（电力系统及其自动化专业论文）考虑安全约束的检修计划优化系统.pdf

华北电力大学 北京 硕士 学位论文 ab s t r a c t e q u i p m e n t m a i n t e n a n c e i s a v e r y i m p o r t p a r t o f p o w e r s y s t e m o p e r a t i o n t h e s c i e n t i f i c r a t i o n a l a n d p r a c t i c a l m a i n t e n a n c e s c h e d u l e s a r e h e l p f u l t o i m p r o v e t h e s e c u r i t y a n d e c o n o m y o f t h e a n d p o w e r s y s t e m o p e r a t i o n a n d i m p r o v e t h e m o d e r n i z a t i o n l e v e l p r o f i t e f f i c i e n c y o f t h e e n t e r p r i s e s t h i s p a p e r p r o p o s e s a n e w m o d e l f o r d i s t r i b u t i o n m a i n t e n a n c e s c h e d u l i n g a n d t r y t o f i n d t h e m o s t e c o n o m i c a l m a i n t e n a n c e s c h e d u l e b y h e u r i s t i c s i n o c o r d i n g t o s o l v e s c h e d u l e s t h i s p a p e r s c h e m e s s e c u r i t y o f m a i n t e n a n c e a p r a c t i c a l i t y s o f t o f s t a t i c s a f e t y a n a l y s i s w h i c h b a s e d o n e x i s t i n g a r i t h m e t i c a n d i n d e x o f c o n t i n g e n c y a n a l y s i s o n c e m o r e t h i s p a p e r a p p l y t h i s s o f t t o s e c u r i t y o f m a i n t e n a n c e s c h e d u l e s t h e p r o p o s e d m o d e l a n d m e t h o d o f m a i n t e n a n c e s c h e d u l e s a n d s t a t i c s a f e t y a n a l y s i s a r e a p p l i e d t o a p r a c t i c a l s y s t e m a n d n u m e r i c a l r e s u l t s v e r i f y t h e c o r r e c t n e s s a n d v a l i d i t y o f t h e m k e y w o r d s m a i n t e n a n c e s c h e d u l i n g h e u r i s t i c s s t a t i c s a f e t y a n a l y s i s 华北电 力大学 北京 硕士 学位论文 第一章 绪论 课题 的目的和意义 电力系统的整个检修工作是围绕着电力系统所拥有的设备来进行的 现在电 力系统的检修体系可以按两个侧面来划分 按设备体系 可分为发电 输电 变 电 酉 己 电设备检修 按调管体系 可分为国调 网调 省调 地调 县调五级检 修 电力系统是由发电厂 包括动力部分和电气部分 变电所到用电设备 用 热设备之间 用电 力网和热力网连接起来的 整体 因 此检修工作要求系统内设备 各 部分之间 的密切配合 各级管理部门 之间的 密切协 调 现在的检修工作遵循 分 层检修 垂直协调 的原则 目 前随 着电力市场的 运营 用电方 和供电 方输电 方逐步 趋于平等的 地位 各 级调度运方人员 对检修计划的制定问 题越来越重视 一般地 对电网 检修计划地 指导思想是 周期性地安排电网设备计划检修 预防 性检修和随机故障 后的修复 工作 这些活动的总目 标是使设备经常保持或恢复到良 好的 技术 状态 减少设备 的 故障 延长设备的寿命 从而提高电 力系统的 可靠性 和经济性 电 力设备的检修停运涉及许多方面的问题 计划安排不当会带来许多不利的 影响 就经济方 面而言 会造成用户和供电 部门自 身的巨大损失 就系统安全 性 而言 因停电而将负荷转移至其它变电站 增大了其他变电站或线路过负荷的可 能 这个问 