一种考虑经济性与安全性的电网发展评估方法

摘要

本发明涉及一种考虑经济性与安全性的电网发展评估方法，其包括以下步骤：收集待研究电网的初始状态数据；基于电网初始状态数据对电网发展状况进行演化模拟；根据得到的电网演化模拟结果，统计新建电厂、变电站和线路的相关信息并对电网连锁故障进行模拟，根据统计信息计算电网建设成本，根据电网连锁故障的模拟，得到电网连锁故障的负荷损失信息；对电网停电损失成本进行计算，得到电网演化总停电损失成本；根据电网建设成本、电网停电损失成本和增供负荷收益，计算电网发展成本；改变电网发展状况过程中的演化模拟控制参数，计算得到不同演化模拟控制参数下的电网发展成本值；电网发展成本值越低评定相应发展速度下电网发展越合理。

说明书

技术领域

本发明涉及一种电网发展评估方法，特别是关于一种考虑经济性与安全性的电网 发展评估方法。

背景技术

电能在当今社会发挥着重要的作用。电网作为电能的传输载体，对于其发展状况 的评估是人们关注的重要问题。合理发展的电网能够避免过度投资造成的资源浪费与 投资不足引发的高停电风险，同时满足用户对经济、安全电能的需要，服务于社会的 发展进步。利用模型仿真技术及与之相适应的评估方法对电网的发展状况进行分析评 估，一方面可以降低对实际数据广泛收集的依赖，另一方面能够全面分析电网发展进 程中多种因素的相互作用机理及其对电网发展的影响，对于电网的合理发展意义重大。

在电网发展的评估方面，对安全性与经济性进行考量是必要的，将两者有机的结 合在一起能够实现对电网发展的评估。现有技术对电网长期发展演化研究的模型有小 世界网络演化模型、无标度网络演化模型等。这些模型因为没有考虑电网N-1校验等 重要升级原则已不能真实地再现现代电网的发展状况。随着电网的发展，电网逐步互 联，连锁故障及其引发的大停电威胁着电网的安全运行。然而，现有技术中采用的可 靠性评估方法因为没有考虑故障发展具有相关性的特点，已不能真实地反映电网所面 临的停电成本。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种考虑经济性与安全性的电网发展评估方 法，该方法基于电网初始状态数据对电网发展状况进行演化模拟，并对电网发展成本 进行计算，本发明能够从经济性与安全性两方面对电网的发展状况进行综合评估。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种考虑经济性与安全性的电网发 展评估方法，其包括以下步骤：1）收集待研究电网的初始状态数据，其包括初始电网 模型数据、用于对初始电网进行演化模拟的数据和用于电网发展成本计算的历史统计 数据；2）基于电网初始状态数据对电网发展状况进行演化模拟；3）根据步骤2)中得 到的电网演化模拟结果，统计新建电厂、变电站和线路的相关信息，并根据统计信息 计算电网建设成本：

$W=\underset{t}{\Sigma }\frac{Y-t}{Y}(\underset{i}{\Sigma }{l}_{\mathrm{Lit}}{C}_{\mathrm{Li}}+\underset{j}{\Sigma }{S}_{\mathrm{Tjt}}{C}_{\mathrm{Tj}}),$

式中，Y表示演化时间总长；t表示进行某次电网升级的时间；l_Lit表示在t时刻新建电 压等级为i的线路长度；S_Tjt表示在t时刻新建电压等级为j的变压器容量；C_Li表示电 压等级为i的单位长度线路造价；C_Tj表示电压等级为j的单位容量变电站造价；4）根 据步骤2)中得到的电网演化模拟结果，对电网连锁故障进行模拟，得到若干关键时间 断面上电网连锁故障的负荷损失信息；5）根据步骤1）中收集的用于电网发展成本计 算的历史统计数据和步骤4）中得到的电网连锁故障的负荷损失信息，对电网停电损 失成本进行计算，得到电网演化总停电损失成本L为：

L＝ΣL_m，

式中，L_m为一个时段内的电网停电成本，

$L_m=\underset{i}{\Sigma }[C_n^i{p}^i{(1-p)}^{n-i}\times \frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{y_{\mathrm{ij}}}^2}{y_{\max }}{T}_{m}D],$

式中，i表示发生i重初始故障，i＝1,2…i_max，i_max为初始故障最高重数，n表示相应电 网中电力设备的数目，T_m表示停电规模为y_max时的持续时间，D表示单位负荷损失所 造成的停电成本，p为每个时段内单个设备的故障概率，N为连锁故障模拟的次数，y_ij为i重初始故障下第j次故障导致的负荷损失量；6）根据电网建设成本W、电网停电 损失成本L和增供负荷收益I，对电网发展成本Z进行计算，电网发展成本Z为：

