CN102214922A

CN102214922A - 一种电网规划方案的评估***

Info

Publication number: CN102214922A
Application number: CN2011101748035A
Authority: CN
Inventors: 麻常辉; 杨慎全; 牛新生; 贾善杰; 薛万磊
Original assignee: Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Electric Power Research Institute of State Grid Shandong Electric Power Co Ltd
Priority date: 2011-06-27
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2031-06-27
Also published as: CN102214922B

Abstract

本发明公开了一种电网规划方案的评估***，它包括充裕度评估模块，安全性评估模块，潮流分布合理性评估模块和短路电流合理性评估模块。本***利用充裕度评估模块在静态条件下，评估了电力***满足用户对电力和电能量的能力；利用安全性评估模块评估了在动态条件下电力***经受住突然扰动，并不间断地向用户提供电力和电能量的能力；利用潮流分布合理性评估模块对线路负载的大小分布以及整个输电网络的负载分布指标进行评估；利用短路电流合理性评估模块进行最大短路电流的检验，以使***中各厂站的短路容量均在设备额定开断能力范围内。本发明为选择出最合理的规划方案提供依据。

Description

一种电网规划方案的评估***

技术领域

本发明涉及一种电网规划方案的评估***。

背景技术

在全球范围内，电力***正在进行着一场大规模的市场化改革，输电网络的经济性是否合理，安全性是否满足要求，输送容量、网架结构是否达到最优等都关系到不同市场主体的切身利益。随着我国互联电网规模日益扩大、“厂网分开、竞价上网”改革的逐步深入，电网运行的不确定性因素增加，我国的输电网规划工作也面临着巨大的挑战。

电网规划的基本要求就是确保电能安全有效的送至用户，输电网规划不仅要考虑输电网规划的可靠性，也要考虑规划的合理性，因此如何定量的分析各规划方案对技术指标要求的满足程度，是目前急需解决的问题。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明提供一种电网规划方案的评估***。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电网规划方案的评估***，它包括充裕度评估模块，安全性评估模块，潮流分布合理性评估模块和短路电流合理性评估模块；所述充裕度评估模块评估在静态条件下，电力***满足用户对电力和电能量的能力；所述安全性评估模块评估在动态条件下电力***经受住突然扰动，并不间断地向用户提供电力和电能量的能力；所述潮流分布合理性评估模块利用线路负载的大小分布以及整个输电网络的负载分布指标进行评估；所述短路电流合理性评估模块进行最大短路电流的检验，以使***中各厂站的短路容量均在设备额定开断能力范围内；

其中：充裕度评估模块评估涉及到潮流计算、故障分析以及消除过载、发电重新调度、负荷削减和切换操作；所述安全性评估模块利用暂态稳定故障扫描程序对各待评价规划方案穷尽式考核网络的暂态稳定性，穷尽式扫描后可得出在给定故障集合下***出现暂态失稳的次数，并采用模糊评语集合将其量化为评价指标。

所述充裕度评估模块评估方法如下：

Step1：首先获取未来电力***网架数据和发电与负荷的预测数据，以及发电设备的技术经济数据；

Step2：在输电网中，输电线路采用强迫停运模型，并采用非序贯蒙特卡洛模拟法选择电力***状态并计算它们的概率；

Step3：电力***状态被确定后，选择负荷状态的某种负荷水平；

Step4：进行蒙特卡洛抽样，通过抽样模拟网络状态，并判断该网络状态是否有线路断开，如线路无断开则转入step7继续执行；

Step5：如有线路断开则判断线路是否仍连通，如是则转入step6进行，反之将网络分为孤立节点和较大部分网络，计算较大部分网络潮流和孤立节点缺负荷，并判断较大部分网络潮流是否过载，如是则转入step8；

Step6：修正导纳矩阵；

Step7：计算潮流是否过载；

Step8：如潮流过载则调用最小切负荷函数，且将过载计数加一，记录负荷量；

Step9：判断蒙特卡洛抽样次数是否达到最大值，如是则转入step10，反之转入step4继续执行；

Step10：计算出step8所记录的负荷水平下的负荷削减概率和期望缺供电量；

Step11：判断是否所有负荷水平下的负荷削减概率和期望缺供电量都计算完毕，如未计算完毕则转入step3继续进行；反之计算电力***的负荷削减概率和期望缺供电量。