题在高峰负荷时更加突出 随着计算机技术的发展 能量管理系统 e m s 日趋广泛的应用 配电管理系统 d m s 的开发以及他们与g i s 的结合 为电网检修计划的优化提供了坚实的基础 电力系统的检修计划制定工作现在主要还是人工管理 可靠性得不到保证 静态安全分析不 准确 存在负 荷 电压 越限的问 题 本文将基于这一点 建立 检 修计划的 数学模型 设计和实现适用于检修计划优化系统的电网 静态安全分析软 件包 在此基础上提出适合配电网检修计划优化的算法 华北电力大学 北京 硕士学位论文 z国内外研究动态 2 1 检修计划优化综述 电力系统电 网设备检修计划是电 力系统运行计划中一项十分重要的内容 由于 设备检 修直接关系到供电系 统和用户的 利益 对系 统运行的可靠性和经济性 都有很大的影响 所以周密地制定一个最优地电网设备检修计划有着重要的现实 意 义 用数学语言 描述 电 力系 统电网设 备的 检修计划实际上是一个多目 标 多 约束的优化问题 但是 由于以下几个方面的影响 在实际工作中对检修计划 优化的问题考虑得并不是很全面 现在见诸论文的研究主要是讨论关于机组检修 问题 i 仁 2 3 首先 实际现场对电网检修计划优化的研究还没有引起足够的重视 目前 国内 对检修计划优化研究的重点 在于发电机组的检修计划的研究 形 成了较为成 熟的理论体系 并在实际工作中得到了广泛的应用 发电机组的检修计划是 e m s 的重要高级应用之一 其次 供电方与用电 方的 地位还不平等 我国刚刚试行电 力市场运营 没 有把 用户放在一个平等的 地位上来 看待 随着电 力市场的 深入 这种情况会逐步 得到改善 为了 减少 用户的停电 损失及保证供电 可靠性 对配电网 检修计划进行 优化势在必行 最后 在电网中 设备众多 地理结构复杂 随着经济的发展 电网的扩 建 电 网结构也在随 之发生变化 传统的 仅靠人工 编制计划来处理众多的数据既 没有效率也不能保证所需的 供电可靠性 而g i s 技术的出 现及其与 e m s d m s 的 结合可以为检修计划的优化提供必要的信息化基础 纵上所述 电 网检修计划研究现状现在还主要涉及机组检修计划的优化问 题和电网设备检修的信息化问题 对电网设备检修计划的优化研究方面的论文较 少 且重点在于建立检修计划的数学模型 文献 4 5 6 提出了基于本地实际电网的检修计划模型 总的来说 检 修计划是一 个多目 标 多约束的数学问 题 综合文献 4 5 6 提出的数学模型 检修计划的优化 目标主要包括下述几个方面 1 各级调度检修之间的配合问题 避免重复停电和减少检修的成本 华北电力大学 北京 硕士学位论文 2 尽量将检修工作安排在负 荷低 谷时间 检修计划的约束条件主要包括以下方面 1 系统安全约束 包括线路有功约束 减少用户的停电损失 节点无功电压约束 系统解列约 2 检修资源约束 检修工作应在人力和物力所能承受的范围内 1 2 2 静态安全分析 研究动态 预想事故的自动选择 可以按故障越限的类型分为从电力系统调度运行的角 度来看 处于正常状态的系统内 部元件停运检修时 系统仍应处于正常状态 但 是由于网络结构的变化 电力系统也可能出现线路潮流越限 节点电压越限等情 况 因此 在制定检修计划时 需要用静态安全分析对检修计划进行安全校核 静态安全分析包括预想故障选择和故障详细分析 其中 预想事故的自 动选 择是一个重要的研究课题 一般是以电力系统实际情况以及调度人员己有的知识 和经 验作为基 础 确定一组预想事故 然后通过一 种快速 较精确的方法将易于 发生 严重后果的预想事故选择出 来 再进行进一步的 详细安全分析 由于其快速 而又 较精确的 特点 它可应用于实时的系统安 全分析与监控 线路有功负 荷越限和节点电 压无功越限两 类问 题 迄今为止 线路有功越限 问题 由于其数学模型化较强 已经得到较好的解决 常见的 算法有分布系数法 7 快速 解偶潮流一次 迭代 法 8 等 一般都是利用其线性化强的 特点 采用线 陛 叠加的快速算法 在满足速度的基础上 精度上也能满足要求 而节点电 压越 限类预想事故 由 于其非线性化强 并且涉及到调节电 压的各种控制手段 诸如 无功电源对电压的调节及 越限问 题 变压器变比的 调节问题等 使得问题较为复 杂 这些年来 针对节点电 压越限类预想事故的选择 许多 专家学者做了 大量的 尝 试 其中 有间 接法 直接法 混合法 近年来 随 着数学方法的 发展 又出 现 了专家系统法 人工神经网络法等等 间 接法不直 接计算故障后的功率 和电 压 仅利用产生故障时的某些数据进行 排队 直接法包括筛选和直接排列事故 筛选使用快速近似潮流对每个事故情况 模拟一遍 通过监视事故后的一些量 潮流和电压 事故的严重性可直接按照 指标量化 混和法则结合了指标计算 及较准确的筛选法 力求在速度和 准确度 华北电力大学 北京 硕士学位论文 上 均满足要求 专家系统法 9 1 0 则是结合基本规则库 包括网络结构规则和 安全分析规则 来进行事故的选择 人工神经网络法 工 1 1 2 则是一种基于人工 神经元网 络 a n n 和快速付利叶 变换技 术进行预 想事故快速筛选的方法 其中 专家系 统法由 于规则库很难做到完善 所以 误差较大 人工神经网 络法只是一种 初步探讨 训练速度 算法等离实际应用 