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第41卷第21期2013年11月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVO1.41N0.2lNOV.1,2013基于负荷变化趋势的继发性故障预警及调整毛安家,杨浩(华北电力大学电气与电子工程学院,北京102206)摘要:现代电力系统具有结构复杂、子系统联系紧密、运行态势复杂多变等特点。因此,传统基于单一时间断面的1分析结果不足以保证系统运行安全。以节点负荷预测为基础,提出了一种基于时间过程的、能够考虑负荷变化趋势的1分析及继发性故障预警与调整方法。该方法首先采用分层聚类方法对节点负荷予以聚合划分,并利用数据挖掘技术提取表征每个划分区段负荷特性的特征数据。然后对初始预想故障进行安全分析,对故障后状态及负荷随时间变化引发的继发性故障进行预警,并对不安全时段采用最优潮流制定调整措施。最后通过算例分析,验证了所提方法在分析继发性故障方面的可行性与优越性。关键词:安全分析;时间过程;分层聚类;特征数据;最优潮流EarlywarningandcorrectivecontrolofsecondaryfailurebasedonloadtendencyMAOAn-jia,YANGHao(SchoolofElectricalandElectronicEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,Beijing102206,China)Abstract:Modempowersystemsarefeaturedwithcomplicatedstructure,s ̄ongconnection,andchangeableopermionpatterns.Therefore,theresultoftraditionalN・1securityanalysisbasedonsinglestudycaseisnotsufficienttoensurethesecureoperationofthepowersystem.Basedontheforecastednodalcurve,thispaperproposesamethodofimprovedN-1analysis,whichistimeprocessorientedandconsiderstheloadtendenc ̄andhenceprovidesanewwayforearlywarningsandcorrectivecont.rolofsubsequentfault.Therearetwostepsinthemethod,firstly,ahierarchicalclusteringmethodisusedtopartitionthenodalcurve,andthenthetechnologyofdataminingisusedtoextracttheeffectivecharacteristicdatathatcanrepresenttheloadvariationofeachtimesegment.Secondly,securityanalysisofinitialcontingencyiscarriedouttoperformearlywarningsforsubsequentfault,whichistriggeredbytheoverloadscausedbyinitialcontingencyandchangeableloadtendency.Adjustmentmeasuresfortheunsecuretimesegmentaredevelopedwithoptimalpowerflow.Toverifythefeasibilityandsuperiorityofthismethod,atestingscenarioisprovidedandtheresultshowsthecorrectness.Keywords:securityanalysis;timecourse;hierarchicalclustering;characteristicdata;optimalpowerflow中图分类号:TM71文献标识码:A——文章编号:16743415(2013)21.0098060引言电力作为终端能源消耗的主要形式之一,在社会经济和国民生活中承担着重要的角色,因此,电力系统安全一直以来都是人们普遍关心的问题。