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考虑线路重过载的电网薄弱环节可视化分析方法

2024-11-11 114 上传者：管理员

摘要：电网薄弱环节会极大降低电网运行的可靠性和稳定性，为分析电网线路薄弱程度，实现对电网薄弱环节的有效维护和管理，提出一种考虑线路重过载的电网薄弱环节可视化分析方法.将电网实际物理模型抽象为1个图模型，建立待研究区域的电网拓扑可视化模型，实施负载冲击试验，采集电网线路电流数据，并计算电网线路平均负载率、线路负载率偏移量、电网线路能量熵、电网线路的电气介数、功率系数以及电网线路效能指标，利用犹豫模糊决策法计算各指标权重，并与各指标值相乘再累加，得出电网线路薄弱评估指标，对比电网薄弱性等级表，划分电网线路薄弱程度.结果表明：3种冲击方式下，分析结果与实际结果一致，说明所研究方法对电网薄弱环节分析更为准确，达到了研究目标.

关键词：
可视化分析方法
指标
权重
电网薄弱环节
线路重过载
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面对越来越大的生产需求，能源资源需求量也在逐渐增大，尤其对电力能源的需求更是与日俱增；而停电事故的发生意味着电网仍具有一定薄弱性，薄弱环节的存在极易造成电力故障发生连锁反应，降低局部或整体电网的运行安全性和稳定性.因此，识别电网中的薄弱环节一直是电力公司着力研究的项目之一，但是目前取得的成果与预期效果存在很大差距[1].针对这种情况，如何提高电网薄弱环节识别的准确性成为当下研究的重点.

基于上述背景，刘鑫蕊等[2]针对冰灾环境，提出一种基于态势感知的方法，首先分析了遭遇冰灾时，配电网故障发生的原因，并以此为根据建立多源态势感知框架，感知电网状态信息，并以此构建了线路段综合薄弱性指标，最后采用对数合成方法明确线路段的薄弱程度.王波等[3]提出基于高维随机矩阵理论的方法，首先利用高维随机矩阵理论将能够反映电网运行状态的指标映射为该理论中的定理指标，然后结合熵值理论，构建评估模型，实现电网薄弱环节的辨识.

以往的研究方法虽然取得了一定成果，但是面对越来越复杂的电力网络，缺乏对线路重过载的考虑，导致电网薄弱环节辨识经常出现遗漏或错误问题.针对上述问题，本文中，笔者提出一种考虑线路重过载的电网薄弱环节可视化分析方法，以期提高电网运行的可靠性和安全性，降低事故发生率.

1、考虑线路重过载的电网薄弱环节可视化分析方法

图1电网拓扑可视化建模流程

受电力设备节点、环境、地理以及负荷量等因素的影响，电网中部分设备环节非常脆弱，并不能承受过大负荷量，一旦线路重过载，该环节线路就极易发生瘫痪，造成巨大损失，因此，准确地识别出电网的薄弱环节对于加强脆弱线路的运维管理、保证电力系统安全稳定运行具有重要的现实意义[4-6].为此，研究了一种考虑线路重过载的电网薄弱环节可视化分析方法.该方法研究主要分为3部分，即电网拓扑可视化、薄弱指标采集以及电网薄弱程度分析.

1.1电网拓扑可视化建模

电网薄弱环节的基础和前提是建立电网拓扑可视化模型.以往电网薄弱环节的辨识方法大部分忽略电网拓扑可视化建模这一步，但是这一步能够为后续奠定可视化的基础.针对待研究的电网区域，建立电网拓扑可视化模型，即将电网实际物理模型抽象为1个图模型，具体流程如图1所示.

基于电网参数，完成电网拓扑建模后，借助仿真平台即可实现电网薄弱环节辨识的全程可视化.

1.2电网薄弱指标采集

基于所建立的电网拓扑，为考虑线路过载，对电网进行负荷冲击实验，以采集能够反映电网状态的指标.线路重过载，是电流超过电力线路负载的一种情况.一般情况下，电网薄弱环节一旦遭遇过载的电流，由于承载能力较低，就会发生故障问题[7-9].基于这一点，对电网注入电流，然后采集电流数据，最后根据电流数据计算电网薄弱指标，如电网线路平均负载率、线路负载率偏移量、电网线路能量熵、电网线路的电气介数、功率系数以及电网线路效能等.电网薄弱指标采集具体过程如下.

表1电流注入方式

步骤1在电网上布设电流互感器，采集电力流过电路时的电流.

步骤2利用电流探头和电流注入钳向电网注入电流.根据电力线路过载划分等级，电流注入方式如表1所示.

方式1表示直接注入法：将电流注入钳夹在电网的某条导线上，通过钳内的传感器或发生器向导线注入电流.

方式2表示耦合注入法：利用耦合和去耦网络将电流注入到与电网相连的线缆中.

方式3表示利用针合式装置提供耦合，将测试电流施加到电网的受试端口.

方式4表示信号叠加注入法：在电网的现有电流基础上叠加1个测试电流.用电流探头监测电网的原始电流，用电流注入钳将测试电流叠加到同一线路上，分析叠加前后的电流变化.

方式5表示频率调制注入法：电流探头和电流注入钳结合使用，通过调整注入电流的频率，分析电网对不同频率信号的响应特性.

步骤3按照表1所示电流注入方式向电网注入电流，然后采集电网运行状态参数，并记录.

步骤4根据采集到的参数，计算电网薄弱指标.

1)电网线路平均负载率[10-11]

代表电网状态i下电网线路的平均负载率；A代表电网系统中线路的数量；fki代表电网状态i下第k条线路的潮流；fkmax代表第k条线路的最大有功传输负载量.