保证速度和精度 相差较远 近些年来 人们大都是从三方面来对预想事故选择的算法进行研究和改进 即行为指标的结构 针对不同指标的 算法和终止判据的 确定 从而力求速度和精 度都能满足实际应用的要求 1 行为指标 行为指标是一种度量 它可以用于对一个预想事故的相对严重程度进行估 计 系统的行为指标不是固定的 依据对工程的重要性的参数不同 行为指标可 以 有多种形式 但是 在选择行为指标时 最根本的还需考虑到系统的物理特性 通常 一个电力系统的实际状态通过一组系统变量来定义 为了表征预想事故的 严重程度并据此来排队 那么就需妥将这一组变量转化为一个可度量的量 即行 为指标 系统行为指标最常用的形式是对系统变量诸如线路潮流 节点电压 节 点功率注入等物理量的偏移的度量 行为指标的结构和评价标准的正确性是自 动 预想事故选择的关键 作为对预想事故的一 种估量 行为指标应具备两方面功能 1 能区分开严重故障与不严重故障 2 严重故障 对系统危害程度的预测 线路有功越限类预想事故选择中 行为指标的构造 要考虑几个方面 线路有 功越限的量值 线路条数以及他们的相对重要性 电 压类预想事故 选择中行为指标的构造 要考虑几个方面 1 节点电压越限的量值 个数以及他们的相对重要性 2 考虑由 于开断造成的无功电 源的 调节 包括越限 无功电源的 个数 越 限无功值的大小 自 从 e j e b e e t a l 1 3 在 1 9 7 9 年提出 运用行为 指标 依据故障的严 重程 度 来排 队 以来 l a u b y e t a l 1 4 a l b u y e h e t a l 1 1 m e d i c h e r l a e t a l f 1 5 w a s l e y e t a l 1 6 分别提出了 多种用于电 压类预 想事故排队的改 进的 行 为指标 综合这些指标 可以得出如下基本形式 华北电力人学 北京 硕士学位论文 p i 一 i 会 if z iz0 1 一 1 其 中 f 劝 是 一 个 关 于z 的 一 个 线 性 函 数 z 一 般 指 节 点 电 压 或 线 路 有 功 负 荷 城是 权系 数 n 是 任 意 指 数 一 般 取1 0 在指 标的运用中 一直困扰人们的问 题是权系数的 选取问题 有人运用 优化 方法 1 7 进行解决 但是 速度及准确性均离要求相差太远 所以 一般情况下 人 们只是 根据系统及开断的 实际 情况 凭经验来选择 一 般从预想事故相z q 级 以 开断元件为中心 由于元件的开断受影响最大临近的几层网络 来考虑 从越限 节点的 拓扑为止考虑等等 开断 方式 系 统的实际 运行 情况都会影响 权系数的 2 算法 在间 接法中 有行为 指标的一阶导数法 1 8 二阶导数法仁 1 9 还有一些是 采用线性叠加原理 2 0 粗略计算行为指标 根据指标的大小从而进行预想事故 的 选择 算法中的线性化处理 对于线路过负荷的 预想事故较合理 但是如果 用 于选择电 压越限 来预想事故 虽然速度较快 但由 于电压类故障非线性严重 算 法中若 进行线性叠加 这样处理会造成较大误差 最终导致误选 误排严重 直接法 又分为线性化负荷潮流法 分布系数法 快 速解藕潮流一次跌 代法 局部 潮流法等 其中局部潮流法大致又 包括完全边界法 2 1 同 心松弛法仁 2 2 1 零 增量法 2 3 1 关于分布系数法 在 1 9 8 6 年 i l i c s p o n g和 p h a d k e 2 4 运用快 速解藕潮 流的 特性一电压值与无功值之间的关系 定义了 无功电 源潮流分布系数 来计算 开断后各量值 电压 无功 从而进行预想事故排队 这种方法经计算发现其 平均误差 达 1 0 有些超过3 0 1 9 9 2 年 l e e 和c h e n 2 5 提出 基于快速解藕 潮流的电 压分布系数法 误差较小 一些 快速解藕潮流一次跌代法 2 6 在我国电力系统静态安全分析中具有最广泛 的应用 它是一种将补偿法与快速解藕潮流相结合进行支路开断模拟的计算方 法 任一支 路的开断或者发电 机的 停运 必将引起全系统潮流的重新分布 实际 上 预想事故造成的主 要影响只是局部的并以事故点为中 心向外逐渐减弱 完全 边界法 同心松弛法 零增量法正是基于故障的这种局部性而提出的几种基于局 华 北电 力大学 北京 硕士学位论文 部网 络的 快速分析方法 但是这三种算法各有不足 完全边界法由 于引 入某 些近 似条件而使得对预想事故的捕获率不尽如人意 而同心松弛法作为一种较早出现 的 局部网 络法 其主要缺陷 是高斯一塞德尔跌代不能保证可靠收敛 以 及局部网 络的构造可能导致预想事故捕获率的下降 零增量法克服了以上不足 但用于零 增量判 断的门 槛值不好设定 且将其用于 事故的自 动选择速度仍不理想 3 终止判据 进行预想故障选择 除了行为指标及算法外 还有终止判据问题 终止判据 是 指对一览表中的 需 要进 行详细交流潮流计算的预想事故进行选择的判据 凡 是属于终止判据范围以外的预想事故 就认为不会对电力系统引起违限或虽引起 违限 但影响并不重要 因而可以 不必再用交流潮流进行校验 下面是 常用的 两种 终止判据 2 7 1 a 只 分析预想事故一栏表中的 前面n 个 这种方法计算时间短 但对n 个 以后的开断情况 