任建文,董圣孝,薛英杰
(華北電力大學(xué) 電力工程系,河北 保定 071003)
現(xiàn)代電力系統(tǒng)的高速發(fā)展在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)也存在著一些安全隱患,尤其是近年來(lái)發(fā)生的大規(guī)模連鎖跳閘事故[1-2]。分析連鎖跳閘事故的原因可以發(fā)現(xiàn),在事故初期某些線路的斷開會(huì)相應(yīng)造成其他線路因過(guò)載被保護(hù)裝置切除,進(jìn)而導(dǎo)致連鎖跳閘的發(fā)生,使得大停電事故進(jìn)一步蔓延,造成全網(wǎng)崩潰。因此,將這些線路定義為電網(wǎng)中的脆弱線路,對(duì)其進(jìn)行辨識(shí)并加以重點(diǎn)監(jiān)控,對(duì)于預(yù)防大停電事故以及保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。
目前對(duì)于脆弱線路的辨識(shí)研究主要分為兩大類,分別是基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論以及基于系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在早期脆弱線路的辨識(shí)過(guò)程中應(yīng)用廣泛[3-7]。丁明等[5]基于小世界拓?fù)淠P蛯?shí)際電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為拓?fù)鋱D,用線路電抗對(duì)各條線路進(jìn)行加權(quán)處理,應(yīng)用聚類系數(shù)等指標(biāo)辨識(shí)脆弱線路。BOMPARD et al[6-7]提出了線路介數(shù)這一指標(biāo),衡量了線路在電網(wǎng)當(dāng)中的結(jié)構(gòu)脆弱性。但該指標(biāo)計(jì)算線路被電源和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)間最短電氣距離經(jīng)過(guò)的次數(shù)[8],即認(rèn)為線路潮流只按最短路徑經(jīng)傳播,因此具有一定的局限性。在介數(shù)這一指標(biāo)的基礎(chǔ)上,為更好地貼近實(shí)際電力系統(tǒng)的特性,徐林等[9]提出了電氣介數(shù)指標(biāo),以線路潮流為基礎(chǔ)進(jìn)行識(shí)別;張富超等[10]提出了基于源流路徑鏈的輸電介數(shù),并用網(wǎng)絡(luò)效能指標(biāo)對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證;張濤等[11]提出了有功潮流介數(shù)指標(biāo),計(jì)及了線路容量的影響。上述幾種改進(jìn)的介數(shù)指標(biāo)都是以線路潮流的容量為基礎(chǔ)來(lái)識(shí)別脆弱線路,未對(duì)系統(tǒng)中各條線路潮流分布以及實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合考慮。
為解決上述問題,支路分布開斷因子[12-13]及功率傳輸分布因子[13-14]等指標(biāo)被相繼提出。任建文等[13]基于支路開斷分布因子,提出了多支路開斷條件下計(jì)算系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移的模型。鞠文云等[14]應(yīng)用功率傳輸分布因子結(jié)合網(wǎng)絡(luò)最大流問題,提出了一種辨識(shí)電網(wǎng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的方法。任建文等[12]則是以功率傳輸分布因子作為反映線路受系統(tǒng)擾動(dòng)的影響,以支路分布開斷因子反映系統(tǒng)潮流轉(zhuǎn)移的特性,將二者結(jié)合作為辨識(shí)脆弱線路的指標(biāo)。上述方法均計(jì)及了系統(tǒng)中潮流分布的影響,但將其應(yīng)用于脆弱線路的辨識(shí)中仍需考慮潮流轉(zhuǎn)移方向及各線路初始狀態(tài)的影響。
