一種用于挖掘電力網(wǎng)絡中脆弱節(jié)點和線路的方法
【專利摘要】一種用于挖掘電力網(wǎng)絡中脆弱節(jié)點和線路的方法，其特征在于，綜合考慮電力網(wǎng)絡的拓撲特性和電氣特性，對電網(wǎng)的脆弱節(jié)點和線路進行挖掘，包括以下步驟：建立電力網(wǎng)絡模型，建立網(wǎng)絡關鍵度指標，計算拓撲特性關鍵度指標和電氣特性關鍵度指標，計算綜合關鍵度指標，輸出關鍵度高的脆弱單元，脆弱度指標數(shù)值高的即為脆弱單元。本發(fā)明方法具有較高的效率，簡單方便易實現(xiàn)，使得電力網(wǎng)絡能量的傳輸過程得以量化，挖掘電力網(wǎng)絡中脆弱單元對連鎖故障的應急防控意義重大。
【專利說明】
一種用于挖掘電力網(wǎng)絡中脆弱節(jié)點和線路的方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于復雜電力網(wǎng)絡脆弱性分析領域，具體涉及一種用于挖掘電力網(wǎng)絡中脆 弱節(jié)點和線路的方法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)有關于復雜電力網(wǎng)絡的脆弱性挖掘是基于電力網(wǎng)絡脆弱性評估方法，實現(xiàn)關鍵 環(huán)節(jié)的辨識的一種"知識獲取"的過程。電力網(wǎng)絡的脆弱性評估分析主要有基于復雜系統(tǒng)理 論的電力網(wǎng)絡脆弱性評估、基于系統(tǒng)脆性理論的電力網(wǎng)絡脆弱性評估、基于風險理論的電 力網(wǎng)絡脆弱性評估等方法。復雜系統(tǒng)理論主要是研究網(wǎng)絡結(jié)構的復雜性，在相關理論的指 導下，我們可以從網(wǎng)拓撲結(jié)構入手來探尋脆弱性評估的方法，但是復雜系統(tǒng)理論太過偏重 于理論，往往與實際相結(jié)合的過程中，與實際的吻合度則是評估模型優(yōu)劣的關鍵。系統(tǒng)脆性 理論主要分析級聯(lián)失效的相關理論體系，主要是基于元胞自動機(cellular automata，CA) 模型。該方法從自組織臨界性出發(fā)，能夠有效分析電網(wǎng)繼發(fā)性故障問題。但是該方法忽略了 實際電網(wǎng)的結(jié)構特點，無法對相關方法和模型進行仿真實驗，因而也就無法應用到實踐中。 基于風險理論的電網(wǎng)脆弱性評估方法主要是通過定義風險形式一般記為:R = Pe X Ie。式中： R表示風險值;表示事故的概率;L表示事故的后果。再定義指標如:低電壓風險、綜合風險 等指標等，根據(jù)風險值及各個風險指標的大小來辨識電網(wǎng)中的脆弱單元。只不過該方法缺 乏全局觀念，僅僅適用于電網(wǎng)局部的脆弱性評估。
[0003] 現(xiàn)有的電網(wǎng)結(jié)構脆弱性辨識方法普遍基于網(wǎng)絡的結(jié)構特性進行挖掘，但是在節(jié)點 或線路狀態(tài)演化的情況下，因忽略的正常運營時候的電氣特性而顯得片面背離了實際情 況?，F(xiàn)有實現(xiàn)方案采用純拓撲的分析策略或者純電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析策略，考慮了電力網(wǎng)絡 的脆弱性分析的兩個極端的方向。前者以拓撲結(jié)構為研究對象，對電網(wǎng)結(jié)構中的節(jié)點進行 分析，提出了節(jié)點關鍵度評價指標，還建立了電網(wǎng)有權拓撲模型，后者建立了加權電網(wǎng)測度 模型，這一模型充分重視網(wǎng)絡結(jié)構中元件存在的重要性，對系統(tǒng)實際潮流的分布有著較為 準確的反映，并據(jù)此研究系統(tǒng)元件的關鍵度。