栗然,翟晨曦,李永彬,呂子遇
(華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室,河北保定071003)
2011年國務(wù)院頒布第599號令《電力安全事故應(yīng)急處置和調(diào)查處理條例》,南方電網(wǎng)據(jù)此制定了《中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力事故(事件)調(diào)查規(guī)程》。兩份文件均突出強調(diào)了電網(wǎng)發(fā)生事故后對社會的影響,在原有的考慮負荷損失量的基礎(chǔ)上更加強調(diào)負荷的社會屬性[1-2]。因此,針對目前電網(wǎng)公司強調(diào)電網(wǎng)故障對用戶影響的背景下,風(fēng)險評估研究中考慮負荷的重要程度顯得十分必要。
電網(wǎng)安全評價主要包括三種方法:確定性評估、概率性評估、風(fēng)險評估。風(fēng)險評估綜合考慮了電網(wǎng)發(fā)生故障的可能性以及概率性。文獻[3]基于蒙特卡洛法對電網(wǎng)故障狀態(tài)進行選擇,在對故障后果分析時,只考慮失負荷程度以及電壓偏移程度的影響并未考慮電網(wǎng)結(jié)構(gòu)對其安全性的影響;文獻[4]將電氣介數(shù)引入電網(wǎng)故障后果嚴重度中;文獻[5]利用電氣介數(shù)衡量元件結(jié)構(gòu)重要度對電網(wǎng)安全風(fēng)險的影響,但是并未考慮潮流流動對元件結(jié)構(gòu)重要度的表征;文獻[6]提出功率介數(shù)的概念,衡量節(jié)點和線路的重要度,但是所提出的功率介數(shù)并未考慮負荷特性對其影響。
文章基于風(fēng)險理論,采用非序貫蒙特卡洛法,對電網(wǎng)故障狀態(tài)進行抽樣。功率介數(shù)可以真實反映電力系統(tǒng)中的潮流流動的物理背景,刻畫電力系統(tǒng)發(fā)電機-負荷對的影響,在此基礎(chǔ)上所提出改進功率介數(shù)概念,考慮發(fā)電機及負荷的社會屬性。在對故障后果的分析過程中,將改進功率介數(shù)引入電網(wǎng)故障后果嚴重度中,克服傳統(tǒng)風(fēng)險評估方法對發(fā)電機和負荷社會屬性及潮流流動影響考慮不足的缺陷。建立包含表征電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特性、潮流分布、電壓偏移以及負荷損失嚴重度的故障后果模型。考慮決策過程中的猶豫度,提出采用直覺模糊層次分析法對其進行綜合評價。最后,通過IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)分析,將所得結(jié)果與傳統(tǒng)方法進行對比,驗證所提方法的正確性。
復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中介數(shù)概念用來衡量網(wǎng)絡(luò)拓撲中元件的重要度??紤]到電力系統(tǒng)有其自身的物理意義,已有研究提出功率介數(shù)的概念。電網(wǎng)主要功能是實現(xiàn)發(fā)電機-負荷之間能量的傳輸,因此功率介數(shù)重點分析潮流在元件之間分配,以及各發(fā)電機-負荷對對于元件重要度的影響,量化元件對電網(wǎng)能量傳輸?shù)挠绊憽?/p>
參考文獻[6]提出功率介數(shù)概念,利用潮流追蹤算法,節(jié)點功率介數(shù)定義為:
式中J′i為節(jié)點i的介數(shù);ψG為發(fā)電機的權(quán)重系數(shù);ψL為負荷的權(quán)重系數(shù);n為電網(wǎng)節(jié)點數(shù);nG為向節(jié)點i輸送功率的發(fā)電機節(jié)點個數(shù);nL為從節(jié)點吸收功率的負荷節(jié)點個數(shù);PGik為發(fā)電機節(jié)點k向節(jié)點i輸送的有功功率;PLik為負荷節(jié)點k從節(jié)點吸收的有功功率;為節(jié)點傳輸功率權(quán)重,反映了節(jié)點實際傳輸功率和功率上限之間的關(guān)系,節(jié)點傳輸功率上限取其流入功率上限和流出功率上限的最小值。節(jié)點i的功率傳輸裕度為:
則節(jié)點i的傳輸功率權(quán)重W*i為:
支路功率介數(shù)定義為:
式中X′j為支路j的介數(shù);n為電網(wǎng)節(jié)點數(shù);nG為向支路j輸送功率的發(fā)電機節(jié)點數(shù);nL為從支路j吸收功率的負荷節(jié)點數(shù);PGjk為發(fā)電機節(jié)點k向支路j輸送的有功功率;PLjk為負荷節(jié)點k從支路j吸收的有功功率;W*j為支路傳輸功率權(quán)重,反映支路實際傳輸功率和功率上限之間的關(guān)系,支路傳輸功率上限為Pmaxj。支路j的功率傳輸裕度為:
則支路j的傳輸功率權(quán)重為W*j:
功率介數(shù)反映的是從潮流流動的角度分析線路(或節(jié)點)的重要性。從廣度上來講,向線路(或節(jié)點)提供功率的發(fā)電機節(jié)點數(shù)越多,從線路(或節(jié)點)吸收功率的負荷節(jié)點數(shù)越多,則線路(或節(jié)點)被越多的發(fā)電機-負荷對利用,其功率介數(shù)越大,該線路(節(jié)點)越重要。從深度上講,線路(或節(jié)點)分擔(dān)越多的發(fā)電機-負荷對的能量,其功率介數(shù)越大,線路(或節(jié)點)在電網(wǎng)中越重要[7-8]。
針對國務(wù)院發(fā)布的599號令以及南方電網(wǎng)新調(diào)規(guī)中對用戶重要度的強調(diào),文章提出考慮發(fā)電機及負荷社會屬性的改進功率介數(shù)。
從系統(tǒng)學(xué)角度講,事物都具備社會屬性。在電力系統(tǒng)中,負荷的社會屬性即指負荷的重要度。功率介數(shù)表達式中只反映了發(fā)電機和負荷的物理屬性即功率的大小對線路(或節(jié)點)重要度的影響,并未反映發(fā)電機和負荷的社會屬性對線路(或節(jié)點)重要度造成的影響。假設(shè)兩系統(tǒng)具有相同的拓撲結(jié)構(gòu)和潮流分布,但是同等大小的負荷損失造成的發(fā)電機側(cè)由于出力減小而產(chǎn)生的損失以及用戶側(cè)的損失是不同的。負荷的經(jīng)濟因子不同,發(fā)電機的經(jīng)濟因子不同,則系統(tǒng)單位負荷損失造成的經(jīng)濟損失不同。將經(jīng)濟因子引入到功率介數(shù)中,提出改進功率介數(shù),則節(jié)點的改進功率介數(shù)為:
式中εGik為發(fā)電機節(jié)點k的相對經(jīng)濟因子,與發(fā)電廠的重要程度有關(guān);εLik為負荷節(jié)點k的相對經(jīng)濟因子,與負荷重要度有關(guān)。
εGik、εLik的確定方法參照《南方電網(wǎng)運行安全風(fēng)險量化評估技術(shù)規(guī)范》[9]。發(fā)電機相對經(jīng)濟因子=社會影響因數(shù)×發(fā)電機性質(zhì)因數(shù);負荷相對經(jīng)濟因子=社會影響因數(shù)×用戶性質(zhì)因數(shù)。社會影響因數(shù)、發(fā)電機和用戶性質(zhì)因數(shù)取值如表1、表2所示。
表1 社會影響因數(shù)取值Tab.1 Value of social factor
表2 發(fā)電機和用戶性質(zhì)因數(shù)Tab.2 Generator and user factors
類似的,定義線路的改進功率介數(shù)為:
文章從以下幾個角度衡量電網(wǎng)故障后的嚴重程度:網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、潮流分布、電壓偏移程度以及負荷損失嚴重度。其中,考慮電力系統(tǒng)中一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)權(quán)重的網(wǎng)絡(luò)效率從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)角度衡量故障的嚴重度,加權(quán)潮流熵用來衡量電網(wǎng)故障對潮流分布的影響。將改進功率介數(shù)引入各指標中,考慮發(fā)電機和負荷社會屬性及能量傳輸對電網(wǎng)故障后果的影響。
在對電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)特性分析中,將所提出的線路改進功率介數(shù)引入到網(wǎng)絡(luò)效率中,可以更好的衡量發(fā)電機及負荷社會屬性以及潮流流動特性對網(wǎng)絡(luò)效率的影響。
網(wǎng)絡(luò)效率是電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)全局性指標[10],表達式為:
式中G為電網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu);n為節(jié)點數(shù);dij為節(jié)點i,j間最短路徑的權(quán)重和。電網(wǎng)不發(fā)生故障時,E為一較大值,當電網(wǎng)發(fā)生故障后E值變小,且故障越嚴重E越小。其中節(jié)點間最短路徑的權(quán)重同時考慮電網(wǎng)一次系統(tǒng)權(quán)重和二次系統(tǒng)權(quán)重。
一次系統(tǒng)權(quán)重主要考慮線路的電抗,線路的電抗值與線路負載率有關(guān)。一次系統(tǒng)權(quán)重初始值為線路電抗,線路電抗變權(quán)重表達式為:
從式(10)中可以看出,線路電抗值隨線路負載變化而變化,電網(wǎng)實際實現(xiàn)過程通過FACTS裝置調(diào)整線路電抗。
本文將線路中保護裝置發(fā)生拒動或誤動情形最嚴重的后果作為線路的二次系統(tǒng)權(quán)重[11],二次權(quán)重可以反映保護對線路權(quán)重的影響。從以下三個方面衡量保護失效后果嚴重度:(1)保護發(fā)生失效造成的負荷損失;(2)保護發(fā)生失效引起的有功功率波動;(3)保護發(fā)生失效引起的電壓波動。保護k失效后果嚴重度為:
式中n為節(jié)點數(shù);m為線路數(shù);Ub,fb為保護故障動作后電壓和頻率的標幺值;F′(r)和F(r)分別為保護故障動作前后的功率值。
線路i的二次系統(tǒng)權(quán)重值為:
在計算線路權(quán)重時,首先計算各線路中保護一旦發(fā)生失效造成的后果。當電網(wǎng)發(fā)生故障后,將電網(wǎng)故障后線路一次權(quán)重和線路二次權(quán)重相乘,二次權(quán)重反映了保護對線路權(quán)重分布的改變??紤]發(fā)電機和負荷社會屬性及能量傳輸對線路重要度的影響,將改進功率介數(shù)引入線路綜合權(quán)重中。電網(wǎng)故障后線路綜合權(quán)重為:
式中Wi表示線路i的改進功率介數(shù);w(i,t+1)表示電網(wǎng)故障后線路i的權(quán)重值,w越小則越多的最短路徑通過線路i,線路i在電網(wǎng)能量傳輸中作用越重要。
將式(13)帶入式(4)中可以求得電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)效率。將網(wǎng)絡(luò)效率的倒數(shù)1/E作為表征電網(wǎng)發(fā)生故障對拓撲結(jié)構(gòu)的影響,其值越大,說明從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)角度來講,故障后果越嚴重。
