基于相關線路集的可靠性評估預想故障集搜索方法與流程

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本發明涉及電力系統規劃項目的可靠性評估領域，具體涉及一種基于相關線路集搜索從而縮小可靠性評估預想故障集規模的實現方法。

背景技術：

隨著經濟社會的發展，電力系統為了滿足日益增長的負荷需求也變得越來越龐大，而對電力網絡進行可靠性評估的難度也隨著元件數目的增長而成指數增加。在現有龐大的電力系統中，如何減少可靠性評估的計算時間已經成為時下研究的熱點。

由于傳統的可靠性評估方法需要對電力系統中的每一個元件進行窮舉掃描之后才能獲得可靠性指標，更關注的是故障掃描的范圍，而不是局部區域掃描的深度，對單個新建的規劃項目評估針對性不強，效率較低。同時電網公司更希望知道某個規劃項目的建設對于電網可靠性的提升主要體現在哪里，量化值為多少，以便把握每個項目的重要程度，確定各項目之間排序的最優化，并且在有限的資金內確定性價比最優的規劃方案。

基于以上背景，本發明提出面向單個規劃項目的可靠性評估，更關注的是某一個項目建設前后電網可靠性水平的變化情況，并提出了單個規劃項目的可靠性影響量化評估指標QRI。需要解決的關鍵技術問題是如何智能的識別出當一個規劃項目建設后，哪些故障對電網的影響發生了明顯的變化，并由此產生與項目相適應的多重擾動集合，用于可靠性影響的評估。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對上述現有技術中存在的問題，提出了一種基于相關線路集的預想故障集篩選算法，該方法能夠通過搜索每個項目群的相關線路集，用相關線路集組成可靠性評估的掃描故障集合，從而避免全局掃描故障，縮小了故障掃描的范圍，同時避免維數災的問題，達到快速計算可靠性指標的目的。

為達到上述發明的目的，本發明通過以下實施例的技術方案實現：

一種基于相關線路集的可靠性評估預想故障集搜索方法，包括如下步驟：

步驟S10，提出針對電力網絡的評估單個規劃項目建設的可靠性影響量化指標QRI，單個規劃項目包括有可靠性指標集合，其包括系統削減失負荷概率、期望負荷削減量和系統嚴重程度這三個可靠性指標，所述可靠性影響量化指標QRI為各可靠性指標的相對變化量加權的和值；

步驟S20，采用相關線路搜索算法，搜索電力網絡中在規劃項目建設前后有潮流變化的線路組成相關線路集，所述相關線路集是指在電網中某條支路因故障被切除后，受到該支路轉移潮流影響且與該支路兩端支點直接或間接相連的支路；搜索某一條規劃線路的相關線路集就是求該條線路的前k條最短路徑，即轉化為求從源節點到目的節點的前k條權值最小的路徑，這里路徑的權值是指路徑的阻抗值；

步驟S30，將篩選出的相關線路集作為對應的預想故障集，計算相應預想故障的可靠性指標，將各可靠性指標代入步驟S10求得可靠性影響量化指標QRI，所述預想故障集為計算各可靠性指標對應的故障集合。

所述可靠性影響量化評估指標QRI：

式中，QRI為可靠性影響量化評估指標；RI_i(before)為規劃項目建設前可靠性指標i的值；RI_i(after)為規劃項目建設后可靠性指標i的值；I為選取的可靠性指標集合；W_i為可靠性指標集合I中各個可靠性指標i的權重，并且滿足∑W_i＝1。

所述電力網絡具有網架數據，所述網架數據包括源節點Vs、目的節點Vt和支路編號。

進一步，所述步驟S20的相關線路搜索算法具體如下：

步驟S21，導入電力網絡的網架數據，并將網架數據構造成節點導納矩陣γ，以及由此形成的非負權值的拓撲圖；

步驟S22,設置第一數據表pathstr存儲搜索過程中的路徑信息，所述第一數據表pathstr包含四個字段，分別為節點名NA，到源節點的前驅節點集P，路徑節點總數L和總路徑長W；假設拓撲圖G有n個頂點，頂點集合為V＝{v₁,v₂……v_n}，m條邊的集合為E＝{e₁,e₂……e_m}，每一條邊e_i＝(v_x,v_y)對應非負權值w(v_x,v_y)，代表該條邊的權重，dist(v_x,v_y)表示從節點v_x到節點v_y的最短路徑值，定義R路徑的權是路徑R所包含邊的權重求和，記為

