專利名稱：基于概率的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于在線電壓安全評(píng)估和控制領(lǐng)域，涉及一種基于概率的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法。
背景技術(shù)：
維護(hù)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定具有重大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。電壓穩(wěn)定性的離線分析雖然能夠部分揭示電壓失穩(wěn)機(jī)理，但是難以適應(yīng)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化，因而電壓穩(wěn)定性的在線監(jiān)視和控制變得尤為重要。
電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和控制方案可以分為兩大類第一類是基于確定性方法的方案，第二類是基于概率性方法的方案。
基于確定性方法的方案包括以下幾種1、低電壓切負(fù)荷方案。該方案已經(jīng)在電力系統(tǒng)中獲得廣泛應(yīng)用，它通過(guò)在線監(jiān)視若干關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的電壓值來(lái)進(jìn)行電壓穩(wěn)定監(jiān)視，當(dāng)節(jié)點(diǎn)電壓低于給定數(shù)值時(shí)，按照預(yù)訂順序進(jìn)行切負(fù)荷操作。該方案具有監(jiān)控量簡(jiǎn)明直觀、無(wú)須大量計(jì)算、易于實(shí)施的優(yōu)點(diǎn)，其不足在于不能向運(yùn)行人員提供“距離電壓失穩(wěn)點(diǎn)還有多遠(yuǎn)”的電壓穩(wěn)定充裕度信息，不能對(duì)尚未發(fā)生的預(yù)想故障進(jìn)行計(jì)算處理，因此不能實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定的預(yù)防控制，實(shí)踐中也已經(jīng)證實(shí)了該方案不能完全有效地消除電壓失穩(wěn)事故。
2、基于電壓穩(wěn)定狀態(tài)指標(biāo)的方案。該方案通過(guò)計(jì)算電壓穩(wěn)定性局部指標(biāo)(L指標(biāo)、VIP指標(biāo)等)或全局指標(biāo)(特征值/奇異值指標(biāo)、能量函數(shù)指標(biāo)、各種靈敏度指標(biāo)等)進(jìn)行電壓穩(wěn)定監(jiān)視，通過(guò)事先編制的控制策略進(jìn)行電壓穩(wěn)定控制。該方案能夠?yàn)檫\(yùn)行人員提供一定的局部或全局電壓穩(wěn)定充裕度信息，但是這些指標(biāo)不夠簡(jiǎn)明直觀，電壓穩(wěn)定充裕度大小與指標(biāo)大小之間的線性性差，在復(fù)雜電力系統(tǒng)中的有效性尚有待檢驗(yàn)，并且事先制定的控制策略往往不能適應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行方式的變化。
3、基于裕度指標(biāo)的方案。該方案從系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)出發(fā)按照某種模式進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)系統(tǒng)注入功率增長(zhǎng)逼近電壓崩潰點(diǎn)，從而得到系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)到電壓崩潰點(diǎn)的距離，即裕度指標(biāo)，同時(shí)計(jì)算得到裕度對(duì)重要控制量的靈敏度系數(shù)，制定電壓穩(wěn)定控制策略。該方案物理意義明確，線性性強(qiáng)，能給運(yùn)行人員提供直觀的電壓穩(wěn)定充裕度信息。但是該方案需要使用重復(fù)潮流(RPF)、連續(xù)性潮流(CPF)或者最優(yōu)潮流(OPF)計(jì)算裕度指標(biāo)，當(dāng)系統(tǒng)規(guī)模較大、給定預(yù)想故障很多的時(shí)候計(jì)算時(shí)間將難以忍受。
基于概率性方法的方案是在基于裕度指標(biāo)方案的基礎(chǔ)上增加不確定因素的影響，給出的裕度指標(biāo)不再是一個(gè)確定的值，而是一個(gè)概率密度函數(shù)?，F(xiàn)有的概率性方法包括1、直接法，包括隨機(jī)潮流法、隨機(jī)規(guī)劃法、Gram-Charlier級(jí)數(shù)法等，該類方法均采用特定的概率分布(多采用正態(tài)分布函數(shù))描述系統(tǒng)變量特征，通過(guò)一次計(jì)算直接得到電壓穩(wěn)定裕度的概率密度函數(shù)。該類方法避免了對(duì)大量樣本進(jìn)行計(jì)算，但是概率算式的表達(dá)往往過(guò)于復(fù)雜，并且對(duì)所采用的概率函數(shù)限制十分嚴(yán)格，很難準(zhǔn)確描述實(shí)際電力系統(tǒng)行為，也不能得到準(zhǔn)確的概率密度分布。
