电力系统概率风险评估研究及其应用

发布时间：2016-09-19 06:58

第一章 绪论 

随着我国电力系统的发展，联网规模的不断扩大，系统中的不确定性因素不断增加，通过风险分析，合理评估不确定性因素对系统稳定运行的影响意义重大。同时考虑到，近些年来气候变暖引起了人们的广泛关注，为了减少温室气体的排放，我国提出了“节能减排”的方针政策，因此大量的新能源电厂并网发电，给电力系统安全运行增加了更多的不确定性因素，对传统电力系统的供电可靠性带来了很大的冲击。因此，利用概率的方法对电力系统安全性、经济性进行综合评估显的尤为重要，而风险评估能够有效的将电网中各种随机因素和电网的安全性、经济性紧密的结合起来，是一种日益受到重视的评估方法。 

1.1 风险理论概述 
风险是一个复杂性的问题，但是风险本质上是指风险承载体在未来损失(或灭失)的不确定性(可能性)[1]。在不同的学科与领域，风险有着自己不同的定义，但是它们都包含着事件发生概率和事件产生后果这两个方面，缺一不可。 风险理论包含着诸多的内容，包括风险分析、风险辨识、风险估计、风险评价、风险评估、风险控制和风险管理等，它们之间不是相互独立而是相互依存与交叉。 风险分析是指对给定系统进行危险辨识、概率计算、后果估计的全过程，是根据历史数据资料、运行经验、直观认识的科学方法。将风险进行量化，便于进行分析和比较，以能够合理运用有限的人力、物力和财力等资源条件，采取最为适当的措施，达到有效减少风险的目的[2]。风险评价是指在风险分析的基础上，，确定相应的风险评价标准，对有关因素进行量化、计算，进而计算出系统的风险概率、风险后果和风险指标，判断系统的风险是否可被接受，是否需要采取进一步的安全措施。风险评估就是指风险分析与风险评价相结合的全过程。 
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1.2 风险评估在电力系统中的应用
风险和可靠性这两个词之间存在着若干相通的含义，他们共同描绘了一个事实的两个方面，较高的风险则意味着较低的可靠性，反之亦然[4]。电力系统风险的根源在于其行为的概率特征。系统中设备发生故障往往是随机的，超出人力所能控制的范围，负荷的变化也存在着一定的不确定性，因而不可能对其进行完全准确的预测。在电力市场环境下，电力企业都在追求效益的最大化，而电能的输入输出取决于瞬息万变的市场需求，电力系统故障造成的后果可能从局部直至大面积的停电，停电则会引发多米诺骨牌效应，殃及交通、通信、金融环境等多个要害部门，造成难以估量的经济损失。近年来世界范围内频繁出现的大停电事故，如美加 8.14、英国 8.28、希腊 7.12、莫斯科 5.25 大停电等，都给国家带来了巨大的损失，可见电力工业多年来采用的 N-1 原则已不足以保持系统运行于合理的可靠性水平，但是 N-2、N-3 的可靠性原则在经济上过于保守，不利于电力公司进行生产计划。显然，一种可行的选择就是在工程规划、设计、运行和维修中引进风险管理，以使系统的风险水平保持在可接受的范围内。 
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第二章 静态灵敏度及其计算方法 

