安全性評估基本框架分析論文

1、安全性評估基本框架分析論文 摘要：發(fā)輸電系統(tǒng)的概率安全性評估，是當前電力系統(tǒng)可靠性研究的學術(shù)問題前沿之一。文中提出了基于蒙特卡羅模擬法的發(fā)輸電系統(tǒng)安全性評估的基本框架，并對安全性指標體系、基本評估算法等進行了詳細論述。該框架借鑒了充裕度評估中比較成熟的技術(shù)，并將充裕度和安全性統(tǒng)一在同一個評估框架中。最后，對IEEE-RTS79進行了測試計算，驗證了評估算法的有效性。 關(guān)鍵詞：發(fā)輸電系統(tǒng)；概率安全性評估；蒙特卡羅模擬法 STUDYONBASICFRAMEWORKOFPROBABILISTICSECURITYEVALUATIONOFCOMPOSITEGENERATIONANDTRANSMISSIO

2、NSYSTEMS ABSTRACT:Probabilisticsecurityevaluation(PSE)ofcompositegenerationandtransmissionsystemsisoneofacademicfrontieroftheresearchonpowersystemreliability.BasicframeofPSEofcompositegenerationandtransmissionsystemsincludingreliabilityindices,componentmodelsandevaluationalgorithmsisputforwardindeta

3、il.AMonte-Carlosimulationmethodbasedframeworkisdeveloped,andabsorbingcomparativelymaturetechniqueappliedinadequacyassessment.Theadequacyandsecurityareintegratedinasameassessmentframe.Atlast,theproposedmethodisappliedtotheIEEE-RTS79system. KEYWORDS:Compositegenerationandtransmissionsystems；Probabilis

4、ticsecurityevaluation；Monte-Carlosimulationmethod 1引言 充裕度和安全性是電力系統(tǒng)可靠性的兩個方面。長期以來，發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性的研究都局限于充裕度方面。近年來，電力體制改革如火如荼，其顯著特點是解除管制和實行市場化。新的電網(wǎng)環(huán)境促進了概率安全性研究的發(fā)展。 電力產(chǎn)業(yè)的解除管制和市場化運營，必然導致經(jīng)濟效益和運行安全性的矛盾。經(jīng)濟及生態(tài)環(huán)境的壓力迫使人們更多地關(guān)注如何提高線路的輸送容量。實際運行中的線路輸送容量已經(jīng)接近于傳統(tǒng)的由確定性方法得到的極限值，甚至超過了此值。這說明確定性方法得到的閾值偏于保守，人們需要一個新的能適應市場環(huán)境的更加精確的安

5、全性評估算法，也就是基于概率風險的評估方法。其基本內(nèi)涵就是通過事件的發(fā)生概率和后果的綜合效應來評定事件的嚴重程度，而且事故后果評價不再單純地用負荷切除量、停電持續(xù)時間等電氣量表示，更多地采用了貨幣形式的經(jīng)濟指標。 另外，近年來世界范圍內(nèi)不斷發(fā)生嚴重的安全穩(wěn)定性破壞事故，使大家認識到保障電力系統(tǒng)安全性和對電力市場環(huán)境下系統(tǒng)安全穩(wěn)定性控制研究的重要性。這也是安全性研究得以發(fā)展的另一動因。 安全性研究是近20年的事。1988年，美國電力研究院提出的電力系統(tǒng)可靠性評估框架中包含了對安全限制條件的考慮1。RBillinton對之進行了分析和擴展，提出了具體的靜態(tài)和動態(tài)安全限制條件集合2。但這只是在充裕度

