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基于复杂网络理论的电网连锁故障风险评估.pdf

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西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下l、在复杂网络理论的基础上,引入电气介数的概念和网络输电效能指标。以IEEEl 18节点系统为例,对系统的节点电气介数和线路电气介数进行了统计分析,证明了电气介数能够很好的量化节点和线路在电网结构中的重要程度。2、针对传统电网风险评估只考虑电网的运行状态的不足,结合能反映电网拓扑结构信息的电气介数重新定义了系统的低电压严重程度函数和过载严重程度函数,同时考虑了电网结构变化对电网输电能力的影响,利用网络输电效能指标定义了输电效能下降严重程度函数,根据以上三个严重程度函数给出了系统的综合严重程度函数。3、为了实现连锁故障路径的搜索,在现有研究的基础上重新定义了危险支路系数。首先通过搜索开断线路两端的前k条最短路径,缩小危险支路分析范围,通过计算前k条最短路径上所有线路的危险系数,确定下级故障危险支路集。4、在上述的基础上给出了电网连锁故障风险评估流程以及脆弱线路辨识方法。并以IEEE39节点为例进行了分析,验证了方法的可行性与优越性。最后利用模拟退火粒子群优化算法实现了电网的风险控制,以IEEEl4节点系统为例验证了方法的正确性与有效性。本人郑重声明所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名乔易罕b日期少cS.上.哆万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页摘要近年来,国内外相继发生了多起连锁故障大停电事故,造成了巨大的经济损失以及社会影响。随着我国区域电网互联的形成,各个子网之间的联系越来越紧密,一个局部性的故障都有可能酿成全局范围内的大停电事故。因此,深入认识连锁故障发生机理与过程,及时发现电网中存在的潜在连锁故障风险,对预防连锁故障的发生以及建立安全可靠的电网具有重要的意义。本文首先介绍了复杂网络基本理论,引入了电气介数的概念以及改进的网络输电效能指标。以IEEEll8节点系统为例,对系统的节点电气介数和线路电气介数进行了统计分析,证明了电气介数能有效的量化系统节点和线路在电网结构中的重要程度;改进的网络输电效能指标更加符合电网的实际物理特性,能够有效的衡量电网发生故障后电网结构变化对系统输电能力的影响。针对传统电网风险评估只考虑了电网的运行状态而不考虑电网拓扑结构的不足,本文结合复杂网络理论建立了电网连锁故障风险评估新模型。该模型结合电气介数重新定义了系统的低电压严重程度函数和线路过载严重程度函数,同时考虑了电网结构变化对电网输电能力的影响,定义了系统输电效能下降严重程度函数,在上述基础上给出了系统的综合严重程度函数。在现有研究的基础上,结合前k条最短路径搜索方法,重新定义了危险支路判据,实现了连锁故障路径的快速有效搜索。在上述改进的基础上,给出了电网连锁故障风险评估以及脆弱性线路辨识方法。以IEEE39节点系统为例,对本文所提方法进行了分析和验证,结果证明了本文方法能有效的弥补传统方法只考虑电网运行状态的不足,能够全面有效的辨识出系统中存在的风险,为电网安全运行提供了有效的参考信息。最后,分析了电网风险控制策略,建立了电网风险控制数学模型,利用模拟退火粒子群优化算法来求解电网风险优化问题,以IEEEl4节点系统为例进行了验证,通过调整系统中发电机的出力,实现了风险的有效控制。关键词 电网;连锁故障;复杂网络;风险评估;粒子群万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1I页AbstractIn recent years,many blackouts caused by cascading failures have taken place insuccession all over the world,leading to huge economic losses and social impacts.With theation of the regional power酣d interconnection,links between the various subnetsbecome more close,which means even a partial failure may cause large blackouts in globalscope.Therefore,to prevent the occurrence of cascading failures and establish a more safeand reliable power酣d,it