基于網(wǎng)流規(guī)劃的發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型研究

1、基于網(wǎng)流規(guī)劃的發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估模型研究    發(fā)輸電組合系統(tǒng)的可靠性評(píng)估主要采用解析法和蒙特卡洛模擬法。這兩個(gè)方法各有優(yōu)點(diǎn)，但在可靠性評(píng)估過(guò)程中都要反復(fù)進(jìn)行潮流計(jì)算，以判斷是否違反運(yùn)行約束，從而確定系統(tǒng)是否處于故障狀態(tài)，并計(jì)算恢復(fù)策略實(shí)施過(guò)程中的負(fù)荷削減量，這將花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。為改善發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估的計(jì)算效率，縮短評(píng)估時(shí)間，適應(yīng)實(shí)時(shí)在線(xiàn)評(píng)估的需要，該文提出基于網(wǎng)流規(guī)劃（NFP）的評(píng)估算法。計(jì)算結(jié)果表明，此算法是高效和合理的。    1 引言     電力系統(tǒng)的根本任

2、務(wù)是優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠地將電能輸送給用戶(hù)。因此，可靠性評(píng)估成為發(fā)電系統(tǒng)、輸電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)規(guī)劃決策中的重要工作1。近年來(lái)，電力系統(tǒng)不斷向超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量方向發(fā)展，這極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，但同時(shí)也使電力系統(tǒng)的安全可靠問(wèn)題逐漸突出，因此，對(duì)電力系統(tǒng)可靠性的研究變得日益迫切。現(xiàn)今，我國(guó)正向電力市場(chǎng)邁進(jìn)，電力市場(chǎng)中的用戶(hù)在購(gòu)買(mǎi)一定數(shù)目電量商品的同時(shí)，也購(gòu)買(mǎi)了此商品的基本屬性“可靠性”2；系統(tǒng)的可靠性也是影響實(shí)時(shí)電價(jià)的重要因素。在實(shí)時(shí)電力市場(chǎng)的交易中，實(shí)時(shí)電價(jià)中與可靠性有關(guān)的電價(jià)部分的計(jì)算需要進(jìn)行系統(tǒng)可靠性的實(shí)時(shí)在線(xiàn)評(píng)估；同時(shí)，電力市場(chǎng)的出現(xiàn)，輸電網(wǎng)的開(kāi)放，獨(dú)立發(fā)電商的出現(xiàn)也使系統(tǒng)的運(yùn)

3、行條件不能事先知道，不可避免的會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行接近物理極限3,4，這就對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性評(píng)估提出了新的要求：快速準(zhǔn)確并能適應(yīng)在線(xiàn)評(píng)估的需要。     組合系統(tǒng)在電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估中的兩種最基本的分析方法是蒙特卡洛模擬法和解析法59。二者各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。解析法的主要優(yōu)點(diǎn)是：物理概念清楚，模型的精度高。它通過(guò)枚舉系統(tǒng)故障狀態(tài)，然后對(duì)此系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行潮流計(jì)算，以判斷此枚舉狀態(tài)是否為故障狀態(tài)；由于潮流計(jì)算涉及矩陣計(jì)算，計(jì)算量較大，并且隨著系統(tǒng)規(guī)模的增大，需要枚舉的系統(tǒng)狀態(tài)呈指數(shù)增長(zhǎng)，對(duì)每一個(gè)枚舉狀態(tài)都進(jìn)行潮流計(jì)算將耗費(fèi)大量機(jī)時(shí)，所以解析法最適合于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小而網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

4、較強(qiáng)的系統(tǒng)。蒙特卡洛模擬法是統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)方法，其統(tǒng)計(jì)的采樣次數(shù)與系統(tǒng)規(guī)模無(wú)關(guān)，容易處理各種實(shí)際運(yùn)行控制策略和各種隨機(jī)分布，所以蒙特卡洛模擬法在進(jìn)行大型復(fù)雜電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估時(shí)更具有優(yōu)越性；它的主要不足在于計(jì)算時(shí)間與計(jì)算精度的緊密相關(guān)性，為獲得精度較高的可靠性指標(biāo)，往往需要很長(zhǎng)的計(jì)算時(shí)間；并且要對(duì)每一樣本狀態(tài)進(jìn)行潮流計(jì)算，因此計(jì)算時(shí)間很長(zhǎng)10。因此要提高可靠性計(jì)算的速度，縮短評(píng)估的時(shí)間，可以從3個(gè)方面進(jìn)行研究： 改進(jìn)故障狀態(tài)篩選算法，把對(duì)指標(biāo)貢獻(xiàn)較小的事件忽略不計(jì)11； 改進(jìn)事件行為分析算法，提高速度1； 采用并行算法，在并行處理機(jī)上實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算3。     文獻(xiàn)1提出

