针对保底电网的N-1关键故障筛选方法及系统与流程

针对保底电网的n-1关键故障筛选方法及系统
技术领域
1.本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种针对保底电网的n-1关键故障筛选方法及系统。


背景技术：

2.随着经济技术的发展和人们生活水平的提高，电能已经成为了人们生产和生活中必不可少的二次能源，给人们的生产和生活带来了无尽的便利。因此，保障电能的稳定可靠供应，就成为了电力系统最重要的任务之一。
3.目前，随着极端天气的频繁出现，电网系统开始逐步建设冰区城市保底电网，最大程度地保障在极端气候条件下，不发生110千伏及以上重要线路倒塔，从而保障涉及民生的重要用户及用户的安全供电，最大程度降低冰灾对电网安全和电力供应的影响。
4.在极端条件下，以重要变电站、关键线路和抗灾保障电源为电网骨干网架构成的保底电网，需满足极端条件下城市指挥(应急)机构、核心基础设施等核心用户持续、可靠供电。n-1原则要求正常运行方式下的保底电网系统中，任一元件(如线路、发电机、变压器等)无故障或因故障断开时，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，而且其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内。由于保底电网本身的可靠性限制，要求对n-1关键故障进行快速筛选，从而动态调整保底电网的预想事故集。
5.但是，目前的针对保底电网的n-1关键故障筛选方法，一般依靠的专家人工筛选的方式；但是，这种人工筛选的方式，不仅非常依赖于筛选专家的经验和个人技术，主观性较大，可靠性不高，而且无法实现快速和动态的更新。


技术实现要素：

6.本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、实时性好且客观科学的针对保底电网的n-1关键故障筛选方法。
7.本发明的目的之二在于提供一种实现所述针对保底电网的n-1关键故障筛选方法的系统。
8.本发明提供的这种针对保底电网的n-1关键故障筛选方法，包括如下步骤：
9.s1.确定目标电网所对应的保底电网，并获取保底电网的参数数据；
10.s2.对保底电网进行n-1故障扫描得到n-1故障集，并基于同心松弛原理确定故障集中每个故障与系统的关联矩阵；
11.s3.根据容量和电压等级，对保底电网中的发电机进行关键性分析，得到各发电机的发电机关键性权重矩阵；
12.s4.根据容量、电压等级和接入电网的状态，对保底电网中的变压器进行关键性分析，得到各变压器的变压器关键性权重矩阵；
13.s5.根据输电线路的拓扑结构和电压等级，对保底电网中的联络线进行关键性分析，得到各联络线的联络线关键性权重矩阵；
14.s6.根据步骤s2～s5得到矩阵，计算得到保底电网的n-1故障的关键性矩阵，并根据关键性矩阵完成保底电网的n-1关键故障筛选。
15.步骤s1所述的获取保底电网的参数数据，具体包括如下步骤：
16.确定保底电网的运行方式，并根据电网规划确定重要站点、关键线路和保障电源；
17.获取保底电网中的发电机集合为变压器集合为联络线集合为其中gi为第i台发电机，ng为发电机的数目，ti为第i台变压器，n
t
为变压器的数目，li为第i条联络线，n
l
为联络线的数目。
18.步骤s2所述的对保底电网进行n-1故障扫描得到n-1故障集，并基于同心松弛原理确定故障集中每个故障与系统的关联矩阵，具体包括如下步骤：
19.得到n-1故障集为s＝{ρ|ρ∈sg或ρ∈s
t
或ρ∈s
l
}，ρ为n-1故障集中的元素；ρ∈sg表示故障属于发电机故障，ρ∈s
t
表示故障属于变压器故障，ρ∈s
l
表示故障属于联络线故障；
20.计算保底电网中，任意两个节点i和节点j之间的电气距离d