has great significance in understanding the failure mechanism andprocess in depth as well as detecting potential failure risks existing in the grid.Firstly,this paper introduces the basic knowledge of complex network theory,theconcept of electrical betweenness and the indicators of network transmission efficiency.Taking IEEEl 1 8 system for example,statistical analyses are carried on electricalbetweenness of both system nodes and lines.The results prove that electrical betweennessCan effectively quantify the importance of system nodes and lines in the grid structure.Theimproved network transmission efficiency index Can better fit the actual physicalcharacteristics of power grid as well as effectively uate the effect on transmissioncapacity caused by the change of the power grid structure after cascading failures.Then,aiming at the shortage of the traditional risk assessment in power grid that it onlyconsiders operational status instead of grid topology,the new model OD risk assessment ofcascading failure is established based on the complex network theory.In the new model,thesystem’S lowvoltage severity function and overload severity function are redefined combinewith electrical betweenness.Meanwhile.the influence of network structure changes onpower transmission capacity is also taken into account.Network transmission efficiencyindicators are adopted to define the function on severity of structural changes.Based on theexisting research,search for cascading failure path is proposed according to thepre-k shortest paths and the criterion for dangerous branches is redefined,thus reachingquick and efficient search for the cascading failure path.Based on the improvements above,assessment s for cascading failures and identification for lines withvulnerability are given using the risk theory.Taking IEEE39 system for example,the proposed is analyzed and validated.The results show that the Can effectively makeup for the inadequacy of traditional which only considers the grid operation.And itcan also comprehensively identify the existing risks,thus effective reference inationwould