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发输电系统可靠性评估的启发式就近负荷削减模型_图文

第29卷第23期 2005年12月 文章编号:1000一3673(2005)23一0034—06

电网技术
P0wer

、,01

29№.23
2005 4051

System Techn0109y

Dec.

中图分类号:TM732:TM711

文献标识码:A

学科代码:470

发输电系统可靠性评估的启发式就近负荷削减模型


渊1,周家启1,周念成1,谢开贵1,刘

洋1,况

军2

(1.高电压与电工新技术教育部重点实验室(重庆大学),重庆市沙坪坝区400044 2.重庆市电力公司,重庆市渝中区400014)
A Heuristic

Approach

to Local Load shedding Scheme for ReUabiUty Assessment 0f

C哪posite GeI地raHOn and Tmnsmi蟠iOn System
zHAO Yuanl,zHOu

Jia_qi。,zHOuNian-chen91,xⅢKai—gIlil,LIU№1,KuANG
40()O“,china:2.Chongqing

Ju一

(1.The Key Laboratory of High v01tage En百ne谢ng and EkcⅡical New Tecllnology of Ministry of Educanon (chongqing u11iversity),Shapingba Dismct,chongqing

Ele嘶c Power

C唧。姐don,YUzhong District,Chongqing 4(X)014,Chilla)
ABsTRAcT:T0 improve the c羽culadon emciewy 0freliabil时 assessmem

统的计算分析表明,该模型能在保持较高精度的前提下大幅 度提高计算速度,为缓解发输电系统可靠性评估的计算瓶颈 提供了良好的解决方案。

of伽mponte geneⅢion如d仃a11smission 8ysterll’tIle


aulhors propose

heu血dc

approach

t0

10cal load

shedding

sch锄e
【(,山e

The basic ideas ofme oflocal 10ad

propo蛇d method b ttlat

accomg

p曲ciple
can

sheddin昏血e load sheddiIlg node

关键词:可靠性评估;负待削减:发输电系统;启发式:计
算瓶颈

seb,w场ch

e疗bctively alleⅥalc出e jmpacf

of出c fa¨n,a诧

searched by power now仃aci。塔in component Using(he

cenaill region ne盯Ⅱle faul时



引言
发输电系统可靠性评估是在考虑发输电设备

pr砷0sed
t0

scheme吐1e 910bal叩nlIliz撕on

wi廿1i工I the wh01e
can

8ystem

obtain opdmal load

shedding啪ount
Proposed scheme

be钾oided,so

tIle

alg谢山m

0f

the

随机故障特性的基础上,对发电系统是否拥有足够 的发电容量和主输电网是否拥有足够的输电容量 为负荷点提供合乎质量要求的电能进行综合性定 量概率评价”oj。包括3个基本步骤:系统状态抽取、 系统状态分析、可靠性指标的累计。其中系统状态 分析包括对选定的系统状态进行网络解列判断和 潮流计算,从而确定是否违背运行约束(节点电压 和线路容量约束),若违背则采取校正措施对系统 进行优化调整。校正措施包括发电机的有功和无功 出力调整、变压器的档位调整等,如经过优化调整 后仍不能使系统恢复至安全状态,则最后采用的校 正措施就是负荷削减。 在系统状态分析中,校正措施通常采用最优负荷 削减模型来实现。已有文献大多采用基于直流潮流的 线性规划模型,但由于完全忽略了无功潮流和节点电 压的影响,因此本质上存在较大的模型误差”1。也有 文献曾使用最大流模型,利用网络特定状态下的最 大流代替系统中的潮流分布,可避免潮流计算和负 荷削减计算,计算速度较快,但它不满足基尔霍夫

possesses

11i曲calculatjon emciency.The calcul鲥oⅡand
as

a11alysis results舶m such rcUabllity test 8ystems I髓E-RTS79 show t}1at heuri吼ic 10caI load出edding

