CN105552899B - 一种计算大停电后电网恢复力的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种计算大停电后电网恢复力的方法，包括：1)识别停电后***的具体状态，获取计算所用数据；2)筛选出***中可用的黑启动机组，计算出所有黑启动机组的容量之和和对应的标幺值；3)计算出***中各待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离以及负荷节点到各机组节点的平均最短距离，并计算出两者的平均距离；4)将黑启动机组的容量和的标幺值与步骤3)中平均距离的商作为大停电后电网的恢复力。本发明有益效果：为评估和分析电网在发生大停电后的恢复力提供了一种定量化的手段，并可方便寻找电网在提高恢复力方面的薄弱点，提出相应的改进措施。
Description
技术领域
本发明涉及一种电网指标计算方法，尤其涉及一种计算大停电后电网恢复力的计算方法。
背景技术
随着经济社会的快速发展，电力***的规模越来越大，并且随着特高压交直流电网的建设以及大规模风电场和光伏电站等大型可再生能源基地接入电网，电力***的动态行为变得日益复杂，并且电网运行过程中要考虑环境问题和经济因素，使电网的运行点越来越接近其安全极限点，这极大地增加了电网运行和维护的复杂性。因此***局部故障处理不当时，极有可能引发***发生大面积停电事故。如在2003年8月14日，发生了北美历史上最严重的停电事故，此次停电事故波及到了美国和加拿大的许多地区，损失负荷61.8GW，影响人口数为5000万，其发生原因为一条345kV输电线路短路故障处理不当，引起潮流发生大范围转移，导致多条输电线路因过载而连锁跳闸，最终导致发生大停电事故；2006年11月4日，欧洲互联电网发生大停电事故，德、法、意等国共损失负荷约1600万kW，1500万用户受到影响；2009年11月10日，巴西、巴拉圭电网发生大停电事故，导致三回750kV线路跳闸，两条±600kV直流线路闭锁，巴西电网损失约1700万kW电源，停电范围波及巴西12个州和邻国巴拉圭的大部分地区，5000至6000万人受到影响；2012年7月30日和31日，印度北部和东部地区连续发生两次大面积停电事故，覆盖了一半以上的国土，直接影响6亿多人的生活。国内外电力***的运行经验表明，新技术和新设备在电力***中的大量应用虽然能够提高***运行的稳定性和可靠性，但是仍然无法避免大停电的发生。
现代社会对可靠电力供应的依存程度越来越高，一旦发生大面积的停电事故，将会给社会生产生活带来的影响和巨大的经济损失。对国内外多次大停电事故的数据分析表明，停电事故带来的损失与停电时间成指数关系。***停电时间越长，造成的不利影响越严重。发生停电事故后，在相应恢复方案的指导下，尽快开展相应的恢复操作，有利于加快***的恢复进程，缩短***的停电时间，从而减小***停电事故带来的影响和损失。***恢复过程的持续时间不仅与恢复方案是否完备和调度人员熟练程度等因素有关，还与电网遭受外部扰动后自身的快速恢复能力，即电网的恢复力有关。电网恢复力主要考虑电网发生大面积停电等极端事故情况下，***利用各种资源快速恢复的能力，这是传统电力***规划所不曾涉及的。恢复力是智能电网的重要特征，开展电网恢复力的研究是智能电网发展的必然趋势。电网恢复力与***的网架结构和电源、负荷分配等多种因素有关，以提高电网恢复力为目标可以对电网发展规划进行指导，也可对现有电网进行分析，提出相应的改进措施。
现阶段，有关电网恢复力的研究刚刚起步，其评估理论和方法研究尚有待于进一步的***性成果，相关因素分析还处于定性分析阶段，缺乏定量分析的工具。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述难题，提供了一种计算大停电后电网恢复力的方法。综合考虑在发生大停电事故后，电网中可用的黑启动机组和待恢复机组的容量和分布、网架结构以及负荷站点的分布等因素，提出一种电网恢复力的定量计算方法，为指导电网规划和电网恢复力提升提供依据。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种计算大停电后电网恢复力的方法，包括以下步骤：