也有可能会引起违限 就不能再对他们作详尽的分析 了 b 采用不再出现违限的开断情况作为终止判据 这种方法可以降低出现遗 漏严重情况的可能性 但增加了预想事故分析所需的时间 c 分别对应不同行为指标所得到的事故一览表 对各种指标 采用 在 m 个连续开断情况中没有出现节点电压或有功潮流越限 的判据 这种判 据的m值需要经过不断的应用和验证来加以选择 近年来 己 有很多的预想事故自 动选择算法发表 而且某些算法己 进入实施 考验阶段 但是整个问题并未完全解决 尤其是 所谓的遮蔽现象还时有发生 因 此a c s 算法还 有待于进一步地研究和完善 3论文的主要工作 1 建立电网 设备检修计划的数学 模型 采用启发式寻优的方法求其 最优解 2 分 别对用于预想事故 选择的诸多算法和指标构造方法进行了 系统地综述 和研究 2 设计出应用于检修计 划优化系统的静态安全分析软件包并用于检修计划 的安全校核 华北电力大学 北京 硕士 学位论文 3 对于实际的某市电网 将此静态安全分析软件包应用于检修计划系统并 对安全校核前的检修计划优化结果和安全校核后的检修计划优化结果作出比较 华北电 力大学 北京 硕士学 位论文 第二章 检修计划优化模型和算法 2 1 检修计划优化模型 2 1 1目标函数 在电力系统检修问 题中通常有两类目 标函 数 可靠性目 标函数和经济费用 目 标函数 可靠性 目 标函数又可分为确定性和随机性两类 确定 性目 标函数 是以考虑设备检修停运后其他设备不过负荷能力最大为 目标 确定性由于忽略了电力设备可利用率的不确定性 因此不同期间的同样检 修并不意味着可 靠性就相同 这是它的主 要缺点 随机性可靠性目 标函 数 由 于 考虑了电力设备的故障造成随机停运的影响及设备可利用率的不确定性 可以弥 补上述缺陷 本文考虑的目 标函 数是经济费用目 标函数 经济费用目 标函数可包括检修 费用和生产费用两部分 检修费用又由 两部分组成 一部分为固定 检修费用 它与设备的运行与否 无关 通常对给定的元件是一个常量 但是由 于固定 检修费用在各时段都一样 所以在优化计算时可以将其略掉 另一部分与设备的使用情况有关 包括长期运 行和人员维修水平不同导致的磨损和损坏引起的费用 此外 当运行检修计划持 续时间 变动时 意味着需要加班工作 或雇佣 额外的人员 检修费用也将发生变化 生产费用是指检修计划已确定的情况下 因停电而损失的电量的费用以及因停电 造成的 其他损失的费用 本文为了 研究 检修计 划对经济费用的 影响 经济费 用作 为目标函数求为最小值 数学表示如下 f 二 m in p 艺艺p u 2一 1 华北电力大学 北京 硕士学位论文 2 1 2约束条件 为了使优化的检修计划是可行的 必须根据电力系统的具体情况设置若干约 束条件 根据约束源的不同检修计划的约束一般可以分为以下三类 1 安全性约束 山 于检修安 排造成的设备停运 会造成电网结构的 变化 这种变化有可 能引起电网的安 全隐患 带来线路潮流越限 节点电压越限等后果 因 此 本 文中应用静态安全分析对检修计划进行安全校核 2 协调检修约束 同 时检修约束 在一个系统中 一次停电可以解决的问题要全面解决 不允许因考虑 不周 而发生重复停电的问题 因此 有些设备必须同时检修 当月所有 检修中 凡是使同一条线路 相同节点失电的检修 都认为是重复停电检 修 在进行检修计划时间编排时 将重复停电检修安排在相同的时间段内 即 在此检修计划执行过程中 只允 许停电一次 x 1 x 2 2 一2 顺 序 检 修约 束 由于供 电系统覆盖较大的地理区域 考虑到检修工作人员及检修资金 的 数量限制 在制定检修计划时要充 分考虑检修人员检修路线的合理性 尽量按照地理位置就近原则合理安排检修顺序 这样既减轻劳动强度又可 以减少差旅费等检修管理费用从而提高经济效益 x 2 x i d 1 2 一 3 互 斥 检 修约 束 为了避免负荷点在检修时停电 有些设备不能同时检修 因此不能将 其安排在相同的时间段内检修 x 2 x 1l d l 1 2 一4 不可 变更的检修约束 华北电力人学 北京 硕士学位论文 不能更改的检修包括 上级调度部门制定的检修计划 上月延续至本月的检修 事故检修等 这类检修的起始时间可认为是确定的 x f t 不参加检修计划时间的编排 2 一 5 3 检修资源约束 检修资源是指检修人员数量及技术能力 设备能力等 由于资源有限 使得能同时进行检修的设备数量有限 y u m 2一 6 4 检修开始时间的约束 计划检修是按主管部门颁发的全国统一的规程所规定的项 目 周期进 行的检修 因此设备的检修日期有着一定的时间限制 x e x i 二 1 2 二 t 2 7 5 检修持续进行 检修工作应贯彻 应修必修 修必修好 的原则 所以要保证检修工作持 续进行 o t 二 1 2 x 一 1 i t x x 十 1 x d 一 1 o l x 旦 t 2一8 从 2 一1 到 2 8 公式中符号说明如下 u 第t 时 段第i 个 设 备的 状 况 只 取 值 1 当u 取0 时 表 示 设备 运 行 当 u 取1 时 表 示 设 备 停 机 检修 x 第 i 个设备开 始检修时间 x 第 i 个设备允许开始检修时间集合 x 第i 个 设 备申 报开 始 检 修 时 间 华北电力大学 北京 硕士学位论文 