RBTS and

scheme c粕

considembly
presuppo虹bon

quicl∞n of

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speed

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c“cul撕on

accuracH and bo砌eneck 0f
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byⅡleans

of the proposed

scheme血e calclllmon
can

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assessmem

be effectively

KEY

WORDS:Reliabihty assessment;Load
and transrⅡission systel”:

sheddi“g Heudstic

Compos沁generation
CalculanOn bottleneck

摘要:为提高发输电系统可靠性评估的计算效率,提出了一 种启发式就近负荷削减模型,其基本思想是:按照就近原则 在故障元件附近的一定区域内通过潮流追踪搜寻能有效缓 解系统故障情况的负荷削减节点集。该模型避免了在整个系 统范围内进行全局优化以求取最优负荷削减量,因此具有较 高的计算效率。通过对RBTs和IEEE—RTs79可靠性测试系

基金项目:国家自然科学基盘瓷助项目(50307015);-#国博士后 科学基金资助项目f2(xⅡ037160)。 P叫ect sL。ppomd
f503070151 by Na【ionm Nmur“sclence

Found撕on

of

chl衄

万   方数据

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屯网技术

35

第二定律,即完仝忽略了节点电压与支路电流的约
束关系,故只能反映元件故障后系统的最大可能响

2启发式就近负荷削减模型的基本定义
为描述肩发式就近负衙削减模型的启发式规
则,首先给出如下定义:

应极限,应用该模型得到的可靠性评估结果过于乐 观”1。基于交流潮流的非线性规划模型比较真实地 反映了系统运行的实际约束条件,但耗时严重且编 程复杂”1。在计算效率上,线性规划和非线性规划 模型的计算时问与系统规模密切相关,在大规模电 力系统中元件故障即使只引起个别线路过负荷或 局部节点电压越限,这两个算法也必须在全系统范 围内进行优化调整以恢复局部地区的安仝性,因此 lE常耗时且效率较低。最大流模型的计算时问与网 络规模也直接相关,日前最快的算法运算
时间为D(Mqlo鐾n2,m)(H和m分别为网络的顶点

定义1:解列子网络^‘。系统元件故障使嘲络 解列成n个子网络,M(江1,2,,n)表示第1个 子网络:若网络未发生解列则整个网络用Ⅳn表示。 定义2:线路送端节点和受端节点。假设线路 U传输的有功功率P,>0,则流出有功的节点f称为 线路口的送端节点,流入有功的节点j称为线路口
的受端节点。

定义3:子9目络M的外部受端节点集o。。在系 统正常运行方式下的潮流分布中,外部网络通过解列 线路向^‘中某些节点注入的有功功率大于零,这些 节点构成的集合称为M的外部受端节点集o。。 定义4:子网络M的故障发电机节点集G。。 由M中故障发电机所在节点构成的集合称为M的
故障发电机节点集G。。 定义5:过负荷输电路径。若M中的某些过负

数和边数),o(nm)时间被认为是一个难以逾越的 障碍,至今还没有突破这一障碍的通用算法”l,故 随着网络规模的增大其计算时间将急剧增加。由此 可见,负荷削减模型已成为发输电系统可靠性评估 的一个关键计算瓶颈,寻求一个高效、町靠、计算 时间与系统规模基本无关的负荷削减模型有重要 意义M1。 在系统实际运行中,若系统处于紧急状态,运 行人员最关心的并不是在全系统范围内采取调整 措施使系统恢复到一个最优的安全经济运行点,即 考虑的主要因素不是系统运行状态的最优经济性, 而是如何在最短时间内将系统恢复至安全状态并 尽可能将故障的影响限制在最小范围内。使系统达 到新的安全运行点的理想方案是在过负荷线路和 电压异常的母线附近采取尽可能少的调整措施”I
(为缩短系统恢复时间和减少调整措施对系统的

荷线路顺序连接且不构成环路,则称之为M的一条
过负荷输电路径,如图1中粗箭头所示。路径方向

规定为线路实际有功功率的流向,该路径方向的最 后一条线路称为过负荷输电路径末端支路。

扰动)。系统恢复至安全状态后运行人员考虑的才 是恢复已停电用户的供电和系统的优化经济运行。 基于上述观点,本文提出了一种启发式就近负荷削 减模型(Heuris吐c
Approach to Local Load shedding