5、利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行故障狀態(tài)的識(shí)別以加快評(píng)估過(guò)程的速度，但由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過(guò)程需要花費(fèi)大量的時(shí)間，并且當(dāng)系統(tǒng)的運(yùn)行方式改變或系統(tǒng)進(jìn)行了擴(kuò)建，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要重新進(jìn)行訓(xùn)練，因此該模型不適用于系統(tǒng)的可靠性實(shí)時(shí)評(píng)估。本文提出利用網(wǎng)流規(guī)劃模型，以網(wǎng)流替代系統(tǒng)線(xiàn)路潮流，考慮網(wǎng)損和線(xiàn)路無(wú)功對(duì)輸電線(xiàn)路弧的有功容量進(jìn)行修正，通過(guò)系統(tǒng)最小割集求得系統(tǒng)能夠提供的最大有功負(fù)荷，當(dāng)此割集容量小于系統(tǒng)有功負(fù)荷時(shí)，認(rèn)為系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，以此作為故障狀態(tài)的篩選判據(jù)。 2 利用網(wǎng)流規(guī)劃進(jìn)行故障狀態(tài)篩選的基本原理     網(wǎng)流規(guī)劃是針對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮匦蕴岢鰜?lái)的一種數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，也是線(xiàn)性規(guī)劃中專(zhuān)門(mén)處理

6、網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題的一種特殊算法。由于該方法簡(jiǎn)單可靠，并能有效地提高解題速度，因而在電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)規(guī)劃中得到了廣泛應(yīng)用。圖1 所示的2機(jī)3節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)，其網(wǎng)絡(luò)圖可以用圖2來(lái)表示。        圖2中節(jié)點(diǎn)1，2，3對(duì)應(yīng)原有電力系統(tǒng)的母線(xiàn)編號(hào)；G1和G2代表發(fā)電弧，其一端連至共同的電源點(diǎn)S，另一端連至實(shí)際發(fā)電機(jī)所在的節(jié)點(diǎn)，其弧的容量為相應(yīng)發(fā)電機(jī)的最大有功發(fā)電容量，它們對(duì)應(yīng)的可靠性參數(shù)就等于相對(duì)應(yīng)的發(fā)電機(jī)組的故障參數(shù)；E1E2E3代表輸電線(xiàn)路弧，分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)編號(hào)的輸電線(xiàn)路，其弧的容量為對(duì)應(yīng)線(xiàn)路的最大輸送容量，它們可靠性參數(shù)就等于相應(yīng)的輸電

7、線(xiàn)路的故障參數(shù)；L2和L3代表負(fù)荷弧，其弧的容量為相應(yīng)母線(xiàn)上的有功負(fù)荷，負(fù)荷弧的一端連在負(fù)荷所在的實(shí)際母線(xiàn)上，另一端連至共同的收點(diǎn)T。        設(shè)Xij為網(wǎng)絡(luò)中弧ij的實(shí)際流量，Rij為該弧的最大容量，E為全部弧的集合，如下的線(xiàn)性規(guī)劃問(wèn)題稱(chēng)為最大流問(wèn)題        上述條件中ES、ET、Ei分別表示與節(jié)點(diǎn)S、T、i相連的弧集合，r表示發(fā)點(diǎn)S的凈流出量（或收點(diǎn)T的凈流入量）。     網(wǎng)絡(luò)的最大流代表了該系統(tǒng)在不違反弧的