2、枚舉法，列舉系統(tǒng)所有可能的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算，該方法只適用于對(duì)小系統(tǒng)做理論研究，在實(shí)際系統(tǒng)中因?yàn)橐紤]的狀態(tài)量太多而很難應(yīng)用。
3、Monte Carlo仿真法，這是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的概率方法，通過(guò)Monte Carlo模擬抽取樣本進(jìn)行計(jì)算，該方法能方便地處理實(shí)際電網(wǎng)中數(shù)量龐大的不確定因素，能夠方便地模擬多重故障和連鎖故障，并且計(jì)算時(shí)間不隨系統(tǒng)規(guī)?；蚓W(wǎng)絡(luò)連接復(fù)雜度的增加而急劇增加。但是現(xiàn)有方法對(duì)于大量樣本的計(jì)算耗時(shí)驚人，目前只能應(yīng)用于電壓穩(wěn)定的離線分析。
相對(duì)于概率性方法而言，基于確定性方法的方案計(jì)算速度快，適于在線應(yīng)用，但是存在如下問(wèn)題(1)確定性方法采用事先給定預(yù)想故障集方式進(jìn)行安全性校驗(yàn)，以最嚴(yán)重的預(yù)想故障所對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定性指標(biāo)作為判斷電壓安全性的依據(jù)，這樣無(wú)法處理多重故障和連鎖故障情況，有可能因?yàn)檫z漏更加嚴(yán)重的故障而導(dǎo)致穩(wěn)定性指標(biāo)偏于樂(lè)觀，另一方面又有可能因?yàn)轭A(yù)想故障集中包含了發(fā)生概率很小的嚴(yán)重故障導(dǎo)致穩(wěn)定性指標(biāo)偏于保守。(2)確定性方法不能反映數(shù)量龐大的不確定因素對(duì)電網(wǎng)的影響(負(fù)荷和發(fā)電機(jī)出力分配的波動(dòng)、設(shè)備故障概率，氣象變化，等等)，提供的信息量非常有限，不利于市場(chǎng)環(huán)境下系統(tǒng)運(yùn)行人員綜合考慮電網(wǎng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。
基于概率性方法的方案能夠克服確定性方法的上述不足，針對(duì)各種不確定因素對(duì)系統(tǒng)的影響，通過(guò)概率方法計(jì)算電壓穩(wěn)定裕度的概率密度、期望值和方差，從而為運(yùn)行人員提供豐富的概率安全信息，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。但是現(xiàn)有的概率性方法均采用“逐點(diǎn)法”，也就是針對(duì)每個(gè)樣本分別進(jìn)行計(jì)算，由于樣本數(shù)量的龐大從而導(dǎo)致計(jì)算速度很慢、耗時(shí)太多，只能用作離線理論分析。目前國(guó)內(nèi)外尚未公布能夠在線應(yīng)用的基于概率的電壓穩(wěn)定監(jiān)視和控制方法。
本發(fā)明“基于概率的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法”是把傳統(tǒng)概率電壓穩(wěn)定分析和“靜態(tài)電壓穩(wěn)定域(SVSR)”理論相結(jié)合所得到的新成果，脫離了“逐點(diǎn)法”的框架，采用“域”的方法來(lái)達(dá)到解決現(xiàn)有的電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和控制方法存在的問(wèn)題、提高電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的目的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于概率的電力系統(tǒng)在線電壓穩(wěn)定監(jiān)視和預(yù)防控制的方法，能夠通過(guò)實(shí)時(shí)采集的電網(wǎng)數(shù)據(jù)和各種概率信息，在線計(jì)算電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度的概率密度，及時(shí)向調(diào)度員提供電力系統(tǒng)概率電壓穩(wěn)定信息。
本發(fā)明所要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是，在發(fā)電機(jī)和負(fù)荷全注入空間中提供電壓穩(wěn)定裕度的概率表達(dá)，根據(jù)事先指定的系統(tǒng)需要達(dá)到的電壓穩(wěn)定裕度置信水平，由電壓穩(wěn)定裕度的靈敏度計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)極限值和預(yù)防控制值，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和引導(dǎo)電力市場(chǎng)交易來(lái)保證系統(tǒng)處于指定的電壓穩(wěn)定裕度置信水平，實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定預(yù)防控制。
