一种分布式静态安全分析方法

摘要

本发明提供一种分布式静态安全分析方法，包括潮流计算及相关指令初始化、分布式故障集合筛选和多线程/进程的分布式N‑1潮流等步骤。在现有的区域调度运行模式的基础上，各区域调度中心同时计算，并在协调层的统一管理下通过广域网交换少量的边界信息，以考虑各区域电网间的相互影响，并达到和联合计算相同的结果。本发明使用分布式潮流法来达到多个区域电网联合潮流计算一样的结果，在现有的调度模式下实现了互联电力系统的联合静态安全分析。本发明中使用分布式故障集合筛选，基于线路节点的电气距离进行排序，并对故障集合内的线路进行分布式潮流计算，在保证分析准确性的前提下用多线程/进程来提高计算速度。

权利要求

1.一种分布式静态安全分析方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：潮流计算及相关指令初始化，是指协调侧初始化N-1静态安全分析并发送消息至计算侧；所述协调侧，是指初始化过程中要完成多线程的消息头的分配和JFNG算法相关参数的设置；所述计算侧，是指初始化过程中需要进行拓扑分析和基态潮流计算；

步骤2：分布式故障集合筛选，是指各个区域电网在进行基态潮流计算中会生成节点导纳矩阵，节点导纳矩阵的逆是节点阻抗矩阵，它反映了各个节点间电气距离的大小，将各个节点对边界节点电气距离从小到大排序，并把线路按照所连接的节点进行分组，依次放入故障集合中；

步骤3：多线程/进程的分布式N-1潮流，计算侧每进行完上一轮计算后，先对潮流断面进行恢复，再从故障集合中读取下一条线路信息，并修改网络拓扑结构，进行下一轮计算，当故障集合中所有线路都计算完毕，或者满足停机标准则终止计算。

2.根据权利要求1所述的一种分布式静态安全分析方法，其特征在于，所述步骤3的停机标准，是指对故障集合中的线路进行计算并将越限情况按线路的分组进行归类和对比，随着电气距离的增加，如果下一组和上一组相比没有新的越限信息产生，则终止计算。

3.根据权利要求1所述的一种分布式静态安全分析方法，其特征在于，所述步骤3的协调侧可以同时启动多个线程进行计算，相应的计算侧则需要开启多个进程。

说明书

一种分布式静态安全分析方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统的安全分析领域，特别是一种分布式静态安全分析方法。

背景技术

[0002] 静态安全分析，是对运行中的网络或某一研究态下的网络，按N-1原则，研究某一个运行元件因故障退出运行后，系统中其它元件有无过负荷及母线电压有无越限。传统的静态安全分析中，由于各个区域调度中心彼此相互独立，且仅有所管辖区域电网的全部模型，因此各区域调度中心首先需要对外部电网进行等值处理，之后才能对本地电网进行分析。目前在调度平台中常将外网等值为静态负荷或者发电机，在这种模式下，互联区域电网的联合静态安全分析无法进行，且一个区域电网中的故障对另一个区域电网的影响无法被体现。

[0003] 针对外网等值方法存在的相关问题，为了提高分析的准确性，文献Z.Haibo,Z.Boming,S.Hongbin,and A.Ran“,A new distributed power flow algorithm between multi-control-centers based on asynchronous iteration,”in 2006International Conference on Power System Technology,2006,pp.1–7.和文献Z.w Liu and M.b Liu,“Distributed Reactive Power Optimization Computing in Multi-area Power Systems Using Ward Equivalent,”in 2010International Conference on Electrical and Control Engineering(ICECE),2010,pp.3659–3663.分别对外网进行戴维南和Ward等值，并在计算过程中对等值模型进行修正，以更加准确的反映外部电网。文献Z.Li,J.Wang,H.Sun,and Q.Guo“, Transmission Contingency Screening Considering Impacts of Distribution Grids,”IEEE Trans.Power Syst.,vol.31,no.2,pp.1659–1660,Mar.2016.使用主从算法，并通过交替迭代法求解全潮流，这种方法中内外电网都参与计算，准确性更高，但是主从算法的收敛性低，交替迭代的计算效率仍有待提高。交替迭代法是指多个区域依次进行计算，每个区域计算完后将边界信息发给另一个区域后，另一个区域才可以计算，以此往复，每个时刻只能有一个区域正在计算。文献Y.Chen and C.Shen,“A Jacobian-free Newton-GMRES(m)method with adaptive preconditioner and its application for power flow calculations,”IEEE Trans.Power Syst.,vol.21,no.3,pp.1096–1103,2006.使用JFNG算法提高了计算的收敛性。文献Z.Ren et al.“, Distributed power flow considering network loss allocation and load factor of subareas,”in2016 35th Chinese Control Conference(CCC),2016,pp.2820–2824.建立了考虑网络损耗在区域间分配的分布式潮流模型。

