协调输电网安全与发展的合理运行效率评价方法及系统与流程

本发明涉及一种输电网分析评价方法，特别是关于一种协调输电网安全与发展的合理运行效率评价方法及系统。
背景技术：
：电网作为重要的公用基础性设施，承担着优化资源配置、保障能源安全、满足经济社会发展需求的重要作用，要求其结构合理、运行灵活，能够提供安全、可靠、优质的电力供应。同时，电网公司作为一个自负盈亏的运营企业，要求其具有长期稳定的发展生存能力，而电网资产的高效利用对于节约电网投资、发挥资产的效益具有极其重要的作用。但是效率的不断提升可能出现电网安全裕度和安全水平下降。另外，由于电网建设投资需要一年甚至更长的周期，一般而言，电网运行还需要预留一定的发展裕度，以保证近期电网负荷增长的需求。实际电网运行过程中，首先要求保障电网的安全可靠运行和发展裕度，其次要求保持较高的电网运行效率。在电网发展、建设、运行过程中需要在保障电网安全和裕度的前提下开展输电网运行效率合理水平分析和评价。为实现电网资产高效利用，有必要掌握输电网运行效率合理水平的评价分析方法，用于指导电网实际运行和电网投资建设，从而全面提升电网效率和企业效益水平。但是现有关于输电网利用效率评价的研究主要是建立了电网线路和变压器的负载率指标，关于合理运行效率分析评价研究和成果尚少，缺乏科学的理论指导和实际的操作方法，且没有考虑电网安全和发展的约束条件，不能真实地获得合理的电网运行效率，更无法为电网发展和运行提供指导。技术实现要素：针对上述问题，本发明的目的是提供一种协调输电网安全与发展的合理运行效率评价方法及系统，该方法及系统基于实际电网的网架结构和负荷水平，通过增长电网用电负荷，利用电网安全性指标与效率指标增长转折点确定安全约束极限下电网运行效率极限水平。随后根据地区负荷增长速度和不同电压等级规划建设周期，计算获得考虑发展裕度的合理运行效率水平。为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：第一个方面，本发明提供一种协调输电网安全与发展的合理运行效率评价方法，其特征在于，包括以下步骤：收集待评价电网电力系统的基础数据；提升待评价电网的供电负荷水平，并基于待评价电网当前实际的典型大方式潮流数据，计算不同供电负荷水平下待评价电网的典型大方式下的潮流数据；根据待评价电网的基础数据以及不同供电负荷水平下典型大方式下的潮流数据，计算待评价电网不同供电负荷水平下其停电风险与电网利用效率的关系；根据待评价电网不同供电负荷水平下其停电风险与电网利用效率的关系以及风险效率增量比指标，确定待评价电网的极限运行效率；根据电网规划中待评价电网的负荷增长速度，以及待评价电网的极限运行效率，得到待评价电网的合理输电效率，对待评价电网的实际运行效率进行评价。进一步的，所述计算不同负荷水平下待评价电网的典型大方式下的潮流数据，包括以下步骤：采用待评价电网当前实际的典型大方式下的潮流数据，统计典型大方式下最大用电负荷及其各变压器分布、电网各设备的额定容量；以实际的典型大方式下潮流数据为基础，按照预设幅度增加待评价电网的供电负荷水平，形成负荷增长序列；根据负荷增长序列增长待评价电网供电负荷后对应的各变压器的下网负荷，按照优先增加本地机组出力，联络线功率调整次之的原则进行最优潮流计算，得到不同负荷水平下待评价电网的典型大方式下潮流数据。进一步的，所述计算待评价电网不同供电负荷水平下其停电风险与电网利用效率关系，包括以下步骤：根据待评价电网的网架结构、电网设备故障率数据和每一供电负荷水平下典型大方式下的电网潮流数据，计算得到每一供电负荷水平下待评价电网的停电风险：其中，f(x)是发生损失负荷的概率密度函数x为损失负荷；根据每一供电负荷水平下电网潮流数据及电网设备额定容量，计算得到每一供电负荷水平下全网各电压等级的电网利用效率；根据得到的各供电负荷水平下待评价电网的停电风险和电网利用效率数据，生成待评价电网的停电风险与电网利用效率曲线图。