一种大规模特高压互联电网受电规模评价体系的制作方法

本发明属于电力系统领域，具体地说是一种大规模特高压互联电网受电规模评价体系。
背景技术：
：中东部地区经济高度发达，人口密度高，用电基数大，用电量占全国的比重超过60％，是我国的负荷中心，但一次能源匮乏。而我国能源资源主要集中在北部、西部地区。随着中东部经济社会的快速发展，用电需求持续攀升，需要大规模接入区外电力。2013年，华北京津冀鲁、华东沪浙苏闽地区受电规模分别为3524、3738万千瓦，受电比例达到24.1％、18.9％。近期，国家大气污染防治行动计划加快实施，中东部地区外受电规模和比例将进一步加大。按照规划，到2020年，华北京津冀鲁、华东沪浙苏闽地区外受电规模将分别达到9924万千瓦、11038万千瓦，受电比例将提高到45.6％、34.8％，远期还将进一步加大。我国受端主网架一般按照自平衡规划设计，主要考虑承载当地电源就地消纳，近年来逐步注重特高压交直流外受电对网架构建的影响，但对区外大规模特高压交直流混合高比例受电的考虑仍不足，原有的规划设计方法和要求的局限性越来越明显，一方面是对集中大规模外受电影响因素缺乏深入研究分析，导致在电网规划中没有充分反映关键因素的影响；另一方面也没有针对高受电比例电网的有效的电网评价体系、网架优化技术方法，没有形成高受电比例电网的规划原则和要求。因此，为满足大容量、远距离输电和电力负荷快速增长的需要，针对优化网架结构、确定外受电规模和比例、提升承载大规模外受电能力等问题，开展提高受端电网受电能力的电网规划优化技术研究，提出有效评价受端电网外受电规模的方法，分析电网薄弱环节，对于提高受端电网受电能力和大规模特高压互联电网的安全、稳定、经济运行有重要意义。技术实现要素：本发明所要解决的技术问题是弥补现有受端电网受电规模评价方法的缺陷，提供一种大规模特高压互联电网受电规模评价体系，以建立多指标的量化评价体系，对不同受电规模下的受端电网进行全面衡量。为此，本发明采用如下的技术方案：一种大规模特高压互联电网受电规模评价体系，其包括：1、综合考虑受端支撑能力、受端电网静态安全性以及暂态安全性三个方面，建立一套能从以上三个方面全面衡量受端电网稳定性的综合指标评价体系；2、采用主观评价和客观赋权相结合的方法计算指标综合权重，确定各项指标在综合指标评价体系中的重要性；3、利用综合指标评价体系对各备选方案进行评价，得到每个方案的评价分数，通过比较各方案与理想最优方案的距离进行排序，确定最佳方案。进一步地，所述的综合指标评价体系包含能够评价受端支撑能力、受端电网静态安全性以及暂态安全性的量化指标；其中，评价受端电网支撑能力的指标包括多馈入短路比指标；评价受端电网静态安全性的指标包括：母线电压越限指标、线路/变压器过负荷指标、调峰能力指标和备用容量指标；评价受端电网暂态安全性的指标包括：暂态发电机功角差指标和暂态电压安全裕度指标。具体的内容如下：1、评价体系量化指标综合指标评价体系的目标是对受端电网外来电规模进行评价，确定最合适的受电方案。本发明从以下三个方面选择指标对受电规模进行定量评价：1)受端支撑能力受端支撑能力反映交流系统短路容量与直流输电功率的相对大小关系。对于多馈入直流系统，多馈入短路比指标可以衡量多回直流同时接入的受端系统对每一回直流的接纳能力。多馈入短路比指标越大，说明受端交流系统对直流输电的接纳能力越强。2)静态安全性静态安全分析用于检验系统从故障前稳态过渡到故障后稳态时是否满足各种约束条件，衡量电网在不同故障后的稳态运行状况。静态安全性可以通过N-1校核来分析，根据N-1故障后线路、变压器是否过负荷、母线电压是否越限来判断系统稳定性。