在电力系统众多安全准则中,满足1条件无疑是最基本、也是最重要的准则,即运行中的系统在一个设备因故障退出运行后,余下系统仍应保证以可接受的电能质量持续向负荷供电~1。静态安全分析作为A乙1分析的基本方法,经过基金项目:中央高校基本科研业务专项资金支持项目(12MS20)多年的发展与应用已臻于成熟,然而当前的方法多是基于一个单一的、或若干彼此独立的离散断面,难以考虑事故后的系统状态变化,更无法表达多重事故之间的彼此联系【3J。由于系统在运行过程中一直处于运动状态,初始事故发生后会引起系统状态的改变,而这些改变又可能随着时间变化导致新的事故发生,进而引发连锁事故。事实上,现代电力系统中的重大事故,极少由单一设备故障引起,相反,初始故障后处理措施不当而引起的后续事故,才是引起重大事故的罪魁祸首。这可从近20年来的…若干次大停电事故报告中找到佐证【o。因此,仅仅针对单一时间断面的AL1分析难以满足现代电力毛安家,等基于负荷变化趋势的继发性故障预警及调整.99.系统的需求,必须对1后可能导致的新故障,即初始故障引发的继发性故障进行分析,才能从更大范围内保证系统安全。针对上述情况,国外提出了JV_卜1安全分析,其主要思想是在J7v。_1基础上,考虑到了故障后的调整,并做第2次故障预想分析,用于分析初始故障导致的二次故障的发生,并分别制定校正措施【l。。¨J。本方法的优点是考虑了事故后的调整,与实际更为Ⅳ’切合,且由于对调整后系统进行了_1分析,较常Ⅳ规_1具有更高安全性。然而,由于方法本身仍然是基于同一时间断面,没有考虑随着时间过程的推移,系统状态的变化,而引发长时间跨度上的继发“”性故障。当前,国内提出了基于测量,面向过程电力系统分析思想[14-15J,在这一思想指导下,提出了面向时间过程的静态安全分析,用以分析一定时间过程内的1安全水平。此类方法能够考虑安全水平随负荷的变化情况,但难以分析由初始故障而引发的继发性故障。系统发生故障后,为了防止故障规模进一步扩大而导致连锁失效,文章重点分析了初始故障后,由负荷随时问变化而引发继发性故障的情况,对发生继发性故障时段进行预警并制定调整措施。本文运用面向时间过程思想,改进了传统的1安全分析,从节点负荷预测数据中挖掘有效的分析数据并考虑系统的经济性运行,针对能引发继发性故障时刻制定经济有效的调整措施。能够更好的预防继发性故障,防止故障规模扩大,提高系统的安全性。1负荷曲线的划分与分析断面的确定在一段时间内,电力系统负荷将随时间而波动,由于各节点的负荷变化并不具备均一性,因此,系统安全裕度最低点不一定出现在系统负荷的最高点,这也说明了传统以最大负荷断面为基础的AL1分析不足以保证系统安全的原因。随着节点负荷预测技术的进步,开发基于节点负荷预测曲线的安全分析方法己成为可能【18-21]。1.1负荷曲线的聚合划分由于问题固有的非线性性质,针对单一时间点的数值求解成为安全分析的唯一算法,然而,逐一对负荷曲线上的所有断面数据进行分析,无疑会由于计算量大而无法实现在线应用,因此,有必要对负荷曲线进行划分处理,在精度允许情况下抽取一些具有代表性的断面参与计算,进而模拟整个时间区间上的系统负荷变化情况。传统的对负荷曲线进行等时间步长的划分,不能充分考虑到负荷攀峰越谷的变化趋势;而从负荷曲线的斜率变化角度划分处理,就忽略了每个节点负荷变化趋势与整体负荷变化趋势不一致的情况【l4]。综“合考虑各种情况,本文采用分层凝聚型聚类、点到”空问的映射方法对负荷曲线进行划分,即将每个断面的每个节点负荷映射到空间中,考虑到负荷在时间上的连续,采用向量范数定义空间中向量之间的距离,将相邻时间断面予以聚合。…假设以T(Xt,X2,)53,,)表示负荷曲线所含的个断面,以…1f2,Xim)表示第i断面的m个节点负荷,即断面i映射m维空间中个点;则两个断面的空间距离为lI:l一『I1:l,一II:lI:(1)其中:.表示向量范数:考虑到断面之间时间的连续性,其中,l=1。通过上述相邻两端面的向量范数,可以形成距离矩阵:Dix=…水厶2木水木1木3木…水2水4…木…厶3水木;;;IL冰木冰木1木从DMatrix中,搜索最小的,将断面和予以聚合,消去一个断面,保留断面,如此往复,直到断面数达到所要划分的时间段数的要求。1。2划分区段的特征断面的提取在对负荷曲线进行了聚类划分之后,将原始节点负荷曲线压缩为若干时间断面。采用数据挖掘思想,提取每个划分子时间段的特征数据来表征每个时间过程负荷变化性质。