所述潮流分布合理性评估模块利用各条线路负载率的方差来反映所有线路负载率的波动情况下，在最大负荷情况下网络的最大负载率能够反映网络在最大负荷下的承受能力，各相应指标的公式定义为：

最大负载率＝max(l₁，l₂，...l_n)

其中：n为线路条数，l_i为第i条线路负载率，

为所有线路负载率的平均值。

所述短路电流合理性评估模块利用各母线三相短路电流裕量的平均值来表征短路电流合理性指标，其表达式为：

其中：m表示节点的总个数。

所述电力***状态确定过程如下：电力***的可靠性是由发电***、输电***和负荷三部分共同决定的，由于假设发电***100％可靠，所以***状态取决于输电***状态和负荷状态；

(a)输电***状态的确定过程：输电线路使用故障和运行两态随机变量模拟，每条输电线路用一个在[0，1]区间的均匀分布随机数来模拟；假设每条线路发生故障是相互独立的，令S_i、F_i分别代表线路i的状态和故障概率，R_i为对线路i生成的[0，1]区间的随机数，则线路i状态为：

S_{i} = \{\begin{matrix} 0, & 0 \leq R_{i} \leq F_{i} \\ 1, & F_{i} < R_{i} \leq 1 \end{matrix}

其中S_i＝0代表故障状态，S_i＝1代表运行状态，当***由N条线路组成时，***输电***状态表示为：

S＝(S₁，S₂，...S_N)

(b)负荷处理***状态的确定过程：由于影响负荷大小的因素非常多，而且有些是很难预测的，所以很难确切地预测负荷的准确值，使用蒙特卡洛模拟法可以模拟负荷的随机变化特性，使评价结果更加客观；一般负荷变化的随机性用正态分布随机数来模拟，设节点j负荷为L_j，且节点j负荷服从均值为μ_j，标准差为σ_j的正态分布：

L_{j} ~ N (μ_{j}, σ_{j}^{2})

当***由M个负荷节点组成时，***的负荷状态为：

L＝(L₁，L₂，...L_M)

综合输电***和***负荷两部分，***的状态可表示为：

Sys＝(S，L)。

有益效果：本***利用充裕度评估模块在静态条件下，评估了电力***满足用户对电力和电能量的能力；利用安全性评估模块评估了在动态条件下电力***经受住突然扰动，并不间断地向用户提供电力和电能量的能力；利用潮流分布合理性评估模块对线路负载的大小分布以及整个输电网络的负载分布指标进行评估；利用短路电流合理性评估模块进行最大短路电流的检验，以使***中各厂站的短路容量均在设备额定开断能力范围内。本发明为选择出最合理的规划方案提供依据。

附图说明

图1为输电线路两态模型；

图2为充裕度评估流程图；

图3为模糊评语集合量化图；

图4为garver-6***初始网架结构示意图；

图5为garver-6***的可行规划方案1的网架结构示意图；

图6为garver-6***的可行规划方案2的网架结构示意图；

图7为garver-6***的可行规划方案3的网架结构示意图；

图8为garver-6***的可行规划方案4的网架结构示意图；

图9为garver-6***的可行规划方案5的网架结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

电网规划的基本要求就是确保电能安全有效的送至用户，因此技术指标是综合评价中必不可少且最重要的一个方面。技术指标包含充裕度指标、安全性指标、潮流分布合理性指标和短路电流合理性指标。其中，充裕度和安全性两个指标表征着电力***的可靠性。

(一)充裕度

充裕度是指在考虑元件的计划停运及合理的期望非计划停运情况下，电力***维持连续供给用户总的电力需求和总的电能量的能力。充裕度又称静态可靠性，也就是在静态条件下，电力***满足用户对电力和电能量的能力。

输电***的充裕度评估涉及到潮流计算、故障分析以及诸如消除过载、发电重新调度、负荷削减和切换操作等矫正措施。通常包括以下四个方面的内容：

●确定元件停运模型

将输电网作为关注的主要目标，因此假设其他***100％可靠，从而只进行输电***充裕度评估，输电***充裕度评估仅考虑线路失效。

输电线路的停运模式有强迫停运、计划停运、半强迫停运、部分失效等多种停运模式。其中强迫停运又可分为可修复强迫失效以及不可修复强迫失效。强迫停运随机发生并且大部分强迫停运是可修复的。为简化计算，在输电***可靠性评估中通常采用强迫停运模型，并假设输电线路为两态模型，如图1所示：

