[论文解读] Reliability Analysis of Electric Power Systems Using an Object-oriented Hybrid Modeling Approach

Markus Schläpfer, Tom Kessler+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2012

Power System Reliability and Maintenance参考文献 12被引用 53

一句话总结

本文提出了一种面向对象的混合建模方法，将基于代理的建模与蒙特卡洛模拟相结合，以评估电力系统可靠性，明确考虑了运行人员对线路过载的时间依赖性响应。该方法可准确估算停电频率，并揭示运行人员干预可将超过70%的大规模停电（≥200 MW）防止，从而减少级联故障的传播。

ABSTRACT

The ongoing evolution of the electric power systems brings about the need to cope with increasingly complex interactions of technical components and relevant actors. In order to integrate a more comprehensive spectrum of different aspects into a probabilistic reliability assessment and to include time-dependent effects, this paper proposes an object-oriented hybrid approach combining agent-based modeling techniques with classical methods such as Monte Carlo simulation. Objects represent both technical components such as generators and transmission lines and non-technical components such as grid operators. The approach allows the calculation of conventional reliability indices and the estimation of blackout frequencies. Furthermore, the influence of the time needed to remove line overloads on the overall system reliability can be assessed. The applicability of the approach is demonstrated by performing simulations on the IEEE Reliability Test System 1996 and on a model of the Swiss high-voltage grid.

研究动机与目标

• 解决传统可靠性评估方法忽略时间依赖性效应及人为因素（如运行人员响应）的局限性。
• 开发一个全面的建模框架，以捕捉电力系统中技术组件与人为操作员之间的动态、非线性相互作用。
• 实现包含传统指标和全年运行周期内停电频率分布的概率可靠性评估。
• 评估运行人员响应时间对级联故障传播及系统韧性的影响。
• 在实际系统（包括IEEE RTS-96和瑞士超高压电网）上验证该方法的适用性。

提出的方法

• 将发电机组、线路、负荷、母线、运行人员等电力系统组件建模为具有属性和有限状态机（FSMs）的自治对象，以表征其行为。
• 采用蒙特卡洛模拟来建模随机组件故障及具有小时级正态分布波动（σ = 0.0192）的时间依赖性负荷曲线。
• 引入基于代理的建模方法来模拟电网运行人员，其对线路过载的响应时间为Δtʳ = 15分钟，手动断路器重合闸时间为Δtᵉ = 1小时。
• 通过全年系统行为模拟，收集可靠性指标和停电频率估计的统计数据。
• 通过队列技术及各控制区域控制对象所控制的状态转移，建模负荷切除与恢复过程。
• 将该框架应用于IEEE RTS-96和瑞士超高压电网模型，以验证其适用性并识别关键系统脆弱点。

实验结果

研究问题

• RQ1 运行人员对线路过载的响应时间在多大程度上影响电力系统中级联停电的频率和严重性？
• RQ2 系统行为中时间依赖性、非线性动态对可靠性指标和停电频率分布的影响程度如何？
• RQ3 在实际运行条件下，哪些系统组件或输电线路最易发生过载和级联故障？
• RQ4 将非技术性参与者（如电网运行人员）纳入模型在多大程度上提升了概率可靠性评估的现实性和准确性？
• RQ5 所提出的混合建模方法是否能有效识别系统薄弱环节，并支持实际电力系统中的中期规划决策？

主要发现

• 模型以90%置信区间估算停电频率，结果表明发电容量不足是大规模停电的主要原因。
• 由于运行人员为缓解线路过载而实施的负荷切除，在较小规模事件中变得日益显著，凸显其在防止级联故障中的关键作用。
• 因解列导致的系统解列对停电有显著贡献，但其发生频率低于发电容量不足或为缓解过载而实施的负荷切除。
• 运行人员以15分钟响应时间进行干预，可防止超过200 MW的停电事件的大量发生，证明其在系统韧性中的关键作用。
• 约15%的线路过载事故集中发生在仅两条输电线路上，表明其为系统中的关键薄弱环节。
• 过载相对频率分析揭示了相邻线路的过载聚集区域，有助于制定针对性的系统强化规划。