论文部分内容阅读
【摘 要】随着人们用电需求的日益增长，电网脆弱性的问题越来越引起人们的关注，目前对于电网脆弱性的研究已成为较为热门的研究课题。电网脆弱性评估主要是对电力系统安全运行进行主动检测，对存在的隐患提前预防，以协调电力系统的运行方式，对电力系统的发展具有非常重要的意义。
【关键词】电网；脆弱性；评估；多目标规划
电网脆弱性主要表现在电网对外界攻击的敏感程度，可以概括为电力系统由于人为的干预，计算错误，通信失败以及保护系统等因素而存在的潜在的大面积停电事故的危险。这种危险状态表现为系统能否保持稳定地向用户供电的能力，这个状态是事故的隐患，是当系统发生故障才暴露出来的。在此，电网的脆弱性被定义为电网安全稳定性的延伸。从现有的研究来看，运行状态的脆弱性和结构的脆弱性是两个研究方面。
一、电网结构脆弱性模型
电网的结构脆弱性是指当系统中的一些单元退出或者相继退出的的情况下，保持其拓扑结构完整和在规定参数下正常运行的能力。可以提出一些指标，评估这些单元退出的突发情况下对网络的影响程度（比如最大的连通域G和冗余R，以及网络负荷损失率q等）。由于电网规模不同，这里在一个网络的不同节点之间可能存在经济性的不同。也就是说，节点的单元负荷损失的经济损失可能是不同的。因此，本文提出了一个基于负荷损失的经济性的指标。Mk是负载单元k退出后造成的损失，是i节点的负荷经济因子，Ω为负荷损失节点集。
二、状态脆弱性评估指标
通过节点的频率暂态稳定、功角的暂态稳定以及电压的暂态稳定这三个方面来研究节点运行状态的变化：
1）根据到有功功率减少造成的有功功率以及频率变化是否越过限值，建立了关于频率的脆弱性评估指标。
2）当电网的功率发生波动时，相对于其他节点，功角变化较快的节点比较脆弱。
3）根据节点电压应该在一定的范围内运行，提出了节点电压对线路的阻抗变化的灵敏度以及节点电压对无功负荷变化的灵敏度指标。
4）状态脆弱性模型。电网运行状态的脆弱性是当系统发生干扰或故障时，状态变量的变化特性，以及到达临界值的可能性。它阐明了由稳定状态向不稳定状态过渡的进程，反映了系统的安全状态和瞬时变化的趋势。其数学表达式如下：
式中：Δ为绝对脆弱强度，是状态变量当前值α（t）与临界值α（临界）的裕度大小；
ρ为相对脆弱强度，是当前裕度与初始安全裕度的百分比；
μ为灵敏脆弱强度，是狀态变量变化与参考函数变化的比值。
通过以上表达式可以看出，Δ、ρ、μ存在较为明显的优缺点。Δ在反映“程度”的时候存在一定的不足，比如330KV母线和10KV母线它们的裕度都是500V，两者的脆弱程度是有明显区别的。而ρ和μ虽然在反映“程度”的时候较好，但却在衡量标准中的“重要程度”的时候存在区别。
三、电网规划
1、规划目标
电网规划主要就是为了满足用户的需求和电力系统的安全，而其中包括的内容有：电源接人及负荷供给方案最优、电网安全稳定水平最大、电网损耗最小、供电可靠性及电能质量最优、电网投资最省等，而将其概括起来就是满足安全和经济。
2、规划方法
（1）传统的逐步倒推法和逐步扩展法：这种规划方法主要是满足经济性，将规划的成本放在第一位，而电网的可靠性和实用性则在后期才进行校验。这种规划的方法虽然使用得较多，但是却无法同时满足经济性和可靠性，所以不是一种最优的规划方式。要想使电网的规划最优化，就要在电网的设计上同时满足可靠性和经济性，也只有这样才能基本上满足未来发展的需求，也对电力企业的市场竞争力有提升作用。