2.1 灵敏度的基本概念及其种类
灵敏度是利用系统中某些物理量的微分关系，来获得因变量对自变量敏感程度的方法。例如，为了调整某些节点电压或者某些线路的潮流，需要利用可控变量与被控变量之间的灵敏度系数来研究哪些控制量改变多少才能使被控变量改变所需要的值。借助灵敏度系数可使这些分析工作得以简化。在电力系统中，自变量可以是系统参数(包括线路阻抗、发电机有功出力、有功负荷、无功负荷、有载调压变压器分接头等)，因变量可以是系统变量(包括负荷节点电压、线路潮流、发电机无功功率、发电机功角等)。无论是在稳态还是在暂态中，当前系统的运行状态必须满足系统的潮流方程，所以灵敏度的计算通常以潮流方程在给定运行点的局部线性化为基础，由此得到的灵敏度本质上描述了某些变量之间的局部线性关系[15]。从时间角度对灵敏度分类，可以划分为静态灵敏度和轨迹灵敏度[16]。 静态灵敏度主要应用于电力系统的稳态分析，其主要是指潮流灵敏度，是基于非线性潮流方程，将潮流方程在运行点上进行泰勒展开，忽略高次项，得到的线性关系。其他变量之间的灵敏度关系都是从潮流方程的基础上发展而来的，例如线路潮流同发电机有功注入之间的灵敏度系数就是线路两端节点电压幅值和相角同发电机有功注入之间灵敏度系数的函数，而节点电压幅值和相角同发电机有功注入之间的灵敏度系数就是将非线性潮流方程在运行点处进行线性化得到的。
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2.2 静态灵敏度的计算方法
灵敏度的计算可以分为数值法和解析法。由于静态灵敏度模型较为简单，易于求解，常采用解析法进行。数值法求解比较容易实现，一般基于摄动技术来实现，不涉及系统的物理本质和结构特点，但随着控制变量的不断增多，摄动次数将成倍增长。数值法的基本思想是对参数域进行离散化，对应每个参数区域都计算出状态变量的相应值，再利用差分和摄动等方法对这些状态变量进行近似处理[17]。静态灵敏度的解析法是在电力系统潮流数学模型的基础上，对所关心的参数进行数值微分求得。利用不同的潮流模型将得到不同的灵敏度关系[18]，因此对于所采取的灵敏度计算模型应与潮流计算模型相吻合。 随着电力系统规模的不断增大，区域电网间的互联，输电断面的潮流控制已成为实际电网运行中重要的预防控制手段，其主要目的是用于控制区域间的功率交换，可采取不同的控制方法对所研究的断面进行潮流控制，其中包括潮流追踪法[11]、FACTS 元件控制法[20]、灵敏度法[21]等。断面控制一般是针对大的互联电网，由于基于直流潮流模型的灵敏度计算速度快且在精度上可以满足工程需要，因此得到了广泛的应用。 
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第三章  基于灵敏度的电力系统静态安全性损失计算.........16 
3.1  故障损失估计的线性最优控制模型....16 
3.2  最优控制模型中灵敏度的计算.....17 
3.2.1  线路电流同控制变量间的灵敏度.....17 
3.2.2  平衡节点有功功率同控制变量间的灵敏度..........20 
3.3  算例分析......21 
3.4  小结.......25 
第四章  轨迹灵敏度及其计算方法......26 
4.1  轨迹灵敏度的基本概念..........26 
4.1.1 α 灵敏度.....26 
4.1.2 β 灵敏度.....27 
4.2  轨迹灵敏度的计算....27 
4.3  轨迹灵敏度在电力系统动态分析中的应用......29 
4.4  小结.......34 
第五章  暂态稳定最优控制及其在故障损失估计中的应用........35 
5.1  暂态稳定最小控制成本模型中轨迹灵敏度的计算........35 
5.1.1  发电机功角同其有功出力间的灵敏度....35 
5.1.2  发电机功角同负荷有功间的灵敏度........37 
5.2  基于轨迹灵敏度的暂态稳定最小控制成本模型.....39
5.3  算例分析......42
5.4  小结.......48 

第五章 暂态稳定最优控制及其在故障损失估计中的应用 

在电力系统暂态风险评估中，如何准确估算故障引发系统失稳后所造成的损失是其难点，利用最优稳定控制代价来近似估计系统损失，为该问题的求解提供了一种可行的途径[7]。文献[13][14][23]都采取针对某一故障预设控制策略，从而得到暂态稳定的控制代价。而本章以发电机有功出力调整和负荷裁减作为控制手段，以控制费用最小值作为目标函数，利用轨迹灵敏度技术近似估计系统控制变量变化后发电机的相对功角，并将其引入最优潮流的不等式约束中，通过原对偶内点算法求解典型的非线性规划问题，此优化模型称之为暂态稳定最小控制成本模型。