Hg.1

图1过负荷输电路径 over】帕ded tran锄i辅ion

path

定义6:子网络M的瓶颈线路集矾。若M
中的某些过负荷线路构成了Ⅳj的最小割集,则称

scheme,HALLss),其基本思想是:在大规模电力 系统中,元件故障后通常只在故障元件附近的局部 区域出现违背静态安全约束的情况,系统的调整和 校正措施也着重在这部分进行:系统故障后按照就 近原则在故障元件附近的一定区域内通过潮流追踪
搜寻能有效缓解系统故障情况的负荷削减节点集。

之为M的瓶颈线路集矾。丑Ⅳl将M分为两部分,
分别称为瓶颈线路集的送端和受端部分,如图2
所示。

本文将HAI,I.ss模型与虽大流模型、线性规划和非 线性规划模型在计算精度和效率上进行了深入的分 析和比较,结果表明,对于大规模电力系统的可靠 性评估,使用启发式就近负荷削减模型能在保证较
高精度的前提下大大缩短计算时间。
图2子网络肌的瓶颈线路集
ng.2

B0坩删e咄li耻s

set

ofsubnetⅣ

万   方数据

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赵渊等:发输电系统可靠性评估的启发式就近负荷削减模型

vol 29 No.23

定义7:子网络M的Ⅳ度负荷削减节点集曲。 M中的D。、G。和过负荷线路受端节点集构成M 的零度负荷削减节点集岛;与品有直接线路连接的 受端节点集称为l度负荷削减节点集蜀;同理,与 (Ⅳ一1)度负荷削减节点集有直接线路连接的受端 节点集称为Ⅳ度负荷削减节点集曲。 定义8:子网络M的Ⅳ度负荷削减域ci。M 的Ⅳ度负荷削减域ci由其0—Ⅳ度负荷削减节点集
的所有节点构成。

(2)若M中小存在平衡节点,则以批中备用 发电容量最人的发电机节点作为平衡节点。 (3)设Ⅳ,的最大可用有功发电容量为

忍一一嘶,M的总负荷为B一竹,Ⅳ?的网损为日。~H。

矗面面丽
M中无平衡节点?

阻M中各用发电容量 晶人的节点作为平衡节

定义9:节点f的送端节点集^和受端节点集 D。。设节点i与线路集砜,z。…,f。)相连,该线路集 的送端节点(节点i除外)构成节点i的送端节点 集^,受端节点(节点f除外)构成节点f的受端节
点集0。如图3所示。

M中电力不能 否

发电机出力调整或 启发式比例负荷削减

磊意游.』
塑塑盐簦I
古违背运}亍约束2:>—三

k弩 —静
图3节点f的送端和受端节点集
Fig.3 Sets ofsending nodes and

在邻近区域进行控电机出力 调整或启发式比例负荷削减

是I.一
HALLsS的简化流程图 sjmpli6ednow chartofHALLSS

图4
for node f Fi g.4

receivjDg肿des

3启发式就近负荷削减模型的算法描述
在可靠性评估中,待分析的M可能存在以下4
种情况:①M中只有一个孤立节点』,若节点7的最

若I一一.u>只~所+气。一竹则转步骤(4);否则M
中各发电机节点的自动发电控制系统(AGC)将动 作并使所有发电机均满额运行。此外系统频率下降 将导致负荷节点上低周减载保护动作,此时由旭 的0。和G。构成品,通过岛进行潮流追踪并寻找
Q,使得

大可用有功发电容量‰。。小于其负荷尸dJ,则该
节点的负荷削减量为(只一,一‰。,),否则M中不
存在负荷削减;②M中包含多个节点,但没有负荷 节点,则M中不存在负荷削减;⑤m中包含多个节 点,但没有发电机节点,因此M中负荷节点上的负 荷将被全部切除;④M中包含多个节点,既有发电 机节点又有负荷节点,此时将采用HALLSS算法对 其进行具体分析。
HALLss算法采用比例负荷切除原则:设负荷

只吨>晶一Ⅳf十昂。一Ⅳf一名砒一M>忍一q—l
在q中各负荷节点卜按比例切除总最为只。+ 只。。M一只。;。.的负荷,转步骤(6,。 (4)设平衡节点的最大可用有功发电容量为 Pg。。s,其余发电机节点的有功出力总和为彰。:,