為使辨識(shí)指標(biāo)更能體現(xiàn)線路的脆弱性,本文提出了一種以支路開斷脆弱度及傳輸介數(shù)為基礎(chǔ)的脆弱線路辨識(shí)方法。根據(jù)支路分布開斷因子的概念,對(duì)其進(jìn)行修正,同時(shí)考慮潮流轉(zhuǎn)移方向的影響,構(gòu)建了支路開斷脆弱度指標(biāo);為彌補(bǔ)傳統(tǒng)介數(shù)的不足,結(jié)合功率傳輸分布因子,提出了傳輸介數(shù)指標(biāo)。將二者結(jié)合利用理想解法對(duì)脆弱線路進(jìn)行辨識(shí)。該方法只需已知系統(tǒng)的初態(tài)潮流分布以及基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù)即可對(duì)脆弱線路進(jìn)行辨識(shí),計(jì)算較為簡(jiǎn)便。
圖1為簡(jiǎn)易4節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)圖,圖2為發(fā)生支路開斷后的系統(tǒng)圖。如圖1,圖2所示,當(dāng)系統(tǒng)中以a,b為首末端的線路l發(fā)生開斷時(shí),其自身潮流將會(huì)按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)移到以c,d為首末端的線路k及其他線路上,支路分布開斷因子即是用來(lái)表征這一規(guī)律的指標(biāo),其定義及計(jì)算公式如下[13]:
(1)
圖1 簡(jiǎn)易電力系統(tǒng)示意圖Fig.1 A simplified diagram of power system
圖2 發(fā)生支路開斷后的系統(tǒng)圖Fig.2 Diagram of system after the branch is removed
由支路分布開斷因子的定義可知,λk-l表示的是當(dāng)支路l斷開后,轉(zhuǎn)移到線路k上的潮流比例。文獻(xiàn)[12-13]用該指標(biāo)值來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)移潮流值的大小,但在辨識(shí)脆弱線路的過(guò)程中,由線路l轉(zhuǎn)移到線路k上潮流占線路k初始潮流比例的大小則更能體現(xiàn)出潮流轉(zhuǎn)移對(duì)線路k的影響,因此對(duì)支路分布開斷因子進(jìn)行修正,其計(jì)算公式如下:
(2)
式中,μk-l即為修正的支路分布開斷因子。根據(jù)其定義可知,該指標(biāo)表示的是支路l斷開后,支路k上的潮流變化量占其初始潮流的比例。該指標(biāo)值的大小可以直觀地反映出因線路l斷開發(fā)生的潮流轉(zhuǎn)移對(duì)系統(tǒng)中其他線路的影響。
上述修正的支路開斷分布因子值的正負(fù)性可體現(xiàn)出潮流轉(zhuǎn)移的方向變化。當(dāng)μk-l>0時(shí),表明潮流轉(zhuǎn)移使得線路的潮流增大,這將使得線路出現(xiàn)因過(guò)載而跳閘的情況,有利于連鎖故障事故的擴(kuò)散,需重點(diǎn)關(guān)注;而當(dāng)μk-l<0時(shí),表明轉(zhuǎn)移的潮流與線路初始潮流方向相反,當(dāng)-2≤μk-l<0時(shí),表明支路l斷開后,支路k上潮流的絕對(duì)值未超過(guò)初始潮流值,即此時(shí)線路是安全的,不會(huì)被切除;當(dāng)μk-l<-2時(shí),潮流反向增大。因此,支路開斷脆弱度因子定義如下:
(3)
式中:fl(k)即表示支路k在線路l斷開情況下的支路開斷脆弱度因子值。相應(yīng)地可得線路l的支路開斷脆弱度,其表達(dá)式如下:
(4)