(1)对***中所有的发输变电设备进行可用性诊断，获取***中黑启动机组和待恢复机组的数量及其对应的机组容量、***中可用输电线路的连接关系及其对应的线路参数；
(2)根据获取的数据，建立***对应的加权网络连接矩阵；
(3)筛选出***中可用的黑启动机组，计算出所有可用的黑启动机组的容量之和以及对应的标幺值；
(4)计算出***中各待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离以及负荷节点到各机组节点的平均最短距离，并计算出上述两个平均最短距离的平均距离；
(5)根据步骤(3)中求取的所有可用的黑启动机组的容量之和的标幺值与步骤(4)中计算的平均距离，求取大停电后电网的恢复力，为电网的发展规划提供参考依据。
所述步骤(1)中，对***中所有的发输变电设备进行可用性诊断的方法为：
对***中所有的发输变电设备所处的运行状态进行识别和判断，筛选出处于故障状态或者检修状态的设备，即恢复过程中不可用的设备。
所述步骤(2)中，建立***所对应的加权网络连接矩阵M时，M为一方阵，并且行数与列数均等于***中可用的发电厂和变电站节点的数量；
当***中节点i与节点j之间存在可用的输电线路lij时，设线路lij的线路电抗的标幺值为xij，其在连接矩阵M中对应的元素为Mij，且有Mij＝Mji＝xij；反之，若***中节点i与节点j之间不存在可用的输电线路时，Mij＝Mji＝∞。
所述步骤(3)中，***中各待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离根据每个待恢复机组到各个黑启动机组的最短距离的最小值确定。
进一步地，在计算待恢复机组i到黑启动机组j的最短距离Disij时，将黑启动机组j所在节点作为源点s，待恢复机组i所在节点作为目标节点t，将加权网络连接矩阵M中的节点分为两类，分别记为集合S和集合U：集合S为已经求取出到源点s的最短路径的目标节点的集合，集合U为尚未计算出到源点s的最短路径的目标节点集合。
进一步地，采用最短路径法计算待恢复机组i到黑启动机组j的最短距离Disij，具体方法如下：
1)初始计算时，集合S中仅含有源点s，集合U中包含除源点s之外的所有节点，对于集合U中任一点x，D[x]为源点s到点x的距离，即为源点s和节点x之间线路在连接矩阵M中对应元素的数值Msx；
2)从集合U中选择出具有最小D[x]的点x，然后将点x从集合U移到集合S中；
3)对于集合U剩余节点中的任一节点y，如果存在D[y]>D[x]+Mxy，则将源点s到点y的距离D[y]设置为D[x]+Mxy，其中，Mxy为节点x和节点y之间线路在连接矩阵M中对应的元素的数值；
4)从剩余节点中选出具有最小D[y]的点y，然后将点y从集合U移到集合S中；
5)重复步骤3)和步骤4)，直至集合U中所有节点都移到集合S中；
6)源点s到目标节点t的最短距离为D[t]。
所述步骤(4)中，负荷节点到各机组节点的平均最短距离根据待恢复机组i到所有机组节点的最短距离的最小值确定。
进一步地，计算负荷节点到各机组节点的平均最短距离时，将负荷节点分为两类：一类为已包含在各待恢复机组到各个黑启动机组的最短距离的最小值对应的恢复路径中的负荷节点；另一类则不包含在上述路径中的负荷节点；
第一类负荷节点已经包含在恢复路径中，故不予考虑，仅考虑第二类负荷节点，并且将各待恢复机组到各个黑启动机组的最短距离的最小值对应的恢复路径中包含的节点进行聚类。
进一步地，采用最短路径法计算待恢复机组i到所有机组节点的最短距离。
所述步骤(5)中，大停电后电网的恢复力为：所有可用的黑启动机组的容量之和的标幺值与步骤(4)中计算的平均距离的商值。
本发明的有益效果：
