一种考虑连锁故障风险的电网规划方法

1.本发明涉及电网规划技术领域，尤其是涉及一种考虑连锁故障风险的电网规划方法。


背景技术：

2.随着以风电为主体的新能源发电技术快速发展，新电源大规模并网，电力系统的能源结构以及电网形态发生了改变，电网规划方案评选工作也迎来了新的挑战。由于传统能源终将耗尽，可再生能源将成为未来的能源支柱。因此，各国学者均将提高电网接纳新电源的能力作为研究中心。增强电网接纳新能源能力有多种方法，但首先应在电网规划阶段考虑相应的措施。
3.并且近年来世界范围内大停电事故频发，给系统的安全稳定运行带来了巨大威胁，造成了严重的社会经济损失。国内外学者们对大停电事故的发展机理展开了深入研究，研究表明连锁故障是其主要诱因。因此，迫切需要提高了电网应对连锁故障的能力，保障电网安全性和可靠性。
4.传统电网规划方案通常以系统的可靠性和经济性作为规划目标，没有考虑电网接纳新电源和应对连锁故障的能力。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种考虑连锁故障风险的电网规划方法。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种考虑连锁故障风险的电网规划方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤1：获取电网中的模型参数；
9.步骤2：计算经济性指标、安全性指标、充裕性指标和灵活性指标；
10.步骤3：采用层次分析法基于各个指标建立评价指标体系；
11.步骤4：建立电网规划模型并求解得到最佳规划方案。
12.所述的步骤2中，经济性指标包括建设运行成本和连锁故障风险值，建设运行成本t的计算公式为：
13.t＝ti+to
14.其中，ti为总投资费用，to为系统运行总成本；
15.连锁故障风险值的计算公式为：
[0016][0017]
其中，e为连锁故障风险值，p
loss
为负荷损失，p
event
为连锁故障事故链各层线路的
开断概率累积，表示该事故链发生的概率，p
(k,u)
为该事故链第u层k号线路的开断概率，t为事故链长度，即层数。
[0018]
所述的系统运行总成本to的计算公式为：
[0019][0020]
其中，ow为第w年的运行成本；
[0021]
所述的总投资费用ti的计算公式为：
[0022][0023]
其中，v为在初始年增加电网设备的资金成本，m为电网规划考虑的年数，σ为折现率，ni为投资的经济寿命。
[0024]
所述的步骤2中，安全性指标包括安全性概率和安全性裕度指标，安全性概率具体为不发生连锁故障的概率，安全性裕度指标m
sdscr
的计算公式为：
[0025]msdscr
＝sdscr
i-3
[0026][0027][0028]
其中，sdscri为新能源节点i的新能源短路比，p
r,j
为其他可再生能源的注入功率，i为所选新能源节点，j为其他新能源节点，r为所有新能源节点，w
ij
为计算新能源短路比公式中的参数，z
rr,ij
为矩阵z
rr
中的第(i,j)个元素，v
r,i
为电压向量vr中的第i个元素，且z
rr
与vr分别为电力系统网络方程中的元素，z
rr
为母线阻抗矩阵中可再生能源发电站母线上的电压矢量vr与注入电流矢量ir的对应块；
[0029]
电力系统网络方程的表达式为：
[0030][0031]
其中，ig和ir分别为与同步发电机相连的母线和与可再生能源发电站相连的母线的注入电流矢量，vg和vr分别是同步发电机母线和可再生能源发电站母线上的电压矢量，z
rr
为vr与ir的对应块，z
gg
为vg与ig的对应块，z
gr
为vg与ir的对应块，z
rg
为vr与ig的对应块。
[0032]
所述的步骤2中，充裕性指标为现有的可靠性指标，具体包括切负荷概率plc、切负荷频率eflc、切负荷持续时间edlc、平均每次切负荷持续时间adlc和负荷切除期望值elc、电力不足期望值edns、电量不足期望值eens、系统停电指标bpii和系统削减电量指标bpeci。
[0033]
所述的切负荷概率plc的计算公式为：
[0034][0035]
其中，s为有切负荷的系统状态的集合，pz为系统状态z的概率，tz为系统状态z的持续时间，ts为仿真时间；
[0036]
所述的切负荷频率eflc的计算公式为：
[0037][0038]
其中，ni为有切负荷的状态数；
[0039]
所述的切负荷持续时间edlc的计算公式为：
[0040]
