趙一婕,辛 巍,范 楊,程 繩
(1.航宇救生裝備有限公司武漢創(chuàng)新中心,湖北 武漢 430000;2.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司檢修公司,湖北 武漢 430050)
近年來(lái),全球性極端自然災(zāi)害不斷發(fā)生,可能導(dǎo)致電力系統(tǒng)出現(xiàn)從局部到大面積的停電事故[1-7],嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此,國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)及工程界提出采用差異化規(guī)劃方法[8-9]構(gòu)建核心骨干網(wǎng)架,以應(yīng)對(duì)嚴(yán)重自然災(zāi)害,保障重要負(fù)荷持續(xù)供電。電網(wǎng)核心骨干網(wǎng)架[10-11]構(gòu)建的關(guān)鍵在于對(duì)網(wǎng)架支路的重要性進(jìn)行評(píng)估、選擇與排序。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于小世界拓?fù)淠P偷碾娋W(wǎng)脆弱性評(píng)估方法,該方法側(cè)重于從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣:途W(wǎng)絡(luò)基本特征方面來(lái)尋找重要線路,但沒(méi)有從電網(wǎng)運(yùn)行特性及約束條件方面考慮線路重要性。文獻(xiàn)[13]提出了一種基于電網(wǎng)生存性評(píng)估的關(guān)鍵線路識(shí)別方法,該方法采用平均最短電氣距離反映線路的重要性,融入了電氣元件的參數(shù)特征,但是很難考慮了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的概率。文獻(xiàn)[14]提出了一種電力系統(tǒng)脆弱性的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,該方法兼顧了事故概率以及事故后對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的嚴(yán)重后果,對(duì)支路的重要性評(píng)估具有一定的啟發(fā)意義。
在電力系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估領(lǐng)域,多風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的綜合方法一般采用加權(quán)形式,各種加權(quán)方法的區(qū)別主要在于各指標(biāo)權(quán)重的確定[15-22]。文獻(xiàn)[23]中利用層次分析法再結(jié)合專家調(diào)查法實(shí)現(xiàn)指標(biāo)權(quán)重的分配,該方法有很強(qiáng)的解釋性,但操作起來(lái)復(fù)雜。文獻(xiàn)[24]中暫態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)的綜合指標(biāo)采用了范數(shù)加權(quán)的綜合方法,該方法的權(quán)重系數(shù)受主觀因素影響較大。目前,對(duì)于支路安全分級(jí)問(wèn)題的研究還不夠深入,文獻(xiàn)[25]中將電壓安全分為5個(gè)等級(jí),分級(jí)原則是根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算指標(biāo)值來(lái)人為均勻設(shè)定每一級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)分類區(qū)間。這種分級(jí)方法簡(jiǎn)單方便,但必須依托于綜合風(fēng)險(xiǎn)值的基礎(chǔ)之上,并且主觀性強(qiáng)。因此,需要尋找一種客觀的權(quán)重確定方法和新的分級(jí)方法,該分級(jí)方法能獨(dú)立于綜合風(fēng)險(xiǎn)值,并且能與綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果相一致。
本文提出了一種電力系統(tǒng)支路重要性排序和分級(jí)的新思路。設(shè)定事故集為單一支路退運(yùn),得到過(guò)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)、低電壓風(fēng)險(xiǎn)和失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn),并構(gòu)成三維風(fēng)險(xiǎn)向量;采用迭代自組織數(shù)據(jù)分析算法(Iterative Selforganizing Data Analysis Techniques Algorithm,即ISODATA)將三維風(fēng)險(xiǎn)向量按照數(shù)據(jù)相似度聚類,實(shí)現(xiàn)每條支路風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)初步自動(dòng)評(píng)定;使用主成分分析方法對(duì)三維風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行分析,將其投影到主方向軸線上就可以獲取能夠清晰分辨不同重要性等級(jí)的一維數(shù)據(jù),完成綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算,對(duì)支路重要性進(jìn)行排序,并將分級(jí)與排序結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,完善支路分級(jí)結(jié)果。本文從支路退運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)角度出發(fā),提出了支路重要性評(píng)估的新方法,為核心骨干網(wǎng)架的構(gòu)建奠定了理論基礎(chǔ)。
