CN102593829A - 计及关键支路的输电断面确定方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及关键支路的输电断面确定方法与装置，首先根据网络结构和潮流状态初步确定系统中的输电断面，再在断面输电极限功率分析过程中，识别出影响断面输电能力的关键支路并将其返回作为断面实际监控对象，以实现输电断面的动态调整。采用本方法与装置最终确定的输电断面能够更真实、准确的反映系统安全特征。

Description

计及关键支路的输电断面确定方法与装置

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，特别涉及一种计及关键支路的输电断面的去定方法与装置。

背景技术

随着电力系统规模的不断扩大和运行特性的趋于复杂，对网络中每个元件都进行仔细分析和控制就越来越不现实。因此，国内外一些电力系统运行/调度机构以输电断面作为实际系统分析与监控对象，以实现对大规模电力系统的降维控制。

输电断面一般表示系统中有功潮流方向相同且电气距离较近的一簇输电支路。随着电力市场改革的不断深化和清洁能源如风电和太阳能发电的发展，系统运行的不确定因素性增多、程度也加强。

传统的输电断面发现规则是按照电气距离将边界厂站划入相应分区之内的。若一条支路两边的节点属于同一分区，则该支路属于分区内部支路；若一条支路两端节点分别属于不同的分区，则该支路即为联络支路。仅有联络支路方可能成为断面组成支路。如此确定的断面支路，从电力系统网络拓扑和电气关系上看是比较合理的。然而，对于由电磁环网构成的输电断面，按照该分析方法确定的监控对象和目标与电力系统实际监控需求可能存在一定的偏差。换句话说，传统方法所求得的输电断面与由电磁环网构成的输电断面是不一致的。这是由于电磁环网导致输电能力受限的一个主要原因是高电压支路开断后，潮流向低压支路转移，而低压支路一般容量比较小。在这种情况下，整个断面的输电能力也主要是受到低电压等级支路的约束。要确定如此引起的关键低电压等级支路是相当困难的。

在实际系统运行分析中，一般更为关注的是限制某个方向潮流传输的关键断面。例如，在图1所示系统中，假设潮流方向是从A区流向B区，在不断增加由A区流向B区的潮流过程中，假设首先出现过载的是支路l₂，这样对系统运行人员而言，在l₁～l₄路径上实际应该控制和分析的断面支路是l₂，这样方能保证系统运行的安全性。若选择l₃作为断面组成支路，则系统运行人员的控制对象为支路l₃和l₇，并且以这两条支路上的潮流不越限作为控制目标；而在实际监控中忽略了支路l₂上的潮流，从而就掩盖了支路l₂的过载风险，进而威胁系统的安全运行。

在省级电力系统中，由电磁环网所构成的输电断面中所包括的低电压等级支路往往是制约断面输电能力的关键环节，而由于低电压等级支路众多，潮流不确定性较大，采用人工分析难以适应系统实时运行和分析的需求，而不考虑关键支路影响时所获得的输电断面则存在不能准确反映系统安全特征的风险。

这样，由于上面描述的原因，在输电断面识别过程中，不仅需要对网络连接结构和电气关系进行判别，还需要在断面传输极限分析和控制过程中动态地对断面组成支路进行调整，以保证所确定的断面能够真实、准确地反映系统安全特征。为此，除了需要考虑网络结构和电气结构因素外断面潮流增长模式和具体支路容量也必须纳入考虑范围，而这些因素需要在分析断面极限传输功率的过程中适当确定。这里的网络结构是指不考虑系统电气参数如潮流参数，仅将电力系统作为一个由节点和支路构成的无向图，而最小割集是这个无向图的断面；电气结构则指支路的电气连接关系，可以反映一个断面中的支路是否存在紧密的潮流转移关联。

发明内容

本发明针对上述问题，提出了一种计及关键支路的输电断面确定方法与装置，对组成输电断面的支路进行动态调整。

本发明计及关键支路的输电断面确定方法，包括步骤：

根据网络结构和潮流状态初步确定输电断面；

生成所确定输电断面的输电功率约束集；

生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合；

指定重复潮流算法的迭代步长和收敛精度；

按照所述迭代步长确定增加的负荷总量，按照比例原则调整加功率负荷节点负荷大小和加出力发电机组的出力；

判断是否出现越限，若越限则将所述迭代步长减小一半并返回上一个步骤，若未越限则判断所述迭代步长是否小于所述收敛精度，若是则将所述迭代步长增加一倍并返回上一个步骤，若否则当前输电断面的功率即为极限功率。