本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案基于概率的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法，該方法包括下列步驟(1)從能量管理系統(tǒng)和電力市場(chǎng)交易平臺(tái)得到電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；(2)根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和氣象信息確定該時(shí)段的設(shè)備故障概率；(3)由蒙特卡洛仿真方法模擬系統(tǒng)各種隨機(jī)狀態(tài)產(chǎn)生樣本空間，每個(gè)樣本均由功率增長(zhǎng)方向(X)和故障設(shè)備集合(Y)兩部分構(gòu)成；(4)按照功率增長(zhǎng)方向(X)對(duì)樣本空間進(jìn)行矢量量化(VQ)聚類分析；(5)根據(jù)由步驟(4)獲得的聚類分析結(jié)果，采用電壓穩(wěn)定域分層計(jì)算方法快速計(jì)算各個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度，從而得到電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度的概率密度分布；(6)根據(jù)穩(wěn)定裕度概率密度分布和事先指定的穩(wěn)定裕度置信水平確定系統(tǒng)需要達(dá)到的穩(wěn)定裕度數(shù)值，由電壓穩(wěn)定裕度的靈敏度計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)極限值和預(yù)防控制值；(7)通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以使電力系統(tǒng)達(dá)到指定置信水平下的電壓穩(wěn)定。
上述步驟4中進(jìn)行矢量量化(VQ)聚類分析可采用如下的方法(1)對(duì)于所選取的樣本，計(jì)算其與已存在各類別中心向量夾角余弦，確定與其相似度最高的類別；(2)如果所選取的樣本和與其相似度最高的類別的中心向量夾角余弦小于事先確定的閾值，把其歸入該相似度最高的類別，并更新該類別的中心向量；否則，為所選取的樣本分配一個(gè)新類別，以該樣本的功率增長(zhǎng)方向(X)部分作為新增類別的初始中心向量。
在上述第5步驟中的電壓穩(wěn)定裕度分層計(jì)算方法包括如下步驟(1)首先不考慮設(shè)備故障，根據(jù)由步驟(4)獲得的聚類分析結(jié)果，確定進(jìn)行電壓穩(wěn)定域分層計(jì)算方法中使用的切平面數(shù)量和切點(diǎn)位置，建立正常網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下的全注入空間靜態(tài)電壓穩(wěn)定域，從而快速求解每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的故障前電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)；(2)對(duì)于存在設(shè)備故障的樣本，由故障設(shè)備集合(Y)引入設(shè)備故障，改變系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由步驟1求解出的故障前電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)，通過(guò)阻尼牛頓法直接計(jì)算得到故障后電壓崩潰點(diǎn)(P2′)，然后以該電壓崩潰點(diǎn)(P2′)作為切點(diǎn)，求解故障后電壓穩(wěn)定域邊界的切平面，從而利用該切平面和功率增長(zhǎng)方向(X)直接計(jì)算得到該樣本對(duì)應(yīng)的故障后電壓穩(wěn)定域近似邊界點(diǎn)(B)；
(3)判斷故障后的電壓崩潰點(diǎn)(P2′)是否滿足矢量量化(VQ)聚類條件，如果滿足則把故障后電壓穩(wěn)定域近似邊界點(diǎn)(B)看作故障后電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)，如果不滿足，則以該點(diǎn)作為初始點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行阻尼牛頓計(jì)算，如此迭代下去，直至滿足矢量量化(VQ)聚類條件為止，得到該樣本對(duì)應(yīng)的故障后電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)；(4)根據(jù)步驟(1)或步驟(3)所確定的電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)，確定該樣本所對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度。
