考虑负荷波动极限的电力系统电压稳定性风险评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统电压稳定性风险评估方法，具体为考虑负荷波动极限的电力 系统电压稳定性风险评估方法。
【背景技术】
[0002] 近些年世界范围内电力系统的电压崩溃事故频繁发生，造成大面积的停电事故， 不仅给电力部门和其它用电行业带来巨大的经济损失，还极大地影响了人民群众的正常 生活。
[0003] 电压失稳事故发生具有突发性、隐蔽性，初期很难察觉，无法及时采取紧急措施， 当电压失稳导致电压崩溃时就很难挽回。恢复正常供电需数小时，甚至十几小时，从而造 成巨大的经济损失和社会影响。
[0004] 因此，深入研宄电压稳定性问题，对系统的电压稳定性进行评估，将风险评估方 法应用于电力系统安全评估来定量评估系统的安全状态，具有非常重要的理论和实际意 义。
[0005]负荷波动是电力系统运彳丁面临的最主要的不确定性因素之一。在考虑负荷波动情 况下，分析电力系统的安全稳定性，具有重要的意义。
[0006]目前，电力系统的安全性评估方法主要有确定性评估方法、概率评估方法和风险 评估方法。确定性评估方法广泛应用于早期电力工业中，该方法通常只重视最严重、最可信 的事故，所得结论过于保守，很难反映系统整体状况，无法计及系统中的不确定因素；概率 评估方法克服了上述不足，考虑了元件故障概率及系统事故发生的概率等，从概率角度反 映系统运行的概率特性，但未考虑事故造成的后果；风险评估方法同时考虑故障发生概率 和故障所造成的严重后果，以两者乘积作为电压崩溃的风险指标。风险评估方法定量地抓 住了事故的可能性和严重性两个重要因素，全面地反映事故对整个电力系统的影响。
[0007] Borkowska在1974年提出概率潮流的概念。概率潮流可综合考虑各种不确定因素 和各种系统运行状况，全面评价电力系统，量化分析薄弱环节。可为电力系统规划、可靠性 分析和系统安全性分析等提供有参考价值的信息，已成为评估电力系统稳定运行的重要工 具。
[0008] 概率潮流计算方法主要包括解析法（卷积法、半不变量法、一次二阶矩法）、点 估计法（point estimate method，PEM)和蒙特卡罗模拟法（Monte Carlo simulation method，MCSM)。
[0009] 解析法中，卷积法概念清晰，但当系统规模较大时，需要大量的存储空间和计算时 间；半不变量法采用半不变量代数运算代替卷积运算，提高了计算效率；一次二阶矩法能 处理输入随机变量的相关性，但只能求出输出随机变量的均值与方差。
[0010] 点估计法是一种近似求解方法，根据已知输入随机变量的概率分布求取输出随机 变量各阶矩。该方法计算速度快，得到的输出随机变量的均值和方差精度高，但输出随机变 量的高阶矩误差大，随着输入随机变量数目的增加计算量也会增加。
[0011] 蒙特卡罗模拟法的优点是适应性强，可随机模拟系统的实际运行方式，不需要对 实际问题做过多的简化与假设，是最准确、灵活的概率潮流计算方法。缺点是当采样规模足 够大时，蒙特卡罗模拟法的计算结果精度高但耗时长。因此常用于验证其他方法的准确性。
[0012] 蒙特卡罗模拟法应用于电力系统电压稳定性分析的求解步骤如下：
[0013] 1)建立系统各元件系统模型。包括系统中等效电源点、线路、负荷的模型。
[0014] 2)根据等效电源点、线路、负荷的模型抽样获得大量数据。
[0015] 3)根据抽样结果进行确定性潮流计算。获得对应的求解数据，包括各节点电压幅 值、各支路有功功率、无功功率等。
[0016] 蒙特卡罗模拟法最突出优点是系统的规模或复杂程度对其抽样量几乎没有影响。 因此，该方法特别适用于处理各种复杂的不确定因素，获得大量不同情况的系统状态。
【发明内容】
[0017] 本发明解决现有电压稳定性评估角度单一的问题，提供一种考虑负荷波动极限的 电力系统电压稳定性风险评估方法。该评估方法重点考虑系统中负荷波动极限并结合N-1 故障分析，从不同角度确定系统的薄弱区域，并对系统电压稳定性进行多角度、多指标综合 评估。
[0018] 本发明是采用如下技术方案实现的：考虑负荷波动极限的电力系统电压稳定性风 险评估方法，是由如下步骤实现的：
[0019] (1)获取要进行风险评估的系统的节点、元件参数
[0020] 包括母线电压参数、等效电源输出功率（如发电机组、无功补偿装置、电网间联络 线等）、负荷功率、输电线路阻抗参数及故障率参数、变压器参数。其中：定义输电线路、电 缆、变压器以及连接两个母线的输电设备为"支路";将电力系统等效电源点、支路、负荷统 称为"元件";定义电力系统中所有母线为"节点"。
[0021] ⑵确定各负荷节点负荷的变化范围：各负荷增长系数在[70%，KJ区间上服从 均匀分布
[0022] 1)负荷变化范围的上限