同時該模型采用系統(tǒng)失負荷比率，在評估的時 候更加重視端負荷需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明基于上述缺點，以復雜網(wǎng)絡理論為基礎，對馬爾科夫鏈和影響模型進行有 效結(jié)合，以電網(wǎng)狀態(tài)的具體演化過程為基礎完成建模工作。本技術方案建立在復雜負載網(wǎng) 絡和馬爾科夫鏈以及影響模型原理基礎之上，綜合考慮單元的"屬性"及其與其它同質(zhì)單元 的"電氣距離"來表征該單元對網(wǎng)絡的"影響"，更加準確的刻畫電網(wǎng)狀態(tài)演化過程中的關鍵 單元。本發(fā)明對電氣特性與網(wǎng)絡拓撲特性進行了綜合性描述，對節(jié)點間產(chǎn)生的影響進行了 分析，在電壓的等級和節(jié)點類型不同的情況下，有效結(jié)合影響模型和馬爾科夫鏈，建立實現(xiàn) 實時狀態(tài)下的電網(wǎng)模擬仿真平臺，給電網(wǎng)的正常運行做出相應的預警。發(fā)明提出的以影響 模型具有的脆弱環(huán)節(jié)為基礎進行的識別為理論基礎，能夠拓展為多元件故障發(fā)生的情況。
[0005] 我們不能把電網(wǎng)的結(jié)構脆弱性分析與傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析混為一談，在基于 復雜網(wǎng)絡的方法進行結(jié)構脆弱性進行分析時，不要過于關注其潮流的大小，而是應該把焦 點聚焦在結(jié)構上固有的特點。我們知道，電能的輸送是從發(fā)電機發(fā)出，先流經(jīng)與其臨近的負 荷，再把電能輸送到遠處負荷。所以，單以功率大小作為區(qū)分的標準，過于片面。因此，為了 減小無效傳輸路徑對結(jié)果的影響，本發(fā)明不僅考慮了節(jié)點和線路的實際電力特性，同時還 考慮了節(jié)點和線路的拓撲結(jié)構，對電網(wǎng)的脆弱節(jié)點和線路進行挖掘。
[0006] 在分析電氣特性中，本發(fā)明選擇電納為權重。主要考慮兩方面:一是電納能體現(xiàn)出 兩點之間的電氣距離，即兩點之間的電納越大兩個節(jié)點空間距離越近，換言之，就是負載節(jié) 點距離發(fā)電節(jié)點越近，該負荷節(jié)點處于潮流上游，承擔的潮流越大，該負載節(jié)點越重要;二 是針對電網(wǎng)解列的情況，若兩點之間相連線路被切除，用電納表示為0,若用阻抗表示則為 〇〇〇
[0007] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：
[0008] 一種用于挖掘電力網(wǎng)絡中脆弱節(jié)點和線路的方法，其特征在于，綜合考慮電力網(wǎng) 絡的拓撲特性和電氣特性，對電網(wǎng)的脆弱節(jié)點和線路進行挖掘，包括以下步驟：
[0009] 步驟1，建立電力網(wǎng)絡模型，用加權鄰接矩陣W描述電力網(wǎng)絡為： (% (% …份m
[0010] W= % ：；' ^ (1) 毋N.i '，傲補、
[0011] 式中《ij為邊i-j的電納；
[0012] 步驟2,建立網(wǎng)絡關鍵度指標，使用邊介數(shù)表征線路在電力網(wǎng)絡中的重要度指標， 以支路的電納作為線路的權重，將節(jié)點間的聯(lián)接距離轉(zhuǎn)化為電氣距離；用線路介數(shù)對節(jié)點 作為支撐，通過節(jié)點的加權度和所有鄰居線路的線路介數(shù)的調(diào)和形式共同決定節(jié)點的重要 度；