本發(fā)明中對(duì)于樣本對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度的計(jì)算可以采用分布計(jì)算，其中對(duì)多CPU的調(diào)度以矢量量化(VQ)聚類分析所得的樣本類別為單位。
本發(fā)明具有突出的有益效果本發(fā)明將Monte Carlo仿真法的高度靈活性和VQ聚類分析的模糊自適應(yīng)性相結(jié)合，用后者對(duì)前者產(chǎn)生的樣本進(jìn)行聚類分析；將連續(xù)性潮流(CPF)方法的精確性和靜態(tài)電壓穩(wěn)定域(SVSR)方法的快捷性相結(jié)合，用CPF計(jì)算電壓穩(wěn)定域邊界切點(diǎn)位置，通過(guò)多個(gè)切平面對(duì)電壓穩(wěn)定域邊界進(jìn)行整體近似描述，一旦快速得到“域”的邊界，那么對(duì)于所有樣本的穩(wěn)定裕度計(jì)算就變成了簡(jiǎn)單的空間幾何運(yùn)算，從而擺脫了傳統(tǒng)“逐點(diǎn)法”的大量計(jì)算；將電壓穩(wěn)定域邊界性質(zhì)和阻尼牛頓法性質(zhì)相結(jié)合，從故障前電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)直接計(jì)算得到故障后電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)，避免了重新進(jìn)行CPF計(jì)算，開(kāi)發(fā)出一種具有分層結(jié)構(gòu)的概率電壓穩(wěn)定快速計(jì)算方法。


圖1本發(fā)明的基于概率的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法的整體實(shí)施流程圖；圖2圖1中VQ聚類分析模塊的詳細(xì)流程圖；圖3圖1中電壓穩(wěn)定裕度分層快速計(jì)算模塊的詳細(xì)流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)(網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、母線電壓、支路、發(fā)電機(jī)等)、電力市場(chǎng)數(shù)據(jù)(未來(lái)時(shí)段的發(fā)電機(jī)出力與負(fù)荷變化)和設(shè)備數(shù)據(jù)(設(shè)備檢修安排、故障概率等)進(jìn)行計(jì)算分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的在線分析和對(duì)穩(wěn)定預(yù)防控制的能量管理功能。下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。
圖1給出了本發(fā)明方法的整體實(shí)施流程。整個(gè)監(jiān)視和預(yù)防控制系統(tǒng)由兩部分組成虛線框外面是電力系統(tǒng)現(xiàn)有的軟、硬件設(shè)備和數(shù)據(jù)庫(kù)，可以不經(jīng)過(guò)改造直接使用，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、通信、實(shí)施電壓穩(wěn)定控制操作；虛線框里面是整個(gè)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視控制系統(tǒng)分析計(jì)算的核心部分，主要進(jìn)行蒙特卡羅(Monte Carlo)模擬、樣本聚類分析、樣本穩(wěn)定裕度快速計(jì)算、統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定裕度概率密度、計(jì)算電壓穩(wěn)定控制策略，可以采用一臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行運(yùn)算，也可以采用分布式計(jì)算機(jī)群以進(jìn)一步提高計(jì)算速度。
本發(fā)明的具體實(shí)施步驟和方法如下(1)確定負(fù)荷、發(fā)電機(jī)出力波動(dòng)的概率分布函數(shù)和各個(gè)設(shè)備的故障概率，通過(guò)Monte Carlo仿真模擬系統(tǒng)各種隨機(jī)狀態(tài)產(chǎn)生樣本空間E{Xi，Yi|i＝1，2，...，N}，每個(gè)樣本都由發(fā)電機(jī)、負(fù)荷全注入空間中的功率增長(zhǎng)方向X{X1，...，XN}和故障設(shè)備集合Y{Y1，...，YN)兩部分構(gòu)成。(2)以每個(gè)樣本的X部分為依據(jù)，使用VQ算法對(duì){X1，...XN}進(jìn)行聚類分析，把樣本空間劃分為M個(gè)類別(M＜＜N)，聚類中心分別為{K1，...KM}。Xi代表全注入空間中的方向矢量，因此采用矢量間的夾角余弦作為相似度的度量，也就是說(shuō)如果Xi屬于類別kp則一定有cos<Xi，Xp>≥ε，ε是給定的VQ聚類相似度閥值。