进一步的，所述待评价电网的停电风险的计算方法，包括以下步骤：a)根据预设的电网设备故障率随机抽样生成初始故障；b)对电力系统的状态进行判断，若电力系统能够保持电力平衡和频率稳定，则仿真次数加一，进入步骤a)，；若电力系统出现缺乏电力或频率不稳定，则以最小损失负荷为目标，以满足电网运行可行性和安全性为约束，进行最优潮流分析；c)在新的潮流状态下，根据预设的电网设备故障率抽样随机生成设备连锁故障；d)判断此时电力系统状态是否改变，若电力系统状态改变，即此时电力系统能够保持电力平衡和频率稳定则进入步骤b)，；若电力系统状态未改变，则统计此次故障损失负荷情况；e)判断是否达到仿真次数，如达到则结束仿真，统计停电风险损失情况，如未达到则重复步骤a)到d)，进行下一次计算。进一步的，所述全网各电压等级的电网利用效率包括变压器负载率和输电线路，所述变压器负载率ft的计算公式为：其中，pti为第i台变压器最大负荷，sti为第i台变压器额定容量，n为该电压等级变压器数量；等级输电线路负载率fl的计算公式为：其中，pli为第i条输电线路最大负荷，eli为第i条输电线路额定容量，m为该电压等级输电线路数量。进一步的，所述确定待评价电网的极限运行效率，包括以下步骤：根据得到的不同供电负荷水平下待评价电网的停电风险和电网利用效率数据，计算不同供电负荷水平下待评价电网的风险效率增量比；根据不同供电负荷水平下待评价电网的风险效率增量比，得到待评价电网的极限运行效率。进一步的，所述待评价电网的风险效率增量比用于反映电网效率与停电风险的相对变化情况，其包括变压器负载风险效率以及线路负载风险效率，其计算公式分别为：其中，w是一个无量纲的指标，指标数值反映电网效率与停电风险相对变化情况，fl和ft为分别为电网变电和线路负载率；risks是归一化电网停电风险；下标i、j表示不同负荷增长次数下对应的各项指标,下标0表示实际大方式下各类指标，即i、j等于0时对应指标。进一步的，所述计算待评价电网的合理输电效率并对待评价电网的实际运行效率进行评价，包括以下步骤：根据电网规划中待评价电网的负荷增长速度，得到负荷增长速度中高方案和低方案增速范围；根据负荷增长速度中高方案和低方案增速范围，以及待评价电网的极限运行效率，计算得到待评价电网的合理输电效率；将得到的电网合理输电效率，与实际电网运行效率或者电网规划中待评价电网任一水平年的电网运行效率进行对比，确定待评价电网实际或规划效率水平是否合理。进一步的，所述电网的合理输电效率包括变压器合理负载率ftr和线路合理负载率flr，其计算公式分别为：式中，phigh为高方案负荷增速，plow为低方案负荷增速；flmax和ftmax分别为待评价电网的极限运行效率。第二个方面，本发明提供一种协调输电网安全与发展的合理运行效率评价系统，其特征在于，包括：基础数据收集模块，用于收集待评价电网电力系统的基础数据；潮流数据获取模块，用于计算不同负荷水平下待评价电网在典型大方式下的潮流数据；第一计算模块，用于根据待评价电网的基础数据以及不同供电负荷水平下待评价电网的潮流数据，计算不同供电负荷水平下待评价电网的停电风险与电网利用效率之间的关系；第二计算模块，用于根据不同供电负荷水平下待评价电网的停电风险与电网利用效率之间的关系以及风险效率增量指标，计算得到待评价电网的极限运行效率；评价模块，用于根据待评价电网的极限运行效率计算得到其合理输电效率，并对待评价电网的实际运行效率进行评价。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过求取待评价电网不同负荷水平下电网安全风险指标和电网利用效率指标的对应关系，充分考虑了电网实际运行中的安全性约束，具有实际的物理意义。2、本发明定义了风险效率增量比指标，用于寻找出该电网在安全性风险相对效率迅速增大的关键拐点，进而确定电网的极限效率水平，填补了评价电网合理输电效率的空白。3、本发明充分考虑了电网发展的裕度，基于电网的合理输电效率以及电网规划中高低负荷需求，确定了当前电网合理的输电效率水平。因此本发明能够考虑电网实际的安全性约束和发展裕度需求两大因素，并从客观上获得电网合理输电效率的技术方法，使得各电网可针对电网自身的电源布局、网架结构和发展需求等特征实现电网合理输电效率的计算分析，可实现电网实际输电效率与合理输电效率的对比分析，为电网规划、电网投资和项目建设提供重要的参考依据。