[0013] 步驟3,計算拓撲特性關鍵度指標和電氣特性關鍵度指標，其中，計算線路的拓撲 特性關鍵度指標和電氣特性關鍵度包括以下步驟：
[0014] 步驟3.1.1，將節(jié)點分成負荷節(jié)點和發(fā)電節(jié)點兩類；
[0015] 步驟3.1.2,計算線路的拓撲權重定義拓撲權重在數(shù)值上等于線路i-j的邊 介數(shù)Bij，
(2)
[0017] 其中，ij表示負荷節(jié)點對，N表示電網(wǎng)中的負荷節(jié)點集Akdu)和&分別表示經(jīng)過 線路lu的最短路徑數(shù)目和所有最短路徑數(shù)目；
[0018] 步驟3.1.3,根據(jù)發(fā)電-負荷節(jié)點對最大承載負荷能力求線路的電氣特性權重^ .，
(3) (4)
[0021] 其中，￥^表示線路i-j的自電納;表示負荷節(jié)點i和負荷節(jié)點j分別到發(fā)電節(jié) 點g和g'的阻抗矩陣最短路徑的最小值，再通過式(4)轉(zhuǎn)換成的電納，ZU表示負荷節(jié)點i到 發(fā)電節(jié)點g的總阻抗;Pi表示節(jié)點的承載負荷能力，it丨表示為負荷節(jié)點i與發(fā)電節(jié)點g之間 的最大承載負荷能力；表示為負荷節(jié)點j與發(fā)電節(jié)點f之間的最大承載負荷能力，其具 體表達式如下：
[0022] C =mSLJL | (5)
[0023] P：-J' = max
[0024] 步驟3.1.4,求出各線路i_j的關鍵度。
[0025] (6):
[0026] ij表示負荷節(jié)點對，表示拓撲權重，表示電氣特性權重；
[0027] 計算節(jié)點的拓撲特性關鍵度指標和電氣特性關鍵度包括以下步驟：
[0028] 步驟3.2.1，將節(jié)點分成負荷節(jié)點和發(fā)電節(jié)點兩類；
[0029] 步驟3.2.2,求得節(jié)點i基準度
'Di是節(jié)點i的度數(shù)，〈k〉是整個電力網(wǎng)絡的 平均度數(shù);求得節(jié)點i所有鄰居線路r (i))的邊介數(shù)，再求得線路支撐節(jié)點的拓撲 權重表示由節(jié)點i所有鄰居線路i-j(jer(i))的邊介數(shù)S &支撐節(jié)點i基準馬的關 鍵程度，具體公式如下：
(7)
[0031]步驟3.2.3,根據(jù)發(fā)電-負荷節(jié)點對最大承載負荷能力求節(jié)點的電氣特性權重Wf，
(8) (9)
[0034] 其中是通過di jkstra最短路算法求得每一對發(fā)電-負荷節(jié)點對的最小阻抗組 合路徑，通過式(9)再轉(zhuǎn)換成的電納；表示"發(fā)電-負荷"節(jié)點對i-g之間的最小阻抗路徑 的總阻抗; 丨表示為負荷節(jié)點i與發(fā)電節(jié)點g最大承載負荷能力；
[0035] 步驟3.2.4:求出各節(jié)點的關鍵度:， _6] Ux吖 u〇)
[0037]其中，M為拓撲權重，WiG表示電氣特性權重；
[0038] 步驟四，計算綜合關鍵度指標；
[0039] 根據(jù)線路的關鍵度蹲,《_計算線路影響矩陣元素屯，并將其定義為線路脆弱度指 標 (11)
[0041]根據(jù)節(jié)點的關鍵度求線路影響矩陣元素cU，并將其定義為節(jié)點脆弱度指標
(12)
[0043]步驟五，輸出關鍵度高的脆弱單元，脆弱度指標數(shù)值高的即為脆弱單元。