(3)對(duì)類別ki，從當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)P0開(kāi)始，用CPF沿聚類中心Ki追蹤至電壓穩(wěn)定域邊界上一點(diǎn)Pi，利用全注入空間電壓穩(wěn)定域切平面公式計(jì)算切平面方程Si。這樣對(duì)所有類別進(jìn)行計(jì)算后，得到一組切平面集合{S1，...SM}作為故障前電壓穩(wěn)定域邊界∑的近似。(4)如果Xi屬于類別T，則其對(duì)應(yīng)的故障前電壓穩(wěn)定域邊界為切平面ST，由空間直線與平面的交點(diǎn)公式直接得到Xi對(duì)應(yīng)的故障前穩(wěn)定域邊界點(diǎn)Ai。如果Yi為空，即沒(méi)有故障設(shè)備，則直接由Ai得到該樣本對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度；如果Yi不為空，則存儲(chǔ)Ai點(diǎn)的信息進(jìn)行下一步計(jì)算。(5)對(duì)所有存在故障設(shè)備的樣本{Xi,Yi|Yi∉Φ},]]>根據(jù)Yi引入設(shè)備故障，利用阻尼牛頓法從點(diǎn)Ai直接計(jì)算得到故障后電壓穩(wěn)定域邊界∑′上～點(diǎn)Pi2′，然后以Pi2′為切點(diǎn)求解∑′的切平面Si′作為Pi2′附近∑′局部的近似，從而利用切平面Si′和Xi直接計(jì)算得到該樣本對(duì)應(yīng)的故障后近似邊界點(diǎn)Bi。(6)判斷Pi2′是否滿足VQ聚類條件cos<P0Ai‾,]]>P0P12′‾>≥ϵ,]]>如果滿足則把Bi點(diǎn)看作故障后電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)，如果不滿足，則以Bi點(diǎn)作為初始點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行阻尼牛頓計(jì)算，如此迭代下去，直至滿足VQ聚類條件為止。(7)對(duì)所有樣本對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度的概率密度分布。(8)根據(jù)穩(wěn)定裕度的概率密度分布和事先指定的穩(wěn)定裕度置信水平，確定系統(tǒng)需要達(dá)到的穩(wěn)定裕度數(shù)值，計(jì)算電壓穩(wěn)定裕度對(duì)重要控制量(如發(fā)電機(jī)出力、無(wú)功補(bǔ)償裝置等)的靈敏度系數(shù)，確定系統(tǒng)參數(shù)極限值和預(yù)防控制值，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)保證電力系統(tǒng)達(dá)到指定置信水平下的電壓穩(wěn)定。
下面按圖1-3對(duì)本發(fā)明的各個(gè)步驟的功能進(jìn)行描述，并進(jìn)一步闡述本發(fā)明的有益效果1、從圖1虛線框以外收集信息，包括(1)電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、母線電壓、支路電流、變壓器分接頭位置、無(wú)功補(bǔ)償裝置檔位、發(fā)電機(jī)狀態(tài)；(2)電力市場(chǎng)數(shù)據(jù)未來(lái)中短期發(fā)電機(jī)出力與負(fù)荷變化；(3)設(shè)備數(shù)據(jù)設(shè)備檢修安排、設(shè)備已運(yùn)行時(shí)間；(4)歷史數(shù)據(jù)設(shè)備歷史故障概率，同期歷史負(fù)荷信息、發(fā)電信息；(5)氣象信息電網(wǎng)覆蓋的各個(gè)地區(qū)近期天氣情況，是否有大霧、大風(fēng)、雷電、冰雹等惡劣天氣。
2、根據(jù)上面收集的信息進(jìn)行Monte Carlo仿真，仿真可以依據(jù)運(yùn)行人員指定的條件進(jìn)行模擬，也可，以按如下步驟確定仿真參數(shù)確定系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)即系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行點(diǎn)；確定未來(lái)時(shí)刻發(fā)電機(jī)出力及負(fù)荷波動(dòng)的正態(tài)分布函數(shù)(以電力市場(chǎng)交易為依據(jù)的發(fā)電機(jī)出力、負(fù)荷預(yù)測(cè)值為期望值，以同期歷史信息確定方差)；確定各個(gè)設(shè)備的故障概率(以設(shè)備檢修、運(yùn)行情況、天氣情況及同類設(shè)備歷史數(shù)據(jù)為依據(jù))。
3、對(duì)仿真產(chǎn)生的樣本空間進(jìn)行VQ聚類分析。圖2給出了VQ聚類分析模塊的詳細(xì)流程，在實(shí)際工程應(yīng)用中可以通過(guò)事先計(jì)算來(lái)確定合適的閥值ε，一般取值在0.8~0.9之間。