因而，本发明可以广泛应用于电网输电网利用效率的评价中。附图说明图1是本发明电网停电风险计算流程图；图2是本发明电网停电风险与电网效率的关系计算流程图；图3是本发明实施例中a市220千伏及以上电网拓扑图；图4是本发明实施例中a市220千伏及以上电网停电风险与变压器负载率关系；图5是本发明实施例中a市220千伏及以上电网停电风险与线路负载率关系；图6是本发明实施例中a市电网风险效率增量比与变压器负载率关系；图7是本发明实施例中a市电网风险效率增量比与线路负载率关系。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。本发明提供的一种协调输电网安全与发展的合理运行效率评价方法，包括以下步骤：1)收集待评价电网电力系统的基础数据，主要包括：待评价电网网架结构、各变电站负荷、典型大方式下电网潮流数据、电网设备故障率、电源装机及其出力情况、未来3-5年供电负荷增速等数据；其中，“典型大方式”是进行潮流计算时所选择的电力系统的运行方式，属本领域公知常识，在此不再赘述；2)提升待评价电网的供电负荷水平，并基于待评价电网当前实际的典型大方式潮流数据，分析得到供电负荷增长后不同负荷水平下待评价电网的典型大方式下的潮流数据；3)根据待评价电网的基础数据以及不同负荷水平下待评价电网的典型大方式下的潮流数据，计算待评价电网不同供电负荷水平下其停电风险与电网利用效率的关系；4)根据待评价电网不同供电负荷水平下其停电风险与电网利用效率的关系以及风险效率增量比指标，确定待评价电网的极限运行效率；5)根据电网规划中待评价电网的负荷增长速度，以及待评价电网的极限运行效率，得到待评价电网的合理输电效率，对待评价电网的实际运行效率进行评价。上述步骤2)中，如图1所示，不同负荷水平下待评价电网的典型大方式下的潮流数据的计算方法，包括以下步骤：2.1)采用待评价电网当前实际的典型大方式下的潮流数据，统计典型大方式下最大用电负荷及其各变压器分布、电网各设备的额定容量。2.2)以实际的典型大方式下潮流数据为基础，按照预设(例如0.1％)幅度增加待评价电网的供电负荷水平，形成负荷增长序列。负荷增长分布以均匀增长方式增加，如某变压器负荷增长到其额定容量时，停止该变压器负荷增长，将下次的负荷增量平均分配到其他变压器上，以此确定各变压器负荷每次的增长量，当超过30％的变压器负荷达到额定变电容量时，不再增加负荷，并将电网中超过30％的变压器负荷达到额定容量时对应的电网供电负荷水平作为最大供电负荷水平，按此方法形成不同负荷水平下各变电站对应下网负荷。2.3)根据负荷增长序列增长待评价电网供电负荷后对应的各变压器的下网负荷，按照优先增加本地机组出力，联络线功率调整次之的原则进行最优潮流计算，以此得到不同负荷水平下待评价电网的典型大方式下潮流数据。上述步骤3)中，待评价电网不同供电负荷水平下其停电风险与电网利用效率关系的计算方法，包括以下步骤：3.1)电网停电风险水平计算：根据待评价电网网架结构、电网设备故障率数据和每一供电负荷水平下典型大方式下的电网潮流数据，采用蒙特卡洛方法，计算得到每一供电负荷水平下待评价电网的停电风险risk：其中，f(x)是发生损失负荷的概率密度函数，其是基于10万次以上抽样次数结果统计分析而得，x为损失负荷。如图2所示，电网停电分析详细计算流程基于待评价电网网架结构、电网设备故障率数据和典型大方式下潮流数据，采用蒙特卡洛方法，抽样仿真10万次以上，统计各次电网停电损失负荷，结合发生抽样次数概率计算得到当前电网现状的停电风险水平，具体计算流程包括以下步骤：a)设定仿真次数、输入电网设备故障率、待评价电网网架结构及典型大方式下潮流数据等，完成数据准备工作；b)根据电网设备故障率随机抽样生成初始故障；c)在初始故障情况下，分析电力系统电力平衡和频率稳定状态，若电力系统能够保持电力平衡和频率稳定，则进入步骤b)，系统仿真次数加一；若电力系统出现缺乏电力或频率不稳定，则以最小损失负荷为目标，以满足电网运行可行性和安全性为约束，进行最优潮流(optimalpowerflow，opf)分析；d)在新的潮流状态下，根据电网设备故障率抽样随机生成设备连锁故障；e)在设备连锁故障情况下，分析系统状态是否改变，如改变则进入步骤c)，如未改变则统计此次故障损失负荷情况；f)判断是否达到仿真次数，如达到则结束仿真，统计停电风险损失情况，如未达到则重复步骤b)到e)，进行下一次计算。