[0044] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的具有以下有益效果：
[0045] 本發(fā)明基于影響模型與馬爾科夫鏈的方法，以復雜網(wǎng)絡理論為基礎，對馬爾科夫 鏈和影響模型進行有效結(jié)合，以電網(wǎng)狀態(tài)的具體演化過程為基礎完成建模工作，進行相應 的計算，最終求得電網(wǎng)節(jié)點的關鍵度大小，通過此算法具有較高的效率，簡單方便易實現(xiàn)。 以輸電線路介數(shù)和節(jié)點度數(shù)為基礎，對網(wǎng)格節(jié)點間的影響因子進行定義，并且對電力網(wǎng)絡 具有的兩個特性：電氣特性和拓撲特性給予充足的考慮，然后對電網(wǎng)的整體脆弱性進行評 估，對以往拓撲結(jié)構模型僅對節(jié)點拓撲連線之間關系給予關注這一情況作出了彌補。對電 氣關鍵度和等效拓撲關鍵度進行綜合處理，完成對節(jié)點間產(chǎn)生的影響進行定量的描述，建 立實現(xiàn)同實際相符合的系統(tǒng)狀態(tài)演化模型，方法簡易可行。本發(fā)明的方法使得電力網(wǎng)絡能 量的傳輸過程得以量化，挖掘電力網(wǎng)絡中脆弱單元對連鎖故障的應急防控意義重大，
【附圖說明】
[0046] 圖1為IEEE-39節(jié)點系統(tǒng)；
[0047]圖2為本發(fā)明方法流程圖；
[0048]圖3為線路的關鍵程度的分布；
[0049]圖4為節(jié)點的關鍵程度分布圖；
[0050]圖5為脆弱線路的分布圖；
[0051 ]圖6為脆弱節(jié)點的分布圖；
[0052]圖7為線路關鍵度計算流程圖；
[0053]圖8為節(jié)點關鍵度計算流程圖。
【具體實施方式】
[0054]下面，結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0055] 挖掘電力網(wǎng)中脆弱單元對連鎖故障的應急防控意義重大，本發(fā)明提出的方法使得 能量的傳輸過程得以量化，并在標準的IEEE-39節(jié)點系統(tǒng)網(wǎng)絡上進行了測試，如附圖1所示。 仿真結(jié)果表明，本發(fā)明挖掘出的脆弱線路大多位于系統(tǒng)重要輸電通道上，挖掘出的脆弱節(jié) 點具有對能量轉(zhuǎn)移其較大的承載分配作用。圖1是IEEE-39節(jié)點標準測試系統(tǒng)的拓撲結(jié)構， 網(wǎng)絡節(jié)點共有39個，線路46條，其中發(fā)電節(jié)點Ng= 10個，負荷節(jié)點Nl = 29個。通過本發(fā)明提出 的脆弱源挖掘方法，對IEEE-39節(jié)點標準測試系統(tǒng)進行分析，得到了各條線路以及各個節(jié)點 的關鍵程度。
[0056] 圖2是本發(fā)明方法的流程圖，圖7是本發(fā)明方法的線路關鍵度計算流程，根據(jù)流程 計算如下：
[0057]步驟一:根據(jù)式(2)計算線路的拓撲權重結(jié)果如下：
[0058] 表1 IEEE39各個線路的拓撲權重
[0061]步驟二：由公式(3)，根據(jù)"發(fā)電-負荷"節(jié)點對最大承載負荷能力求線路的電氣特 性權重
[0062] 表2 IEEE39各個線路的電氣權重
[0065]步驟三:根據(jù)式(6)求出各線路i-j的關鍵度 [0066] 表3 IEEE39各個線路的關鍵程度

[0068]步驟四：根據(jù)(11)求得各線路的脆弱性指標du。 [0069]表4 IEEE39各個線路的脆弱性指標

[0072] 由上表我們可以看到，線路的脆弱性指標突出的線路為15-16、16_17等，從其分布 圖上可以更加一目了然，線路的脆弱度分布圖如圖3所示。