Z＝W+L-I，

式中，增供负荷收益I为：I＝η×E×Load×Time，Load表示增供负荷量，Time表示 增供负荷时间，E表示单位增供负荷收益，η表示负荷利用系数；7）根据计算得到的 电网发展成本Z，对电网发展进行评估；改变电网发展状况过程中的演化模拟控制参 数，根据电网发展成本Z计算得到不同演化模拟控制参数下的电网发展成本值；电网 发展成本值越低评定相应发展速度下电网发展越合理；根据电网发展成本与演化模拟 控制参数之间的关系，确定更合理的电网发展方式。

所述步骤2）中，对电网发展状况进行演化模拟，其具体包括以下步骤：①预设 演化模拟控制参数，演化模拟控制参数包括演化时间上限、电网规划间隔和负载率升 级阈值；②判断总演化时间是否达到演化时间上限，若总演化时间达到演化时间上限， 则存储电网演化模拟结果并计算电网建设成本，否则执行步骤③；③根据总演化时间， 从预期年份内网络负荷增长信息中读取当前时刻各负荷节点所带负荷值，以模拟负荷 随时间延长而逐步增加的实际情况；④判断当前演化时间距离上一次电网升级的时间 间隔是否达到电网规划间隔；如果达到电网规划间隔，则执行步骤⑤，否则增加单位 演化时长，并返回步骤②；⑤进行电网规划建设；⑥更新电网负荷数据以及电网设备 数据，计算基于直流潮流的最优潮流，进行电网运行方式安排，增加单位演化时长并 返回步骤②。

所述步骤⑤中，进行电网规划建设，其具体包括以下步骤：Ⅰ、对预期年限的负 荷进行预测，在预期出现的负荷节点处新建变电站，将变电站就近接入低压主网，并 根据负荷水平与电压等级确定变压器数目；Ⅱ、根据电网中旋转备用情况，判断是否 需要新建发电厂；当电网中旋转备用充足时，执行步骤Ⅲ；否则，在电网中新建电厂； Ⅲ、计算电网潮流分布并进行电网N-1校核；若电网内无重载设备且均满足N-1校核， 则更新电网负荷数据以及电网设备数据；否则，对不通过N-1校核的设备或通过电网 潮流计算得到的负载率超过负载率升级阈值的设备进行升级。

所述步骤4）中，对电网连锁故障进行模拟，得到若干关键时间断面上电网连锁 故障的负荷损失信息，其具体包括：①选取电网演化过程中的若干关键时间断面，以 所选取时间断面的电网为研究对象，逐个进行电网连锁故障模拟；②对特定运行方式 下的电网，使用改进OPA停电模型，施加i重初始故障N次，其中i＝1,2,…i_max，i_max为 初始故障最高重数。对各重初始故障下的电网进行连锁故障快动态模拟，统计所有连 锁故障后导致的负荷损失情况，记为y_i1,y_i2,…,y_iN，并找出y_i1,y_i2,…,y_iN中的最大值，记 为y_max：

y_max＝max(y_i1,y_i2,…,y_iN)；

③对全部关键时间断面重复步骤②，并保存负荷损失信息。

所述步骤5）中，对电网停电损失成本进行计算，其具体包括以下步骤：①将电 网演化全过程等分为m个时段，每个时段均与电网演化过程中所选取的一个关键时间 断面相对应；②根据设备年故障次数P_e和演化总时长T_all，计算每个时段内单个设备的 故障概率p为：

p＝P_eT_all/m；

③根据步骤②得到的每个时段内单个设备的故障概率p，计算一个时段内的电网停电 成本L_m为：

$L_m=\underset{i}{\Sigma }[C_n^i{p}^i{(1-p)}^{n-i}\times \frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{y_{\mathrm{ij}}}^2}{y_{\max }}{T}_{m}D],$

式中,i表示发生i重初始故障，i＝1,2…i_max，i_max为初始故障最高重数，n表示相应电 网中电力设备的数目，T_m表示停电规模为y_max时的持续时间，D表示单位负荷损失所 造成的停电成本，p为每个时段内单个设备的故障概率，N为连锁故障模拟的次数，y_ij为i重初始故障下第j次故障导致的负荷损失量；④根据步骤③得到的一个时段内的电 网停电成本L_m，计算得到电网演化总停电损失成本L为：