ij
：
21.d
ij
＝z
ii
z
jj-z
ij-z
ji
22.式中z
ii
为节点i的自阻抗；z
jj
为节点j的自阻抗；z
ij
为节点i和节点j之间的互阻抗；z
ji
为节点j和节点i之间的互阻抗；
23.构建关联矩阵c为：
[0024][0025]
式中n＝ng n
t
n
l
，ng为发电机的数目，n
t
为变压器的数目，n
l
为联络线的数目；元素c
ij
表示节点i和节点j的连接关系，且取值为i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,n。
[0026]
步骤s3所述的根据容量和电压等级，对保底电网中的发电机进行关键性分析，得到各发电机的发电机关键性权重矩阵，具体包括如下步骤：
[0027]
采用如下算式计算得到第m台发电机的关键性值w
gm
：
[0028][0029]
式中s
gm
为第m台发电机的额定容量；u
gm
为第m台发电机的额定电压；u
gmin
为所有发电机中的最小额定电压；s
gt
为第t台发电机的额定容量；ng为发电机的数目；u
gmax
为所有发电机中的最大额定电压；m＝1,2,...,ng，t＝1,2,...,ng；
[0030]
根据各台发电机的关键性值，得到发电机关键性权重矩阵为
[0031]
步骤s4所述的根据容量、电压等级和接入电网的状态，对保底电网中的变压器进行关键性分析，得到各变压器的变压器关键性权重矩阵，具体包括如下步骤：
[0032]
采用如下算式计算得到第p台变压器的关键性值w
tp
：
[0033][0034]
式中f
tp
为第p台变压器接入电网的状态变量，且若第p台变压器接入电网则f
tp
＝1，若第p台变压器未接入电网则f
tp
＝0；p
tp
为第p台变压器的额定容量；u
tp
为第p台变压器的额定电压；u
tmin
为所有变压器中的最小额定电压；u
tmax
为所有变压器中的最大额定电压；p
th
为第h台变压器的额定容量；n
t
为变压器的数目；p＝1,2,...,n
t
，h＝1,2,...,n
t
；
[0035]
根据各台变压器的关键性值，得到变压器关键性权重矩阵为
[0036]
步骤s5所述的根据输电线路的拓扑结构和电压等级，对保底电网中的联络线进行关键性分析，得到各联络线的联络线关键性权重矩阵，具体包括如下步骤：
[0037]
采用如下算式计算得到第q条联络线的关键性值w
lp
：
[0038][0039]
式中n
lq
为第q条联络线所连接的节点数；n
t
为变压器的数目；ng为发电机的数目；u
lq
为第q条联络线的额定电压；u
lmin
为所有联络线中的最小额定电压；u
lmax
为所有联络线中的最大额定电压；
[0040]
根据各条联络线的关键性值，得到联络线关键性权重矩阵为
[0041]
步骤s6所述的根据步骤s2～s5得到矩阵，计算得到保底电网的n-1故障的关键性矩阵，并根据关键性矩阵完成保底电网的n-1关键故障筛选，具体包括如下步骤：
[0042]
构建中间关键性矩阵w为其中wg为发电机关键性权重矩阵；w
t
为变压器关键性权重矩阵；w
l
为联络线关键性权重矩阵；
[0043]
计算得到保底电网的n-1故障的关键性矩阵k为k＝cw，c为关联矩阵；
[0044]
将关键性矩阵k展开，得到其中ki为第i
个故障的关键性指标，且ki的值越大，表明第i个故障越严重。
[0045]
