電網潮流安全預測裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種電網潮流安全預測裝置及方法，該裝置包括數據采集處理模塊、概率潮流計算模塊、分析預警模塊，采集電網網絡拓撲信息及節點注入功率數據，對節點注入功率數據進行識別處理，根據所得到的網絡拓撲信息及處理后的節點注入功率數據建立概率潮流計算算法。本發明所得的概率潮流計算的結果為各節點注入電壓及各支路潮流分布函數，與電網各節點電壓與各支路潮流的限值作比較，可得到電網各節點電壓與各支路潮流越限的概率，從而達到預測電網潮流安全以及預警潮流最大可能越限位置的目的。
【專利說明】電網潮流安全預測裝置及方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力系統分析領域，涉及一種電網潮流安全預測裝置及方法，提供可 計及節點注入功率變量相關性的快速概率潮流預測方法。
【背景技術】
[0002] 風力發電、光伏發電等可再生能源發電由于其巨大的環境效益逐漸受到關注，但 隨著可再生能源發電不斷并入電網，由于其間歇特性，加劇了系統的不確定性。傳統的確定 性潮流計算方法只能反映電力系統在某種確定工況下的穩態運行狀況，不能用于計及不確 定性因素場景的分析，而概率潮流計算方法是解決這一問題的有效工具。
[0003] 概率潮流計算方法最先是由Borkowska在1974年提出的，概率潮流計算實質是求 解含有隨機參數的潮流方程。其中，輸入隨機變量為網絡結構和節點注入的有功和無功功 率（其不確定性來源于負荷的波動、可再生能源發電出力的波動和發電機的停運）。輸出隨 機變量包括狀態輸出隨機變量（即節點電壓幅值和相角）和支路潮流。解概率潮流方程的 過程就是根據輸入隨機變量的期望值、方差或概率分布來確定輸出隨機變量的期望值、方 差或概率分布。
[0004] 目前，概率潮流計算方法大致分為蒙特卡羅模擬法、點估計法以及解析法。蒙特卡 羅模擬法雖然可以得到很高的精度，但是其計算時間太長，難以滿足實際要求；點估計法雖 然計算時間短，但輸出隨機變量的高階矩誤差較大且不能得到輸出隨機變量的概率分布； 解析法大多基于輸入隨機變量是相互獨立的基礎上，雖然有部分方法考慮了輸入隨機變量 的相關性，但是迭代次數過多。如何兼顧輸入隨機變量的相關性與計算速度，是目前概率潮 流計算方法所需解決的問題。
【發明內容】
[0005] 技術問題：本發明提供一種既考慮節點注入功率變量之間的相關性，又減少迭代 次數的電網潮流安全預測裝置，同時提供一種電網潮流安全預測方法。
[0006] 技術方案：本發明的電網潮流安全預測裝置，包括數據采集處理模塊、概率潮流計 算模塊、分析預警模塊；
[0007] 所述數據采集處理模塊，首先采集電網的網絡拓撲信息和節點注入功率數據，所 述電網的網絡拓撲信息包括系統節點編號、支路編號、節點性質、支路阻抗、線路對地電納 和變壓器變比，然后根據節點注入功率數據中的節點注入功率標志，判斷節點注入功率是 否為具有相關性的隨機變量，如是，則讀入具有相關性的隨機變量與相關的其他隨機變量 之間的相關系數；
[0008] 所述概率潮流計算模塊，根據具有相關性的節點注入功率的變量，確定獨立隨機 變量變化的各階累積量，然后結合原始節點注入功率中的獨立隨機變量，計算得到節點電 壓變化的各階累積量，進而得到節點電壓變化分布函數和支路潮流變化分布函數；同時結 合根據確定性潮流計算得到節點電壓確定值和支路潮流確定值，最終得到節點電壓分布函 數和支路潮流分布函數；
[0009] 所述的分析預警模塊，依據節點電壓的分布函數和支路潮流的分布函數，與電網 節點電壓與支路潮流的限值作比較，得到節點電壓與支路潮流的越限概率，并傳達到電網 調度中心。
[0010] 本發明裝置的優選方案中，概率潮流計算模塊中，確定獨立隨機變量變化的各階 累積量的具體流程為：
[0011] 首先對具有相關性的節點注入功率的變量，利用三階多項式正態變換建立樣本 矩陣，根據對具有相關性的節點注入功率變量的相關系數矩陣進行Cholesky分解所得的 下三角矩陣，將具有相關性的節點注入功率的變量樣本矩陣轉換為獨立隨機變量的樣本矩 陣；