此外，系统在正常运行情况下的调峰能力和备用容量可以反映系统应对负荷变化的能力，也是衡量系统稳定性的标准。3)暂态安全性系统发生事故后状态变化过程中是否会出现功角失稳和电压失稳，是暂态安全分析关注的问题。功角稳定性可以由故障过程中发电机的最大功角差来衡量，电压稳定性主要通过暂态过程中母线电压的波动情况来反映。满足系统稳定性要求的受电规模，可以用暂态发电机功角差指标、暂态电压跌落幅度来衡量系统距离稳定极限的距离。综合考虑上述稳定性准则，本发明选择图1所示的量化指标构建评价模型。本发明量化指标的具体计算方法如下：(1)受端支撑能力对于多馈入交直流系统，可以用戴维南等值定理将系统简化，并利用直流换流母线之间的等值阻抗来反映直流之间的相互影响。多馈入短路比可通过下式进行计算式中，Saci为第i回直流馈入换流母线的短路容量，Pdeqi为考虑其他直流回路影响后的第i回直流等值功率；Zeqii为从各直流换流母线看进去的等值节点阻抗矩阵Zeq的第i行、第i列元素，Zeqij为从各直流换流母线看进去的等值节点阻抗矩阵Zeq的第i行、第j列元素，Pdi和Pdj分别为第i、j回直流功率；按照多馈入短路比划分系统强弱的标准如下：极弱系统：KMSCR＜2，弱系统：3＜KMSCR＜2，强系统：KMSCR＞3。(2)静态安全性(i)母线电压越限电力系统运行规范中对各电压等级母线电压的上下限有明确的规定，静态条件下母线电压是否超出规定的最高值或者低于规定的最低值，是静态安全校核中重点关注的问题。母线电压越限指标计算方法如下：其中，式中，i为母线编号，β为母线集合，β为母线集合，Ui为母线电压，为电压上限，为电压下限。(ii)线路、变压器过负荷线路或变压器的额定容量是安全运行条件下所能持续输出的最大容量。若线路或变压器长时间运行在过载状态，超过热稳定极限，可能会造成元件故障退出运行，对电网静态安全造成影响。正常状态下线路或变压器的运行功率通常小于额定容量，N-1方式下，潮流的转移可能会造成其他线路和变压器过负荷，因此评价中需要考虑过负荷指标，如下所示：其中，α为线路、变压器集合，Sl为过负荷元件实际容量，为过负荷元件最大容量。(iii)调峰能力由于电能不能大规模储备的特殊性，发电机组不仅要能满足基本的负荷需求，还应该留有一定余量以应对负荷的增长。调峰能力是衡量整个系统在负荷波动时调节生产的能力的指标。其中，θ为受端电网发电机集合，为发电机最大输出功率，Pg是发电机实际发电量。(iv)备用容量本发明用受端系统净受电功率与受端发电机最大输出功率之和代表系统的最大发电量，备用容量为系统最大发电量与最大负荷功率之差。备用容量用来评价系统容量储备，是整体性指标。其中，θ为受端电网发电机集合，为发电机最大发电量，Pin为净受电规模，Pmax为受端最大负荷功率。(3)暂态安全性(i)暂态发电机功角差功角失稳是电力系统2种失稳模式之一。暂态过程中，发电机输入输出功率不匹配会导致电机转子速度发生变化，而不同发电机转子速度变化导致相对运动，又会影响发电机的输出功率，该正反馈过程最终会导致发电机相对角度超过稳定极限，造成系统失稳。故障发生后，发电机最大功角差不超过稳定极限，是系统不会失稳的充分条件。在本发明提出的受电规模评价方案中，在设定的故障合集中，故障切除后的任意两台发电机最大功角差作为评价受端电网暂态稳定性的指标。其中，γ为故障集合，|θi-θj|表示某时刻任意两台发电机功角差。(ii)暂态电压跌落幅度电压失稳是电力系统另一种失稳模式，在电力系统遭受大扰动之后，一些母线电压可能会持续大幅度降低，甚至可能造成系统的电压崩溃。