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安全性对电力系统的影响
本文回顾了安全分析在公用事业的地位，并讨论了系统的安全性对经营的影响和电力系统规划的调整。本文主演研究电力系统的静态安全而非动态安全。本文还讨论了满足电力系统安全性要求的一些假设，函数和计算方法。此外，还提出了基于时间调度的安全协调模型。特别的，对实时的安全分析，短短期运行，中期运行计划和长远规划进行了分析。本文强调为实现电力市场的安全的问题和挑战，并得出结论认为，安全选项全局分析可以为寻求在不同时间尺度的最佳可行的时间表提供更多的机会。
关键词：事故分析，纠正/预防措施，发电和输电计划检修计划，电力系统的安全性，安全约束的最优潮流，安全装置
1、引言
电力市场正迅速成为市场的主导。然而，由于电能在国民经济中发挥着日益重要的角色，安全问题仍然是电力系统操作不能受到市场的驱动而影响的最重要的方面。根据重组电力系统的标准市场设计（SMD）的最新进展给电力市场参与者提供了一个机会，如发电企业（GENCOs），传输公司（TRANSCOs），配送公司（DISCOs）等，能够进行成本最低或利润可观的业务。在一个具有竞争性的电力市场，国际标准化组织协调SMD市场参与者以满意的逐时负荷需求，有限的燃料和其他资源，环境约束和传输安全要求的属性[1] - [3]。
在具有竞争性的电力市场，客户希望得到低成本和高质量的电能，这就需要额外的投资和更先进的操作技术来提高电力系统的安全性。互联电网将部分缓解电力系统突发事件，否则在可能导致巨大的财产和人员损失的情况下，将造成严重后果，并严重阻碍了国民经济的发展。
- 电力系统安全的定义
NERC将可靠性定义为到电力系统的任务是向用户提供源源不断、质量合格的电能。NERC的定义包含两方面的内容，即充裕度和安全性。充足是指一个电力系统在任何时候都具有向用户提供电能和满足峰荷的能力。安全是指电力系统承受干扰的能力。用通俗的话说就是，充足就是指具有足够的发电容量和输电容量，能够满足用户的需求，且具有一定的储备容量。安全意味着电力系统在事故或者设备故障后不会失控的能力。本文主要对电力系统的静态安全性进行研究。
电力系统安全性的传统定义包含四个操作状态，其中包括安全，报警，紧急和恢复状态和相应的状态之间的转换[7] - [9]。然而，电力系统的绝对安全被认为不能无条件的在一个复杂和高度不确定的市场环境下得到保证，在不可预知的多设备故障或用户需求的突然变化可能会对电力系统的安全造成严重的影响。一个可以检查电力系统安全性确定性或可能性的观点。在确定性的意义上讲，一个安全的电力系统能够承受事先预估的突发情况。在可能性的意义上讲，安全的电力系统在可能出现故障状态下应该能表现出较高的安全性。
- 安全时间尺度
根据用于分析电力系统安全性的时间尺度，我们选择如图1所示的框架图进行分析:
图1.分级电力系统安全性的分析。
bull;实时（在线）的安全性分析，它保持实时系统的安全性;
bull;短期（提前一天和一周）运行，其中包括安全约束的问题（SCUC）和安全约束最优潮流（SCOPF）;
bull;中期（月度，年度）运作规划，其中包括维护系统安全包括设备和资源的优化配置（例如，燃料，排放和水）的最优检修计划;
bull;长期（年及以后）的规划，其中包括发电资源和输电系统规划维护系统的安全性。
实时和短期运行风险与电力系统元件由于天气条件突然变化造成逐时负荷波动和意外故障有关。此外，短期运行还与用电价格的波动有联系。中期经营计划的风险与采购燃料和水一样的自然资源有关。此外，中期经营计划的风险与电力和能源的价格相关。长期规划的风险与发电厂和输电设施的建设有关。在这种情况下，涉及到的施工时间和效率造成的金融风险比中期的更大。
从物理角度来看，合理的长期规划或是中期经营规划为短期和实时的电力系统运营管理的安全提供了更广泛的选择。此外，在更短周期的电力系统运行计划（例如实时和短期运行）可以产生有用的安全信号，使得该调度下更长的时间跨度（中期和长期）可能是更有效和实际的。在本质上，安全选项的全局分析，可以为在不同的时间里寻求最优的和可行的状态提供了更多的选择。
本文以下各节的讨论被认为是为了满足电力系统在不同时间的安全需求的假设，功能和计算工具。
2、实时安全分析
在线安全分析是在电力系统控制中心的能量管理系统（EMS）中进行。在线安全分析包括两个主要部分：系统监控和事故分析。系统监控室完全实时功能，但也是应急事故分析，这是在本部分中将要讨论的，也可用于在其他时间尺度上的离线程序中使用。