优选地，所述步骤生成所确定输电断面的输电功率约束集中，所确定输电断面的约束条件包括：基态运行情况下输电断面支路不过载、N-1情况下输电断面支路不过载和节点电压约束。

优选地，采用直流灵敏度因子法实现所述步骤生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合。

本发明计及关键支路的输电断面确定装置，包括：

断面初步选定模块，用于根据网络结构和潮流状态初步确定输电断面；

约束集生成模块，用于生成所确定输电断面的输电功率约束集；

集合生成模块，用于生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合；

潮流参数设定模块，用于指定重复潮流算法的迭代步长和收敛精度；

负荷与出力调整模块，用于按照所述迭代步长确定增加的负荷总量，按照比例原则调整加功率负荷节点负荷大小和加出力发电机组的出力；

极限功率确定模块，用于判断是否出现越限，若越限则将所述迭代步长减小一半并触发负荷与出力调整模块，若未越限则判断所述迭代步长是否小于所述收敛精度，若是则将所述迭代步长增加一倍并触发负荷与出力调整模块，若否则当前输电断面的功率即为极限功率。

优选地，所述约束集生成模块采用的约束条件包括：基态运行情况下输电断面支路不过载、N-1情况下输电断面支路不过载和节点电压约束。

优选地，所述集合生成模块还用于采用直流灵敏度因子法来生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合。

本发明计及关键支路的输电断面确定方法与装置，首先根据网络结构和潮流状态初步确定系统中输电断面，再在断面输电极限功率分析过程中，识别出影响断面输电能力的关键支路并将其返回作为断面实际监控对象，以实现输电断面的动态调整。采用本方法与装置最终确定的输电断面能够更真实、准确的反映系统安全特征。

附图说明

图1是包含两个分区的电力系统示意图；

图2是本发明计及关键支路的输电断面确定方法的流程示意图；

图3是某输电断面示意图；

图4是某省电力系统子区域向负荷中心送电的输电断面示意图；

图5是某省电力系统一个子区域向另一个子区域送电的输电断面示意图；

图6是本发明计及关键支路的输电断面确定装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明将关键支路识别引入到输电断面的自动发现之中，有助于为调度人员提供能够准确反映系统安全特征的监控对象和目标。下面结合附图与实施例详细解释本发明。

本发明计及关键支路的输电断面确定方法，如图2所示，包括步骤：

步骤1、根据网络结构和潮流状态初步确定输电断面；

步骤2、生成所确定输电断面的输电功率约束集；

步骤3、生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合；

步骤4、指定重复潮流算法的迭代步长和收敛精度；

步骤5、按照所述迭代步长确定增加的负荷总量，按照比例原则调整加功率负荷节点负荷大小和加出力发电机组的出力；

步骤6、判断是否出现越限，若越限则将所述迭代步长减小一半并返回步骤5，若未越限则进入步骤7；

步骤7、判断所述迭代步长是否小于所述收敛精度，若是则将所述迭代步长增加一倍并返回步骤5，若否则进入步骤8；

步骤8、将当前输电断面的功率作为极限功率。

对于步骤1，在不考虑输电支路安全裕度的情况下，输电断面搜索流程可概括如下：

1)读入电力系统网络拓扑数据，将其表示为图G(V，E)。为了提高断面搜索效率，可通过厂站分区信息建立以分区为单位的拓扑模型。

2)通过遍历方式确定网络中最小割集集合Γ₀。

3)读入实时潮流数据，逐一检验Γ₀中每个割集是否满足潮流方向一致性约束和断面支路电气联系约束。需要指出，对于由电磁环网构成的断面，在低电压等级支路中不考虑潮流方向约束和电气联系约束。

下面对两种约束进行说明：

潮流方向一致性约束

统计割集断面两个方向上的有功功率值，假设分别为P_→和P_←，令P_a＝min{P_→，P_←}，P_b＝max{P_→，P_←}，若

(ε为预先给定的阈值，这里给定取值范围为[0，0.15])，则判定满足潮流一致性约束，并将P_b方向作为该断面潮流方向；进一步进行电气联系约束检验；否则，判定不满足潮流一致性约束，该割集断面不作为输电断面。