本发明还提供了一种实现所述针对保底电网的n-1关键故障筛选方法的系统，具体包括数据获取模块、关联矩阵计算模块、发电机关键性权重矩阵计算模块、变压器关键性权重矩阵计算模块、联络线关键性权重矩阵计算模块和n-1关键故障筛选模块；数据获取模块的输出端同时连接关联矩阵计算模块、发电机关键性权重矩阵计算模块、变压器关键性权重矩阵计算模块和联络线关键性权重矩阵计算模块的输入端；关联矩阵计算模块、发电机关键性权重矩阵计算模块、变压器关键性权重矩阵计算模块和联络线关键性权重矩阵计算模块的输出端同时连接n-1关键故障筛选模块；数据获取模块用于获取保底电网的参数数据，并将数据上传关联矩阵计算模块、发电机关键性权重矩阵计算模块、变压器关键性权重矩阵计算模块和联络线关键性权重矩阵计算模块；关联矩阵计算模块用于对保底电网进行n-1故障扫描得到n-1故障集，基于同心松弛原理确定故障集中每个故障与系统的关联矩阵，并将关联矩阵上传n-1关键故障筛选模块；发电机关键性权重矩阵计算模块用于根据容量和电压等级，对保底电网中的发电机进行关键性分析，得到各发电机的发电机关键性权重矩阵，并将结果上传n-1关键故障筛选模块；变压器关键性权重矩阵计算模块用于根据容量、电压等级和接入电网的状态，对保底电网中的变压器进行关键性分析，得到各变压器的变压器关键性权重矩阵，并将结果上传n-1关键故障筛选模块；联络线关键性权重矩阵计算模块用于根据输电线路的拓扑结构和电压等级，对保底电网中的联络线进行关键性分析，得到各联络线的联络线关键性权重矩阵，并将结果上传n-1关键故障筛选模块；n-1关键故障筛选模块用于根据接收到的数据信息，计算得到保底电网的n-1故障的关键性矩阵，并根据关键性矩阵完成保底电网的n-1关键故障筛选。
[0046]
本发明提供的这种保底电网的n-1关键故障筛选方法及系统，提出的基于同心松弛原理的n-1故障筛选方法用于保底电网n-1关键故障的快速筛选，能够对数目较大的预想故障集进行评价和排序，可根据具体应用快速筛选出对保底电网稳定性影响较大的少量关键故障，而且可靠性高、实时性好且客观科学。
附图说明
[0047]
图1为本发明方法的方法流程示意图。
[0048]
图2为本发明方法中的同心松弛原理示意图。
[0049]
图3为本发明方法的实施例的3机9节点系统的系统结构示意图。
[0050]
图4为本发明系统的功能模块示意图。
具体实施方式
[0051]
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种针对保底电网的n-1关键故障筛选方法，包括如下步骤：
[0052]
s1.确定目标电网所对应的保底电网，并获取保底电网的参数数据；确定保底电网的运行方式，并根据电网规划确定重要站点、关键线路和保障电源；
[0053]
获取保底电网中的发电机集合为变压器集合为联络线集合为其中gi为第i台发电机，ng为
发电机的数目，ti为第i台变压器，n
t
为变压器的数目，li为第i条联络线，n
l
为联络线的数目；
[0054]
s2.对保底电网进行n-1故障扫描得到n-1故障集，并基于同心松弛原理确定故障集中每个故障与系统的关联矩阵；
[0055]
具体包括如下步骤：
[0056]
得到n-1故障集为s＝{ρ|ρ∈sg或ρ∈s
t
或ρ∈s
l
}，ρ为n-1故障集中的元素；ρ∈sg表示故障属于发电机故障，ρ∈s
t
表示故障属于变压器故障，ρ∈s
l
表示故障属于联络线故障；
[0057]
同心松弛原理是通过电气距离衡量节点间的电气连接紧密程度；两节点间的电气距离越小，表明两节点间电气连接越紧密，某一节点发生故障时，另一个节点会受到较大的影响；反之，表明两节点间电气连接越疏松，某一节点发生故障时，另一个节点受到的影响较小。同心松弛原理示意图如图2所示，图中i、j、k分别表示三个节点，i＝1，2，
……
，n；j＝1，2，
……
，n；k＝1，2，
……
，n；n＝ng n
t
n
l
。d
ij
表示节点i和节点j之间的电气距离，d
ik
表示节点i和节点k之间的电气距离。由于电气距离d
ij
小于d
ik
，如果节点j和节点k的权重相同，那么节点j发生故障对节点i的影响大于节点k发生故障对节点i的影响；计算保底电网中，任意两个节点i和节点j之间的电气距离d
