本发明涉及电网在线仿真分析领域，具体涉及一种基于网络拓扑和潮流数据的关键输电断面自动识别方法。
背景技术：
：随着互联电网区域和交换容量的扩大，互联电网故障引起的特大停电事故对社会生活几乎造成灾难性的影响，因而保障互联电网的运行安全性、避免重大甚至特大停电事故的发生变得越来越重要。国际上已发生了数起大面积停电事故，损失极其严重。因此，加强电网安全监控，防止大规模停电事故的发生对保障电力系统的安全运行极为重要。由于现代电网规模庞大且结构复杂，对每个元件都进行严密监控是不现实的，而且故障后紧急控制时约束条件太多，对整个系统进行潮流调整往往来不及，电网运行人员需有针对性地加强对系统关键环节的重点监控，其中关键输电断面是重点监控对象之一。输电断面是实际电力系统分析计算中的重要概念，据此将整个电网划分成若干区域管理和分析。电网实际运行中，对关键输电断面进行实时监视和控制，一旦出现故障，本着不扩大局部故障影响的原则，尽可能保持输电断面的完整性和输电能力。保证输电断面的安全性即可有效地抑制停电事故的发展、蔓延和波及范围，具有重大的意义。传统的输电断面是由电网运行专家通过离线分析、人工选择而得出的。受限于专家经验和离线方式计算规模的局限性，人工发现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。随着电网规模的扩大和新能源的接入，电网运行方式日益多变，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，其安全特征可能频繁地发生变化，例如：原来的非关键断面可能变成关键断面，反之亦然。传统的人工发现电网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。因此，有必要开发一种基于网络拓扑和潮流数据的关键输电断面自动识别方法，辨识出反映复杂电力系统运行规则的关键输电环节，为电网安全实时监控和预防连锁故障发生提供决策依据。技术实现要素：为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于网络拓扑和潮流数据的关键输电断面自动识别方法，其包括如下步骤：步骤1：收集电网数据，构建电网连通图；步骤2：对所述电网连通图进行网络收缩和节点支路分析，并划分子网络；步骤3：校验输电断面特征，生成初始输电断面；步骤4：计算输电断面重要度指标，并筛选关键输电断面；步骤5：输出关键输电断面组成和重要度指标。步骤1中的电网数据包括：网络拓扑数据、电网潮流数据和电网地理分区数据。步骤1中的电网连通图g(v,e)为：含顶点和边的电力网络；其中：v＝{v1,v2,…,vn}为顶点集合，代表电力系统中的母线节点；e＝{e1,e2,…,en}为边的集合，代表电力系统中的输电线路；连通图g(v,e)的顶点包括：树枝顶点和环上顶点。步骤2包括如下步骤：1)将末端节点i收缩到与其相连的节点j所在分区。2)若节点j位于树枝上，继续收缩至环路分区内。设节点j的节点度如式d(j)所示，共有k(j)个相连的节点收缩到节点j；若d(j)＝1+k(j)，则节点j属于树枝节点，将节点j和收缩其区域的节点划归到与节点j相连的非收缩节点所在分区；依此类推，直到收缩至将树枝上的全部节点收缩到应在的环路分区内。步骤2中划分子网络包括如下步骤：1)将地理分区作为初始子网络。2)厂站预处理；3)分别计算每个边界厂站到与其所连的每个子网络内所有厂站的平均电气距离dij和平均电气距离dij到子网络中其他厂站的平均电气距离d0，将边界厂站置于与其距离最近的子网络中；平均电气距离其中，b是厂站i所连接的一个地理分区，nb是地理分区b包含的厂站个数，dij是厂站i和厂站j间的电气距离；4)重复步骤2)和步骤3)，直到电网中所有所述边界厂站的子网络停止改变。