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(kuò)大，系統(tǒng)中的不確定性因素不斷增加，通過風(fēng)險(xiǎn)分析，合理評(píng)估不確定性因素對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響意義重大。同時(shí)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(yùn)行增加了更多的不確定性因素，對(duì)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(duì)電力系統(tǒng)安全性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評(píng)估顯的尤為重要，而風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能夠有效的將電網(wǎng)中各種隨機(jī)因素和電網(wǎng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性緊密的結(jié)合起來，是一種日益受到重視的評(píng)估方法。 

1.1 風(fēng)險(xiǎn)理論概述 
風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)復(fù)雜性的問題，但是風(fēng)險(xiǎn)本質(zhì)上是指風(fēng)險(xiǎn)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(xiǎn)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(gè)方面，缺一不可。 風(fēng)險(xiǎn)理論包含著諸多的內(nèi)容，包括風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)控制和風(fēng)險(xiǎn)管理等，它們之間不是相互獨(dú)立而是相互依存與交叉。 風(fēng)險(xiǎn)分析是指對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)辨識(shí)、概率計(jì)算、后果估計(jì)的全過程，是根據(jù)歷史數(shù)據(jù)資料、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、直觀認(rèn)識(shí)的科學(xué)方法。將風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化，便于進(jìn)行分析和比較，以能夠合理運(yùn)用有限的人力、物力和財(cái)力等資源條件，采取最為適當(dāng)?shù)拇胧�，達(dá)到有效減少風(fēng)險(xiǎn)的目的[2]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)是指在風(fēng)險(xiǎn)分析的基礎(chǔ)上，，確定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)有關(guān)因素進(jìn)行量化、計(jì)算，進(jìn)而計(jì)算出系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)概率、風(fēng)險(xiǎn)后果和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，判斷系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)是否可被接受，是否需要采取進(jìn)一步的安全措施。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就是指風(fēng)險(xiǎn)分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)相結(jié)合的全過程。 
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1.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用
風(fēng)險(xiǎn)和可靠性這兩個(gè)詞之間存在著若干相通的含義，他們共同描繪了一個(gè)事實(shí)的兩個(gè)方面，較高的風(fēng)險(xiǎn)則意味著較低的可靠性，反之亦然[4]。電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)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(jī)的，超出人力所能控制的范圍，負(fù)荷的變化也存在著一定的不確定性，因而不可能對(duì)其進(jìn)行完全準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。在電力市場(chǎng)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(chǎng)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(huì)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(gè)要害部門，造成難以估量的經(jīng)濟(jì)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(yùn)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(jì)上過于保守，不利于電力公司進(jìn)行生產(chǎn)計(jì)劃。顯然，一種可行的選擇就是在工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、運(yùn)行和維修中引進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)管理，以使系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)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(jì)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(duì)自變量敏感程度的方法。例如，為了調(diào)整某些節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)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(jī)有功出力、有功負(fù)荷、無功負(fù)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(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓、線路潮流、發(fā)電機(jī)無功功率、發(fā)電機(jī)功角等)。無論是在穩(wěn)態(tài)還是在暫態(tài)中，當(dāng)前系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)必須滿足系統(tǒng)的潮流方程，所以靈敏度的計(jì)算通常以潮流方程在給定運(yùn)行點(diǎn)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(shí)間角度對(duì)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(yùn)行點(diǎn)上進(jìn)行泰勒展開，忽略高次項(xiàng)，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(jī)有功注入之間的靈敏度系數(shù)就是線路兩端節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角同發(fā)電機(jī)有功注入之間靈敏度系數(shù)的函數(shù)，而節(jié)點(diǎn)電壓幅值和相角同發(fā)電機(jī)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(yùn)行點(diǎn)處進(jìn)行線性化得到的。
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2.2 靜態(tài)靈敏度的計(jì)算方法
靈敏度的計(jì)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(jiǎn)單，易于求解，常采用解析法進(jìn)行。數(shù)值法求解比較容易實(shí)現(xiàn)，一般基于攝動(dòng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，不涉及系統(tǒng)的物理本質(zhì)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，但隨著控制變量的不斷增多，攝動(dòng)次數(shù)將成倍增長(zhǎng)。數(shù)值法的基本思想是對(duì)參數(shù)域進(jìn)行離散化，對(duì)應(yīng)每個(gè)參數(shù)區(qū)域都計(jì)算出狀態(tài)變量的相應(yīng)值，再利用差分和攝動(dòng)等方法對(duì)這些狀態(tài)變量進(jìn)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(duì)所關(guān)心的參數(shù)進(jìn)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(duì)于所采取的靈敏度計(jì)算模型應(yīng)與潮流計(jì)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(shí)際電網(wǎng)運(yùn)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(duì)所研究的斷面進(jìn)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(duì)大的互聯(lián)電網(wǎng)，由于基于直流潮流模型的靈敏度計(jì)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(jì)算.........16 
3.1  故障損失估計(jì)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(jì)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(diǎn)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(jì)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(jì)算....27 
4.3  軌跡靈敏度在電力系統(tǒng)動(dòng)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(jì)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(jì)算........35 
5.1.1  發(fā)電機(jī)功角同其有功出力間的靈敏度....35 
5.1.2  發(fā)電機(jī)功角同負(fù)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(jì)中的應(yīng)用 

