電力系統(tǒng)關鍵斷面的確定方法分析

李牧軒 傅榮宗

摘 要：電網規(guī)模的擴大及電網結構的復雜度提升，需要做好電力系統(tǒng)的運行控制工作。將電網整體控制問題轉化為分節(jié)點控制，降低了控制難度。面對現代社會規(guī)模龐大的電網分區(qū)工作，即使進行了分區(qū)，仍然會形成數量眾多的輸電斷面，對輸電斷面進行監(jiān)測控制是一項工作量極大的任務，為提高管理效率，工作人員選擇在電網運行過程中對電網系統(tǒng)穩(wěn)定性有重大影響的輸電斷面作為電力系統(tǒng)重點監(jiān)測和控制對象，以實現有效的監(jiān)測管理。

關鍵詞：關鍵輸電斷面；電網分區(qū)；管理與監(jiān)測

中圖分類號：TM732 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）33-0145-02

Abstract： With the expansion of power grid scale and the increase of complexity of power grid structure， it is necessary to do a good job of power system operation and control. The whole control problem of the power network is transformed into the sub-node control， which reduces the difficulty of control. In the face of the large scale power grid zoning in modern society， even if it is partitioned， there will still be a large number of transmission sections. It is a great workload to monitor and control the transmission sections. In order to improve the management efficiency， it is necessary for workers to monitor and control the transmission sections， so as to achieve effective monitoring and management.

Keywords： key transmission sections； power grid zoning； management and monitoring

1 背景與意義

高速發(fā)展的現代社會對電力系統(tǒng)的依賴越來越高，隨著城市面積的不斷增加，電力系統(tǒng)的覆蓋規(guī)模也隨之增大，電網結構也不斷擴大并升級，造成電網結構的復雜性增加。近幾年大容量機組數量快速增長，為現代電網系統(tǒng)的復雜性和安全管理工作帶來了極大壓力，按照傳統(tǒng)方法工作人員已無法有效實現對大范圍電網的監(jiān)管，需將大規(guī)模的電網進行分區(qū)劃分進而使每一個分區(qū)以相對獨立的狀態(tài)進行工作，也方便管理人員對其運行參數進行控制和分析。

在實際操作層面，輸電斷面能夠使大規(guī)模電網的安全監(jiān)控成為可能，大幅度的簡化了事故預警和運行分析。工作人員按照安全穩(wěn)定分析要求確定輸電斷面之后，系統(tǒng)會將整個電網按照一定標準劃分為不同的區(qū)域，區(qū)域之間由輸電斷面進行連接，初步將一個規(guī)模巨大的電網分割為若干獨立運行的系統(tǒng)，減少了一次監(jiān)測所需要面對的數據源和分析工作量。由于各個區(qū)域都以較為獨立的方式運行，即使在某個區(qū)域內由于元器件故障而造成損壞，也只會波及該區(qū)域內的系統(tǒng)，對于電網整體系統(tǒng)不會造成嚴重影響，提高了電網系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性，減少了一次事故所需要檢查的面積范圍和相應的投入費用。

工作人員在日常操作時，以輸送斷面作為分析電網運行狀態(tài)的切入點，能夠快速掌握整個電網的關鍵環(huán)節(jié)。電網的正常運行狀態(tài)主要取決于電源，網架結構、負荷三方面，所以各個分區(qū)之間聯系的緊密程度，一般是根據網架結構和功率交換來決定的，如果兩個分區(qū)之間的網架結構聯系性較強，且交換功率較少，通常不會在穩(wěn)定方面出現問題。而對于分區(qū)之間網架結構較為薄弱，進行交互時功率要求較大的部分，則容易出現穩(wěn)定問題，需要工作人員特別留意。綜上所述，研究輸電斷面的確定方法，成為了電網安全穩(wěn)定分析和控制工作的基礎。

2 電力系統(tǒng)關鍵輸電斷面定義

具備以下要素，才被作為關鍵斷面：

（1）關鍵斷面是電力系統(tǒng)區(qū)域之間承擔功率交互的域主線路集合，斷開這種線路系統(tǒng)就會被劃分為兩個獨立的子系統(tǒng)。

（2）為了實現日常交互的穩(wěn)定性，需要兩個子系統(tǒng)之間能夠保持較好的聯系，其具體表現為連通性強，交互功率小，內部故障不會影響到其他區(qū)域。

（3）對于子系統(tǒng)之間的內部聯系較為薄弱，電氣距離較大，在電網系統(tǒng)中容易出現故障，交互功率較高的，需要利用關鍵斷面進行分割，此標準是為了保證電網在正常運行過程中不會由于兩個子系統(tǒng)之間的聯系薄弱而造成不穩(wěn)定故障。