厂站间的电气距离dij，是分别从厂站i和厂站j起至二端口网络间的等值阻抗，在数值上等于厂站i输入单位电流后厂站i与厂站j之间的电压；根据叠加原理，站i和厂站j间的电气距离dij如下所示：式中：zii为厂站i的自阻抗，zjj为厂站j的自阻抗，zij为厂站i与厂站j的互阻抗；设阻抗矩阵z的阶数为n，则mij是一个n维列向量，厂站i和厂站j分别取1和-1，其余位置取0。厂站预处理包括；如果树枝上的厂站与其所连的环上的厂站分区不同，则令其与所连的环上厂站的分区相同；如果所述环上的厂站所连的其他环上厂站都位于同一子网络a中，而其本身并不位于该子网络中，则将该厂站划分到子网络a中。步骤3包括：基于输电断面的基本特征，搜索各个子网络间割集的联络线集合，经校验生成初始输电断面。初始输电断面的校验包括：根据输电断面的基本特征，校验搜索的子网络之间的联络线集合是否满足潮流方向一致性约束和电气联系约束，若满足则为初始输电断面，反之则不属于初始输电断面。潮流方向一致性约束包括：令pa＝min{p→，p←}，pb＝max{p→，p←}，若pa/pb≤ε，则判定为满足潮流一致性约束，并将pb方向作为该断面潮流方向，再进行电气联系约束检验；否则，不满足潮流一致性约束，该割集断面不作为输电断面；其中，p→和p←分别表示割集断面2个方向上的有功功率值，ε为预先给定的阈值，其取值范围为0～0.15。电气联系约束包括：若min{di,k}≥dsmin，则判定满足电气联系约束；否则，判定为不满足电气联系约束；其中，dsmin为预先给定的阈值,di,k为开断支路lk与断面其他支路li(i≠k)间的开断因子。搜索各个子网络之间构成割集的联络线集合，包括如下步骤：1)判断联络线l内所有支路是否构成割集，若是，则联络线l为一个输电断面，搜索结束；反之，断开联络线l内的所有支路，将联络线l归入已开断的联络线集合；2)利用直流潮流法计算：已开断联络线中所含支路断开后，其余联络线内支路的支路开断分布因子；3)选择支路开断分布因子中最大支路所属的联络线为预开断联络线；4)判断预开断联络线潮流与已开断联络的线潮流方向是否一致：若是，则转到步骤5)；反之，判断预开断联络线潮流与已开断联络线潮流之比是否小于给定阈值λ；若是，则转到步骤5)；否则，将最大支路的开断分布系数置0，并将该支路所属的联络线放回未开断联络线的集合后，转到步骤3)。5)判断预开断联络线与已开断联络线能否构成电网割集；若能，则预开断联络线与已开断联络线构成输电断面，断面搜索结束；若否，将预开断联络线断开，归入所述已开断联络线的集合，重复步骤2)～步骤5)，直至预开断联络线与已开断联络线构成电网割集。支路开断分布因子dkl为线路l开断后，其上功率转移到线路k上的比例，如下式所示：式中：xk和xl为线路k和线路l的电抗；xl-l和xkl分别为利用直流潮流模型的阻抗矩阵得到的线路l两端的自阻抗和线路k两端关于线路l两端的互阻抗。步骤4包括：根据电网潮流数据计算输电断面的重要度指标，从初始输电断面中选出反映电网薄弱环节的关键输电断面。电力系统中输电断面s的重要度指标ds如下式所示：ys(i)为输电断面s的裕度，为输电断面s所有支路的平均功率裕度,p’s为输电断面s功率的归一化。当输电断面裕度ys(i)较大时，输电断面不发生潮流过载和系统失稳；当输电断面裕度ys(i)接近零时，逼近极限传输功率断面的重要度急剧加大。若两个输电断面的传输容量裕度相同，则传输功率大的输电断面更重要；若两个传输断面的传输功率相同，则传输容量裕度小的输电断面更重要。输电断面s的功率ps归一化的计算公式如下所示：式中，max{pk}、min{pk}分别为电网中输电断面功率的最大值和最小值。输电断面s中支路i的功率裕度如下所示：ps(i)为输电断面s中支路i的功率，ps(i)max为其最大传输功率。