在電力系統(tǒng)暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，如何準(zhǔn)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(diǎn)，利用最優(yōu)穩(wěn)定控制代價(jià)來近似估計(jì)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(xiàn)[13][14][23]都采取針對(duì)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(jià)。而本章以發(fā)電機(jī)有功出力調(diào)整和負(fù)荷裁減作為控制手段，以控制費(fèi)用最小值作為目標(biāo)函數(shù)，利用軌跡靈敏度技術(shù)近似估計(jì)系統(tǒng)控制變量變化后發(fā)電機(jī)的相對(duì)功角，并將其引入最優(yōu)潮流的不等式約束中，通過原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)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(jì)算 

當(dāng)發(fā)電機(jī)采用較復(fù)雜模型時(shí)，依然可以推導(dǎo)出發(fā)電機(jī)功角同發(fā)電機(jī)有功出力、負(fù)荷有功和無功間的靈敏度關(guān)系[28]。但對(duì)于復(fù)雜模型，為便于計(jì)算，可利用第 2.2 節(jié)介紹的數(shù)值方法進(jìn)行軌跡靈敏度的求解[36]。 本章以 IEEE-14 和 New  England-39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例，對(duì)本文方法進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算中取δlim=π[38]，ε=0.05MW。對(duì)于 14 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)采用次暫態(tài)模型，負(fù)荷采取恒阻抗負(fù)荷，δsen=5π；對(duì)于 39 節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)采用經(jīng)典模型，負(fù)荷采用恒阻抗模型，δsen=10π 。除平衡節(jié)點(diǎn)以外其他發(fā)電機(jī)控制費(fèi)用： Cg+=Cg-= 10K/MW，平衡節(jié)點(diǎn)的控制費(fèi)用：Cs+=Cs-=20K/MW，負(fù)荷控制費(fèi)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(gè)存在著各種各樣不確定性因素的動(dòng)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(xiǎn)評(píng)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(zhǔn)則更貼近工程實(shí)際需要。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估將電力系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性有機(jī)的結(jié)合在一起，既可以保證安全可靠的供電，又可以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。 電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以分為靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(jì)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(jià)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(xiǎn)評(píng)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(jìn)行故障損失估計(jì)；在暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，由于其控制的復(fù)雜性，大多還是采取對(duì)每個(gè)故障預(yù)設(shè)控制策略來進(jìn)行故障損失的近似估計(jì)。本文從靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估兩個(gè)方面對(duì)故障損失估計(jì)方法進(jìn)行了研究：在靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(biāo)函數(shù)，發(fā)電機(jī)再調(diào)度和負(fù)荷裁減作為控制手段，利用線路潮流同發(fā)電機(jī)有功功率以及負(fù)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(jī)和負(fù)荷調(diào)整后系統(tǒng)功率不平衡，將平衡節(jié)點(diǎn)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(diǎn)有功功率同發(fā)電機(jī)有功功率以及負(fù)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(duì)線性最優(yōu)控制模型進(jìn)行求解。在暫態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(biāo)函數(shù)，發(fā)電機(jī)有功出力和負(fù)荷有功作為控制手段，利用發(fā)電機(jī)相對(duì)功角同其有功出力以及負(fù)荷有功之間的動(dòng)態(tài)靈敏度系數(shù)近似估計(jì)控制參數(shù)變化后發(fā)電機(jī)功角變化量，并將其引入最優(yōu)潮流的不等式約束中�？紤]到平衡機(jī)一般不參與系統(tǒng)穩(wěn)定控制，因此將平衡機(jī)控制費(fèi)用設(shè)為普通發(fā)電機(jī)費(fèi)用的 2 倍，在普通發(fā)電機(jī)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(diǎn)發(fā)電機(jī)組。由于裁減負(fù)荷將會(huì)造成更大的損失，因此負(fù)荷控制費(fèi)用更高，當(dāng)發(fā)電機(jī)備用充足時(shí)優(yōu)先調(diào)整發(fā)電機(jī)出力來維持系統(tǒng)穩(wěn)定，而當(dāng)發(fā)電機(jī)備用容量不足時(shí)，則通過控制成本更高的負(fù)荷裁減措施來保證系統(tǒng)穩(wěn)定。最后，利用內(nèi)點(diǎn)算法對(duì)典型的非線性規(guī)劃問題進(jìn)行求解。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：117665