5.1 暂态稳定最小控制成本模型中轨迹灵敏度的计算 

当发电机采用较复杂模型时，依然可以推导出发电机功角同发电机有功出力、负荷有功和无功间的灵敏度关系[28]。但对于复杂模型，为便于计算，可利用第 2.2 节介绍的数值方法进行轨迹灵敏度的求解[36]。 本章以 IEEE-14 和 New  England-39 节点系统为例，对本文方法进行验证，计算中取δlim=π[38]，ε=0.05MW。对于 14 节点系统，发电机采用次暂态模型，负荷采取恒阻抗负荷，δsen=5π；对于 39 节点系统，发电机采用经典模型，负荷采用恒阻抗模型，δsen=10π 。除平衡节点以外其他发电机控制费用： Cg+=Cg-= 10K/MW，平衡节点的控制费用：Cs+=Cs-=20K/MW，负荷控制费用：Cl=30K/MW，K 为某种货币单位。 

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总结

电力系统是一个存在着各种各样不确定性因素的动力系统，因此在电力系统暂稳态分析中考虑系统的各种不确定性显的尤为重要。电力系统风险评估作为一种分析工具将故障发生的概率和故障发生后所造成的损失紧密的结合起来，较原有 N-1 或者 N-X 可靠性准则更贴近工程实际需要。风险评估将电力系统的安全性和经济性有机的结合在一起，既可以保证安全可靠的供电，又可以实现经济效益的最大化。 电力系统风险评估可以分为静态风险评估和暂态风险评估，无论是在静态还是在暂态中，科学估算故障引起的系统损失是其最核心问题。由于电力系统的复杂性，精确的计算故障后系统损失变得非常困难，用将系统从失效状态(失稳状态)转化为正常状态(稳定状态)的最小控制代价近似代替故障后系统损失，可巧妙地绕开这一难题，为该问题求解提供一种可行的思路。在静态风险评估中，可以利用直流最优潮流、交流最优潮流、潮流追踪等方法进行故障损失估计；在暂态风险评估中，由于其控制的复杂性，大多还是采取对每个故障预设控制策略来进行故障损失的近似估计。本文从静态风险评估和暂态风险评估两个方面对故障损失估计方法进行了研究：在静态风险评估中，本文将静态灵敏度和线性最优化技术相结合，以最小控制成本作为目标函数，发电机再调度和负荷裁减作为控制手段，利用线路潮流同发电机有功功率以及负荷有功之间的灵敏度系数将安全性约束条件线性化，使其成为典型的线性规划问题。为了避免发电机和负荷调整后系统功率不平衡，将平衡节点的有功功率加入最优模型的约束条件中，并利用平衡节点有功功率同发电机有功功率以及负荷有功之间的灵敏度系数将其线性化。最后，利用单纯型法对线性最优控制模型进行求解。在暂态风险评估中，本文将轨迹灵敏度和交流最优潮流相结合，以最小控制成本作为目标函数，发电机有功出力和负荷有功作为控制手段，利用发电机相对功角同其有功出力以及负荷有功之间的动态灵敏度系数近似估计控制参数变化后发电机功角变化量，并将其引入最优潮流的不等式约束中。考虑到平衡机一般不参与系统稳定控制，因此将平衡机控制费用设为普通发电机费用的 2 倍，在普通发电机可以满足系统稳定需求以及保证系统功率平衡的情况下不调节平衡节点发电机组。由于裁减负荷将会造成更大的损失，因此负荷控制费用更高，当发电机备用充足时优先调整发电机出力来维持系统稳定，而当发电机备用容量不足时，则通过控制成本更高的负荷裁减措施来保证系统稳定。最后，利用内点算法对典型的非线性规划问题进行求解。 
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参考文献(略)

本文编号：117665