- 系统监控
电力系统通过安装在控制中心的数据采集和监视控制系统（SCADA）监测。SCADA从安装在变电站和发电厂和整个电力系统的分布式远程终端单元（RTU）收集实时数据。SCADA以约2-5秒／次的频率扫描RTU。通常获得的数据包括瓦，ＶＡＲ，电压，电流，千瓦小时，频率，断路器状态，和调相移相变压器的设置。这些数据被发送给系统控制中心，并存储在SCADA/ EMS实时数据库。然后系统操作员在实时与状态估计的帮助下监视和控制系统（SE）方案[10]–[14]。在SE定期计算感兴趣的子网，这几乎总是更大网络的一部分的操作状态的估计值。应急分析的目的，通过SE计算的完整模型由所监视的子网和外部等效[15] - [18]近似于周边全球网络的影响。要在建立系统状态的网络模型减少错误，该组测量值是用尽可能的冗余。但SE仅仅产生该系统的真正运行状态的一个近似的模型。
许多不同SE算法已被提出，但只有少数是在使用阶段。最常用的算法是加权最小二乘估计法，这是这里假定的方法。SE增益矩阵是从潮流方程的雅可比元素构建的。它的尺寸是在模型中的总线的数量。但它的结构比所述雅克比矩阵致密的多，这是数字病态方程，因此有必要使用特殊的技术，如正交因式分解它。SE算法是迭代计算，其解决方案的时间随每个新的测量集不可预测变化。SE算法的收敛性是不确定的，使得算法的鲁棒性很重要。同样重要的是，直接相关的是，能够识别和删除坏数据，而如果不删除，会严重降低估计精度和防止收敛的能力。最具破坏性的，不易辩证坏数据项是不正常的开关状态。一个完全可靠的坏数据处理器还有待开发。SE的每个周期开始与SCADA测量值的可观测性分析，以确定有多少被监视子网的状态进行估计。不可见部分均采用引入假测量观测。
所有已知的SE算法有不足之处，特别是在不良数据辨识和鲁棒性方面。一些缺点是不能被更好的SE算法所克服的。测量在SCADA扫描周期不同步，造成显著时间偏移错误，这只能通过在通信和其他特殊的硬件成本改善来弥补。线路和变压器在SE模型中使用的阻抗通常是从电力公司不很准确的数据。提高网络数据的准确性将是一大创举。一些不准确性从使用正序模型为不平衡三相系统的结果中产生。这些不精确性的原因，可以减轻到一定程度，但它是昂贵的和困难的。
SE在EMS具有多种功能。其目前最重要的功能是直接向运营商提供对系统运行信息，以帮助他们采取纠正行动。在线安全分析和系统运行的质量直接影响着其速度、精度和可靠性。
- 事故分析（CA）
CA是在SE网络模型上运行以确定稳态运行限制是否将由意外事件的发生而受到侵犯。CA一般由两部分组成：应急的选择和应急评估。任意时刻的潜在突发事件在大规模电力系统的数量非常大，系统操作人员来分析故障点，并采取适当的预防（预应变）和纠正（后应急）的动作时间是相当有限的。如果选择应急过于保守，其分析的时间可能过长;如果选择不保守，可能错过导致违反约束或灾难突发事件的关键。因此，良好的应急选择方案后应急评估一组选定突发事件必须进行适当的控制措施来执行。
CA是由近期监测的要求进一步使潮流关口重荷。一个潮流关口是在网络中指定的行组。每个关口有一个限制的代数和实际权力的线流。关口限制必须像流量限制一样得到纠正。
理想的情况是，一个交流电源流解决方案应该是每个应急情况下计算的，但这需要的时间太长了。使用一个快捷方式，CA可能会限制交流电源流的解决方案，以相对减小一些容易造成伤害的突发事件。由于它的速度，几乎所有的CA算法现在使用快速解耦潮流（FDPF）算法[ 19 ]，来获得应急情况下完整、准确的的解决方案。
CA的方法采用线路停电分布的因素（LODFs）[ 20 ]，[ 21 ]确定或线路中断的影响，这是最早的方法，现在依然在广泛使用。为指定的应急线路停运引起偶然线的中断与一个单位的预停运有功流线监测增量。因此，在所有的监测线通过一个任意停运前或停运造成的增量流可以从线LODFs队伍非常迅速地计算。
在大型网络中，相当大比例的LODFs每个停电的幅度极短，因此通常被省略。通过运用稀疏定位技术可以进一步提高[22] - [25]效率，计算过程只有相对少数的LODFs足够大，大到在CA的问题上有显著的影响。LODFs的严重缺点是所基于所基于直流潮流提供母线电压和无功功率没有明确的信息。准确地计算这些影响的唯一途径是由一个交流电源流解决方案。事实上，直流功率流具有精度差，即使在计算增量的真正的功率流。它只是因为它的速度而得到使用。
