CN101694940A - 一种考虑暂态安全约束的最优潮流实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统安全经济运行领域，提出了一种考虑暂态安全稳定约束的最优潮流(OTS)实现方法。该方法基于安全稳定量化分析与优化决策理论和方法-扩展等面积准则(EEAC)，将系统的暂态安全性纳入到传统最优潮流(OPF)模型中，统一协调考虑系统运行的安全性与经济性，为电力系统安全经济运行提供决策支持。该方法根据EEAC所揭示的暂态稳定控制机理，将OTS问题分解成OPF和预防控制两个子问题，基于安全稳定模式的预防控制在OPF运行点上求取满足暂态安全稳定约束的优化经济调整方案，并作为附加约束条件引入到OPF计算模型中进一步求解OPF，如此交替迭代求解两个子问题即可得到OTS的解。

Description

一种考虑暂态安全约束的最优潮流实现方法

技术领域

本发明属于电力系统安全经济运行领域，根据EEAC揭示的暂态稳定机理将暂态安全稳定约束加入到传统最优潮流中，使系统的经济性和暂态安全性能纳入到同一框架分析，实现考虑暂态安全约束最优潮流计算，为电力系统安全经济运行提供决策支持。

背景技术

研究与实现统筹大电网安全及经济运行的智能调度控制，是当前和未来较长时期内中国电网建设发展的重大需求。国际上尚未出现能满足我国需求的成熟的技术支持系统。因此，必须立足于自主研发，深入研究满足电网安全约束下的经济运行技术，从而实现大电网的安全运行和可再生能源的高效利用，实现节能减排，构建稳定、经济、清洁、安全的现代能源供应体系，保障资源节约型、环境友好型和谐社会的建设。

作为解决该问题的强大工具，最优潮流(OPF-optimal power flow)得到了广泛的应用和研究。考虑暂态安全稳定约束条件的最优潮流(OTS-OPF withtransient stability constraints)将系统的运行经济性以及动态安全性纳入到统一框架中分析，克服了传统的最优潮流不能考虑暂态安全稳定性约束的缺陷，成为支撑大规模电力系统安全经济运行的核心技术。

OTS实际上是一种包含微分代数方程的函数空间中的非线性优化问题，其求解难点在于如何处理暂态安全稳定约束。目前的主要方法包括微分方程差分法和基于能量函数的方法，前者必然导致约束规模的维数灾问题，不能满足实际系统需求；后者不是严格的暂态安全稳定量化分析方法，不具有对实际系统的普遍适应性。由于这些算法均引入了光滑性假设，无法适应暂态稳定的极不光滑的逻辑-差分-微分-代数方程模型。电力系统暂态安全性包括暂态功角稳定性和暂态电压/频率安全性，而目前的方法大多只是考虑暂态功角稳定约束，并没有考虑暂态电压/频率安全约束。为了解决大规模电力系统的满足暂态功角稳定性和暂态电压/频率安全性的最优潮流问题，急需提出新的考虑暂态安全约束的最优潮流实现方法。

发明内容：

本发明提出了考虑暂态安全约束的最优潮流实现方法，其目的在于：根据扩展等面积准则EEAC揭示的暂态稳定机理将暂态功角稳定约束和暂态电压/频率安全约束加入到最优潮流中，统一协调考虑系统运行的安全性与经济性，实现考虑暂态安全约束的最优潮流计算，为电力系统安全经济运行提供决策支持。基于扩展等面积准则EEAC，利用安全稳定模式分析的结果，可以提供实施预防控制的调整方向，并通过暂态安全稳定预防控制搜索计算给出其控制量。本算法将OTS问题分解成OPF和预防控制两个子问题，预防控制在OPF运行点上求取满足暂态安全稳定约束的优化经济调整方案，并作为附加约束条件引入到OPF计算模型中进一步求解OPF，如此交替迭代求解两个子问题即可得到OTS的解。

具体地说，本发明是采取以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1)进行常规OPF问题的求解，即含静态安全约束的最优潮流计算，将计算结果作为求解OTS问题的初值。同时计算出机组i的出力调整对目标函数的灵敏度；

2)针对预想事故集进行暂态安全稳定评估。通过安全稳定量化分析算法EEAC对暂态稳定时域仿真结果进行数据挖掘，求取系统在各故障场景下暂态安全稳定的模式和安全裕度(包括暂态功角、电压和频率安全稳定性)。如果所有预想故障下系统都是暂态安全的，则OPF的解在暂态安全稳定域内，不需要进行预防控制，OPF的解就是OTS的解，计算结束；如果存在预想故障场景使得系统暂态不安全，则继续步骤3)进行预防控制；

