（电力系统及其自动化专业论文）多区域互联电力系统可靠性算法研究.pdf

学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一金鳇些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权 金匿坐玉生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 钥危震 签字日期：加1 1 年4 月力日 学位论文作者毕业后去向： f 工作单位： 通讯地址。 导师= 签字日期：斛年月力日 邮编： 先分解模拟算法。 改进算法主要做了以下改进：定义了最小不停电容量的概念，并提出了一 种更精确的求解方法；将电力不足区域分为受援充足区域和受援不足区域2 种 类型，并修改了受援不足区域的受援方式；提出了一个可提高区域电力不足期 望值求解速度的优化措施。 本文首先建立了改进算法的随机流网络模型，然后给出了状态空间的表示 方式，最后详细讲述了算法的实现过程。基于i e e e r t s 7 9 可靠性测试系统， 文中考察了互联系统的区域个数、联络线容量和备用容量对改进算法的影响。 通过把计算结果与原算法的结果进行比较，证明了改进算法既提高了计算精度， 又加快了计算速度，同时具有很强的适应性，可用于任意结构的多区域互联电 力系统的可靠性评估。 关键词：互联电力系统；可靠性；优先分解模拟算法；最小不停电容量；状态 空间 i n t e r c o n n e c t e do p e r a t i o na n dp l a n n i n g c o n s i d e r a b l ea t t e n t i o nt h e r e f o r eh a sb e e n d e v o t e dt om u l t i - a r e as y s t e mr e l i a b i l i t ya s s e s s m e n ti nr e c e n t y e a r s s e v e r a l m e t h o d sh a v e b e e n p r o p o s e d f o rm u l t i - a r e a r e l i a b i l i t ya n a l y s i s o fl o o p e d c o n f i g u r a t i o n s ，t h et w om a i na p p r o a c h e sa r ea n a l y t i c a la n ds i m u l a t i o n i no r d e rt o t a k ei n t oa c c o u n tt h ea d v a n t a g e so fb o t hm e t h o d s ，t h eh y b i r dm e t h o d sa r ep r o p o s e d o n eo ft h e s em e t h o d si sp r e f e r e n t i a ld e c o m p o s i t i o n - s i m u l a t i o na p p r o a c h ，w h i c hh a s ad e c o m p o s i t i o np h a s ef o l l o w e db yas i m u l a t i o np h a s e f o rt h ep u r p o s eo fm a k i n g u pt h ed i s a d v a n t a g eo fd e c o m p o s i t i o np h a s e ，t h i sp a p e rp r e s e n t sa ni m p r o v e d p r e f e r e n t i a ld e c o m p o s i t i o n s i m u l a t i o na l g o r i t h m t h en e wa l g o r i t h mh a sm a d es e v e r a li m p r o v e m e n t s i td e f i n e st h ec o n c e p to f m i n i m a ln ol o s sc a p a c i t y ( m n l c ) a n dp r o p o s e san e wa p p r o a c ht oc a l c u l a t ei t i n t h i sa p p r o a c h ，t h ep o w e rd e f i c i