CN103107544B - 一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其步骤为：正常运行，EMS系统对实际电网进行实时监控并按预先设定的时间间隔定期采集系统当前运行参数信息，将电网参数提供给紧急控制系统；根据系统当前运行参数进行状态估计，得到当前的运行方式参数，包括各状态变量的值，判断运行参数是否有刷新，如果有刷新则生成紧急控制系统控制策略表；实时检测系统是否发生扰动和故障，若未发生则系统继续正常运行，返回第一步；若发生故障则判断扰动和故障类型，继续执行下一步；在控制策略表中寻找匹配的控制策略；执行紧急控制策略，并实时检测系统运行状态；在系统经过渡过程回到稳定运行时，本次紧急控制结束返回第一步。本发明能在海上油气田生产和电网控制领域中广泛应用。

Description

一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法

技术领域

本发明涉及一种电网紧急控制在线决策方法，特别是关于一种用于海上油气田生产和电网控制领域中的海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法。

背景技术

海上油田群电网是一个分散在海洋上，由分布式发电、平台变电站/负荷、海缆等构成的独立微网系统，是海洋油气开采的重要基础设施，其安全稳定性对于保障海上油气生产可靠性和效率具有重要的作用。紧急控制是指系统受到扰动而进入紧急或极端紧急状态时，用于防止系统稳定性破坏或向更加恶劣的情况发展、避免造成严重停电事故的一系列控制措施，是保证系统安全稳定的重要环节。而紧急控制的预决策是指在扰动或故障发生前，制定好应对各种可能扰动或故障的控制方案，即决策表，以备在检测到实际扰动或故障时，通过对比决策表，快速实施控制措施，保证电网安全稳定性。

海上油田群电网是以燃气轮机发电机为主力发电设备的电力系统。由于燃气轮机组的快速调节特性，当系统负荷发生变化后，机组可以迅速调节出力，以满足发电与负荷的平衡。因此，海上油田群电网的紧急控制系统主要考虑发生扰动或故障后系统的负荷与发电功率的平衡，而将暂态、电压等动态稳定性的影响隐含于一定的稳定裕度中，这样一来，主要的紧急控制手段即为快速切负荷，又称为“优先脱扣”。由此，海上油田群电网紧急控制在线预决策的核心问题转化为：如何在考虑系统安全和潮流的约束下制定优化的切负荷策略，即与各种扰动/故障对应的切负荷地点和大小的优化设计问题。

目前能量管理系统（简称EMS，Energy Management System）采用基于电网热备（旋转备用）的优先脱扣（海上油田作业的专业术语，即紧急减负荷）系统。该系统主要考虑总发电功率和总负荷之间的平衡，采用离线决策的方式，在不同的拓扑和工况下，考虑了电网内所有的可卸载对象，根据不同的故障，触发相应的卸载范围，以此保证了某个设备发生故障时电网的稳定性。由于需离线将所有紧急控制策略CASE罗列出来，才可能在系统发生故障后做出正确判断，因此带来了策略表数据规模大、存在失配情况等缺点，而且随着电网复杂程度的增加，建立所有的CASE以满足系统安全稳定性的要求将变得越来越困难。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其能有效减小策略表的规模，减少计算量，同时降低失配的情况，并能加强控制过程中系统的安全性。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其包括以下步骤：1）系统正常运行，EMS系统对实际电网进行实时监控并按预先设定的时间间隔定期采集系统当前运行参数信息，将电网参数提供给紧急控制系统；2）根据系统当前运行参数进行状态估计，得到当前的运行方式参数，包括各状态变量的值，判断运行参数是否有刷新，如果有刷新则生成紧急控制系统控制策略表；紧急控制系统控制策略表生成方法如下：（1）建立紧急控制在线预决策的数学模型：

$\min \underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{M}_i$

$s.t.\left\{\begin{array}{cc}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }-\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Di}}-{\mathrm{\ϵ}}_P\≥0& \\ P_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ (G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2& i=1,...,N_L\\ V_{i\min }^2\≤e_i^2+f_i^2\≤V_{i\max }^2& i=1,...,N_D\\ u_i\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}& i=1,...,N_m\end{array}\right.;;$