be provided for the safe operation.Finally,by analyzing risk control strategies,the risk control mathematical model for万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1II页power gird is established and the optimization solution based on simulated annealing particleswarm optimization algorithm is put forward.Furthermore,taking IEEE 1 4 system as anexample,by adjusting the output of the generator system,effective risk control is achieved.Keywordspower gird;cascading failures;complex networks;risk assessment;PSO万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1V页目录第1章绪论.11.1课题研究背景及意义.11.2电网连锁故障综述11.2.1电网连锁故障发生机理..11.2.2电网连锁故障分析方法..21.3风险评估研究现状41.4本文的主要工作..5第2章复杂网络理论在电网中的应用62.1复杂网络理论简介62.1.1复杂网络的基本特征参数62.1.2复杂网络的基本模型.72.1.3基于复杂网络理论的电网拓扑模型.92.2电气介数及其计算..102.2.1电气介数定义102.2.2电气介数的计算.112.3网络输电效能指标..132.4算例分析.152.5本章小结.19第3章基于复杂网络理论的电网连锁故障风险评估..203.1风险理论.203.2停运概率模型213.2.1元件停运概率模型..213.2.2连锁故障概率模型..223.3基于复杂网络理论的事故严重程度函数..233.3.1改进的低电压严重程度函数...233.3.2改进的线路过载严重程度函数.243.3.3输电效能下降严重程度函数...253.3.4综合严重程度函数..253.4连锁故障路径搜索..25万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第v页3.4_1图论相关知识273.4.2基于背离路径的前k条最短路径搜索算法273.4.3危险支路集..283.5电网连锁故障风险评估.303.5.1电网连锁故障风险评估流程303.5.2算例分析.313.6基于风险理论的电网脆弱性线路辨识.343.6.1电网脆弱性..343.6.2电网脆弱性评估方法353.6.3电网脆弱性线路评估流程..353.6.4算例分析.363.7本章小结.38第4章电网风险预防控制394.1电网风险预防控制策略.394.2风险预防控制的数学模型..404.2.1预防控制的目标函数404-2.2约束条件.404.2.3数学模型.404.3基于模拟退火粒子群算法的优化求解方法4l4.3.1基本的粒子群算法..414.3.2基于模拟退火思想的粒子群算法..434.4算例分析.444.5本章小结.48结论与展望.49致谢.5l参考文献52附录新英格兰10机39节点系统参数..56万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页1.1课题研究背景及意义第1章绪论随着社会经济的发展以及科学的进步,现代电力系统正在迅猛的发展。系统容量的增加,新能源的加入,区域电网之间的互联以及超、特高压的建设等等,使得电力系统变得越来越庞大与复杂。复杂电力系统的形成一方面促进了电力资源的合理利用与分配,带来了良好的经济效益,另一方面也给电力系统安全与稳定运行带来了巨大的安全隐患。电力系统一旦发生故障并且不能及时处理,很可能发生不可控的连锁故障反应,导致事故大范围的扩大,停电时间增长,将对社会造成严重的影响以及巨大的经济损失。近年来,国内外己发生了多起大停电事故,这些大停电事故的发生暴露了电网的缺陷。2003年8月份,美加东北电网发生了美国历史上规模最大的大停电事故,造成了61800MW的负荷损失,受供电影响的人口超过50000多万【1,2】;2003年8月28日,英国首都伦敦发生了大范围的停电事故,41万用户直接受到停电事故的影响,负荷损失到达724MWt3];2011年9月8日,美国西南部电力系统发生大停电事故,超过4.3GW的发电机组退出运行,5.6万人受到影响,持续时间达12h【4J;2012年7月30日和31日,印度发生了两次全国范围内的大面积停电事故,负荷损失约48000MW,超6亿人受到影响15】。