●选择***状态并计算它们的概率

***状态可采用解析法或蒙特卡洛模拟法进行选择。解析法采用故障枚举进行状态选择，一般情况下，***故障的选择是按某种逻辑逐个选择，当***有N个两状态元件组成时，那么***的状态数为2^N，因此***状态的数目是随***元件数目的增加呈指数增长的，所以，对于包含有大量元件的***，要枚举所有的***状态在计算上是不现实的，一种通常的做法是将枚举终止在某个给定的层次上。蒙特卡洛模拟法利用随机抽样方法进行状态选择，根据随机抽样原理的不同又可以分为序贯蒙特卡洛模拟法和非序贯蒙特卡洛模拟法，该方法计算量不随***规模增大而增大，在计算大规模***时更具优越性。

解析法物理概念清楚，模型精度高但不容易处理大规模***，而蒙特卡洛法属于统计试验方法，简单直观，易于被工程技术人员掌握和理解，并容易处理多重故障情况，便于处理负荷的随机变化特性，同时近年来我国网络容量不断增加，网络规模越来越大，因此，在本文采用非序贯蒙特卡洛模拟法选择***状态。

***的可靠性是由发电***、输电***和负荷三部分共同决定的，由于假设发电***100％可靠，所以***状态取决于输电***状态和负荷状态。

(a)输电线路使用故障和运行两态随机变量模拟，每条输电线路用一个在[0，1]区间的均匀分布随机数来模拟。假设每条线路发生故障是相互独立的，令S_i、F_i分别代表线路i的状态和故障概率，R_i为对线路i生成的[0，1]区间的随机数，则线路i状态为：

S_{i} = \{\begin{matrix} 0, & 0 \leq R_{i} \leq F_{i} \\ 1, & F_{i} < R_{i} \leq 1 \end{matrix} - - - (1 - 1)

S＝(S₁，S₂，...S_N) (1-2)

(b)可靠性评估中的负荷处理。由于影响负荷大小的因素非常多，而且有些是很难预测的，所以很难确切地预测负荷的准确值，使用蒙特卡洛模拟法可以模拟负荷的随机变化特性，使评价结果更加客观。一般负荷变化的随机性用正态分布随机数来模拟，设节点j负荷为L_j，且节点j负荷服从均值为μ_j，标准差为σ_j的正态分布：

L_{j} ~ N (μ_{j}, σ_{j}^{2}) - - - (1 - 3)

当***由M个负荷节点组成时，***的负荷状态为：

L＝(L₁，L₂，...L_M) (1-4)

综合输电***和***负荷两部分，***的状态可表示为：

Sys＝(S，L) (1-5)

●预想事故分析及校正措施

***状态被确定以后，便需要对***进行事故分析以识别***是否处于故障状态。输电***预想事故分析的目的是计算一条或多条线路失效后的线路潮流和母线电压，以识别是否引起线路过载、电压越限、母线孤立或***分离成孤岛等问题。当线路失效引起***问题时，便需要通过校正措施消除***约束违限，同时尽可能少的避免负荷削减。

预想事故分析的方法主要有交流潮流法和直流潮流法。由于需要对海量的***状态进行事故分析，为了减少计算量，常采用直流潮流分析法进行事故分析，直流潮流法中略去了全部与无功功率相关的量，对于规划方案的评估而言，这是一个可以接受的合理简化。

当线路故障引起***问题时，一般通过发电重新调度措施进行校正以消除***问题，同时使负荷削减量最少，表示为基于直流潮流的最小切负荷模型，其数学表达式为：

\min \underset{i &Element; ND}{Σ} C_{i}

S.t.

