CN108764738A - 一种考虑弹性裕度的城市输电网安全概率评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑弹性裕度的城市输电网安全概率评估方法。在本发明中，用风电场输出功率概率模型和综合负荷功率需求概率模型描述输电网节点注入功率的变化；利用三点估计法选取评估样本构成样本评估矩阵减小了评估计算量；节点注入功率变化引起各支路潮流发生不同程度的偏移，对某些节点功率波动敏感的支路会发生较大的潮流偏移，RSSD能够反映输电网安全性对节点功率变化的敏感程度；样本评估矩阵中的每个样本都对应着确定的节点注入功率，高压配电网重构进行负荷转供改变运行方式使输电网产生弹性裕度，选取高压配电网的一种可行拓扑状态作为运行方式使各评估样本都有最大的安全裕度。
Description
技术领域
本发明涉及城市电网安全评估领域，具体涉及一种考虑弹性裕度的城市输电网安全概率评估方法。
背景技术
分布式电源和电动汽车在电网中的渗透率逐步增大使负荷时空分布不均衡性更加严峻。高压配电网(110kV)作为城市输电网(220kV)与中压配电网(10kV及以下)的过渡电网，是保证城市供电质量和安全的关键环节，其拓扑结构灵活，存在大量备供线路，通过切换主备供路径开关状态即可实现运行方式大幅度改变，疏导输电网潮流分布。输电线路作为输送电能的重要载体，其传输安全对输电网运行安全不容忽视。目前对于传输安全裕度指标均只孤立地对所研究线路进行分析，没有将线路与其所在拓扑位置相联系，无法计及电源出力和负荷波动对支路安全的影响，不能直接用某条支路的安全性体现输电网的安全裕度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种考虑弹性裕度的城市输电网安全概率评估方法，解决输电网安全裕度计算不准确的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种考虑弹性裕度的城市输电网安全概率评估方法，包括以下步骤：
S1、初始化电网和高压配电网的结构、元件参数和节点注入功率概率模型；
S2、通过三点估计法原则选取节点注入功率概率模型中随机变量的估计点，形成样本评估矩阵Xr；
S3、对样本矩阵Xr中的每个评估样本计算电网安全裕度的评估指标值，及其对应的权重系数；
S4、当得到所有评估样本的评估指标值及其对应的权重系数时，进入步骤S5，否则返回步骤S3；
S5、通过权重系数计算每个评估样本评估指标值的v阶原点矩，利用Cornish-fisher级数展开v阶原点矩得到输电网的安全概率分布。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述步骤S1中计算节点注入功率概率模型的具体步骤为：
S11、计算风电的输出功率Pwind，计算公式为：
在公式(1)中，v为风速，vci为切入风速，vr为额定风速，vco为切出风速，Pr为风电机组的额定功率，
S12、计算风电场输出功率概率模型f(Pwind)，计算公式为：
在公式(2)中，K为Weibull分布形状参数，C为尺度参数；
S13、计算t时刻节点综合负荷功率需求概率模型，计算公式为：
在公式(3)中，μP,t、σP,t分别为t时刻综合节点负荷的有功期望值和标准差，PL为综合负荷有功功率需求，μCLQ,t为常规负荷无功期望值，σCLQ,t为常规负荷无功标准差，QL为综合负荷无功功率需求。
进一步，所述步骤S3的具体步骤为：
S31、计算输电网支路i的安全裕度RSSDi，计算公式为：
在公式(4)中，Pimax为支路i的最大传输容量，Pi为支路i的当前传输功率，σG-i为各电源对支路i贡献因子Gm-i的标准差，σL-i为各节点负荷对支路i贡献因子Gn-i的标准差；
其中，各电源对支路i贡献因子Gm-i的计算公式为：
在公式(5)中，ΔPi为支路i的有功出力变化量，ΔPGm为节点m电源的有功出力变化量，Xi为支路i的电抗，l、k为支路i的首末节点，Xlm、Xkm分别为电抗矩阵中的第l行m列、第k行m列；
各节点负荷对支路i贡献因子Gn-i的计算公式为：
