第一章 緒論 

隨著我國電力系統(tǒng)的發(fā)展，聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，系統(tǒng)中的不確定性因素不斷增加，通過風(fēng)險分析，合理評估不確定性因素對系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響意義重大。同時考慮到，近些年來氣候變暖引起了人們的廣泛關(guān)注，為了減少溫室氣體的排放，我國提出了“節(jié)能減排”的方針政策，因此大量的新能源電廠并網(wǎng)發(fā)電，給電力系統(tǒng)安全運行增加了更多的不確定性因素，對傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的供電可靠性帶來了很大的沖擊。因此，利用概率的方法對電力系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟性進行綜合評估顯的尤為重要，而風(fēng)險評估能夠有效的將電網(wǎng)中各種隨機因素和電網(wǎng)的安全性、經(jīng)濟性緊密的結(jié)合起來，是一種日益受到重視的評估方法。 

1.1 風(fēng)險理論概述 
風(fēng)險是一個復(fù)雜性的問題，但是風(fēng)險本質(zhì)上是指風(fēng)險承載體在未來損失(或滅失)的不確定性(可能性)[1]。在不同的學(xué)科與領(lǐng)域，風(fēng)險有著自己不同的定義，但是它們都包含著事件發(fā)生概率和事件產(chǎn)生后果這兩個方面，缺一不可。 風(fēng)險理論包含著諸多的內(nèi)容，包括風(fēng)險分析、風(fēng)險辨識、風(fēng)險估計、風(fēng)險評價、風(fēng)險評估、風(fēng)險控制和風(fēng)險管理等，它們之間不是相互獨立而是相互依存與交叉。 風(fēng)險分析是指對給定系統(tǒng)進行危險辨識、概率計算、后果估計的全過程，是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)資料、運行經(jīng)驗、直觀認識的科學(xué)方法。將風(fēng)險進行量化，便于進行分析和比較，以能夠合理運用有限的人力、物力和財力等資源條件，采取最為適當?shù)拇胧�，達到有效減少風(fēng)險的目的[2]。風(fēng)險評價是指在風(fēng)險分析的基礎(chǔ)上，，確定相應(yīng)的風(fēng)險評價標準，對有關(guān)因素進行量化、計算，進而計算出系統(tǒng)的風(fēng)險概率、風(fēng)險后果和風(fēng)險指標，判斷系統(tǒng)的風(fēng)險是否可被接受，是否需要采取進一步的安全措施。風(fēng)險評估就是指風(fēng)險分析與風(fēng)險評價相結(jié)合的全過程。 
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1.2 風(fēng)險評估在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
風(fēng)險和可靠性這兩個詞之間存在著若干相通的含義，他們共同描繪了一個事實的兩個方面，較高的風(fēng)險則意味著較低的可靠性，反之亦然[4]。電力系統(tǒng)風(fēng)險的根源在于其行為的概率特征。系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)生故障往往是隨機的，超出人力所能控制的范圍，負荷的變化也存在著一定的不確定性，因而不可能對其進行完全準確的預(yù)測。在電力市場環(huán)境下，電力企業(yè)都在追求效益的最大化，而電能的輸入輸出取決于瞬息萬變的市場需求，電力系統(tǒng)故障造成的后果可能從局部直至大面積的停電，停電則會引發(fā)多米諾骨牌效應(yīng)，殃及交通、通信、金融環(huán)境等多個要害部門，造成難以估量的經(jīng)濟損失。近年來世界范圍內(nèi)頻繁出現(xiàn)的大停電事故，如美加 8.14、英國 8.28、希臘 7.12、莫斯科 5.25 大停電等，都給國家?guī)砹司薮蟮膿p失，可見電力工業(yè)多年來采用的 N-1 原則已不足以保持系統(tǒng)運行于合理的可靠性水平，但是 N-2、N-3 的可靠性原則在經(jīng)濟上過于保守，不利于電力公司進行生產(chǎn)計劃。顯然，一種可行的選擇就是在工程規(guī)劃、設(shè)計、運行和維修中引進風(fēng)險管理，以使系統(tǒng)的風(fēng)險水平保持在可接受的范圍內(nèi)。 
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第二章 靜態(tài)靈敏度及其計算方法 