月 第t 时 段 第i 个 设备 检 修所 影 响 的 负 荷 x 第 工 个设备的固定检修费 用 p 单位电价 n 待检修设备总数 t 检修时段总数 m 可以同 时检修的 最大设备数 d 第i 个 设 备 检 修 持 续时 间 f t 上级调度下达的第 i 个设备开始检修时间 2 2 启发式领域搜索算法 2 2 1 广义领域搜索类算法 一 义 领域算法不是一种算法 而是一个概念 其目的是指导开发新型的 优化 算法 算法从若干初始解出 发 在算法参数 控制下由当 前状态的 领域中产生出 若干 候选解 并以某种策略在当前 解和候 选解中 确定新的当前状态 伴随控制参数的 调节 重复执行上述搜索过程 直至满足算法终止准则 广义领域搜索的优化流程 1 选 定 一 个 初 始 可 行 解x 0 x 记 录 当 前 最 优 解 x n e 一 x 0 x 令 p 一 n x e n x nes 为领域函数 2 当尸 中时 或满足其它停止运算准则 输出 计算结果 停止计算 否则 从 n x e 中 选 一 集 合 s 得 到 s 中 的 最 优 解 x now 若 满 足 f x n 安排时间不可变计划 上级调度部门下达的 检修计划是时间不可变计划 计划中 检修的设备以 及与 其属 于同时 顺 序关系的设 备检修时间是不可改变的 不参与 优化计算 3初步优化检修计划 对于 检修时间能够自 由 调整的设备 通过调用优化算法合理的安排其检修时间 使设 备检修在满足同 时检修 顺序检 修 互斥检修以 及检修资源约束的条件下 所造成的售电损失最小 华北电力大学 北京 硕士学位论文 4安全校验 根据 3所形成的检修计划 对检修期间每一天做线路潮流越限校验 流程如图 2 3 所示 统计校验日当天有哪些检修项目 读取相应的倒闸操作方案 重新形成网络参数 调用静态安全分析程序 进行事故自动选择和排序 图2 2 安全校验流程图 5 基于启发式规则的检修计划调整 当初步制定的 检修计 划不能通过安全校验时 需重新调用 优化算法对所制定 的检 修计划进行调整使其 满足安全约束 本文采用静态安全分 析的性能指标来作 为启发式算法调整的依据之一 对于检 修计划来说 同 一时间 段的一 个或多 个检修条目 对应于电网的一种运 行方式 调用静态安全分析对整个检修计划进行安全 校核 可以得到此检修计划 对应各种运行方式按照有功潮流指标或电压一无功指标的排队结果 如果排队结 果中 有对系统有害的运行方式 此时根据静态安全分析性能指标的大小来对检 修计划进行调整 随机将指标计算值大的 运行方式中的检修条目 调整到指标计算 值最小的运行方式时间段 华北电 力大学 北京 硕士 学位论文 第三章 静态安全分析 3 1 引言 在电力系 统规划 研究中 静态安全分析的常用处理办 法是连续的用完全交流 潮流计算分析所有可能的预想事故 一台 或多台发电机开断 和一条或多条 输电 线开断 并从所得的潮流分布和母校电压 解中 评定系统的安 全性 但将这种 处理方法用于在线或实时性要求较高的预想事故分析时 由于速度上的要求 通 常很难有充裕的时间来执行列于预想事故一览表中的所有预想事故 同时 由于 预想事故一栏表 是根据运行人员的经验和离线模拟试验来确定的 因而可能由 于经验不足而遗漏某 些关键性的预想事故 或是由于在实时情况下 由 于系统现 状的变化 而 这种变化又往往难于 在离 线模拟时预料 而引 起不安全运行状态 的预想事故之外的更为严重的预想事故 出于以 上原因 文献 2 2 首先提出了预 想事故选择的概念 以便能在实时情况下 利用描述运行现状的实时数据 自动 地选出对应于该现状下地有意义地预想事故集 预想事故选择的过程如下 按侮 一 可能的预想事故对系统导致后果严重程度的 顺序 排列出 预想事故一览表 然 后 再根据表格给出的顺序 依次对表中列出的每一预想事故 进行故障详细分 析 直到满足一定的终止判据 即预想事故不再对系统引起违限 或引起的违限 对系统不会造成严重的危害 为止 满足终止判据以 后的各预想事故 由于 对系 统所造成的 后果小于 抵达终止判据的预想事故 所以 勿需再通过故障 详细分析 这种设想 在文献 2 2 中称之为自适应的预想事故处理器 静态安全分析的数据来源可以 是从 状态估计中 获取实时方式 也可从潮流中 获取研究 假想 方式 以下给出了静态安全分析软件和其它系统的关系图 图 3 1 华北电力人学 北京 硕士学位论文 安全分析 图 3 1 安全分析软件和其它系统的关系图 3 2 故障定义及维护 3 2 1 故障的定义 故障分类的科学性是提高预想故障分析软件设计质量的重要一步 在早期的预想故障分析中 一般只进行n 1 扫描式的 故障选择和分析 即 分别开断系统的每个网 络元件 计算其后的电网 状态 但在实用中由于效率过低 而不受重 视 9 0 年代来 以 预想事故集方式进行预想事故分 析 预想故障集合的定义和管理技术是提高安全分析软件性能的关键 为此 应 以物理分类的方式按层次定义预想故障集合 图 3 2 预 想 i ry tk r 匕故 障 卞 开断 元件 条 件 陈 视 元 条 件 开 断 元 规 则集 图3 2 故障定义层次图 华北电力大学 北京 硕士学位论文 一个完整的故障由四部分组成 主开断 元件 条件监视元件 条件开断元 件和规则集 1 主开断元件 