1）应急选择：以减少计算机系统的时间继续增长越来越大，潜在的意外停电对CA的列表可以选择性地判断使其在提交给CA进一步自动选择之前减少。对违反要监视意外事件列表可以类似地进一步降低计算工作量。应急自动选择方法[26] - [28]可分为两个阶段：筛选和排序。
一个常见的筛选方法是使用FPDF应急情况下的第一次迭代的结果。测试和经验表明，这不是一种非常可靠的选择方法。二次迭代是比较好的，虽然它们需要两倍的时间，但仍然没有提供关于无功源影响的有用信息。
另一个筛选方法是由明确利用定位的边界法[22]，[23]，[29]。线路断电的影响从停运的电气距离迅速缩小，并超越周围的停运总线有一定的层次，成为事故分析的目的变得很小可以忽略不计。对于每一个应急的情况下，边界方法识别边界层和计算在有限子网应急直流功率流的解决方案。在这一点上，对于有界网络直流功率流解决方案已完全计算，然后被用于检查线路流和应急筛选。如现在所使用的，边界方法无需设置计算，在每个新的情况下进行的，用于为应急选择提供最大的灵活性。该方法已扩展到交流网络分析，并具有改善的潜力，提高CA超出了以前的探索。
选择通过各种排序算法计算一个标量性能指数（PI）为每个应急来自直流或FDPF解决为应急。在这些排名方案的假设是，PI的每个应变的量值的量度可能性就会造成线路过载和侵害总线电压和无功功率。例如，每个应急MW-PI术语等于网络中的行数的总和，每个术语是线路和其流量限制的增量功率流的功能。
大型网络PI排名方法的效率，可以通过上面的LODFs提出的定位技术得到改善。只有增量行内流动围绕应急容易确定子网对PI结果显著的效果，只有这些元素都需要进行计算和排名PI处理。
一旦被筛选和排名，选择一定数量的突发事件进行评估，并可能被认为是安全控制措施。在电力系统解决方案规定的基础上控制动作，直到在突发事件的情况下没有遇到的违规的行为。此时，CA被终止。
2）应急评估（预防和纠正措施）：一旦发生意外事故，系统操作员着手进行确定，可以部分缓解或完全消除其威胁。控制措施的范围从调节控制变压器，改变网络配置和修改经济调度的计划，切负荷方案。通过运行环境的静态安全分析来获取决策支持，这是一种习惯。然而，它通常是更难以实现从EMS可信决策支持电力系统的动态安全分析。
当前的目标是继续在预防和纠正控制动作的计算的改进，以帮助调度决策。为实现这一目标的主要工具是解决各种各样的SCOPF问题定义程序。相当令人满意SCOPF[30] - [32]已经开发了用于解决某些问题的方法，并不断寻求更好的方法。SCOPF程序尚未用于实时计算系统的控制动作，但操作人员在越来越多地使用他们交互作出有关的控制动作的决定。目前的趋势是朝着扩大它们的作用。
在SCOPF管理突发事件的预防和纠正控制行动表示重组电力系统经济性和安全性之间进行权衡。对于无法控制的意外情况的调度包括在预应变（即稳态）维护的经济性和系统的突发事件的安全操作范围的解决方案。然而，预防性的调度是保守的，可能是昂贵的甚至可能成为潜在的突发事件。纠正措施是为了消除系统发生事故后的应急控制措施。这些突发事件被称为可控的意外事件。
SCOPF的发动机是基本的优化问题，许多解决问题的方法已经产生了。在一个领先的方法的基础上，牛顿潮流计算法变体中的一个，从CA获得应急违反约束被输入到基本情况的问题，然后将其以通常的方式来执行这些在基础案例中解决。另一种方法使用基于LP的方法[33]。虽然这两种方法强制执行CA的周期确定的违规行为，但他们不会因控制行动产生了新的应急行为。要检查新的违规行为，有必要重复CA. 这个附加的迭代循环使得SCOPF要比OPF更费时。但是，如果SCOPE是无法满足系统的安全性，甩负荷将成为应急调控方案。
3、短期运行
对于电力的安全供应，系统的安全性在短期运行时是必须要考虑的。短线运行被视为维持实时安全[59]的替代方案。在日前市场，参与者提交他们的每小时和块生成提供给ISO，其中供逐时负荷计算为基础的安全，每小时发电计划（SCUC）和调度（SCOPE）。该发电计划是由ISO提供给相应的市场参与者。市场参与者可以使用ISO的市场信号，反思他们提出的提供发电资源，其中包括对LMPs的传输阻塞信号和他们提出的报价。如果当天的市场是健康和稳定的，一个可以接受基于安全性的经济的解决方案可以通过ISO与市场参与者达成合作。
图2是ISO与主要市场参与者之间的对应关系。本演示的目的，我们假设负载是价格接受者。此图显示SCUC和SCOPF之间的协调，并在图3进一步的阐述了。
图2 ISO和主要的市场参与者。
图3
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