e n c yr e g i o ni sc l a s s i f i e di n t oa d e q u a t e l ya s s i s t e d r e g i o n ( a a r ) a n di n a d e q u a t e l ya s s i s t e dr e g i o n ( i a r ) ，a n dt h em a n n e ro fr e c e i v i n g a s s i s t a n c eo fi a ri sm o d i f i e d t h ea l g o r i t h ma l s oi n t r o d u c e sa no p t i m i z a t i o n m e a s u r ew h i c hr e d u c e st h et i m eo fc a l c u l a t i n ga r e al o s so fl o a d e x p e c t a t i o n ( l o l e ) t h e p a p e rf i r s t i n t r o d u c e st h es t o c h a s t i cf l o wn e t w o r ko ft h e i m p r o v e d a l g o r i t h m n e x t ，t h er e p r e s e n t a t i o nf o r mo fs t a t es p a c ei sf u l l yd e s c r i b e d f i n a l l y , t h ea l g o r i t h mi si n t r o d u c e di nd e t a i l b a s e do ni e e e - r t s ，t h i sp a p e rs t u d i e st h e i n f l u e n c eo ft h en u m b e ro fa r e aa n dt i el i n ec a p a c i t ya n ds y s t e mr e s e r v et ot h e a l g o r i t h m t h er e s u l t so b t a i n e dt h e r e f r o mh a v e b e e nc o m p a r e dw i t ht h o s ep r o d u c e d b yt h ep r e f e r e n t i a ld e c o m p o s i t i o n - s i m u l a t i o na l g o r i t h m c o m p a r i s o nr e s u l t ss h o w t h a tt h en e wa l g o r i t h mi m p r o v e st h ea c c u r a c ya n ds p e e d t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi s as u i t a b l em e t h o do f r e l i a b i l i t ye v a l u a t i o nf o ra r b i t r a r yl o o p e dc o n f i g u r a t i o n s k e y w o r d s ：i n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e m s ；r e l i a b i l i t y ；p r e f e r e n t i a ld e c o m p o s i t i o n - s i m u l a t i o nm e t h o d ；m i n i m a ln ol o s sc a p a c i t y ；s t a t es p a c e 论文的顺利完成与汪兴强老师的帮助是分不开的。从课题的研究到论文的 撰写，汪老师都给予了很大的帮助，在此深表感谢。同时，还要感谢齐先军副 教授、张晶晶博士、李生虎教授、李小燕博士、韩平平博士、毕锐博士、吴红 斌教授、孙鸣教授等老师及刘小平博士和周竞师妹，感谢他们在近三年的研究 生生涯中给予我的帮助。 感谢我的父母和亲人，他们一如既往的关爱与支持是鼓励我完成学业的最 大动力。 最后，向所有帮助过我的老师、师长、同学和朋友表达我最衷心的祝愿。 作者：胡竞赛 2 0 11 年4 月 1 1 3 7 9 2 1 孤立发电系统可靠性评估的基本方法9 2 1 1 电力不足概率法9 2 1 2 频率与持续时间法1 4 2 2 互联发电系统可靠性评估的基本方法1 7 2 2 1 解析法。