可以 是电网中 任何元件 如变压器 线路 发电机 负荷 电容器 电抗器 开关或母线等 故障可以是单重的 也可以是多重的 而多重 故障可以是同一类元件 也可以是几类元件的组合 开关断 合 也包含在故障定 义之中 这对模拟变电 站事故等是非常方便的 2 条 件监视元件及条件开断元件 配合使用 可以 模拟继发性故随 在 实际电力系统中 某些元件故障可能引发其它元件的开断 这就需要引入条件故 障的概念 当主开断元件的动作引起开断监视元件越限时 条件开断元件随之动 作这种带有条件监视元件和条件开断元件的故障标为条件故障 3 规则集 描述主开断元件动作后 调度人员按规定或经验所必须执行的 操作 在实际电网中 当一些关控元件开断或关键监视元件 越限时 系统内己 制 订了一些相应措施指导调度人员操作 规则集中放置这些措施 以便有效模拟故 障后系统的真实状态 故障组是具有某种特征的若干故障的集合 故障组的定义可以是根据用户需要而任意设定的 也就是说用户可以根据不 同的标准来定义和管理众多的故障 例如 按故障重数 电压等级 区域等 但 是在系统实际运行过程中会有一些可能故障是要害的故障 系统的调度人员对这 些预想故障是非常关注的 因此 可以定义一些必须进行详细分析的故障组 这 样 本文中将故障组分为4 类 n i 故障组 n 2 故障组 必须分析的 故障 组 自 定义故障组 另外 在故障的维护中 还需要达到以下要求 1 在故障集合中的各故障组在缺省的条件下是全部激活的 但可以对每一 故障组单 设 停用 标志 在故障扫描时自 然会跳过这些故障组 仅分析 激活的 故障组 2 同 一个激活的故障组的 各个故障 缺省条件下是自 然被激活的 但可以 对每一故障单独设 停用 标志 在故降分析中自 动会跳过 这些故障 仅分析激 活的故障 3 对于定义到不同故障组的同一个故障 不能重复分析 只需分析一次 华北电力大学 北京 硕士学位论文 3 2 2 故障组的自动维护 实际应用中故障组 故障表需要认真的维护 随电网的变化和发展要不断补 充新的故障和故障组定义 要不断删除或停用无意义的故障和故障组定 义 这样 才能使一线调度员最方便而有效地应用预想故障分析软件 故障 自动快速选择 3 1故障分类 故障扫描的目 标是 用较短的时间尽可能多淘汰 无害 故障 但又不能漏掉 一 个有害故障 故障扫描是对故障集合中的故障进行项处理 将其分为两大类 一类是无需 潮流计算即可确定为不会产生越限的 无害 故障 一类是需要通过期流计算刁 判断其危险程度的 有害 故 障 其目 的是避免不必要的潮流计算 加快预想故 障分析速度 由 于解列性故障的严重性 本方 案中先 将故障分解为 解列性故障和非 解列 性故障 解列性故障可立即归类于 有害 故障 而非解列性故障要再继续分类 关于系统解列的判断 本文采用基于因子分解表对角元素的判别法 系统解列的判断方法 在实际电 力系统中 系统解列是比 较严重的故 障 需要进行分岛 计算 系 统 解列可以 调用网 络接线分析进行判断 这种方法的优点是准确 但缺点 是搜索量 很大 时间长 这t 介绍文献 2 9 1 中介绍的基于因 子表分解表对角 元素项的判别 方法 这种 方 法 是 按快 速 分 解 法分 解 或 修 正 母 线电 纳 矩 阵b之 后 考 察因 子表 的 对 角线是否有零项 有零判为解列 无零判为无解列 此方法的 原理在于 对于 有 n 个 母线的系统来说 满足功率平衡条件的方 程 只 有 一 1 个 是 线 性 独立 的 即b 矩 阵的 秩 为 1 当 系 统 解 列为 多岛 之 后 每 个岛均要满足功率平衡方程 如果分为2 个岛 n n 十 飞 独立功率平衡方 程为 华北电力大学 北京 硕十学位论文 n 一 1 十 n 1 而 一 卜n 1 几 1 故万 矩阵的 秩小 于n i 因子 表的 对 角线 项必然会出现零元素 3 3 2 性能指标 通过故障分类 在过滤掉了解列性故障之后 似判断故障 对的电力系统安全运行的 危害程 度 在本文中根据有功和无功之间的 弱祸合关系 潮流行为指标 母线电压和无功注入指标 1 有 功 功 率 指 标 几 对其他故障可以用性能指标近 选用以下 2 种性能指标 有功 一 尸 w i j 二 丫 气 j 其 中 w 为 线 路i 的 权 重 为 所 有 有 功 潮 流 越限 的 线 路 的 有 功 潮 流 p 为 线 路工 的 有 功 潮 流 限 为 一 个 正 整 数 一 般 为 3 1 p 为 线 路 2 电 压 无 功 指 标 i ll 赞 zaqk q q 黔 z juk uk w ll u u 3 2 q q k i 二 q m in 2 q lr 一 q tr 一 q m in 2 叭 a 二 叽 十 叭 n 2 u k 一 u k m a 一 u m j 2 其 中 19 为 无 功 注 入 越 限 的 节 点 集 合 y 为 电 压 越 限 的 节 点 集 合 q k 为 故 障 后 无 功 电 源 发 出 的 无 功 功 率 值 u k 为 故 障 后 k 节 点 的 电 压 幅 值 q k 一为 节 点 k 无 功 电 源 功 率 的 上 限 q f m 为 节 点 k 无 功 电 源 功 率 的 下 限 u k m ax 为 节 点 k 电 压 的 上 限 认 in 为 节 点k 