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風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)靜態(tài)安全概率分析

文檔作者：史文麗文檔來源：呼和浩特供電局		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月01日
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48 《電氣開關(guān)》(2013．No．5)
文章編號：1004—289X(2013)05—0048—04
風(fēng)電接入的電力系統(tǒng)靜態(tài)安全概率分析
史文麗
(呼和浩特供電局，內(nèi)蒙古 呼和浩特010050)
摘要：靜態(tài)安全分析是電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)重要的高級應(yīng)用軟件模塊。由于測量、傳輸?shù)冗^程中誤差，以及
風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新能源的大量接入，致使電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)存在隨機(jī)性和不確定性。不計及隨機(jī)因素的電力
系統(tǒng)靜態(tài)安全分析問題已難以滿足應(yīng)用需求。分析了風(fēng)電場風(fēng)速的隨機(jī)特性，研究了風(fēng)電場隨機(jī)輸出功率，提出
了電力系統(tǒng)靜態(tài)安全概率分析問題。采用魯棒性優(yōu)越的蒙特卡洛方法求解概率潮流，IEEE．118系統(tǒng)的測試結(jié)果
驗(yàn)證，模型與方法的有效性和可行性。
關(guān)鍵詞：風(fēng)電；靜態(tài)安全；N．1；概率潮流；蒙特卡洛
中圖分類號：TM71 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B
Static Security Probability Analysis for the Power System with W ind Power
SH／ 一尻
(Hohhot Power Supply Bureau，Hohhot 0 1 0050，China)
Abstract：Static security analysis is an important high—level application software modules of energy management system
(EMS)f0r power system．The data measurement and transmission error，as well as a large number of new energy sources
like as wind power，solar power，lead to the presence of randomness and uncertainty of the power system operational sta—
tus．Power system static security analysis without account random factors has been difficult to meet the application re—
quirements．This paper analyzes the random nature of the wind speed of the wind farm，researches the random output
power of the wind farm，and proposes the problem of probabilistic static security analysis for power system．Excellent ro—
bustness Monte Carlo method is applied on solving the probabilitic power flow，the effectiveness and feasibility of the pro—
posed model and method is verified through the IEEE一1 1 8 system test results．
Key words：wind power；static security；N．1；probabilistic power flow；Monte Carlo
1 引言
自上世紀(jì)60年代以來，世界范圍內(nèi)的許多電力系
統(tǒng)都發(fā)生過大面積的停電事故¨ j，尤其是很多國家
實(shí)現(xiàn)全國聯(lián)網(wǎng)或大區(qū)域聯(lián)網(wǎng)以后，電力系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)
模不斷增大、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度也逐漸增高，這使得
電力系統(tǒng)發(fā)生事故的可能性進(jìn)一步增加，給社會穩(wěn)定