式中:n代表系統(tǒng)中線路的總條數(shù);F(l)即為線路l的支路開斷脆弱度。由上述分析可知,F(xiàn)(l)反映了線路l斷開后發(fā)生的潮流轉(zhuǎn)移對(duì)系統(tǒng)中所有線路影響的總和,其值越大,則表明該支路斷開對(duì)于系統(tǒng)的影響越大,使得系統(tǒng)越“脆弱”,因此稱支路開斷脆弱度反映了線路的“開斷脆弱性”。
介數(shù)這一概念來(lái)自于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論,它是用來(lái)辨識(shí)脆弱線路的傳統(tǒng)指標(biāo),其定義如下[6]:
(5)
式中:s和t為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)編號(hào);V為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)集合;θst表示節(jié)點(diǎn)s與t之間最短路徑的條數(shù);θst(l)表示θst中經(jīng)過(guò)線路l的路徑條數(shù);B(l)即為線路的介數(shù)。
為將介數(shù)這一指標(biāo)與電力系統(tǒng)結(jié)合,傳統(tǒng)方法以線路的阻抗作為兩點(diǎn)間的電氣距離,s和t分別對(duì)應(yīng)系統(tǒng)中的電源節(jié)點(diǎn)和負(fù)荷節(jié)點(diǎn),這樣該指標(biāo)即反映了線路在功率傳輸時(shí)的結(jié)構(gòu)重要度。但只考慮功率在兩節(jié)點(diǎn)間最短路徑上傳輸顯然是要違背電路基本定律的,因此該指標(biāo)具有一定的局限性。
在圖3的電力系統(tǒng)中,當(dāng)電源節(jié)點(diǎn)s到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t之間的傳輸功率發(fā)生變化時(shí),相應(yīng)地會(huì)對(duì)系統(tǒng)中其他線路造成影響,功率傳輸分布因子即是反映這種影響的指標(biāo),其定義如[14]:
(6)
式中:ΔPst為電源節(jié)點(diǎn)s到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t之間的負(fù)荷變化量;ΔPab為在ΔPst影響下線路l上的功率變化量;Xas為節(jié)點(diǎn)電抗陣第a行、第s列的元素,同理得到等元素的含義。
圖3 功率傳輸分布因子定義圖Fig.3 Definition diagram of power transferring distribution factor
由介數(shù)的不足再聯(lián)系到功率傳輸分布因子的概念可知,功率傳輸分布因子可以反映各電源-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)之間的潮流變化時(shí),相應(yīng)地引起系統(tǒng)中其他各條線路發(fā)生的變化,且在這一指標(biāo)的計(jì)算過(guò)程中,系統(tǒng)中的潮流是按照電路定律合理分配的,并不是在電氣距離最短的路徑上傳播,這恰好可以彌補(bǔ)介數(shù)的不足。由此,本文提出了基于二者結(jié)合的傳輸介數(shù)指標(biāo),以此來(lái)衡量線路在承受潮流波動(dòng)的能力。
當(dāng)電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)給定時(shí),可以根據(jù)式(6)計(jì)算出當(dāng)各電源-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸功率發(fā)生變化時(shí),每條線路的功率傳輸分布因子值。對(duì)于指定的電源-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì),可以由計(jì)算結(jié)果判斷出受其功率波動(dòng)影響較大的線路,組成受影響較大線路集合,該集合可表示如下:
Tst={l||Ast(l)|≥α} .
