一种计入电力系统运行方式的电网规划方案风险评估方法

摘要

本发明涉及一种计入电力系统运行方式的电网规划方案风险评估方法，所述方法针对电网规划方案风险评估中不考虑运行方式概率的不足，该方法采用时间复杂度低、鲁棒性好的多维K-均值聚类算法准确的对负荷和发电数据进行分类，建立多级水平负荷与发电水平的聚类模型，并结合电网检修方案求出年度典型运行方式及其概率；在年度典型运行方式的基础上，基于时域仿真，采用解析法评估系统的暂态安全性风险。本发明的方法有利于规划人员更精确的评估规划方案的风险，从而提供合理的规划决策。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种电网规划方案风险评估方法，更具体涉及一种计入电力 系统运行方式的电网规划方案风险评估方法。

背景技术：

近年来，国外大电网安全事故频发，这些事故使人们进一步认识到提高 电网安全性的重要意义。只有精确评估电力系统面临的风险，才能保证电力 系统的安全性。

在对电力系统进行风险评估前，需要深入了解电力系统安全性评估的方 法、内容等等。目前，实际电力系统中采用的安全性分析方法是：首先根据 历史负荷、发电、网架结构等数据，确定一个运行方式，而后采用交流潮流 分析法，对系统进行潮流计算；在潮流计算的基础上，确定某一些电气故障， 如：三相永久性短路故障、单相永久性短路故障、直流单极闭锁故障、直流 双极闭锁故障等；针对这些特定的故障，采用时域仿真法对其进行安全性分 析，校核系统的稳定与否，对系统的校核措施一般只考虑切除部分机组或者 受端电网部分负荷。这种处理方法忽略了输入数据的随机性且不考虑运行方 式的概率；而运行方式的选择对系统风险评估的结果影响巨大，不同运行方 式下，系统风险差异巨大，由此得出的规划方案也差异巨大，因此，为提高 风险评估的精度，迫切需要在系统风险评估中考虑运行方式的概率。

发明内容：

本发明的目的是提供一种计入电力系统运行方式的电网规划方案风险 评估方法，所述方法有利于规划人员更精确的评估规划方案的风险，从而提 供合理的规划决策。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种计入电力系统运行方 式的电网规划方案风险评估方法，包括以下步骤：

(1)求取电力系统元件的故障概率；

(2)采用聚类法建立系统典型运行方式；

(3)评估电网规划方案的暂态安全风险。

本发明提供的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案风险评估方 法，所述步骤(1)中故障概率的求取包括：

调查电力系统在日常运行状态下的可靠性数据，求取各元件的故障概率；

调查电力系统在检修状态下的可靠性数据，求取各元件的故障概率。

本发明提供的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案风险评估方 法，所述可靠性数据包括强迫停运率、非计划停运次数、非计划停运时间、 计划停运次数和计划停运时间；所述元件包括线路、母线、变压器和断路器； 并通过马尔柯夫元件模型求取各元件在日常运行和检修状态下的故障概率。

本发明提供的另一优选的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案 风险评估方法，所述步骤(2)的建立过程包括以下步骤：

(2-1)将8760小时的负荷水平和发电出力聚类成X类的负荷和发电水 平，并估算其概率分布；

(2-2)分析不同负荷水平和发电机出力之间的相关性；

(2-3)结合电网检修计划求出系统的典型运行方式。

本发明提供的再一优选的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案 风险评估方法，所述步骤(2-1)包括以下步骤：

(2-1-1)根据分析需要，按照负荷持续曲线将其分成X级负荷水平；

(2-1-2)选择聚类均值x_ij的初值，其中，i和j表示聚类i和曲线j； i＝1,….,NL；j＝1,…,NC；确定每小时负荷点与发电出力点至每个聚类均值的 欧拉距离：

(2-1-3)根据欧拉距离，将负荷点分配到最近的聚类，对其重新编组， 计算新的聚类均值x_ij；

(2-1-4)重复步骤(2-1-2)和(2-1-3)，直到全部聚类均值在迭代中保 持不变为止；

(2-1-5)使用收敛后的聚类均值x_ij作为多级负荷模型中每个曲线每个聚 类的负荷水平；同时，对应的发电出力分类的均值为多级发电出力水平。

本发明提供的又一优选的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案风 险评估方法，通过下式确定欧拉距离：