在公式(6)中，ΔPLn为节点n负荷的变化量，Xln、Xkn分别为电抗矩阵中的第l行n列、第k行n列；
S32、计算电网安全裕度的评估指标值RSSD，计算公式为：
RSSD＝min(RSSDi)i∈SL (7)
在公式(7)中，SL为包含所有支路的集合。
S33、通过高压配电网拓扑重构使电网安全裕度的评估指标值RSSD最大，构建优化模型，所述优化模型包括目标函数和约束条件；
目标函数为：
f＝max RSSD (8)
第i种拓扑结构下的交流潮流约束为：
在公式(9)中，分别为节点j处风电场的有功和无功功率，分别为节点j处负荷的有功需求和无功需求，为与节点j相连的节点k的电压，为节点j的电压，为连接节点k与j支路的电导，为节点k与j的电压相位差，为连接节点k与j支路的电纳；
其中，节点j处负荷的有功需求的计算公式为：
在公式(10)中，为重构前节点j处的有功负荷，为重构后第i种拓扑结构下节点j处转移的有功负荷；
节点j处负荷的无功需求的计算公式为：
在公式(11)中，为重构前节点j处的无功负荷，为重构后第i种拓扑结构下节点j处转移的无功负荷；
第i种拓扑结构下的断面功率约束为：
在公式(12)中，为第n个断面联络线上传输的有功功率，为第n个断面有功功率设定值，Slink,n为第n个断面所包含的联络线集合，Ncut为断面个数；
第i种拓扑结构下风电的有功和无功输出功率上下限约束为：
在公式(13)中，为节点j处的风电有功输出功率下限，为节点j处的风电有功输出功率上限，为节点j处的风电无功输出功率下限，为节点j处的风电无功输出功率上限；
第i种拓扑结构下节点电压约束为：
在公式(14)中，Vmin为节点电压下限，Vmax为节点电压上限；
第i种拓扑结构下支路功率约束为：
在公式(15)中，为连接节点k与j的支路传输功率，为连接节点k与j的支路传输功率下限，为连接节点k与j的支路传输功率上限；
重构时配电单元组Gw开关次数限制：
0≤Dw≤Dw,max (16)
在公式(16)中，Dw,max为单元组Gw最大开关动作次数；
S34、在优化模型中加入风电场输出功率概率模型和节点综合负荷功率需求概率模型，构成输电网安全裕度与各节点注入功率之间的非线性模型：
F＝h(X) (17)
在公式(17)中，h()为各节点注入功率与输电网安全裕度的非线性函数关系，X为各个节点的注入功率用随机向量，X＝[X1,X2,…,Xm]；
S35、通过求解非线性模型得到评估指标值RSSD；
S36、计算风电场的输出功率和综合负荷需求Xi的采样值xi,k：
xi,k＝μi+ξi,kσi，k＝1,2,3 (18)
在公式(18)中，μi、σi分别为变量Xi的均值和标准差，ξi,k为采样值xi,k的位置系数；
其中，位置系数ξi,k的计算公式为：
S37、通过位置系数ξi,k计算权重系数ωi,k：
在公式(20)中，λi,3和λi,4分别为变量Xi的偏度和峰度，ξi,1和ξi,2分别为变量Xi的左右估计点的位置系数，m为有注入功率的节点数。
本发明的有益效果是：在本发明中，用风电场输出功率概率模型和综合负荷功率需求概率模型描述输电网节点注入功率的变化；利用三点估计法选取评估样本构成样本评估矩阵减小了评估计算量；评估指标RSSD将支路的安全裕度与网络拓扑结构相联系使输电网的安全裕度由“短板”支路决定，且RSSD能反映节点注入功率变化对输电网安全裕度的影响；节点注入功率变化引起各支路潮流发生不同程度的偏移，对某些节点功率波动敏感的支路会发生较大的潮流偏移，RSSD能够反映输电网安全性对节点功率变化的敏感程度；样本评估矩阵中的每个样本都对应着确定的节点注入功率，高压配电网重构进行负荷转供改变运行方式使输电网产生弹性裕度，选取高压配电网的一种可行拓扑状态作为运行方式使各评估样本都有最大的安全裕度。
附图说明
图1为本发明总流程图；
图2为本发明步骤S1中计算节点注入功率概率模型的流程图；
图3为本发明步骤S3的流程图；
图4为本发明场景示意图；
图5为本发明输电网安全域和安全裕度的示意图；
图6为本发明高压配电网重构后电网弹性裕度的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种考虑弹性裕度的城市输电网安全概率评估方法，包括以下步骤：
