電力系統(tǒng)關(guān)鍵斷面的確定方法分析

李牧軒 傅榮宗

摘 要：電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度提升，需要做好電力系統(tǒng)的運(yùn)行控制工作。將電網(wǎng)整體控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為分節(jié)點(diǎn)控制，降低了控制難度。面對(duì)現(xiàn)代社會(huì)規(guī)模龐大的電網(wǎng)分區(qū)工作，即使進(jìn)行了分區(qū)，仍然會(huì)形成數(shù)量眾多的輸電斷面，對(duì)輸電斷面進(jìn)行監(jiān)測(cè)控制是一項(xiàng)工作量極大的任務(wù)，為提高管理效率，工作人員選擇在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大影響的輸電斷面作為電力系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)和控制對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)有效的監(jiān)測(cè)管理。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵輸電斷面；電網(wǎng)分區(qū)；管理與監(jiān)測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）33-0145-02

Abstract： With the expansion of power grid scale and the increase of complexity of power grid structure， it is necessary to do a good job of power system operation and control. The whole control problem of the power network is transformed into the sub-node control， which reduces the difficulty of control. In the face of the large scale power grid zoning in modern society， even if it is partitioned， there will still be a large number of transmission sections. It is a great workload to monitor and control the transmission sections. In order to improve the management efficiency， it is necessary for workers to monitor and control the transmission sections， so as to achieve effective monitoring and management.

Keywords： key transmission sections； power grid zoning； management and monitoring

1 背景與意義

高速發(fā)展的現(xiàn)代社會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的依賴(lài)越來(lái)越高，隨著城市面積的不斷增加，電力系統(tǒng)的覆蓋規(guī)模也隨之增大，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)也不斷擴(kuò)大并升級(jí)，造成電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加。近幾年大容量機(jī)組數(shù)量快速增長(zhǎng)，為現(xiàn)代電網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性和安全管理工作帶來(lái)了極大壓力，按照傳統(tǒng)方法工作人員已無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍電網(wǎng)的監(jiān)管，需將大規(guī)模的電網(wǎng)進(jìn)行分區(qū)劃分進(jìn)而使每一個(gè)分區(qū)以相對(duì)獨(dú)立的狀態(tài)進(jìn)行工作，也方便管理人員對(duì)其運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行控制和分析。

在實(shí)際操作層面，輸電斷面能夠使大規(guī)模電網(wǎng)的安全監(jiān)控成為可能，大幅度的簡(jiǎn)化了事故預(yù)警和運(yùn)行分析。工作人員按照安全穩(wěn)定分析要求確定輸電斷面之后，系統(tǒng)會(huì)將整個(gè)電網(wǎng)按照一定標(biāo)準(zhǔn)劃分為不同的區(qū)域，區(qū)域之間由輸電斷面進(jìn)行連接，初步將一個(gè)規(guī)模巨大的電網(wǎng)分割為若干獨(dú)立運(yùn)行的系統(tǒng)，減少了一次監(jiān)測(cè)所需要面對(duì)的數(shù)據(jù)源和分析工作量。由于各個(gè)區(qū)域都以較為獨(dú)立的方式運(yùn)行，即使在某個(gè)區(qū)域內(nèi)由于元器件故障而造成損壞，也只會(huì)波及該區(qū)域內(nèi)的系統(tǒng)，對(duì)于電網(wǎng)整體系統(tǒng)不會(huì)造成嚴(yán)重影響，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性，減少了一次事故所需要檢查的面積范圍和相應(yīng)的投入費(fèi)用。

工作人員在日常操作時(shí)，以輸送斷面作為分析電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的切入點(diǎn)，能夠快速掌握整個(gè)電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。電網(wǎng)的正常運(yùn)行狀態(tài)主要取決于電源，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、負(fù)荷三方面，所以各個(gè)分區(qū)之間聯(lián)系的緊密程度，一般是根據(jù)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和功率交換來(lái)決定的，如果兩個(gè)分區(qū)之間的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)聯(lián)系性較強(qiáng)，且交換功率較少，通常不會(huì)在穩(wěn)定方面出現(xiàn)問(wèn)題。而對(duì)于分區(qū)之間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)較為薄弱，進(jìn)行交互時(shí)功率要求較大的部分，則容易出現(xiàn)穩(wěn)定問(wèn)題，需要工作人員特別留意。綜上所述，研究輸電斷面的確定方法，成為了電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析和控制工作的基礎(chǔ)。

2 電力系統(tǒng)關(guān)鍵輸電斷面定義

具備以下要素，才被作為關(guān)鍵斷面：

（1）關(guān)鍵斷面是電力系統(tǒng)區(qū)域之間承擔(dān)功率交互的域主線(xiàn)路集合，斷開(kāi)這種線(xiàn)路系統(tǒng)就會(huì)被劃分為兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。

（2）為了實(shí)現(xiàn)日常交互的穩(wěn)定性，需要兩個(gè)子系統(tǒng)之間能夠保持較好的聯(lián)系，其具體表現(xiàn)為連通性強(qiáng)，交互功率小，內(nèi)部故障不會(huì)影響到其他區(qū)域。

（3）對(duì)于子系統(tǒng)之間的內(nèi)部聯(lián)系較為薄弱，電氣距離較大，在電網(wǎng)系統(tǒng)中容易出現(xiàn)故障，交互功率較高的，需要利用關(guān)鍵斷面進(jìn)行分割，此標(biāo)準(zhǔn)是為了保證電網(wǎng)在正常運(yùn)行過(guò)程中不會(huì)由于兩個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系薄弱而造成不穩(wěn)定故障。