$D_{\mathrm{ki}}={\left[\underset{j=1}{\overset{\mathrm{NC}}{\Sigma }}\right[{(x_{\mathrm{ij}}-L_{\mathrm{kj}})}^2+{(x_{\mathrm{ij}}-G_{\mathrm{kj}})}^2\left]\right]}^{1/2}$   ①

式中，D_ki是第k个负荷点至第i个聚类均值的欧拉距离；L_kj是曲线j 中第k个负荷值；G_kj是曲线j中第k个发电出力值；NC是负荷曲线数。

本发明提供的又一优选的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案风 险评估方法，通过下式确定新的聚类均值x_ij：

$x_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{L}_{\mathrm{kj}}/N_i$   ②

其中，N_i是第i个聚类中的负荷点数。

本发明提供的又一优选的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案 风险评估方法，所述步骤(2-2)中的分析过程包括以下步骤：

(2-2-1)假定负荷水平和发电机出力的边缘分布服从正态分布，利用分 步参数估计，得出边缘分布的参数均值和方差；

(2-2-2)利用经验Copula函数与理论Copula函数之间的欧式距离，选择 距离最小的理论Copula函数作为连接负荷水平和发电出力的边缘分布的 Copula函数；

(2-2-3)通过Copula函数模拟不同相关系数的发电出力与负荷向量；

(2-2-4)求出与聚类后负荷水平相匹配的发电机出力。

本发明提供的又一优选的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案风 险评估方法，所述步骤(3)的过程包括以下步骤：

(3-1)读入一种电力系统运行方式下的电网规划方案稳定数据；

(3-2)选定一种电力系统状态；

(3-3)结合故障类型和故障切除时间，形成故障事件Q；

(3-4)随机抽样故障事件Q；

(3-5)判断各子系统能够保持稳定，若保持稳定则转步骤(3-4)，若不 能保持稳定，则采取能够让系统保持稳定的措施；

(3-6)判断故障事件是否枚举完毕，如果未完成或未达到，则转步骤 (3-4)；如完成则计算系统在该系统状态的暂态安全风险指标；

(3-7)判断电力系统状态是否计算完毕，如未完毕则转步骤(3-2)，如 完毕则进行下一步；

(3-8)判断运行方式是否计算完毕，如未完毕则转步骤(3-1)，如完毕 则计算出计入系统运行方式的暂态安全概率指标P(S)和暂态缺供电量指标 EENS。

本发明提供的又一优选的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案 风险评估方法，其特征在于：所述让系统保持稳定的措施包括系统解列、低 压减负荷措施、低频减负荷措施、切除部分扰动机组、加装静态无功补偿装 置SVC措施和加装静止同步补偿器STACOM措施。

本发明提供的又一优选的一种计入电力系统运行方式的电网规划方案 风险评估方法，所述计入系统运行方式的暂态安全风险指标P(S)用下式确 定：

$P\left(S\right)=\underset{X=1}{\overset{n}{\Sigma }}O\left(X\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}P\left(X_i\right)=\underset{X=1}{\overset{n}{\Sigma }}O\left(X\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{m}{\Pi }}P\left(X_{\mathrm{ik}}\right)\times F_i$   ③

其中：O(X)为第X个运行方式的概率；n为运行方式总数；P(X_i)为第X 个运行方式下第i个系统状态的概率；L为系统状态的总数；m为系统元件总 数；P(X_ik)为第X个运行方式下第i个系统状态下第k个元件的概率；F_i为第 X个运行方式下第i个系统状态的系统测试函数；

所述计入系统运行方式的日常运行情况下暂态缺供电量指标EENS用下 式确定：

$\mathrm{EENS}=\underset{X=1}{\overset{n}{\Sigma }}O\left(X\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}\mathrm{EENS}\left(X_i\right)=\underset{X=1}{\overset{n}{\Sigma }}O\left(X\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}P\left(X_i\right)\times C\left(X_i\right)\times T_i$

④

其中：EENS(X_i)为第X个运行方式下第i个系统状态的期望切负荷量为； C(X_i)为第X个运行方式下第i个系统状态的切负荷量；T_i为第X个运行方式 下第i个系统状态的持续时间。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明的方法采用聚类方法对年度负荷水平进行聚类，考虑发电出 力和负荷水平之间的相关性，结合检修方式、网架结构求出系统的典型运行 方式，能够大大减轻风险评估的计算量；