S1、初始化电网和高压配电网的结构、元件参数和节点注入功率概率模型；
S2、通过三点估计法原则选取节点注入功率概率模型中随机变量的估计点，形成样本评估矩阵Xr；
S3、对样本矩阵Xr中的每个评估样本计算电网安全裕度的评估指标值及其对应的权重系数；
S4、当得到所有评估样本的评估指标值及其对应的权重系数时，进入步骤S5，否则返回步骤S3；
S5、通过权重系数计算每个评估样本评估指标值的v阶原点矩，利用Cornish－fisher级数展开v阶原点矩得到输电网的安全概率分布。
如图2所示，步骤S1中计算节点注入功率概率模型的具体步骤为：
S11、计算风电的输出功率Pwind，计算公式为：
在公式(1)中，v为风速，vci为切入风速，vr为额定风速，vco为切出风速，Pr为风电机组的额定功率，
S12、计算风电场输出功率概率模型f(Pwind)，计算公式为：
在公式(2)中，K为Weibull分布形状参数，C为尺度参数；
计算t时刻的节点负荷PLD，计算公式为：
PLD＝atPCL+(1-at)PEV (21)
在公式(21)中，at为t时刻的时变系数，PCL为常规负荷，PEV为电动汽车充电负荷；
计算电动汽车充电负荷PEV和常规负荷PCL的分布特性，计算公式为：
在公式(22)和公式(23)中，ft(PEV)为电动汽车充电负荷PEV的分布特性，ft(PCL)为常规负荷PCL的分布特性，ft(QCL)为常规负荷无功功率的分布特性，μEV,t和λEV,t分别为电动汽车充电负荷的期望值和变异系数，μCLP,t、μCLQ,t、σCLP,t和σCLQ,t分别为常规负荷的有功期望值、有功标准差、无功期望值和无功标准差
S13、计算t时刻节点综合负荷功率需求概率模型，计算公式为：
在公式(3)中，μPt、σPt分别为t时刻综合节点负荷的有功期望值和标准差，PL为综合负荷有功功率需求，μCLQt为常规负荷无功功率期望值，σCLQt为常规负荷无功功率标准差，QL为综合负荷无功功率需求。
如图3所示，步骤S3的具体步骤为：
S31、计算输电网支路i的安全裕度RSSDi，计算公式为：
在公式(4)中，Pimax为支路i的最大传输容量，Pi为支路i的当前传输功率，σG-i为各电源对支路i贡献因子Gm-i的标准差，σL-i为各节点负荷对支路i贡献因子Gn-i的标准差；
其中，各电源对支路i贡献因子Gm-i的计算公式为：
在公式(5)中，ΔPi为支路i的有功出力变化量，ΔPGm为节点m电源的有功出力变化量，Xi为支路i的电抗，l、k为支路i的首末节点，Xlm、Xkm分别为电抗矩阵中的第l行m列、第k行m列；
各节点负荷对支路i贡献因子Gn-i的计算公式为：
在公式(6)中，ΔPLn为节点n负荷的变化量，Xln、Xkn分别为电抗矩阵中的第l行n列、第k行n列；
S32、计算电网安全裕度的评估指标值RSSD，计算公式为：
RSSD＝min(RSSDi)i∈SL (7)
在公式(7)中，SL为包含所有支路的集合。
S33、通过高压配电网拓扑重构使电网安全裕度的评估指标值RSSD最大，构建优化模型，所述优化模型包括目标函数和约束条件；
目标函数为：
f＝max RSSD (8)
第i种拓扑结构下的交流潮流约束为：
在公式(9)中，分别为节点j处风电场的有功和无功功率，分别为节点j处负荷的有功需求和无功需求，为与节点j相连的节点k的电压，为节点j的电压，为连接节点k与j支路的电导，为节点k与j的电压相位差，为连接节点k与j支路的电纳；
其中，节点j处负荷的有功需求的计算公式为：
在公式(10)中，为重构前节点j处的有功负荷，为重构后第i种拓扑结构下节点j处转移的有功负荷；
节点j处负荷的无功需求的计算公式为：
在公式(11)中，为重构前节点j处的无功负荷，为重构后第i种拓扑结构下节点j处转移的无功负荷；
第i种拓扑结构下的断面功率约束为：
在公式(12)中，为第n个断面联络线上传输的有功功率，为第n个断面有功功率设定值，Slink,n为第n个断面所包含的联络线集合，Ncut为断面个数；
第i种拓扑结构下风电的有功和无功输出功率上下限约束为：