8、容量約束和滿(mǎn)足克希荷夫第一定律情況下，從發(fā)點(diǎn)S向收點(diǎn)T所能傳輸?shù)淖畲罅髁?，如果該網(wǎng)絡(luò)代表的是電力網(wǎng)絡(luò)，則最大流表示在線(xiàn)路和發(fā)電機(jī)都不過(guò)負(fù)荷的情況下，系統(tǒng)所能供應(yīng)的最大有功負(fù)荷。由最小割集定理可知：任意網(wǎng)絡(luò)從發(fā)點(diǎn)S到收點(diǎn)T的最大流的數(shù)值等于分離網(wǎng)絡(luò)的最小割集容量。因此，求取原網(wǎng)絡(luò)最大流的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為其最小割集問(wèn)題。     發(fā)輸電組合系統(tǒng)的充裕度可靠性評(píng)估主要是分析系統(tǒng)在受到擾動(dòng)后的穩(wěn)態(tài)情況下，在保持電力平衡和維持母線(xiàn)電壓在運(yùn)行范圍內(nèi)的前提下滿(mǎn)足用戶(hù)電力及電量需求的能力。如果在某一系統(tǒng)狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)的最小割集容量小于系統(tǒng)的總有功負(fù)荷，該系統(tǒng)一定處于故障狀態(tài)，必須進(jìn)行系統(tǒng)

9、開(kāi)機(jī)出力調(diào)整甚至負(fù)荷削減，這是本文進(jìn)行故障狀態(tài)篩選的基本原理。由于利用網(wǎng)絡(luò)在特定狀態(tài)下的最大流代替系統(tǒng)中的潮流分布，從而簡(jiǎn)化了交流潮流的計(jì)算和負(fù)荷削減計(jì)算，因此利用網(wǎng)流規(guī)劃進(jìn)行發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估，計(jì)算速度很快。     在以上的模型中，假定輸電線(xiàn)路弧的容量為該輸電線(xiàn)路的容量，由于在線(xiàn)路上存在網(wǎng)損，并且線(xiàn)路上不僅傳送有功，而且也傳送無(wú)功，因此輸電線(xiàn)路的容量并不是該線(xiàn)路的最大有功輸送容量，如果以線(xiàn)路的容量作為線(xiàn)路的最大有功輸送容量進(jìn)行故障狀態(tài)的篩選，將使一些故障狀態(tài)被遺漏。因此，有必要對(duì)線(xiàn)路弧的容量進(jìn)行修正，方法如下：     設(shè)輸

10、電線(xiàn)路弧Xij的線(xiàn)路容量為Rij，由系統(tǒng)所有元件都處于正常狀態(tài)下的潮流計(jì)算得到該線(xiàn)路的有功網(wǎng)損為Pij，傳輸?shù)臒o(wú)功為Qij，則修正容量R'ij為：    3 可靠性評(píng)估的算法及計(jì)算結(jié)果分析     可靠性評(píng)估的算法如下：     （1）計(jì)算系統(tǒng)元件都處于正常狀態(tài)下的系統(tǒng)潮流，計(jì)算線(xiàn)損，對(duì)輸電線(xiàn)路弧的有功容量進(jìn)行修正；     （2）枚舉系統(tǒng)狀態(tài)，判斷該狀態(tài)是否造成系統(tǒng)解列，若解列則對(duì)各個(gè)解列子網(wǎng)計(jì)算其各自的最小割量，否則計(jì)算該狀態(tài)下整個(gè)系統(tǒng)的最小割量； &#

11、160;   （3）若最小割量小于該網(wǎng)絡(luò)的有功總負(fù)荷，則判斷該狀態(tài)為失效事件；     （4）對(duì)失效事件進(jìn)行行為分析，計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)和系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)；     （5）若系統(tǒng)狀態(tài)已經(jīng)枚舉完畢，則退出計(jì)算，否則轉(zhuǎn)步驟（2）。     圖3為IEEE-RTS24系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。本文利用解析法采用可靠性網(wǎng)流評(píng)估算法對(duì)IEEE-RTS24系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性評(píng)估，枚舉系統(tǒng)事故狀態(tài)，輸電線(xiàn)路故障模擬到2階，發(fā)電機(jī)故障及發(fā)電機(jī)和輸電線(xiàn)路組合故障考慮到4階。計(jì)算結(jié)果如表1所示。   &

12、#160; 由表1可見(jiàn)，網(wǎng)流可靠性評(píng)估的計(jì)算速度非常快，利用求取最小割量對(duì)發(fā)輸電組合系統(tǒng)的故障狀態(tài)進(jìn)行篩選，特別是利用系統(tǒng)正常狀態(tài)下的無(wú)功和線(xiàn)路損耗對(duì)線(xiàn)路容量進(jìn)行修正后，能夠抓住系統(tǒng)的主要故障狀態(tài)；同時(shí)利用系統(tǒng)有功總負(fù)荷和最小割量的差值作為系統(tǒng)應(yīng)該削減的有功負(fù)荷，避免了在故障狀態(tài)下的調(diào)整過(guò)程中為了求取負(fù)荷削減量而反復(fù)進(jìn)行交流潮流計(jì)算，從而極大地節(jié)省了評(píng)估時(shí)間。另外，從表1還可以看出，網(wǎng)流法計(jì)算出的指標(biāo)與R.Billinton提供的指標(biāo)相差很小，差異的原因在于削減負(fù)荷的策略不同，以及網(wǎng)流法以網(wǎng)流替代潮流，只滿(mǎn)足克希荷夫第一定律，未考慮節(jié)點(diǎn)電壓約束，即不滿(mǎn)足克希荷夫第二定律。雖然如此，其計(jì)算精度能