削减域。中需切除总量为只的有功负荷,G中的

若tM+巴。眦s>只一坼十兄。M则转步骤(5);否
则在所有具有备用发电容量的发电机节点中根据 备用容量的大小按比例增加其有功发电出力,直至 满足

总负荷为只。,G中负荷节点f上的负荷为%.,
则节点i的负荷削减量为
虬‘

P::塑
只~。

《M+I。龇.s>只一N,十气;。
转步骤(6)。

HALLss算法的简化流程图见闰4。依据第2 节的定义,HALLsS算法的详细描述如下: (1)设置计数器c=O和允许的最大迭代次数

(5)若墨心<B—M+咒。M则转步骤(6),
否则M中各发电机节点(平衡节点除外)按比例 减少有功发电出力,直至满足

厶。。

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《M一晶一肿一民。一坼<o
(6)计算M的潮流分布,并判断M是否违背 运行约束,若没有违背则算法结束;否则得到过负 荷线路集0L和电压越低限节点集H,。
(7)对于电压越低限的负荷节点,为防止母

评估分析程序,并对RBTs系统(6节点)”l、
IEEE—RTs79系统(24节点)”1进行了计算分析。

对RBTS测试系统进行可靠性评估时系统状态的 抽取采用状态枚举法,其中发电机故障考虑至5 阶,输电线路故障考虑至3阶,组合故障考虑至4 阶,共有5607个系统状态,计算结果见表1。对 RBTs测试系统的可靠性评估按照所采用的负荷 削减模型分为5种情况,其中情况1采用最大流模 型(采用Ford—Fulkcrson标号法实现网络最小割集
的搜索”01);情况2采用线性规划…1模型(采用 Manab的linpmg函数实现);情况‘3采用非线性规

线电压过低而引发电压崩溃,低压减载保护将动 作,故Ⅵ,中的每个负荷节点都将被切除现有负荷的
p%,p%的具体数值可由用户根据工程实际设定。

(8)如果oL,中不存在矾则转步骤(9);否
则计算该引峨的过负荷量△最。.,并在叭的送端部

分按比例减少各发电机节点的有功出力(若趴的
送端部分包含平衡节点,则平衡节点除外),直至

划模型(采用Madab的nnillcon函数实现):情况4 采用HAI.I,ss模型,潮流计算采用直流潮流法;情 况5采用HAI.I,ss模型,潮流计算采用交流潮流法。
表中LoLP(Loss
ofLoad

减少的总出力等于△B。,并判断矾受端部分各
发电机节点的总运行备用Pr是否大于△‰.,若

卑>△匕。则在矾的受端部分按比例增加各发电
机节点的有功出力直至增加的总出力等于△只。;

Probabmty)为失负荷概率,
Energy Not

EDNs(Expec杷d DemaIld Not suppued)为电力不足

若只<△晶。则州受端部分各发电机均满额运行,
并由BM的受端节点构成品,通过品进行潮流追踪
并寻找G,使得

期望,EENs(Expec【ed

sup曲ed)为电

量不足期望。
表1不同负荷削减模型下RBTs的系统年度化指标

最一q>%。一只>只q
在Q中各负荷节点上按比例切除总量为AB。.一£ 的负荷,转步骤(10)。 (9)对DL,中的每条过负荷线路进行分析处 理,设线路d∈0厶,且节点f为线路口的送端节点, 若线路盯是O厶中一条过负荷输电路径上的支路但 不是末端支路,则放弃处理该线路,否则计算该线 路的过负荷量A只,。若节点f及其^上的发电机有 功出力为足。.,并且节点』及其q上存在备用发 电容量P,。,则按比例减少节点f及其‘上各发 电机的出力,使减少的总量为rnln(△B,只。。 只,。.),同时按比例增加节点,及其q上各发电

hb.1

syst哪annuaIized.mdic船ofthe
髓Ns
LOLP

RBTS under

!!堑堡坐!!型!!塑!!些!堂坐!
负荷削EDNs 减模型
1 2 3 4 5 9 6 2 6 慢m m n m n

系统分 面n

耗时


MW/年MwlI,年

6 244 6640 6 7

胤僦僦僦觏蹴



ll篡嚣

9 4

㈣灿|耋粼娜姗

吣∞竹甜舛惦 到引创帖%跎

帅帅∞竹妮”