2.1 靈敏度的基本概念及其種類
靈敏度是利用系統(tǒng)中某些物理量的微分關(guān)系，來獲得因變量對自變量敏感程度的方法。例如，為了調(diào)整某些節(jié)點電壓或者某些線路的潮流，需要利用可控變量與被控變量之間的靈敏度系數(shù)來研究哪些控制量改變多少才能使被控變量改變所需要的值。借助靈敏度系數(shù)可使這些分析工作得以簡化。在電力系統(tǒng)中，自變量可以是系統(tǒng)參數(shù)(包括線路阻抗、發(fā)電機有功出力、有功負荷、無功負荷、有載調(diào)壓變壓器分接頭等)，因變量可以是系統(tǒng)變量(包括負荷節(jié)點電壓、線路潮流、發(fā)電機無功功率、發(fā)電機功角等)。無論是在穩(wěn)態(tài)還是在暫態(tài)中，當前系統(tǒng)的運行狀態(tài)必須滿足系統(tǒng)的潮流方程，所以靈敏度的計算通常以潮流方程在給定運行點的局部線性化為基礎(chǔ)，由此得到的靈敏度本質(zhì)上描述了某些變量之間的局部線性關(guān)系[15]。從時間角度對靈敏度分類，可以劃分為靜態(tài)靈敏度和軌跡靈敏度[16]。 靜態(tài)靈敏度主要應(yīng)用于電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析，其主要是指潮流靈敏度，是基于非線性潮流方程，將潮流方程在運行點上進行泰勒展開，忽略高次項，得到的線性關(guān)系。其他變量之間的靈敏度關(guān)系都是從潮流方程的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，例如線路潮流同發(fā)電機有功注入之間的靈敏度系數(shù)就是線路兩端節(jié)點電壓幅值和相角同發(fā)電機有功注入之間靈敏度系數(shù)的函數(shù)，而節(jié)點電壓幅值和相角同發(fā)電機有功注入之間的靈敏度系數(shù)就是將非線性潮流方程在運行點處進行線性化得到的。
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2.2 靜態(tài)靈敏度的計算方法
靈敏度的計算可以分為數(shù)值法和解析法。由于靜態(tài)靈敏度模型較為簡單，易于求解，常采用解析法進行。數(shù)值法求解比較容易實現(xiàn)，一般基于攝動技術(shù)來實現(xiàn)，不涉及系統(tǒng)的物理本質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點，但隨著控制變量的不斷增多，攝動次數(shù)將成倍增長。數(shù)值法的基本思想是對參數(shù)域進行離散化，對應(yīng)每個參數(shù)區(qū)域都計算出狀態(tài)變量的相應(yīng)值，再利用差分和攝動等方法對這些狀態(tài)變量進行近似處理[17]。靜態(tài)靈敏度的解析法是在電力系統(tǒng)潮流數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，對所關(guān)心的參數(shù)進行數(shù)值微分求得。利用不同的潮流模型將得到不同的靈敏度關(guān)系[18]，因此對于所采取的靈敏度計算模型應(yīng)與潮流計算模型相吻合。 隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大，區(qū)域電網(wǎng)間的互聯(lián)，輸電斷面的潮流控制已成為實際電網(wǎng)運行中重要的預(yù)防控制手段，其主要目的是用于控制區(qū)域間的功率交換，可采取不同的控制方法對所研究的斷面進行潮流控制，其中包括潮流追蹤法[11]、FACTS 元件控制法[20]、靈敏度法[21]等。斷面控制一般是針對大的互聯(lián)電網(wǎng)，由于基于直流潮流模型的靈敏度計算速度快且在精度上可以滿足工程需要，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 
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第三章  基于靈敏度的電力系統(tǒng)靜態(tài)安全性損失計算.........16 
3.1  故障損失估計的線性最優(yōu)控制模型....16 
3.2  最優(yōu)控制模型中靈敏度的計算.....17 
3.2.1  線路電流同控制變量間的靈敏度.....17 
3.2.2  平衡節(jié)點有功功率同控制變量間的靈敏度..........20 
3.3  算例分析......21 
3.4  小結(jié).......25 
第四章  軌跡靈敏度及其計算方法......26 
4.1  軌跡靈敏度的基本概念..........26 
4.1.1 α 靈敏度.....26 
4.1.2 β 靈敏度.....27 
4.2  軌跡靈敏度的計算....27 
4.3  軌跡靈敏度在電力系統(tǒng)動態(tài)分析中的應(yīng)用......29 
4.4  小結(jié).......34 
第五章  暫態(tài)穩(wěn)定最優(yōu)控制及其在故障損失估計中的應(yīng)用........35 
5.1  暫態(tài)穩(wěn)定最小控制成本模型中軌跡靈敏度的計算........35 
5.1.1  發(fā)電機功角同其有功出力間的靈敏度....35 
5.1.2  發(fā)電機功角同負荷有功間的靈敏度........37 
5.2  基于軌跡靈敏度的暫態(tài)穩(wěn)定最小控制成本模型.....39
5.3  算例分析......42
5.4  小結(jié).......48 

