基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法技術

本發明專利技術公開了電力系統連鎖故障預防與防御領域的基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法，包括：確定影響電網自組織臨界態的關鍵指標集；確定樣本集中每一種運行狀態下電網的自組織臨界性；將原始物理指標集劃分為物理層和因子層并基于正負理想變權理論，計算樣本集中每個運行狀態下物理層指標的權重；基于主成分法計算因子指標的表達式和維度，保證因子指標信息不重疊；基于物理層指標權重構建的一致性判斷矩陣以及主成分信息表達因子，計算因子層指標的權重；采用秩和比綜合評估方法，以因子層指標為輸入，計算評估值；能夠綜合描述各因素對電網自組織臨界態的影響機理，定量評估電網的自組織臨界狀態，并且計算速度較快。

Quantitative evaluation method for self-organized criticality of power grid based on multilevel variable weight theory

The invention discloses a power system cascading failure prevention and defense field variable weight theory multi level power grid based on self organized criticality of quantitative assessment methods, including: determining the key index of power grid since the critical state set effect; determining the sample concentration of self organized criticality of each grid operation state; the original physical index set divided into physical layer and layer and variable weight factor based on positive and negative ideal theory, calculate the sample concentration each operating state weight physical index; calculation formula and dimension index method based on principal component factor index, to ensure consistency of information do not overlap; physical layer index weights of constructing judgment matrix and principal component factor information expression based on the index weight calculation layer; using rank sum method than the comprehensive evaluation index to layer as input, calculation and evaluation to value; The influence mechanism of various factors on the self-organized critical state of power grid is comprehensively described, and the self-organized critical state of the grid is quantitatively evaluated, and the calculation speed is faster.