和經(jīng)濟(jì)建設(shè)造成了巨大的損失。世界各國開始關(guān)注電
力系統(tǒng)的安全性分析，電力系統(tǒng)科研人員也開始給靜
態(tài)安全分析的研究投以更多的目光，近幾十年來這一
領(lǐng)域也取得了較多成果，很多已成熟應(yīng)用于電力系統(tǒng)
的實(shí)際運(yùn)行。
靜態(tài)安全分析是電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)中重要的
高級應(yīng)用軟件模塊，其主要任務(wù)是要盡可能快的評估
電力系統(tǒng)在發(fā)生一些可能的預(yù)想事故后能否繼續(xù)保持
正常的運(yùn)行狀態(tài)，從而輔助運(yùn)行人員決定是否有必要
采取一定的預(yù)防控制措施和校正手段來加以調(diào)整。隨
機(jī)計算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及牛頓法、PQ分解法等
潮流算法的不斷完善，電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析問題已
經(jīng)得到比較成熟的解決，并在線應(yīng)用于電力系統(tǒng)實(shí)際。
但近年來智能電網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展口 J，大量新能源
(包括風(fēng)電、太陽能發(fā)電等)的接入，賦予了電力系統(tǒng)
研究以新的活力，也給電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析研究提
出了新的課題。
由于測量傳輸?shù)冗^程中誤差，電力系統(tǒng)中的很多
數(shù)據(jù)并非確定的量，而是隨機(jī)量。再加上在此智能電
《電氣開關(guān)》(2013．No．5) 49
網(wǎng)新的大環(huán)境下，節(jié)能減排、低碳環(huán)保意識在電力系統(tǒng)
研究領(lǐng)域的逐漸展現(xiàn)，電力系統(tǒng)必然需要風(fēng)電、太陽能
發(fā)電等新能源的大量接入。這些新能源的出力隨自然
條件(風(fēng)速、光照時間、光照強(qiáng)度等)的影響，具有很強(qiáng)
的隨機(jī)性，這些新能源大量接入后更加劇了電網(wǎng)的隨
機(jī)性和不確定性 一 j。傳統(tǒng)不計及隨機(jī)因素的電力系
統(tǒng)靜態(tài)安全分析問題已難以滿足應(yīng)用需求，靜態(tài)安全
概率分析問題也就呼之欲出。
本文分析了風(fēng)電場風(fēng)速的隨機(jī)特性，研究了風(fēng)電
場隨機(jī)輸出功率。以概率潮流分析為基礎(chǔ)，采用魯棒
性優(yōu)越的蒙特卡洛方法加以求解，探討了電力系統(tǒng)靜
態(tài)安全概率分析，為電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析提供了新
的思路。在IEEE一1 18系統(tǒng)的測試結(jié)果驗(yàn)證，本文模型
與方法的有效性和可行性。
2 風(fēng)電場隨機(jī)模型
風(fēng)電場的所發(fā)出的有功功率取決于風(fēng)電場內(nèi)各臺
風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的輸出功率，而風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電功
率是受風(fēng)速影響，而隨著風(fēng)速的波動而變化，它與風(fēng)速
之間的關(guān)系為 ：
Pws
0， ≤
n+bv， 抽≤ ≤
(， 1)、
PR， ≤ ≤ 。 t
0， > 。 t
式中， 為風(fēng)速； i 為切人風(fēng)速； 為切出風(fēng)速；
為額定風(fēng)速；P 為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的額定輸出功率；尸w
為風(fēng)力發(fā)電機(jī)組實(shí)際輸出功率； ： 和b：
f)i
n
～
P
為常數(shù)。
r
— I)i
“
從而可以確定風(fēng)電場輸出的有功功率為：
Pw=NwPw (2)
式中，／vw是該風(fēng)電場的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組臺數(shù)。
根據(jù)大量實(shí)測數(shù)據(jù)，目前一般認(rèn)為風(fēng)速近似服從
雙參數(shù)威布爾(Weibul1)分布，風(fēng)電場風(fēng)速 的概率密
度函數(shù)為：
-廠( ) = ( 唧(一( (3)
式中，K為威布爾分布的分布形狀參數(shù)；C為尺度
參數(shù)。
根據(jù)式(1)和(3)，確定風(fēng)機(jī)輸出有功功率Pwg的
概率密度函數(shù)：
f(Pwg ： (竿 xp 竽 ㈩
結(jié)合式(2)即得到風(fēng)電場輸出有功功率Pw的概
率密度函數(shù)。
目前，我國大型風(fēng)電場中一般采用的是異步發(fā)電
機(jī)，其在發(fā)出有功功率的同時從系統(tǒng)吸收無功功率。