6、評估中考慮了安全性限制，并不是真正意義上的安全性評估。進一步的研究工作主要有兩方面，一個是繼續(xù)研究各種安全性限制條件對發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估的影響3，另一個是努力將充裕度和安全性評估結(jié)合起來，組成發(fā)輸電系統(tǒng)可靠性評估的整體框架4,5。 總之，安全性評估目前還處于初期階段，沒有一個得到公認的實用化的評估方法體系。本文對安全性評估的基本框架進行了研究，提出了有關(guān)指標體系、評估方法等一些觀點。 2概率安全性評估的基本框架 2.1指標體系 本文從4個方面對安全性評估的系統(tǒng)指標進行了定義。這些定義都是基于采用元件狀態(tài)持續(xù)時間抽樣原理的蒙特卡羅模擬法給出的。 (1)反映系統(tǒng)運行狀況的指標。具體是系統(tǒng)處于正常

7、、警戒、緊急和極端緊急等狀態(tài)下的概率值PN、PA、PE和PEE。 式中TN為系統(tǒng)處于正常狀態(tài)下的模擬抽樣持續(xù)時間；T為總模擬時間。 也可以類似地得到PA、PE及PEE的定義式。 由于正常狀態(tài)和警戒狀態(tài)難以區(qū)分，故本文將其合并在一起，定義為系統(tǒng)可接受運行狀態(tài)；將緊急狀態(tài)和極端緊急狀態(tài)合并在一起，定義為系統(tǒng)不可接受運行狀態(tài)，或稱系統(tǒng)狀態(tài)風險指標(CompositeSystemOperatingStateRiskIndex，CSOSRI)，即 (2)反映系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的概率指標。具體有3個指標： 1)失穩(wěn)概率(ProbabilityofLossOfStability，PLOS) 式中Us為系統(tǒng)失穩(wěn)時

8、的系統(tǒng)狀態(tài)集合；Pi為系統(tǒng)狀態(tài)i的概率；ti為系統(tǒng)狀態(tài)i的持續(xù)時間；T為總模擬時間；Pus,i為給定系統(tǒng)狀態(tài)i的失穩(wěn)概率。 2)失穩(wěn)頻率(FrequencyofLossOfStability，F(xiàn)LOS)(次/年) 式中Nus為系統(tǒng)失穩(wěn)的次數(shù)；Ni為給定系統(tǒng)狀態(tài)i的狀態(tài)數(shù)。 3)平均穩(wěn)定運行時間(MeanTimeToInstability，MTTIS)(h) (3)綜合反映系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性事故的發(fā)生概率和事故后果的風險指標(RiskIndexbasedonTotalInterruptionCost，RITIC)(元/h) 式中Im,i為表示事故嚴重程度的一個值，它是事故i發(fā)生后所有損失費用與其持續(xù)

9、時間之比。 機組故障停運的費用值為 啟動緊急備用電源填補系統(tǒng)功率缺額的費用、機組維修和重新投運的費用、損失負荷的折合費用。其中，Irepl的計算公式為 式中Cemerg和Corig分別為緊急備用機組和常規(guī)機組的單位發(fā)電量費用值，在電力市場中也可采用上網(wǎng)電價，元/MWh；Pg為損失的發(fā)電容量；Th為故障機組的停運時間；t為事故持續(xù)時間。 Iload通常為按照產(chǎn)電比理論給出的與損失負荷對應的折合費用。文6中給出了我國按地區(qū)、行業(yè)統(tǒng)計的產(chǎn)電比?？筛鶕?jù)損失負荷的容量和各種負荷類型的構(gòu)成情況，查詢相應的產(chǎn)電比，計算停電損失費用值為 式中Pload為切除的負荷容量；為被切除的負荷的停電時間；R為產(chǎn)電比，元