【技術實現步驟摘要】
基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法
本專利技術涉及電力系統連鎖故障預防與防御領域
，具體地，涉及基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法。
技術介紹
隨著大規模新能源，尤其風電的快速發展，風電的波動性給電網的安全運行帶來諸多不穩定的因素，為了保證電網運行的穩定，風電往往需要采取風火耦合外送的方式進行，但由于常規火電技術出力以及爬坡率的因素限制，其有時難以跟蹤風電的波動特性，若此時風電處于高峰時段，急劇的風電波動對電網的穩定性造成極大影響，可能引發大規模停電事故；且大規模風電集群接入使得電網結構極不均勻，風電接入點附近線路傳輸容量過大，該部分線路故障引發的大量潮流轉移或電源缺失會對電網安全運行造成較大沖擊，極易發生連鎖故障。另一方面，我國新能源發電基地和負荷中心呈現逆向分布，為保證輸電的可靠性及經濟性，需要采用交直流聯合運行的方式進行傳輸。在交直流電網中，大部分直流線路及部分高壓交流線路作為電能傳輸的主要通道，具有較高的負荷水平，該部分線路發生故障或直流發生閉鎖將會引起大規模潮流轉移，很可能造成周圍線路過載并進一步斷開，引發更大規模的連鎖故障事故。對于造成重大停電事故的連鎖故障研究，傳統上采用還原論的方法，以元件級故障為基礎，從微觀的角度還原連鎖故障的發生過程，研究連鎖故障的預防策略。但該方法無法掌握連鎖故障發生的宏觀規律，相同的元件級故障在不同的運行條件下引發連鎖故障的概率也不相同，使得應用自組織臨界理論研究連鎖故障成為電網安全預警以及故障防御最前沿的課題之一。研究表明，國內外大多數電網均具有自組織臨界特性，處于自組織臨界態的電網，局部微小的擾動都會通過“多米諾”機制被放大，具有更高的安全運行風險，因此研究電網自組織臨界態對于電網安全運行及連鎖故障防御具有重要意義。目前針對自組織臨界態的研究方法主要分為兩種，其一是基于連鎖故障仿真模型的研究方法，其二是基于關鍵影響因素的研究方法。前者通過以OPA為代表的連鎖故障仿真模型，模擬電網連鎖故障發生情況，統計停電規模與停電頻次之間的關系，若其滿足冪率尾特性，則說明目前電網處于自組織臨界狀態，但這種方法只能定性描述電網是否處于自組織臨界態。因此有學者展開了基于關鍵影響因素的電網自組織演化機理研究，指出平均負載率、網絡結構均勻程度、風電平均上網率是影響電網自組織臨界態的重要影響因素，且隨著熵值理論的發展，部分電力工作者將其應用到電網自組織臨界態研究之中，提出了加權潮流熵、網絡拓撲熵以及風電波動熵等豐碩的研究成果，為電網自組織臨界態的定量評估奠定了重要的基礎。但這些研究考慮因素過于單一，目前并沒有考慮多因素多層次的電網自組織臨界態綜合評估體系，也無法定量描述電網自組織臨界行為。
技術實現思路
本專利技術的目的在于，針對上述問題，提出基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法，以解決現有方法存在的上述問題。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案是：基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法，主要包括：步驟1：確定影響電網自組織臨界態的關鍵指標集；步驟2：根據冪率尾特性以及條件風險價值確定樣本集中每一種運行狀態下電網的自組織臨界性；步驟3：基于層次分析理論，將原始物理指標集劃分為物理層和因子層并基于正負理想變權理論，計算樣本集中每個運行狀態下物理層指標的權重；步驟4：基于主成分法計算因子指標的表達式和維度，并保證因子指標包含的信息不重疊；步驟5：基于物理層指標權重構建的一致性判斷矩陣以及主成分信息表達因子，計算因子層指標的權重；步驟6：采用秩和比綜合評估方法，以因子層指標為輸入，計算評估值。進一步地，所述步驟1包括以下步驟：確定樣本集X，計算樣本集X中每個樣本狀態的評估指標P，確定用于評估的指標集；所述評估指標包括P加權潮流熵HPw，具體計算公式為：其中，為(ku,(k+1)u)區間內所有線路負載率的平均值，p(k)為線路負載率處于(ku,(k+1)u)區間內的概率；所述評估指標包括平均負載率Lmean，具體計算公式為：其中，lj為第j條線路負載率，l_num為線路總條數；所述評估指標包括網絡拓撲熵HN，具體計算公式為：其中，Ii為節點i的重要度；所述評估指標包括系統負荷容量比LC，具體計算公式為：其中，L為負荷集合，pLi為負荷節點i的有功功率；C為關鍵線路集合，為第j條線路的傳輸容量上限，γi為各關鍵線路的權值，其值等于各關鍵線路的負載率；所述評估指標包括風電日平均上網功率pw，具體計算公式為：其中，pij為第j個風電場在第i時刻的風電出力，n為對象電網中的風電場總個數，m為風電場出力采樣總點數；所述評估指標包括風電波動熵Hwind，具體計算公式為：其中，v(k)為風電波動率處于(ku,(k+1)u)區間內的概率；所述評估指標還包括風電平均滲透率λ，具體計算公式為：其中，為第j個火電廠在第i時刻的有功出力，ph為日平均火電上網有功功率。所述確定用于評估的指標集，具體為對所述評估指標進行標準化處理，具體為：其中，Pi為第i個物理指標，μi為第i個物理指標的均值，其計算公式為為第i個物理指標的標準差。進一步地，所述步驟2具體為，根據冪率尾特性判定樣本集中每個運行狀態是否處于自組織臨界態，并計算樣本集中每個運行狀態的風險價值VaR以及條件風險價值CVaR，根據冪率尾特性判定樣本集中每個運行狀態是否處于自組織臨界態，冪率尾擬合公式為：lnN(Q)＝a-blnQ其中，N(Q)為負荷損失頻度，Q為負荷損失量；若電網的負荷損失量與負荷損失頻度滿足上式，則說明電網處于自組織臨界態,所述每個運行狀態的風險價值VaR以及條件風險價值CVaR的計算公式分別為，其中，x為損失規模，p(x)為損失規模的密度函數，FVaR和FCVaR分別為風險價值和條件風險價值的值。進一步地，所述步驟3具體包括，構建雙層指標體系，以所述評估指標為物理層指標，因子層指標物理層指標的線性組合；確定步驟1中指標集中指標的正理想集C*和負理想集C0；確定每個物理指標的虛擬評估狀態以及虛擬微增評估狀態計算每個物理層指標的“漸變”因子以及“突變”因子計算質權因子ωi，作為物理指標的權值，計算公式為：所述正理想集C*是樣本集X中并不存在的虛擬的最佳評估狀態，它的每一個物理指標值都是該屬性的最優值，其計算公式為：式中，Pi*為指標Pi的正理想值；所述負理想集C0是樣本集X中并不存在的虛擬的最差評估狀態，它的每一個物理指標值都是該屬性的最劣值，其計算公式為：式中，Pi0為指標Pi的負理想值，m為物理指標個數；所述虛擬評估狀態是為體現指標Pi漸變程度虛擬構造出的評估狀態，其計算公式為：所述虛擬微增評估狀態是為體現指標Pi突變程度虛擬構造出的評估狀態，其計算公式為：進一步地，所述“漸變”因子計算方法具體為，首先計算每一個虛擬評估狀態與正負理想解的距離，計算公式為：然后計算每個物理指標的“漸變”因子計算公式為：所述“突變”因子計算方法具體為，首先計算每一個虛擬微增評估狀態與正負理想解的距離，計算公式如下：然后計算每個物理指標的“突變”因子計算公式如下：進一步地，所述步驟4具體包括：首先，計算加權物理指標ωm×mPm×1的相關系數矩陣ρ，并計算相關系數矩陣ρ的特征值λ及其對應的單位正交化特征向量本文檔來自技高網...