ij
：
[0058]dij
＝z
ii
z
jj-z
ij-z
ji
[0059]
式中z
ii
为节点i的自阻抗，数值上等于在节点i注入单位电流且其他节点都开路时的节点i的电压；z
jj
为节点j的自阻抗，数值上等于在节点j注入单位电流且其他节点都开路时的节点j的电压；z
ij
为节点i和节点j之间的互阻抗；z
ji
为节点j和节点i之间的互阻抗；互阻抗在数值上等于从节点i或节点j注入单位电流且其他节点都开路时节点i或节点j的电压；
[0060]
构建关联矩阵c为：
[0061][0062]
式中n＝ng n
t
n
l
，ng为发电机的数目，n
t
为变压器的数目，n
l
为联络线的数目；元素c
ij
表示节点i和节点j的连接关系，且取值为i＝1,2,...,n，j＝1,2,...,n；
[0063]
此外，要确定每个故障的关键程度，除了与该故障节点与其他节点的连接关系有关之外，还有每个节点的权重有关；以图2所示两节点i和j为例，如果节点i和节点j的权重相同，由于节点i还有另外一个连接节点k，那么节点i发生故障的关键程度大于节点j发生故障的关键程度；
[0064]
s3.根据容量和电压等级，对保底电网中的发电机进行关键性分析，得到各发电机
的发电机关键性权重矩阵；具体包括如下步骤：
[0065]
采用如下算式计算得到第m台发电机的关键性值w
gm
：
[0066][0067]
式中s
gm
为第m台发电机的额定容量；u
gm
为第m台发电机的额定电压；u
gmin
为所有发电机中的最小额定电压；s
gt
为第t台发电机的额定容量；ng为发电机的数目；u
gmax
为所有发电机中的最大额定电压；m＝1,2,...,ng，t＝1,2,...,ng；
[0068]
根据各台发电机的关键性值，得到发电机关键性权重矩阵为
[0069]
s4.根据容量、电压等级和接入电网的状态，对保底电网中的变压器进行关键性分析，得到各变压器的变压器关键性权重矩阵；具体包括如下步骤：
[0070]
采用如下算式计算得到第p台变压器的关键性值w
tp
：
[0071][0072]
式中f
tp
为第p台变压器接入电网的状态变量，且若第p台变压器接入电网则f
tp
＝1，若第p台变压器未接入电网则f
tp
＝0；p
tp
为第p台变压器的额定容量；u
tp
为第p台变压器的额定电压；u
tmin
为所有变压器中的最小额定电压；u
tmax
为所有变压器中的最大额定电压；p
th
为第h台变压器的额定容量；n
t
为变压器的数目；p＝1,2,...,n
t
，h＝1,2,...,n
t
；
[0073]
根据各台变压器的关键性值，得到变压器关键性权重矩阵为
[0074]
s5.根据输电线路的拓扑结构和电压等级，对保底电网中的联络线进行关键性分析，得到各联络线的联络线关键性权重矩阵；具体包括如下步骤：
[0075]
采用如下算式计算得到第q条联络线的关键性值w
lp
：
[0076][0077]
式中n
lq
为第q条联络线所连接的节点数；n
t
为变压器的数目；ng为发电机的数目；u
lq
为第q条联络线的额定电压；u
lmin
为所有联络线中的最小额定电压；u
lmax
为所有联络线中的最大额定电压；
[0078]
根据各条联络线的关键性值，得到联络线关键性权重矩阵为
[0079]
s6.根据步骤s2～s5得到矩阵，计算得到保底电网的n-1故障的关键性矩阵，并根据关键性矩阵完成保底电网的n-1关键故障筛选；具体包括如下步骤：
[0080]
构建中间关键性矩阵w为其中wg为发电机关键性权重矩阵；w
t
为变压器关键性权重矩阵；w
l
为联络线关键性权重矩阵；
[0081]
计算得到保底电网的n-1故障的关键性矩阵k为k＝cw，c为关联矩阵；
[0082]