10、/MWh。 為了簡化計算，忽略有功調(diào)整過程的時間，即，因此式(8)和(9)可以簡化為 對于線路故障停運，故障后果只包含后兩項的對應部分。 上述指標難以詳細模擬具體的系統(tǒng)運行狀態(tài)。因此，需要針對系統(tǒng)各個故障狀態(tài)定義安全性指標。 對于系統(tǒng)的某一故障狀態(tài)，除了狀態(tài)發(fā)生概率、持續(xù)時間外，還需定義以下指標： 式中FLc表示發(fā)生負荷切除的事故集合；PLC(i)為負荷切除的事件i的有功負荷損失量。 2)停電損失費用嚴重性指標(SeverityIndexofTotalInterruptionCost，SITIC)(元/h)。該指標就是式(6)中的Im,i變量，具體計算公式見式(7)-(11)。 2.2基本評估

11、算法流程 安全性分析的算法由3部分組成：狀態(tài)篩選，狀態(tài)評估，指標計算。其中，狀態(tài)篩選是算法的關(guān)鍵，可以通過解析法或模擬法實現(xiàn)。 本文采用蒙特卡羅法7進行概率安全性評估。它以概率與統(tǒng)計理論為基礎，通過計算機模擬產(chǎn)生系統(tǒng)的所有隨機過程的各次實現(xiàn)，即樣本，在模擬一段較長的時間后，獲得足夠大的樣本量，然后統(tǒng)計分析得到系統(tǒng)的各類指標。圖1為整個評估算法的原理性流程圖。圖中“系統(tǒng)狀態(tài)模擬及篩選”是通過元件狀態(tài)持續(xù)時間抽樣原理實現(xiàn)的。 蒙特卡羅模擬法有3種基本的抽樣方法：元件狀態(tài)抽樣法，元件狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法，系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽樣法。在進行安全性評估時，選用了元件狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法，其原因是： (1)元件狀態(tài)抽

12、樣和元件狀態(tài)轉(zhuǎn)移抽樣均為非時序抽樣。而在安全性評估中涉及大量的暫態(tài)穩(wěn)定性分析，需要確定故障前狀態(tài)、故障中狀態(tài)及故障后狀態(tài)，這些信息不能由非時序抽樣來提供，因此在安全性分析中這兩種方法有一定局限性。 (2)采用元件狀態(tài)持續(xù)時間抽樣法，對其隨機分布沒有特殊要求，因此，可以將實際系統(tǒng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)直接引入模擬過程，突破常規(guī)的數(shù)學建模方法的限制，使得計算結(jié)果更符合系統(tǒng)的實際情況。 狀態(tài)篩選的加速技術(shù)是整個算法成敗的關(guān)鍵。實現(xiàn)加速評估，不外乎有兩個途徑：提高每次評估的算法效率；盡可能減少需要完全評估的狀態(tài)。 對于第一點，主要集中在改進概率穩(wěn)定性分析算法；而第二點，則包含了豐富的技術(shù)內(nèi)容，各種智能技術(shù)(或稱自

13、動學習技術(shù))，被廣泛應用于系統(tǒng)狀態(tài)的分類辨識，從而不計算或者只需要簡單計算就可得到有關(guān)的狀態(tài)特征量，達到加速評估的目的。 研究發(fā)現(xiàn)，模擬過程中會出現(xiàn)重復的系統(tǒng)狀態(tài)。對于這些重復狀態(tài)，只進行一次完整的評估，而當再次出現(xiàn)該重復狀態(tài)時，只需要讀取以前的評估結(jié)果即可。這種“以空間換時間”的思想，為加速評估提供了一條最基本、也是最常用的途徑。 采用合并相同系統(tǒng)狀態(tài)的方法可很明顯地減少計算量，例如對IEEE-RTS79的模擬結(jié)果表明，在總模擬時間200104h中出現(xiàn)系統(tǒng)狀態(tài)113759種，其中不同系統(tǒng)狀態(tài)14959種，只占全部的13.15%，可見合并相同系統(tǒng)狀態(tài)后可以大大減少計算量。因此采用存儲技術(shù)，合并