本发明提出的受电规模备选方案首先应满足暂态电压稳定性，即发生大扰动后系统不会发生电压失稳，所有母线电压能恢复到稳定范围之内。因此，评价方案选择暂态过程中电压跌落幅度作为评价指标。其中，η为母线集合，γ为故障集合，为故障中最低母线电压标幺值。2、指标综合赋权法(1)熵权法熵权法的主要计算步骤如下(设有m种受电规模，n个评价指标)：(i)构建指标矩阵利用方案的全部指标值，可以构造如下矩阵：其中，dij为第i个方案第j个指标值。(ii)数据标准化处理指标反映受端电网不同方面的稳定特性，数量级、量纲均不相同，在评估过程中需要对指标进行标准化处理，标准化处理后的指标值才可以进行相互比较。指标可以分为高优型和低优性两类：高优型指标数值越大系统越稳定，低优性指标反之。对于高优型指标，通过下式进行计算：对于低优性指标，通过下式进行计算：经过标准化处理后指标矩阵为：(iii)计算指标的熵首先计算每项指标下，备选方案指标数值占所有方案该指标值之和的比重。利用热力学中的定义，根据每一项指标下方案的指标值，计算该指标的熵。需要说明的是，若pij＝0，则取根据熵的定义，若指标的熵值越小，则反映指标下各方案的差异越大，则该指标在评价中越能体现方案的差别，因此该指标应该被赋予较大的权重。因此，对指标的熵进行修正，使其熵值与变异程度正相关，修正后的熵如下式所示。(iv)计算熵权根据上述计算，得到指标的熵权为：(2)基于聚类分析的改进型层次分析法将对受电规模评价指标的赋权分为目标层、特性层和指标层。目标层即受电规模评价指标主观权重。特性层指评价指标的特点和效果。指标层是具体的量化指标。由于指标的计算方法、物理意义上均有不同，因此在评价中的效果和体现出的性质也有所差异，因此选择准确性、全面性、快速性和实用性这4个特性对指标进行评价：(i)准确性准确性反映指标能否准确体现受电规模对系统稳定性的影响，能否正确描述受端系统的薄弱程度。(ii)全面性全面性是指指标是否能够尽可能多的给出系统的稳定信息，是否包含系统内更多母线、变压器等元件的参数，能够反映更多当前系统的稳定状态。(iii)快速性快速性反映指标计算时间长短，与指标的计算方法相关。(iv)实用性实用性主要指指标在工程中是否有较为普遍的应用，计算指标所需数据是否容易获得，指标计算是否方便简单。根据上文提出的7个指标和4个特性，可以构建如图2所示的层次结构模型。层次分析法计算权重的核心思想就是比较同层元素之间对于上层元素的重要性，用量化的标度对相对重要性进行打分，然后根据评价矩阵计算出指标的重要性序列，进而确定指标主观权重。下面对具体步骤进行介绍：(i)重要性对比对同一层元素相对于上一层元素的重要性进行两两对比，用量化的标度对相对重要性进行打分。B层元素对A层元素的相对重要性，通俗的讲即指标的4个特性对于受电规模评价指标主观权重分配这一目标来讲哪个更重要。B层元素对A层元素的重要性对比结果用矩阵A表示：由于特性层B中总共有4个元素，则矩阵A中t＝4。其中，aij表示在受电规模评价中，特性i相对特性j的重要性，特性j相对特性i的重要性为相对重要性可以用Saaty标度来进行比较。Saaty标度下表所示。标度含义1表示两个因素相比，具有相同的重要性3表示两个因素相比，前者比后者稍重要5表示两个因素相比，前者比后者明显重要7表示两个因素相比，前者比后者强烈重要9表示两个因素相比，前者比后者极端重要2、4、6、8表示上述相邻判断的中间值倒数若因素i与因素j重要性之比为aij，则因素j与因素i的重要性之比为1/aij同理，还需要构造指标层C中指标之间对于B层的每个特性的重要性程度评判矩阵Bk。