[0012] 然后計算出各獨立隨機變量的期望值，將獨立隨機變量的樣本矩陣減去各獨立隨 機變量的期望值，得到獨立隨機變量變化的樣本矩陣；最后計算出獨立隨機變量變化的各 階累積量。
[0013] 本發明裝置的優選方案中，概率潮流計算模塊中，節點電壓變化的各階累積量通 過Cholesky分解所得的下三角矩陣修正概率潮流計算公式計算得到，具體流程為 ：
[0014] 1)根據確定性潮流計算所得的節點電壓確定值及節點電流確定值建立PV節點注 入功率影響下的概率潮流公式，然后利用PV節點下三角矩陣修正所述PV節點注入功率影 響下的概率潮流計算公式，得到修正的概率潮流計算公式如下：
[0015]
【權利要求】
1. 一種電網潮流安全預測裝置，其特征在于，該裝置包括數據采集處理模塊、概率潮流 計算模塊、分析預警模塊； 所述數據采集處理模塊，首先采集電網的網絡拓撲信息和節點注入功率數據，所述電 網的網絡拓撲信息包括系統節點編號、支路編號、節點性質、支路阻抗、線路對地電納和變 壓器變比，然后根據節點注入功率數據中的節點注入功率標志，判斷節點注入功率是否為 具有相關性的隨機變量，如是，則讀入具有相關性的隨機變量與相關的其他隨機變量之間 的相關系數； 所述概率潮流計算模塊，根據具有相關性的節點注入功率的變量，確定獨立隨機變量 變化的各階累積量，然后結合原始節點注入功率中的獨立隨機變量，計算得到節點電壓變 化的各階累積量，進而得到節點電壓變化分布函數和支路潮流變化分布函數；同時結合根 據確定性潮流計算得到節點電壓確定值和支路潮流確定值，最終得到節點電壓分布函數和 支路潮流分布函數； 所述的分析預警模塊，依據節點電壓的分布函數和支路潮流的分布函數，與電網節點 電壓與支路潮流的限值作比較，得到節點電壓與支路潮流的越限概率，然后分析電網潮流 安全，并預警潮流可能越限位置。
2. 根據權利要求1所述的電網潮流安全預測裝置，其特征在于，所述概率潮流計算模 塊中，確定獨立隨機變量變化的各階累積量的具體流程為： 首先對具有相關性的節點注入功率的變量，利用三階多項式正態變換建立樣本矩陣， 根據對具有相關性的節點注入功率變量的相關系數矩陣進行Cholesky分解所得的下三角 矩陣，將具有相關性的節點注入功率的變量樣本矩陣轉換為獨立隨機變量的樣本矩陣； 然后計算出各獨立隨機變量的期望值，將獨立隨機變量的樣本矩陣減去各獨立隨機變 量的期望值，得到獨立隨機變量變化的樣本矩陣；最后計算出獨立隨機變量變化的各階累 積量。
3. 根據權利要求1或2所述的電網潮流安全預測裝置，其特征在于，所述概率潮流計算 模塊中，節點電壓變化的各階累積量通過Cholesky分解所得的下三角矩陣修正概率潮流 計算公式計算得到，具體流程為 ： 1)根據確定性潮流計算所得的節點電壓確定值及節點電流確定值建立PV節點注入功 率影響下的概率潮流公式，然后利用PV節點下三角矩陣修正所述PV節點注入功率影響下 的概率潮流計算公式，得到修正的概率潮流計算公式如下：
再通過所述修正的概率潮流計算公式得到PV節點注入功率影響下的PV節點電壓實部 變化的各階累積量
、PQ節點電壓實部變化的各階累積量
和PQ節點電壓 虛部變化的各階累積量
根據下式計算PV節點注入功率影響下的PV節點電壓虛部變化的各階累積量
其中為修正的系統導納矩陣，V表示累積量的階數，
表示修正的PV節點注 入有功變化的各階累積量，表示PV節點電壓實部確定值，表示PV節點電壓虛部確定 值； 2) 根據確定性潮流計算所得的節點電壓確定值及節點電流確定值建立PQ節點注入功 率影響下的概率潮流公式，然后利用PQ節點下三角矩陣修正PQ節點注入功率影響下的概 率潮流計算公式，得到修正的概率潮流計算公式如下：
再通過所述修正的概率潮流計算公式得到PQ節點注入功率影響下的PQ節點電壓實部 變化的各階累積量
和PQ節點電壓虛部變化的各階累積量
其中
為修正的系統導納矩陣的分塊矩陣，v表示累積量的階數，Δ/f 1表示修正 的PQ節點注入有功變化的各階累積量，表示修正的PQ節點注入無功變化的各階 累積量；