将关键性矩阵k展开，得到其中ki为第i个故障的关键性指标，且ki的值越大，表明第i个故障越严重；此时，在保底电网的后续工作过程中，需要对第i个故障更加重视，并采取更加针对性的措施。
[0083]
以下结合一个具体实施例，对本发明方法进行进一步说明：
[0084]
以ieee标准3机9节点标准算例系统为例，验证本发明方法的有效性。
[0085]
3机9节点系统如图3所示。3机9节点系统包含3台同步发电机、3台变压器、9条母线、6条联络线。所有的发电机均附加ieee 1型励磁与调速器。此外，该系统还包含3个恒阻抗负荷，总有功容量和无功容量分别为315mw和115mvar。
[0086]
根据本发明方法，计算得到关联矩阵c为
[0087][0088]
发电机关键性权重矩阵wg为
[0089]
变压器关键性权重矩阵w
t
为
[0090]
线路关键性权重矩阵w
l
为
[0091][0092]
关键性权重矩阵w为
[0093][0094]
n-1故障关键性矩阵为
[0095][0096]
根据n-1故障关键性矩阵中的元素，将n-1故障关键性按照重要性排序，如表1所示：
[0097]
表1n-1故障重要性排序示意表
[0098]
n-1故障重要性n-1故障重要性n-1故障重要性母线20.5025母线10.2585母线8-母线90.0508g20.4829g10.2405母线60.0507t20.3789母线90.0911母线50.0496t30.3167母线70.0848母线4-母线50.0481t10.3163母线40.0792母线4-母线60.0465母线30.2836母线6-母线90.0636母线7-母线80.0458g30.2616母线5-母线70.0592母线80.0453
[0099]
从表1可以看到，母线2故障的重要性最高，表明该故障的重要性最大，若发生该故
障，其影响范围最大，故障也越严重。同时，从表1也能知道，排名越靠前的故障，该故障的重要性越大，若发生该故障，其影响范围越大，故障越严重。
[0100]
如图4所示为本发明系统的功能模块示意图：本发明提供的这种实现所述针对保底电网的n-1关键故障筛选方法的系统，具体包括数据获取模块、关联矩阵计算模块、发电机关键性权重矩阵计算模块、变压器关键性权重矩阵计算模块、联络线关键性权重矩阵计算模块和n-1关键故障筛选模块；数据获取模块的输出端同时连接关联矩阵计算模块、发电机关键性权重矩阵计算模块、变压器关键性权重矩阵计算模块和联络线关键性权重矩阵计算模块的输入端；关联矩阵计算模块、发电机关键性权重矩阵计算模块、变压器关键性权重矩阵计算模块和联络线关键性权重矩阵计算模块的输出端同时连接n-1关键故障筛选模块；数据获取模块用于获取保底电网的参数数据，并将数据上传关联矩阵计算模块、发电机关键性权重矩阵计算模块、变压器关键性权重矩阵计算模块和联络线关键性权重矩阵计算模块；关联矩阵计算模块用于对保底电网进行n-1故障扫描得到n-1故障集，基于同心松弛原理确定故障集中每个故障与系统的关联矩阵，并将关联矩阵上传n-1关键故障筛选模块；发电机关键性权重矩阵计算模块用于根据容量和电压等级，对保底电网中的发电机进行关键性分析，得到各发电机的发电机关键性权重矩阵，并将结果上传n-1关键故障筛选模块；变压器关键性权重矩阵计算模块用于根据容量、电压等级和接入电网的状态，对保底电网中的变压器进行关键性分析，得到各变压器的变压器关键性权重矩阵，并将结果上传n-1关键故障筛选模块；联络线关键性权重矩阵计算模块用于根据输电线路的拓扑结构和电压等级，对保底电网中的联络线进行关键性分析，得到各联络线的联络线关键性权重矩阵，并将结果上传n-1关键故障筛选模块；n-1关键故障筛选模块用于根据接收到的数据信息，计算得到保底电网的n-1故障的关键性矩阵，并根据关键性矩阵完成保底电网的n-1关键故障筛选。