（2）满足可靠性的规划方法：这类方法主要是以电网规划的可靠性为目标，结合一定的规划技术，进行设计。结合电力传输过程的能量大小以及电网的传输能力、负荷的消减来进行规划，它借用启发式，制定负荷可靠性原则的规划方案。有一部分结合了一定的经济性，比如北美电力系统，这些较为综合的规划方式在一定的程度上满足了电力输送的需求，但是却无法进行广泛的试用，主要是因为它还存在一些不足的地方，无法适用于全部的电网；而还有一些则是完全以可靠性为目的来进行规划的优化设计的，最后才对需要的设备、技术进行考虑。这种规划的方法体现了资金和可靠性的关系，但是它却不具备实用性，无法使用到所有的电网当中，只适合对局部的进行电网规划。
（3）规划的合理性与经济性：其中N-1就是一种经常用来作为约束条件的具体规则。如果要对规划进行更加严格的限制，就要使用到N-2规则，有时甚至会使用到更加具有约束力的N-K规则。但是，这种规划的方式无法将可靠性与经济性合理的结合，使规划方案偏向其中一个约束条件，导致最终的规划无法达到预期的目标，而且规划方案也不满足综合效益最好条件。
（4）在制定规划方案时运用数学函数：综合考虑规划方案的可靠性和经济性，在进行规划时，运用数学函数，通过一定的函数计算，制定最优的规划方案。比如部分规划实例就考虑了可靠性指标中的缺电损失费用，还有的则考虑线路投资、缺电损失和环境因素，通过目标函数的计算，找到这三个条件的折中方案。以上这些方案的制定，均通过综合考虑经济性和可靠性的多目标电网规划方法的可行性，使用数学模型和解算方法，来对最优的方案进行制定。但是，这些方案仍存在适用范围小、实用性较差的缺点。我国在最近的几十年来，为了满足人们的生产生活要求，在电网的规划方面，取得了较大的进展。但是，在此方面，还存在一些急需改进的地方：
a我国在技术方面已经具有较大的进步，但是却仍需建立一个完整的多目标电网规划的模型（数学模型）；
b规划方案在可靠性和经济性的关系处理上没有进行合理的安排，导致它们的关系存在问题；
c当大规模、多阶段等电网出现的问题在使用传统方式对其进行处理时很容易产生维数灾难、局部最优、约束条件和目标函数不易处理这些问题，我国在这类问题的处理上暂时没有较好的解决办法，而这些问题刚好是多目标电网规划的重点部分，一旦这些部分出现问题，就会影响整个电网的规划。
四、分层最优化的模型
目前，相对较为适合现今电力需求环境的电网分层最优化设计方法是上文中的第四种，这种方法就要涉及到数学函数模型的建立和计算。
分层最优化方法的基本思路是目标函数的极小化。首先，在函数的第一优先层上使其目标函数取极小值；然后，在第一优先层得到的最优解的基础上让第二优先层的目标函数也取极小值，遵循这样的规则，计算到最后一层。假如在这个过程当中，在其中一个优先层出现了最唯一的优解，那么在其后面的所有优先层的目标函数都不起作用。因此，要想避免出现这样的问题，就应该在每一优先层进行计算时，适当的放宽计算的结果，间接的就将下一次的可行域进行了放宽处理。
五、实例分析
本例分是一个分四个拓展阶段（每个阶段时间是1年）的规划问题。到规划的最后年限，这个系统总共分为19个节点，32条备选的支路。其线路如下图1所示。
图1
利用混合遗传-模拟退火算法将19个节点规划方案计算出来，线路故障产生的问题按照N-2进行考虑。因为缺少部分的实际数据，所以就不对损耗进行计算。在实际的计算过程当中，可以运用上述的分层最优化方法，这样得到的结果就趋于最优化。
结合实际的需要，就可以表1中选出可行的规划方案。
六、结语
电网的发展决定着整个国家的未来，在社会、经济发展中起着举足轻重的作用，电网的脆弱性及评估是一个较为复杂的问题，加强在这方面的研究，将推动国家的发展。
参考文献：
[1]郭林.多目标电网规划的分层最优化方法分析[J].中国新技术新产品，2012，（22）.
[2]程浩忠，高赐威，马则良，朱忠烈，许进，王晓晖.多目标电网规划的分层最优化方法[J].中国电机工程学报，2003，10（23）.
[3]张宁，马孝义，陈帝伊，张创立，张渭.输配电网规划优化模型的研究进展[J].水利与建筑工程学报，2011，1（9）.