(7)
式中:Tst定義為受電源節(jié)點(diǎn)s到負(fù)荷節(jié)點(diǎn)t之間功率波動(dòng)影響較大的線路集合,稱為該節(jié)點(diǎn)對(duì)的重影響集;α為判別的門檻值。結(jié)合功率傳輸分布因子Ast(l)的定義式,既要保證盡可能多地將受影響較大的線路納入集合中,又要避免取值過(guò)低造成集合中線路數(shù)過(guò)多造成的冗余,本文取α=0.2.有了上述集合,令Tst(l)為線路l對(duì)于重影響集Tst的隸屬度,其定義如下:
(8)
由此可類比介數(shù)定義,得到傳輸介數(shù)的表達(dá)式如下:
(9)
式中:‖Tst‖定義為集合Tst的模值,其值大小等于集合Tst中所含線路的條數(shù);β(l)即為線路l的傳輸介數(shù)。
區(qū)別于上節(jié)支路開斷脆弱度指標(biāo),該指標(biāo)表示的是系統(tǒng)中的線路隸屬于各電源-負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對(duì)所對(duì)應(yīng)的重影響集的程度,該指標(biāo)值越大,則表明了該條線路更易受到系統(tǒng)功率波動(dòng)的影響,可以認(rèn)為傳輸介數(shù)反映了線路的“波動(dòng)脆弱性”。
通過(guò)前文對(duì)于支路開斷脆弱度及傳輸介數(shù)的介紹可知,二者均為反映線路脆弱性的正項(xiàng)指標(biāo)。本文將二者結(jié)合,即綜合考慮線路的開斷脆弱性及波動(dòng)脆弱性對(duì)脆弱線路進(jìn)行辨識(shí)。為消除兩指標(biāo)量綱的影響,首先對(duì)二者做如下標(biāo)準(zhǔn)化處理:
(10)
進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理后,本文采用理想解法[15](TOPSIS)的思想,通過(guò)求取各條線路到最脆弱線路的距離來(lái)進(jìn)行辨識(shí)。TOPSIS法是一種多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法,該方法的基本思想是構(gòu)造待評(píng)價(jià)方案的理想解,即各指標(biāo)的最優(yōu)(劣)解,計(jì)算每個(gè)方案到最理想方案的貼近度(距離)來(lái)進(jìn)行排序,從而得到相對(duì)更靠近理想解的方案來(lái)。將其思想應(yīng)用到本文對(duì)于脆弱線路的辨識(shí)中來(lái),已知將支路開斷脆弱度與傳輸介數(shù)作為評(píng)價(jià)脆弱線路的指標(biāo),由于二者為標(biāo)準(zhǔn)化處理后的指標(biāo),其值均在區(qū)間[0,1]內(nèi),故兩指標(biāo)的理想解均為1.因此,線路l到最脆弱線路的距離可由下式表示:
(11)
D(l)值越小,即代表著該條線路距離最脆弱線路越近,脆弱程度越強(qiáng),對(duì)該距離由小到大進(jìn)行排序,篩選出排名靠前的線路,即脆弱線路。
本文辨識(shí)脆弱線路算法流程如圖4所示。
圖4 算法流程圖Fig.4 Flow chart of the algorithm
目前較為常見的仿真驗(yàn)證方法為采用各種攻擊方式對(duì)所選線路做斷開處理,計(jì)算線路斷開后系統(tǒng)的連通性水平等指標(biāo)[5,9,16],進(jìn)而說(shuō)明辨識(shí)結(jié)果的合理性。文獻(xiàn)[9]提出的靜態(tài)攻擊方式為將所選線路按照指標(biāo)值的大小依次斷開,且斷開后的線路不再恢復(fù),這樣使得最終的驗(yàn)證結(jié)果更依賴于斷開線路的次序??紤]到辨識(shí)出來(lái)的線路均具有一定的脆弱性,它們的地位應(yīng)該是等同的,即在實(shí)際模擬過(guò)程中斷開的順序應(yīng)是隨機(jī)的。為消除斷開次序的偶然性對(duì)于驗(yàn)證結(jié)果的影響,本文將采用蒙特卡洛隨機(jī)模擬的方式,按照隨機(jī)順序?qū)⑦@些線路依次斷開,并重復(fù)模擬1 000次。同時(shí),由于斷開線路后系統(tǒng)中其余線路的潮流會(huì)明顯增加,即系統(tǒng)中的功率分布會(huì)更為集中,更容易發(fā)生支路過(guò)載的情況,故針對(duì)這一特性定義功率分散水平為衡量系統(tǒng)安全性的指標(biāo),其定義式如下:
(12)
式中:ξl(i)為斷開i條線路時(shí),線路l的負(fù)荷水平,其大小等于線路實(shí)際功率與初始功率之比;α(i)為斷開i條線路時(shí)系統(tǒng)的功率分散水平。