潮流熵用來定量描述線路潮流分布的不均衡性,因此可用來衡量電網(wǎng)發(fā)生故障的后果。已有文獻[12]提出加權(quán)潮流熵,加權(quán)潮流熵將線路的負載率引入潮流熵計算中,可以區(qū)分線路負載率集中于高負載率區(qū)間和線路負載率集中于低負載率區(qū)間電網(wǎng)運行狀態(tài)的不同[13]。但是加權(quán)潮流熵沒有考慮能量流動對電網(wǎng)狀態(tài)的影響以及發(fā)電機和負荷的社會屬性,處于不同負載率區(qū)間的線路的影響其線路重要度的負荷及發(fā)電機的經(jīng)濟因子不同,電網(wǎng)故障的后果不同。
因此利用所提出的改進功率介數(shù)修正加權(quán)潮流熵。其中η(k)為改進功率介數(shù)修正因子,η(k)表示發(fā)電機和負荷社會屬性及能量傳輸對加權(quán)潮流熵的影響。改進功率介數(shù)修正的潮流熵定義為:
式中 η(k)為負載率wi∈(Uk,Uk+1]的線路的改進功率介數(shù)平均值;n表示負載率區(qū)間個數(shù);P(k)表示線路負載率wi∈(Uk,Uk+1]的概率。
文中提出將改進功率介數(shù)引入電壓偏移嚴重度指標中。電壓越限影響電網(wǎng)安全運行,傳統(tǒng)的采用線性嚴重度函數(shù)表示電壓偏移嚴重度的模型,其結(jié)果可能造成遮蔽現(xiàn)象。因此文中利用效用理論衡量電壓越限嚴重度。當節(jié)點電壓標幺值為[0.95,1.05]時,電壓偏移嚴重度為0。節(jié)點i的電壓偏移嚴重度為:
式中Vi=|Ui-1|,Ui表示節(jié)點電壓實際值。
為了能夠刻畫節(jié)點的重要度,將節(jié)點的改進功率介數(shù)引入系統(tǒng)的電壓偏移嚴重度,表達式如式(16)所示,其中Ji為節(jié)點i的改進功率介數(shù):
電網(wǎng)發(fā)生故障后,由于可能不滿足電網(wǎng)的約束條件,此時需要切負荷。本文采用最優(yōu)負荷削減模型[14],保證將故障后的電網(wǎng)損失降到最小。考慮到負荷節(jié)點重要性不同,利用節(jié)點改進功率介數(shù)對最優(yōu)負荷削減模型進行改進,改進后的最優(yōu)負荷削減模型為:
約束條件:
其中目標函數(shù)的物理意義是使考慮負荷經(jīng)濟因子的電網(wǎng)損失最小。式中C為負荷削減量;Jj為負荷節(jié)點的改進功率介數(shù);T(S)為電網(wǎng)的有功潮流;A(S)為有功潮流和注入功率之間的關(guān)系矩陣;PG和PD分別是發(fā)電輸出和負荷功率矢量。
文中電網(wǎng)故障概率計算方法采用的是非序貫蒙特卡洛法。該方法認為,電力系統(tǒng)的狀態(tài)是由電力系統(tǒng)每一個元件的狀態(tài)決定的,每一個元件狀態(tài)可能性又由抽樣概率確定[15-17]。
每一個元件的狀態(tài)可用[0,1]均勻分布來確定。設(shè)元件可能存在的狀態(tài)有兩種:失效或工作,并且這兩種狀態(tài)相互獨立。設(shè)元件的狀態(tài)為si,失效的概率為Qi,隨機產(chǎn)生一個[0,1]的數(shù)Ri,則存在:
其中,各線路i失效概率Qi按照:
式中PH為保護失效的概率,保護失效情形包含保護誤動或拒動兩種情況;Li為線路的實際傳輸功率;LiN為線路的額定傳輸功率;Lilim為線路傳輸功率的極限值。
若系統(tǒng)中有N個元件,則系統(tǒng)的狀態(tài)為:
當抽樣的次數(shù)足夠多時,狀態(tài)s的抽樣頻率可作為其概率的無偏估計。
式中M是抽樣數(shù);m(s)為狀態(tài)s出現(xiàn)的次數(shù)。
電力系統(tǒng)安全是由多因素影響的,為了將采用不同量綱從多個角度進行評價的指標綜合起來,本文提出采用考慮隸屬度、非隸屬度、猶豫度三方面信息的直覺模糊層次分析法進行評價。
3.2.1 直覺模糊集
下面給出保加利亞學(xué)者Atanassov定義的直覺模糊集的概念:
設(shè)是X一個非空集合,則稱A={〈x,μA(x),vA(x)〉|x∈X}為直覺模糊集,其中 μA(x)和vA(x)分別為X中元素x屬于A的隸屬度和非隸屬度,即:
且滿足條件 0≤μA(x)+vA(x)≤1,x∈X此外πA(x)=1-μA(x)-vA(x),x∈X表示X中元素x屬于A的猶豫度或不確定度。在實際應(yīng)用時,將α=(μα,vα)稱為直覺模糊數(shù),其中,μα∈[0,1],vα∈[0,1],μα+vα≤1。