18 2 2 2 蒙特卡罗模拟法2 4 2 2 3 混合法。2 9 第三章互联电力系统可靠性评估的分解模拟法3l 3 1 互联电力系统的随机流模型3 l 3 1 1 随机流模型3 1 3 1 2 最大流算法。3 2 3 2 状态空间3 6 3 2 1 发电与传输线模型。3 6 3 2 2 负荷模型3 6 3 2 3 状态空间的形成3 7 3 3 优先分解模拟算法3 9 3 3 1 基本概述3 9 3 3 2 优先分解的思想4 1 3 4 改进的优先分解模拟算法4 2 3 4 1 主要改进方面4 2 3 4 2 分解阶段4 3 3 4 3 蒙特卡罗模拟阶段4 7 3 4 4 指标计算4 7 3 4 5 基本流程图4 8 3 5 算例分析4 8 3 5 1 研究区域数对改进算法的影响4 9 3 5 2 研究联络线容量对改进算法的影响一5 2 ! ；! ； ! ；9 ! ；9 6 0 6 l 6 8 图2 6有联络线后系统a 、b 组成的二维概率数组一2 0 图3 13 区域互联系统的结构图3 1 图3 23 区域互联系统的随机流网络图3 1 图3 3f o r d f u l k e r s o n 算法流程图3 4 图3 4优先分解模拟法分解思想的表示形式图4 0 图3 5原算法和改进算法求解m n l c 的方法比较4 2 图3 - 63 区域互联系统的最大流计算4 5 图3 7改进算法u 集合分解的流程图4 5 图3 8改进算法l ( w ) 集合分解的流程图4 7 图3 - 9改进算法的基本流程图4 8 图3 1 04 、6 、8 区域互联系统的结构图4 9 图3 1 1原算法和改进算法的系统l o l e 百分误差随区域数增加的变化趋势图 ! ；1 图3 1 2原算法和改进算法与同时分解模拟法的速度比随区域数增加的变化 趋势图5 2 图3 1 3联络线容量不同时4 区域互联系统的系统l o l e 变化趋势图5 3 图3 1 4联络线容量不同时原算法和改进算法的速度变化趋势图一5 4 图3 1 5备用不同时4 区域互联系统l o l e 的变化趋势图5 6 图3 1 6备用不同时原算法和改进算法的速度变化趋势图5 7 2 3 6 9 9 ，l，工，i 1 l i 表2 4新追加一台l o m w 机组后的停运容量概率表1 l 表2 5单个机组的停运容量模型1 5 表2 6日负荷的二级负荷模型参数1 6 表2 7b 系统的等效支援容量概率表2 l 表2 8受联络线约束的b 系统的等效支援容量概率表2 2 表2 9受援前a 系统的停运容量概率表2 2 表2 1 0受援后a 系统的停运容量概率表2 3 表3 13 个区域的发电容量状态及累积概率一3 7 表3 23 区域互联系统的联络线容量状态3 8 表3 33 区域互联系统的区域负荷j 3 8 表3 43 区域互联系统的状态空间表3 8 表3 5备用1 5 时4 区域互联系统的负荷数据4 9 表3 - 64 区域互联系统的计算结果比较5 0 表3 76 区域互联系统的计算结果比较5 0 表3 88 区域互联系统的计算结果比较5 0 表3 - 93 种算法的速度比较5 2 表3 1 0联络线容量1 6 0 m w 时4 区域互联系统的可靠性指标比较5 3 表3 1 1联络线容量2 0 0 m w 时4 区域互联系统的可靠性指标比较一5 3 表3 1 2联络线容量不同时3 种算法的速度比较5 4 表3 1 3备用1 8 时4 区域互联系统的负荷数据5 5 表3 1 4备用2 0 时4 区域互联系统的负荷数据5 5 表3 1 5备用1 8 时4 区域互联系统的可靠性指标比较5 6 表3 1 6备用2 0 时4 区域互联系统的可靠性指标比较5 6 表3 1 7备用不同时3 种算法的速度比较5 7 o 1 l 工，l，l 第一章绪论 随着经济的发展和社会的需要，现代电网不断朝着多区域互联的方向发展。 自2 0 世纪8 0 年代，北美和欧洲已形成多区域互联的大型电力系统。改革开放 2 0 多年来，我国电力工业的装机容量已经从1 9 7 8 年的5 7 1 2 g w 发展到2 0 0 5 年的超过5 0 0 g w ，居世界第2 位，电力系统的规模也从小型电力系统发展为省 级电网互联的大区电力系统，近几年来又形成了大区电网相联的互联电力系统。 当各区域通过联络线互联时，由于负荷的错峰效益和备用共享等原因，可以显 著提高系统的可靠性和资源优化配置程度【l 】。因此，大规模的系统互联乃至全 国联网是我国电力系统发展的一种趋势。