Bk代表C层指标对B中第k个特性的重要性判断矩阵。(ii)一致性检验理论上，矩阵A应该满足：aij·aji＝1、aij·ajk＝aik。但由于专家实际评分时只比较两两元素之间的相对重要程度关系，可能会忽略前后评分的相互联系，因此，评价矩阵需通过一致性检验才可以被采纳。一致性检验方法如下：(1)计算矩阵最大特征值通过特征值分析可以计算A的最大特征值λA,max。若矩阵A满足一致性，则λA,max＝t，结果可以直接采纳。如果不满足，则λA,max＞t，还要进行以下步骤决定是否采纳该矩阵。(2)定义一致性指标对于λA,max＞t的矩阵，若其一致性偏差较小，则评分也可以接受的。首先定义一致性指标：(3)查找平均随机一致性指标RIA平均随机一致性指标是通过从Saaty标度表中数值及其导数中随机选择的数值构成的500个n阶对比评价矩阵，计算出所有矩阵最大特征根的平均值λ'max，平均随机一致性指标为：对n＝1～14，RI统计值如下表：因此，RIA＝0.89(4)计算一致性比例CRA当CRA＜0.10时，则认为A矩阵的一致性偏差较小，其评判数据可以采纳。否则该评判矩阵的评分需要修改，满足一致性条件才能采纳。同理，对于矩阵BK，也需要对k个矩阵均进行一致性检验。(iii)计算主观权重计算指标在评价体系中的主观权重，首先要确定每个评判矩阵给出的指标重要性程度序列，及同层指标对上一层指标的重要性权重。以A矩阵为例，λA,max对应的特征向量WA＝[ω1,ω2,…,ωt]，就代表特性层中4个元素对于目标层的权重。同理，根据BK最大特征值对应的向量，可以确定指标对第k个特性的权重WBK＝[ωk1,ωk2,…,ωkn]。指标的主观权重为：(iv)基于聚类分析思想的改进由于专家评分标准不统一、看法不一致等个人因素，可能导致由传统层次分析法计算出的主观权重不合理。因此，为了排除个人因素的影响，本发明采用聚类分析的方法对传统层次分析法进行一定改进。改进方法主要思想是根据专家评判矩阵的一致性和同一类评判矩阵数量的多少确定专家评分的权重。评判矩阵一致性程度高、属于多数人属于同一聚类的专家，其给出的评判矩阵越可靠，专家权重就越大。对每个专家给出的评判矩阵，可以根据上述方法计算出每位专家给出的指标重要性序列，假设共有10名专家进行了同层元素重要性程度比较，接下来以A矩阵为例介绍改进方法的应用。1)重要性序列聚类根据上文，矩阵A的重要性程度序列为向量WAp：WAp＝[ω1p,ω2p,…,ωtp]p(p＝1～10)为根据第p个专家给出的评判矩阵计算出的重要程度序列。将10个重要性序列看做待识别的样品，对其进行聚类分析，可以将10个排序量根据相似程度划分成为不同的类别，同一类别排序量所给出的重要程度排序可以看作相似的，而不同类别排序量之间有较大差异。本发明以样品之间的距离为判据对重要程度序列进行分类，10个重要性序列可以组成样品数据矩阵X：其中，X矩阵行向量为样品数据。定义样品之间的距离和类之间的距离分别如下两式所示式中，p、q表示不同的类别，np、nq表示类别里包含样品的数量。首先计算10个样品两两的距离，将距离最近的2个样品合为一类。然后再计算余下9类之间距离，将最近的两类合为一类。之后以此类推，直到最终所有样品合并成一类。最后所需要的类的数量，确定聚类划分的方案。2)计算聚类分析专家权重假设10个专家总共分为R类，则专家聚类权重为：其中，nr为第r类包含的专家数量。同类专家的聚类权重系数相同，λp＝λr(p∈r)。3)计算专家一致性权重定义矩阵一致性程度为Fp＝(m+2)-λp.max，λp.max为λp的最大值，Fp即为专家的一致性权重。