需要指出，这里没有通过直接判断潮流方向来判断是否满足潮流一致性约束主要是基于下述考虑：在实际运行中同一个输电断面中可能存在两条支路潮流方向相反的情况，其中一条支路的潮流可能很轻，但这两条支路间的电气联系很紧密。重载的那条支路一旦开断，轻载的另一条支路方向的潮流会大大增加，这样就存在反向过载的风险。在实际运行中，也需要对这种断面进行监控。如在某些运行方式下，广东电力系统的惠蓄电厂出线就存在这种情况：惠博线和惠东线双回线路在正常运行情况下，惠蓄电厂出力一般向东莞站送电，但一旦惠东线一回开断，则惠蓄的出力将向惠东线另一回和惠博线转移，这会导致惠博线反向潮流增大。若基态情况下与指定断面潮流方向不同的支路输电功率越轻，则向该支路转移反向潮流最大的预想事故发生后导致的反向潮流过载风险越高(如果在基态情况下反向有功功率是Pa，某个预想事故实际发生后向该支路转移的有功功率大小为Pb，则该支路的实际有功功率为Pa-Pb。因此，Pa越小反向过载风险就越高)，所以这里设定的阈值范围为[0，0.15]。如果不是上述情况，而确实是因为断面支路潮流不相关，那么在后面的电气联系约束检验中也能将这种情况排除掉。

由于上述原因，在进行潮流方向判别的时候并不对潮流一致性做严格的约束，以防止遗漏一些关键断面。

电气联系约束

对满足潮流方向一致性约束的断面做进一步的电气联系约束校验。具体地，选中割集断面中潮流最重支路l_k，将其作为开断支路，计算该支路与断面其它支路l_i(i≠≠k)间的开断因子D_i，k，若

(

为预先给定的阈值，在本文后面的算例中取其为0.2)，则判定满足电气联系约束；否则，就判定为不满足电气联系约束。

4)把Γ₀中满足校验条件的断面作为输电断面，存入输电断面集合Γ_s中。

通过上述方法发现的输电断面存在前述的问题。为了给电力调度机构提供可靠的控制分析对象，就需要对Γ_s中包括的断面组成支路作进一步调整。而要做这些调整就需要根据在断面极限传输功率分析中得到的具体支路的潮流增长情况以及支路容量来确定。

下面进行断面输电极限功率的计算。

断面输电极限计算问题在本质上是对于给定的运行方式及负荷增长模式求取一临界点，在该临界点恰好有一约束起作用；当输电功率以微小增长越过该临界点时将有越限发生，则该临界点就对应着输电断面输电极限。常用的断面输电极限计算方法包括最优潮流、连续潮流和重复潮流法。为了能够为调度人员快速提供可信的监控对象，这里利用重复潮流法求解断面输电极限功率。基本思路是：首先增大断面受端地区的负荷功率，并根据一定的调度策略相应增大断面送电地区机组出力，重复此过程直到某一约束被破坏为止。此时，断面支路传输的有功功率之和即为断面输电极限功率。

下面详述步骤2断面输电功率约束集的生成

断面输电极限功率计算中的约束条件为断面支路在基态运行情况和N-1预想事故情况下均不过载。

1)基态运行情况断面支路不过载

${|P}_{l_i}^0|\≤c_{l_i}^0\×P_{l_i}^{\max }$

式中：

是无预想事故情况下断面支路l_i的有功功率；

是该支路的额定有功功率；

是基态方式下设备容量控制系数，一般取值范围为[0.8，0.9]。

2)N-1情况下断面支路不过载

${|P}_{l_i}^s|\≤c_{l_i}^s\×P_{l_i}^{\max }s\∈\mathrm{\φ}$

式中：

是第s个N-1预想事故情况下断面支路l_i的有功功率；φ是断面支路N-1预想事故集合；

是预想事故情况下设备容量控制系数，一般取值范围为[1.3，1.6]。

3)节点电压约束

$V_k^{\min }\≤V_k\≤V_k^{\max }k=\mathrm{1,2},...,N$

式中：N是约束支路相关节点数目；V_k是其中第k个节点的电压幅值。

前已述及，未考虑关键支路时所选择的输电断面未必合理，不能准确反映系统运行分析中需要监测和控制的关键安全特征，因此不能仅通过当前的断面支路作为断面功率传输约束支路。为了确保系统运行的安全性，这里首先将初始断面支路同路径上的支路均作为约束支路，最后通过实际计算中的越限情况返回最终的控制支路。下面以图3所示的断面为例说明约束支路的生成方法。

