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电网结构和运行状态的脆弱对线路辨识的研究

时间:2018-07-15 16:25来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇电气工程论文,传统的电气工程定义为用于创造产生电气与电子系统的有关学科的总和。此定义本十分宽泛,但随着科学技术的飞速发展,21世纪的电气工程概念已经远远超出
本文是一篇电气工程论文,传统的电气工程定义为用于创造产生电气与电子系统的有关学科的总和。此定义本十分宽泛,但随着科学技术的飞速发展,21世纪的电气工程概念已经远远超出上述定义的范畴。斯坦福大学教授指出:当今电气工程涵盖了几乎所有与电子、光子有关的工程行为。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇电气工程论文,供大家参考。
 
第 1 章绪论
 
1.1 选题的背景与意义
随着社会的迅速发展,各行业用电量的不断增长,对电力系统供电的稳定性和可靠性要求越来越高,又加之资源与负荷的地域分布不甚合理,建设大区域、工程大,范围广相互联络的电力系统的建立是全球国电网发展的一个必然方向。从某种程度上说,建立区域性的互联电网可以使备用容量缩减,使得能源的分布得到优化,也可以有效地提高电力系统的可靠性和经济效益。。但从另一方面来说,正是由于这样的互联,增加了电网的复杂性,容易使局部的故障向更大的范围发展。近年来,世界各地发生多起大范围的停电事故,对社会经济的发展和人们生活造成了极其恶劣的影响,具体情况如下:2003 年 8 月 14 日,美国东部和加拿大安大略省曾发生的大停电事故,是北美历史上最大规模的一次停电事故,总共损失 61800MW 负荷,长达 29 小时的停电过程,使得 24000 平方公里多的区域遭受到了不同程度是影响,多达 5000万的人口受到停电的影响[13]。2008 年,我国南方地区经历了历史上非常罕见的大范围低温、雨雪和冰冻灾害,造成了多个地区大面积停电事故,负荷损失达62.09 亿 kW,受影响人口达 2.6 亿[4]。2012 年 7 月 30 凌晨,印度德里邦、哈里亚纳等发生停电,损失负荷约 36000MW,影响人口约 3.7 亿,直到当天下午电网进行正常的运行。在此之后,也就是当地时间 7 月 31 日下午 13:00 左右,印度北部、东部、东北部 3 个区域电网再次出现问题,全国范围内有将近一半地区无法供电,损失负荷约达 48000MW,影响了多于 6 亿人口的正常生活,这是迄今为止世界范围内波及人口最多的大停电事故[56]。通过研究发现,这些事故多是由某一元件初始故障而引起的连锁性事故造成的[78],而其中极少数具有长程连接的脆弱线路大大促进了连锁故障的发展[910],因此如果能辨识出这些重要线路进而采取相应的保护控制措施,势必会减小连锁故障的可能性从而削减大停电事故发生的机率。
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1.2 国内外研究现状
目前学术界对于电力系统线路的脆弱性研究大多数是在复杂网络理论的基础上,尤其在于小世界网络模型方面,极大地提高了复杂网络理论在电网脆弱性研究当中的应用。复杂网络是构成一个复杂系统的基本结构,每个复杂系统都可以看作是单元或个体之间的相互作用网络。钱学森先生给出复杂网络的初步定义:具有自组织性、自相似性、吸引子特性、小世界特征、无标度中部分或全部性质的网络就叫做复杂网络。复杂网络理论研究的主要方法是以实际网络结构来搭建仿真模型,并利用复杂网络的基本特征量如节点度,节点介数,边介数,Pearson系数,聚类系数等,以及复杂结构如社团结构,层次结构,聚类性来对系统功能特性及鲁棒性脆弱性进行分析研究。复杂网络理论以图论为基础,从整体上把握系统的动力学特性,对于解释连锁故障的传播机理以及制定相应的预防控制措施具有十分重要的意义。文献[1314]基于电网的拓扑结构分析,指出美国和中国部分地区的电网都具有小世界特性。文献[1516]基于小世界模型,引入线路或节点的介数用来评估节点和线路的脆弱性,并得到介数高低代表着线路或结点的重要程度的结论。但由于该模型没有考虑到支路电抗的影响,把电网看成一个没有权重的网络,与实际情况相去甚远,其结果仅具有指导意义。针对上述模型的不足,有学者提出加权拓扑网络模型,文献[1718]将引入线路的电抗作为权重,使用加权介数作为指标,进行关键脆弱线路的辨别,得到的结果相对准确。文献[19]引入发电机的额定容量或出力和节点负荷来修正介数的权重,具有积极意义。加权网络模型虽然考虑了支路电抗的影响,具备一定的电网的物理背景,但其假设节点之间的功率都沿最短路径进行传输,与实际情况下按基尔霍夫定律流动的事实不符。文献[20]考虑了发电机出力和负荷影响的同时,基于电路方程,提出了使用电气介数作为线路脆弱性辨识的指标,弥补了已有加权介数模型假设节点间功率只按最短路径传播的不足。
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第 2 章 电网结构脆弱性指标
 
电网拓扑结构脆弱性是指电网在正常运行状态下,保持其网络结构完整性的能力。它是电网结构的特征属性,电网确定了,则拓扑结构也唯一确定,其表征的是电力系统的脆弱性中的固有部分。本章主要基于复杂网络理论提出拓扑结构脆弱性指标——电气介数,并利用该指标把 IEEE39 节点系统作为算例进行分析。
 