L＝ΣL_m。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明基于电网初始状态数 据对电网发展状况进行演化模拟，能够较为真实的模拟电网在较长时间内的发展演化 过程，从而为电网发展状况的评估提供充足的数据。2、本发明由于根据电网演化模拟 结果，对电网连锁故障进行模拟，得到若干关键时间断面上电网连锁故障的负荷损失 信息，进而计算得到电网停电损失成本，因此本发明计算得到的电网停电损失成本能 够真实的再现现代电网的发展状况。基于以上优点，本发明可以广泛应用于对电网的 发展评估中。

附图说明

图1是考虑经济性与安全性的电网发展评估方法流程图

图2是电网演化升级模拟流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明考虑经济性与安全性的电网发展评估方法具体包括以下步骤：

1）收集待研究电网的初始状态数据；

初始状态数据主要包括三类：一是初始电网模型数据，其包括网络拓扑信息、网 络节点地理分布信息和能源分布信息；二是用于对初始电网进行演化模拟的数据，其 包括预期年份内网络负荷增长信息、网络发展演化控制参数信息，其中，网络发展演 化控制参数信息包括总演化时间、电网规划间隔、负载率升级阈值等；三是用于电网 发展成本计算的历史统计数据，其包括典型电力设备的造价、单位负荷损失成本、增 供负荷收益、负荷利用系数、设备年故障率和初始故障最高重数等。

2）如图2所示，基于电网初始状态数据对电网发展状况进行演化模拟，其具体包 括以下步骤：

①预设演化时间上限、电网规划间隔和负载率升级阈值等演化模拟控制参数。

②判断总演化时间是否达到演化时间上限，若总演化时间达到演化时间上限，则 存储电网演化模拟结果并执行步骤3），否则执行步骤③。

③根据总演化时间，从预期年份内网络负荷增长信息中读取当前时刻各负荷节点 所带负荷值，以模拟负荷随时间延长而逐步增加的实际情况。

④判断当前演化时间距离上一次电网升级的时间间隔是否达到电网规划间隔；

如果达到电网规划间隔，则执行步骤⑤；否则，增加单位演化时长，并返回步骤 ②。

⑤进行电网规划建设，其具体包括以下步骤：

Ⅰ、对预期年限的负荷进行预测，在预期出现的负荷节点处新建变电站，将变电 站就近接入低压主网，并根据负荷水平与电压等级确定变压器数目。

Ⅱ、判断电网中旋转备用情况是否充足，根据判断结果确定是否需要新建发电厂。

如果电网中旋转备用充足时，则执行步骤Ⅲ；否则，在电网中新建电厂，其具体 包括：首先，依据全网预留备用确定所需新建全部电厂的最大出力之和；其次，依据 步骤1）中能源分布信息提供的各个能源点能源信息及其到负荷中心的距离，确定各 能源点新建机组容量；最后，根据特定能源点待建机组容量确定电压等级并将机组就 近接入同等级电网，完成对新建发电厂的模拟并执行步骤Ⅲ。

Ⅲ、计算电网潮流分布并进行电网N-1校核。

若电网内无重载设备且均满足N-1校核，则执行步骤⑥；否则，对不通过N-1校 核的设备或通过电网潮流计算得到的负载率超过负载率升级阈值的设备进行升级，对 设备进行升级具体包括：对于变电站，增加并联变压器台数，当并联变压器达到上限 时，提升该变电站电压等级，增设高电压等级变压器；对于线路，增加并联线路回数。

⑥更新电网负荷数据以及新建发电机数据、新建变电站数据、升级电力设备数据 等电网设备数据，计算基于直流潮流的最优潮流，进行电网运行方式安排，增加单位 演化时长并返回步骤②。

3）根据步骤2)中得到的电网演化模拟结果，统计新建电厂、变电站和线路的相 关信息，并根据统计信息计算电网建设成本。

电网建设成本W包含电力设备的首次新建造价同时扣除演化周期结束后的剩余 价值，相应的数学表达式为：

$W=\underset{t}{\Sigma }\frac{Y-t}{Y}(\underset{i}{\Sigma }{l}_{\mathrm{Lit}}{C}_{\mathrm{Li}}+\underset{j}{\Sigma }{S}_{\mathrm{Tjt}}{C}_{\mathrm{Tj}}),$

式中，Y表示演化时间总长；t表示进行某次电网升级的时间；l_Lit表示在t时刻新 建电压等级为i的线路长度；S_Tjt表示在t时刻新建电压等级为j的变压器容量；C_Li表 示电压等级为i的单位长度线路造价；C_Tj表示电压等级为j的单位容量变电站造价。