（4）關鍵斷面具有脆弱性（脆弱性是指電網拓撲結構上的網架結構脆弱和系統(tǒng)潮流方式所決定的脆弱性），斷命主變故障之后，會對兩個子系統(tǒng)之間的電力傳輸造成非常重大的影響，甚至會造成一定的安全問題。

在電腦分區(qū)的基礎上，確定關鍵數電斷路，就是為了尋找一組分區(qū)的斷面集合，比如這一組集合所連接的子系統(tǒng)之間物理結構較弱，且關鍵斷面上的輸送潮流較大，本文將運用譜圖理論和譜聚類相關方法來解決NP完全問題。

3 與傳統(tǒng)控制方式比較

傳統(tǒng)的關鍵段路是由系統(tǒng)專家通過對系統(tǒng)開展離線分析，并且結合之前的工作經驗，以人工方式進行判斷而最終確定的，由于人類計算能力的限制，在面對長時間高負荷的計算工作時，可能出現誤差，在面對大數量計算時有可能出現人工誤差，尤其是到了現代電網數據更新頻繁且數值較大，這樣的計算和預估方式容易存在較大的誤差。網架結構的日益復雜，再加上近幾年新能源發(fā)電的接入導致電網系統(tǒng)的組成結構越來越多，尤其是大規(guī)模間歇性新能源的并網，也增加了系統(tǒng)潮流方式的隨機性，引起系統(tǒng)安全特征的頻繁改變，降低了之前通過經驗來進行判斷的準確性。

4 電力系統(tǒng)關鍵輸電斷面的確定方法

4.1 譜圖理論和譜聚類

（1）譜圖理論：譜圖理論結合圖論和組合矩陣，利用圖的矩陣來表示各元素之間所存在的關系，建立圖的拓撲結構。為了方便后續(xù)的介紹，首先我們需要建立一個有n個節(jié)點和m條邊所組成的有全權G，G=（V，E，W），V表示點集，E表示邊集，W表示點之間所存在的關系。在實際應用的過程中，需要根據網絡特性和選取目標特點來進行權值選擇。節(jié)點示意圖如圖1：

定義節(jié)點vi的度為：

di=Wij

其含義為圖中與vi相連的所有邊的權值之和，在無權圖中，di等于與vi相關聯的邊的數量。定義度矩陣D是以di，…，dn為對角元素的對角矩陣。

（2）譜聚類：譜聚思想是通過樣本間的相似關系來建立矩陣，然后通過計算特征向量，找到其中的內在聯系，其特點是可以適用于任何形狀的樣本空間，并且能夠將其收斂到一個最優(yōu)狀態(tài)，根據復雜網絡的相關研究成果已知很多網絡都具有社團結構特點，通過相似圖聚類分析，能夠轉化成圖分割問題，其最終目的就是使連接子圖的邊的權值之和達到最小，但此圖內邊的權值之和最大。

譜聚類常應用于使得用于分割圖的邊數目最少或者權值最小的目標。首先設置一個表征節(jié)點所屬子圖關系的分割指示向量：

x=（x1，x2，…，xn）T∈R

4.2 電力系統(tǒng)關鍵輸電斷面的確定方法

在譜圖論中將G分割成相互獨立的兩個子團，給定聚類定義一個組內數據點之間的緊密關系，本文選擇的是規(guī)范切的方式來確定關鍵輸電斷面，但是在操作之前需要認識到雖然規(guī)范可以迅速確定子圖間連接較弱，但子圖內部連接緊密的割集會影響到這一過程?；谝?guī)范切的電力系統(tǒng)關鍵輸電斷面確定結果，將關鍵斷面定義為一組分區(qū)斷面的結合，當這些分區(qū)斷面進入斷開狀態(tài)后，系統(tǒng)就會隨機劃分為兩個不同的子系統(tǒng)。

5 結束語

本文通過建立CEPRI-36節(jié)點系統(tǒng)和圖論模型，利用規(guī)范切的方式確定關鍵輸電斷面，在實際應用中能夠有效識別關鍵輸電斷面，提供操作者對于電網系統(tǒng)的數據管理水平。

參考文獻：

[1]趙金利，余貽鑫.電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定分區(qū)和關鍵斷面的確定[J].電力系統(tǒng)自動化，2008（17）：1-5.

[2]呂泉成.電力系統(tǒng)關鍵輸電斷面的確定方法[D].華北電力大學（北京），2016.

[3]王文媛，李衛(wèi)國，程宇 ，等.基于關鍵支路的關鍵斷面確定方法[J].華北電力大學學報（自然科學版），2018（2）：54-63.

[4]胡劍鋒，閆濟紅，陳中，等.電力系統(tǒng)小干擾穩(wěn)定風險評估與仿真[J].廣東電力，2017（8）：80-86.