[4] 刘群英，刘俊勇，刘起方.基于支路势能信息的电网脆弱性评估[J].电力系统自动化，2008，32（10）：6-11.
【关键词】电网；脆弱性；评估；多目标规划
电网脆弱性主要表现在电网对外界攻击的敏感程度，可以概括为电力系统由于人为的干预，计算错误，通信失败以及保护系统等因素而存在的潜在的大面积停电事故的危险。这种危险状态表现为系统能否保持稳定地向用户供电的能力，这个状态是事故的隐患，是当系统发生故障才暴露出来的。在此，电网的脆弱性被定义为电网安全稳定性的延伸。从现有的研究来看，运行状态的脆弱性和结构的脆弱性是两个研究方面。
一、电网结构脆弱性模型
电网的结构脆弱性是指当系统中的一些单元退出或者相继退出的的情况下，保持其拓扑结构完整和在规定参数下正常运行的能力。可以提出一些指标，评估这些单元退出的突发情况下对网络的影响程度（比如最大的连通域G和冗余R，以及网络负荷损失率q等）。由于电网规模不同，这里在一个网络的不同节点之间可能存在经济性的不同。也就是说，节点的单元负荷损失的经济损失可能是不同的。因此，本文提出了一个基于负荷损失的经济性的指标。Mk是负载单元k退出后造成的损失，是i节点的负荷经济因子，Ω为负荷损失节点集。
二、状态脆弱性评估指标
通过节点的频率暂态稳定、功角的暂态稳定以及电压的暂态稳定这三个方面来研究节点运行状态的变化：
1）根据到有功功率减少造成的有功功率以及频率变化是否越过限值，建立了关于频率的脆弱性评估指标。
2）当电网的功率发生波动时，相对于其他节点，功角变化较快的节点比较脆弱。
3）根据节点电压应该在一定的范围内运行，提出了节点电压对线路的阻抗变化的灵敏度以及节点电压对无功负荷变化的灵敏度指标。
4）状态脆弱性模型。电网运行状态的脆弱性是当系统发生干扰或故障时，状态变量的变化特性，以及到达临界值的可能性。它阐明了由稳定状态向不稳定状态过渡的进程，反映了系统的安全状态和瞬时变化的趋势。其数学表达式如下：
式中：Δ为绝对脆弱强度，是状态变量当前值α（t）与临界值α（临界）的裕度大小；
ρ为相对脆弱强度，是当前裕度与初始安全裕度的百分比；
μ为灵敏脆弱强度，是狀态变量变化与参考函数变化的比值。
通过以上表达式可以看出，Δ、ρ、μ存在较为明显的优缺点。Δ在反映“程度”的时候存在一定的不足，比如330KV母线和10KV母线它们的裕度都是500V，两者的脆弱程度是有明显区别的。而ρ和μ虽然在反映“程度”的时候较好，但却在衡量标准中的“重要程度”的时候存在区别。
三、电网规划
1、规划目标
电网规划主要就是为了满足用户的需求和电力系统的安全，而其中包括的内容有：电源接人及负荷供给方案最优、电网安全稳定水平最大、电网损耗最小、供电可靠性及电能质量最优、电网投资最省等，而将其概括起来就是满足安全和经济。
2、规划方法
（1）传统的逐步倒推法和逐步扩展法：这种规划方法主要是满足经济性，将规划的成本放在第一位，而电网的可靠性和实用性则在后期才进行校验。这种规划的方法虽然使用得较多，但是却无法同时满足经济性和可靠性，所以不是一种最优的规划方式。要想使电网的规划最优化，就要在电网的设计上同时满足可靠性和经济性，也只有这样才能基本上满足未来发展的需求，也对电力企业的市场竞争力有提升作用。
（2）满足可靠性的规划方法：这类方法主要是以电网规划的可靠性为目标，结合一定的规划技术，进行设计。结合电力传输过程的能量大小以及电网的传输能力、负荷的消减来进行规划，它借用启发式，制定负荷可靠性原则的规划方案。有一部分结合了一定的经济性，比如北美电力系统，这些较为综合的规划方式在一定的程度上满足了电力输送的需求，但是却无法进行广泛的试用，主要是因为它还存在一些不足的地方，无法适用于全部的电网；而还有一些则是完全以可靠性为目的来进行规划的优化设计的，最后才对需要的设备、技术进行考虑。这种规划的方法体现了资金和可靠性的关系，但是它却不具备实用性，无法使用到所有的电网当中，只适合对局部的进行电网规划。
