系統快速進行N-I故障掃描的實現方法，其特徵在於所述潮流算法的自動切換和後補償法的應用，即根據計算過程中偏差量的變化規律，在三種潮流算法PQ分解法、牛頓拉夫遜法、直流潮流法間自動切換，通過分析迭代矩陣中的各元素的組成結構和特點，優化構造修正矩陣，將後補償法應用於N-I故障掃描的各潮流計算方法。
全文摘要
本發明涉及一種用於大型電力系統快速進行N-1故障掃描的實現方法，快速進行N-1故障掃描的實現方法包括如下步驟(1)結合大型電力系統拓撲結構特點根據導納矩陣階數、矩陣結構、矩陣數值的異同分三級建模；(2)對每個N-1計算任務首先進行模型匹配，並經復用性評估，保留必要的計算過程信息；(3)採用後補償法進行掃描計算；(4)與後補償法相結合，根據計算過程中偏差量的變化規律，在三種潮流算法PQ分解法、牛頓拉夫遜法、直流潮流法間自動切換。通過分析迭代矩陣中的各元素的組成結構和特點，優化構造修正矩陣，巧妙地將後補償法應用於N-1故障掃描的各潮流計算方法。本發明可獲得計算效率的大幅度根本性提升。
文檔編號H02J3/00GK102487196SQ201010571859
公開日2012年6月6日 申請日期2010年12月3日 優先權日2010年12月3日
發明者劉充許, 周濤, 宋祥春, 朱剛剛, 王海超, 胡世駿, 陳實 申請人:安徽電力調度通信中心