[0023] 假设系统有X个节点，任一节点为w(l <w<X)，M个负荷节点，各负荷节点负荷 为L = [Lp L2,……，LM];其中，任一负荷节点k(l彡k彡M)的初始负荷为LkQ;Z条传输线 路，发生N-1故障时，故障线路表示为1(1 < 1 < Z);采用确定性潮流计算方法中的连续潮 流法依次对系统中的负荷节点按单负荷增长方式增加负荷至系统崩溃，此时计算得到增负 荷节点的负荷记为L kl，负荷增长系数记为1^(1^= L kl/Lk(l)，各节点负荷增长系数组成单负 荷增长系数矩阵本发明将单负荷增长方式的负荷增长极限作为负荷变化范围的上限；
[0024] 2)负荷变化范围的下限
[0025] 将电网中日最小负荷率巾％作为负荷变化范围的下限，将巾％取值为70%。则负 荷增长系数在[70% 区间上服从均匀分布。
[0026] (3)通过概率潮流方法获取系统的崩溃状态。
[0027]1)将负荷增长系数[70%，KJ区间平均划分为N个子区间进行拉丁超立方抽样， 即抽样N次，j (1 < j < N)表示N次抽样中的第j次，得到一个随机负荷增长系数矩阵Knxm， 该矩阵中的K#表示第j次抽样中第K个负荷节点负荷增长系数的取值，矩阵中第j行用L 表不。
[0028] 采用确定性潮流计算方法中的连续潮流法计算系统初始情况下按全负荷等比例 增长方式增加负荷至系统崩溃，得到负荷增长系数记为K m;
[0029] 2)根据Km对随机负荷增长系数矩阵K NXM进行筛选：如果，min(K /Km) > 1，负荷增 长系数矩阵KNXM的第j行L必然导致潮流不收敛，该行不进行连续潮流计算，删除该行；如 果，ma X(K/Km) < 1，负荷增长系数矩阵KNXM的第j行L必然导致潮流收敛，该行不进行连 续潮流计算，删除该行，最后得到随机负荷增长系数矩阵;
[0030] 3)将随机负荷增长系数矩阵中的各行进行连续潮流计算，排除其中不收敛 的行，如果剩余的行中存在任意两行K A、KB，使得max (KA) < min (KB)，则心必然导致潮流收 敛，删除KA;得到随机负荷增长系数矩阵Kv:xm;
[0031] 4)重复步骤1)至步骤3)得到一个&，将与前一步骤最终得到的随机负 荷增长系数矩阵合并，如果合并后的矩阵中存在任意两行1(。、1( 1)，1^11〇(。*/1(1))>1，说明1(。 比K D使系统更加接近崩溃状态，则保留K。，删除KD，得到?，
[0032] 5)重复步骤4) 10000/N次，使采样结果更加逼近系统崩溃点，最终得到随机负荷 增长系数矩阵KnXM，n表示最终得到的系统崩溃状态的个数；
[0033] 6)校正，将随机负荷增长系数矩阵KnXM的每行进行连续潮流计算，按照全负荷等 比例增长方式增加负荷至系统崩溃，此时各负荷节点的负荷增长系数构成校正后的随机负 荷增长系数矩阵K' nXM，根据K' nXM通过连续潮流计算得到由于负荷波动导致系统崩溃时的 系统各节点崩溃电压矩阵Vnxx;
[0034] 7)采用N-1故障分析法随机断开传输线路造成系统网架结构变化，重复步骤1)至 步骤6)，得到不同网络拓扑结构下的随机负荷增长系数矩阵（K'gMh和节点崩溃电压矩阵 (V nxx) 1。
[0035] 前述在采用确定性潮流计算方法中的连续潮流法计算过程中，系统元件的数学模 型如下：
[0036] a.等效电源点出力约束
[0037] 潮流计算中等效电源点出力的约束为：等效电源有功达到上限时，剩余功率由其 他等效电源或平衡机提供；PV节点无功越限时，将节点从PV节点转变为PQ节点。
[0038] b.负荷模型
[0039] 采用最常用的恒功率因数负荷模型，不考虑负荷之间的相关性。
[0040] c?线路模型
[0041] 根据线路故障率，线路模型采用最常用的0-1概率模型。
[0042] 在步骤（3)中，为获得在不同负荷波动及不同网架结构情况下的系统崩溃状态， 本发明采用基于拉丁超立方抽样的概率潮流模拟法。
[0043] 拉丁超立方抽样是 M. D. McKay、R. J. Beckman、W. J. Conover 在 1979 年提出的一种 多维分层抽样方法，在采样规模相同的情况下，采用拉丁超立方抽样的电力系统概率潮流 计算方法与采用简单随机采样相比，误差改善明显且误差收敛稳健性更高，可以得到较为 稳定的收敛精度。即拉丁超立方抽样能提高采样效率，用较小的采样规模可以达到较高的 计算精度。
[0044] 拉丁超立方抽样方法由采样和排序两部分组成，采样要求对每个输入随机变量的 采样点均能够完全覆盖其对应的随机分布区间。排序要求控制各随机变量采样值的相关 性。
[0045] 常用的排序方法包括随机排序、Cholesky分解法、Gram-Schmidt序列正交化方 法、模拟退火算法和遗传算法等。
[0046] 采用Gram-Schmidt序列正交化方法进行排列，相互独立的随机变量的采样值的 相关性比其他方法低。因此，本发明采用Gram-Schmidt序列正交化方法对采样结果进行排 列。
[0047] (4)建立多尺度电压稳定性风险评估指标体系，包括电压风险指标、负荷节点类型 风