输电断面s所有支路的平均功率裕度如下所示：m为输电断面s支路的数量。与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：1、本发明解决了传统的技术方案中，人工经验识别输电断面难以适应大规模和复杂多变的实际电力系统运行方式变化的问题。2、本发明能提高关键输电断面自动识别处理的效率和可靠性。3、本发明能对输电断面安全稳定重要程度进行全面合理的量化评估。4、本发明结合电网地理分区和子网络划分搜索出输电断面，更符合电网运行控制的实际需求。附图说明图1为本发明的计算流程图。具体实施方式下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。为实现上述目的，本发明提供的技术方案的包括：步骤1：准备电网网络拓扑数据、电网潮流数据、电网地理分区数据，经过模型简化后形成电网连通图；步骤2：对电网连通图进行网络收缩，计算各厂站间电气距离，并结合地理分区信息将整个电网划分为若干个子网络；步骤3：基于输电断面的定义及基本特征，搜索各个子网络之间构成割集的联络线集合，经过校验生成初始输电断面；步骤4：根据电网潮流数据计算输电断面重要度指标，从初始输电断面中筛选出反映电网薄弱环节的关键输电断面。步骤1中准备电网网络拓扑数据、电网潮流数据、电网地理分区数据，经过简化后形成电网连通图，其中，步骤1具体包括以下步骤：步骤1-1：准备电网网络拓扑数据、电网潮流数据、电网地理分区数据。电网拓扑数据，根据电力网络中开关的开断状况，通过拓扑分析算法计算出电力网络的实时结构拓扑，是电力网络分析中潮流分析、状态估计等高级应用的基础。电网潮流数据，根据给定的电网结构、电网参数、发电机和负荷等元件的运行条件，经过潮流计算后，确定电力系统各部分稳态运行状态参数。通常，潮流数据包括：系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角、各母线节点的电压幅值和相角、各支路的功率分布、网络的功率损耗等。电网地理分区，根据电网中不同电力公司所辖电网具有互相独立且互联的特点，将全网发输变电设备按照地理分布和所属电力公司划分为不同的区域，用于电网调度运行控制和安全稳定分析。步骤1-2：经过模型简化后形成电网连通图。电网连通图，即电力网络可以用一个含顶点和边的连通图g(v,e)来表示，其中：v＝{v1,v2,…,vn}，表示顶点集合，代表电力系统中的母线节点；e＝{e1,e2,…,en}，表示边的集合，代表电力系统中的输电线路。模型简化，即根据电网拓扑数据中各类设备模型及连接关系，删除不影响主网架拓扑结构的电容器、电抗器、小支路等设备，减少连通图的规模。步骤2中，对电网拓扑图进行网络收缩，计算各厂站间电气距离，并结合地理分区信息将整个电网划分为若干个子网络；步骤2-1：对电网拓扑图进行网络收缩和节点支路分析。网络收缩，对电力网络结构组成的连通图g(v，e)，将联系紧密的厂站收缩在一起，降低电网图g顶点的规模，提高电网分区和断面搜索的效率。图g的顶点可分为构成树枝顶点和环上顶点2种。对于构成树枝的顶点，其与环上顶点间的联络线即为最小割集，可将其收缩到环上不再考虑。节点度是指和该节点相关联的边的条数，又称关联度。(1)节点度为1的节点为支路末端节点，应与唯一相连的节点所在分区一致，因而将末端节点i收缩到相连的节点j所在分区。(2)若节点j仍位于树枝上，需继续收缩。设节点j的节点度为d(j)，共有k(j)个相连节点收缩到节点j，若d(j)＝1+k(j)，则节点j属于树枝节点，将节点j连带所有收缩至其区域的节点划归到与j相连的非收缩节点所在分区，依此类推，直到收缩至有d(j*)＞1+k(j*)关系的节点j*，即将树枝上的全部节点收缩到j所在环路的分区。