3)预防控制。

对引起暂态不安全的预想故障，首先利用EEAC分群算法剔除对不同的失稳模式或不同的不安全模式的控制效果互斥的机组，形成有效控制机组集。

对属于同一模式的故障，取其中安全稳定裕度最低者作为限制性故障。

计算出发电机组i的出力调整性能代价指标SEi。SEi为发电机组i在限制性故障对应的暂态失稳模式或暂态不安全模式中的参与因子与OPF计算出的机组i出力调整对目标函数灵敏度的乘积。机组在某一模式中的参与因子越大，调整其出力对该模式的控制效果越明显。机组的出力调整代价灵敏度越大，调整其出力越经济。

按SEi由大到小对有效控制机组进行排序，然后按照机组排序结果，进行预防控制搜索计算。通过SEi，将安全性和经济性同时纳入到了预防控制过程中。

在预防控制搜索计算过程中，可以设定机组出力调整门槛值，一旦机组出力调整大于门槛值，则需重新计算机组出力调整对OPF目标函数的灵敏度，并更新SEi。

最终形成使所有预想故障下的系统安全稳定裕度都满足要求且控制代价优化的调整方案，得到控制机组及其出力调整量。

4)根据预防控制结果，在OPF计算模型中增补步骤3)计算出的控制机组的出力约束。

对暂态功角失稳的故障，将领前群控制机组的出力减去其出力调整量，作为这些控制机组出力新的上限值。

对暂态电压不安全的故障，如果预防控制措施为无功调整，则在OPF运行点的基础上，用控制机组的无功调整量计算机组无功出力的新限值；如果预防控制措施为有功调整，则在OPF运行点的基础上，用控制机组的有功调整量计算机组有功出力的新限值。

对暂态频率不安全的故障，在OPF运行点的基础上，用控制机组的有功调整量计算机组有功出力的新限值。

没有参与调整的领前群机组将其出力上限值固定在原OPF运行点。领前群机组的总调整量由OPF分配给余下群。

执行步骤1)。

本发明的优点和有益效果如下：

1)本发明通过OPF和预防控制两个子问题的“相互解耦，交互迭代”来求解OTS问题，解决了大规模电力系统的安全经济运行优化难题，有益于推动智能电网调度技术的科技进步和实用化。

2)本发明基于安全稳定量化分析与优化决策理论和方法，可以同时满足多个预想故障下暂态功角、电压、频率安全稳定性的约束，有益于在满足电力系统经济运行要求的同时，严格确保运行的安全性。

3)本发明通过选择预防控制搜索计算的步长大小，可以在计算结果的全局最优性和计算量之间取得有效平衡，有益于算法的实用化。

4)本发明属于电力系统安全约束下经济运行优化领域的核心技术，同样适用于智能电网规划、节能环保优化调度、电力市场安全经济校核等。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图1，对本发明方法进行详细描述。

图1中步骤1描述的是常规OPF问题的求解，采用内点法对含静态安全约束的初始运行方式进行最优潮流计算，将其解作为OTS运行初值；

图1中步骤2描述的是基于时域仿真计算和安全稳定量化分析的针对预想故障集的暂态安全稳定量化评估，通过暂态安全量化分析算法对暂态稳定仿真结果进行数据挖掘，求取系统在各故障场景下的暂态安全稳定模式和安全裕度(包括暂态功角、电压和频率安全稳定性)，并计算发电机在暂态失稳模式或暂态不安全模式中的参与因子；

图1中步骤3描述的是最优解判断。根据暂态安全评估结果，如果所有预想事故下系统的暂态安全稳定裕度都大于零，则OPF的解在暂态安全域内，不需要进行预防控制，OPF的解就是OTS的解，输出最优解；如果存在使系统暂态安全稳定裕度小于零的预想故障，则进行限制故障识别；

图1中步骤4描述的是有效控制机组集和限制性故障筛选。首先利用EEAC分群算法剔除对不同的失稳模式或不同的不安全模式的控制效果互斥的机组，形成有效控制机组集。对属于同一模式的故障，取其中安全稳定裕度最低者作为限制性故障进行预防控制；

图1中步骤5描述的是增减出力机组调整序列的形成。计算出发电机组i的出力调整性能代价指标SEi，SEi为发电机组i在限制性故障对应的暂态失稳模式或暂态不安全模式中的参与因子与OPF计算出的机组i出力调整对目标函数灵敏度的乘积。按SEi由大到小对有效控制机组进行排序。

图1中步骤6描述的是预防控制措施计算。按照机组排序结果，进行预防控制搜索计算，最终形成使所有预想故障下的系统安全稳定裕度都满足要求且控制代价优化的调整方案，得到控制机组及其出力调整量。

