电力系统节点及线路评估与骨干网架规划_肖乔华.pdf

262023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术电力系统节点及线路评估与骨干网架规划肖乔华 汤真荣（杭州鸿晟电力设计咨询有限公司）摘要：电力系统可靠性是衡量电力系统运行可靠性的重要指标，近年来随着区域间、城市间互济电网的发展以及各电网之间互联程度的不断提高，对电网进行优化规划是提高供电可靠性的有效途径。本文提出一种基于节点和线路的评价方法，综合考虑静态和动态故障下节点和线路的状态；同时，结合对骨干网架规划中多目标优化问题的研究，以提高电力系统运行可靠性评估效率。关键词：电力系统；线路评估；骨干网架规划0 引言电力系统的可靠性评估是研究电力系统可靠性理论、分析电力系统运行状况的基础，也是制定电网规划方案和提高电网运行经济效益的重要依据。可靠性评估涉及多个领域，如网络拓扑结构、元件状态、负荷水平等，这些因素都会影响到电力系统的可靠性评估结果。目前对静态和动态两种故障情况下节点和线路状态以及综合可靠性指标的研究已较为深入。但在实际中，由于配电网络存在拓扑结构、负荷水平等不确定性因素，电力系统中往往存在多个不同等级的配电网络，使得节点和线路具有较强的状态选择性。因此，考虑静态、动态两种故障模式下节点和线路状态以及综合可靠性指标是解决实际问题所需要解决的关键问题。1 节点和线路状态评估方法对于一个节点，如果能够通过自修复达到稳定运行的目的，则认为该节点是一个安全的，在该点上不应该发生故障。同样对于线路也是如此。当电网发生静态故障时，系统的静态稳定性已被破坏，因此可以认为该线路是不可恢复的。此外，在动态故障中会出现线路与节点同时失去供电状态这一情况。如果只有一个元件被切除（即只有一条线路被断开），则认为该元件是不可恢复的。本文提出了一种节点和线路状态评估方法：对于节点状态可直接采用常规算法进行评估，即通过计算元件与节点之间的潮流关系来计算各元件与节点之间的潮流关系。而对于线路可直接采用网络分析法来进行评估，即将负荷、母线等元素与该线路进行连接关系以及各个支路之间的拓扑关系计算该线路所经过线路上所有元件与各个节点之间的潮流关系，来计算该线路的可恢复程度。1.1 网络拓扑当负荷和母线都位于电网中时，整个网络可以看作一个拓扑图。对于一个节点来说，该节点的两2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 262023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 262023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:46272023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术个输入为负荷和母线的信息，而输出则是节点电压的信息。在此基础上，可得到系统中所有负荷点、母线、支路与所经过的节点之间的潮流关系，对同一母线而言，不同节点可得到不同类型的潮流关系。对于一个网络来说，如果满足条件处于最优状态时该节点可以得到最大潮流关系。由于不同节点通常只存在一个潮流方向，因此不同节点所得到的潮流关系具有一致性。可以用下图中求出各种类型潮流关系和最优潮流关系作为网络分析中评估系统状态及线路可恢复程度的指标。1.2 节点与线路故障类型的识别节点故障包括网络单相接地、短路和缺相等；线路故障包括短路、断线和节点缺线。对于故障类型的识别，目前已提出很多方法。根据上述定义，可将输电线路分为孤立、不饱和两种类型。对于孤立类线路，需要对每一条线路进行潮流计算并对每条线路进行频率分析；而对于不饱和类线路，则需要在所有线路上进行频率分析。由于识别故障类型是基于元件之间的潮流关系来实现的，所以该方法在应用中具有一定的局限性：在计算电网各元件和母线之间的潮流关系时，都假定其经过元件的支路电流为常数。