步骤2-2：计算各厂站间电气距离，并结合地理分区信息将整个电网划分为若干个子网络；厂站间电气距离，是从厂站i、j看进去的二端口网络等值阻抗，在数值上等于从厂站i注入单位电流后厂站i与j之间的电压。根据叠加原理，厂站间等阻抗可用节点阻抗矩阵元素表达，厂站i，j之间的电气距离可以表示为：式中：zii，zjj，zij分别为电网阻抗矩阵z中对应的元素，zii为厂站i的自阻抗，zjj为厂站j的自阻抗，zij为厂站i与厂站j的互阻抗；设阻抗矩阵z的阶数为n，则mij是一个n维列向量，在第i行和第j行分别取1和-1，其余位置取0。子网络划分方法，指根据输电断面的定义和特征，同一输电断面的组成支路应当具有相同的电源区和负荷区，因此，根据厂站间电气距离和地理分区信息，以发电厂和变电站为单位将整个电网划为不同的子网络，每个子网络代表了电网中不同的电源区和负荷区。具体步骤如下：1)将地理分区作为初始的子网络。2)对厂站进行预处理，具体包含：对于树枝上厂站，如果其与所连的环上厂站的分区不同，则令其与所连的环上厂站的分区相同；对于环上厂站，如果其所连的其他环上厂站都位于同一子网络a中，而其本身并不位于该子网络中，则将该厂站划分到子网络a中。3)对每一个边界厂站，分别计算其到所连的每个子网络内所有厂站的电气距离，并计算其到本子网络中其他厂站的平均电气距离d0，将该厂站置于与其距离最近的子网络中。式中：b是厂站i所连接的一个地理分区；nb是地理分区b包含的厂站个数；dij是厂站i、j之间的电气距离，si为该厂站连接的子网络的集合。4)重复进行步骤2和步骤3，直到电网中所有边界厂站的子网络不再改变为止。步骤3中，基于输电断面的定义及基本特征，搜索各个子网络之间构成割集的联络线集合，经过校验生成初始输电断面；输电断面，指在电网安全稳定或电量交易上相互关联、紧密联系的一组输电线路(也可以是变压器或发电机等)。通常，输电断面具备3个基本特征：第一，断面应是电网的一个最小割集；第二，断面中支路的有功潮流方向应基本一致，对于轻载支路或传输的有功相对于其他支路较小的支路允许潮流反向；第三，构成断面的多条支路间的联系紧密，相互之间的支路开断灵敏度较大。割集，指电网连通图g的一个支路集合，如果将这些支路移去将使g分离为两个部分，但是如果少移去一条支路，图仍将是连通的。初始输电断面，指将电网拓扑图划分为不同子系统后，搜索得到的各子网络之间的联络线路构成的输电断面。初始输电断面校验，即根据输电断面的基本特征，校验搜索到的子系统之间联络线集合是否满足潮流方向一致性约束和电气联系约束，若校验通过则为初始输电断面，反之则不属于初始输电断面。约束1：潮流方向一致性约束。用p→和p←分别表示割集断面2个方向上的有功功率值。令pa＝min{p→，p←}，pb＝max{p→，p←}，若pa/pb≤ε(ε为预先给定的阈值，通常其取值范围为[0，0.15])，则判定满足潮流一致性约束，并将pb方向作为该断面潮流方向，之后再进行电气联系约束检验；否则，判定不满足潮流一致性约束，该割集断面不作为输电断面。约束2：电气联系约束。对满足潮流方向一致性约束的断面做进一步的电气联系约束校验。具体地，选中割集断面中潮流最重支路lk，将其作为开断支路，计算该支路与断面其他支路li(i≠k)间的开断因子di,k，若min{di,k}≥dsmin(dsmin为预先给定的阈值，一般取值为0.2)，则判定满足电气联系约束；否则，就判定为不满足电气联系约束。支路开断分布因子的计算公式如下所示。式中：dkl为线路l开断后其上功率转移到线路k上的比例；xk和xl为线路k和l的电抗；xl-l和xkl分别为利用直流潮流模型的阻抗矩阵得到的线路l两端的自阻抗和线路k两端关于线路l两端的互阻抗；dmin为阈值。