步驟S23，反復校核電網的實際規劃網架，確定最小阻抗倍數限制系數ε和路徑階數限制系數L_max；在電力系統中，如果該路徑的阻抗倍數限制系數ε對應的阻抗越大，受到潮流轉移的影響就越小，當阻抗大于一定值時，該路徑可以認為是不受影響的；同理，當該路徑中所包含的節點數目L_max超過一定數量后，可以認為該路徑因電氣距離過長而無效，L_max值和ε值都需要根據電網的實際規劃網架進行反復計算和校核后確定；本發明實施例所取參數根據對算例進行測算后定為：L_max＝12；ε＝4；

步驟S24，從源節點v_s出發，搜索其到目的節點v_t的最少節點路徑，以最先找到的路徑為最短路徑，其路徑長度dist(v_s,v_t)_{min node}，其中v_s,v_t分別為開斷支路的源節點和目的節點；

步驟S25，從目的節點v_t回溯搜索到其源節點v_s的路徑，求取前k條最短路徑，并將最終求得的路徑記錄在與第一數據表pathstr相同數據結構的第二數據表kpathstr中；

步驟S26,重新檢查第二數據表kpathstr所有路徑是否滿足其中表示源節點v_s到目的節點v_t的總路徑長度,為最短路徑的源節點v_s到目的節點v_t的總路徑長度，并刪除不滿足條件的路徑，最后第二數據表kpathstr中的所有路徑即為相關線路集。

進一步，所述步驟S24從源節點v_s出發的搜索包括：

步驟S241,初始化第一數據表pathstr為空，然后將節點v_s作為一條記錄放入第一數據表pathstr中，其字段信息為[v_s,null,0,0]；

步驟S242，在第n步循環中，找出第一數據表pathstr中路徑節點總數為n-1的所有節點v_n，對任意一個節點v_n，找出節點導納矩陣第n行或者第n列中所有不為0的節點v_j，且v_j不在v_n的前驅節點集中，所有這些節點v_j構成的集合為A；再將集合A中每個節點的信息存入第一數據表pathstr中，例如對v_j∈A，其字段信息為表示節點v_n的前驅節點集，表示節點v_n到源節點的路徑節點總數，表示節點v_n到源節點的總路徑長度；

步驟S243，判斷若v_j為目標節點v_t，則前驅節點集即為最短路徑，長度為若否，則判斷路徑節點總數是否大于路徑節點總數限制系數L_max，若階數大于L_max，則停止對v_j的深度搜索；反之，則重復步驟S242；如果集合A中所有節點的路徑節點總數都大于L_max，則認為路徑無解；若A為空集，說明該節點無相鄰節點，同樣認為該路徑無解。

進一步，所述步驟S25從目的節點v_t出發的搜索包括：

步驟S251，設在上一步中求得的最少節點路徑為最短路徑初始化第二數據表kpathstr為空集，清空第一數據表pathstr；將目的節點v_t的記錄[v_t,null,0,0]存入pathstr中；

步驟S252,在第N步循環中，找出第一數據表pathstr中路徑節點總數為N-1的所有節點v_N；

步驟S253,如果v_N的路徑節點總數大于最大階數限制L_max，則不再計算其相鄰節點；反之，設所有與v_N相鄰且不屬于前驅節點集的節點v_J構成集合B；如果則說明雖然階數未超過限制，但是路徑長度已經大于最少節點路徑長度的一定倍數，繼續搜索也不能成為前k條最短路徑，故該路徑可以終止；

步驟S254，若v_s∈B，則將該節點及其相關信息存入第二數據表kpathstr中；比較該路徑的權重值和若則更新最短路徑的權重值為反之，則保持最短路徑的權重不變；若則說明該路徑雖然大于最短路徑長度，但是在一定范圍內，可以暫時納入前k條最短路徑，并將有效路徑的信息存入第二數據表kpathstr中；若則為無效路徑；

步驟S255，如果則將B中所有元素v_J的信息更新后存入一第三數據表nextpathstr，以便進行下一步拓展搜索；v_J存入的信息為

步驟S256，判斷第一數據表pathstr中節點是否讀取完，若否返回步驟S252，如是則將第三數據表nextpathstr存入第一數據表pathstr中，清除第三數據表nextpathstr，置N＝N+1，返回步驟S251。

本發明的一種基于相關線路集的可靠性評估預想故障集搜索方法，具有如下有益效果：

針對傳統電網可靠性評估方法采用設定的故障集計算全網的可靠性指標針對性不強的問題，首先提出了單個規劃項目的可靠性影響量化評估指標QRI，來定量描述某一個規劃項目的建設對電網可靠性的貢獻率，同時提出了一種計算相關線路集來縮小電網預想故障集的方案，即通過前k條最短路徑搜索算法尋找某一規劃項目建設前后電網中產生可見潮流變化的線路集合組成預想故障集，以縮小故障搜索范圍。