（4）關(guān)鍵斷面具有脆弱性（脆弱性是指電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)脆弱和系統(tǒng)潮流方式所決定的脆弱性），斷命主變故障之后，會(huì)對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)之間的電力傳輸造成非常重大的影響，甚至?xí)斐梢欢ǖ陌踩珕?wèn)題。

在電腦分區(qū)的基礎(chǔ)上，確定關(guān)鍵數(shù)電斷路，就是為了尋找一組分區(qū)的斷面集合，比如這一組集合所連接的子系統(tǒng)之間物理結(jié)構(gòu)較弱，且關(guān)鍵斷面上的輸送潮流較大，本文將運(yùn)用譜圖理論和譜聚類(lèi)相關(guān)方法來(lái)解決NP完全問(wèn)題。

3 與傳統(tǒng)控制方式比較

傳統(tǒng)的關(guān)鍵段路是由系統(tǒng)專(zhuān)家通過(guò)對(duì)系統(tǒng)開(kāi)展離線(xiàn)分析，并且結(jié)合之前的工作經(jīng)驗(yàn)，以人工方式進(jìn)行判斷而最終確定的，由于人類(lèi)計(jì)算能力的限制，在面對(duì)長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷的計(jì)算工作時(shí)，可能出現(xiàn)誤差，在面對(duì)大數(shù)量計(jì)算時(shí)有可能出現(xiàn)人工誤差，尤其是到了現(xiàn)代電網(wǎng)數(shù)據(jù)更新頻繁且數(shù)值較大，這樣的計(jì)算和預(yù)估方式容易存在較大的誤差。網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的日益復(fù)雜，再加上近幾年新能源發(fā)電的接入導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，尤其是大規(guī)模間歇性新能源的并網(wǎng)，也增加了系統(tǒng)潮流方式的隨機(jī)性，引起系統(tǒng)安全特征的頻繁改變，降低了之前通過(guò)經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行判斷的準(zhǔn)確性。

4 電力系統(tǒng)關(guān)鍵輸電斷面的確定方法

4.1 譜圖理論和譜聚類(lèi)

（1）譜圖理論：譜圖理論結(jié)合圖論和組合矩陣，利用圖的矩陣來(lái)表示各元素之間所存在的關(guān)系，建立圖的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了方便后續(xù)的介紹，首先我們需要建立一個(gè)有n個(gè)節(jié)點(diǎn)和m條邊所組成的有全權(quán)G，G=（V，E，W），V表示點(diǎn)集，E表示邊集，W表示點(diǎn)之間所存在的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性和選取目標(biāo)特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行權(quán)值選擇。節(jié)點(diǎn)示意圖如圖1：

定義節(jié)點(diǎn)vi的度為：

di=Wij

其含義為圖中與vi相連的所有邊的權(quán)值之和，在無(wú)權(quán)圖中，di等于與vi相關(guān)聯(lián)的邊的數(shù)量。定義度矩陣D是以di，…，dn為對(duì)角元素的對(duì)角矩陣。

（2）譜聚類(lèi)：譜聚思想是通過(guò)樣本間的相似關(guān)系來(lái)建立矩陣，然后通過(guò)計(jì)算特征向量，找到其中的內(nèi)在聯(lián)系，其特點(diǎn)是可以適用于任何形狀的樣本空間，并且能夠?qū)⑵涫諗康揭粋€(gè)最優(yōu)狀態(tài)，根據(jù)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)研究成果已知很多網(wǎng)絡(luò)都具有社團(tuán)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過(guò)相似圖聚類(lèi)分析，能夠轉(zhuǎn)化成圖分割問(wèn)題，其最終目的就是使連接子圖的邊的權(quán)值之和達(dá)到最小，但此圖內(nèi)邊的權(quán)值之和最大。

譜聚類(lèi)常應(yīng)用于使得用于分割圖的邊數(shù)目最少或者權(quán)值最小的目標(biāo)。首先設(shè)置一個(gè)表征節(jié)點(diǎn)所屬子圖關(guān)系的分割指示向量：

x=（x1，x2，…，xn）T∈R

4.2 電力系統(tǒng)關(guān)鍵輸電斷面的確定方法

在譜圖論中將G分割成相互獨(dú)立的兩個(gè)子團(tuán)，給定聚類(lèi)定義一個(gè)組內(nèi)數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的緊密關(guān)系，本文選擇的是規(guī)范切的方式來(lái)確定關(guān)鍵輸電斷面，但是在操作之前需要認(rèn)識(shí)到雖然規(guī)范可以迅速確定子圖間連接較弱，但子圖內(nèi)部連接緊密的割集會(huì)影響到這一過(guò)程。基于規(guī)范切的電力系統(tǒng)關(guān)鍵輸電斷面確定結(jié)果，將關(guān)鍵斷面定義為一組分區(qū)斷面的結(jié)合，當(dāng)這些分區(qū)斷面進(jìn)入斷開(kāi)狀態(tài)后，系統(tǒng)就會(huì)隨機(jī)劃分為兩個(gè)不同的子系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)建立CEPRI-36節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和圖論模型，利用規(guī)范切的方式確定關(guān)鍵輸電斷面，在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效識(shí)別關(guān)鍵輸電斷面，提供操作者對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理水平。

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