2.1 复杂网络理论概述
20 世纪 60 年代,随机图理论作为一种基本理论,一直保留着在复杂网络结构研究范畴中的不可动摇的地位。20 世纪末,各种理论研究随之而来,小世界模型和无标度理论的萌芽和发展,复杂网络理论在生物学方面的食物链捕食竞争关系以及社会上学多种多样的人际关系方面都有过应用,并且得到了比较好的结果。如今,对于复杂网络理论的探究主要可以从下面几个方面展开:基于物理统计学理论方法刻画网络系统结构的性质,并且使用合理方法指标进行性质量化;构建基于现实的网络模型进行性质意义和机理分析;合理地预测整体网络结构原本属性以及各组成单元的特性的网络行为;关于存在的问题,比如稳定性、同步和数据流通方面,从这几个方面出发改善和优化已存在网络性能,同时按照实际要求设计新的网络。
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2.2 复杂电力网络拓扑建模的基本原则
复杂网络通过对复杂网络系统的抽象化和简化而来的,它的理论基础是图论理论,主要突出体现的是系统拓扑的结构特征部分。电力网络是人造复杂网络,涉及的范围非常大,因此基于复杂网络理论的关键脆弱线路的分析和区别过程中,适当地对电网拓扑模型进行简化非常重要:(1)对节点进行分类,分为发电机节点,负荷节点,以及传输节点,都是无差别节点,忽略大地零点;(2)全部边包含变压器支路和输电线路都看成无权无向边,输电线路各种特性参数和电压等级的差异不列入考虑范围;(3)对同杆并架输电线路进行合并操作,删除电容并联支路,除去电网拓扑模型的多重边,简化模型;(4)将电压等级进行统一化;(5)将发电机抽象看成在其出口母线上注入一定的有功功率,仅对电压等级高的输电网进行分析,合理地对配电网相应的负荷实行等效。
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第 3 章 运行状态脆弱性指标....... 15 
3.1 功率系数指标.....  15 
3.2 负载率偏移量指标...........  16 
3.3 节点电压偏移量指标.........  17 
3.4 算例分析.........  17
3.4.1 PowerWorld Simulator 软件的介绍....  17 
3.4.2 仿真分析.......  19 
3.4.3 层次分析法确定权重.......  22 
本章小结 ............  26 
第 4 章 脆弱线路的综合评估模型......... 27
4.1 熵权法概述......... 27 
4.2 综合脆弱度评估模型............ 28 
4.3 脆弱线路辨别流程图............. 29 
4.4 算例分析............. 30 
本章小结......... 33 
第 5 章 结论与展望............. 35 
 
第 4 章 脆弱线路的综合评估模型
 
第 2 章和第 3 章分别从电网的拓扑结构和实时运行状态提出电气介数、功率系数、线路负载率偏移量和节点电压偏移量 4 个指标,并且各自基于自身的指标对 IEEE39 节点系统进行了分析,分别辨别出了仅考虑拓扑结构或者运行状态的关键脆弱线路。然而由于电网是一个实时非线性复杂网络系统,其脆弱性不仅与网络结构代表的固有不变部分有关,也与运行状态代表的实时跟踪部分相关。因此,只有综合考虑电网拓扑结构和实时运行状态建立的评估模型,才能够全面、科学的识别出电网的关键脆弱线路。本章首先引入熵权法确定各指标的权重,然后再建立综合评估模型进行关键脆弱线路的辨别。
 
4.1 熵权法概述熵的概念
来源于热力学,它是系统混乱程度的度量,并且指出对于孤立的系统而言,即与外界不存在物质和能量交换的系统,其所自发进行过程必然是熵增加的过程,这就是熵增原理,也即热力学第二定律的一个表述。简单来说,在不存在外力的作用下,孤立的系统所自发进行的状态变化一定是从有序到无序。1948 年,Shannon 将热力学中熵的概念引入到信息论中,提出信息熵的概念。信息作为系统有序程度的一个度量,而熵刚好相反,其表征的是系统的混乱程度,因此,信息的增加意味着熵的减少,两者成反比。一般而言,若某个指标的信息熵越小,表明指标值的变异程度越大,提供的信息量越多。熵权法是基于评价指标所提供信息量,计算各指标综合权重的数学方法。根据各指标传递给决策者的信息量多寡来确定其权重,指标的熵权值和其在决策单元评价中所起的作用大小成正相关,某项指标的熵越小,说明其携带和传输的信息越多,表示该指标在决策单元评价中对决策的作用越大。因此可以通过熵权值来表示同指标下不同对象的重要性程度。
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结论
 
本文的主要研究内容及成果总结如下:
(1)首先引入复杂网络理论,提出了复杂电力网络拓扑建模的基本原则。针对电网小世界模型和加权介数模型的缺点进行改进,提出电气介数指标反映电网拓扑结构的脆弱性,该指标以发电机出力和负荷作为权重,基于电路方程求解,充分考虑了电力系统的物理背景。利用 IEEE39 节点系统作为算例分析,得到仅考虑电网拓扑结构的脆弱线路。
(2)提出评估电网实时运行状态的三个指标:功率系数、线路负载率偏移量、节点电压偏移量。然后利用 PowerWorldSimulator 软件仿真计算上述三个指标的值,再依据层次分析法确定每个指标的权重,得到考虑电网实时状态的关键脆弱线路。
(3)综合考虑了电气介数、功率系数、线路负载率偏移量和节点电压偏移量 4 个指标,建立综合评估模型来识别电网的脆弱线路。将所得结果与参考文献的方法进行比较,证明本文方法的有效性和优越性。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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