假定通過電容器自動投切，可使風(fēng)電機(jī)組功率因數(shù)恒
定不變，風(fēng)電場吸收無功功率為：
Q ：P tan0 (5)
式中：0 為風(fēng)電場風(fēng)力發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)角。
3 含風(fēng)電的概率潮流計算
隨機(jī)潮流技術(shù)由Borkowska在1974年提出 ，運(yùn)
用概率統(tǒng)計方法處理電力系統(tǒng)運(yùn)行中的隨機(jī)變化因
素，給出系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓、支路潮流等概率分布情況。
隨機(jī)潮流_8一 可以更深刻的揭示系統(tǒng)運(yùn)行狀況，為系
統(tǒng)安全運(yùn)行控制提供更完整的信息，是解決上述問題
的有效方法和手段。
由于電力系統(tǒng)預(yù)測、測量等方面的誤差，未來某一
時刻的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果可以作為隨機(jī)變量，即系統(tǒng)中各
節(jié)點(diǎn)負(fù)荷功率作為隨機(jī)變量。同時，將風(fēng)電場簡化處
理為PQ節(jié)點(diǎn)，將其輸出功率考慮到潮流計算中建立
如下的潮流方程 ：
Σ]1ijVjCOSTSij+PLi—Pa—P ：0
，E f
∈s v n 5p。 (6)
ΣYijVjsint~ +QLi—QRi—Qwi=0
J∈
i∈ Spv
式中，．sPv和sPo分別為系統(tǒng)PV和PQ節(jié)點(diǎn)集合；
P。i和Q i為節(jié)點(diǎn)i傳統(tǒng)電源發(fā)出的有功、無功功率；Pw
和Q 為節(jié)點(diǎn)i處風(fēng)電場發(fā)出的有功、無功功率；P j和
Q i為節(jié)點(diǎn)i負(fù)荷有功、無功功率。 和6i為節(jié)點(diǎn)i電
壓幅值和相角； ；為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣元素， i為節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納
矩陣相應(yīng)元素的相角， i= 一6i— ．i。
Monte Carlo方法是通過大量隨機(jī)試驗(yàn)，利用概率
論解決問題的一種數(shù)值方法，基本思想是基于概率和
體積間的相似性H 。其計算結(jié)果收斂的理論依據(jù)來
自于大數(shù)定律，且結(jié)果漸進(jìn)地服從正態(tài)分布的理論依
據(jù)是中心極限定理。目前，蒙特卡洛方法憑借其良好
的魯棒性和優(yōu)秀的收斂性，已在科學(xué)計算、工程應(yīng)用等
多個領(lǐng)域取得了非常廣泛的應(yīng)用。本文將采用蒙特卡
洛方法計算概率潮流，以便進(jìn)行靜態(tài)安全概率分析。
50 《電氣開關(guān)》(2013． No．5)
4 靜態(tài)安全概率分析問題
當(dāng)前國內(nèi)外很多學(xué)者對靜態(tài)安全分析的研究已經(jīng)
頗為成熟，但對于考慮電力系統(tǒng)隨機(jī)性后，特別是大規(guī)
模的風(fēng)力發(fā)電在電網(wǎng)中的大量滲透，使得電力系統(tǒng)中
隨機(jī)因素大量增加后，電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析面對的
新問題——靜態(tài)安全概率分析問題，對此的研究國內(nèi)
外文獻(xiàn)中還鮮有出現(xiàn)。
電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析問題最為核心的部分，就
是對電力系統(tǒng)潮流狀態(tài)的分析。所提出的靜態(tài)安全概率
分析問題也不例外，其核心部分也是電力系統(tǒng)概率潮流
問題，以及概率潮流結(jié)果與靜態(tài)安全概率分析的統(tǒng)一。
靜態(tài)安全概率分析的主要目標(biāo)也是通過N—l故
障運(yùn)行狀態(tài)分析，選擇出會影響電力系統(tǒng)靜態(tài)安全的
關(guān)鍵故障。這與傳統(tǒng)靜態(tài)安全分析相同，但評價故障
嚴(yán)重程度的指標(biāo)不再是判斷系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)(節(jié)點(diǎn)電壓
幅值或線路功率等)是否越限，而是系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)越
限的概率大小。按系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)越限概率大小，
即系統(tǒng)不安全的程度，本文將故障分為高、中、低概率
故障三類，靜態(tài)安全概率分析的具體流程如圖l所示。
Il程序人口Il
I
— l ＆． ； ±n+
●
N—l狀態(tài)的概率潮流計算
I
l系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)