这是因为系统互联后的优点较多，主 要体现在以下几个方面：互联系统可以系统间发电容量的相互支援，提高了各 独立系统的可靠性水平；在保证相同的可靠性水平的情况下，互联系统总的备 用容量比孤立系统总的备用容量小，提高了经济性；可以实现火水电联合运行， 更合理地进行资源优化配置i z j 。 大区域系统互联是经济发展的一种必然结果，系统互联既提高了系统的可 靠性水平，又带来了很大的经济效益。但随着系统互联的规模越来越大，系统 包含的新型电力电子器件越来越多，系统互联后的安全隐患也在加大。近些年 来，大区域电网停电事故已经发生了很多次，其中最为严重是2 0 0 3 年8 月1 4 日美国东北部和加拿大东部的联合电网发生的停电事故，这次停电事故致使 1 0 0 多个发电厂和几十条高压输电线长达2 9 小时的停运，波及到美国中西部和 东北部的大部分地区以及加拿大安大略省，造成多达6 1 8 0 万k w 的负荷损失， 影响人1 ：3 约5 0 0 0 万，经济损失达3 0 0 亿美元p j 。这些停电事故不但造成了巨大 的经济损失，而且严重影响到社会的正常生活秩序。因此，对大型互联电力系 统的可靠性评估的研究显得十分重要。 近几十年来，现代电力系统不断向超高压、远距离、大机组和大容量的方 向发展，各国的电网规模在不断扩大，电网的结构日益复杂，电力体制的改革 也使电力系统的运行常处于接近运行极限的状态，这对互联电力系统的可靠性 评估提出了一些新的问题和要求。因此有必要研究更准确、更快速、针对性更 强的可靠性评估方法。 1 1 电力系统可靠性的发展概况 可靠性实质上是一个随机概率性问题，主要是指元件、系统等在一定的运 行条件下，在规定的时期内充分执行预定功能的概率。其发展过程与社会经济 建设及计算机技术的发展有着密切的联系。2 0 世纪初期，可靠性研究就已出现， 但由于缺乏系统的统计数据、行之有效的可靠性评估技术和受到计算工具的限 制等原因，可靠性研究在相当长时间内发展缓慢。直到2 0 世纪5 0 年代，可靠 性概念开始于工业，并首先在军工领域中得到应用。进入6 0 年代，电力系统不 断向超高压、远距离、大容量的方向发展，系统规模变得越来越大，系统的安 全可靠性的问题变得更加突出，并在世界范围内出现了几次大电力系统的停电 事故。这促使了人们把可靠性管理和技术引入电力系统。1 9 6 8 年美国成立了电 力可靠性协会( n a t i o n a le l e c t r i cr e l i a b i l i t yc o u n c i l ，n e r c ) ，并制定了可靠性准 侧。1 9 8 1 年加拿大和墨西哥的一些电力系统加入后，该协会改名为北美电力可 靠性协会( n o r t ha m e r i c a ne l e c t r i cr e l i a b i l i t yc o u n c i l ，n e r c ) 。与此同时，西欧 一些国家和日本也在电力行业开展了可靠性管理工作。 由于经济发展相对落后，我国的可靠性研究起步较晚。直到2 0 世纪8 0 年 代初期才开始了电力系统可靠性的研究，并在1 9 8 3 和1 9 8 5 年分别成立了中国 电机工程学会可靠性专业委员会、中国电工技术学会电工产品可靠性研究会和 电力可靠性管理中心。这些机构为电力系统可靠性研究工作起到了推动作用。 电力系统可靠性是对电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向 电力用户供应电力和电能量之能力的度量【4 j 。其主要目的是研究系统的故障情 况，并提出提高可靠性水平的具体措施，同时对电网运行进行监督控制和综合 评价，以保证其安全经济地运行。电力系统的可靠性评估主要包括发电系统可 靠性评估、输电系统可靠性评估、发输电系统可靠性评估、配电系统可靠性评 估和互联大电力系统的可靠性评估。其中，多区域互联电力系统的可靠性评估 是比较复杂的，研究大型互联电力系统可靠性评估问题的一个最常用的思路就 是将整个系统视为一个发输电组合系统，对其整体进行研究。电力系统风险评 估包括充裕度和安全性两个方面。 充裕度是指电力系统在经受小扰动的情况下，能够满足用户对电力和电能 量的需求的能力，同时考虑到系统元件的计划停运及合理的非计划停运。充裕 度又称静态可靠性，即在稳态条件下电力系统满足用户对电力和电量需求的能 力。安全性是指发生突然的扰动( 例如发电机突然故障或线路发生短路) 时， 电力系统承受住这种扰动并保证系统不失去运行稳定性的能力。安全性也称动 态可靠性，是指在动态条件下，电力系统经受住突然扰动并不间断地向用户提 供电力和电能量的能力。 电力系统可靠性评估方法分为确定性方法和概率性方法，前者在确定运行 方式或有限枚举故障模式下，检查系统的可靠性水平，如n 1 故障检验、百分 备用指标、最大机组备用指标等；后者通过对系统运行方式和元件故障模式的 概率模拟，评估系统的可靠性水平，得到系统的概率风险指标。