第一、本发明提出的计算大停电后电网恢复力的法，可方便地计算出不同电网在发生停电事故后的恢复力的大小，并进行相互比较。
第二、本发明提出的计算大停电后电网恢复力的法，为评估和分析电网在发生大停电后的恢复力提供了一种定量化的手段，并可方便寻找电网在提高恢复力方面的薄弱点，提出相应的改进措施。
第三、本发明提出的计算大停电后电网恢复力的定量计算方法，使得以电网恢复力最大为目标指导电网规划变得更加直观和有效。
第四、本发明在计算电网大停电后的恢复力时，综合考虑了电网中黑启动机组容量和位置等因素，使得电网恢复力的计算结果更加客观，可用于指导黑启动机组的布点优化和容量优化。
第五、本发明中考虑了待恢复机组与黑启动机组的位置关系，可有效反映出黑启动过程中待恢复机组启动过程，使得电网恢复力可有效体现电网在发生故障后的实际恢复能力。
第六、本发明在计算电网大停电后的恢复力时，将负荷节点进行了分类，更加符合电网发生停电事故后的实际恢复过程。
附图说明
图1为本发明计算大停电后电网恢复力的方法流程图；
图2为本发明实施例IEEE30节点***结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明：
一种计算大停电后电网恢复力的方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)对***中所有的发输变电设备进行可用性诊断，获取***中黑启动机组和待恢复机组的数量及其对应的机组容量、***中可用输电线路的连接关系及其对应的线路参数；
(2)根据获取的数据，建立***对应的加权网络连接矩阵；
建立***所对应的加权网络连接矩阵M时，M为一方阵，并且行数与列数均等于***中可用的站点的数量。当***中节点i与节点j之间存在可用的联络线lij时，且线路lij的线路电抗的标幺值为xij，则连接矩阵M中的元素Mij＝Mji＝xij；反之，若***中节点i与节点j之间不存在可用的联络线时，Mij＝Mji＝∞。对于含有n个站点的***，其对应的连接矩阵M为如下形式。
式中，对于任意元素Mij和Mji，存在Mij＝Mji。
(3)筛选出***中可用的黑启动机组，计算出所有可用的黑启动机组的容量之和以及对应的标幺值；
***发生大面积停电事故后的恢复过程包括黑启动阶段、网架重构和负荷恢复阶段。在黑启动阶段，***中可用的黑启动机组会首先进行启动。黑启动机组成功启动之后，为其余不具备自启动能力的机组提供所需的启动功率，使其重新启动并网。在网架重构阶段，要逐步恢复***中的重要的输电线路和重要的负荷站点，建立一个强壮的网架，为后续负荷恢复打下基础，在负荷恢复阶段，在前期恢复的基础上，进行大规模的负荷恢复，尽快恢复对失电负荷的重新供电，缩短***的停电时间。黑启动机组的成功启动是整个恢复过程的开始，黑启动机组的容量代表了***发生大面积停电事故后的迅速进行恢复的能力，可作为反映电网恢复力的一个重要指标。筛选出***中所有可用的黑启动机组之后，所有黑启动机组的容量之和Pblack计算公式如下所示
式中，n为***中可用的黑启动机组的数目；Pi为第i台黑启动机组的容量。Pblack的标幺值的计算公式如下所示
式中，SB为步骤S1中选取的功率基值。
(4)计算出***中各待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离以及负荷节点到各机组节点的平均最短距离，并计算出上述两个平均最短距离的平均距离；
各待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离计算公式如下：
LSi＝min(Disij),j＝1,2,...,n
式中，m为待恢复机组数目，n为黑启动机组数目，Disij为待恢复机组i到黑启动机组j的最短距离，LSi为待恢复机组i到各个黑启动机组的最短距离的最小值。