P(Sys)＝A(Sys)(PG-PD+C)

\underset{i &Element; NG}{Σ} {PG}_{i} + \underset{i &Element; ND}{Σ} C_{i} = \underset{i &Element; ND}{Σ} {PD}_{i} - - - (1 - 6)

{PG}_{i}^{\min} \leq {PG}_{i} \leq {PG}_{i}^{\max} (i &Element; NG)

0≤C_i≤PD_i(i∈ND)

| P_{k} (Sys) | \leq P_{k}^{\max} (k &Element; L)

●计算可靠性指标

如果状态Sys下最小负荷削减不为0，则该状态为***失效状态。当随机抽样的数量足够大时，状态Sys的抽样频率可作为其概率的无偏估计。假设m(Sys)为状态Sys在随机抽样中出现的次数，M为随机抽样数，则状态Sys的概率为：

P (Sys) = \frac{m (Sys)}{M} - - - (1 - 7)

充裕度评估的指标体系，基本指标包括概率、频率、持续时间和期望值4类，根据指标计算的难易程度，选取概率和期望值指标作为规划方案充裕度评价的指标，计算公式为：

(a)负荷削减概率(probability of load curtailments)

PLC = Σ_{i = 1}^{NL} (\underset{Sys &Element; F_{i}}{Σ} P (Sys)) \frac{T_{i}}{T} - - - (1 - 8)

NL为负荷状态数，F_i为在负荷状态i下***失效状态的集合，T_i是负荷水平i的时间长度，T是负荷曲线的总时间期间(h)。

(b)期望缺供电量EENS(MWh/期间)(expected energy not supplied)

EENS = Σ_{i = 1}^{NL} (\underset{s &Element; F_{i}}{Σ} P (Sys) * C (Sys)) * T_{i} - - - (1 - 9)

其中C(Sys)为状态Sys下***的负荷削减量。

综合以上各方面的内容，输电***充裕度的计算流程图如图2所示：

(二)安全性

安全性是指电力***承受突然发生的扰动，例如突然短路或未预料的短路或失去***元件等现象的能力。安全性也称动态可靠性，即在动态条件下电力***经受住突然扰动，并不间断地向用户提供电力和电能量的能力。

安全性评估的目的是估计电力***对突发故障的承受能力，安全性评估的方法有确定性评估和概率性评估，目前世界上各国在电力***规划设计和运行中，占主导地位的都采用确定性的计算方法。确定性电力***稳定评价是指在给定电力***结构、参数、扰动类型及发生地点的条件下，运用确定性的数学模型，评价电力***是否保持稳定。确定性暂态稳定计算有如下假定和规定：

1.假定短路故障为金属性；

2.不考虑短路电流中直流分量的作用并假定发电机定子电阻为零；

3.按给定要求选择发电机组的等价模型，并认为发电机组转速在额定值附近；

4.给定继电保护动作时间，重合闸和安全自动装置的时间可以给定或经计算确定。

电力***分析综合程序PSASP中的暂态稳定计算模块能够很好的模拟多种故障扰动方式和稳定措施，因此本文利用PSASP综合程序来进行暂态稳定计算。但由于计算量巨大，因此利用Visual FoxPro语言编写暂态稳定故障扫描程序对各待评价规划方案穷尽式考核网络的暂态稳定性。

穷尽式扫描后可得出在给定故障集合下***出现暂态失稳的次数，并采用模糊评语集合将其量化为评价指标，模糊评语集合的赋值为3所示：

(三)潮流分布合理性

合理的潮流分布是电网健康经济运行的基础。潮流分布合理性可利用线路负载的大小分布以及整个输电网络的负载分布指标来反映。如果网络的重载线路数过多，则说明该网络的投资欠缺，需要加强投资建设以缓解线路运行水平，增强功率传送能力，满足负荷增长极事故调度的需要，即***的剩余输电容量不足；而如果轻载线路过多，则说明剩余输电容量大，网络调度能力强，但相应的也说明投资过于超前，造成资源浪费，这两者都不是我们希望看到的。同时一个合理的网架结构，不应是一些线路负载利用率很低，而另外一些线路又接近满足，这种情况下说明出现了“网络瓶颈”，因此利用各条线路负载率的方差来反映所有线路负载率的波动情况下，命名为负载均衡度指标。此外在最大负荷情况下网络的最大负载率能够反映网络在最大负荷下的承受能力。各相应指标的公式定义为：

最大负载率＝max(l₁，l₂，...l_n) (1-13)