此外,為了便于理解直覺模糊數(shù)(μα,vα)的定義,可以從物理層次對其進行描述。如,(μα,vα)=(0.2,0.3),則說明 μα=0.2,vα=0.3,它表示:若共有100個人對于同一個方案進行投票,那么,投贊成的有20人,投反對的有30人,投棄權(quán)的有50人[18]。
對于任一直覺模糊數(shù) α=(μα,vα),可通過改進的得分函數(shù)S對其進行評估:
式(22)含義是:認為投棄權(quán)票的人中,內(nèi)心對于贊成和反對兩個方面的選擇比例各占一半,可以先給 πα賦值1/2,然后再用(μα-vα)/2來對 1/2πα進行修正。這種賦權(quán)方法說明如果贊成的人數(shù)多于反對的人數(shù),則棄權(quán)的人對于贊成和反對兩種態(tài)度更加趨向于投贊成票,這種方式更好的考慮到棄權(quán)的模糊因素,與實際情況更加相符[19]。
3.2.2 直覺模糊層次分析法的基本步驟
(1)構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)
根據(jù)決策問題具體的評價目標,對m個待評價對象進行深層次的影響因素分析,并確定n個評價指標。
(2)建立直覺判斷矩陣
根據(jù)表3中的直接模糊數(shù),確定各指標之間相互比較的直覺偏好關(guān)系,并據(jù)此得到直覺判斷矩陣R=(rij)n×n其中:rij=(μij,vij)(i,j=1,2,…,n),μij∈[0,1],vij∈[0,1],μji=vij=vji=μij,μii=vii=0.5,μij+vij≤1。
μij表示在對屬性i和j進行比較的時候,決策者更加傾向于選i的可能性,而vij則表示決策者更加傾向于選j的可能性,此外,決策者在兩個屬性之間猶豫不定,不能作出選擇的可能性由πij=1-μij-vij確定。
表3 直覺模糊數(shù)與評價對應(yīng)表Tab.3 Intuition fuzzy numbers correspond with the evaluation
(3)檢查步驟(2)中得到的直覺判斷矩陣的一致性。
并且定義測量距離d為:
式中 σ表示由決策者自行設(shè)定的關(guān)于R(p)和~R(p)之間相似度的值,σ∈[0,1],σ的取值越小,說明R(p)和 ~R(p)的相似度越好。σ取值可以根據(jù)實際設(shè)定,最后直覺判斷矩陣R(p)(R(p+1)=~R(p))根據(jù)式(28)通過一致性檢驗即可:
(4)由步驟(3)中最后得到的直覺判斷矩陣得出各指標權(quán)重向量。由式(29)求出指標權(quán)重向量w=[w1,w2,…,wn],且:
經(jīng)過計算得到的SHi值越大,則說明電網(wǎng)故障后果越嚴重;
(6)電網(wǎng)的綜合風(fēng)險值可以表示為:RG=SHi·P(s),其中SHi為利用直覺模糊層次分析法得到的電網(wǎng)故障綜合嚴重度,P(s)為非序貫蒙特卡洛法求得的故障概率。
本文采用IEEE30節(jié)點進行仿真分析,在計算分析過程中設(shè)定節(jié)點15、18、20節(jié)點所帶負荷的相對經(jīng)濟因子為1.5,即認為其所帶負荷較為重要,其他各負荷節(jié)點以及發(fā)電機節(jié)點的相對經(jīng)濟因子均為0.8。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,該系統(tǒng)包含30個節(jié)點,41條支路。采用非序貫蒙特卡洛法對電網(wǎng)狀態(tài)進行10 000次抽樣,計算失效狀態(tài)的概率以及失效后果。計算基于本文提出的改進功率介數(shù)的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)效率、潮流熵、電壓偏移嚴重度以及負荷損失嚴重度。
(1)計算本文提出的各線路和節(jié)點的改進功率介數(shù);