[0004] 此外，电力系统中进行N-1静态安全分析时首先需要筛选出一个故障集合(CCS)。文献G.Zhou et al.,“The static security analysis in power system based on Spark Cloud Computing platform,”in Smart Grid Technologies-Asia(ISGT ASIA),
2015IEEE Innovative,2015,pp.1–6.和文献P.A.Kaplunovich and K.S.Turitsyn,“Fast selection of N-2contingencies for online security assessment,”in 2013IEEE Power Energy Society General Meeting,2013,pp.1–5.基于直流潮流，使用分布因子法对系统进行快速扫描以筛选出故障集合，并对故障集合中的线路进行全潮流计算，这是目前常用的方法。文献X.LIU“, Power System Dynamic Vulnerability under Extreme Transmission Line Contingencies,”Master’s Thesis,McGill University,2007.中使用特征根灵敏度法来筛选故障集合，但是只使用于产生较大扰动的故障。文献C.A.Baone,N.Acharya,S.Veda,and N.R.Chaudhuri,“Fast cont ingency screening and ranking for small signal stability assessment,”in 2014IEEE PES General Meeting|Conference Exposition,2014,pp.1–5.对特征根灵敏度法进行改进，使用一阶特征根灵敏度法来筛选故障集合，但是特征根灵敏度法需要全部的电网模型，因此这种方法在目前的调度平台中难以实现。

[0005] 现有的调度平台只具有所管辖区域电网的实时数据，而对外部电网统一进行等值处理。目前最常用的方法是将边界节点等值为PQ节点类型，其节点的注入功率始终保持恒定。而实际电网中，内部线路的开端势必会对联络线上的功率造成影响，进而将功率波动传递到对端的外部网络。因此现有的分析方法在准确性上存在着不足，和电网实际运行情况并不匹配。本发明使用分布式潮流法来达到多个区域电网联合潮流计算一样的结果，在现有的调度模式下实现了互联电力系统的联合静态安全分析。

[0006] 此外现有的故障集合筛选方式是基于直流潮流，并使用分布因子法进行线路开断扫描。直流潮流只考虑到线路有功功率，因此分析的精确度不高。本发明在现有的区域调度运行模式的基础上，建立了分布式静态安全分析体系，各区域调度中心同时计算，并在协调层的统一管理下通过广域网(Wide Area Network，WAN)交换少量的边界信息，以考虑各区域电网间的相互影响，并达到和联合计算相同的结果。联合计算是指互联电力系统中各个区域电网将完整的数据和模型整合在一起并使用集中式的方法进行的统一计算。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种分布式静态安全分析方法，使用分布式故障集合筛选，基于线路节点的电气距离进行排序，并对故障集合内的线路进行分布式潮流计算，在保证分析准确性的前提下用多线程来提高计算速度。本方法中各个电网同时参与分析与计算，因此相比等值法具有更准确的输入输出响应关系，能够准确追踪外部电网的各种变化。协调侧使用的JFNG算法(全称Jacobi-Free Newton-GMRES，是一种带有预处理机制的基于广义最小残差的不精确牛顿法，可以用于求解非线性方程组，并不需要显式生成雅可比矩阵。)相比交替迭代法具有更高的收敛性。此外，基于节点电气距离的分布式故障集筛选以及多线程/进程的计算模式可以有效提高静态安全分析的计算效率。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0009] 一种分布式静态安全分析方法，包括：步骤1：潮流计算及相关指令初始化，是指协调侧初始化N-1静态安全分析并发送消息至计算侧。步骤2：分布式故障集合筛选，是指各个区域电网在进行基态潮流计算中会生成节点导纳矩阵，节点导纳矩阵的逆是节点阻抗矩阵，它反映了各个节点间电气距离的大小，将各个节点对边界节点电气距离从小到大排序，并把线路按照所连接的节点进行分组，依次放入故障集合中。步骤3：多线程/进程的分布式N-1潮流，计算侧每进行完上一轮计算后，先对潮流断面进行恢复，再从故障集合中读取下一条线路信息，并修改网络拓扑结构，进行下一轮计算，当故障集合中所有线路都计算完毕，或者满足停机标准则终止计算。

[0010] 可选的，步骤1的协调侧，是指初始化过程中要完成多线程的消息头的分配和JFNG算法相关参数的设置。

[0011] 可选的，步骤1的计算侧，是指初始化过程中需要进行拓扑分析和基态潮流计算。

[0012] 可选的，步骤3的停机标准，是指对故障集合中的线路进行计算并将越限情况按线路的分组进行归类和对比，随着电气距离的增加，如果下一组和上一组相比没有新的越限信息产生，则终止计算。