1.2.1特征数据断面的定义本文借鉴文献[161,定义最大、最小和中值特征断面用于安全分析,其中最大特征断面表征本时间段的系统运行严重情况,最小特征断面表征本时间段系统负荷运行水平最低情况,而中值特征断面表征本时段系统运行的平均情况:最大特征断面和最小特征断面,是从安全的角度定义系统的运行特征;中值特征断面,是从经济角度定义系统的运行特征,更能反映本时间段的负荷运行的总体平均水平,便于据此制定事故后系统的校正措施,使系统能量波动最小,满足本时间段的安全经济运行。1.2.2特征断面的提取首先定义虚拟最大(最小)特征断面表征,该虚拟特征断面是由该时间段内各个节点最大(最小)一1O0一电力系统保护与控制的负荷组成,定义形式为…P[ ̄X_virtual(1一2一3一,一)“_““““…“virtual(,,)其中:表示时间段;m表示系统节点数;表示时间段内节点,的最大节点负荷;“表示时间段内节点,的最小节点负荷。虚拟中值特征断面定义为本离散子过程中负荷水平的平均值,定义形式为_virtual…,)(4)其中:p,m=÷∑()(5)k为时间段内的断面数;P表示对该时间段内的所有,节点的负荷累加之后取平均值。最大特征断面为本时问段内每个断面的负荷∈,,,表示时间过程内的断面,获取所有到pimaxvirtual的欧氏距离,从中提取最小的距离范数,所对应的断面即为最大特征断maxsec。即max_∈sec=min{(1lP,一virtualll2)I,f)(6)最小特征断面为:本时间段内每个断面负荷∈Pt(1),得到所有到Pvirtual的欧氏距离,从中提取最小距离范数,所对应的断面即为最小特征断面min—sec。即min__∈sec=min{(1lPl一virtalll2)l,f)(7)中值特征断面:本时间段内每个断面负荷Pf(f∈),得到所有到Pvirtual的欧氏距离,从中提取最小的距离范数,所对应的断面即为中值特征断面mid—sec。即:mid_∈sec=mJn{(1lP ̄一_virtual[I2)f,(8)获得每个时间段的特征断面后,对每个时间段的分析,便可对基于体现每个时段负荷特性的特征负荷断面进行分析,了解系统的安全运行状况。2.2特征断面的安全分析确定初始预想故障和初始时刻,并完成对节点负荷曲线的划分和特征断面提取之后,对每个时间段中最大特征、最小特征和中值特征断面进行潮流计算,验证每个时间段内的表征系统三种运行状态特征断面是否存在不安全运行情况,如果本时间段存在功率和电压越限情况,则通知调度人员本时间段是不安全的,记录不安全时刻,并制定校正措施,之后进行下一时间段的安全分析,直至分析所有的时间段。2.3调整措施的制定针对上述不安全的时段,制定校正措施。中值特征断面,表征了节点日预测负荷划分后每个时间段内负荷的平均运行水平。依据中值特征断面制定校正措施,具有较好的经济性,能很大程度上减少实时运行时发电的调整量,减少能量波动。最优潮流能够在兼顾安全约束条件下,保证系统的安全性和经济性。因此,对每个不安全时段,便可以利用最优潮流来计算针对本时间段的中值特征断面来制定系统安全的调整措施。理论上讲,经过验证的调整措施能够在相当程度上满足本时间段内的其他负荷断面的运行情况。2.4调整措施的验证根据上述制定的调整措施,对不安全时间段内的表征两种严重运行状态的最大、最小特征断面予以校验,分析该调整措施能否使本时间段内的最大和最小特征断面满足安全运行要求,如果达到安全则说明所制定措施是有效的,能够满足本时间段内所有负荷安全运行;如仍存在不安全情况,则将本时间段进行二次划分,然后再次提取二次划分之后的负荷特征断面予以安全分析并制定校正方案。通过验证一般再次经过一次划分后,制定校正措施都能满足本时段的安全性。当然,如果初始对负荷曲线划分的时间段越多,每个时间段负荷性质就越一致,制定的调整方案有效性就越大,无需进行二次划分,但相应的计算量就增加,实际应用中二者需要权衡。2.5算法流程框图综上所述,基于负荷变化趋势的继发性故障预警及调整算法流程框图,如图1。2基于时间过程安全分析与调整3算例分析2.1初始预想事故的选取初始预想事故选取,同常规的1安全分析的预想选取一样,可以在对系统进行1故障扫描排序后,选取最严重的若干故障进行分析。亦可以由调度人员凭经验指定初始预想故障,进行后续安全分析。本文以IEEE30基本数据作为基础,通过随机方式构造该系统各节点288点日负荷。根据负荷变化趋势,选取在上午10:00作为初始故障发生时刻,此时为负荷第一次达到峰值时刻,初始故障选择支路36,分析系统随时间变化的继发性故障并制定校正方案。毛安家,等基于负荷变化趋势的继发性故障预警及调整图1算法流程图Fig.1Flowofthealgorithm3.1负荷曲线聚合划分算例结果对负荷曲线进行聚合划分,以24小时内划分48个时间区段为基准,则以10:00开始划分区段数—为:(2410)×2=28;划分后的负荷曲线如图2。