[0073] 我們依據(jù)線路的脆弱性指標，將線路降序排序，排在前10名的線路如下表所示：
[0074] 表5 IEEE39各脆弱線路辨識結(jié)果
[0076]由圖1可以看到，發(fā)電廠向負荷區(qū)域輸送電能，其中15-16、16-17、16-24、5-6、13_ 14、2_3等線路都是負荷中心的關鍵線路。
[0077] 同理，圖8是本發(fā)明方法的節(jié)點關鍵度計算流程，根據(jù)流程計算如下：
[0078] 步驟一:根據(jù)式(7)計算線路的拓撲權重\結(jié)果如下：
[0079] 表6 IEEE39各個節(jié)點的拓撲權重
[0081]步驟二：由公式(8)，根據(jù)"發(fā)電-負荷"節(jié)點對最大承載負荷能力求線路的電氣特 性權重WiG
[0082] 表7 IEEE39各個節(jié)點的電氣權重

[0084]步驟三:根據(jù)式(10)求出各線路i-j的關鍵度 [0085] 表8 IEEE39各個節(jié)點關鍵程度
[0088]步驟四：根據(jù)(12)求得各節(jié)點脆弱性指標d1:
[0089]表9 IEEE39各個節(jié)點的脆弱性指標
[0091]也得到節(jié)點脆弱性指標排序前10名的節(jié)點清單，如下表所示： [0092]表10 IEEE39各脆弱負載節(jié)點辨識結(jié)果
[0094] 由上表我們可以看到，節(jié)點的關鍵程度突出的為16、14、4等節(jié)點，其關鍵程度分布 如圖4所示。
[0095] 由圖1也可以看到，發(fā)電廠向負荷區(qū)域輸送電能，其中16、14、4、5、17等節(jié)點都是負 荷中心的關鍵節(jié)點。它們對電能潮流的分配占據(jù)著樞紐的地位；同時對比線路關鍵程度的 結(jié)果，也可以發(fā)現(xiàn)，重要線路共同端點也能側(cè)面體現(xiàn)出重要的節(jié)點分布，這與本發(fā)明中的辨 識方法得出的結(jié)果一致。
[0096] 通過本發(fā)明的方法，很容易能夠挖掘出更脆弱的線路，同時我們還發(fā)現(xiàn)了一個有 意思的現(xiàn)象，在識別出來的脆弱線路中，它們的節(jié)點編號是連續(xù)的。這樣我們就可以由此挖 掘出一條脆弱的路徑出來，如圖5所示。同理，在識別出來的脆弱節(jié)點中，將它們的節(jié)點編號 連點成線，這樣我們就可以得到一條與線路脆弱性挖掘同樣的脆弱的路徑出來(3號節(jié)點排 序為12故用虛線表不），如圖6所不。
[0097] 從圖5中可以看到，這條脆弱路徑處于各個發(fā)電機輻射的中心位置，它不僅承接著 各個最近臨發(fā)電機的輸送潮流，同時還起到能量匯集、融合、分配、轉(zhuǎn)換的樞紐作用。從圖6 中我們依然可以看到，依據(jù)節(jié)點脆弱性挖掘得到的脆弱節(jié)點連線之后得到的脆弱路徑與線 路脆弱性挖掘的到的結(jié)果是相同的，同時也相互證實了本發(fā)明提出方法的合理有效性。
【主權項】
1. 一種用于挖掘電力網(wǎng)絡中脆弱節(jié)點和線路的方法，其特征在于，綜合考慮電力網(wǎng)絡 的拓撲特性和電氣特性，對電網(wǎng)的脆弱節(jié)點和線路進行挖掘，包括以下步驟： 步驟〗，津立電力網(wǎng)絡植型，用加叔鄰梓矩陣W描述電力網(wǎng)絡為： ⑴式甲的電納； 步驟2,建立網(wǎng)絡關鍵度指標，使用邊介數(shù)表征線路在電力網(wǎng)絡中的重要度指標，以支 路的電納作為線路的權重，將節(jié)點間的聯(lián)接距離轉(zhuǎn)化為電氣距離；用線路介數(shù)對節(jié)點作為 