电力系统是一 个具有随机特性的大系统，负荷水平的波动、元件故障等都具有随机性，确定 性方法难以考虑各种状态的概率分布特性，因此概率性方法在电力系统的可靠 性评估中得到了广泛的应用，并在理论和实践方面取得很大的进展【5 0 。 概率性方法主要分为解析法( a n a l y s i sm e t h o d ) 和蒙特卡罗模拟法( m o n t e 2 c a r l os i m u l a t i o nm e t h o d ，m c s ) 两类方法。蒙特卡罗模拟法在欧洲比较流行， 而解析法在北美应用得较多。但对大型系统而言，蒙特卡罗法更加富有成效。 解析法是根据电力系统元件的随机参数，建立系统的可靠性数学模型，通 过数值计算方法获得系统的各项指标。解析法具有物理概念清楚、模型精度高 的优点，这是因为解析法采用的是严格的数值计算方法和指标计算公式。但它 的不足之处是：计算量随系统规模的增大而快速增加，所以解析法比较适合于 系统规模较小并且结构较强的系统。对于大的电力系统，由于建模时需要考虑 的因素较多，解析法处理起来会显得非常复杂，通常采用蒙特卡罗模拟法。 蒙特卡罗模拟法是在计算机上用随机数对系统的实际运行情况进行模拟， 并根据系统元件的概率参数进行抽样评估，从而得到系统的风险指标的一种方 法。它的基本思想是：首先根据待求解问题中涉及的元件的概率模型，建立一 个随机过程并设定一个参数，使其近似为所求问题的解，然后利用对随机过程 的抽样试验求得设定参数的统计特征，这个参数的值即为所求解的近似值，计 算精度可用近似值的标准误差来表示。蒙特卡罗法的主要优点是抽样次数与系 统的规模无关，因此应用于多区域互联电力系统的可靠性评估时更具优越性。 它的主要缺点是计算量与计算精度的平方成反比，也就是说，为了获得较高的 模拟精度，通常需要较长的计算时间。根据是否需要考虑系统状态的时序性， 蒙特卡罗模拟法可分为状态持续时间抽样技术( 序贯模拟) 、状态抽样技术( 非序 贯模拟) 、状态转移抽样技术。 1 2 互联电力系统可靠性评估的研究现状 电力系统是一个具有随机特性的系统，负荷水平变化、元件故障等都具有 一定的随机性，所以研究电力系统可靠性的主要方法是概率性方法，尤其对于 多区域互联电力系统。在国外，运用概率方法评估电力系统可靠性始于2 0 世纪 3 0 年代，互联电力系统可靠性的评估始于2 0 世纪6 0 年代，文献【5 1 1 】综述了 概率方法应用在电力系统和多区域互联电力系统的可靠性评估中取得的一些研 究成果。互联电力系统的可靠性评估在国内的研究相对起步较晚，但电网规模 的不断扩大，使得国家开始重视对互联系统可靠性评估技术的研究，如我国 2 0 0 4 年的国家重大基础研究项目提高大型互联电网运行可靠性的基础研究， 就把互联系统的研究作为近几年的研究重点和难点。 电力系统之间互联在1 9 2 1 年就已经得到应用，文献【1 2 1 讲述了波士顿爱迪 生系统与美国马萨诸塞州东部电力公司、新英格兰电力公司的互联情况。文献 【1 3 根据美国东南部各州的互联情况，讲述了互联电力系统的优点、区域间的 互联协议、电压和频率的控制策略、负荷调度、继电器保护装置的精确调整策 略以及无功电流的妥善处理方案，为互联电力系统的理论研究和工程应用奠定 了一定的基础。1 9 世纪3 0 6 0 年代，学者们对电力系统互联的研究主要着眼于 3 实际应用方面，包括互联电力系统在具体地区的应用情况和实际运行情况时的 频率调整、负荷控制、系统间的通讯以及保护系统的特性等情况。文献 1 4 ，1 5 】 分别讲述了美国西南部地区和加拿大魁北克省的电力系统互联进展。文献【1 6 】 综述了互联电力系统的发展方向及运行中所涉及的一些问题，然后从经济性的 角度考虑了系统间的互联程度多大是最优的，提出了互联系统运行的目标是在 高效完成检修的情况下产生最大的经济效益和最可靠的电能，并建议以此原则 来安排系统的运行计划。文献 1 7 】阐述了频率调整中负荷控制的重要性，介绍 了一种通过控制各子系统的负荷变化来调节系统频率的方法，后来这种方法被 进一步研究，取得了一定的成果【l 引。文献【1 9 】比较详细地讲解了互联系统联络 线的偏差控制，以及对子系统负荷和系统频率控制的影响。文献 2 0 1 从经济性 角度研究了联络线的容量裕度。文献【2 1 介绍了互联协议的作用及意义，系统 地给出了7 种互联协议，并评估了这些协议的经济性指标，为以后互联协议的 研究奠定了一定的基础。 第二次世界大战之后，各国积极制定空间和导弹发展计划，可靠性评估技 术被越来越多地运用在军工设备上，这促进了可靠性理论的发展【2 2 , 2 3 】。可靠性 理论的发展，推动了互联电力系统可靠性的研究进程。