2)线路负载率偏移量

其中：Bi代表线路负载率偏移量；Vki代表电网状态i下线路k的负载率；Vk0代表线路k的初始负载率.

3)电网线路能量熵

. (4)

其中：Yi代表电网状态i下电网线路的能量熵；Ski代表电网状态i下第k条线路的负载率.

4)电网线路的电气介数[12-13]

其中：Ck代表线路k的电气介数；F

代表注入单位电流时，线路k上的功率分量；FDi代表发电节点i的有功功率权重；FEj代表负荷节点j的有功功率权重；D和E分别代表发电节点和负荷节点的集合；K代表线路集.

5)功率系数

其中：Ji0代表第i条线路最开始时的传输负载功率；ΔJji代表线路i被断开后和断开前的差值.

6)电网线路效能

. (7)

其中：m,n分别代表电网中的电源节点数量和负荷节点数量；Xij代表节点i与j之间线路的承载容量；Pk代表电网线路效能.

计算得出的这些指标能够有效反映电网线路运行状态，基于这些指标进行电网薄弱环节的分析.

1.3电网薄弱环节分析

电网薄弱环节分析是研究的最后一步，主要是根据采集到的电网薄弱指标进行电网薄弱环节评估，划分薄弱等级.电网薄弱环节评估分析模型表达式如下：

其中：ξi代表线路i的薄弱分值；w1,w2,…,w6代表影响权重因子.

在所建立的电网薄弱环节评估分析模型中，w1,w2,…,w6影响权重因子的关键参数关系到每个指标的重要程度以及影响程度[14-15].利用犹豫模糊决策法[16-17]进行指标权重计算，计算过程如下.

步骤1设置方式集(电网线路集)

.由此定义犹豫模糊元

代表电网线路qi的第j个指标值.

步骤2建立犹豫模糊决策矩阵，矩阵式为

其中oij⊆[0,1].

步骤3构建决策专家给出对Q={q1,q2,…,qm}的偏好，并建立矩阵，矩阵式为

O′={o′1,o′2,…,o′m}, (10)

其中o′k(k=1,2,…,m)代表决策专家对第k个方式的评估值.

步骤4利用可信度将O与O′关联到一起，公式为

代表O,O′中第i小的元素；φ

对应的可信度.

步骤5计算第j个属性的最优属性权重，公式为

步骤6对wj归一化，计算第j个指标的权重.计算公式为

, (13)

其中k代表指标数量.

表2电网薄弱性等级

将计算所得指标权重值代入(8),计算与各指标值的乘积，并相加得出电网线路的薄弱评估分值，然后对比表2划分电网薄弱性等级.

基于计算得出的薄弱评估分值以及划分的等级，即可实现电网薄弱环节的可视化分析.

2、仿真测试与分析

在Matpower平台上，对所研究方法进行仿真测试，证明所研究方法在电网薄弱环节分析中的有效性.

2.1电网拓扑仿真模型

以1个包含27个节点的电网系统IEEE30作为测试环境，按照第1.1部分所设计的电网拓扑可视化建模流程建立电网拓扑仿真模型，如图2所示.

电网拓扑仿真模型包括6个电源节点、27个负荷节点和26条线路.以该模型为平台，进行后续的仿真测试.

2.2负荷冲击方式

为证明所研究方法能够应对不同过载情况下的电网薄弱环节辨识，设置不同的冲击方式.方式1代表电网正常运行状态下，逐渐增加冲击强度；方式2代表断开一段线路环节后，逐渐增加冲击强度；方式3代表混合方式1和方式2.

2.3传感器布设

在图3电网系统IEEE30中每段线路上布设电流互感器，采集电流数据，示意图如图3所示.

基于图3采集到的电流数据，结合其他电网状态参数，计算电网线路的平均负载率、线路负载率偏移量、电网线路能量熵、电网线路的电气介数、功率系数以及电网线路效能等6个指标数值，用于后续薄弱环节分析.

图2电网拓扑仿真模型

图3电流互感器采集电流示意图

2.4指标权重计算

利用犹豫模糊决策法计算指标权重，结果如图4所示.

图4指标权重计算结果

2.5电网薄弱环节分析结果

假设线路12-13为高度薄弱环节、线路22-23为较高薄弱环节、线路5-6,9-10为一般薄弱环节、线路26-27,8-9,14-15为较低薄弱环节、其余所有线路为低薄弱环节线路，即正常线路.利用研究所得方法对图3系统中的各条线路进行薄弱评估，得出评估分值并划分评估等级，结果如表3所示.

表3电网线路薄弱评估值

从表3可以看出，方式1、方式2、方式3冲击方式下，应用所研究方法评估的结果与实际结果一致，说明所研究方法对电网薄弱环节分析更为准确，达到了研究目标.

3、结束语

电力线路承载了重要的电力运输工作，是电力应用的关键，一旦电力线路出现问题，就无法进行正常的电力供应.受到多种因素的影响，电网当中有的线路为薄弱环节，这一环节的承载力较低，一旦发生重过载，极易发生瘫痪.针对上述问题，提出一种考虑线路重过载的电网薄弱环节可视化分析方法.通过构建电网可视化建模结合负载冲击试验与多维度指标评价体系，创新性地融合了图论、负载分析，经过仿真测试证明，所研究方法与设定的实际结果达到一致，证明了方法的有效性.

然而，本研究仍有需要改进的地方，即所使用的电网系统IEEE30节点较少，结构较为简单，与实际情况存在一定的差异，因此有待在更复杂的电力网络中进行进一步的测试与分析，提高所研究方法的适用性.

参考文献:

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文章来源:黎皓彬,崔丽华,郭文鑫,等.考虑线路重过载的电网薄弱环节可视化分析方法[J].河北师范大学学报(自然科学版),2024,48(06):565-572.