学者们对大停电事故原因进行了分析,一部分是因为不可抗拒的外因所致,如暴雨、冰雪等自然灾害,而绝大多数的大停电事故都是因为系统中某个或某些元件运行在极限状态而导致其退出运行,导致系统潮流发生大范围的转移,造成相邻的元件过载退出运行,从而引发一系列的连锁故障,导致大规模的停电事件。在我国国内,各区域电网之间的互联已经基本形成,华北、东北和华中电网之间已经形成了交流互联,而华东、西北和南方电网实现了直流互联。按照国家电力发展规划,到2020年,我国将形成全国范围内的超大规模电网互联,总的装机容量将超过14亿千瓦,西电东输容量将超过l亿千瓦【6]。面对如此庞大复杂的电力系统,保证其安全、稳定、经济运行是一个重大而艰巨的任务。因此,对电网连锁故障机理及过程进行分析,研究连锁故障预防与控制策略,提高电力系统安全与稳定性是一个亟待解决的问题,具有重要的理论与实际意义。1.2电网连锁故障综述1.2.1电网连锁故障发生机理虽然电网连锁故障是个小概率事件,但是其带来的后果却是不容忽视的。连锁故障万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页的发生包含了许多不确定性因素,其发展的过程与机理是十分复杂的。简单概括可以表示如下电网在初始状态下,每个元件都具有一定的初始负荷,当系统发生故障导致某些元件退出运行时,会造成潮流的转移以及负荷的重新分配,如果原本正常工作的元件不能及时的处理转移的负荷,就会引起负荷的再次重新分配,从而导致连锁过负荷事故的发生,最终导致系统大面积的瘫痪以及大停电事故的发生r71。引发电网连锁故障的因素包括很多方面,主要有自然环境因素、人为因素、设备缺陷因素、电网结构因素以及混合因素。其中,自然环境因素主要包括雷电、雪灾、暴风以及地震等自然灾害,2008年我国南方多省就是因为雪灾导致了大面积停电人为因素往往指的是操作人员因操作失误或者误操作等原因导致的事故,这就要求操作人员有足够丰富的经验;设备缺陷指的是系统的元件因老化或受到破坏导致其误动作或者不动作;电网结构因素通常指电网结构规划的不合理导致系统运行不稳定;混合因素指的是上述因素中多个同时发生的情况。1.2.2电网连锁故障分析方法大停电事故的频繁发生,引起了学者们的高度重视与关注。为了深入探究电网连锁故障发生的内在机理,学者们从不同的角度提出了一系列的电网连锁故障模型。大体上可以分为三类模式搜索法、基于复杂系统理论的电网连锁故障分析方法以及基于复杂网络理论的电网连锁故障分析方法。1模式搜索法模式搜索法主要是通过对电网连锁故障过程进行模拟,搜索出导致电网连锁故障的模式。文献【8】提出了一种基于模糊推理和故障树理论的电力系统连锁故障分析方法,以故障树为基础描述了电力系统连锁故障发展的过程,采用模糊推理的方法判别在初始故障阶段以及初始故障切除后系统潮流转移阶段继电保护装置的动作行为及连锁故障时间的发展模式。文献[9]考虑了保护隐藏故障以及系统频率特性,能够更加准确的搜索到故障模式,通过对连锁故障风险评估,实现了系统关键线路的辨识以及系统白组织临界态的判别。文献[10]考虑了系统的负荷情况、气候条件、继电保护隐性故障等因素,建立了电网连锁故障模型,该模型能够有效的识别不同情况下的连锁故障风险以及引发连锁故障的关键线路。文献[11,12】采用蒙特卡洛方法来确定系统的初始故障,以系统潮流转移后继电保护隐性故障发生的概率来确定后续故障,直到系统不再有断路器跳闸,连锁故障结束。该方法能够很好的模拟系统的连锁故障模式,但是需要的模拟时间较长,不适合在线应用。文献[23]提出了连锁故障事故链模型,采用元件之间的关联关系对连锁故障进行描述,将复杂多变的连锁故障问题简化为可以快速搜索的连锁故障事故链形式。2基于复杂系统理论的连锁故障模型1987年,科学家PerBar等人提出了自组织临界的概念,白组织临界状态是一种特殊的稳态,是一种介于稳定和不稳定之间的亚稳定状态。沙堆模型是自组织临界理论的一万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页个原型,在沙堆模型中,沙的落点是随机的,随着沙粒的不断增加,沙堆也在不断的增高。当沙堆中某处的坡度超过了其极限值,那么沙粒就会往下落,下落的沙粒会增加其他地方的坡度,从而引起了雪崩现象。在沙堆模型中,增加的沙粒量和滑落的沙粒是平衡的,这样沙堆的坡度就会维持在一个临界的状态,称为亚稳态。自组织临界概念的提出,很好的解释了诸如大停电事故这种具有整体行为特征的现象,电力系统处在临界状态下,很小的事故都有可能引发连锁故障反应,形成大停电事故。研究表明,大停电事故的规模与频率间存在着幂律关系,即随着停电规模的增大,其发生的概率将呈指数概率下降,具有自组织临界特性。基于复杂系统理论的电网连锁故障模型主要有OPA模型1131、CASCAD模型【14】以及分支过程模型【151等。OPA模型主要研究的是电网从初始状态向自组织临界状态转化的过程。