c o o k 等人在1 9 6 3 年发 表了第一篇完整地研究互联电力系统可靠性算法的学术文章【2 4 1 ，拉开了互联电 力系统可靠性算法研究的序幕。 近几十年来，中外的学者们已经提出了大量互联电力系统可靠性的评估算 法，主要分为解析法和模拟法。解析法中应用比较广泛的主要有电力不足概率 法( l o s so f l o a dp r o b a b i l i t y ，l o l p ) 、频率持续时间法( f r e q u e n c ya n dd u r a t i o n m e t h o d ，f & d ) 、线性网络流法等。文献【2 5 】系统、准确地介绍了l o l p 法和 f & d 法。l o l p 法主要是指以求解电力系统l o l p 指标为目标的一类方法，最 早由c a l a b r e s e 在1 9 4 7 年提出，并应用于发电系统充裕度的评估中【2 6 】。1 9 5 7 年k r i c h m a y e r 首先用这个方法研究了互联电力系统的可靠性问题 2 7 】，为这类 方法在互联电力系统的广泛应用奠定了基础。文献【2 4 1 提出了用于两区域互联 电力系统电量裕度评估的二维概率机组法，其思想是：首先建立每个系统的机 组停运容量概率表，然后根据联络线的容量限制条件得到互联系统的裕度容量 状态矩阵，进而得到各个区域和整个系统的l o l p 指标。这篇文献是早期互联 电力系统可靠性研究领域中非常重要的一篇文章。二维概率机组法是一个比较 经典的算法，时至今日仍被广泛应用，但此算法多用来求解两区域互联电力系 统的可靠性指标，适应性较差。文献【2 8 提出了容量支援概率表法，这个方法 的思想是研究自身区域的可靠性时，把外部区域等效为一个多状态发电机组。 实现方法是：根据系统的停运容量概率表、联络线容量和支援合同，形成外部 区域对自身区域的支援容量概率表。此算法比较灵活，可用于评估多区域互联 电力系统。7 0 年代后，学者们开始把研究两区域互联电力系统的方法应用到放 4 射性和环形多区域互联系统。文献【2 9 提出了一种把环形三区域互联系统等效 为放射形三区域互联系统，然后求解l o l p 指标的方法；文献【3 0 】提出了一种 基于日发电量裕度的累积概率密度分布的可靠性评估方法，此方法不仅可以用 于两区域互联系统，也可以用于放射性或环形的多区域互联系统。此外，文中 还详细地评估了容量相互支援带来的效益。互联系统的机组强迫停运率和负荷 的预测具有不确定性，为了评估这些因素对系统l o l p 指标的影响，文献 3 1 1 提出了一种基于傅里叶变换的近似方法。随着l o l p 法被广泛的应用，l o l p 已经成为评估电力系统可靠性的一种重要指标。但l o l p 不能反映出事故的严 重程度，如一些事故发生的概率比较小，但这类事故一旦发生，都非常严重。 为了更全面的反映出事故的情况，f & d 法被提出。 f & d 法最早由h a l p e r i n 和a d l e r 在1 9 5 8 年提出【3 2 1 ，并首先应用在电力系 统发电容量的充裕度评估。1 9 6 8 1 9 7 1 年r i n g l e e 等发表了一系列文献1 3 3 , 3 4 】，首 先把f & d 法应用在两区域互联电力系统中，并提出了建立容量模型的递推算 法，推动了f & d 法的发展。此后，b i l l i n t o n 等人发表了大量文献【3 5 。4 们，使f & d 法变得更加完善。文献 3 5 3 7 分别从数学理论分析、算例应用、区域间负荷的 相关性三个方面阐述了f & d 法在多区域互联电力系统可靠性评估中的应用，提 出了通过建立两互联系统的容量裕度数组来求解事故的频率和持续时间指标的 方法，这三篇文章奠定了f & d 法在互联电力系统可靠性研究的应用基础。但该 方法不适合应用于多区域互联系统。针对三区域互联系统的频率和持续时间指 标的求解，文献【3 8 提出了等效支援机组法，把支援系统等效为一个多状态的 发电机组。文献【3 9 】把支援系统分为电量充足和电量不足两种情况，在假定区 域间支援优先顺序的前提下，给出了求解环形互联系统的频率和持续时间指标 的方法。文献【4 0 研究了互联系统的负荷预测、传输线故障率、机组故障率等 不确定因素对频率和持续时间的影响，使这类指标更具实际意义。上述方法多 适应于放射形的多区域互联系统或三区域的环形互联系统，当环形互联系统区 域数较多( 大于3 ) 时，上述算法就会显得较为冗繁，计算量较大。文献f 4 1 1 提出了线性网络流法，该算法的思路是：把互联系统等效为一个含容量弧的随 机流网络，利用图论算法求出网络的最小割集，以得到系统的故障状态，然后 计算与最小割集有关的各种故障状态的概率组合，得到系统的l o l p 指标。