[0013] 可选的，步骤3的协调侧可以同时启动多个线程进行计算，相应的计算侧则需要开启多个进程。

[0014] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

[0015] 在现有调度平台的基础上提出了分布式静态安全分析，可以对区域电网间的相互影响进行分析与评估，从而提高互联电力系统N-1静态安全分析的准确度。

[0016] 提出了分布式的故障集合筛选方法。各区域电网根据对边界节点的电气距离对线路进行排序和分组，并放入故障集合中，通过使用多线程/进程的模式对故障集中的线路并行分析计算以提高计算效率。

附图说明

[0017] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0018] 图1为本发明一种分布式静态安全分析方法的流程图

[0019] 图2为本发明一种分布式静态安全分析方法的步骤101流程图；

[0020] 图3为本发明一种分布式静态安全分析方法的步骤102流程图；

[0021] 图4为本发明一种分布式静态安全分析方法的步骤103流程图；

[0022] 图5为本发明一种分布式静态安全分析方法的分区互联电力系统切分图。

具体实施方式

[0023] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0024] 本发明的目的是提供一种分布式静态安全分析方法，使用分布式故障集合筛选，基于线路节点的电气距离进行排序，并对故障集合内的线路进行分布式潮流计算，在保证分析准确性的前提下用多线程来提高计算速度。本方法中各个电网同时参与分析与计算，因此相比等值法具有更准确的输入输出响应关系，能够准确追踪外部电网的各种变化。协调侧使用的JFNG算法(全称Jacobi-Free Newton-GMRES，是一种带有预处理机制的基于广义最小残差的不精确牛顿法，可以用于求解非线性方程组，并不需要显式生成雅可比矩阵。)相比交替迭代法具有更高的收敛性。此外，基于节点电气距离的分布式故障集筛选以及多线程/进程的计算模式可以有效提高静态安全分析的计算效率。

[0025] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0026] 实施例1：

[0027] 如图1至4所示，为本发明的一种实施例的流程图，一种分布式静态安全分析方法，方法包括步骤：

[0028] 101：潮流计算及相关指令初始化，是指协调侧初始化N-1静态安全分析并发送消息至计算侧。

[0029] 102：分布式故障集合筛选，是指各个区域电网在进行基态潮流计算中会生成节点导纳矩阵，节点导纳矩阵的逆是节点阻抗矩阵，它反映了各个节点间电气距离的大小，将各个节点对边界节点电气距离从小到大排序，并把线路按照所连接的节点进行分组，依次放入故障集合中。

[0030] 103：多线程/进程的分布式N-1潮流，计算侧每进行完上一轮计算后，先对潮流断面进行恢复，再从故障集合中读取下一条线路信息，并修改网络拓扑结构，进行下一轮计算，当故障集合中所有线路都计算完毕，或者满足停机标准则终止计算。

[0031] 步骤101的协调侧，是指初始化过程中要完成多线程的消息头的分配和JFNG算法相关参数的设置。

[0032] 步骤101的计算侧，是指初始化过程中需要进行拓扑分析和基态潮流计算。

[0033] 步骤103的停机标准，是指对故障集合中的线路进行计算并将越限情况按线路的分组进行归类和对比，随着电气距离的增加，如果下一组和上一组相比没有新的越限信息产生，则终止计算。

[0034] 步骤103的协调侧可以同时启动多个线程进行计算，相应的计算侧则需要开启多个进程。

[0035] 实施例2：

[0036] 以一个二分区的互联电网为例，如图5所示，将其分为三个子分区，其中两个是区域电网，一个是联络线分区。

[0037] 其中， 和 表示S1分区的边界节点注入功率， 和 表示S1分区的边界节点的电压和相角。 和 则是表示的S2分区。图中使用0来表示平衡节点。V10和θ10表示S1分区平衡节点的电压和相角值，V20和θ20则对应S2分区。P10和Q10表示S1分区平衡节点的功率值，P20和Q20表示的则是S2分区。分区后应确保每个分区内都有一个平衡节点，一般可以选择一个PV节点作为平衡节点，例如分区S1的平衡节点，其P10和V10是预先知道的，而θ10和Q10则是未知的；各分区中还应有一个主导平衡机，其电压和相角是已知的，可以为整个互联电力系统提供电压和相角基准。发电机的输出功率用PG和QG表示，负荷使用PL和QL表示。

[0038] 边界节点的类型一般处理为PQ节点，记 那么对于S1和S2有：

[0039]

[0040]

[0041] 对联络线分区，则有 以及因此：

[0042]

[0043] 对于非主导平衡机，以分区1为例P10已知，θ10未知。因此对于不同的θ10，可以计算得到不同的有功功率

[0044]

[0045] 和 均表示潮流方程。因此协调方程为：

[0046]

[0047] 当分布式潮流计算结果和联合潮流计算结果相同时， 以及ΔP10应都等于0。

[0048] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。