3) 根據所述步驟1)得到的PV節點注入功率影響下的PQ節點電壓實部變化的各階累 積量
和所述步驟2)得到的PQ節點注入功率影響下的PQ節點電壓實部變化的各 階累積量
，利用下式計算得到PQ節點電壓實部變化的各階累積量
根據所述步驟1)得到的PV節點注入功率影響下的PQ節點電壓虛部變化的各階累積 量和所述步驟2)得到的PQ節點注入功率影響下的PQ節點電壓虛部變化的各階 累積量，利用下式計算得到PQ節點電壓實部變化的各階累積量
4.根據權利要求1或2所述的電網潮流安全預測裝置，其特征在于，所述概率潮流計算 模塊中，按照如下流程得到節點電壓變化的分布函數和支路潮流變化的分布函數： 通過Gram-Charlier級數展開得到節點電壓變化的分布函數FVK(A VK), FVM(A VM),其 中FVK(AVK)表示節點電壓實部變化的分布函數，Fvm(AV m)表示節點電壓虛部變化的分布函 數，表示節點電壓實部變化，AVM表示節點電壓虛部變化；同時根據所述節點電壓變化 的各階累積量，得到支路潮流變化的各階累積量，然后通過Gram-Charlier級數展開得到 支路潮流變化的分布函數F P ( Λ PB)，FQ ( Λ QB)，其中FP( Λ PB)表示支路有功變化的分布函數， Fq(AQb)表示支路無功變化的分布函數，ΛΡΒ表示支路有功變化，AQ B表示支路無功變化； 所述概率潮流計算模塊中，按照如下方法計算得到節點電壓確定值和支路潮流確定 值：計算出節點注入功率的變量的期望值，將節點注入功率的變量的期望值和節點注入功 率的確定量作為輸入量進行確定性潮流計算，得到節點電壓的確定值和支路潮流的 確定值ft，其中&表示節點電壓實部確定值，表示節點電壓虛部確定值，芎表示支 路有功確定值，么表示支路無功確定值； 所述概率潮流計算模塊中，根據下式計算得到節點電壓的分布函數FVK (VK)，FVM (VM):
其中，FVK(VK)表示節點電壓實部的分布函數，Fvm(Vm)表示節點電壓虛部的分布函數， 表示節點電壓實部，&表示節點電壓虛部； 根據下式計算得到支路潮流的分布函數Fp(Pb)，Fq(Qb) :
其中Fp(PB)表示支路有功分布函數，Fq(Qb)表示支路無功分布函數，P B表示支路有功， QB表示支路無功。
5. -種電網潮流安全預測方法，其特征在于，該方法包括依次進行的數據采集處理步 驟、概率潮流計算步驟、分析預警步驟； 所述數據采集處理步驟，首先采集電網的網絡拓撲信息和節點注入功率數據，所述電 網的網絡拓撲信息包括系統節點編號、支路編號、節點性質、支路阻抗、線路對地電納和變 壓器變比，然后根據節點注入功率數據中的節點注入功率標志，判斷節點注入功率是否為 具有相關性的隨機變量，如是，則讀入具有相關性的隨機變量與相關的其他隨機變量之間 的相關系數； 所述概率潮流計算步驟，根據具有相關性的節點注入功率的變量，確定獨立隨機變量 變化的各階累積量，然后結合原始節點注入功率中的獨立隨機變量，計算得到節點電壓變 化的各階累積量，進而得到節點電壓變化分布函數和支路潮流變化分布函數；同時結合根 據確定性潮流計算得到節點電壓確定值和支路潮流確定值，最終得到節點電壓分布函數和 支路潮流分布函數； 所述的分析預警步驟，依據節點電壓的分布函數和支路潮流的分布函數，與電網節點 電壓與支路潮流的限值作比較，得到節點電壓與支路潮流的越限概率，然后分析電網潮流 安全，并預警潮流可能越限位置。
6. 根據權利要求5所述的電網潮流安全預測方法，其特征在于，所述概率潮流計算步 驟中，確定獨立隨機變量變化的各階累積量的具體流程為： 首先對具有相關性的節點注入功率的變量，利用三階多項式正態變換建立樣本矩陣， 根據對具有相關性的節點注入功率變量的相關系數矩陣進行Cholesky分解所得的下三角 矩陣，將具有相關性的節點注入功率的變量樣本矩陣轉換為獨立隨機變量的樣本矩陣； 然后計算出各獨立隨機變量的期望值，將獨立隨機變量的樣本矩陣減去各獨立隨機變 量的期望值，得到獨立隨機變量變化的樣本矩陣；最后計算出獨立隨機變量變化的各階累 積量。