然而实际电网中往往存在元件运行方式随负荷变化而改变的情况，使计算结果与实际情况不符；由于没有考虑各个节点之间潮流关系之间的耦合度，因此该方法无法完全正确识别出短路、断线及缺相等故障类型。针对上述问题，本文提出了一种基于潮流计算和频率分析原理来实现故障类型识别的方法。该方法主要包括以下几个步骤：将电网中所有节点编号表示；对每一个节点进行潮流计算并对每条线路进行频率分析；根据各节点的潮流值和频率值计算出网络总阻抗值（或电压相角）并与实际情况进行比较；通过以上步骤得到实际电网中各线路上负荷电流大小和变化趋势来识别故障类型。针对上述提出的方法，本文采用 Matlab 仿真软件对 IEEE30 节点系统、IEEE118 节点系统以及 IEEE30 和 118 两个 10MW 机组系统进行验证。1.3 可靠性评估在电网规划中，可靠性指标是指某一时间段内系统可靠运行的概率。要获得一个地区的可靠运行概率，需要对该地区的负荷分布情况、电源出力情况、电网结构等方面进行统计分析。对于电力系统来说，由于各种故障可能会导致用户停电，所以用户的可靠性指标很难直接获得。采用最大负荷节点平均停电时开始给定原始电网的相关参数，形成电网原始图G对电网节点重要度、线路脆弱度进行评估根据节点重要度评估结果，选择必须留存的节点节点对之间最短路径计算，形成图G最小树搜寻，形成初步骨干网架G最终骨干网架GB电源容量与负荷容量匹配判别电网安全运行校验结束调整运行方式或添加合适线路增加合适电源节点否否是是图 骨干网架识别流程图2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 272023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 272023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:46282023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术间、负荷恢复时间和负荷中断时间来计算各节点和线路的可靠度，通过对发电设备、线路和负荷进行统计分析得到电力系统各节点和线路的可靠度，进而通过计算得出地区总体可靠度。2 骨干网架优化规划问题电力系统的优化规划问题是一个多目标优化问题，包括经济性、可靠性和安全性 3 个方面。在上述 3 个方面中，安全性是最基本的，它可以通过一定的约束条件来实现；经济性则是第二个目标，可以通过经济手段来实现；而可靠性又是安全和经济的基础。对电力系统进行优化规划时，首先要考虑安全性和经济性两个方面。在安全性方面，电力系统中一旦发生事故，将会严重影响电力系统运行。而电网规划设计中考虑的第一个目标就是保证电网的安全可靠运行，这也是保证电网安全运行的必要条件之一。在经济性方面，提高输电能力、降低网络损耗是解决这一问题的重要途径。因此应从成本和网损两个方面进行研究来优化电网结构。目前已有很多学者对电力系统优化规划问题进行研究。郑志超等人提出了一种基于多目标粒子群算法的经济调度模型求解方法；杨胜利等人针对常规粒子群算法求解经济调度问题时易陷入局部最优解的缺陷提出了一种基于混合智能算法（即分层搜索法）与粒子群算法相结合的新型优化方法。这些研究主要针对 3 个目标函数进行优化处理，分别为经济性、可靠性和安全性。考虑到实际电力系统运行时可能发生多种故障，且对安全与可靠性有不同程度的影响，因此在经济调度问题中引入多目标粒子群算法（MHPSO），它综合考虑经济性、安全性和可靠性 3 个方面。针对电力系统运行可靠性评估问题提出一种基于分层搜索法与粒子群算法相结合的优化方法：上层节点故障评估采用分层搜索法求解经济调度模型；下层网络拓扑规划采用粒子群算法进行求解，并结合潮流计算给出最优网络拓扑方案；运行可靠性评估采用层次分析法（AHP）对系统供电可靠性进行全面综合评估；多目标优化问题采用混合智能算法（MHPSO）进行求解。3 实例分析本文以华东电网为例，用 Matlab 语言实现了整个系统的仿真计算。该电网有两个电源：华东电网和江苏电网，二者之间联系密切，相互影响。