第五章 暫態(tài)穩(wěn)定最優(yōu)控制及其在故障損失估計中的應(yīng)用 

在電力系統(tǒng)暫態(tài)風(fēng)險評估中，如何準確估算故障引發(fā)系統(tǒng)失穩(wěn)后所造成的損失是其難點，利用最優(yōu)穩(wěn)定控制代價來近似估計系統(tǒng)損失，為該問題的求解提供了一種可行的途徑[7]。文獻[13][14][23]都采取針對某一故障預(yù)設(shè)控制策略，從而得到暫態(tài)穩(wěn)定的控制代價。而本章以發(fā)電機有功出力調(diào)整和負荷裁減作為控制手段，以控制費用最小值作為目標函數(shù)，利用軌跡靈敏度技術(shù)近似估計系統(tǒng)控制變量變化后發(fā)電機的相對功角，并將其引入最優(yōu)潮流的不等式約束中，通過原對偶內(nèi)點算法求解典型的非線性規(guī)劃問題，此優(yōu)化模型稱之為暫態(tài)穩(wěn)定最小控制成本模型。

5.1 暫態(tài)穩(wěn)定最小控制成本模型中軌跡靈敏度的計算 

當發(fā)電機采用較復(fù)雜模型時，依然可以推導(dǎo)出發(fā)電機功角同發(fā)電機有功出力、負荷有功和無功間的靈敏度關(guān)系[28]。但對于復(fù)雜模型，為便于計算，可利用第 2.2 節(jié)介紹的數(shù)值方法進行軌跡靈敏度的求解[36]。 本章以 IEEE-14 和 New  England-39 節(jié)點系統(tǒng)為例，對本文方法進行驗證，計算中取δlim=π[38]，ε=0.05MW。對于 14 節(jié)點系統(tǒng)，發(fā)電機采用次暫態(tài)模型，負荷采取恒阻抗負荷，δsen=5π；對于 39 節(jié)點系統(tǒng)，發(fā)電機采用經(jīng)典模型，負荷采用恒阻抗模型，δsen=10π 。除平衡節(jié)點以外其他發(fā)電機控制費用： Cg+=Cg-= 10K/MW，平衡節(jié)點的控制費用：Cs+=Cs-=20K/MW，負荷控制費用：Cl=30K/MW，K 為某種貨幣單位。 

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總結(jié)