在计算待恢复机组i到黑启动机组j的最短距离Disij时，将黑启动机组j所在节点作为源点s，待恢复机组i所在节点作为目标节点t，使用最短路径算法进行计算。对于加权网络连接矩阵M，最短路径算法将M中的节点分为两类，分别记为集合S和集合U。集合S为已经求取出到源点s的最短路径的点的集合，而集合U为尚未计算出到源点s的最短路径的集合。最短路径算法的计算步骤为：
1、初始计算时，集合S中仅含有源点s，集合U中包含除源点s之外的所有节点，对于集合U中任一点x，D[x]为源点s到点x的距离，即为源点s和节点x之间线路在连接矩阵M中对应元素的数值Msx；
2、从集合U中选择出具有最小D[x]的点x，然后将点x从集合U移到集合S中；
3、对于集合U剩余节点中的任一节点y，如果存在D[y]>D[x]+Mxy，则将源点s到点y的距离D[y]设置为D[x]+Mxy；
4、重复步骤2和步骤3，直至集合U中所有节点都移到集合S中；
5、源点s到目标节点t的最短距离即为D[t]。
在计算负荷节点到所有机组节点的最短距离时，将负荷节点分为两类：一类为已包含在各待恢复机组到各个黑启动机组的最短距离的最小值对应的恢复路径中的负荷节点；另一类则不包含在上述路径中的负荷节点。对于第一类负荷节点已经包含恢复路径中，故不予考虑，此处仅考虑第二类负荷节点，并且将各待恢复机组到各个黑启动机组的最短距离的最小值对应的恢复路径中包含的节点进行聚类。负荷节点到各机组节点的平均最短距离计算公式为
Lldi＝min(Disij),j＝1,2,...,nut
式中，nld为第二类负荷节点的数目；nut为所有机组节点的数目；Disij为负荷节点i到机组节点j的最短距离；Lldi为待恢复机组i到所有机组节点的最短距离的最小值。在计算Disij时，同样使用最短路径算法。
和的平均值为
(5)根据步骤(3)中求取的所有可用的黑启动机组的容量之和的标幺值与步骤(4)中计算的平均距离，求取大停电后电网的恢复力，为电网的发展规划提供参考依据。
大停电后电网恢复力Res计算方法为
其中，为所有可用的黑启动机组的容量之和的标幺值，为和的平均值。
作为一种实施方式，本发明针对IEEE30节点***进行了仿真计算，说明计算停电事故后电网恢复力的方法流程。IEEE30节点***结构图如图2所示。依照计算大停电后电网恢复力的方法，计算IEEE30节点***发生大停电事故后的电网恢复力的具体步骤如下：
S1：对***所处的具体状态进行识别，获取计算所用数据，并建立***对应的加权网络连接矩阵。
对***的状态进行识别是指对***中所有的发输变电设备进行可用性诊断，即对设备所处的状态进行识别和判断，筛选出处于故障状态或者检修状态的设备(恢复过程中不可用的设备)；计算所需要的数据有：***中黑启动机组和待恢复机组的数量和机组容量，***中可用输电线路的连接关系和对应的线路参数。
计算线路lij的线路电抗的标幺值xij时，基准值SB取为100MVA，UB取各电压等级的标准电压。
IEEE30节点***中，节点1上的机组为黑启动机组，容量为50MW。节点2、13、22、23和27上的机组为待恢复机组，机组容量分别为60MW、25MW、45MW、50MW和55MW。IEEE30节点***的电压等级为220kV。
在本步骤中，对IEEE30节点***发生停电事故后，电网中各类设备的可用性进行诊断，得出结论如下：IEEE30节点***中各类设备在恢复过程中均可用。并获取到***中黑启动机组和待恢复机组的数量和机组容量，***中输电线路的连接关系和对应的线路参数，并计算出各条线路电抗的标幺值。根据IEEE30节点的***拓扑和计算出的各条线路电抗的标幺值，建立IEEE30节点***对应的连接矩阵M。
S2：选择出***中可用的黑启动机组，计算出所有黑启动机组的容量之和以及对应的标幺值；
在黑启动阶段，***中可用的黑启动机组会首先进行启动。黑启动机组成功启动之后，为其余不具备自启动能力的机组提供所需的启动功率，使其重新启动并网。黑启动机组的容量代表了***发生大面积停电事故后的迅速进行恢复的能力，可作为反映电网恢复力的一个重要指标。