OPA模型综合考虑了电网的增长、负荷的增加等因素,从快动态过程和慢动态过程两方面分析了电网到达临界状态的过程,该模型对研究电网大停电以及自组织临界性具有重要的意义。最初的OPA模型是基于直流潮流的,无法反应电网的无功电压特性,后来学者们在OPA模型的基础上不断的改进,相继提出了Manchester模型【9】和基于交流潮流的OPA模型16J。OPA模型对电网进行了很多的近似和简化,与电网的实际运行状况存在着一些差距,限制了其实际应用。CASCADE模型假设系统最初处于正常运行状态而且系统中每个元件都有相互独立的初始负荷,在每个元件上加一个随机的扰动,如果某一个元件的负荷超过了其阀值,那么元件发生故障,该元件上的负荷会以一定的规律转移到其他正常运行的元件上,从而引发连锁的故障。CASCADE模型是一种理想化的连锁故障模型,仅仅只考虑到了故障元件的负荷转移这一因素,难以应用到实际电网中。分支过程模型的基本思想是假设电力系统中包含有无数个元件,系统中上一级发生故障的元件会在当前状态下以一定的概率发生,直到系统中无元件故障时,连锁故障过程结束【l¨。分支过程模型与CASCADE模型在一定程度上是一种近似,该模型简单,物理意义比较明确,但是与其他模型一样都存在简化的现象,限制了其应用。3基于复杂网络理论连锁故障模型基于复杂网络理论的连锁故障模型主要是从电网的拓扑结构出发,研究电网拓扑结构在遭受各种故障时系统的承受能力。主要有相隔中心模型【18l,Motter-Lai模型【19j和有效性能模型【20|。相隔中心模型假设系统中任意两节点之间的能量和信息的传输均是通过最短路径的,该模型用相隔中心性指标来反应系统中节点和边所能容纳的最多最短路径数目,从而体现出系统节点和边对系统故障的承受能力。该模型是以无标度网络为基础而建立的,而电力系统不一定符合无标度网络特性,并且模型中节点容量大小均相同,与实际电网不符。Motter-Lai模型与相隔中心模型类似,也是通过最短路径数目来确定节点和边的容量,不同的是Motter-Lai模型定义系统中节点和边的容量正比于其初始容量,一旦节点或边万方数据西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页发生故障后,节点或边会从网络中删除,而且Motter-Lai模型不考虑网络增长的问题。有效性能模型将传输性能的概念引入到网络中,将实际电网用带有权值的图来表示,两个节点之间的有效性能值即为图中连接两节点之间的边的权值之和,定义系统中任意一条路径的有效性能值等于它通过的所有边的有效性能值之和。当系统中有元件发生故障并移除时,就会改变节点之间的有效性能值,从而改变了负荷的分配,如果其他节点不能处理这些负荷就会退出运行导致与其相连的边的有效性能值下降。如果负荷所流过的路径的有效性能值要低于其他的路径,那么负荷会选择有效性能值高的路径传输,如此就会引起负荷的再次重新分配,最终导致连锁故障的发生。以上三类模型都是建立在电网的统计特征的基础上的,无法反映电网的实际动态特征,关于这方面的研究还未有实质性的进展。1.3风险评估研究现状电力系统安全分析方法大致可以分为三类,即传统的确定性评估方法、可靠性分析方法和风险评估方法。传统的确定性评估方法是通过模拟系统在预想故障状态下的运行情况来评价系统的安全性能,该方法具有简单易实现等优点,但是该方法没有考虑到预想故障发生的概率,只对那些具有较严重后果的故障状态进行分析,使得评估的结果过于保守。可靠性分析方法和风险评估方法弥补了确定性方法的不足,两者皆考虑了系统中存在的不确定性因素,把事故发生的概率引入到系统的安全评估中,使得安全分析逐渐由确定性方法向概率性方法转变。二者的主要区别在于,可靠性分析方法是面向电力设计和规划部门的,而风险评估主要是面向于调度部门的。风险评估是将事故的严重性和可能性综合起来考虑,克服了传统方法的不足,使得设计人员和操作人员能够以一种系统的方式来考虑系统的整体安全性能,为操作人员及时采取相应的安全措施提供了依据。目前,风险理论在电力系统中已经得到了广泛的应用。文献[211在考虑了继电保护隐性故障的基础上,建立了连锁故障风险评估模型,综合考虑了母线孤立风险、电网解列风险、负荷孤立风险以及系统综合风险指标来评估系统的连锁故障风险,并提出了相应的风险预防控制措施;文献【22】把风险理论应用到电力系统暂态分析中,建立基于暂态稳定分析的电力系统风险评估模型,并结合实例说明了该方法的准确性;文献[231从事故链风险的角度对电网中的脆弱性线路进行了辨识,风险指标综合了事故链发生的概率以及事故链触发后系统电压、频率以及潮流转移等因素的变化对系统造成的后果,对事故链的风险重要度进行了分析,很好的辨识出了系统中的脆弱环节。文献[241利用风险理论对供电公司的收益风险进行了分析,以供电公司收益值最大为目标,建立了市场购电组合优化模型,提高了供电公司的购电收益。万方数据
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