4）根据步骤2)中得到的电网演化模拟结果，对电网连锁故障进行模拟，得到若 干关键时间断面上电网连锁故障的负荷损失信息，其具体包括：

①选取电网演化过程中的若干关键时间断面（如每次电网规划升级后的时间断面）， 以所选取时间断面的电网为研究对象，逐个进行电网连锁故障模拟；

②对特定运行方式下的电网，使用改进OPA停电模型，施加i重初始故障N次， 其中i＝1,2,…i_max，i_max为初始故障最高重数。对各重初始故障下的电网进行连锁故障快 动态模拟，统计所有连锁故障后导致的负荷损失情况，记为y_i1,y_i2,…,y_iN，并找出 y_i1,y_i2,…,y_iN中的最大值，记为y_max：

y_max＝max(y_i1,y_i2,…,y_iN)       （2）

③对全部关键时间断面重复步骤②，并保存负荷损失信息。

5）根据步骤1）中收集的用于电网发展成本计算的历史统计数据和步骤4）中得 到的电网连锁故障的负荷损失信息，对电网停电损失成本进行计算，其具体包括以下 步骤：

①将电网演化全过程等分为m个时段，每个时段均与步骤4）中的一个关键时间 断面相对应；

②根据设备年故障次数P_e和演化总时长T_all，计算每个时段内单个设备的故障概率 p：

p＝P_eT_all/m                          （3）

③根据步骤②得到的每个时段内单个设备的故障概率p，计算一个时段内的电网 停电成本L_m，计算式为：

$L_m=\underset{i}{\Sigma }[C_n^i{p}^i{(1-p)}^{n-i}\times \frac{1}{N}\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}\frac{{y_{\mathrm{ij}}}^2}{y_{\max }}{T}_{m}D],$

式中,i表示发生i重初始故障，i＝1,2…i_max，i_max为初始故障最高重数，n表示相 应电网中电力设备的数目，T_m表示停电规模为y_max时的持续时间，D表示单位负荷损 失所造成的停电成本，y_ij为i重初始故障下第j次故障导致的负荷损失量；

④根据步骤③得到的一个时段内的电网停电成本L_m，计算得到电网演化总停电损 失成本L为：

L＝ΣL_m                           （5）

6）根据电网建设成本W、电网停电损失成本L和增供负荷收益I，对电网发展成 本Z进行计算，其具体包括：

电网发展成本Z为：

Z＝W+L-I                        （6）

式中，增供负荷收益I为：

I＝η×E×Load×Time                 （7）

式中，Load表示增供负荷量，Time表示增供负荷时间，E表示单位增供负荷收益， η表示负荷利用系数。

7）根据计算得到的电网发展成本Z，对电网发展进行评估；

改变电网发展状况过程中的演化模拟控制参数，根据式（6）计算得到不同演化模 拟控制参数下的电网发展成本值。电网发展成本是在综合考虑电网安全性和经济性后 反应电网发展情况的一种指标，电网发展成本值越低评定相应发展速度下电网发展越 合理；根据电网发展成本与演化模拟控制参数之间的关系，确定更合理的电网发展方 式。

实施例：某地区电网系统包括149个节点，8台发电机、43台三绕组变压器、9 台两绕组变压器和75条线路。采用本发明对该地区电网发展状况进行评估，其具体包 括以下步骤：

1）如表1所示，收集该地区电网的初始状态数据。

表1某地区电网初始状态数据

2）基于初始电网模型数据对电网发展状况进行演化模拟，改变设备的负载率升级 阈值，计算不同负载率升级阈值下的电网发展成本，发展成本较低，表示电网的发展 速度较合理，从而为实际电网的规划建设提供参考。

表2  不同负载率升级阈值下的电网发展成本

从表2可以看出，负载率升级阈值为0.6时，电网发展成本Z最小，结合式（6） 可知，在负载率升级阈值为0.6时，电网的发展成本最低，电网发展速度最合理。

3）如表3所示，计算得到不同电网单次连锁故障最长时间及设备年故障率下的最 优电网发展成本。

表3  不同电网单次连锁故障最长时间及设备年故障率下的最优电网发展成本

从表3可以看出降低单次连锁故障的最长时间和设备年故障率有助于降低电网发 展成本，从而为降低实际电网发展成本提供参考。

本发明能够较为真实的模拟电网在较长时间范围内的发展演化过程，通过停电模 型对系统连锁故障的模拟，可以用停电损失成本体现电网的安全性，进而与反映电网 经济性的建设成本一起综合评估电网的发展情况。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和方法步骤等都 是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应 排除在本发明的保护范围之外。