图3所示断面是一个典型的电磁环网。假设不考虑关键支路情况下确定的断面支路为l_A-D和l_B-C。一般而言，500kV输电支路不需再做调整，而支路l_BC所在的500kV变电站A和500kV变电站D路径上所有支路都有可能是制约分区1与分区2功率传输的关键支路，所以该断面的约束支路集合应为{l_A-D，l_A-B，l_B-C，l_C-D}

下面详述步骤3断面送电机组集合和受电负荷站点集合的生成

省级电力系统中包括的发电机组和负荷站点数目较多，同时调整这些发电机组和负荷节点的注入功率计算量大也不合理。为此，可以首先确定与断面支路相关的送端送电机组集合和受端功率增加的负荷节点集合。现有的处理这一问题的常用方法主要包括潮流追踪和灵敏度因子法两类。由于潮流追踪需要根据潮流变化更新机组和负荷集合，计算速度较慢。而基于直流潮流模型的灵敏度因子方法的计算速度则很快。因此，这里采用直流灵敏度因子法生成断面送电机组集合G⁺和受电负荷站点集合L⁺。具体生成过程如下：

1)读取指定断面送端地区的发电机组信息，生成初始加出力机组集合

2)计算

中各台机组对断面输电功率约束支路间的输出功率转移分布因子若(T^min是给定的发电机输出功率转移因子最小值，其取值应大于零；在本文后面的算例中取其为0.25)，则将该机组存入集合G⁺中。

3)读取断面受端地区的负荷站点信息，生成初始加功率负荷站点集合

4)计算各负荷站点对断面输电功率约束支路的输出功率转移因子

若

(T^max为给定的阈值，其为小于零的数；在本文后面的算例中取其为-0.25)，则将该机组存入集合L⁺中。

以我国某省电力系统某高峰负荷时期为例对本发明的方法进行验证。该省是其所在区域电力系统主要的受端系统，包括186台机组，1089条输电线路和520台变压器。该系统可划分为21个子区域，即S1～S21，供电负荷总量高达67000MW以上。

通过步骤1搜索到输电断面13个，其中10个是电磁环网结构。采用前文所述方法进行分析，发现有6个电磁环网断面实际监控支路需要调整。下面分别以一个电磁环网断面支路识别和同电压等级断面分析控制为例对本发明所发展的方法做详细说明。

电磁环网断面

以子区域S2向负荷中心送电的输电断面为例。该断面为电磁环网结构，其基本情况如图4所示，相关支路控制参数如表1所示。

表1

当不考虑输电线路的安全裕度时，通过割集搜索和断面组成约束判定后得出的送电断面支路集合为{l_D2-D1，l_D3-D1，l_D-H，l_E-H}。

为了说明所提方法的优点，采用本文方法(下称“方法1”)和直接搜索得到的断面支路作为控制对象来计算断面极限功率的方法(下称“方法2”)分别分析该断面方向上的控制对象和极限值。采用这两种方法得到的相关支路潮流情况如表2所示。

表2

由表2中列出的结果可知，采用方法1时，支路l_A-H首先出现过载，因此将支路集合{l_D2-D1，l_D3-D1，l_A-H}作为断面控制对象，相应的控制值为支路l_D2-D1和l_D3-D1的有功功率之和不大于2977MW。

采用方法2时，直接将{l_D2-D1，l_D3-D1，l_D-H，l_E-H}作为断面监控对象，仅考虑断面支路约束，达到临界点时支路l_D2-D1和l_D3-D1的有功功率之和的控制极限值为3366MW，较采用方法1时得到的控制值大11.6％。此时，支路l_A-H的基态潮流为425.6MW，在所计及的N-1预想事故情况下该支路潮流最大的情形为600.5MW，已不满足安全约束。