定義電力系統(tǒng)的支路退運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)為支路退運(yùn)的概率與退運(yùn)后產(chǎn)生的后果的乘積,即:
式(1)中,P(Ei)是支路i退運(yùn)的概率,一般服從泊松分布;f(Y|Ei,L)是支路退運(yùn)后系統(tǒng)處于特定運(yùn)行狀態(tài)的概率分布;Sev(Y)描述了在狀態(tài)Y時(shí)事故的嚴(yán)重度。
支路退運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)考慮了單一支路退運(yùn)的概率,以及該支路退運(yùn)后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中其他所有元件所造成的后果,以下3種指標(biāo)可以分別從不同的角度比較科學(xué)全面地評(píng)估該支路在整個(gè)系統(tǒng)中的重要性。
1)過(guò)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)
過(guò)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)是電力系統(tǒng)事故后,導(dǎo)致其他未故障支路的有功功率超過(guò)其額定值的可能性和嚴(yán)重程度的結(jié)合,即:
其中,過(guò)負(fù)荷嚴(yán)重度取決于事故后其他所有支路的潮流分布,嚴(yán)重度函數(shù)如式(3)所示,曲線如圖1所示。
圖1 過(guò)負(fù)荷嚴(yán)重度函數(shù)Fig.1 Severity function of overload risk
2)低電壓風(fēng)險(xiǎn)
低電壓風(fēng)險(xiǎn)是電力系統(tǒng)事故后導(dǎo)致系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)電壓低于額定值的可能性和嚴(yán)重性的結(jié)合,即:
式(4)中,低電壓嚴(yán)重度取決于事故后節(jié)點(diǎn)的電壓,嚴(yán)重度函數(shù)如式(5)所示,曲線如圖2所示。
圖2 低電壓嚴(yán)重度函數(shù)Fig.2 Severity function of low voltage risk
3)失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)
失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)是事故后系統(tǒng)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)失去負(fù)荷的可能性和嚴(yán)重程度的結(jié)合,即:
式(6)中,m為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)數(shù),Pqi為事故Ei后第i個(gè)負(fù)荷節(jié)點(diǎn)失去的負(fù)荷。
其中,失負(fù)荷嚴(yán)重度取決于失去負(fù)荷的比例,其嚴(yán)重度函數(shù)如式(7)所示,曲線如圖3所示。
圖3失負(fù)荷嚴(yán)重度函數(shù)Fig.3 Severity function of lostload risk
ISODATA聚類,即迭代自組織數(shù)據(jù)分析算法[26-28],是一種非監(jiān)督動(dòng)態(tài)聚類算法的模式識(shí)別方法。ISODATA采用歐氏距離來(lái)分析數(shù)據(jù)本身的相似度,其核心思想是歐氏距離越小,相似度越大,將相似度高的數(shù)據(jù)自動(dòng)聚集在一起。其基本步驟如下:
1)設(shè)置參數(shù):待分類樣本xi;預(yù)期的聚類中心數(shù)目K;初始的聚類中心數(shù)目Nc;每一聚類域中最少的樣本數(shù)目θN;聚類域中樣本距離分布的標(biāo)準(zhǔn)差θS;兩聚類中心之間的最小距離θC;判斷循環(huán)停止的迭代運(yùn)算的次數(shù)IP;兩聚類中心之間的距離Dij。
2)隨機(jī)選取Nc個(gè)樣本作為初始聚類的中心;
3)將樣本xi分配到最近的聚類Sj。規(guī)則為:若Dj=min(‖ ‖xi-Cj),i=1,2,…,p,j=1,2,…,c,則將xi歸到聚類Sj。
4)計(jì)算各聚類的中心:
將新的中心值定為聚類的中心Ci=Zi。
5)分裂。若當(dāng)前聚類的數(shù)目少于預(yù)期的聚類數(shù)目K,則開(kāi)始進(jìn)行聚類分裂。
6)合并。當(dāng)兩個(gè)聚類的中心距離小于二者中心的最小距離θC時(shí),兩個(gè)聚類合并為一個(gè)新的聚類。若全部聚類中心之間的距離Dˉij=‖ ‖Ci-Cj<θC,就開(kāi)始合并。新聚類中心為:
7)如果迭代次數(shù)達(dá)到最大迭代次數(shù)IP,或過(guò)程收斂,則迭代過(guò)程結(jié)束,否則IP=IP+1,回到步驟3。
支路重要性分級(jí)的思想即設(shè)定事故集為單一支路退運(yùn),分別計(jì)算出該退運(yùn)線路的過(guò)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)、低電壓風(fēng)險(xiǎn)和失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn),將每條支路的三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)值表示成一個(gè)三維風(fēng)險(xiǎn)向量,采用ISODATA算法將三維風(fēng)險(xiǎn)向量按照數(shù)據(jù)相似度聚類,得到每一級(jí)的聚類中心和支路編號(hào),實(shí)現(xiàn)每條支路重要性等級(jí)初步自動(dòng)分級(jí)。
主成分分析(PCA)方法[29-32]是一種廣泛應(yīng)用于模式識(shí)別領(lǐng)域?qū)ふ叶嗑S數(shù)據(jù)主要特性的統(tǒng)計(jì)分析方法,其主要目的是將高維數(shù)據(jù)投影到低維空間,從多維數(shù)據(jù)中解析出主要成分,揭示多維數(shù)據(jù)有效信息,簡(jiǎn)化分析復(fù)雜問(wèn)題。
PCA的主要思想是對(duì)原N維列向量使用線性變換,得到按照重要性由高到低排序的新的N列向量。在得到的新列向量中選取重要性最大的M(M<N)維子向量,作為原列向量的主成分。
記x1,…,xp為原始列向量的p個(gè)分量,設(shè)變換后列項(xiàng)的分量ξi,i=1,2,…,p,是原列向量子分量的線性組合,設(shè)定線性組合系數(shù)的模為1,即
這p個(gè)αi構(gòu)成特征變換矩陣A。最優(yōu)的正交變換A的每個(gè)分量αi使對(duì)應(yīng)ξi的方差達(dá)到極值,數(shù)據(jù)將更加離散可分,相似性更低,也就代表了更多的信息。同時(shí)要求組成A的每個(gè)列向量?jī)蓛烧唬WC得到的新分量間兩兩不相關(guān)。此外,如果某維分量的方差越大,該分量就越重要,擁有更多的信息。
以三維風(fēng)險(xiǎn)向量作為源數(shù)據(jù),利用PCA方法對(duì)三維風(fēng)險(xiǎn)向量進(jìn)行降維,保留源數(shù)據(jù)中的主要信息,得到所有三維風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)的最大主方向,然后將三維風(fēng)險(xiǎn)向量投影到主方向軸線上就可以獲取能夠清晰分辨不同類別(即ISODATA自動(dòng)分類結(jié)果)的一維數(shù)據(jù),進(jìn)而參照PCA降維結(jié)果來(lái)進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算。第一主成分ξ1即為綜合風(fēng)險(xiǎn),計(jì)算公式如式(11)所示。
根據(jù)式(11)得到所有支路的綜合風(fēng)險(xiǎn),根據(jù)綜合風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行支路重要性排序,綜合風(fēng)險(xiǎn)越大,該支路故障后對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響越大,因此該支路越重要。
根據(jù)支路重要性排序結(jié)果,標(biāo)注空間分級(jí)投影的上下邊界支路,如果相鄰兩重要級(jí)別支路的投影不存在交叉,則可以設(shè)定這兩級(jí)的分級(jí)點(diǎn)為該兩級(jí)的邊界支路的風(fēng)險(xiǎn)平均值;如果存在允許范圍內(nèi)的交叉,則以重要等級(jí)高的邊界支路風(fēng)險(xiǎn)為準(zhǔn),落在邊界支路遠(yuǎn)離原點(diǎn)方向的投影點(diǎn)均自動(dòng)設(shè)定為偏重要等級(jí),按照新的兩級(jí)邊界支路的風(fēng)險(xiǎn)平均值作為這兩級(jí)的分級(jí)點(diǎn)。設(shè)定分級(jí)交叉百分比為交叉支路數(shù)Njc占所有支路數(shù)Nz的百分比,如式(12)所示。
當(dāng)分級(jí)交叉百分比滿足ψ<10%時(shí),可認(rèn)為,采用第一主成分能夠綜合體現(xiàn)p個(gè)指標(biāo)的三維空間分級(jí)信息,即分級(jí)交叉在允許范圍內(nèi)。
采用ISODATA聚類算法和PCA方法,完成了支路重要性評(píng)估,流程見(jiàn)圖4。
圖4 基于模式識(shí)別的支路重要性評(píng)估流程圖Fig.4 Assessment flowchart of branch importance based on pattern recognition
基于模式識(shí)別的電力系統(tǒng)支路重要性評(píng)估的具體流程分為四步:
