专利名称：基于电气分区的关键断面自动获取方法
技术领域：
本发明属于电力系统运行和控制技术领域，特别涉及基于电气分区的关键断面自 动获取方法。
背景技术：
为保证电网的安全稳定运行，电力系统运行部门一般会制定电网的运行规则，将 电网的运行空间限制在运行规则规定的空间内。运行规则一般是在特定的断面上制定的， 以实现对复杂电力系统的“降维”控制。断面是电网中一些潮流流向一致并且容易出现过 载的输电线路的组合，它是大电网的重要安全特征，反映了某时刻电网的薄弱环节，是对电 网安全有重要影响的输电瓶颈。传统的断面是由电网运行专家通过离线分析人工选择而得到的。由于人类计算能 力的局限性，人工选择的断面通常只反映极端运行方式下电网的薄弱环节，对在线运行方 式变化的适应性不强。随着电网规模的不断扩大和新能源的接入，电网的运行方式日益多 变，特别是随着大规模间歇性新能源的接入，电网潮流方式的随机性显著增大，其安全特征 也可能频繁发生变化，例如原来对电网安全影响不大的非关键断面可能变成对电网安全 有重大影响的关键断面，反之亦然。传统的人工选择断面的方法已无法适应电网运行方式 的快速变化，可能导致关键断面的遗漏，甚至危及电网安全稳定运行，难以满足现代电网智 能化和精细化运行的高要求。为了提高运行规则对电网在线运行方式的适应性，实现精细化调度，被国际上誉 为“电网调度自动化之父”的DY-Liacco博士于1997年提出了智能机器调度员(AO)的概 念，为电网智能调度描绘了一个新颖的蓝图。一些文献进一步提出精细规则的概念，并对精 细规则自动发现方法进行了深入研究，利用计算机在线获得考虑到更多安全特征的精细规 则，精细规则突破了传统规则的粗放结构，通过特征选择选出与电网安全最相关的一系列 特征，并利用这些特征对运行规则进行修正，提高了规则对在线运行方式的适应性。但是， 目前缺乏一种能够在线获取电网关键断面的方法，仅仅依靠人工离线选择的断面来进行在 线精细规则的生成，影响了精细规则的精度和准确性。因此，需要一种能够在线获取电网断 面的方法与精细规则的在线生成相配合，以实现电网的精细化、智能化调度。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于电气分区的输电断面 自动获取方法，能够更好的适应日益多变的电网运行方式，为精细规则的在线制定提供了 更加准确的输电断面，提高了精细规则的精细化程度和在线适应能力。本发明提出的一种基于电气分区的关键断面自动获取方法，其特征在于，按照由 初始断面到输电断面，再到关键断面的逐步递进方法自动获取断面，该方法包括以下步骤1)拓扑搜索以及厂站分类利用拓扑搜索建立电网中厂站之间的连接关系，并将厂站作为顶点，输电线路作为边组成网络N，根据网络N将厂站分为环上厂站和非环上厂站 两类，环上厂站为能与其他厂站连接形成环的厂站；2)获得厂站间的电气距离利用支路追加法生成网络N的阻抗矩阵Z，将网络N中 任意两个厂站i、j组成的厂站对的自阻抗Zi^.作为这两个厂站之间的电气距离Du，则Dij 用式⑴表示Dlj = Zvm = MJjZMij = Z" + Zjj -TLli (1)其中Z 、Zjj, Zij是阻抗矩阵Z中对应的元素，设阻抗矩阵Z的阶数为n(n为网络 N中厂站的个数)，则Mu是一个nX 1的列向量，在第i、j行分别取1和-1，其余位置取0 ；3)对网络N进行电气分区并根据电气距离对每个厂站的电气分区进行调整；4)根据图论对调整后的电气分区获取初始断面；5)利用初始断面有功潮流流向以及初始断面内支路之间的联系紧密程度两方面 约束对获取的初始断面进行筛选，得到输电断面；6)根据步骤5)得到的输电断面获取关键断面判断输电断面的安全裕度是否满 足式(5)，若满足，将该输电断面为关键断面，Msec = 1-Psec/Psmax > Mfflin (5)其中，P·为断面传输的功率，Psmax为断面的功率传输极限，采用连续潮流法计算 N-I稳定约束下的断面悲观极限作为断面传输极限，每一步连续潮流的计算时都判断系统 的N-I暂态稳定性，Mmin为阈值，取值范围为0. 3 0. 5。本发明的特点及有益效果基于电气分区的关键断面自动获取方法根据电网的实时拓扑结构和潮流状态，通 过大量的仿真计算，获取电网实时运行状态下的薄弱环节作为关键输电断面。相比于传统 的人工离线断面选择方法，这种断面自动获取方法能够更好的适应日益多变的电网运行方 式，为精细规则的在线制定提供了更加准确的输电断面，提高了精细规则的精细化程度和 在线适应能力。