附圖說明

圖1為本發明的基于相關線路集的可靠性評估預想故障集搜索方法的步驟圖。

圖2為本發明的基于相關線路集的可靠性評估預想故障集搜索方法的流程框圖。

圖3為IEEE39節點系統接線圖。

圖4為相關線路集在IEEE39節點系統接線圖中的位置示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部實施例。

參看圖1和圖2，分別為本發明實施例的基于相關線路集的可靠性評估預想故障集搜索方法的步驟圖和流程框圖。

一種基于相關線路集的可靠性評估預想故障集搜索方法，包括如下步驟：

步驟S10，提出針對電力網絡的評估單個規劃項目建設的可靠性影響量化指標QRI，單個規劃項目包括有可靠性指標集合，其包括系統削減失負荷概率LOLP、期望負荷削減量EENS和系統嚴重程度SI這三個可靠性指標，所述可靠性影響量化指標QRI為各可靠性指標的相對變化量加權的和值；

步驟S30，將篩選出的相關線路集作為對應的預想故障集，計算相應可靠性指標，將各可靠性指標代入步驟S10求得可靠性影響量化指標QRI，所述預想故障集為計算各可靠性指標對應的故障集合。

所述可靠性影響量化評估指標QRI：

步驟S10所述的系統削減失負荷概率、期望負荷削減量和系統嚴重程度這三個可靠性指標，各指標定義如下：

1)系統削減失負荷概率LOLP，表示由于系統元件容量不足導致失負荷的可能性的大小，其表達式：

式中，P(x)表示系統處于狀態x的概率，可以按下面的方式計算，對于元件k，設其故障率為λ_k(次/年)，修復率為μ_k(次/年)，平均修復時間為r_k(小時/次)，則有：

這只是一個元件的狀態概率，若電力系統中含有N個獨立元件，系統狀態概率則等于其中每個元件狀態概率的積；

2)期望負荷削減量EENS，表示系統每年平均電量缺供的多少，單位為MWh/年，其表達式為：

式中t(x)表示從故障系統狀態下x切負荷到恢復負荷供電的持續時間；L_v(x)表示在故障系統狀態x下，為將系統恢復到一個靜態安全運行點所必需的最小負荷削減量；

3)系統嚴重程度SI，其表達式為：

式中L_max為系統最大負荷，SI的單位是“系統分”，一個SI相當于全系統在最大負荷時停電1分鐘，是對系統故障嚴重程度的一種度量。

所述電力網絡具有網架數據，所述網架數據包括源節點Vs、目的節點Vt和支路編號。

作為一個具體實施例，結合圖1和圖2，所述步驟S20的相關線路搜索算法具體如下：

步驟S21，導入電力網絡的網架數據，并將網架數據構造成節點導納矩陣γ，以及由此形成的非負權值的拓撲圖；所述導入電力網絡的拓撲信息，對各個節點和支路進行編號并建立對應關系，導入各條支路的導納，形成節點導納矩陣，從而形成非負權值的拓撲圖，如式(6)所示，對節點導納考慮到計算的簡便，只取節點導納矩陣中各個元素的虛部，也就是說忽略電網中電阻的影響；

作為一個具體實施例，結合圖2所示，所述步驟S24從源節點v_s出發的搜索包括：

步驟S241,初始化第一數據表pathstr為空，然后將節點v_s作為一條記錄放入第一數據表pathstr中，其字段信息為[v_s,null,0,0]；

步驟S242，在第n步循環中，找出pathstr中路徑節點總數為n-1的所有節點v_n，對任意一個節點v_n，找出節點導納矩陣第n行或者第n列中所有不為0的節點v_j，且v_j不在v_n的前驅節點集中，所有這些節點v_j構成的集合為A；再將集合A中每個節點的信息存入pathstr中，例如對v_j∈A，其字段信息為表示節點v_n的前驅節點集，表示節點v_n到源節點的路徑節點總數，表示節點v_n到源節點的總路徑長度；