支撐，通過節(jié)點的加權度和所有鄰居線路的線路介數(shù)的調(diào)和形式共同決定節(jié)點的重要度； 步驟3,計算拓撲特性關鍵度指標和電氣特性關鍵度指標，其中，計算線路的拓撲特性 關鍵度指標和電氣特性關鍵度包括以下步驟： 步驟3.1.1，將節(jié)點分成負荷節(jié)點和發(fā)電節(jié)點兩類；步驟3.1.2,計算線路的拓撲權重Aij，定義拓撲權重Aij在數(shù)值上等于線路i-j的邊介數(shù) Bij， ⑵ 其中，ij表示負荷節(jié)點對，N表示電網(wǎng)中的負荷節(jié)點集Ak(Ilj)和分別表示經(jīng)過線路 Ilj的最短路徑數(shù)目和所有最短路徑數(shù)目；步驟33，枏據(jù)發(fā)電-傷荷節(jié)點對最女承裁傷荷能力求線路的電氣特性權重^， ⑶： (4)步驟3.1.4,求出各線路i-j的關鍵度。 其中，Yij表示線路i-j的自電納；GTe表示負荷節(jié)點i和負荷節(jié)點j分別到發(fā)電節(jié)點g和 f的阻抗矩陣最短路徑的最小值，再通過式(4)轉(zhuǎn)換成的電納，Z1I表示負荷節(jié)點i到發(fā)電節(jié) 點g的總阻抗;Pi表示節(jié)點的承載負荷能力，表示為負荷節(jié)點i與發(fā)電節(jié)點g之間的最大 承載負荷能力；表示為負荷節(jié)點j與發(fā)電節(jié)點f之間的最大承載負荷能力，其具體表達 式如下： (5) ㈤： ij表示負荷節(jié)點對，表示拓撲權重，表示電氣特性權重； 計算節(jié)點的拓撲特性關鍵度指標和電氣特性關鍵度包括以下步驟： 步驟3.2.1，將節(jié)點分成負荷節(jié)點和發(fā)電節(jié)點兩類； 步驟3.2.2,求得節(jié)點i基準度& = 是節(jié)點i的度數(shù)，〈k〉是整個電力網(wǎng)絡的平均 度數(shù);求得節(jié)點i所有鄰居線路Γ (i))的邊介數(shù)，再求得線路支撐節(jié)點的拓撲權重 A1J1表示由節(jié)點i所有鄰居線路Γ (i))的邊介數(shù)支撐節(jié)點i基準互的關鍵程 度，具體公式如下：(7)步驟3.9 1相粗男·由-布辟書占如·最大承載負荷能力求節(jié)點的電氣特性權重Rf， (S) (9) 其中，是通過dijkstra最短路算法求得每一對發(fā)電-負荷節(jié)點對的最小阻抗組合路 徑，通過式(9)再轉(zhuǎn)換成的電納；Z;=表示"發(fā)電-負荷"節(jié)點對i-g之間的最小阻抗路徑的總 阻抗;/丨=表示為負荷節(jié)點i與發(fā)電節(jié)點g最大承載負荷能力； 步驟3.2.4:龍出各節(jié)點的關鍵度，(10) 其中，Ai為拓撲權重，Wie表示電氣特性權重； 步驟四，計算綜合關鍵度指標； 根據(jù)線路的關鍵度計算線路影響矩陣元素 du，并將其定義為線路脆弱度指標(U) 根據(jù)節(jié)點的關鍵度求線路影響矩陣元素 cU，并將其定義為節(jié)點脆弱度指標(12) 步驟五，輸出關鍵度高的脆弱單元，脆弱度指標數(shù)值高的即為脆弱單元。
【文檔編號】G06F19/00GK105893740SQ201610186085
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年3月29日
【發(fā)明人】黃金才, 李帥, 程光權, 韓養(yǎng)勝, 謝福利, 陸永中, 修保新, 陳超
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學