3.2)对得到的每一供电负荷水平下电网停电风险水平进行归一化，用以表征停电风险的相对值，得到归一化的停电风险水平risks为：其中risk为停电风险，ρ为电力系统最大用电负荷。3.3)根据每一供电负荷水平下电网潮流数据及电网设备额定容量，计算得到每一供电负荷水平下全网各电压等级的电网利用效率；其中，电网利用效率包括输电线路和变压器负载率指标：全网某电压等级变压器负载率ft的计算公式为：其中，pti为第i台变压器最大负荷，sti为第i台变压器额定容量，n为该电压等级变压器数量；全网某电压等级输电线路负载率fl的计算公式为：其中，pli为第i条输电线路最大负荷，eli为第i条输电线路额定容量，m为该电压等级输电线路数量。3.4)根据得到的各供电负荷水平下待评价电网的停电风险和电网利用效率数据，生成待评价电网的停电风险与电网利用效率曲线图。上述步骤4)中，待评价电网的极限运行效率的计算方法包括以下步骤：4.1)根据得到的不同供电负荷水平下待评价电网的停电风险和电网利用效率数据，计算不同供电负荷水平下待评价电网的风险效率增量比。待评价电网的风险效率增量比用于反映电网效率与停电风险的相对变化情况(如图6、图7所示)，其包括变压器负载风险效率以及线路负载风险效率，其计算公式分别为：其中，w是一个无量纲的指标，指标数值反映电网效率与停电风险相对变化情况，fl和ft为分别为电网变电和线路负载率；risks是归一化电网停电风险；下标i、j表示不同负荷增长次数下对应的各项指标,下标0表示实际大方式下各类指标，即i、j等于0时对应指标。4.2)根据不同供电负荷水平下待评价电网的风险效率增量比，得到待评价电网的极限运行效率。由于随着供电负荷的增长，待评价电网的停电风险和利用效率是单调递增的。根据分析表明当电网利用效率达到某一水平时，电网停电风险将显著增长，在电网停电风险显著增长之前即为电网运行的极限效率(如图4、图5所示)。因此本发明设定停电风险增量大于电网利用效率增量的两倍时，表明停电风险进入快速增长阶段，即wtj和wli分别等于0.5时，对应的电网效率为极限运行效率，记为ftmax和flmax。上述步骤5)中，计算待评价电网的合理输电效率并对待评价电网的实际运行效率进行评价的方法，包括以下步骤：5.1)根据电网规划中待评价电网的负荷增长速度，得到负荷增长速度中高方案和低方案增速范围。5.2)根据负荷增长速度中高方案和低方案增速范围，以及待评价电网的极限运行效率，计算得到待评价电网的合理输电效率。电网的合理输电效率包括变压器合理负载率ftr和线路合理负载率flr，其计算公式分别为：式中，phigh为高方案负荷增速，plow为低方案负荷增速；flmax和ftmax分别为待评价电网的极限运行效率。5.3)将得到的电网合理输电效率，与实际电网运行效率或者电网规划中待评价电网任一水平年的电网运行效率进行对比，即可判定待评价电网实际或规划效率水平是否合理。基于同一发明构思，本发明还提出一种协调输电网安全与发展的合理运行效率评价系统，其包括基础数据收集模块、潮流数据获取模块、第一计算模块、第二计算模块和评价模块。其中：基础数据收集模块，用于收集待评价电网电力系统的基础数据；潮流数据获取模块，用于计算不同供电负荷水平下待评价电网在典型大方式下的潮流数据；第一计算模块，用于根据待评价电网的基础数据以及不同供电负荷水平下待评价电网的潮流数据，计算不同供电负荷水平下待评价电网的停电风险与电网利用效率之间的关系；第二计算模块，用于根据不同供电负荷水平下待评价电网的停电风险与电网利用效率以及风险效率增量指标，计算得到待评价电网的极限运行效率；评价模块，用于根据待评价电网的极限运行效率计算得到其合理输电效率，并对待评价电网的实际运行效率进行评价。