电网运行可靠性快速评估算法及防御体系框架研究

随着以风力和光伏发电为主的可再生能源发电在电源结构中所占比重不断增加,新能源发电的随机性和间歇性对电网安全可靠运行也带来了潜在威胁;同时随着智能电网和特高压交直流输电技术的快速发展及其工程应用,输电网结构正在经历巨大变化,因特高压输电线路随机故障带来的系统静态充裕性和动态安全性问题愈发引起关注。计及发电、输电和负荷侧的不确定性,实现对大规模复杂电网的可靠性量化评估和薄弱环节辨识,可为电网公司提供降低电网运行风险的重要决策参考信息,但在大电网可靠性评估分析的实际工程应用中,现有可靠性评估理论和模型依然面临高度的计算复杂性问题,严重限制了可靠性技术在实际工程中的广泛应用,因此大电网可靠性评估的计算效率和计算速度的提高成为亟需解决的关键问题。据此,本文开展了大电网运行可靠性评估的加速方法研究,从网络拓扑快速分析、潮流计算加速和最优负荷削减模型改进三个层面,提出了基于充裕性的可靠性评估快速算法,从故障集快速筛选的视角提出了电网动态风险快速评估算法,最后对电网中日益增加的新能源进行了可靠性建模及电网评估。主要研究内容如下:(1)为提高电力系统充裕性评估的效率,论文提出了一种基于潮流灵敏度和网络拓扑的电网充裕性快速评估方法。将潮流灵敏度运用于电力系统充裕性评估中,推导出了表征支路功率变化和节点注入功率变化关系的潮流灵敏度矩阵,并给出了改进的线性规划模型,可快速求出故障后系统的最优负荷削减策略;同时,针对部分只有网络拓扑信息而不具备潮流计算条件的电网,提出了基于最小路的最小割集算法,将系统复杂的拓扑结构转化为简单的串并联关系,从而快速地求取系统的充裕度;此外,采用因子表附加链技术以较小的计算代价和储存空间满足不常见新增元件的计算需求,并采用动态网络拓扑分析,建立基态潮流下的拓扑主表和辅助表,只对故障后电网变化部分进行分析,提出了基于因子表附加链及动态网络拓扑分析的充裕性快速评估方法,保证了充裕性评估的快速性并极大提高了拓扑分析的速度。算例分析表明,该方法能有效提高电网充裕性评估的速度,可有效用于实际电网的充裕度评估计算。(2)针对电力系统安全性风险评估中解析法容易因系统规模较大出现维数灾的缺点,提出了基于故障集筛选的电网风险快速评估算法。该方法首先对元件的搜索范围进行限定,通过设置广度优先搜索的最大阶数,确定所有独立N-2的元件模拟范围;然后假设若系统能在较严重的故障情况下保持稳定,则在较轻的故障情况下也能保持稳定,并基于此假设综合考虑各类随机变量及故障模式,设计并实现了故障集自动生成技术,对故障集的优先级进行排序,优先计算较为严重的故障,有效减少了所需计算的故障数量,加快了安全性评估的速度。(3)本文基于回路的停运模型,将原来结构复杂、设备多样的大电网分为回路和电网两个层面依次进行计算,提出了一种基于回路的大电网可靠性灵敏度算法。首先通过对回路停运模型进行分析计算,得到回路对设备参数的灵敏度公式,再计算电网对回路的灵敏度指标,将两者结合后最终得到负荷点可靠性对元件参数的灵敏度指标,简化了原有一次性计算的复杂度,可快速计算系统对元件参数的灵敏度。同时在灵敏度分析中采取最小割集法对回路的可靠性进行计算,将原来非线性、高维数的问题转化为简单的线性关系,从而提高了灵敏度分析的效率。(4)由于新能源发电具有一定随机性、间歇性,使新能源并网出力的不确定性大为增加。针对此问题,本文将点估计法在处理概率不确定性问题的优势用于含新能源的大电网可靠性评估中,提出用三点估计法对新能源电网进行可靠性评估,将新能源的出力的不确定性问题通过点估计法处理成确定性数学计算问题,使其符合实际计算需要的同时,有效提高了评估速度。点估计法的提出及其在电力系统概率不确定性仿真研究中的初步成功应用为此问题的解决提供了一个良好的探索思路。(5)就电网的运行风险问题进行探讨,结合在线动态安全评估系统的已有资源,提出了包含数据接口、概率分析、风险并行计算、一体化风险评估、风险防控、人机界面和历史数据储存子系统的省地一体化的电网充裕性和安全性综合防御体系框架和构建方案。通过分析防控决策架构的软硬件需求,得到由各类服务器、节点计算机群和网络通讯交换机等组成的硬件架构及包含数据、平台、应用和表现层的四层软件结构,并实现了电力系统分析综合程序PSASP软件的数据集成,可在原有电网基础计算的基础上,方便的实现电网风险指标计算、故障状态分析及薄弱环节查找等多个功能,为新能源环境下的坚强智能电网建设提供了一项有效的技术手段。