電力系統(tǒng)是一個存在著各種各樣不確定性因素的動力系統(tǒng)，因此在電力系統(tǒng)暫穩(wěn)態(tài)分析中考慮系統(tǒng)的各種不確定性顯的尤為重要。電力系統(tǒng)風(fēng)險評估作為一種分析工具將故障發(fā)生的概率和故障發(fā)生后所造成的損失緊密的結(jié)合起來，較原有 N-1 或者 N-X 可靠性準則更貼近工程實際需要。風(fēng)險評估將電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟性有機的結(jié)合在一起，既可以保證安全可靠的供電，又可以實現(xiàn)經(jīng)濟效益的最大化。 電力系統(tǒng)風(fēng)險評估可以分為靜態(tài)風(fēng)險評估和暫態(tài)風(fēng)險評估，無論是在靜態(tài)還是在暫態(tài)中，科學(xué)估算故障引起的系統(tǒng)損失是其最核心問題。由于電力系統(tǒng)的復(fù)雜性，精確的計算故障后系統(tǒng)損失變得非常困難，用將系統(tǒng)從失效狀態(tài)(失穩(wěn)狀態(tài))轉(zhuǎn)化為正常狀態(tài)(穩(wěn)定狀態(tài))的最小控制代價近似代替故障后系統(tǒng)損失，可巧妙地繞開這一難題，為該問題求解提供一種可行的思路。在靜態(tài)風(fēng)險評估中，可以利用直流最優(yōu)潮流、交流最優(yōu)潮流、潮流追蹤等方法進行故障損失估計；在暫態(tài)風(fēng)險評估中，由于其控制的復(fù)雜性，大多還是采取對每個故障預(yù)設(shè)控制策略來進行故障損失的近似估計。本文從靜態(tài)風(fēng)險評估和暫態(tài)風(fēng)險評估兩個方面對故障損失估計方法進行了研究：在靜態(tài)風(fēng)險評估中，本文將靜態(tài)靈敏度和線性最優(yōu)化技術(shù)相結(jié)合，以最小控制成本作為目標函數(shù)，發(fā)電機再調(diào)度和負荷裁減作為控制手段，利用線路潮流同發(fā)電機有功功率以及負荷有功之間的靈敏度系數(shù)將安全性約束條件線性化，使其成為典型的線性規(guī)劃問題。為了避免發(fā)電機和負荷調(diào)整后系統(tǒng)功率不平衡，將平衡節(jié)點的有功功率加入最優(yōu)模型的約束條件中，并利用平衡節(jié)點有功功率同發(fā)電機有功功率以及負荷有功之間的靈敏度系數(shù)將其線性化。最后，利用單純型法對線性最優(yōu)控制模型進行求解。在暫態(tài)風(fēng)險評估中，本文將軌跡靈敏度和交流最優(yōu)潮流相結(jié)合，以最小控制成本作為目標函數(shù)，發(fā)電機有功出力和負荷有功作為控制手段，利用發(fā)電機相對功角同其有功出力以及負荷有功之間的動態(tài)靈敏度系數(shù)近似估計控制參數(shù)變化后發(fā)電機功角變化量，并將其引入最優(yōu)潮流的不等式約束中。考慮到平衡機一般不參與系統(tǒng)穩(wěn)定控制，因此將平衡機控制費用設(shè)為普通發(fā)電機費用的 2 倍，在普通發(fā)電機可以滿足系統(tǒng)穩(wěn)定需求以及保證系統(tǒng)功率平衡的情況下不調(diào)節(jié)平衡節(jié)點發(fā)電機組。由于裁減負荷將會造成更大的損失，因此負荷控制費用更高，當發(fā)電機備用充足時優(yōu)先調(diào)整發(fā)電機出力來維持系統(tǒng)穩(wěn)定，而當發(fā)電機備用容量不足時，則通過控制成本更高的負荷裁減措施來保證系統(tǒng)穩(wěn)定。最后，利用內(nèi)點算法對典型的非線性規(guī)劃問題進行求解。 
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參考文獻(略)

本文編號：117665