本步骤中，IEEE30节点***中只有节点1上的机组为黑启动机组，容易计算出***中黑启动机组的容量之和Pblack为50MW，其对应的标幺值为
S3：计算出***中各待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离以及负荷节点到各机组节点的平均最短距离，并计算出两者的平均距离。
根据IEEE30节点***对应的连接矩阵M，首先计算待恢复机组所在节点2、13、22、23和27到黑启动机组所在节点1的最短距离。最短路径算法的计算步骤为：
1.初始计算时，集合S中仅含有节点1，集合U中包含除节点1之外的所有节点，对于集合U中任一点x，D[x]为节点1到点x的距离；
2.集合U中具有最小D[x]的点x为节点2，将节点2从集合U移到集合S中；
3.对于集合U剩余节点中的任一节点y，如果存在D[y]>D[x]+Mxy，则将节点1到点y的距离D[y]设置为D[x]+Mxy；
4.重复步骤2和步骤3，直至集合U中所有节点都移到集合S中；
5.节点2、13、22、23和27到黑启动机组所在节点1的最短距离为D[2]、D[13]、D[22]、D[23]和D[27]。
节点2、13、22、23和27上的待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离计算公式如下：
LSi＝Dis[i]
节点2上的待恢复机组到节点1上的黑启动机组的最短距离路径为：1-2，最短距离为0.0575。
节点13上的待恢复机组到节点1上的黑启动机组的最短距离路径为：1-3，3-4，4-12，12-13，其最短距离为0.6191。
节点22上的待恢复机组到节点1上的黑启动机组的最短距离路径为：1-2，2-6，6-9，9-10，10-21，21-22，其最短距离为0.6503。
节点23上的待恢复机组到节点1上的黑启动机组的最短距离路径为：1-3，3-4，4-12，12-15，15-23，其最短距离为0.8115。
节点27上的待恢复机组到节点1上的黑启动机组的最短距离路径为：1-2，2-6，6-28，28-27，其最短距离为0.6897。
节点2、13、22、23和27上的待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离为0.5656。
负荷节点可分为两类：第一类为包含在节点2、13、22、23和27到节点1的最短路径中的节点，共包含节点为：3、4、6、9、10、15、21、28。
第二类为剩余负荷节点，共包含节点为：5、7、8、11、14、16、17、18、19、20、24、25、26、29、30。在计算第二类节点到各机组的最短距离时，将线路1-2，1-3，3-4，4-12，12-13，2-6，6-9，9-10，10-21，21-22，12-15，15-23，2-6，6-28，28-27以及线路所连接的节点聚类为一个点1，第二类节点到各个机组节点的最短距离，即为到聚类后的点1的最短距离。使用最短路径算法计算第二类阶段到各机组节点的最短距离如表1所示。
表1第二类节点到各机组节点的最短距离
| 节点号 | 最短距离 | 节点号 | 最短距离 |
| 5 | 0.1980 | 19 | 0.2770 |
| 7 | 0.0820 | 20 | 0.2090 |
| 8 | 0.0420 | 24 | 0.1790 |
| 11 | 0.2080 | 25 | 0.2087 |
| 14 | 0.1997 | 26 | 0.5887 |
| 16 | 0.1987 | 29 | 0.4153 |
| 17 | 0.0845 | 30 | 0.6027 |
| 18 | 0.2185 |
负荷节点到各机组节点的平均最短距离为0.2475。故和的平均值为
S4：将求取黑启动机组的容量之和的标幺值与S3中平均距离的商作为定量计算大停电后电网恢复力的方法。
大停电后电网恢复力Res计算方法为
IEEE30节点***在发生大停电后的电网恢复力为1.23。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (3)