电 压 的 下 限 叽 叱为 权 系 数 为 指 数 华北电力大学 北京 硕士学位论文 3 3 3 指标的计算 本文中 采用快速解藕潮流的一次跌代修正值来求取行为指标 由于 预想故 障分析对速度的要求非常高 因此在保证精度的前提下 如何提高 快速解藕潮流 的计算 速度成为改进算法考虑的重点 本文中 借鉴了文献c 2 引中 提供的部分因 子表修正技术 目的是为避免快速解藕潮流中占据大量计算时间的因子分解 部分因子表修正技术 由于故障时元件开断会引起网络结构发生变化 b矩阵有所变化 随之三 角 分 解后 的 矩阵l d 也 要 变 化 因 此在 进 行跌 代之 前 应 对 因 子 表 进行 修 正 因子 表修正方法大致有全部重新因子分解 补偿法修正 部分因子表修正等 三种 全部 重新因子化程序最为 简单 但计算量太大而不可取 补偿法利用 逆矩阵 修改引理 有原来因子表解出新 状态的 解 这一方法更 适合网 络结 构仅是暂时性修 改 而且 修改的多重数较小的 情况 其 计算速度也不是很快 部分因子表修正法 是利用稀疏向量技术仅对基态因子表作部分修改 计算量较小 适合用于故障分 析 从高 斯消去过程可以 看出 单个元件或少 数几个 元件的开断只影响到因子表 的部分元素 而且需修正的行和列恰巧是因子化路径上的有效行和列 假 设 开 断 线 路 jj 原 来 矩 阵 风 修 改 为 b r b r b 十 ma b n 3 3 式中 o b y 为 纯 量 由 原来因子 推算新因子的 递推公 式为 华北电力大学 北京 硕士学位论文 d d b i 一 m 一 1 i n i 一 1 i i u 9 b 一 m 一 i n 0 j l d 部 分 因 子 表 修 正 法 流 程 见 巴 3 3 i 1 1 3 4 2 i p a t h p d o d i b m i n i 3 是 i u i i u i 1 4 否 c 1 b m i c 2 b n i 5 k i u i 6 j j u k mo m j m i l k n j n j n j u k 8 u k u k c 1 n o d i l k l k c 2 m o d i 9 k k l 1 0 是 k i u i l 1 否 b b cl c 2 d i 1 2 p p 1 3 是 p nop h 1 4 否 图 3 3部分因子表修正法流程图 华北电力大学 北京 硕士 学位论文 1 简单变量 p 循环变量 n o p h 路径中节点 总数 k 川中上 行首址和有关非零元素地址 j u 中i 行各元素列号 工 m 一 一 网络节点总数 f m 一上三角 或下三角 矩阵中非零非对角因子总数 b 一一 b 修改的导纳值 2 数组 i m m 1 i m 存放稀疏关联 矩阵 n 仁 i i m 存放稀疏关 联矩阵 p a t h 1 n o p h 存放单条路径表 d l 工 m 存放对角阵 d 的对角元素 i u 1 工 m 1 一 一 存放 u 中非零 非对 角元 素 每行 首址 且有 i u i m 1 i u i m j u l f m 一 存放 u 中非零非对角元素的列号 u i f m 存放仁 u 中非 零非对角 元素的值 l i f m 存放 l 中非零非对角元素的值 在图3 3 中的算法中 先根据关联矩阵m n 中非零元素位置 形成单条路径 表 即p a t h 仁 1 n o p 川 然后对路径表中每个节点的 有关因子进行递推运算 在第 3 和第9 步中实现 而递推公式中 的准备运算 在第8 第5 和第 1 2 步中执行 当 满足第4 步的条件时 表明在第i 行内己 不存在非零 非对角元素 即到了 因子 表的最后一行 列 因子表修正完毕 递 推 公 式 中 b m 叭 n o 由 下 列 公 式 递 推 修 正 m l 一 mc 一 v 一 i f m 一 i n j n c 一 l j 一 u p n 一 i b 2 m 2 i 一 1 b 2 n 2 i 一 1 b 一 b 1 则可将此算法重复使用m 次 逐步得到最终的因子表 实 际 上 由 于 故 障 元 件的 类型 不 同 对b 和b的 影响 也 不同 上 面 流 程图 只适用对矩阵进行如 2 3 式一类的修改 对于 其它如变压器参数 线路对地导 纳和电 容器参数修改等 需根据形成b和b矩阵时的实际算法拟定其因子表修 正程序 3 3 4 终止判据 本文中采用的终止判据如下 分别对应有功 无功行为 指标所得到的事故一览表 对有功 采用 在 m 个连续开断情况中 没有出 现线路 潮流越限 的 判据 对无功 采用 在m 个连续 开断情况中 没有出 现节点电压越限 的 判据 这 种判据的m 值需要经过不断的应 用和验证来加以选择 3 4 故障详细分析 在故障自 动快速选择过程中 筛选掉 无害 故障 保留了后果较严重的 有 害 故障 对此要进行详细分析 以准确判别故障后系统潮流分布和危害程度 实际上 需 要详细分析的故障危害程度仍有差别 没有必要对全部故障进行 交流 潮流分析 可以 进一步划分故障的性质 选择不同的 潮流算法 故障详细分析的流程示于图 3 4 0 华北电力大学 北京 硕士学位论文 图3 4 故障详细分析流程 1 完全交流潮流 造成系统解列的故障及事先指定的故障 在故障扫描中检测出来 一般将其 