13、夠滿(mǎn)足可靠性評(píng)估的要求，并且由于評(píng)估所需時(shí)間很短，完全能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)在線(xiàn)評(píng)估的需要。         4  結(jié)束語(yǔ)     為實(shí)現(xiàn)發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估的實(shí)時(shí)在線(xiàn)應(yīng)用，本文提出利用網(wǎng)流規(guī)劃代替潮流計(jì)算，并考慮線(xiàn)路網(wǎng)損和線(xiàn)路輸送的無(wú)功對(duì)線(xiàn)路的最大有功輸送容量進(jìn)行修正，計(jì)算速度非?？觳⑶揖容^高。為提高可靠性評(píng)估的速度，不少專(zhuān)家學(xué)者在進(jìn)行研究，如提出了解析法和蒙特卡洛法相結(jié)合9，或者對(duì)蒙特卡洛的抽樣技術(shù)進(jìn)行研究10。網(wǎng)流規(guī)劃是一個(gè)較好的方法，另外也可以采用蒙特卡洛法與并

14、行算法相結(jié)合，從而充分利用蒙特卡洛法的靈活性和并行計(jì)算的快速性，這也是今后的研究方向。 參考文獻(xiàn)    1 吳開(kāi)貴，王韶，張安邦，等（Wu Kaigui，Wang Shao，Zhang Anbang et al）基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)可靠性評(píng)估模型研究（The study on reliability assessment of electrical power systems using RBF neural network）J中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2000，20(6)：9-12 2 于爾鏗，韓放，謝開(kāi)，

15、等（Yu Erkeng，Han Fang，Xie Kai et al）電力市場(chǎng)（Electricity markets）M北京：中國(guó)電力出版社（Beijing：China Electric Power Press），1998 3 Car Men L T BorgesComposite reliability evaluation by sequential monte carlo simulation on parallel and distributed processing environmentsJIEEE Transactions on Power Systems，2001，16(2)

16、：203-209 4 王錫凡，王秀麗，別朝紅（Wang Xifan，Wang Xiuli，Bie Chaohong）電力市場(chǎng)條件下電力系統(tǒng)可靠性問(wèn)題（Power systems reliability issues in power market environment）J電力系統(tǒng)自動(dòng)化（Automation of Electrical Power Systems），2000，24(8)：19-22 5 張焰（Zhang Yan）電網(wǎng)規(guī)劃中的模糊可靠性評(píng)估方法（The evaluation method of fuzzy reliability in electric power networ

17、k planning）J中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)（Proceedings of the CSEE），2000，20(11)：77-80 6 丁明，張瑞華（Ding Ming，Zhang Ruihua）發(fā)輸電組合系統(tǒng)可靠性評(píng)估的蒙特卡羅模擬（Monte-Carlo simulation of reliability evaluation for composite generation and transmission system）J電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2000，24(3)：9-12 7 任震，何建軍，諶軍，等（Ren Zhen，He Jianjun，Chen

18、Jun et al）交直流網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評(píng)估的Monte Carlo-FD 混合法（Monte-Carlo-FD comprehensive method for reliability evaluation of AC/DC hybrid network systems）J電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2000，24(5)：13-19 8 丁明，張瑞華（Ding Ming，Zhang Ruihua）發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性分析軟件綜述（A survey of composite generation and transmission reliability analysis software package）J電網(wǎng)技術(shù)（Power System Technology），2002，26(1)：51-54 9 別朝紅，王秀麗，王錫凡（Bie Chaohong，Wang Xiuli，Wang Xifan）電力系統(tǒng)可靠性評(píng)估的混合法研究（Study of hybrid method on power system reliability evaluation）J中國(guó)電力（Electric Power），2001，34(3)：25-28 10 Billinton R，Wenyuan LiReliability assessmen