本次研究主要讨论华东电网的可靠性，其中以浙江作为主网架进行研究，江苏作为配网架进行研究。系统共包含 5 个区域，每个区域均包含 5 条输电线路以及 1 座220kV 变电站。节点用来对电力系统的静态和动态可靠性进行评估；线路则用于评估各个区域的静态可靠性；变电站则用于对各区域的静态可靠性进行计算。以江苏电网为例，本文在传统层次分析法（AHP）的基础上引入模糊综合评价方法，构造了一种新的层次分析结构。将模糊集理论应用于 AHP 中来确定各指标权重。以节点和线路可靠性之和最大为目标函数来计算各个区域的可靠性指标。同时考虑到实际情况中各区域之间互相影响、互相联系等特点，本文对各区域间耦合度进行一定程度的修正，并将修正后得到的指标与传统方法所得结果进行比较以验证该方法的有效性。其中节点和线路可靠性之和即为综合最大可靠度指标，而节点和线路综合可靠度则是表征电力系统可靠性高低的重要指标之一，在计算中作为权重系数考虑了动态及静态情况下节点和线路不同指标对整个系统可靠性评价的影响。3.1 权重计算由以上分析可知，模糊综合评价模型是一种多层次的评价方法，可以将定性指标定量化，从而避免传统层次分析法中出现的“标度值”问题。该方法将不同层次中各指标间的相对重要性程度进行模糊化处理2023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 282023-06期电器工业杂志排版设计和印刷发排2.indd 282023/7/5 下午1:462023/7/5 下午1:46292023.06.DQGYCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术后得到各自的权重系数。同时，各指标所占权重应与其实际重要性程度相适应，并且尽可能使各指标间相互独立，这样可以更好地避免单凭某一因素或某一层次来决定整个系统可靠性情况。本文采取模糊综合评价方法时，通过采用三角模糊数来描述各个指标在评判过程中所占权重大小。三角模糊数具有明显的“模糊性”。3.2 系统可靠性综合评价通过 Matlab 对华东电网进行仿真模拟，并在Matlab 中计算得到华东电网各区域的可靠性指标。通过比较分析可知，浙江电网的可靠性最高，其次为江苏和上海电网，江苏和上海的可靠性指标较低。其中浙江电网在进行静态评估时得到的节点和线路综合可靠度均优于江苏及上海电网，且相比于系统其他区域而言该结果更为合理。这主要是由于在浙江电网中，由于考虑到浙江电力需求相对较大，其各区域负荷较为集中；而江苏地区的负荷主要集中在华东地区经济发达地区以及江苏北部等经济欠发达地区；上海负荷中心较为分散。江苏系统在进行静态评估时得到的节点和线路综合可靠度均高于山东、安徽和上海地区以及浙江系统的值；而在进行动态评估时，发现其得到的综合可靠度略高于其他区域。这主要是由于考虑到实际情况中各区域之间互相影响、互相联系等特点，本文提出一种新的层次分析结构来更好地反映实际情况；同时也表明模糊综合评价方法对系统可靠性指标评价更加准确可行且适用性更强。3.3 综合最大可靠度综合最大可靠度是衡量系统可靠性的重要指标，它可以在一定程度上反映系统的薄弱环节，合理地分配电源和电网建设等资源。分别表示网络、线路及变电站三个层次的综合最大可靠度；是各层次权重系数。江苏电网的可靠性水平明显优于浙江和上海，在浙江电网可靠性基础上又进一步提高了两个等级。这参考文献12耿俊琪.电力系统重要节点与线路评估及骨干网架规划研究 D.哈尔滨：哈尔滨工业大学2020.孙磊,刘伟佳,林振智,等.计及线路投运风险的电力系统恢复路径优化 J.电力系统自动化,2015，39（23）：75-82，95.（收稿日期：2023-02-23）是由于浙江网架相对稳定、网架结构较好、运行方式灵活多变导致其整体可靠性水平较高，而上海网架相对薄弱且稳定性差，运行方式也较为固定。在分析两种不同类型的电网时，应该采用不同的方法进行分析：对于稳定可靠运行的网架结构应该优先保证其供电能力；而对于不稳定运行或重要负荷供电能力较差的网架应优先进行改进设计或考虑优化以提高其供电可靠