放在故障排序表的前面 不再排序 因为他们均属于最严重的故障 完全交流潮流分析是由网络结线分析开始 形成导纳矩阵 分解因子表及跌 代修正解出完整的交流潮流 2 快速潮流 除了解列故障外 在保证一定精度的前提下 为了提高计算速度 其余 故障 一 般均采用快速潮流进行计算 快速潮流程序流程如图 3 5 图 3 5 快速潮流流程 华北电力大学 北京 硕士学位论文 j决速潮流和完全交流潮流有以下区别 1 不重新进行网络结线分析和形成因子表 利用前面介绍的稀疏 向量技术和部分因子表修正技术 对b 和b 矩阵的因子表进 行快速修正 得到新的因子表 2 采用自适应定界方法 缩小计算范围 加快计算过程 自适应定界 实际上 对大多数系统故障来说 故障的波及范围只是电网的一小部分 因 此在进行潮流详细分析时 没有必要分析整个电网的潮流 仅分析某一子网的 潮 流就可以 自 动确定潮流计算新边界的方法称为自 适应定界法 a d a p tiv e l o c a l i z a t i o n m e t h o d 既可以 用于故障 详细分 析 也 可以用于故障筛选 在每一 步跌代中 它都确定一个越限的 母线集合 利用稀疏向 量处 理有关母线的功率不 平衡量 从而解出预想故障分析中所需要的主要母线的电压相角和幅值的修正 量 这种自适应定界法可以看出是对快速分解潮流算法的提高和改进 其精度与 完全交流潮流基本一致只要能科学确定子网 即可大大提高潮流计算速率 1 子网 的确定 在传统的边界法中用到的局部区域一 般是由围绕故障点的几层母线联接成 的子网 它有几何边界 在自适应定界法中采用更加通用的概念 激活 集 代替了 局部域 激活集是功率不平衡大到需要处理的母线集合 着眼点 不是几何联系 比传统局部域概念更接近网 络电气特性和迭代解的数学 特 性 激活集的概念更通用 适应的故障范围更广 因为不必进行结线分析 省去了很多附加计算量 自 适应定界法中的确定激活集的 方法可随电网结构和参数不同而变化 这里介绍按电压校正量确定激活集的方法 如图2 4 所示 自 适应定界法将电网母线分为两大集合 a 和 c 集合 a 是需要更新电压相角和幅值的 母校集合 其中又 按电压校正 量门槛s 1 将其分 为 子 集a 和a 2 前者 在 下 一 次 迭代 时 计 算 功 率 不平 衡 量 后 者 参 加 下一 次 迭代但不必计算其功率不平衡量 集合 c 中的母线可以不参加迭代计算 其 华北电 力大学 北京 硕士学 位论文 电 压 校正 量小 于 门 槛 而 二 s 瞩于 子 集 al 叫 e z r瞩于 子 集 2 引 e z k a 于 子 集 的 选 取 应 在计 算 量与 精 度之 间 谐 调 若 过 小 会出 现激 活 集 过 大 而 降 低 计 算 效率 而e 过 大 则 可能 因 漏掉 了 较 多的 应参 加 计 算 的 母 线而不收敛 e 的经 验值在 0 0 1 0 0 0 1 之间 它可以是一个常数 也可 以随迭代情况而变化 在快速分 解法潮流计算中 p v母线不参加电压迭代 因而不计 算 其修正量 这样激活集将会漏掉 p 一 母线 为避免这一点 可以将与子 集a 中 母 线 相 邻的p v母 线 包 括 到 激 活 集 中 同 时 还 把 功 率 不 平 衡量 超 过 某 一限 值 的 母 线 包 括 到 激 活 集中 这样 实际确定激活集的方法是 子集 a 一 仁 引 s k io p k j e p k 与 上 述 母 线 相 邻 的 p 一 姆线 2 6 式中 为电 压 修 正 量门 槛 为 功 率 不 平 衡 量门 槛 华北电力大学 北京 硕士学位论文 2 自 适应定界 法的实现 由以上分析可知 自适应定界法利用电压修正量由网络划分出激活集 对该 集中母线计算下一次迭代时所需的功率不平衡量 利用稀疏 向量技术计算下 一次迭代的电压修正量 同时确定下一次迭代的激活集 直止收敛 自适应定界法的流程图如图3 6 所示 其步骤为 1 计算受故障直接影响的母线上有功不平衡量4 p 并形成这些母 线的因子化路径 2 对 有 功 不 平 衡量 进 行快 速前 代 和 完 全 回 代 修正 母线电 压 相 角 3 对激活集内 母线计 算无功不平衡量 q 4 在 激 活 集的 因 子 化路 径 进 行 快 速 前 代 和 完 全回 代 用 确 定 激活 集 母 线 用 2 确 定 参 加 迭 代 的 母 线 并 修正 其电 压 幅 值 对 新的 激活集形成因子化路径 5 计算激活集中有功不平衡量a p a 6 检查收敛情况 未收敛转回第2 步 收敛则继续处理下一故障 华北电力 人学 北京 硕士 学位论文 图3 6自 适应定界法程序流程 3 5 系统模块结构和程序流图 3 5 1 主要模块 预想故障分析软件包的主要设计模块包括 华 北电 力大学 北京 硕士学位论文 数据接口 模块 此 模 块 功 能 包 括 从 外 部导 入 完 整的 网 络 信 息和 取自 状 态 估计或潮流的运行状态数据 外部调用模块 此 模 块 功 能 包 括 调 用 各 种 潮 流 计算 程 序 和网 络 拓扑 分 析 计算程序以及图形建模程序 数据管理模块 此 模 块 包 括 对 故 障 集 合的 管理 子模 块 和 对自 身 网 络 信息 数据的管理子模块 核心算法模块 此 模 块 是