所述潮流数据获取模块，包括：统计单元，用于采用待评价电网当前实际的典型大方式下的潮流数据，统计典型大方式下最大用电负荷及其各变压器分布、电网各设备的额定容量；序列生成单元，用于以实际的典型大方式下潮流数据为基础，按照预设幅度增加待评价电网的供电负荷水平，形成负荷增长序列；数据获取单元，用于根据负荷增长序列增长待评价电网供电负荷后对应的各变压器的下网负荷，按照优先增加本地机组出力，联络线功率调整次之的原则进行最优潮流计算，得到不同负荷水平下待评价电网的典型大方式下潮流数据。所述第一计算模块，包括：停电风险计算单元，用于根据待评价电网的网架结构、电网设备故障率数据和每一供电负荷水平下典型大方式下的电网潮流数据，计算每一供电负荷水平下待评价电网的停电风险：其中，f(x)是发生损失负荷的概率密度函数x为损失负荷；电网利用效率计算单元，用于根据每一供电负荷水平下电网潮流数据及电网设备额定容量，计算得到每一供电负荷水平下全网各电压等级的电网利用效率；曲线生成单元，用于根据得到的各供电负荷水平下待评价电网的停电风险和电网利用效率，生成待评价电网的停电风险与电网利用效率曲线图。所述第二计算模块，包括：增量比计算单元，用于根据得到的不同供电负荷水平下待评价电网的停电风险和电网利用效率数据，计算不同供电负荷水平下待评价电网的风险效率增量比；运行效率计算单元，用于根据不同供电负荷水平下待评价电网的风险效率增量比，得到待评价电网的极限运行效率。所述评价模块，包括：范围确定单元，用于根据电网规划中待评价电网的负荷增长速度，得到负荷增长速度中高方案和低方案增速范围；合理输电效率计算单元，用于根据负荷增长速度中高方案和低方案增速范围，以及待评价电网的极限运行效率，计算得到待评价电网的合理输电效率；合理性确定单元，用于将得到的电网合理输电效率，与实际电网运行效率或者电网规划中待评价电网任一水平年的电网运行效率进行对比，确定待评价电网实际或规划效率水平是否合理。下面结合实例对本发明进行详细的描述。实施例1：如图3所示，为本实施例中a市220千伏及以上电网拓扑图。调研分析某省的a市电网，区内供电以220千伏电网为主，该电网覆盖2县市，供电面积4583平方公里，2014年最高用电负荷1638万千瓦，拥有220千伏线路36条，变压器32台。该电网为电力受入电网，以服务农村电网为主，电网和负荷密度较小，2014年，该区域电网规模以及大方式下输电效率及停电风险如表1所示，电网功率负荷及发电和电网功率交换信息如表2所示。根据a市电网发展规划，未来3年负荷增速低方案为6％，高方案为8％。表1a市220千伏电网典型方式下电网规模及输电效率表2a市220千伏电网功率交换信息项目电网负荷/mw净送出电力/mw电网发电/mw大方式下1638.03822020.0逐步增大全网最高用电负荷，当用电负荷增加到2624mw时，30％的变压器达到100％,由此生成用电负荷增长序列，计算出电网不同负荷水平停电风险及其对应的效率指标。变压器和线路负载率与电网停电风险的关系如图4、图5所示。如图6和图7所示，利用风险效率增量比指标，计算电网停电风险相对效率增长的突变点。随后，根据图6、图7数据寻找wi＝0.5时对应的电网的极限运行效率，进而根据式(7)、(8)分别计算出电网的合理运行效率区间，经过与实际运行效率进行对比，a市220千伏电网利用合理利用效率评价相关数据见表3所示。表3a市220千伏电网合理输电效率指标数据及评价结果安全约束线路负载率变压器负载率极限运行效率(wi＝0.5)47.90％50.31％合理运行效率38.02％～40.22％39.94％～42.24％实际运行效率39.98％35.28％评价结论处于合理范围低于合理范围下限值评价结果表明a市220千伏电网线路输电效率处于合理范围内，变压器负载率不在合理范围内，实际运行效率低于合理运行效率下限值。本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。当前第1页12