7. 根據權利要求5或6所述的電網潮流安全預測方法，其特征在于，所述概率潮流計算 步驟中，節點電壓變化的各階累積量通過Cholesky分解所得的下三角矩陣修正概率潮流 計算公式計算得到，具體流程為： 1) 根據確定性潮流計算所得的節點電壓確定值及節點電流確定值建立PV節點注入功 率影響下的概率潮流公式，然后利用PV節點下三角矩陣修正所述PV節點注入功率影響下 的概率潮流計算公式，得到修正的概率潮流計算公式如下：
再通過所述修正的概率潮流計算公式得到PV節點注入功率影響下的PV節點電壓實部 變化的各階累積量
、PQ節點電壓實部變化的各階累積量
和PQ節點電壓 虛部變化的各階累積量
根據下式計算PV節點注入功率影響下的PV節點電壓虛部變化的各階累積量
其中為修正的系統導納矩陣，v表示累積量的階數，表示修正的PV節點注 入有功變化的v階累積量，〖I表示PV節點電壓實部確定值，fei/表示PV節點電壓虛部確定 值； 2) 根據確定性潮流計算所得的節點電壓確定值及節點電流確定值建立PQ節點注入功 率影響下的概率潮流公式，然后利用PQ節點下三角矩陣修正PQ節點注入功率影響下的概 率潮流計算公式，得到修正的概率潮流計算公式如下：
再通過所述修正的概率潮流計算公式得到PQ節點注入功率影響下的PQ節點電壓實部 變化的各階累積量
和PQ節點電壓虛部變化的各階累積量
其中
為修正的系統導納矩陣的分塊矩陣，v表示累積量的階數，
表示修正 的PQ節點注入有功變化的各階累積量，
表示修正的PQ節點注入無功變化的各階 累積量； 3) 根據所述步驟1)得到的PV節點注入功率影響下的PQ節點電壓實部變化的各階累 積量
和所述步驟2)得到的PQ節點注入功率影響下的PQ節點電壓實部變化的各 階累積量
，利用下式計算得到PQ節點電壓實部變化的各階累積量：
根據所述步驟1)得到的PV節點注入功率影響下的PQ節點電壓虛部變化的各階累積 量
和所述步驟2)得到的PQ節點注入功率影響下的PQ節點電壓虛部變化的各階 累積量
，利用下式計算得到PQ節點電壓實部變化的各階累積量
8.根據權利要求5或6所述的電網潮流安全預測方法，其特征在于，所述概率潮流計算 步驟中，按照如下流程得到節點電壓變化的分布函數和支路潮流變化的分布函數： 通過Gram-Charlier級數展開得到節點電壓變化的分布函數FVK(A VK), FVM(A VM),其 中FVK(AVK)表示節點電壓實部變化的分布函數，Fvm(AV m)表示節點電壓虛部變化的分布函 數，表示節點電壓實部變化，AVM表示節點電壓虛部變化；同時根據所述節點電壓變化 的各階累積量，得到支路潮流變化的各階累積量，然后通過Gram-Charlier級數展開得到 支路潮流變化的分布函數F P ( Λ PB)，FQ ( Λ QB)，其中FP( Λ PB)表示支路有功變化的分布函數， Fq(AQb)表示支路無功變化的分布函數，ΛΡΒ表示支路有功變化，AQ B表示支路無功變化； 所述概率潮流計算模塊中，按照如下方法計算得到節點電壓確定值和支路潮流確定 值：計算出節點注入功率的變量的期望值，將節點注入功率的變量的期望值和節點注入功 率的確定量作為輸入量進行確定性潮流計算，得到節點電壓的確定值和支路潮流的 確定值匕么，其中&表示節點電壓實部確定值表示節點電壓虛部確定值，芎表示支 路有功確定值，包表示支路無功確定值； 所述概率潮流計算模塊中，根據下式計算得到節點電壓的分布函數FVK (VK)，FVM (VM):
其中，FVK(VK)表示節點電壓實部的分布函數，Fvm(Vm)表示節點電壓虛部的分布函數，匕 表示節點電壓實部，匕表示節點電壓虛部； 根據下式計算得到支路潮流的分布函數Fp(Pb)，Fq(Qb) :
其中Fp(PB)表示支路有功分布函數，Fq(Qb)表示支路無功分布函數，P B表示支路有功， QB表示支路無功。
【文檔編號】H02J3/00GK104158190SQ201410454058
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年9月5日 優先權日:2014年9月5日
【發明者】喻潔, 仇式鹍, 梅軍 申請人:東南大學