搜索各个子网络之间构成割集的联络线集合，其具体步骤如下：1)判断联络线l内所有支路是否构成割集，若是，则联络线l本身是一个输电断面，搜索结束；若否，断开联络线l内所有支路，将联络线l归入已开断联络线集合；2)利用直流潮流法计算已开断联络线中所含支路断开后，其余联络线内支路的支路开断分布因子；3)选支路开断分布因子最大的支路所属的联络线为预开断联络线；4)判断预开断联络线潮流与已开断联络线潮流方向是否一致：若是，则转到5)；若否，判断预开断联络线潮流与已开断联络线潮流之比是否小于给定阈值λ；若是，则转到5)；若否，将支路开断分布系数最大的支路的开断分布系数值置0，将该支路所属的联络线放回未开断联络线集合，转到3)。5)判断预开断联络线与已开断联络线能否构成电网割集；在图g中删除预开断联络线与已开断联络线的边，并进行拓扑分析，判断删除后的图g是否划分为2个独立的子图。若是，则构成电网割集；若否，则不构成电网割集。6)若能构成电网割集，则预开断联络线与已开断联络线构成输电断面，断面搜索结束；若否，则将预开断联络线断开，归入已开断联络线集合，重复步骤2)～步骤5)，直至预开断联络线与已开断联络线可构成电网割集。步骤4中，根据电网潮流数据计算输电断面重要度指标，从初始输电断面中筛选出反映电网薄弱环节的关键输电断面。关键输电断面，指电网实时运行中潮流负载重、安全裕度小、需要重点监控的输电断面，这类断面在众多输电断面中比例较少，但占据重要地位。断面重要度，考虑断面输送潮流、断面平均安全裕度和断面支路最小安全裕度，定义一种断面安全稳定的重要度指标，通过计算重要度指标并进行排序从而识别出关键输电断面。在电网运行中，关键输电断面通常是潮流重、安全裕度较小的输电断面，需要进行重点监控和分析。因此，综合考虑了断面潮流和安全裕度，定义断面重要度指标为：当断面裕度ys(i)较大时，断面不易发生潮流过载及系统失稳，裕度对于断面重要度的影响较小，此时断面的重要度主要由其输送功率pi决定；当断面裕度ys(i)越小越接近零时，ys(i)成为断面重要度决定因素，逼近极限传输功率的断面的重要度将急剧加大。若两个输电断面的传输容量裕度相同，则传输功率大的输电断面更重要。若两个传输断面的传输功率相同，则传输容量裕度小的输电断面更重要。通过上述公式可以计算各个断面的重要度，排序即可得到系统的关键断面。断面重要度的各变量计算公式如下：设电力系统中共有n个输电断面，其中断面s的功率是ps，按照式(5)将ps归一化为：式中，max{pk}、min{pk}分别为电网输电断面功率的最大值和最小值。设断面s中第i条支路的功率为ps(i)，其最大传输功率为ps(i)max，该支路的功率裕度为：设该断面共有m条支路，则该断面所有支路的平均功率裕度为断面的安全裕度不仅与断面支路的平均负载程度有关，还与断面中负载程度最大的支路密切相关。一旦断面中某条支路发生过载，很容易导致整个断面的切除，而断面中负载程度最大的支路为断面中最易过载的支路。因此，断面的安全裕度不仅与断面各支路的平均功率裕度有关，还与断面中支路的功率裕度最小值min{ys(i)}密切相关。按照上述方法，以某实际电网作为校验模型，根据某一时刻的电网在线运行数据和地理分区，进行电网电气分区，自动搜索得到初始输电断面，并根据重要度指标辨识出重要输电断面。表1中列举了前3个重要输电断面的识别结果。各断面的重要度指标见表2。表1重要输电断面断面名称断面功率断面极限功率断面重要度断面1242644461.789断面2141933881.123断面369218650.743表2断面重要度计算结果最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员参照上述实施例依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。当前第1页12