2、本发明的方法首次提出在电网规划方案风险评估中考虑运行方式的 概率，能够提高规划方案评估结果准确性；

3、本发明的方法有利于规划人员更精确的评估规划方案的风险，从而 提供合理的规划决策；

4、本发明的方法能够降低电网安全事故的发生，保证电力系统的安全 性，对于保证电网安全意义重大；

5、本发明的方法适用范围更广，适用性高。

附图说明

图1为本发明方法的计入运行方式的电网规划方案风险评估流程图；

图2为本发明方法的求取典型运行方式的流程图；

图3为本发明方法的电网规划方案安全性风险评估流程示意图；

图4为本发明方法的IEEE-RTS 79的系统结构图；

图5为本发明方法的IEEE-RTS 79的年度负荷水平示意图；

图6为本发明方法的IEEE-RTS 79聚类后的负荷水平与发电出力及其概 率示意图；

图7为本发明方法的负荷与发电出力低相关性时聚类图；

图8为本发明方法的负荷与发电出力一般相关性时聚类图；

图9为本发明方法的负荷与发电出力高相关性时聚类图。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

如图1-9所示，本例的发明提供了一种计入系统运行方式的电网规划方 案风险评估方法，针对电网规划方案风险评估中不考虑运行方式概率的不 足，该方法采用时间复杂度低、鲁棒性好的多维K-均值聚类算法准确的对负 荷和发电数据进行分类，建立多级水平负荷与发电水平的聚类模型，并结合 电网检修方案求出年度典型运行方式及其概率；在年度典型运行方式的基础 上，基于时域仿真，采用解析法评估系统的暂态安全性风险。

本发明提供的计入系统运行方式的电网规划方案风险评估方法如图1所 示，包括下述步骤：

步骤A：求取电力系统元件的故障概率；

步骤B：采用聚类技术建立典型运行方式；

步骤C：评估电网规划方案的暂态安全风险。

一、求取电力系统元件在日常运行和灾害情况下的故障概率

<1-1>调查系统在日常运行状态下的可靠性数据，求取各元件的故障概 率；

<1-2>调查系统在检修状态下的可靠性数据，求取各元件的故障概率；

二、采用聚类技术建立典型运行方式

<2-1>根据研究需要，将8760小时的负荷水平和发电出力聚类成X类相 关的负荷和发电水平，并估算其概率分布；

<2-2>研究不同负荷水平和发电机出力之间的相关性。

<2-3>结合电网检修计划求出系统的典型运行方式。

其中步骤<2-1>中，包括下述步骤：

2-1-1>根据研究需要，按照负荷持续曲线将其分成X级负荷水平；

2-1-2>选择聚类均值x_ij的初值，其中，i和j表示聚类i(i＝1,….,NL)和曲 线j(j＝1,…,NC),用下式计算出每小时负荷点与发电出力点至每个聚类均 值的欧拉距离

$D_{\mathrm{ki}}={\left[\underset{j=1}{\overset{\mathrm{NC}}{\Sigma }}\right[{(x_{\mathrm{ij}}-L_{\mathrm{kj}})}^2+{(x_{\mathrm{ij}}-G_{\mathrm{kj}})}^2\left]\right]}^{1/2}$   ①

式中，D_ki是第k个负荷点至第i个聚类均值的欧拉距离；L_kj是曲线j中第k 个负荷值；G_kj是曲线j中第k个发电出力值；NC是负荷曲线数。

2-1-3>根据欧拉距离，将负荷点分配到最近的聚类，对其重新编组，计 算新的聚类均值x_ij；

$x_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{N_i}{\Sigma }}{L}_{\mathrm{kj}}/N_i$   ②

其中，N_i是第i个聚类中的负荷点数。

2-1-4>重复步骤2>和3>，直到全部聚类均值在迭代中保持不变为止；

2-1-5>使用收敛后的聚类均值x_ij作为多级负荷模型中每个曲线每个聚类 的负荷水平。同时，对应的发电出力分类的均值为多级发电出力水平；

其中步骤<2-2>中，包括下述步骤：

2-2-1>假定负荷水平和发电机出力的边缘分布服从正态分布，利用分步 参数估计，得出边缘分布的参数均值和方差；

2-2-2>利用经验Copula函数与理论Copula函数之间的欧式距离，选择距 离最小的理论Copula函数作为连接负荷水平和发电出力的边缘分布的Copula 函数；