图1为本发明定义的初始断面、输电断面、关键断面的包含关系示意图。图2为本发明方法的总体流程框图。图3为厂站连接的举例说明示意图。图4为本发明中电网电气分区方法的流程图。图5为本发明中初始断面自动发现方法的流程图。图6为A省电网某时刻按照厂站地理分布的电气分区图。图7为利用本发明方法得到的A省电网某时刻的电气分区图。
具体实施例方式本发明提出的基于电气分区的关键断面自动获取方法，结合附图及实施例详细说 明如下本发明定义初始断面为电网中最小割集；输电断面为电网中有功潮流流向一 致，线路之间的开断灵敏度较大的初始断面；关键断面为电网中安全裕度小，对电网安全性有重要影响的输电断面；初始断面、输电断面、关键断面的包含关系如图1所示。 本发明按照由初始断面到输电断面，再到关键断面的逐步递进方法自动获取断本发明方法的总流程如图2所示，包括以下步骤1)拓扑搜索以及厂站分类利用拓扑搜索建立电网中厂站之间的连接关系，并将 厂站作为顶点，输电线路作为边组成网络N，根据网络N将厂站分为环上厂站和非环上厂站 两类，环上厂站为能与其他厂站连接形成环的厂站，如图3所示的一个简单的9个厂站和输 电线路组成的网络上，厂站1-6为环上厂站，厂站7-9为非环上厂站。2)获得厂站间的电气距离利用支路追加法生成网络N的阻抗矩阵Z，将网络N中 任意两个厂站i、j组成的厂站对的自阻抗Zi^.作为这两个厂站之间的电气距离Du，则Dij 用式⑴表示Dij = Z帖=MJjZMij = Z" + Zjj -IZij (1)其中Z 、Zjj, Zij是阻抗矩阵Z中对应的元素，设阻抗矩阵Z的阶数为η (η为网络 N中厂站的个数)，则Mu是一个ηΧ 1的列向量，在第i、j行分别取1和-1，其余位置取0 ；3)对网络N进行电气分区并根据电气距离对每个厂站的电气分区进行调整如图 4所示，具体步骤如下3-1)按照网络N中厂站的地理分布将网络N划分成多个电气分区；3-2)对网络N中所有厂站的电气分区进行初步调整如果非环上的厂站与所连接 的环上厂站的电气分区不同，则将该非环上的厂站置于所连接的环上厂站的电气分区中； 对于环上的厂站，如果与该厂站连接的其他环上厂站都位于同一个电气分区A中，而该厂 站不位于电气分区A中，则将该厂站置于电气分区A中；3-3)将同其他电气分区内的厂站连接的厂站作为边界厂站，并将所有的边界厂站 组成集合Sb，利用式(2)计算Sb内每一个厂站Pb到该厂站Pb所在电气分区的距离Dtl，利用 式⑶计算厂站Pb到所该厂站所连接电气分区的电气距离Db(b e Spb)，其中Spb为厂站Pb 所连接的电气分区的集合；D0 = —！― Yj DJPh,iez (2)
nZ ~1 1A = —Σ DjPh ,besPb(3)
nb j^b式⑵、(3)中ζ是厂站Pb所在的电气分区，b是厂站Pb所连接的一个电气分区， nz、nb分别是电气分区z、b包含的厂站个数，是厂站j、Pb之间的电气距离；3-4)根据电气距离对Sb内每个厂站的电气分区进行调整对于Sb内的一个厂站 Pb，若对于任意的i e Spb，队< Db恒成立，则厂站Pb的电气分区不需要调整；否则将该厂站 Pb置于与该厂站电气距离最近的电气分区中；重复步骤3-2) ,3-3)、3-4)，直至Sb中所有厂 站的电气分区均不需要调整；4)根据图论对调整后的电气分区获取初始断面如图5所示，具体步骤如下4-1)根据图论，以步骤3)调整后的电气分区的集合为顶点集V，以各电气分区之 间输电线路的集合为边，组成边集E，建立图G(V，E)；4-2)对图G(V，Ε)上的顶点进行分类，分为环上顶点和非环上顶点两类(分类方法与厂站的分类方法相似)，首先将非环上顶点与环上顶点间的边作为最小割集，之后从图 G(V，E)中删除该非环上顶点；4-3)对于环上的顶点组成的顶点集V。