因此，在输电断面识别中，若不计及关键支路，而直接以支路集合{l_D2-D1，l_D3-D1，l_D-H，l_E-H}作为分析和监控断面，将无法准确衡量系统的安全水平，这可能会导致调度人员的控制决策出现偏差，进而引发系统安全问题。

同电压等级断面

以地区S₅和S₆的送电断面为例，其由同电压等级(500kV)输电线路构成，如图5所示。该断面控制支路参数如表3所示，临界点处相关支路潮流情况如表4所示。

表3

表4

本发明计及关键支路的输电断面确定装置是与上述方法对应的装置，如图6所示，其包括：

本发明计及关键支路的输电断面确定装置，包括：

断面初步选定模块，用于根据网络结构和潮流状态初步确定输电断面；

约束集生成模块，用于生成所确定输电断面的输电功率约束集；

集合生成模块，用于生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合；

潮流参数设定模块，用于指定重复潮流算法的迭代步长和收敛精度；

负荷与出力调整模块，用于按照所述迭代步长确定增加的负荷总量，按照比例原则调整加功率负荷节点负荷大小和加出力发电机组的出力；

极限功率确定模块，用于判断是否出现越限，若越限则将所述迭代步长减小一半并触发负荷与出力调整模块，若未越限则判断所述迭代步长是否小于所述收敛精度，若是则将所述迭代步长增加一倍并触发负荷与出力调整模块，若否则当前输电断面的功率即为极限功率。

作为一个优选的实施例，所述约束集生成模块采用的约束条件包括：基态运行情况下输电断面支路不过载、N-1情况下输电断面支路不过载和节点电压约束。

作为一个优选的实施例，所述集合生成模块还用于采用直流灵敏度因子法来生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合。

各模块的详细工作过程与本发明计及关键支路的输电断面确定方法中相应的步骤相同，在此不予赘述。

将本发明计及关键支路的输电断面确定方法与装置结合使用，即可实现本发明动态调整输电断面的目的。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种计及关键支路的输电断面确定方法，其特征在于，包括步骤：

根据网络结构和潮流状态初步确定输电断面；

生成所确定输电断面的输电功率约束集；

生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合；

指定重复潮流算法的迭代步长和收敛精度；

按照所述迭代步长确定增加的负荷总量，按照比例原则调整加功率负荷节点负荷大小和加出力发电机组的出力；

判断是否出现越限，若越限则将所述迭代步长减小一半并返回上一个步骤，若未越限则判断所述迭代步长是否小于所述收敛精度，若是则将所述迭代步长增加一倍并返回上一个步骤，若否则当前输电断面的功率即为极限功率。

2.根据权利要求1所述的计及关键支路的输电断面确定方法，其特征在于，所述步骤生成所确定输电断面的输电功率约束集中，所确定输电断面的约束条件包括：基态运行情况下输电断面支路不过载、N-1情况下输电断面支路不过载和节点电压约束。

3.根据权利要求1或2所述的计及关键支路的输电断面确定方法，其特征在于，采用直流灵敏度因子法实现所述步骤生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合。

4.一种计及关键支路的输电断面确定装置，其特征在于，包括：

断面初步选定模块，用于根据网络结构和潮流状态初步确定输电断面；

约束集生成模块，用于生成所确定输电断面的输电功率约束集；

集合生成模块，用于生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合；

潮流参数设定模块，用于指定重复潮流算法的迭代步长和收敛精度；

负荷与出力调整模块，用于按照所述迭代步长确定增加的负荷总量，按照比例原则调整加功率负荷节点负荷大小和加出力发电机组的出力；

极限功率确定模块，用于判断是否出现越限，若越限则将所述迭代步长减小一半并触发负荷与出力调整模块，若未越限则判断所述迭代步长是否小于所述收敛精度，若是则将所述迭代步长增加一倍并触发负荷与出力调整模块，若否则当前输电断面的功率即为极限功率。

5.根据权利要求4所述的计及关键支路的输电断面确定装置，其特征在于，所述约束集生成模块采用的约束条件包括：基态运行情况下输电断面支路不过载、N-1情况下输电断面支路不过载和节点电压约束。

6.根据权利要求4或5所述的计及关键支路的输电断面确定装置，其特征在于，所述集合生成模块还用于采用直流灵敏度因子法来生成所确定输电断面的送机组集合和受电负荷站点集合。

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