I 越限概率判斷
I
+ I I
低概率故障 中概率故障 高概率故障
I I +
I
故障分類型輸出I
圖1 靜態(tài)安全概率分析流程
5 計算結(jié)果分析
5．1 概率潮流計算
在Matlab R201lb平臺編寫程序?qū)崿F(xiàn)本文方法，
所用計算機(jī)為IBM—PC兼容機(jī)，CPU主頻為2．19GHz
X2，內(nèi)存為3GB。本文研究接人三個風(fēng)電場的測試系
統(tǒng)靜態(tài)安全概率分析，分別接人IEEE-1 18系統(tǒng)的23、
39、114節(jié)點(diǎn)。三個風(fēng)電場的相關(guān)參數(shù)，如表1示。各
節(jié)點(diǎn)有功負(fù)荷服從以原各節(jié)點(diǎn)有功負(fù)荷為均值，標(biāo)準(zhǔn)
差為5％均值的正態(tài)分布，且各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷保持功率因
數(shù)不變。
表1 各風(fēng)電場參數(shù)
風(fēng)電風(fēng)機(jī)額定容量／ 切入風(fēng)速／切出風(fēng)速／額定風(fēng)速／ KC／
場 臺數(shù) MW (m／s) (m／s) (n s) (m／s)
蒙特卡洛模擬的計算精度與其仿真模擬的次數(shù)直
接相關(guān)。本文選擇1000次蒙特卡洛模擬計算IEEE．
118系統(tǒng)的概率潮流。圖2為蒙特卡洛模擬的不同次
數(shù)時，所得到的節(jié)點(diǎn)23電壓幅值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差變化
情況。從圖中可知，經(jīng)過1000次模擬以后，節(jié)點(diǎn)23的
電壓幅值的均值和標(biāo)準(zhǔn)差已經(jīng)趨于穩(wěn)定，可以認(rèn)為得
到了比較精確的結(jié)果。
300
250
200
l50
100
5O
0
蒙特卡洛模擬次數(shù)／次
圖2 蒙特卡洛模擬精度分析
I．000 1．005 1．010 1．015
電壓幅值／p．U．
圖3 節(jié)點(diǎn)23電壓幅值的概率密度分布
4 8 6
O 0 O
H
∞ 如
0 0 O
4 3 3
如∞
O l 2
啪如∞
《電氣開關(guān)》(2013．No．5) 51
圖3為節(jié)點(diǎn)23的電壓幅值的概率密度分布。圖
4中是蒙特卡洛模擬得到的流經(jīng)線路22—23的視在
功率的累積概率分布。若線路22—23功率限值為
60MVA，則從圖4分析可知，線路22—23發(fā)生越限的
概率是0．2；若線路22—23功率限值為55MVA，則從
圖4分析可知，線路22—23發(fā)生越限概率是0．6。
圖4 流經(jīng)線路22—23視在功率
5．2 靜態(tài)安全概率分析
為驗(yàn)證本文模型與方法的有效性和可行性，可簡
單的選擇一條線路做N．1狀態(tài)分析以說明問題。以
IEEE一118系統(tǒng)的線路11—12發(fā)生N一1故障為例，采
用蒙特卡洛模擬求解線路11—12停運(yùn)后系統(tǒng)的概率
潮流，分析N一1狀態(tài)系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)電壓、線路功率發(fā)生
越限的概率。線路11—12發(fā)生N一1故障前后，部分線
路流過的視在功率均值及標(biāo)準(zhǔn)差分另0如表2。假設(shè)線
路5—6的功率極限是100MVA，那么發(fā)生N一1故障以
前，其功率越限的概率接近于0，而發(fā)生N．1故障后，
功率越限的概率為0。91。根據(jù)N．1狀態(tài)下各條線路
的功率越限概率，判斷故障的嚴(yán)重程度，就可以完成一
種新的靜態(tài)安全分析——靜態(tài)安全概率分析。
表2 線路視在功率信息
6 結(jié)語
靜態(tài)安全分析是電力系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)重要的高
級應(yīng)用軟件模塊。由于測量、傳輸?shù)冗^程中誤差，以及
風(fēng)電、太陽能發(fā)電等新能源的大量接人，致使電力系統(tǒng)
運(yùn)行狀態(tài)存在隨機(jī)性和不確定性。不計及隨機(jī)因素的
電力系統(tǒng)靜態(tài)安全分析問題已難以滿足應(yīng)用需求。本
文分析了風(fēng)電場風(fēng)速的隨機(jī)特性，研究了風(fēng)電場隨機(jī)
輸出功率，提出了電力系統(tǒng)靜態(tài)安全概率分析問題。
采用魯棒性優(yōu)越的蒙特卡洛方法求解概率潮流，IEEE—
ll8系統(tǒng)的測試結(jié)果驗(yàn)證，本文模型與方法的有效性
和可行性。
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收稿日期：2012—12—22
作者簡介：史文麗(1981一)，女，內(nèi)蒙古五原人，學(xué)士。助理工程師，主要從事電力
系統(tǒng)中的電網(wǎng)及調(diào)度研究。

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