第一步,計(jì)算所有支路的三種風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。設(shè)定故障為單一支路退運(yùn),分別計(jì)算出該退運(yùn)支路的過(guò)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)、低電壓風(fēng)險(xiǎn)和失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn),將該支路的3個(gè)風(fēng)險(xiǎn)值表示成一個(gè)三維風(fēng)險(xiǎn)向量。同理,可以得到系統(tǒng)中其他所有支路的三維風(fēng)險(xiǎn)向量。
第二步,采用ISODATA算法對(duì)支路重要性進(jìn)行分級(jí)。采用迭代自組織數(shù)據(jù)分析算法將所有支路的三維風(fēng)險(xiǎn)向量按照數(shù)據(jù)相似度聚類,實(shí)現(xiàn)支路退運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)初步自分級(jí)。以聚類中心與原點(diǎn)歐式距離的大小來(lái)判斷支路重要性等級(jí)。聚類中心距離原點(diǎn)越遠(yuǎn),該級(jí)別所包含的三維風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)距離原點(diǎn)越遠(yuǎn),因此這些風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)就越大,其所屬重要性級(jí)別就越重要。
第三步,采用PCA方法對(duì)支路重要性進(jìn)行排序。采用主成分分析方法對(duì)三維風(fēng)險(xiǎn)向量進(jìn)行分析,得到能夠清晰分辨不同重要性級(jí)別的第一主成分,以此作為綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)綜合風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),從而完成支路重要性排序。
第四步,調(diào)整分級(jí)結(jié)果,得到分級(jí)點(diǎn)。將支路重要性分級(jí)與排序的結(jié)果進(jìn)行比較分析,得到交叉支路,根據(jù)交叉支路百分比來(lái)判斷ISODATA聚類的可行性和科學(xué)性。若滿足判據(jù),則對(duì)分級(jí)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整,找出新的分級(jí)邊界支路,確定每一級(jí)的分級(jí)點(diǎn);若判據(jù)不滿足,則重新設(shè)定聚類參數(shù)進(jìn)行支路重要性分級(jí)。
以IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例,設(shè)定負(fù)荷分配因數(shù)的波動(dòng)為5%,并以此作為系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的變化。設(shè)預(yù)想事故集為系統(tǒng)中的每一條支路依次斷開(kāi),這些支路的年開(kāi)斷率λy均是0.3。
根據(jù)骨干網(wǎng)架搜索的需要,設(shè)定支路重要性級(jí)別為三個(gè)等級(jí),一級(jí)最為重要,二級(jí)其次,三級(jí)重要性級(jí)別最低。ISODATA算法的初始聚類中心為系統(tǒng)中任意三條支路的三維風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。
經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算,得到過(guò)負(fù)荷嚴(yán)重度,低電壓嚴(yán)重度和切負(fù)荷嚴(yán)重度,對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)值即為所算得的嚴(yán)重度與故障發(fā)生概率的乘積,三維風(fēng)險(xiǎn)向量如圖5所示。采用ISODATA算法,對(duì)46條支路的三維風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行重要性分級(jí),分為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí),分別用*、+和·表示,每一類的聚類中心見(jiàn)表1和圖5所示。
從表1可以看出,一級(jí)支路聚類中心的三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)值均大于二級(jí)支路的聚類中心風(fēng)險(xiǎn)值,同理,二級(jí)支路的大于三級(jí)支路的聚類中心風(fēng)險(xiǎn)值。因此,重要性級(jí)別越高,其聚類中心的三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)值比低級(jí)別的聚類中心風(fēng)險(xiǎn)值越大,該級(jí)別的所有支路相對(duì)于低級(jí)別的支路就越重要。
表1 基于ISODATA算法的支路重要性分級(jí)結(jié)果Table 1 Classification result of branch importance based on ISODATA algorithm
采用PCA方法分析支路退運(yùn)的三維風(fēng)險(xiǎn)向量,得到所有三維風(fēng)險(xiǎn)向量的第一主成分,將所有三維空間風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)向?qū)?yīng)于第一主成分的主方向軸作投影,如圖5所示,得到三維風(fēng)險(xiǎn)歸一化的權(quán)重系數(shù)向量為:
圖5 基于風(fēng)險(xiǎn)及模式識(shí)別的支路重要性分級(jí)圖Fig.5 Grade chart of branch importance based on risk and pattern recognition
根據(jù)αT1和所有支路的三維風(fēng)險(xiǎn)向量,再結(jié)合式(11),可以計(jì)算出所有支路風(fēng)險(xiǎn)降維后的綜合風(fēng)險(xiǎn)值。選取不同重要性級(jí)別的邊界支路風(fēng)險(xiǎn)值列于表2所示。
對(duì)綜合風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行降序排列,得到支路重要性排序圖,如圖6所示。
圖6 基于PCA方法的支路重要性排序及分級(jí)調(diào)整圖Fig.6 Rank and grade adjustment chart of branch importance based on PCA method
結(jié)合圖5和圖6可以看出,一級(jí)與二級(jí)的邊界支路風(fēng)險(xiǎn)落差大,兩級(jí)別不存在交叉支路,因此分級(jí)點(diǎn)為3.877×10-4。而二級(jí)與三級(jí)的邊界風(fēng)險(xiǎn)落差小一些,且存在交叉,分級(jí)交叉支路為L(zhǎng)30(在表1中加粗標(biāo)紅)。這是因?yàn)镮SODATA聚類將相似三維風(fēng)險(xiǎn)向量聚為一類,雖然L8和L30的綜合風(fēng)險(xiǎn)很接近,但由于二級(jí)的聚類中心和L8的三維風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)均偏向軸Y(低電壓風(fēng)險(xiǎn))的正方向,根據(jù)聚類的相似性特點(diǎn)可知,L8為二級(jí)支路是合理的。由于Nz=1,ψ=2.2%<10%,在允許范圍內(nèi)。以二級(jí)分界支路為準(zhǔn),L8為二級(jí)支路的下分界,L11為三級(jí)支路的上分界,因此該兩級(jí)別的重要性分級(jí)點(diǎn)為1.178×10-4,分級(jí)點(diǎn)如表2所示。
表2 邊界支路風(fēng)險(xiǎn)及分級(jí)點(diǎn)Table 2 Risk of boundary branches and Classification point
表2選取了支路分級(jí)的上邊界和下邊界支路進(jìn)行羅列,各級(jí)別的綜合風(fēng)險(xiǎn)是依次降低的,各分指標(biāo)總體上是降順排列的,但也存在特例,例如三級(jí)支路11的過(guò)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)1.125大于二級(jí)支路8的過(guò)負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)0.342。由于L8比L11的失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)大很多,因此L8比L11的綜合風(fēng)險(xiǎn)大,L8更重要是合理的。
采用聚類算法進(jìn)行空間分類,以風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)距離最短為分類條件進(jìn)行的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)值的分類,減少了人為因素的影響,更具有普適性,趨于智能分類結(jié)果。
本文提出了電力系統(tǒng)支路重要性評(píng)估的新方法,采用ISODATA聚類算法,根據(jù)支路退運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的相似性進(jìn)行三維風(fēng)險(xiǎn)向量的初步自組織分級(jí);采用PCA方法對(duì)電力系統(tǒng)的三維風(fēng)險(xiǎn)向量進(jìn)行了降維分析,以所有風(fēng)險(xiǎn)向量第一主成分作為綜合風(fēng)險(xiǎn)值,對(duì)所有支路的綜合風(fēng)險(xiǎn)值進(jìn)行排序,實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)支路重要性分級(jí)和排序。
以IEEE39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為例進(jìn)行仿真計(jì)算,仿真結(jié)果表明初步分級(jí)與重要性排序結(jié)果存在的交叉支路百分比ψ<10%在允許范圍內(nèi),驗(yàn)證了這種風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)和綜合方法的有效性和可行性。該方法也適用于IEEE118節(jié)點(diǎn)系統(tǒng),以及實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)的支路重要性分級(jí)與排序。將ISODATA聚類算法與主成分分析方法相結(jié)合在電力系統(tǒng)支路重要性評(píng)估中的應(yīng)用,為綜合指標(biāo)的計(jì)算以及重要性支路的選取提供了一種有效且智能的方法,從而為構(gòu)建核心骨干網(wǎng)架提供了理論支撐。