作為一個具體實施例，結合圖2所示，所述步驟S25從目的節點v_t出發的搜索包括：

步驟S252,在第N步循環中，找出第一數據表pathstr中路徑節點總數為N-1的所有節點v_N；

步驟S255，如果則將B中所有元素v_J的信息更新后存入一第三數據表nextpathstr，以便進行下一步拓展搜索；v_J存入的信息為

下面通過舉例驗算說明上述發明實施例的有益效果：

本實施例中，方法使用IEEE39節點系統作為仿真算例，仿真工具采用的是由中國電力科學研究院開發的PSD-BPA仿真軟件。IEEE39節點系統包括10臺發電機，46條支路(包括變壓器支路和線路支路)，39個節點，電壓等級100kV，系統接線圖如圖3所示。

限制條件設置：

假設在BUS_39和BUS_3之間規劃新建一條線路，設置的限制條件為，路徑階數為10，即路徑最多包含10個節點；最小阻抗限制倍數為4倍，即當搜索到的路徑長度大于當前最短路徑長度的4倍時，認為該路徑無效。

相關線路集搜索結果：

經過篩選后，BUS_39和BUS_3之間的前k條最短路徑為：

表1 BUS_39和BUS_3之間的前k條最短路徑

根據相關線路集的定義可知，前k條最短路徑中所包含的線路即組成相關線路集。因此在當前限制條件下相關線路集如下表所示。

表2 BUS_39-BUS_3規劃線路的相關線路集

相關線路集校驗：

為校驗潮流變化較大的支路是否為找出的這些支路，本方法通過BPA仿真軟件，對規劃線路建設前后IEEE39節點系統進行潮流計算，各條支路潮流變化如下表所示。

表3 規劃項目建設前后BPA仿真結果,單位/MW

通過上表的分析可知，在IEEE39節點系統中，當在節點BUS_3和BUS_39之間規劃新建一條線路時，線路潮流受該規劃線路影響的只有28條支路，占總支路數的60.1％，而且它們均處于新建線路附近，其余18條支路的有功功率沒有發生明顯變化，這就證明了當規劃新建一條線路時，其對潮流的影響確實只是在這條線路周圍一定范圍內。

對照表2，將通過本方法的相關線路集搜索算法找出的支路在表3中加粗顯示。當設置路徑階數為10，最小阻抗限制倍數為4倍時，所找到的線路只有17條，占有潮流變化的線路條數的60％。同時注意到其中包括了按潮流變化量由大到小排序的前50％的線路，說明方法能夠正確識別潮流轉移的位置。

限制條件修改：

為了提升相關線路集搜索的精度，將程序中的限制系數進行更改，具體為：路徑階數改為12階，最小阻抗限制倍數維持為4倍不變。

相關線路集搜索結果：

除了之前所得到的路徑之外，還可以搜索到另外5條路徑如下表所示。

表4 BUS_39和BUS_3之間的前k條最短路徑(L_max＝12；ε＝4)

此時相關線路集中將增加的線路如下表所示。

表5 BUS_39-BUS_3規劃線路的相關線路集(L_max＝12；ε＝4)

由上述兩表可知，當路徑節點限制增大之后，所找到的路徑數增多，其中包含的支路也就越多。當節點限制數由10增大到12時，相關路徑由原來的4條增加到9條，相關線路集合由原來的17條增加到27條。將表5中的線路依次在表3中找出相應的線路，此時相關線路集合中已經包含了28條有潮流變化線路中的27條，占到96.5％。而未納入相關線路集合中的線路為BUS_6到BUS_31，其有功功率變化量也僅有0.1MW，變化量相對較小。此時可以認為本方法所設置的兩個限制系數(節點限制數和最小阻抗限制倍數)，已經達到了能接受的精度范圍。

此時相關線路集在接線圖中的位置如圖4所示。

可靠性指標及QRI的計算：

本發明選取失負荷概率(LOLP)、期望負荷削減量(EENS)和系統嚴重程度(SI)3個可靠性指標組成可靠性指標集合，分別用相關線路集作預想故障集和全局掃描的方法來計算規劃項目建設前后系統可靠性的變化。

為了驗證本發明的正確性，需要進行4次可靠性計算：

(1)采用全局掃描評估原始網架的可靠性得到指標

(2)采用相關線路集作預想故障集評估原始網架的可靠性得到指標

(3)采用全局掃描評估新網架的可靠性得到指標

(4)采用相關線路集作預想故障集評估新網架的可靠性得到指標

計算結果如表6所示：

表6 可靠性指標計算結果

為了計算的簡便性，本發明采用平權的方法來計算指標QRI，分別采用相關線路集作預想故障集和全局掃描的方法計算得到的可靠性量化評估指標QRI如下所示：

分別用兩種方法計算得到的QRI指標結果非常接近，驗證了本發明的正確性和有效性。