注:文献[11】采用基于直流潮流的线性规划模颦。

由表1可见,当HAI J.ss模型采用直流潮流法

时,其计算结果与线性规划模型非常接近;采用交流 潮流法时,其I.oIP指标与非线性规划模型基本相 同,这说明HAIJ,ss模型具有较高的计算精度。在 计算时间方面,HAI J ss模型大大少于其它负荷削减 模型(除最大流模型外),说明HAI J,SS模型是一种 有效而实用的算法,能满足工程实际的要求;非线性 规划模型虽然考虑的因素较全面,计算结果也很精 确,但非常耗时,难以在工程实际中得到应用。 上述4种负荷削减模型的丰要区别是输电网络 约束的建模存在差异,例如最大流模型完全忽略支 路电流和节点电压的约束关系,而线性规划模型对 支路有功和节点电压关系作了近似的线性化处理, 这是模型产生误差的主要原因。可以预见,随着系 统峰荷的增加,输电网络在满足节点电压约束的情

机的出力,使增加的总量为mm(蝎,0。"
只,。),转步骤(10);否则由节点J构成晶,通 过品进行潮流追踪并寻找o,使得

只Q>△弓>只一q—I
在G中各负荷节点上按比例切除总量为AP.的负 荷,转步骤(10)。 (10)c=c十1,若f>t一则算法结束,否则 转步骤(5)。 4算例分析


作者采用Matlab6.5编写了发输电系统可靠性

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赵渊等:发输电系统可靠性评估的启发式就近负荷削减模型

vol

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况下将电能从电源点输送到负荷点会越来越困难, 这种模型的误差也会更加明显。为进一步比较这4 种负荷削减模型的精确度,作者将RBTs测试系统 的发电容量和系统峰荷按比例增加,然后计算了情 况1、2、3、5的可靠性指标,如图5所示。
系绩分,mm

法考虑的因素较全面且计算精度较高,可靠性评估
结果也能反映电力系统的实际情况,故这种情况F

的可靠性指标数值大于其它模型的计算结果,但与 文献[12]的结果很接近,说明本算法具有较高的计 算精度。一者的结果之所以存在差异是因为文献【12] 采用蒙特卡洛仿真而本文采用状态枚举法。采用交 流潮流法的HALLss模型与采用直流潮流法的 HAI工ss模型相比计算时间较长,但仍少于文献[11] 中的模型,这证明了HAI.I.ss模型及其算法的有效 性、可行性和正确性。

5结论




】j











】2

发输电系统可靠性评估本质上是一个大规模

发电容量和系统峰荷倍数

发电容量和系统峰荷倍数

组合问题,计算时间很长,因此长期以来一直存在 “陕速”和“精确”的矛盾。大规模发输电系统的 可靠性评估包括两个主要环节:系统状态的故障模 式识别和故障状态下的校正措施,其中校正措施是 一个非常耗时的环节,为缩短可靠性评估的时间, 采用合适的校正措施模型非常必要。本文提出了一 种启发式就近负荷削减模型,并将其与最大流模 型、线性规划模型和非线性规划模型进行了定量的 分析比较。由于启发式就近负荷削减模型避免了在 全系统范围内进行全局优化以求取最优负荷削减 量,并且计算时间基本与系统规模无关,因此具有 较高的计算效率。对RBTs和ⅢEE—RTs79可靠性 测试系统的计算分析表明,该模型不但具有较高的 计算精度,而且计算速度较快,是一种适用于大电 网可靠性评估的有效算法,为发输电系统可靠性评 估的工程实际应用提供了较好的解决方案。