edlc＝plc
×
8760；
[0041]
所述的平均每次切负荷持续时间adlc的计算公式为：
[0042][0043]
所述的负荷切除期望值elc(expected load curtailments)的计算公式为：
[0044][0045]
其中，cz为系统状态z的切负荷量，fz为系统状态z的频率，系统状态z的频率fz的计算公式为：
[0046][0047]
其中，λk为系统状态z中元件k的离去率，ni为所有可能的从系统状态z出发的离去率的集合，pz为系统状态z的概率；
[0048]
所述的电力不足期望值edns的计算公式为：
[0049][0050]
其中，s为有切负荷的系统状态的集合；
[0051]
所述的电量不足期望值eens的计算公式为：
[0052]
eens＝8760
×
edns；
[0053]
所述的系统停电指标bpii的计算公式为：
[0054][0055]
其中，l为系统年最大负荷；
[0056]
所述的系统削减电量指标bpeci的计算公式为：
[0057]
bpeci＝eens/l。
[0058]
所述的步骤2中，灵活性指标为承载能力指标，即满足可靠性指标机会约束要求时的最大新能源安装量。
[0059]
所述的步骤3中，采用层次分析法建立评价指标体系的过程具体包括以下步骤：
[0060]
步骤301：对经济性指标、安全性指标、充裕性指标和灵活性指标进行规范化处理，得到的指标评分值与具体数值的对应关系；
[0061]
步骤302：根据步骤301得到的指标评分值与具体数值的对应关系，利用函数拟合工具对指标评分标准进行曲线拟合，得到各个指标所对应的评分函数；
[0062]
步骤303：结合各指标值与评分函数得到各指标的评分，采用层次分析法从经济性、安全性、充裕性和灵活性四个方面建立评价指标体系。
[0063]
所述的步骤4中，电网规划模型的目标函数为通过层次分析法合成的总指标，电网规划模型的目标函数的表达式为：
[0064]
maxf＝α1×
a+α2×
b+α3×
c+α4×d[0065]
其中，f为目标函数，α1、α2、α3和α4分别为经济性、安全性、充裕性和灵活性指标由层次分析法赋予的权重，a、b、c和d分别为经济性、安全性、充裕性和灵活性指标通过层次分析法得到的评分。
[0066]
所述的目标函数的约束条件包括：
[0067]
线路联通性约束：用以确保每个负荷点均与网络联通；
[0068]
潮流平衡约束：
[0069][0070]
其中，vm和vn表示节点m和节点n的电压幅值，pm和qm为节点m的有功和无功注入量，θ
mn
为节点m和节点n的相角差，g
mn
和b
mn
分别为节点导纳阵中对应元素的实部和虚部，n为常规发电机组节点，n'为新能源场站节点；
[0071]
支路传输功率约束：
[0072][0073]
其中，p
x
和q
x
分别为线路x的有功和无功潮流，p
x,max
、p
x,min
、q
x,max
和q
x,min
分别为线路x的有功和无功潮流上下限；
[0074]
节点电压约束：
[0075]umin
≤u≤u
max
[0076]
其中，u
max
和u
min
分别为节点电压的上下限；
[0077]
n-1约束：
[0078][0079]
其中，b和bk为无开断方式和支路k开断方式对应的节点导纳矩阵，ξ
p
为节点注入功率随机变量，p
x
和分别为无开断方式和支路k开断方式对应的线路x潮流，θ和θk分别为无开断方式和支路k开断方式的节点电压相角，θ
x
和为线路x两端相角差，b
x
和分别为无开断方式和支路k开断方式的各支路导纳组成的对角阵。
[0080]
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
[0081]
1、本发明通过建立考虑新能源接纳能力和连锁故障风险的电网规划模型，使电网
网架在满足负荷增长需求的同时，有能力承担潮流转移的任务，从而减轻连锁故障造成的损失，提高了新能源的利用率和电网应对连锁故障的能力，有效保障了电网安全性和可靠性；
[0082]
2、本发明采用层次分析法建立了评价指标体系，并将层次分析法合成的总指标作为电网规划的目标，使规划方案能够全面、有重点地考虑经济性、安全性、充裕性和新能源接纳能力。
附图说明
[0083]
图1为本发明的流程示意图。
具体实施方式
[0084]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0085]