由功率分散水平的定義式可知,其實(shí)際上是系統(tǒng)各線路平均負(fù)荷水平的倒數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)中的某些線路斷開時(shí),其余正常線路傳輸?shù)墓β示蜁?huì)增加,導(dǎo)致平均負(fù)荷水平的上升,其倒數(shù)即功率分散水平就會(huì)下降,支路更容易發(fā)生過(guò)載而導(dǎo)致連鎖故障的發(fā)生。因此,可根據(jù)該指標(biāo)值大小的變化來(lái)反映系統(tǒng)的安全性,同時(shí)驗(yàn)證所選線路的脆弱性。本文的主要仿真過(guò)程即對(duì)相關(guān)線路進(jìn)行蒙特卡洛隨機(jī)攻擊處理,計(jì)算每次攻擊后系統(tǒng)的功率分散水平,重復(fù)上述過(guò)程1 000次以模擬實(shí)際情況,并繪制功率分散水平的變化曲線以反映辨識(shí)結(jié)果的合理性。
采用新英格蘭39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行仿真,該系統(tǒng)共有條線路,且30-39號(hào)節(jié)點(diǎn)為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖5所示。按照本文所提方法,根據(jù)該系統(tǒng)的基本參數(shù)分別進(jìn)行計(jì)算,得到各條線路的支路開斷脆弱度及傳輸介數(shù),依據(jù)TOPSIS法求取各條線路到最脆弱線路的距離,進(jìn)行排序,篩選出排名前10的線路,其結(jié)果如表1所示。
圖5 新英格蘭39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.5 Diagram of New England 39-bus system
序號(hào)線路支路開斷脆弱度F*(l)傳輸介數(shù)β*(l)距離D(l)110-130.8780.5520.465210-111.0000.4970.503316-190.5620.6700.54842-30.3570.8490.660515-160.3450.7950.68762-250.3480.6980.719716-170.2551.0000.745826-270.3390.6420.752921-220.4010.4730.798106-110.3190.4970.847
將本文辨識(shí)結(jié)果與文獻(xiàn)[4]、文獻(xiàn)[14]進(jìn)行對(duì)比(文獻(xiàn)[4]線路介數(shù)指標(biāo),文獻(xiàn)[14]采用最大流傳輸貢獻(xiàn)度指標(biāo)),如表2所示。
根據(jù)表2結(jié)果,線路16-19、2-3、15-16和16-17這4條線路為3種辨識(shí)結(jié)果的公共部分,可認(rèn)為這部分結(jié)果是合理的。對(duì)于本文所選的10-13等6條線路,可以先通過(guò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)初步判斷其合理性。在新英格蘭39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)圖中將這6條線路標(biāo)記出來(lái),如圖6所示。已知第30-39號(hào)節(jié)點(diǎn)為發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn),由圖6可以發(fā)現(xiàn),這些線路均位于發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的附近,若它們發(fā)生故障,則將影響電能的輸送。以線路10-11和10-13為例,32號(hào)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)10號(hào)節(jié)點(diǎn)向系統(tǒng)供電,而其向系統(tǒng)供電的路徑只有10-11與10-13,若其中一條線路發(fā)生開斷,另一條線路將會(huì)承擔(dān)32號(hào)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的全部功率,這樣極有可能造成這條線路的過(guò)載而發(fā)生開斷,造成連鎖故障的發(fā)生,因此可以認(rèn)為它們是脆弱線路。由此可以在一定程度上證明辨識(shí)結(jié)果的合理性。