4、采用分層模型快速計(jì)算樣本對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度，圖3中給出了詳細(xì)流程，可以發(fā)現(xiàn)(1)僅僅需要對(duì)聚類中心進(jìn)行CPF計(jì)算(常規(guī)概率性方法需要對(duì)每個(gè)樣本都進(jìn)行CPF或OPF計(jì)算)；(2)切平面的計(jì)算、空間直線與切平面交點(diǎn)的計(jì)算都是簡(jiǎn)單的四則運(yùn)算，耗時(shí)可以忽略；(3)對(duì)于包含設(shè)備故障的樣本，不需要重新進(jìn)行CPF計(jì)算，而僅僅需要進(jìn)行阻尼牛頓計(jì)算，計(jì)算時(shí)間大為縮短。此外由圖3還可以發(fā)現(xiàn)，分層算法具有天然的粗粒度并行性，可以采用分布式計(jì)算而不需要對(duì)核心程序進(jìn)行修改，其中對(duì)多CPU的調(diào)度以VQ聚類分析所得的樣本類別為單位。
5、對(duì)所有樣本進(jìn)行快速計(jì)算以后，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)得到電壓穩(wěn)定裕度的概率密度分布，它定義在發(fā)電機(jī)、負(fù)荷全注入空間中，具有直觀的物理意義，并且包含了豐富的概率穩(wěn)定信息，可以為系統(tǒng)運(yùn)行人員進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)視和電力市場(chǎng)交易提供有效指導(dǎo)。
6、在預(yù)防控制計(jì)算模塊中，由運(yùn)行人員事先指定系統(tǒng)需要達(dá)到的電壓穩(wěn)定裕度置信水平，根據(jù)電壓穩(wěn)定裕度的概率密度分布查找確定系統(tǒng)需要達(dá)到的電壓穩(wěn)定裕度值。通過(guò)計(jì)算電壓穩(wěn)定裕度對(duì)重要控制量(如發(fā)電機(jī)出力分配、無(wú)功補(bǔ)償裝置等)的靈敏度系數(shù)，確定系統(tǒng)參數(shù)極限值和預(yù)防控制值，把預(yù)防控制措施提交能量管理系統(tǒng)(EMS)進(jìn)行處理，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)保證電力系統(tǒng)達(dá)到指定置信水平下的電壓穩(wěn)定。這樣就有效避免了常規(guī)預(yù)防控制方法中以預(yù)想故障集中最嚴(yán)重故障為背景來(lái)確定穩(wěn)定裕度帶來(lái)的弊端(控制結(jié)果偏于保守或偏于樂(lè)觀)。
基于確定性方法的在線電壓穩(wěn)定監(jiān)視和預(yù)防控制功能已經(jīng)在現(xiàn)有的EMS系統(tǒng)中得到應(yīng)用，但是上述系統(tǒng)是目前惟一提出的基于概率性方法的在線電壓穩(wěn)定監(jiān)視和預(yù)防控制系統(tǒng)。本發(fā)明為電力系統(tǒng)EMS提供了一種計(jì)算機(jī)程序，使電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定監(jiān)視和預(yù)防控制能力從傳統(tǒng)的數(shù)值穩(wěn)定性提高到概率穩(wěn)定性的水平。
下表給出了運(yùn)用本發(fā)明對(duì)IEEE118、IEEE300、EPRI1000節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際計(jì)算的結(jié)果，并且同時(shí)給出常規(guī)概率性方法的計(jì)算結(jié)果作為對(duì)比?？梢?jiàn)本方法不僅計(jì)算速度比常規(guī)概率方法快達(dá)1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，而且計(jì)算精度高，與常規(guī)概率方法的誤差在1％以下，完全滿足在線應(yīng)用的需要。當(dāng)采用多臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行分布計(jì)算的時(shí)候，計(jì)算速度將進(jìn)一步提高，對(duì)1000節(jié)點(diǎn)以下的系統(tǒng)其計(jì)算時(shí)間將在1分鐘以內(nèi)。

為充分公開(kāi)本發(fā)明，下面列出本領(lǐng)域的技術(shù)人員在實(shí)施本發(fā)明過(guò)程中可以借鑒的部分文獻(xiàn)1、有關(guān)“電壓穩(wěn)定域”基本知識(shí)可參見(jiàn)文獻(xiàn)安全域的方法學(xué)及實(shí)用性結(jié)果/余貽鑫//天津大學(xué)學(xué)報(bào)自然科學(xué)與工程技術(shù)版.2003，36(5).-525-528電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定域的局部可視化描述及其應(yīng)用/王成山，許曉菲等//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2004，24(3).