，建立图G(V。)，遍历将顶点集V。分为\、 V2两个顶点集的所有情况，顶点集Vp V2满足条件K OF2 =0, V1 UV2 = V0,并分别建立子 图G (V1)、G (V2),若子图G (V1KG(V2)均为连通图(任意两个顶点之间存在至少一条路径的 图)，则图G (V0)上顶点集V1、V2之间的边为电网的一个最小割集；4-4)将步骤4-2) ,4-3)中得到的所有最小割集作为电网的初始断面；5)利用初始断面有功潮流流向以及初始断面内支路之间的联系紧密程度两方面 约束对步骤4)得到的初始断面进行筛选，得到输电断面5-1)判断构成初始断面的输电线路的有功潮流方向是否一致，若不一致，将该初 始断面排除(在实际应用中，当断面中支路有功功率传输方向不一致时，若该支路是轻载 支路或传输有功功率相对于断面中其他支路很小，对断面整体影响不大，可认为断面整体 的有功潮流流向一致)；5-2)判断构成初始断面的输电线路相互之间的开断分布因子是否满足式(4)，若 不满足，将该初始断面排除，Dk_,=J >Dmm (4)
I-X^lIxl式中Dlrf是线路1断开以后其上功率转移到线路k上的比例，Dmin为阈值，取值范 围为0. 1 0.3，Xk、Xl是线路k、l的电抗，Xh Jlri分别是利用直流潮流模型的阻抗矩阵得 到的线路1两端的自阻抗和线路1两端关于线路k两端的互阻抗；6)根据步骤5)得到的输电断面获取关键断面判断输电断面的安全裕度是否满 足式(5)，若满足，将该输电断面为关键断面，Msec = 1-Psec/Psmax > Mfflin (5)其中，Psec为断面传输的功率，Psmax为断面的功率传输极限，采用连续潮流法计算 N-I稳定约束下的断面悲观极限作为断面传输极限，每一步连续潮流的计算时都判断系统 的N-I暂态稳定性，Iin为阈值，取值范围为0. 3 0. 5。实施例利用本发明提出的基于电气分区的关键断面自动获取方法对某时刻A省电网进 行关键断面的自动获取，步骤和结果如下1)拓扑搜索以及厂站分类利用拓扑搜索建立A省电网中厂站之间的连接关系， 并将厂站作为顶点，输电线路作为边组成网络N，根据网络N将厂站分为环上厂站和非环上 厂站两类，两类厂站的个数如表1所示；表1某时刻A省电网厂站的分类
类别个数环上厂站236非环上厂站82
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2)获得厂站间的电气距离利用支路追加法生成网络N的阻抗矩阵Z，网络N中任 意两个厂站i、j之间的电气距离Du用式⑴表示；3)对网络N进行电气分区，如图4所示，具体步骤如下3-1)按照网络N中厂站的地理分布将网络N划分成18个电气分区，网络N的电气 分区之间的连接关系如图6所示；3-2)对网络N中所有厂站的电气分区进行初步调整；3-3)将所有的边界厂站组成集合Sb，利用式(2)计算Sb内每一个厂站Pb到该厂 站Pb所在电气分区的距离Dtl，利用式(3)计算厂站Pb到该厂站所连接电气分区的电气距离 Db(b e Spb)，其中Spb为厂站Pb所连接的电气分区的集合；3-4)对Sb内每个厂站的电气分区进行调整对于Sb内的一个厂站Pb，若对于任意 的i e Spb, D0 < Db恒成立，则厂站Pb的电气分区不需要调整；否则将该厂站Pb置于与该厂 站电气距离最近的电气分区中；重复步骤3-2) ,3-3)、3-4)，直至Sb中所有厂站的电气分区 均不需要调整，网络N最终的电气分区之间的连接关系如图7所示，共有14个电气分区；4)初始断面的获取如图5所示，具体步骤如下4-1)根据图论，以步骤3)调整后的电气分区的集合为顶点集V，以各电气分区之 间输电线路的集合为边，组成边集E，建立图G(V，E)；4-2)对图G(V，E)上的顶点进行分类，分为9个环上顶点和5个非环上顶点，首先 将非环上顶点与环上顶点间的边作为最小割集，之后从图G(V，Ε)中删除非环上顶点，共得 到5个最小割集；4-3)对于环上的顶点组成的顶点集V。