这 个方法的优点是可以直接计算环形互联系统的可靠性指标，而不需要把环形系 统转化为放射形系统。因此，当互联区域数越大时，该算法的优越性越高。在 8 0 9 0 年代，大量学者研究了线性网络流法在互联电力系统可靠性评估中的应 用1 4 2 - - 4 4 j ，使得该方法在互联系统的应用更加成熟。 以上介绍的方法都是解析法，解析法是通过故障枚举的方式进行状态选择， 用解析的方法求出风险指标。蒙特卡罗模拟法则是采用抽样技术进行状态选择， 用统计的方法评估风险指标。蒙特卡罗法具有采样次数与系统的规模无关的优 点，所以在进行多区域互联电力系统的可靠性评估时更具优越性。随着计算机 技术的迅速发展，蒙特卡罗法在互联电力系统可靠性评估中的应用日趋广泛。 文献【4 5 介绍了蒙特卡罗模拟法在互联电力系统可靠性评估中的应用。文献f 4 6 】 提出了一种针对互联电力系统充裕度评估的蒙特卡罗模拟模型，文中分别对发 电机组状态的持续时间和系统小时负荷进行抽样模拟，建立了系统发电容量模 型和负荷时序模型，最后在考虑联络线传输限制的情况下建立了互联系统的容 量裕度模型。文献【4 7 介绍了蒙特卡罗法的基本原理及在互联电力系统可靠性 评估中的模型。文献【4 8 提出一种求解互联系统可靠性指标的蒙特卡罗法，其 利用均匀分布对发电机组的状态进行直接抽样，利用正态分布抽样和聚类算法 对负荷状态精确抽样模拟。为了提高蒙特卡罗模拟法的收敛速度，国内外的学 者们对抽样技术进行了大量的研究。常用的减小样本方差的抽样方法有：重点 抽样法【4 9 1 、控制变量法【5 0 1 、等分散抽样法【”j 等，其中以控制变量法和重要抽 样法应用最为广泛。近些年来，随着人工智能技术的不断发展，一些学者把人 工智能技术与蒙特卡罗模拟法进行了组合，提出了一些新颖的抽样技术。文献 【5 2 提出了一种基于数据处理的分组方法( g r o u pm e t h o do fd a t ah a n d l i n g ， g m d h ) 的人工神经网络模型，利用此模型对待抽样的状态先进行“训练 ，以 识别出不遭受停电事故的状态。这样，用蒙特卡罗法对这些状态进行随机抽样 时，只要利用“训练 好的模型直接识别出状态的特性( 故障停运或正常运行) 即可，而不需要花大量的时间进行计算判断，从而提高了抽样的效率。文献 5 3 】 提出一种蒙特卡罗模拟与人工免疫识别系统( a r t i f i c i a li m m u n er e c o g n i t i o n s y s t e m ，a i r s ) 结合的算法，该算法利用a i r s 的记忆功能，减少了对同一状 态的重复抽样，提高了抽样的效率。 解析法物理概念清晰，模型精度高，但它的计算量随系统规模的增大而快 速增加；蒙特卡罗模拟法的采样次数与系统规模无关，但与估计精度的平方成 反比1 5 4 1 。基于两种方法的优缺点，解析和模拟结合的混合法被提出。混合法的 主要思想是：求解可靠性指标时，可以用解析法的地方充分利用解析法，当求 解规模超过解析法的求解能力时，应用蒙特卡罗模拟法。1 9 8 3 年c l a n c y 等人 提出了分解模拟法【4 2 1 ，此算法把状态空间分解法【5 5 】和蒙特卡罗模拟法进行了有 效地结合，该算法是一种适应性很强的算法，可应用于任意结构的多区域互联 电力系统的风险评估。这是混合法首次应用在多区域互联电力系统的可靠性评 估中。后来，以s i n g h 为代表的众多学者们对分解模拟法进行了改进【5 6 6 3 1 ，使 这种算法更具实际应用意义。文献【5 6 提出了一个分解模拟法中的可靠性评估 模型，该模型综合考虑了机组停运、联络线传输限制等多种因素。文献【5 7 】提 出了改进的分解模拟法，把系统的小时负荷模型用聚类算法【5 8 】等效为有准确概 率的多区域负荷模型，该模型通常由1 0 至2 0 个负荷状态构成，这不同于文献 【4 2 】中的单一状态的负荷模型。文献【5 9 在改进的分解模拟法的基础上提出了扩 6 展分解模拟法，算法对模拟阶段的抽样算法进行了改进，给定每个被抽样的状 态一个准确的概率，而不是简单地默认每个被抽样的状态的概率相等，大大提 高了模拟阶段的计算精度。当系统存在多个负荷状态时，上述算法只能分别计 算每个负荷状态下的可靠性指标，然后整合得到系统的风险指标，这使得计算 时间将随负荷状态个数线性增加。如果考虑计划停运的话，计算时间将会更长 【6 0 】。为了同时计算多个负荷状态下的风险指标，文献【6 1 1 通过选择参考负荷、 修改发电机组模型提出了同时分解模拟法，该算法大大提高了算法速度，并把 这种同时分解思想应用在计划检修情况【6 引。