（3）规划的合理性与经济性：其中N-1就是一种经常用来作为约束条件的具体规则。如果要对规划进行更加严格的限制，就要使用到N-2规则，有时甚至会使用到更加具有约束力的N-K规则。但是，这种规划的方式无法将可靠性与经济性合理的结合，使规划方案偏向其中一个约束条件，导致最终的规划无法达到预期的目标，而且规划方案也不满足综合效益最好条件。
（4）在制定规划方案时运用数学函数：综合考虑规划方案的可靠性和经济性，在进行规划时，运用数学函数，通过一定的函数计算，制定最优的规划方案。比如部分规划实例就考虑了可靠性指标中的缺电损失费用，还有的则考虑线路投资、缺电损失和环境因素，通过目标函数的计算，找到这三个条件的折中方案。以上这些方案的制定，均通过综合考虑经济性和可靠性的多目标电网规划方法的可行性，使用数学模型和解算方法，来对最优的方案进行制定。但是，这些方案仍存在适用范围小、实用性较差的缺点。我国在最近的几十年来，为了满足人们的生产生活要求，在电网的规划方面，取得了较大的进展。但是，在此方面，还存在一些急需改进的地方：
a我国在技术方面已经具有较大的进步，但是却仍需建立一个完整的多目标电网规划的模型（数学模型）；
b规划方案在可靠性和经济性的关系处理上没有进行合理的安排，导致它们的关系存在问题；
c当大规模、多阶段等电网出现的问题在使用传统方式对其进行处理时很容易产生维数灾难、局部最优、约束条件和目标函数不易处理这些问题，我国在这类问题的处理上暂时没有较好的解决办法，而这些问题刚好是多目标电网规划的重点部分，一旦这些部分出现问题，就会影响整个电网的规划。
四、分层最优化的模型
目前，相对较为适合现今电力需求环境的电网分层最优化设计方法是上文中的第四种，这种方法就要涉及到数学函数模型的建立和计算。
分层最优化方法的基本思路是目标函数的极小化。首先，在函数的第一优先层上使其目标函数取极小值；然后，在第一优先层得到的最优解的基础上让第二优先层的目标函数也取极小值，遵循这样的规则，计算到最后一层。假如在这个过程当中，在其中一个优先层出现了最唯一的优解，那么在其后面的所有优先层的目标函数都不起作用。因此，要想避免出现这样的问题，就应该在每一优先层进行计算时，适当的放宽计算的结果，间接的就将下一次的可行域进行了放宽处理。
五、实例分析
本例分是一个分四个拓展阶段（每个阶段时间是1年）的规划问题。到规划的最后年限，这个系统总共分为19个节点，32条备选的支路。其线路如下图1所示。
图1
利用混合遗传-模拟退火算法将19个节点规划方案计算出来，线路故障产生的问题按照N-2进行考虑。因为缺少部分的实际数据，所以就不对损耗进行计算。在实际的计算过程当中，可以运用上述的分层最优化方法，这样得到的结果就趋于最优化。
结合实际的需要，就可以表1中选出可行的规划方案。
六、结语
电网的发展决定着整个国家的未来，在社会、经济发展中起着举足轻重的作用，电网的脆弱性及评估是一个较为复杂的问题，加强在这方面的研究，将推动国家的发展。
参考文献：
[1]郭林.多目标电网规划的分层最优化方法分析[J].中国新技术新产品，2012，（22）.
[2]程浩忠，高赐威，马则良，朱忠烈，许进，王晓晖.多目标电网规划的分层最优化方法[J].中国电机工程学报，2003，10（23）.
[3]张宁，马孝义，陈帝伊，张创立，张渭.输配电网规划优化模型的研究进展[J].水利与建筑工程学报，2011，1（9）.
[4] 刘群英，刘俊勇，刘起方.基于支路势能信息的电网脆弱性评估[J].电力系统自动化，2008，32（10）：6-11.