在公式(13)中，为节点j处的风电有功输出功率下限，为节点j处的风电有功输出功率上限，为节点j处的风电无功输出功率下限，为节点j处的风电无功输出功率上限；
第i种拓扑结构下节点电压约束为：
在公式(14)中，Vmin为节点电压下限，Vmax为节点电压上限；
第i种拓扑结构下支路功率约束为：
在公式(15)中，为连接节点k与j的支路传输功率，为连接节点k与j的支路传输功率下限，为连接节点k与j的支路传输功率上限；
重构时配电单元组Gw开关次数限制：
0≤Dw≤Dw,max (16)
在公式(16)中，Dw,max为单元组Gw最大开关动作次数；
S34、在优化模型中加入风电场输出功率概率模型和节点综合负荷功率需求概率模型，构成输电网安全裕度与各节点注入功率之间的非线性模型：
F＝h(X) (17)
在公式(17)中，h()为各节点注入功率与输电网安全裕度的非线性函数关系，X为各个节点的注入功率用随机向量，X＝[X1,X2,…,Xm]。
S35、通过求解非线性模型得到评估指标值RSSD；
S36、计算风电场的输出功率和综合负荷需求Xi的采样值xi,k：
xi,k＝μi+ξi,kσi，k＝1,2,3 (18)
在公式(18)中，μi、σi分别为变量Xi的均值和标准差，ξi,k为采样值xi,k的位置系数；
其中，位置系数ξi,k的计算公式为：
S37、通过位置系数ξi,k计算权重系数ωi,k：
在公式(20)中，λi,3和λi,4分别为变量Xi的偏度和峰度，ξi,1和ξi,2分别为变量Xi的左右估计点的位置系数，m为有注入功率的节点数。
如图4所示，本发明实施例中的风电厂接在220KV节点上，负荷节点包括常规负荷和电动汽车充电负荷，按负荷特性将负荷分为居民用电负荷、工业用电负荷和商业用电负荷。
在本发明实施例中，通过蒙特卡洛抽样得到各节点处风电场的输出功率概率模型，各节点风电参数如表1所示；根据常规负荷特性得到各节点在加入电动汽车充电负荷后的节点概率模型。
表1
在本发明实施例中，根据网络结构及元件参数得到所有支路的电抗，进而求得各节点对每条支路的贡献因子及其标准差；由输电网线路的潮流约束和电源有功出力上下限确定输电网安全域；每个评估样本对应着确定的风电场输出功率和综合负荷功率需求，从高压配电网可行拓扑集中选择一种拓扑状态使得每个评估样本下输电网安全裕度最大，由此得到的RSSD为某一评估样本的输电网的安全裕度。
如图5所示，输电网安全域由电源有功出力上下限和线路潮流约束构成，保证输电网安全运行的所有运行点均在安全域内；用运行点到安全域各边界欧式距离的最小值表示上述输电网的安全裕度。
如图6所示，高压配电网重构改变运行方式，改变运行点在安全域内的位置，给输电网带来弹性裕度。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种考虑弹性裕度的城市输电网安全概率评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、初始化电网和高压配电网的结构、元件参数和节点注入功率概率模型，所述节点注入功率概率模型包括风电场输出功率概率模型和节点综合负荷功率需求概率模型；
S2、通过三点估计法原则选取节点注入功率概率模型中随机变量的估计点，形成样本评估矩阵Xr；
S3、对样本矩阵Xr中的每个评估样本计算电网安全裕度的评估指标值及其对应的权重系数；
S4、当得到所有评估样本的评估指标值及其对应的权重系数时，进入步骤S5，否则返回步骤S3；
S5、通过权重系数计算每个评估样本评估指标值的v阶原点矩，利用Cornish－fisher级数展开v阶原点矩得到输电网的安全概率分布。
2.根据权利要求1所述的考虑弹性裕度的城市输电网安全概率评估方法，其特征在于，所述步骤S1中计算节点注入功率概率模型的具体步骤为：
S11、计算风电的输出功率Pwind，计算公式为：
在公式(1)中，v为风速，vci为切入风速，vr为额定风速，vco为切出风速，Pr为风电机组的额定功率，
S12、计算风电场输出功率概率模型f(Pwind)，计算公式为：
在公式(2)中，K为Weibull分布形状参数，C为尺度参数；