基于同时分解模拟法，文献 6 3 1 提 出了优先分解模拟法，该算法通过区域特征值和优先分解的概念，减少了分解 阶段产生的集合数，提高了分解效率和计算速度，但算法的精度较同时分解模 拟法有所下降。为了让分解模拟系列算法应用的更加广泛，一些学者们分别就 系统存在共有机组【6 4 1 、能源限制机组【6 5 1 、直流传输模型【6 6 】等情况时对分解模 拟混合法进行了改进。这种解析与模拟混合的思想在系统的运行经济成本评估 【6 7 1 、系统规划与电源扩建【6 8 1 、复杂配电网风险评估【6 9 1 、高压直流输电系统风 险评估【7 0 】等方面也得到了应用。随着计算机技术和数学理论的不断发展，新的 状态空间分解方法不断被提出。文献 7 1 】阐述了互联多区域系统状态空间的四 种基本特性，并提出一种只需求解部分区域的可靠性指标就可得到整个系统的 指标的分解方法；文献 7 2 1 把状态空间分为大概率状态集合和小概率状态集合 两个部分，大概率集合用快速排序法【_ 7 3 l 进行枚举，小概率集合用蒙特卡罗法进 行模拟。新状态空间分解方法的提出、线性网络流算法的发展 7 4 , 7 5 l 和蒙特卡罗 模拟技术的不断完善，都对分解模拟混合法的发展起到了一定的推动作用。因 此，分解模拟算法仍然具有较大的发展空间，对其进行继续研究依然具有一定 的价值。 电网规模的不断扩大对可靠性评估技术提出了更高的要求，这需要学者们 研究出速度更快、精度更高的算法。混合法是一种同时兼顾解析法和模拟法两 种算法优点的方法，可用于评估多区域互联电力系统的可靠性，是一种非常有 研究价值的算法。由于混合法的研究历时不长，仍有许多亟需解决的问题。所 以，继续对混合法进行研究，探索更加完善的评估方法，对电力系统可靠性评 估技术的发展依然具有重要的意义。 1 3 本文研究的主要内容及取得的成果 根据上述介绍，互联电力系统的可靠性评是电力系统规划和运行的一种重 要辅助工具，能为规划和运行人员提供重要参考信息，对电网的安全运行和社 会的稳定发展具有重要的意义。近年来，随着各国电网规模不断向超高压、大 容量和远距离的方向发展，互联电力系统的可靠性评估变的愈加复杂。因此， 研究出快速、精确、适应性强的可靠性评估方法是十分必要的。基于这个背景， 7 本文对已有文献进行了深入的研究，并根据已有算法的不足之处，提出了有效 的改进算法，所做的具体工作如下： ( 1 ) 在评估互联系统的可靠性水平时，区域间的相互支援容量是一个重要 因素，对其处理的好坏可直接影响算法的精度和速度。已有的分解模拟算法仅 根据支援前各独立系统的发电容量和负荷值的大小关系，把系统中的独立区域 分为电力充足区域和电力不足区域两种类型。本文根据独立区域互联后，各区 域之间的相互支援情况，把电力不足区域分为受援充足区域( a d e q u a t e l y a s s i s t e dr e g i o n ，a a r ) 和受援不足区域( i n a d e q u a t e l ya s s i s t e dr e g i o n ，i a r ) 两种 类型。改进算法对这两种区域类型进行了不同的处理，这样既提高了算法的速 度，又在一定程度上改善了算法的精度。 ( 2 ) 综合各区域的可用发电容量、区域间的联络线情况、各区域的负荷大 小和独立区域可获得的援助电量的大小，提出了为保证区域不发生停电事故， 其自身需要提供的最小发电容量的概念，定义为该区域的最小不停电容量 ( m i n i m a ln ol o s sc a p a c i t y ，m n l c ) 。m n l c 是一个非常重要的概念，在分解 模拟算法的分解过程中，对其求解的准确与否直接影响到整个算法的进程。在 已有的分解模拟算法中，对最小不停电容量的求解是不准确的。本文结合最小 不停电容量的含义和分解模拟算法的原理，提出了一种更精确的求解方法，大 大提高了改进算法的精度。 ( 3 ) 分解模拟算法由分解阶段和模拟阶段组成。因此，在分解模拟算法中， 分解过程的复杂程度直接决定了整个算法速度的快慢，分解过程越复杂，消耗 的时间越长，算法速度就越慢。为提高改进算法的分解速度，本文在不影响算 法精度的前提下，提出了一个简化分解过程的处理。 文中给出了具体算例，评估了互联系统的区域数、联络线容量和系统备用 对改进算法的影响，验证了算法的有效性和适应性。 8 第二章电力系统可靠性评估方法 电力系统可靠性评估对社会经济的发展是至关重要的，也是关系到国计民 生的一项重要工作。对整个电力行业而言，可靠性评估是评价电力系统规划方 案的重要辅助工具，这是因为电力系统可靠性评估能够为系统规划提供大量重 要的参考信息和指导意见，能够找到被评估系统的薄弱环节，能对随机事故的 预防和事故后的快速恢复