1.一种计算大停电后电网恢复力的方法，其特征是，包括以下步骤：
(1)对***中所有的发输变电设备进行可用性诊断，获取***中黑启动机组和待恢复机组的数量及其对应的机组容量、***中可用输电线路的连接关系及其对应的线路参数；
(2)根据获取的数据，建立***对应的加权网络连接矩阵M；
建立***所对应的加权网络连接矩阵M时，加权网络连接矩阵M为一方阵，并且行数与列数均等于***中可用的发电厂和变电站节点的数量；
当***中节点i与节点j之间存在可用的输电线路lij时，设线路lij的线路电抗的标幺值为xij，其在加权网络连接矩阵M中对应的元素为Mij，且有Mij＝Mji＝xij；反之，若***中节点i与节点j之间不存在可用的输电线路时，Mij＝Mji＝∞；
(3)筛选出***中可用的黑启动机组，计算出所有可用的黑启动机组的容量之和以及对应的标幺值；
(4)计算出***中各待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离以及负荷节点到各机组节点的平均最短距离，并计算出上述两个平均最短距离的平均距离；
***中各待恢复机组到黑启动机组的平均最短距离根据每个待恢复机组到各个黑启动机组的最短距离的最小值确定；
在计算待恢复机组i到黑启动机组j的最短距离Disij时，将黑启动机组j所在节点作为源点s，待恢复机组i所在节点作为目标节点t，将加权网络连接矩阵M中的节点分为两类，分别记为集合S和集合U：集合S为已经求取出到源点s的最短路径的目标节点的集合，集合U为尚未计算出到源点s的最短路径的目标节点集合；
采用最短路径法计算待恢复机组i到黑启动机组j的最短距离Disij，具体方法如下：
1)初始计算时，集合S中仅含有源点s，集合U中包含除源点s之外的所有节点，对于集合U中任一点x，D[x]为源点s到点x的距离，即为源点s和节点x之间线路在加权网络连接矩阵M中对应元素的数值Msx；
2)从集合U中选择出具有最小D[x]的点x，然后将点x从集合U移到集合S中；
3)对于集合U剩余节点中的任一节点y，如果存在D[y]>D[x]+Mxy，则将源点s到点y的距离D[y]设置为D[x]+Mxy，其中，Mxy为节点x和节点y之间线路在加权网络连接矩阵M中对应的元素的数值；
4)从剩余节点中选出具有最小D[y]的点y，然后将点y从集合U移到集合S中；
5)重复步骤3)和步骤4)，直至集合U中所有节点都移到集合S中；
6)源点s到目标节点t的最短距离为D[t]；
负荷节点到各机组节点的平均最短距离根据待恢复机组i到所有机组节点的最短距离的最小值确定；
计算负荷节点到各机组节点的平均最短距离时，将负荷节点分为两类：一类为已包含在各待恢复机组到各个黑启动机组的最短距离的最小值对应的恢复路径中的负荷节点；另一类则不包含在上述路径中的负荷节点；
第一类负荷节点已经包含在恢复路径中，故不予考虑，仅考虑第二类负荷节点，并且将各待恢复机组到各个黑启动机组的最短距离的最小值对应的恢复路径中包含的节点进行聚类；
采用最短路径法计算待恢复机组i到所有机组节点的最短距离；
(5)根据步骤(3)中求取的所有可用的黑启动机组的容量之和的标幺值与步骤(4)中计算的平均距离，求取大停电后电网的恢复力，为电网的发展规划提供参考依据。
2.如权利要求1所述的一种计算大停电后电网恢复力的方法，其特征是，所述步骤(1)中，对***中所有的发输变电设备进行可用性诊断的方法为：
对***中所有的发输变电设备所处的运行状态进行识别和判断，筛选出处于故障状态或者检修状态的设备，即恢复过程中不可用的设备。
3.如权利要求1所述的一种计算大停电后电网恢复力的方法，其特征是，所述步骤(5)中，大停电后电网的恢复力为：所有可用的黑启动机组的容量之和的标幺值与步骤(4)中计算的平均距离的商值。
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