(2)將改進功率介數(shù)引入四個故障后果嚴重度指標中計算指標值。其中包括:基于線路改進功率介數(shù)的網(wǎng)絡(luò)效率,基于線路改進功率介數(shù)的加權(quán)潮流熵,基于節(jié)點改進功率介數(shù)的電壓偏移嚴重度,基于節(jié)點改進功率介數(shù)的負荷損失嚴重度;
(3)考慮評價過程中的猶豫度信息,計算各指標的權(quán)重向量;
(4)將步驟(2)中所計算的各指標歸一化,與步驟(3)中所得到的指標權(quán)重相結(jié)合,通過式(30)計算可以求得各個評價對象的綜合評價值:
式中Zij為歸一化后的各指標值;wj為指標權(quán)重向量;
(5)根據(jù)公式(31)求出的綜合評價值Hi仍然是直覺模糊數(shù),即Hi=(μHi,vHi,πHi)。而直覺模糊數(shù)之間不好進行比較,因此,可以利用一個得分函數(shù)來將直覺模糊數(shù)Hi轉(zhuǎn)化為可以進行比較的實數(shù)SHi,采用的得分函數(shù)的計算公式如下:
圖1 IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)接線圖Fig.1 Connection diagram of IEEE 30-bus system
圖2表示的是節(jié)點功率介數(shù)以及節(jié)點的改進功率介數(shù),圖3表示的是線路的功率介數(shù)以及線路的改進功率介數(shù)。從兩圖中可以看出,由于改進功率介數(shù)考慮到負荷重要度的影響,計算負荷從各節(jié)點或線路汲取的功率會發(fā)現(xiàn)功率介數(shù)與改進功率介數(shù)明顯不同。從圖2中可以明顯地看出,節(jié)點18、19的改進功率介數(shù)很大。從圖3中可以看出線路22、23的改進功率介數(shù)也較大。
圖2 節(jié)點的功率介數(shù)以及改進功率介數(shù)Fig.2 Power betweenness as well as improved power betweenness of nodes
圖3 線路的功率介數(shù)以及改進功率介數(shù)Fig.3 Power betweenness as well as improved power betweenness of lines
從表4可以看出,利用本文方法與其他文獻中的方法所得結(jié)果大體相同,由于本文在考慮故障后果嚴重度的過程中引入了考慮經(jīng)濟因子的節(jié)點/線路重要度進行修正,因此,在排序上有些差異。由于發(fā)電機1是平衡節(jié)點,當線路L1、L2發(fā)生故障時會造成電網(wǎng)發(fā)生解列,因此L1、L2線路故障后果極為嚴重。
表4 電網(wǎng)事故風(fēng)險排序Tab.4 Sorting of grid accident risk
所得風(fēng)險排序與其他方法排序區(qū)別主要體現(xiàn)在L21、L22上,因為文章認為節(jié)點 15、18、19所帶負荷較為重要,且線路L21、L22處于電網(wǎng)左下側(cè)中能量的中間地帶,屬于功率流動重要環(huán)節(jié),一旦發(fā)生故障將造成功率供給不足,左下側(cè)部分節(jié)點負荷全失,對電網(wǎng)將產(chǎn)生很大的損失,結(jié)果符合該系統(tǒng)實際情況。因此,所提出的基于改進功率介數(shù)的電網(wǎng)風(fēng)險評估方法對電網(wǎng)運行有一定的指導(dǎo)意義。
在傳統(tǒng)風(fēng)險評估方法的基礎(chǔ)上,提出了考慮發(fā)電機與負荷社會屬性以及潮流流動特點的改進功率介數(shù),利用改進功率介數(shù)對電網(wǎng)故障后果進行修正。在電網(wǎng)公司重點關(guān)注故障對電網(wǎng)中重要負荷節(jié)點的影響的背景下,所提方法更滿足其對于風(fēng)險評估的實際要求。此外,提出采用直覺模糊層次分析法,考慮了決策過程中的猶豫度,使得整個評價結(jié)果更為客觀。