S13、计算t时刻节点综合负荷功率需求概率模型，计算公式为：
在公式(3)中，μP,t、σP,t分别为t时刻综合节点负荷的有功期望值和标准差，PL为综合负荷有功功率需求，μCLQ,t为常规负荷无功期望值，σCLQ,t为常规负荷无功标准差，QL为综合负荷无功功率需求。
3.根据权利要求1所述的考虑弹性裕度的城市输电网安全概率评估方法，其特征在于，所述步骤S3的具体步骤为：
S31、计算输电网支路i的安全裕度RSSDi，计算公式为：
在公式(4)中，Pimax为支路i的最大传输容量，Pi为支路i的当前传输功率，σG-i为各电源对支路i贡献因子Gm-i的标准差，σL-i为各节点负荷对支路i贡献因子Gn-i的标准差；
其中，各电源对支路i贡献因子Gm-i的计算公式为：
在公式(5)中，ΔPi为支路i的有功出力变化量，ΔPGm为节点m电源的有功出力变化量，Xi为支路i的电抗，l、k为支路i的首末节点，Xlm、Xkm分别为电抗矩阵中的第l行m列、第k行m列；
各节点负荷对支路i贡献因子Gn-i的计算公式为：
在公式(6)中，ΔPLn为节点n负荷的变化量，Xln、Xkn分别为电抗矩阵中的第l行n列、第k行n列；
S32、计算电网安全裕度的评估指标值RSSD，计算公式为：
RSSD＝min(RSSDi)i∈SL (7)
在公式(7)中，SL为包含所有支路的集合。
S33、通过高压配电网拓扑重构使电网安全裕度的评估指标值RSSD最大，构建优化模型，所述优化模型包括目标函数和约束条件；
目标函数为：
f＝max RSSD (8)
第i种拓扑结构下的交流潮流约束为：
在公式(9)中，分别为节点j处风电场的有功和无功功率，分别为节点j处负荷的有功需求和无功需求，为与节点j相连的节点k的电压，为节点j的电压，为连接节点k与j支路的电导，为节点k与j的电压相位差，为连接节点k与j支路的电纳；
其中，节点j处负荷的有功需求的计算公式为：
在公式(10)中，为重构前节点j处的有功负荷，为重构后第i种拓扑结构下节点j处转移的有功负荷；
节点j处负荷的无功需求的计算公式为：
在公式(11)中，为重构前节点j处的无功负荷，为重构后第i种拓扑结构下节点j处转移的无功负荷；
第i种拓扑结构下的断面功率约束为：
在公式(12)中，为第n个断面联络线上传输的有功功率，为第n个断面有功功率设定值，Slink,n为第n个断面所包含的联络线集合，Ncut为断面个数；
第i种拓扑结构下风电的有功和无功输出功率上下限约束为：
在公式(13)中，为节点j处的风电有功输出功率下限，为节点j处的风电有功输出功率上限，为节点j处的风电无功输出功率下限，为节点j处的风电无功输出功率上限；
第i种拓扑结构下节点电压约束为：
在公式(14)中，Vmin为节点电压下限，Vmax为节点电压上限；
第i种拓扑结构下支路功率约束为：
在公式(15)中，为连接节点k与j的支路传输功率，为连接节点k与j的支路传输功率下限，为连接节点k与j的支路传输功率上限；
重构时配电单元组Gw开关次数限制：
0≤Dw≤Dw,max (16)
在公式(16)中，Dw,max为单元组Gw最大开关动作次数；
S34、在优化模型中加入风电场输出功率概率模型和节点综合负荷功率需求概率模型，构成输电网安全裕度与各节点注入功率之间的非线性模型：
F＝h(X) (17)
在公式(17)中，h()为各节点注入功率与输电网安全裕度的非线性函数关系，X为各个节点的注入功率用随机向量，X＝[X1,X2,…,Xm]；
S35、通过求解非线性模型得到评估指标值RSSD；
S36、计算风电场的输出功率和综合负荷需求Xi的采样值xi,k：
xi,k＝μi+ξi,kσi，k＝1,2,3 (18)
在公式(18)中，μi、σi分别为变量Xi的均值和标准差，ξi,k为采样值xi,k的位置系数；
其中，位置系数ξi,k的计算公式为：
S37、通过位置系数ξi,k计算权重系数ωi,k：
在公式(20)中，λi,3和λi,4分别为变量Xi的偏度和峰度，ξi,1和ξi,2分别为变量Xi的左右估计点的位置系数，m为有注入功率的节点数。
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