，建立图G (V。)，遍历将顶点集V。分为\、V2 两个顶点集的所有情况，顶点集％、％满足条件Knr2=0,Vl υ V2 = V。，并分别建立子图 G(V1)、G(V2)，若子图G(V1)、G(V2)均为连通图，则图G(V。)上顶点集V” V2之间的边为电网 的一个最小割集，共得到24个最小割集；4-4)将步骤4-2) ,4-3)中得到的所有29个最小割集作为电网的初始断面；5)根据步骤4)得到的初始断面获取输电断面利用初始断面有功潮流流向以及 初始断面内支路之间的联系紧密程度两方面约束对初始断面进行筛选，得到输电断面5-1)判断构成初始断面的输电线路的有功潮流方向是否一致，若不一致，将该初 始断面排除；5-2)判断构成初始断面的输电线路相互之间的开断分布因子是否满足式(4)，若 不满足，将该初始断面排除，式(4)中阈值Dmin取0. 1 ；6)根据步骤5)得到的输电断面获取关键断面判断输电断面的安全裕度是否满 足式(5)，若满足，将该输电断面为关键断面，式(5)中阈值Mmin取0.3;使用本发明方法实施例获取的初始断面、输电断面、关键断面的数量与运行方式 专家给出的断面数量的对比如表2所示；表2某时刻A省电网断面数量的对比
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权利要求
一种基于电气分区的关键断面自动获取方法，其特征在于，按照由初始断面到输电断面，再到关键断面的逐步递进方法自动获取断面，该方法包括以下步骤1)拓扑搜索以及厂站分类利用拓扑搜索建立电网中厂站之间的连接关系，并将厂站作为顶点，输电线路作为边组成网络N，根据网络N将厂站分为环上厂站和非环上厂站两类，环上厂站为能与其他厂站连接形成环的厂站；2)获得厂站间的电气距离利用支路追加法生成网络N的阻抗矩阵Z，将网络N中任意两个厂站i、j组成的厂站对的自阻抗Zii，jj作为这两个厂站之间的电气距离Dij，则Dij用式(1)表示 <mrow><msub> <mi>D</mi> <mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>Z</mi> <mrow><mi>ij</mi><mo>,</mo><mi>ij</mi> </mrow></msub><mo>=</mo><msubsup> <mi>M</mi> <mi>ij</mi> <mi>T</mi></msubsup><msub> <mi>ZM</mi> <mi>ij</mi></msub><mo>=</mo><msub> <mi>Z</mi> <mi>ii</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>Z</mi> <mi>jj</mi></msub><mo>-</mo><msub> <mrow><mn>2</mn><mi>Z</mi> </mrow> <mi>ij</mi></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中Zii、Zjj、Zij是阻抗矩阵Z中对应的元素，设阻抗矩阵Z的阶数为n，n为网络N中厂站的个数，则Mij是一个n×1的列向量，在第i、j行分别取1和 1，其余位置取0；3)对网络N进行电气分区并根据电气距离对每个厂站的电气分区进行调整；4)根据图论对调整后的电气分区获取初始断面；5)利用初始断面有功潮流流向以及初始断面内支路之间的联系紧密程度两方面约束对获取的初始断面进行筛选，得到输电断面；6)根据步骤5)得到的输电断面获取关键断面判断输电断面的安全裕度是否满足式(5)，若满足，将该输电断面为关键断面，Msec＝1 Psec/Psmax＞Mmin(5)其中，Psec为断面传输的功率，Psmax为断面的功率传输极限，采用连续潮流法计算N 1稳定约束下的断面悲观极限作为断面传输极限，每一步连续潮流的计算时都判断系统的N 1暂态稳定性，Mmin为阈值，取值范围为0.3～0.5。