-1-52、有關(guān)靜態(tài)電壓穩(wěn)定域邊界局部切平面的公式推導(dǎo)方面可參見(jiàn)文獻(xiàn)電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定域的局部可視化描述及其應(yīng)用/王成山，許曉菲等//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2004，24(3).-1-53、有關(guān)連續(xù)性潮流(CPF)基本知識(shí)可參閱文獻(xiàn)電力系統(tǒng)區(qū)域間功率交換能力的研究(一)連續(xù)型方法的基本理論與應(yīng)用/王成山，李國(guó)慶//電力系統(tǒng)自動(dòng)化.1999，23(3).-23-26；4、有關(guān)蒙特卡洛仿真法(Monte Carlo仿真法)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用可參見(jiàn)下列出處的文獻(xiàn)，該文給出了仿真產(chǎn)生樣本空間的詳細(xì)方法。
暫態(tài)穩(wěn)定概率評(píng)估的蒙特卡羅方法/李文沅，盧繼平//中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào).2005，25(10).-18-23另外需要說(shuō)明的是，本發(fā)明公開(kāi)和揭示的所有組合和方法可通過(guò)借鑒本文公開(kāi)內(nèi)容產(chǎn)生，盡管本發(fā)明的組合和方法已通過(guò)詳細(xì)實(shí)施過(guò)程進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯能在不脫離本發(fā)明內(nèi)容、精神和范圍內(nèi)對(duì)本文所述的方法和裝置進(jìn)行拼接或改動(dòng)，或增減某些部件，更具體地說(shuō)，所有相類似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是顯而易見(jiàn)的，他們都被視為包括在本發(fā)明精神、范圍和內(nèi)容之中。
權(quán)利要求
1.一種基于概率的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法，其特征在于該方法包括下列步驟(1)從能量管理系統(tǒng)和電力市場(chǎng)交易平臺(tái)得到電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；(2)根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和氣象信息確定該時(shí)段的設(shè)備故障概率；(3)由蒙特卡洛仿真方法模擬系統(tǒng)各種隨機(jī)狀態(tài)產(chǎn)生樣本空間，每個(gè)樣本均由功率增長(zhǎng)方向(X)和故障設(shè)備集合(Y)兩部分構(gòu)成；(4)按照功率增長(zhǎng)方向(X)對(duì)樣本空間進(jìn)行矢量量化(VQ)聚類分析；(5)根據(jù)由步驟(4)獲得的聚類分析結(jié)果，采用電壓穩(wěn)定域分層計(jì)算方法快速計(jì)算各個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度，從而得到電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度的概率密度分布；(6)根據(jù)穩(wěn)定裕度概率密度分布和事先指定的穩(wěn)定裕度置信水平確定系統(tǒng)需要達(dá)到的穩(wěn)定裕度數(shù)值，由電壓穩(wěn)定裕度的靈敏度計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)極限值和預(yù)防控制值；(7)通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)以使電力系統(tǒng)達(dá)到指定置信水平下的電壓穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于概率的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法，其特征是，步驟4中進(jìn)行矢量量化(VQ)聚類分析采用如下的方法(1)對(duì)于所選取的樣本，計(jì)算其與已存在各類別中心向量夾角余弦，確定與其相似度最高的類別；(2)如果所選取的樣本和與其相似度最高的類別的中心向量夾角余弦小于事先確定的閾值，把其歸入該相似度最高的類別，并更新該類別的中心向量；否則，為所選取的樣本分配一個(gè)新類別，以該樣本的功率增長(zhǎng)方向(X)部分作為新增類別的初始中心向量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于概率的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法，其特征是，在上述第5步驟中的電壓穩(wěn)定裕度分層計(jì)算方法包括如下步驟(1)首先不考慮設(shè)備故障，根據