其中n为线路条数，l_i为第i条线路负载率，

为所有线路负载率的平均值。

(四)短路电流合理性

随着电网规模的扩大和装机容量的增长，***的短路电流水平不断增大，短路电流的增大将会对设备的安全运行带来隐患，必须采用更换运行方式或更换更大容量断路器的措施来降低其影响。因此，电网规划方案评估需要进行最大短路电流的检验，以使***中各厂站的短路容量均在设备额定开断能力范围内。本文采用各母线三相短路电流裕量的平均值来表征短路电流合理性指标，其表达式为：

实施例：

本文采用garver-6***来，其初始网架结构如图4所示。该***的5个可行规划方案的网架结构分别如图5～9所示。

各节点负荷采用随机正态分布，各节点负荷和节点发电最大出力数据如表1中所示：

表1garver-6***发电和负荷数据

节点号	负荷均值(MW)	标准差	节点最大发电出力(MW)
				1	84	8	110
2	253	25	0
				3	40	4	220
4	170	17	0
				5	253	25	0
6	0	0	735

充裕度计算中取所有线路停运概率为0.0001，利用蒙特卡洛模拟法模拟负荷的随机特性，负荷曲线持续时间为8760h，并采用基于直流潮流的最小切负荷模型进行事故分析，根据图2所示充裕度评估流程图编写matlab计算程序，计算出各方案负荷削减概率和年期望缺供电量值。

为了进行故障安全性扫描，为garver-6***补充了***发电机参数，并在综合程序PSASP中建立各规划方案基础数据库，取***较大负荷900MW进行检验，各节点发电出力和负荷值见表2。

表2节点发电与负荷值

节点号	发电出力(MW)	负荷值(MW)
			1	110	95
2	0	285
			3	220	45
4	0	190
			5	0	285
6	570	0

进行暂态稳定扫描计算时考虑的故障类型见表3，暂态稳定措施采用切机措施。在考虑稳定措施后，穷尽式扫描各方案，各方案均未出现暂态失稳情况，因此，各方案评语值均赋为1。

表3暂态稳定计算考虑的故障类型

根据建立的PSASP数据库，利用综合程序中的潮流计算和短路计算功能，可得出各线路的有功潮流值和各母线短路电流值，分别如表4和表5所示，本例中设定负载率≥0.9为重载线路，负载率≤0.1为轻载线路，根据公式(1-10)～(1-14)计算潮流分布各指标和短路电流合理性。

表4各方案各支路有功潮流值

表5各方案各母线短路电流值

母线名	方案1(kA)	方案2(kA)	方案3(kA)	方案4(kA)	方案5(kA)
						b1	9.9946	9.9952	9.9976	9.9971	10.0057
b2	10.068	10.0658	10.0634	10.0635	10.0637
						b3	10.0156	10.0207	10.024	10.0364	10.0191
b4	10.0229	10.0233	10.0228	10.0232	10.0397
						b5	9.9969	10.0154	10.0139	10.0118	10.0061
b6	10.0867	10.0877	10.0882	10.089	10.0864

依据以上计算得出各评价指标值如表6所示：

表6garver-6算例各规划方案指标值

Claims

1.一种电网规划方案的评估***，其特征是，它包括充裕度评估模块，安全性评估模块，潮流分布合理性评估模块和短路电流合理性评估模块；所述充裕度评估模块评估在静态条件下，电力***满足用户对电力和电能量的能力；所述安全性评估模块评估在动态条件下电力***经受住突然扰动，并不间断地向用户提供电力和电能量的能力；所述潮流分布合理性评估模块利用线路负载的大小分布以及整个输电网络的负载分布指标进行评估；所述短路电流合理性评估模块进行最大短路电流的检验，以使***中各厂站的短路容量均在设备额定开断能力范围内；

2.如权利要求1所述的一种电网规划方案的评估***，其特征是，所述充裕度评估模块评估方法如下：

Step6：修正导纳矩阵；

Step7：计算潮流是否过载；

3.如权利要求1所述的一种电网规划方案的评估***，其特征是，所述潮流分布合理性评估模块利用各条线路负载率的方差来反映所有线路负载率的波动情况下，在最大负荷情况下网络的最大负载率能够反映网络在最大负荷下的承受能力，各相应指标的公式定义为：