2.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤3)具体包括3-1)按照网络N中厂站的地理分布将网络N划分成多个电气分区；3-2)对网络N中所有厂站的电气分区进行初步调整如果非环上的厂站与所连接的环 上厂站的电气分区不同，则将该非环上的厂站置于所连接的环上厂站的电气分区中；对于 环上的厂站，如果与该厂站连接的其他环上厂站都位于同一个电气分区A中，而该厂站不 位于电气分区A中，则将该厂站置于电气分区A中；3-3)将同其他电气分区内的厂站连接的厂站作为边界厂站，并将所有的边界厂站组成 集合Sb，利用式(2)计算Sb内每一个厂站Pb到该厂站Pb所在电气分区的距离Dtl，利用式(3) 计算厂站Pb到所该厂站所连接电气分区的电气距离Db(b e Spb)，其中Spb为厂站Pb所连接 的电气分区的集合；A=-1T Σ dM'^ζ ⑵nZ ~1nb式(2)、(3)中ζ是厂站Pb所在的电气分区，b是厂站Pb所连接的一个电气分区，nz、nb 分别是电气分区z、b包含的厂站个数，An是厂站j、Pb之间的电气距离；(3-4)根据电气距离对Sb内每个厂站的电气分区进行调整对于Sb内的一个厂站Pb，若 对于任意的i e Spb, D0 < Db恒成立，则厂站Pb的电气分区不需要调整；否则将该厂站Pb置 于与该厂站电气距离最近的电气分区中；重复步骤3-2) ,3-3)、3-4)，直至Sb中所有厂站的 电气分区均不需要调整。
3.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括(4-1)根据图论，以步骤3)调整后的电气分区的集合为顶点集V，以各电气分区之间输 电线路的集合为边，组成边集E，建立图G (V，E)；(4-2)对图G(V，E)上的顶点进行分类，分为环上顶点和非环上顶点两类，首先将非环上 顶点与环上顶点间的边作为最小割集，之后从图G(V，E)中删除该非环上顶点；(4-3)对于环上的顶点组成的顶点集V。，建立图G (V。)，遍历将顶点集V。分为\、\两个 顶点集的所有情况，顶点集Wi足条件=0，V1 U V2 = V。，并分别建立子图G(V1)、 G(V2),若子图G(V1)J(V2)均为连通图，则图G(V。)上顶点集Vp %之间的边为电网的一个 最小割集；(4-4)将步骤4-2)、4-3)中得到的所有最小割集作为电网的初始断面。
4.如权利要求1所述方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括5-1)判断构成初始断面的输电线路的有功潮流方向是否一致，若不一致，将该初始断 面排除；5-2)判断构成初始断面的输电线路相互之间的开断分布因子是否满足式(4)，若不满 足，将该初始断面排除，IU而式中Dlri是线路1断开以后其上功率转移到线路k上的比例，Dmin为阈值，取值范围为 0. 1 0. 3，xk, X1是线路k、1的电抗，X1^ Xlri分别是利用直流潮流模型的阻抗矩阵得到的 线路1两端的自阻抗和线路1两端关于线路k两端的互阻抗。
全文摘要
本发明涉及一种基于电气分区的关键断面自动获取方法，属于电力系统运行和控制技术领域，该方法包括利用拓扑搜索建立电网中厂站之间的连接关系，并将厂站作为顶点，输电线路作为边组成网络N；利用支路追加法生成网络N的阻抗矩阵Z，获得厂站间的电气距离；按照网络N中厂站的地理分布将网络N划分成多个电气分区并进行调整；根据图论获取初始断面；对初始断面进行筛选，得到输电断面；判断输电断面的安全裕度得到关键断面。这种断面自动获取方法能够更好的适应日益多变的电网运行方式，为精细规则的在线制定提供了更加准确的输电断面，提高了精细规则的精细化程度和在线适应能力。
文档编号H02J3/00GK101976842SQ20101052376
公开日2011年2月16日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者吴文传, 孙宏斌, 张伯明, 赵峰, 郭庆来 申请人:清华大学