(jù)由步驟(4)獲得的聚類分析結(jié)果，確定進(jìn)行電壓穩(wěn)定域分層計(jì)算方法中使用的切平面數(shù)量和切點(diǎn)位置，建立正常網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下的全注入空間靜態(tài)電壓穩(wěn)定域，從而快速求解每個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的故障前電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)；(2)對(duì)于存在設(shè)備故障的樣本，由故障設(shè)備集合(Y)引入設(shè)備故障，改變系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，由步驟1求解出的故障前電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)，通過(guò)阻尼牛頓法直接計(jì)算得到故障后電壓崩潰點(diǎn)(P2′)，然后以該電壓崩潰點(diǎn)(P2′)作為切點(diǎn)，求解故障后電壓穩(wěn)定域邊界的切平面，從而利用該切平面和功率增長(zhǎng)方向(X)直接計(jì)算得到該樣本對(duì)應(yīng)的故障后電壓穩(wěn)定域近似邊界點(diǎn)(B)；(3)判斷故障后的電壓崩潰點(diǎn)(P2′)是否滿足矢量量化(VQ)聚類條件，如果滿足則把故障后電壓穩(wěn)定域近似邊界點(diǎn)(B)看作故障后電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)，如果不滿足，則以該點(diǎn)作為初始點(diǎn)繼續(xù)進(jìn)行阻尼牛頓計(jì)算，如此迭代下去，直至滿足矢量量化(VQ)聚類條件為止，得到該樣本對(duì)應(yīng)的故障后電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)；(4)根據(jù)步驟(1)或步驟(3)所確定的電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)，確定該樣本所對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于概率的電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法，其特征是對(duì)于樣本對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度的計(jì)算可以采用分布計(jì)算，其中對(duì)多CPU的調(diào)度以矢量量化(VQ)聚類分析所得的樣本類別為單位。
全文摘要
本發(fā)明屬于在線電壓安全評(píng)估和控制領(lǐng)域，涉及一種電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定在線監(jiān)視和預(yù)防控制方法。該方法包括下列步驟(1)從能量管理系統(tǒng)和電力市場(chǎng)交易平臺(tái)得到電網(wǎng)在線數(shù)據(jù)；(2)根據(jù)設(shè)備檢修安排和各地區(qū)氣象情況確定該時(shí)段的設(shè)備故障概率；(3)由MonteCarlo仿真產(chǎn)生樣本空間，每個(gè)樣本都由X(功率增長(zhǎng)方向)和Y(故障設(shè)備集合)兩部分構(gòu)成；(4)使用電壓穩(wěn)定域結(jié)合矢量量化聚類分析的分層計(jì)算方法快速計(jì)算各個(gè)樣本對(duì)應(yīng)的電壓穩(wěn)定裕度，從而得到電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度的概率密度分布；(5)根據(jù)穩(wěn)定裕度概率密度分布和事先指定的穩(wěn)定裕度置信水平確定系統(tǒng)需要達(dá)到的穩(wěn)定裕度數(shù)值，由電壓穩(wěn)定裕度的靈敏度計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)極限值和預(yù)防控制值，通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)保證電力系統(tǒng)達(dá)到指定置信水平下的電壓穩(wěn)定。本發(fā)明擺脫了傳統(tǒng)“逐點(diǎn)法”的大量計(jì)算；從故障前電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)直接計(jì)算得到故障后電壓穩(wěn)定域邊界點(diǎn)，避免了重新進(jìn)行CPF計(jì)算，是一種具有分層結(jié)構(gòu)的概率電壓穩(wěn)定快速計(jì)算方法。
文檔編號(hào)H02J13/00GK1835336SQ20061001327
公開(kāi)日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者王成山, 王興剛, 余貽鑫 申請(qǐng)人:天津大學(xué)