【技術保護點】
基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法，其特征在于，包括：步驟1：確定影響電網自組織臨界態的關鍵指標集；步驟2：根據冪率尾特性以及條件風險價值確定樣本集中每一種運行狀態下電網的自組織臨界性；步驟3：基于層次分析理論，將原始物理指標集劃分為物理層和因子層并基于正負理想變權理論，計算樣本集中每個運行狀態下物理層指標的權重；步驟4：基于主成分法計算因子指標的表達式和維度，并保證因子指標包含的信息不重疊；步驟5：基于物理層指標權重構建的一致性判斷矩陣以及主成分信息表達因子，計算因子層指標的權重；步驟6：采用秩和比綜合評估方法，以因子層指標為輸入，計算評估值。

【技術特征摘要】
1.基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法，其特征在于，包括：步驟1：確定影響電網自組織臨界態的關鍵指標集；步驟2：根據冪率尾特性以及條件風險價值確定樣本集中每一種運行狀態下電網的自組織臨界性；步驟3：基于層次分析理論，將原始物理指標集劃分為物理層和因子層并基于正負理想變權理論，計算樣本集中每個運行狀態下物理層指標的權重；步驟4：基于主成分法計算因子指標的表達式和維度，并保證因子指標包含的信息不重疊；步驟5：基于物理層指標權重構建的一致性判斷矩陣以及主成分信息表達因子，計算因子層指標的權重；步驟6：采用秩和比綜合評估方法，以因子層指標為輸入，計算評估值。2.根據權利要求1所述的基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法，其特征在于，所述步驟1包括以下步驟：確定樣本集X，計算樣本集X中每個樣本狀態的評估指標P，確定用于評估的指標集；所述評估指標包括P加權潮流熵HPw，具體計算公式為：其中，為(ku,(k+1)u)區間內所有線路負載率的平均值，p(k)為線路負載率處于(ku,(k+1)u)區間內的概率；所述評估指標包括平均負載率Lmean，具體計算公式為：其中，lj為第j條線路負載率，l_num為線路總條數；所述評估指標包括網絡拓撲熵HN，具體計算公式為：其中，Ii為節點i的重要度；所述評估指標包括系統負荷容量比LC，具體計算公式為：其中，L為負荷集合，pLi為負荷節點i的有功功率；C為關鍵線路集合，為第j條線路的傳輸容量上限，γi為各關鍵線路的權值，其值等于各關鍵線路的負載率；所述評估指標包括風電日平均上網功率pw，具體計算公式為：其中，pij為第j個風電場在第i時刻的風電出力，n為對象電網中的風電場總個數，m為風電場出力采樣總點數；所述評估指標包括風電波動熵Hwind，具體計算公式為：其中，v(k)為風電波動率處于(ku,(k+1)u)區間內的概率；所述評估指標還包括風電平均滲透率λ，具體計算公式為：其中，為第j個火電廠在第i時刻的有功出力，ph為日平均火電上網有功功率。所述確定用于評估的指標集，具體為對所述評估指標進行標準化處理，具體為：其中，Pi為第i個物理指標值，μi為第i個物理指標的均值，其計算公式為為第i個物理指標的標準差。3.根據權利要求1或2所述的基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法，其特征在于，所述步驟2具體為，根據冪率尾特性判定樣本集中每個運行狀態是否處于自組織臨界態，并計算樣本集中每個運行狀態的風險價值VaR以及條件風險價值CVaR；根據冪率尾特性判定樣本集中每個運行狀態是否處于自組織臨界態，冪率尾擬合公式為：lnN(Q)＝a-blnQ其中，N(Q)為負荷損失頻度，Q為負荷損失量；若電網的負荷損失量與負荷損失頻度滿足上式，則說明電網處于自組織臨界態；所述每個運行狀態的風險價值VaR以及條件風險價值CVaR的計算公式分別為，其中，x為損失規模，p(x)為損失規模的密度函數，FVaR和FCVaR分別為風險價值和條件風險價值的值。4.根據權利要求3所述的基于多層級變權理論的電網自組織臨界態定量評估方法，其特征在于，所述步驟3具體包括，構建雙層指標體系，以所述評估指標為物理層指標，因子層指標物理層指標的線性組合；確定步驟1中指標集中指標的正理想集C*和負理想集C0；確定每個物理指標的虛擬評估狀態以及虛擬微增評估狀態計算每個物理層指標的“漸變”因子以及“突變”因子計算質權因子ωi，作為物理指標的權值，計算公式為：所述正理想集C*是樣本集X中并不存在的虛擬的最佳評估狀態，它的每一個物理指標值都是該屬性的最優值，其計算公式為：

【專利技術屬性】
技術研發人員：王方雨，劉文穎，蔡萬通，夏鵬，朱丹丹，張雨薇，田浩，王賢，郭虎，郭紅林，呂思琦，呂良，姚春曉，曾文偉，
申請(專利權)人：華北電力大學，
類型：發明
國別省市：北京,11