本发明提供了一种考虑连锁故障风险的电网规划方法，在电网规划的过程中，考虑了电网接纳新电源和应对连锁故障的能力，以有效保障电网的安全性和可靠性，该方法包括以下步骤：
[0086]
步骤1：获取电网模型参数；
[0087]
步骤2：计算经济性指标、安全性指标、充裕性指标和灵活性指标；
[0088]
步骤3：采用层次分析法建立评价指标体系；
[0089]
步骤4：建立电网规划模型并求解得到最佳规划方案。
[0090]
在步骤2中，经济性指标为建设运行成本和连锁故障风险值，建设运行成本t的计算公式为：
[0091]
t＝ti+to
[0092]
其中，ti为总投资费用，to为系统运行总成本；
[0093]
系统运行总成本to的计算公式为：
[0094][0095]
其中，ow为第w年的运行成本；
[0096]
总投资费用ti的计算公式为：
[0097][0098]
其中，v为在初始年增加电网设备的资金成本，m为电网规划考虑的年数，σ为折现率，ni为投资的经济寿命；
[0099]
连锁故障风险值的计算公式为：
[0100][0101]
其中，e为连锁故障风险值，p
loss
为负荷损失，p
event
为连锁故障事故链各层线路的开断概率累积，表示该事故链发生的概率，p
(k,u)
为该事故链第u层k号线路的开断概率，t为事故链长度，即层数。
[0102]
在步骤2中，安全性指标为安全性概率和安全性裕度指标，安全性概率为不发生连锁故障的概率，安全性裕度指标m
sdscr
的计算公式为：
[0103]msdscr
＝sdscr
i-3
[0104][0105][0106]
其中，sdscri为新能源节点i的新能源短路比，p
r,j
为其他可再生能源的注入功率，i为所选新能源节点，j为其他新能源节点，r为所有新能源节点，z
rr
为母线阻抗矩阵中可再生能源发电站母线上的电压矢量vr与注入电流矢量ir的对应块，w
ij
为计算新能源短路比公式中的参数，z
rr,ij
为矩阵z
rr
中的第(i,j)个元素，v
r,i
为电压向量vr中的第i个元素；
[0107]
电力系统网络方程的表达式为：
[0108][0109]
其中，ig和ir分别为与同步发电机相连的母线和与可再生能源发电站相连的母线的注入电流矢量，vg和vr分别是同步发电机母线和可再生能源发电站母线上的电压矢量，z
rr
为vr与ir的对应块，z
gg
为vg与ig的对应块，z
gr
为vg与ir的对应块，z
rg
为vr与ig的对应块。
[0110]
在步骤2中，充裕性指标为现有的可靠性指标：
[0111]
切负荷概率plc(probability of load curtailments)的计算公式为：
[0112][0113]
其中，s为有切负荷的系统状态的集合，pz为系统状态z的概率，tz为系统状态z的持续时间，ts为仿真时间；
[0114]
切负荷频率eflc(expected frequency of load curtailments)的计算公式为：
[0115][0116]
其中，ni为有切负荷的状态数；
[0117]
切负荷持续时间edlc(expected duration of load curtailments)的计算公式为：
[0118]
edlc＝plc
×
8760；
[0119]
平均每次切负荷持续时间adlc(average duration of load curtailments)的计算公式为：
[0120][0121]
负荷切除期望值elc(expected load curtailments)的计算公式为：
[0122][0123]
其中，cz为系统状态z的切负荷量，fz为系统状态z的频率，系统状态z的频率fz的计算公式为：
[0124][0125]
其中，λk为系统状态z中元件k的离去率，ni为所有可能的从系统状态z出发的离去率的集合，pz为系统状态z的概率；
[0126]
电力不足期望值edns的计算公式为：
[0127][0128]
其中，s为有切负荷的系统状态的集合，pz为系统状态z的概率；
[0129]
电量不足期望值eens(expected energy not supplied)的计算公式为：
[0130]
eens＝8760
×
edns；
[0131]
系统停电指标bpii(bulk power interruption index)的计算公式为：
[0132][0133]
其中，l为系统年最大负荷；
[0134]
系统削减电量指标bpeci(bulk power energy curtailment index)的计算公式为：