14、相同系統(tǒng)狀態(tài)和狀態(tài)評估結(jié)果，可以極大地減少需要評估的狀態(tài)數(shù)，減少計算量。當然，這樣做的代價是需要占用大量的存儲空間，但對現(xiàn)在的計算機來說，這已經(jīng)沒有任何困難。 安全性評估中下列故障元件可視為相同狀態(tài)： (1)發(fā)電機本身或者是連接在同一母線上的額定容量、故障率、修復率均相同的不同發(fā)電機； (2)線路本身或者是兩端連接母線的線路參數(shù)、額定容量、故障率、修復率均相同的多回線路； (3)變壓器本身或者變壓器參數(shù)、變比、額定容量、故障率、修復率均相同的并聯(lián)變壓器。 另外，忽略發(fā)生概率極小的高階故障狀態(tài)，也能減少一定的系統(tǒng)狀態(tài)總數(shù)。 3IEEE-RTS79算例分析 應用上述安全性評估框架，采用模擬法對IE

15、EE-RTS79測試系統(tǒng)8進行安全性評估。IEEE-RTS79的網(wǎng)絡接線如圖2所示。 系統(tǒng)包括24條母線和71個元件(其中包括33條線路，5臺變壓器，1臺電抗器，32臺發(fā)電機)，發(fā)電機容量從12MW到400MW，總裝機容量為3405MW，年最大負荷為2850MW，平均負荷率為61.44%。表1列出了對IEEE-RTS79系統(tǒng)進行安全性評估的基本計算結(jié)果。由表可知，隨著模擬時間的增加，各指標逐漸趨于平穩(wěn)。當模擬時間為50104h時，各項指標都收斂到一比較穩(wěn)定的值。為了更好地說明蒙特卡羅法的收斂特點，針對失穩(wěn)概率(PLOS)指標，對該系統(tǒng)模擬200104h，每隔1000h抽樣一個數(shù)據(jù)樣本，可得圖3

16、所示的收斂過程變化曲線。 表1反映了故障切除時間服從對數(shù)正態(tài)分布，均值分別為0.10、0.15、0.20s，方差均為10%的情況。結(jié)果表明，當方差相同時，均值越小，失穩(wěn)概率越小，平均穩(wěn)定運行時間越長。顯然，故障切除越早，越有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，安全性水平也越高。 表1還反映了均值為0.15，方差分別為5%和20%的情況。它表明方差加大后，失穩(wěn)概率會變大。這說明除了故障切除時間期望值對系統(tǒng)穩(wěn)定性造成影響外，故障切除時間的分布也有較大影響。 由上可見，故障切除時間模型及其參數(shù)是影響安全性評估結(jié)果的重要因素。 4結(jié)論 本文提出了發(fā)輸電系統(tǒng)安全性評估的基本框架，對指標體系、基本評估算法等進行了詳細論述。

17、該評估框架基于蒙特卡羅模擬法，借鑒了充裕度評估中比較成熟的技術(shù)，并將充裕度和安全性統(tǒng)一在同一個評估框架中。所提出的安全性指標體系包括與充裕度指標相對應的基本概率、頻率指標；同時提出了基于可靠性經(jīng)濟評估理論的系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性風險指標?？煽啃院徒?jīng)濟性的結(jié)合分析，為可靠性研究成果應用于電力市場提供了可能性。最后，通過對IEEE-RTS79的計算分析，驗證了本文評估算法的有效性。 參考文獻 1EPRIReportComposite-systemreliabilityevaluation：phaseIscopingstudyRFinalReport，NewYork，EPRIEL-5290，1987 2Bi

18、llintonR，KhanMEAsecuritybasedapproachtocompositepowersystemreliabilityevaluationJIEEETransactionsonPowerSystems，1992，7(1)：65-72 3AboreshaidS，BillintonRAframeworkforincorporatingvoltageandtransientstabilityconsiderationsinwell-beingevaluationofcompositepowersystemsAIn：IEEEPowerEngineeringSocietySummerMeetingC，Edmonton，Alberta，Canada，1999，1：219-224 4daSi