图1中步骤7描述的是修改调整机组出力约束。对暂态功角失稳的故障，将领前群控制机组的出力减去其出力调整量，作为这些控制机组出力新的上限值。对暂态电压不安全的故障，如果预防控制措施为无功调整，则在OPF运行点的基础上，用控制机组的无功调整量计算机组无功出力的新限值；如果预防控制措施为有功调整，则在OPF运行点的基础上，用控制机组的有功调整量计算机组有功出力的新限值。对暂态频率不安全的故障，在OPF运行点的基础上，用控制机组的有功调整量计算机组有功出力的新限值。没有参与调整的领前群机组将其出力上限值固定在原OPF运行点。领前群机组的总调整量由OPF分配给余下群。执行步骤1)。

总之，本发明通过OPF和预防控制两个子问题的“相互解耦，交互迭代”来求解OTS问题，解决了大规模电力系统的安全经济运行优化难题；基于安全稳定量化分析与优化决策理论和方法，可以同时满足多个预想故障下暂态功角、电压、频率安全稳定性的约束，有益于在满足电力系统经济运行要求的同时，严格确保运行的安全性。本发明同时也适用于采用电网节点有功或无功注入量调整的其他控制措施的安全经济优化计算。

Claims (7)

1.一种考虑暂态安全稳定约束的最优潮流实现方法，包括以下步骤：

1)进行常规OPF问题的求解，即含静态安全约束的最优潮流计算，将计算结果作为求解OTS问题的初值。同时计算出机组i的出力调整对目标函数的灵敏度；

2)针对预想事故集进行暂态安全稳定评估，通过安全稳定量化分析算法EEAC对暂态稳定时域仿真结果进行数据挖掘，求取系统在各故障场景下暂态安全稳定的模式和安全裕度，如果所有预想故障下系统都是暂态安全的，则OPF的解在暂态安全稳定域内，不需要进行预防控制，OPF的解就是OTS的解，计算结束，如果存在预想故障场景使得系统暂态不安全，则继续步骤3)进行预防控制；

3)预防控制，对引起暂态不安全的预想故障，首先利用EEAC分群算法剔除对不同的失稳模式或不同的不安全模式的控制效果互斥的机组，形成有效控制机组集，对属于同一模式的故障，取其中安全稳定裕度最低者作为限制性故障，再计算出发电机组i的出力调整性能代价指标SEi，按SEi由大到小对有效控制机组进行排序，然后按照机组排序结果，进行预防控制搜索计算，最终形成使所有预想故障下的系统安全稳定裕度都满足要求且控制代价优化的调整方案，得到控制机组及其出力调整量；

4)根据预防控制结果，在OPF计算模型中增补步骤3)计算出的控制机组的出力约束，对暂态功角失稳的故障，将领前群控制机组的出力减去其出力调整量，作为这些控制机组出力新的上限值。对暂态电压不安全的故障，如果预防控制措施为无功调整，则在OPF运行点的基础上，用控制机组的无功调整量计算机组无功出力的新限值，如果预防控制措施为有功调整，则在OPF运行点的基础上，用控制机组的有功调整量计算机组有功出力的新限值，对暂态频率不安全的故障，在OPF运行点的基础上，用控制机组的有功调整量计算机组有功出力的新限值，没有参与调整的领前群机组将其出力上限值固定在原OPF运行点，领前群机组的总调整量由OPF分配给余下群，执行步骤1)。

2.根据权利要求1所述的一种考虑暂态安全稳定约束的最优潮流实现方法，其特征在于，将OTS问题分解成OPF和基于安全稳定模式的预防控制两个子问题的交替迭代求解。

3.根据权利要求1所述的一种考虑暂态安全稳定约束的最优潮流实现方法，其特征在于，OTS的计算结果能够同时满足暂态功角、电压和频率安全稳定的要求。

4.根据权利要求1所述的一种考虑暂态安全稳定约束的最优潮流实现方法，其特征在于，OTS计算可以采用基于任务或算例分解的分布式并行计算技术来实现。

5.根据权利要求1所述的一种考虑暂态安全稳定约束的最优潮流实现方法，其特征在于，所述步骤3)中的发电机组i的出力调整性能代价指标SEi为发电机组i在限制性故障对应的暂态失稳模式或暂态不安全模式中的参与因子与OPF计算出的机组i出力调整对目标函数灵敏度的乘积。

6.根据权利要求1所述的一种考虑暂态安全稳定约束的最优潮流实现方法，其特征在于，所述步骤3)中如机组出力调整大于门槛值，则重新计算机组出力调整对OPF目标函数的灵敏度，并更新SEi。

7.根据权利要求1所述的一种考虑暂态安全稳定约束的最优潮流实现方法，其特征在于，所述步骤3)和4)中关于发电机组出力调整的计算方法也适用于能够进行电网节点有功或无功注入量调整的其他控制措施的计算。