[0135]
bpeci＝eens/l。
[0136]
在步骤2中，灵活性指标为承载能力指标，即满足可靠性指标机会约束要求时的最大新能源安装量，本实施例中新能源接纳能力的评估模型以新能源的装机容量最大化为优化目标，具体为：
[0137]
max(e
t
pr)
[0138][0139]
其中，e
t
行矩阵列数为系统节点数，对应位置元素代表该节点是否安装新能源，1代表安装，0代表不安装，pr为各节点的新能源的安装容量，p
wi
为新能源节点i的出力，p
gj
为常规发电机组节点j的出力，p
dh
为节点h的负荷，等式约束为系统潮流平衡约束，u为节点电压，u
max
和u
min
分别为节点电压的上下限，pg为常规发电机组的有功功率向量，p
gmax
为常规机组有功出力上限，p
sr
为系统的旋转备用要求，p
l
为线路传输功率，p
lmax
和p
lmin
为线路传输功率的上下限，p
gmax
和p
gmin
分别是发电机组出力的上下限，假设负荷服从正态分布且相互独立，α，β和γ分别为第二、第三和第四约束的置信水平。
[0140]
在步骤3中，采用层次分析法从经济性、安全性、充裕性和灵活性四个方面建立评价指标体系的过程具体包括以下步骤：
[0141]
步骤301：对各指标进行规范化处理：
[0142]
对经济性、安全性、充裕性和灵活性指标进行优劣评价，需要建立不同指标的不同评分评估标准，以便直观地反映评估指标具体情况，同时考虑到各指标具有不同的含义和计算公式，且量纲和数量级也不同，须先对各指标进行规范化处理，本实施例采用1～100标度，得到指标与评分值的对应关系。
[0143]
步骤302：得到各指标的评分函数：
[0144]
根据步骤301得到的指标评分值与具体数值的对应关系，利用函数拟合工具对指标评分标准进行曲线拟合，得到各个指标所对应的评分函数；
[0145]
步骤303：采用层次分析法建立评价指标体系：
[0146]
结合各指标值与评分函数得到各指标的评分，采用层次分析法从经济性、安全性、充裕性和灵活性四个方面建立评价指标体系。
[0147]
在步骤4中，电网规划模型的目标函数为通过层次分析法合成的总指标，约束条件包括线路联通性约束，潮流平衡约束，支路潮流约束，n-1约束和节点电压约束，电网规划模型的目标函数为：
[0148]
maxf＝α1×
a+α2×
b+α3×
c+α4×d[0149]
其中，f为目标函数，α1、α2、α3和α4分别为经济性、安全性、充裕性和灵活性指标由层次分析法赋予的权重，a、b、c和d分别为经济性、安全性、充裕性和灵活性指标通过层次分析法得到的评分；
[0150]
约束条件分别为：
[0151]
1)线路联通性约束，确保每个负荷点均与网络联通；
[0152]
2)潮流平衡约束；
[0153][0154]
其中，vm和vn表示节点m和节点n的电压幅值，pm和qm为节点m的有功和无功注入量，θ
mn
为节点m和节点n的相角差，g
mn
和b
mn
分别为节点导纳阵中对应元素的实部和虚部，n为常规发电机组节点，n'为新能源场站节点；
[0155]
3)支路传输功率约束；
[0156][0157]
其中，p
x
和q
x
分别为线路x的有功和无功潮流，p
x,max
、p
x,min
、q
x,max
和q
x,min
分别为线路x的有功和无功潮流上下限；
[0158]
4)节点电压约束；
[0159]umin
≤u≤u
max
[0160]
式中，u
max
和u
min
分别为节点电压的上下限。
[0161]
5)n-1约束：
[0162][0163]
其中，b和bk为无开断方式和支路k开断方式对应的节点导纳矩阵，ξ
p
为节点注入功率随机变量，p
x
和分别为无开断方式和支路k开断方式对应的线路x潮流，θ和θk分别为无开断方式和支路k开断方式的节点电压相角，θ
x
和为线路x两端相角差，b
x
和分别为无开断方式和支路k开断方式的各支路导纳组成的对角阵。
[0164]
本发明在电网规划过程中考虑了电网接纳新电源的能力，提高新能源的利用率，更符合传统能源终将耗尽，可再生能源将成为未来能源支柱的现状，且在电网规划过程中考虑了连锁故障，使电网网架在满足负荷增长需求的同时，有能力承担潮流转移的任务，从而减轻连锁故障造成的损失，提高了电网应对连锁故障的能力，有效保障了电网安全性和可靠性。
[0165]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。