图5作为发电容量和系统峰荷函数的LoLP和系统分指标
Fig.5 The LoLPand

system m.nute jndices as
and system peak



fhncdon

of霉enerati∞capadty

l∞d

由图5可见,随着发电容量和系统峰荷的增加, 各种负荷削减模型下的可靠性指标都呈卜升趋势, 但最大流模型和线性规划模型的上升趋势非常缓 慢,与非线性规划模型相比误差比较明显:而 HALLss模型(采用交流潮流法)与非线性规划模 型基本保持相似的变化趋势,其LOLP指标基本相 同,对于系统分指标,由于HALLss模型并不采用 最优化技术进行负荷削减,因此其指标值高于非线 性规划模型,但二者的变化趋势相似。 作者对IEEE.RTs79系统进行了可靠性评估, 发电机单独故障考虑至4阶,输电线路单独故障及 发输电组合故障考虑至3阶,共得到294561个系 统状态,计算结果见表2。由表2可见,当采用直 流潮流法时,HALLSS模型的计算结果与文献【ll】 非常接近,但计算时间远少于文献flll中的模型。 当HALLss模型采用交流潮流法时,由于交流潮流
表2不同负荷削减模型下IEEE-RTs79的系统年度化指标

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181,j88.

收稿日期:2005蛳.14。
作者简介: 王春娟(1980一).女,硕士研究生,研究方向为城市电网规划: 张伏生(1950-),女,教授,主要从事电力系统分析与控制的教学

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《国家电网报》将于明年1月1日正式创刊
由国家电网公司主管、土办,国家电网报社出版的《国家电网报》将于明年1月1日正式创刊,每周二、 五出版,每期对开8版,全国公开发行(邮发代号:l-338)。欢迎国家电网公司各级企业、广大员工和社会各 界人士踊跃投稿。邮寄地址:北京市东城区后沟胡同乙2号汇置通大厦13楼国家电网报社,邮编:100005。 Bm蚰:gwb—zbs@sgcc.comcn电话:010—63412820,63412825,63412816

万   方数据

发输电系统可靠性评估的启发式就近负荷削减模型
作者: 作者单位: 赵渊, 周家启, 周念成, 谢开贵, 刘洋, 况军, ZHAO Yuan, ZHOU Jia-qi, ZHOU Nian-cheng, XIE Kai-gui, LIU Yang, KUANG Jun 赵渊,周家启,周念成,谢开贵,刘洋,ZHAO Yuan,ZHOU Jia-qi,ZHOU Nian-cheng,XIE Kaigui,LIU Yang(高电压与电工新技术教育部重点实验室(重庆大学),重庆市,沙坪坝区 ,400044), 况军,KUANG Jun(重庆市电力公司,重庆市,渝中区,400014) 电网技术 POWER SYSTEM TECHNOLOGY 2005,29(23) 1次

刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数:

参考文献(12条) 1.赵渊;周家启 发输电组合系统可靠性评估的最优负荷削减模型研究[期刊论文]-电网技术 2004(10) 2.王韶;周家启 基于函数型连接神经网络的发输电系统可靠性评估研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2004(09) 3.王韶;周家启 双回平行输电线路可靠性模型[期刊论文]-中国电机工程学报 2003(09) 4.IEEE Committee IEEE reliability test system 1979(01) 5.Billinton R;Kumar S;Chowdhury N A reliability test system for educational purposes-basic data[外文 期刊] 1989(03) 6.Pinheiro J M S;Dornellas C R R Probing the new IEEE reliability test system (RTS-96):HL-Ⅱ assessment[外文期刊] 1998(01) 7.Billinton R;Li Wenyuan Reliability assessment of electric power systems using Monte Carlo methods 1994 8.李文沅 电力系统安全经济运行--模型和方法 1989 9.Shah S;Shahidehpour S M A heuristic approach to load scheme 1989 10.Shandilya A;Gupta H;Sharma J Method for generation rescheduling and load shedding to alleviate line overloads using local optimization[外文期刊] 1993(05) 11.张宪超;陈国良 小容量网络上的最大流算法[期刊论文]-计算机研究与发展 2001(02) 12.赵渊;周家启;谢开贵 基于网流规划的发输电组合系统可靠性评估模型研究[期刊论文]-电网技术 2003(10)

引证文献(1条) 1.程林.何剑.孙元章 线路实时可靠性模型参数对电网运行可靠性评估的影响[期刊论文]-电网技术 2006(13)

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