聚按节点负荷聚合划分的总体负荷曲线一、k—\,、、、_.10121416182O222柏图2负荷曲线的划分Fig.2Divisionsofloadcurve合之后每个时间段内所含断面数以及其特征断面,篇幅限制,部分时段如表1所示。表1划分后的时间段所含断面及其特征断面Table1Sectionsandcharacteristicsectionsoftimequantumafterdivision3.2安全分析预警经算例验证在10:00,初始故障支路36开断时,随着系统状态随时间而变化,经过一定时间支路35发生线路功率越限。出现的不安全时间或时间段,如表2所示。表2不安全时段11ab1e21Jnsafetime时间段不安全时刻1112l314163.3校正措施针对上述不安全时间段,对其中值特征断面采用最优潮流制定调整措施,如表3所示。验证上述校正措施是否满足相应的时间段内系统的安全性,发现时间段13仍存在不安全情况,将时间段13进行二次聚合划分并提取相应的特征数据,如表4所示。表3校正措施Tlable3Correctionmeasures5054435567525¨13541556∞∞∞∞∞∞∞如加加0.102.电力系统保护与控制表4子过程13的二次划分—Table4Seconddivisionofsubprocess13验证二次划分的时间段的安全性,对不安全的时间段再次制定如表5所示的调整措施。表5子时间13(1)、13(2)段的校正方案—Table5Correctionmeasuresofsubprocess13(1)and13(2)[2][3][4]验证表5的校正措施,发现时间段13(1) ̄W13(2)系统均达到安全,调整措施有效,记录相应的调整措施。…【c通过上述算例分析,通过改进的Jv_l静态安全一分析,能够对由初始故障导致的时间跨度上的继发性故障及时进行预警,并对初始故障之后的系统予以调整,防止故障规模扩大。4结论现代电力系统各子系统之间联系紧密,由单一故障引发的灾难性后果比较罕见,相反,初始事故后系统状态及负荷变化所引发的继发性故障,往往是引起连锁事故并导致大停电事故的主要原因。因此,传统基于单一时间断面的安全分析已经难以适应现代电网运行的要求。本文改进了传统的JV1静态安全分析,并将用于分析对系统造成重大影响的连锁故障。利用节点负荷预测数据,聚类划分负荷曲线并提取表征负荷变化特性的特征数据。分析在初始事故之下,系统随着负荷变化趋势能否导致新事故发生,进行安全预警并采用最优潮流制定事前调整措施。从算例结果看,改进的AL1静态安全分析,对于分析时间跨度上的连锁故障具有重要价值,对预防电网连锁故障导致重大事故具有重要作用。参考文献—[1]中华人民共和国国家经济贸易委员会DL7552001电力系统安全稳定导则[M].北京:中国电力出版社,[6][7][8]2001.’StateEconomicandTradeCommissionofthePeopleS——RepublicofChinaDL752001Guidelinesforpowersystemsecurityandstability【M】.Beijing:ChinaElectricPowerPress,2001.傅旭,王锡凡,解利斌.考虑N.1静态安全的电力系统最大负荷能力计算方法[J].电网技术,2006,30(6):—610.—FUXu,WANGXi-fan,XIELibin.AnewmethodofcalculatingmaximumloadabilityofpowersystemconsideringN一1staticsecurity[J】.PowerSystemTechnology,2006,30(6):6-10.吴际舜.电力系统静态安全分析【M].上海:上海交通大学出版社.1985.WUJi-shun.Staticsecurityanalysisofpowersystem[M].Shanghai:ShanghaiJiaoTongUniversityPress,1985.秦茹静,王淳,苏慧玲,等.考虑N一1安全性的输电网络启发式扩展规划方法[J】.继电器,2007,35(13):30.32.QlNRu-jing,WANGChun,SUHui・ling,eta1.Aheuristicmethodfortransmissionnetwo 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