表2 辨識(shí)結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of identification results
圖6 標(biāo)記脆弱線路的系統(tǒng)圖Fig.6 System diagram of marked vulnerable lines
上述分析均為根據(jù)系統(tǒng)圖的初步分析,未通過(guò)實(shí)際的仿真進(jìn)行具體驗(yàn)證。首先觀察在無(wú)針對(duì)隨機(jī)模擬情況下系統(tǒng)功率分散水平的變化情況,具體模擬過(guò)程為使用蒙特卡洛法隨機(jī)選取系統(tǒng)中的1-20條線路進(jìn)行隨機(jī)攻擊,重復(fù)上述過(guò)程1 000次,計(jì)算并取均值得到系統(tǒng)功率分散水平的變化曲線,如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)功率分散水平變化曲線Fig.7 Changing curve of system power dispersion level
觀察圖7曲線可知,隨著斷開線路條數(shù)的增加,系統(tǒng)的功率分散水平呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。這是由于在初始階段,斷開一定數(shù)量的線路使得剩余線路上傳輸?shù)墓β试黾樱骄?fù)荷水平上升,系統(tǒng)的功率分散水平降低;當(dāng)斷開線路足夠多時(shí),此時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)變得“四分五裂”,連通性水平較低,極易形成孤島,即有些線路雖然未斷開,但已無(wú)電源供電,因此會(huì)使得線路傳輸功率減小,進(jìn)而使得功率分散水平上升,處于接近崩潰的狀態(tài)。因此,可以通過(guò)觀察功率分散水平變化曲線上升、下降趨勢(shì)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)來(lái)判斷系統(tǒng)何時(shí)處于接近崩潰的情況,同時(shí)可以比較曲線的高低來(lái)判斷斷開線路對(duì)于系統(tǒng)安全性的影響。
根據(jù)上述對(duì)于功率分散水平變化曲線的變化特性,采取有針對(duì)的隨機(jī)模擬法對(duì)表2中3種方法的結(jié)果進(jìn)行仿真,具體過(guò)程為:采用蒙特卡洛隨機(jī)模擬法隨機(jī)選取各方法中辨識(shí)出來(lái)的線路進(jìn)行攻擊,每次均不恢復(fù)地?cái)嚅_1條線路,直至10條線路完全斷開,重復(fù)上述過(guò)程1 000次,計(jì)算并取均值得到功率分散水平的變化曲線,如圖8所示。
由圖8可知,對(duì)采用本文方法辨識(shí)出的脆弱線路進(jìn)行有針對(duì)隨機(jī)攻擊時(shí),其功率分散水平的變化曲線處于最下方,即系統(tǒng)的安全性水平下降得更劇烈;同時(shí)觀察曲線的趨勢(shì)可知,文獻(xiàn)[4]與本文方法在斷開7條線路左右時(shí),曲線即有上升趨勢(shì),表明系統(tǒng)的連通性已經(jīng)劇烈下降,而在無(wú)針對(duì)隨機(jī)模擬過(guò)程中下需要斷開13條(見圖7)左右才會(huì)出現(xiàn)這樣的情況。上述兩方面均驗(yàn)證了本文所選線路的脆弱性及結(jié)果的合理性。
圖8 辨識(shí)結(jié)果對(duì)比圖Fig.8 Comparison diagram of identification results
本文基于支路開斷脆弱度及傳輸介數(shù)兩個(gè)指標(biāo),提出了一種辨識(shí)脆弱線路的新算法,主要結(jié)論如下:
1) 對(duì)傳統(tǒng)的支路分布開斷因子進(jìn)行修正,充分考慮潮流轉(zhuǎn)移的大小及方向?qū)€路的影響,提出了支路開斷脆弱度指標(biāo),反映線路的“開斷脆弱性”。
2) 針對(duì)已有介數(shù)指標(biāo)的不足,結(jié)合功率傳輸分布因子,定義了傳輸介數(shù)指標(biāo),反映線路的“波動(dòng)脆弱性”。
3) 給出了辨識(shí)脆弱線路的算法流程,該算法只需已知系統(tǒng)初始潮流分布及基本網(wǎng)絡(luò)參數(shù),較為簡(jiǎn)便。采用蒙特卡洛法進(jìn)行仿真驗(yàn)證,將結(jié)果與相關(guān)文獻(xiàn)方法進(jìn)行對(duì)比 ,驗(yàn)證了所選線路的脆弱性。