4)计算专家权重由一致性权重和聚类权重确定专家综合权重为：Kp＝Fp×λp进行归一化处理。专家最终权重为：5)计算新的重要性序列考虑专家权重的新重要性序列为：同理可以计算出Bk矩阵对应的新重要性序列。至此，加上专家权重计算出的新重要性序列可以排除专家个人因素对重要性评价的影响，得到指标的新主观权重为：上式中，ω'kj表示引入聚类分析修正之后指标层第j个指标对第k个特性新主观权重，ω'k表示第k个特性对目标层的主管权重。(3)综合权重利用主观权重对客观权重进行修正，可以计算出指标的综合权重为：3、最佳方案选择由于评价体系包含多个类别的若干指标，最优方案选择中需要考虑各个指标的优劣，因此本文选择用各方案距离理想最优方案距离作为标准判断备选方案的优劣，从多个备选中选出最佳方案。实现步骤如下所述。(1)建立综合指标矩阵与利用熵权法计算指标客观权重的第一步相同，用所有方案的全部指标值构建出指标综合矩阵。(2)据标准化处理对指标数据进行下式所示的标准化处理：归一化矩阵为：(3)定理想方案从X矩阵中选择理想方案的指标。对于指高优型指标，选择该项指标的最大值；对于低优性指标，选择该项指标的最小值。理想最优方案由上述指标组成，反之则为理想最劣方案的指标。定义理想最优方案的指标为：同理，理想最劣方案的指标为：其中，J为高优型指标集合，J′为低优性指标集合。(4)算备选方案与理想方案的距离定义各备选方案距离理想最优方案和理想最劣方案的距离分别为和(5)佳方案判断定义与理想方案的接近程度为：Ci越小，则说明备选方案越接近理想最佳方案。可以根据接近程度对方案进行排序，从而选择出最合适的受电规模。本发明具有的有益效果如下：利用本发明判断受端电网最优受电规模，能够确定当前网架结构下的最优受电规模及比例，发现电网薄弱环节，并能实现以扩大受电规模为目的的电力系统规划。附图说明图1为本发明综合指标评价体系的构成图。图2为本发明受电规模评价指标主观权重计算层次结构图。具体实施方式以下结合实施例对本发明作进一步说明。以某省电网2020年规划网架结构为例，利用本发明对夏季运行方式下若干备选方案进行评价，确定最佳受电方案。具体分为以下几个步骤：步骤1：确定故障集合和考察元件集合，计算备选方案的各项指标。计算各项指标所设故障以及考察对象集合如下表所示：备选方案如下：计算各备选方案所有指标值，并利用式(11)-(13)进行标准化处理，结果如下：步骤2：计算指标权重根据上文介绍的权重计算方法，可以算出在本次受电方案评价中，各指标权重如下表所示：步骤3：确定备选方案综合排序，选出最优方案所有备选方案全部指标数值归一化处理后结果下表所示。电压越限、过负荷、功角差、暂态电压跌落幅度指标为低优型指标。调峰能力、备用容量、短路比指标为高优型指标。根据上表得到的指标计算结果，确定理想最优方案与理想最劣方案的各项指标数值如下表所示。计算备选方案与理想方案的距离，结果如下表所示。与最优方案的距离与最劣方案的距离理想方案接近程度方案10.00090.01180.0727方案20.00090.00820.1010方案30.00260.00490.3455方案40.00740.00130.8547方案50.01130.00170.8698根据各方案与理想方案接近程度计算结果，受电规模综合排序如下表所示。理想方案接近程度受电规模/MW受端发电机出力/MW排序方案10.01773685×4658741方案20.24563600×4662792方案30.50133515×4666933方案40.75423403×4670854方案50.97563344×4674895当前第1页1 2 3