2-2-3>通过Copula函数模拟不同相关系数的发电出力与负荷向量；

2-2-4>求出与聚类后负荷水平相匹配的发电机出力；

三、评估电网规划方案的暂态安全风险

<3-1>读入一种系统运行方式下的电网规划方案稳定数据；

<3-2>选定一种系统状态；

<3-3>结合故障类型、故障切除时间，形成故障事件Q；

<3-4>随机抽样故障事件Q；

<3-5>判断各子系统能够保持稳定，若保持稳定则转步骤<4>，若不能保 持稳定，则采取能够让系统保持稳定的措施，包括系统解列、低压减负荷措 施、低频减负荷措施、切除部分扰动机组、加装SVC、STACOM措施；

<3-6>判断故障事件是否枚举完毕，如果未完成或未达到，则转步骤<4>； 如完成则计算系统在该系统状态的暂态安全风险指标。

<3-7>判断系统状态是否计算完毕，如未完毕则转步骤<2>，如完毕则进 行下一步；

<3-8>判断运行方式是否计算完毕，如未完毕则转步骤<1>，如完毕则计 算出计入系统运行方式的暂态安全概率指标P(S)，暂态缺供电量指标EENS；

其中所述步骤C中，计入系统运行方式的暂态安全风险指标P(S)用下述表

达式表示：

$P\left(S\right)=\underset{X=1}{\overset{n}{\Sigma }}O\left(X\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}P\left(X_i\right)=\underset{X=1}{\overset{n}{\Sigma }}O\left(X\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}\underset{k=1}{\overset{m}{\Pi }}P\left(X_{\mathrm{ik}}\right)\times F_i$

                              ③

其中：O(X)为第X个运行方式的概率；n为运行方式总数；P(X_i)为第X 个运行方式下第i个系统状态的概率；L为系统状态的总数；m为系统元件总 数；P(X_ik)为第X个运行方式下第i个系统状态下第k个元件的概率；F_i为第 X个运行方式下第i个系统状态的系统测试函数；

所述步骤C中，计入系统运行方式的日常运行情况下暂态缺供电量指标

EENS用下述表达式表示：

$\mathrm{EENS}=\underset{X=1}{\overset{n}{\Sigma }}O\left(X\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}\mathrm{EENS}\left(X_i\right)=\underset{X=1}{\overset{n}{\Sigma }}O\left(X\right)\underset{i=1}{\overset{L}{\Sigma }}P\left(X_i\right)\times C\left(X_i\right)\times T_i$

                                     ④

其中：EENS(X_i)为第X个运行方式下第i个系统状态的期望切负荷量为； C(X_i)为第X个运行方式下第i个系统状态的切负荷量；T_i为第X个运行方式 下第i个系统状态的持续时间。

本发明实施例中RTS如图3所示。以图4所示的IEEE-RTS 79电网为分 析对象。系统包括24条母线和71个元件(其中包括33条线路，5台变压器， 1台电抗器，32台发电机)，发电机容量从12MW到400MW，总装机容量为 3405MW，年最大负荷为2850MW。其年度负荷曲线如图4所示。采用多维 k均值聚类方法将年度负荷聚类为5类，其曲线及其概率如图5所示。

采用相关性分析理论，模拟负荷和发电之间的相关性。当负荷水平与发 电出力的相关系数为0.2时，其曲线如图6所示。从图6可以看出：会出现 负荷水平高于发电出力的结果；在实际情况下，是不可能出现的。当负荷水 平与发电出力呈一般相关性，相关系数为0.6时，其曲线如图7所示。从图 7可以看出，有负荷极接近出力的现象，几乎没有安全裕度，与实际情况不 符，这说明负荷水平与发电出力呈一般相关性是不太恰当的。当负荷水平与 发电出力呈高相关性，相关系数为0.9时，其曲线如图8所示。从图8可以 看出，发电出力的变化紧随着负荷水平的变化，与电力系统实际情况吻合， 它们两者成高相关性。

在典型运行方式的基础上和系统峰荷条件下，对系统进行安全性风险评 估，其计算结果对比如表1所示。

表1 计入或不计入运行方式下安全性风险评估结果对比

从计算结果可以看出，计入系统运行方式后，系统失稳概率差异不大， 但期望缺供电量大大降低，下降比例为12.72％。说明日常不计入运行方式的 电力系统安全性评估容易高估系统风险，依据该评估结果得出的规划方案容 易造成投资的浪费。而计入系统运行方式的电网规划方案评估更精确。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其 限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对 本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范 围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之 内。