其中，u_i为采取的第i个措施；ω_Ci为采取措施i所需付出的代价；N_m为决策量的维数，P_gimax表示发电机i的最大有功出力，ε_P表示修正值；N_Gon表示故障后在线的发电机机组数；N_D表示系统的节点数；P_Gi为节点i注入的发电有功功率；P_Di为节点i的负载有功功率；Q_Gi为节点i注入的发电无功功率；Q_Di为节点i的负载无功功率；G_ij为节点i和节点j间的互电导；B_ij为节点i和节点j间的互电纳；V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限；N_L为系统支路数；S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值，e_i和f_i分别表示状态变量在节点i的横分量和纵分量；（2）将步骤（1）中的数学模型进行分解简化，其步骤如下：第一步、判断当前负荷下，系统能否稳定；当系统发生故障后，判断在不切除负荷的情况下，是否满足以下约束条件：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ (G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2& i=1,...,N_L\\ V_{i\min }^2\≤e_i^2+f_i^2\≤V_{i\max }^2& i=1,...,N_D\end{array}\right.,$

若该约束方程有解，则系统能达到稳定；若该约束方程无解，则进入下一步；第二步、计算系统需要切除的负荷量的限制条件，求得所需切负荷量的约束条件为：

$P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }+{\mathrm{\ϵ}}_P\≤{\mathrm{\ΔP}}_D\≤P_{\mathrm{\Σ}D\max },$

式中，P_ΣLoad代表在切负荷措施前系统的总有功负荷，ΔP_D表示所需切掉的负荷量；P_gimax表示发电机i的最大有功出力；P_ΣDmax为可切负荷的总量；第三步、通过上一步得出的切负荷量的限制，在可切负荷的范围内，寻找满足切负荷量限制的组合，即求解以下模型：

$\min \underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{u}_i$

$s.t.P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}+{\mathrm{\ϵ}}_P\≤{\mathrm{\ΔP}}_D\≤P_{\mathrm{\Σ}D\max },$

式中，u_i为采取的第i个措施；由此得到满足切负荷量约束的最小代价的切负荷组合，该组合是一种或多种；若最终求出一种或多种组合，则置负荷表的标识flag＝1，若无切除任何满足切负荷量约束条件的切负荷组合，则置负荷表的标识flag＝0；第四步、对第三步求得的结果进行判断，若flag＝0，则表示不存在使系统恢复稳定的可切负荷组合，需要输出报警信息；若flag＝1，则继续进行计算，搜索最优控制策略；并重新返回第三步，将模型变为：

$\min \underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{u}_i$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_{D\max }+P_{D\min }\≤{\mathrm{\ΔP}}_D\≤P_{\mathrm{\Σ}D\max }\\ u_i\∈\{0,1\},i=1,...,N_m\end{array}\right.,$

继续寻找可能的切负荷组合表；P_Dmin为可切负荷的最小值；ΔP_Dmax为所有被切负荷组合的最大值；（3）由最优控制策略生成紧急控制在线预决策策略表：若收到了参数刷新的信号，则应该生成新的策略表，若未收到参数刷新的信号，则策略表保持不变；3）实时检测系统是否发生扰动和故障，若未发生则系统继续正常运行，返回步骤1）；若发生故障则判断扰动和故障类型，继续执行下一步；4）在控制策略表中寻找匹配的控制策略；5）执行紧急控制策略，并实时检测系统运行状态；6）在系统经过渡过程回到稳定运行时，本次紧急控制结束，返回步骤1）。

所述步骤2）步骤（1）中，所述数学模型的建模方法如下：①在紧急控制中，寻找每个故障对应的最优控制策略是一个非线性最优化问题，最优控制策略的求解是一个多约束的非线性最优化问题，其数学模型为：

minf(u)

$s.t.\left\{\begin{array}{c}h(u,x)=0\\ g(u,x)\≤0\\ \underset{\‾}{u}\≤u\≤\stackrel{\‾}{u}\\ \underset{\‾}{x}\≤x\≤\stackrel{\‾}{x}\end{array}\right.,$

其中，u为决策变量，x为状态变量，f(u)为目标函数，h(x,u)＝0为等式约束，g(x,u)≤0为不等式约束，为状态变量上下限约束，为决策变量上下限约束；②决策变量u是用来控制的变量，u_i为采取的第i个措施，N_m为决策的个数；状态变量x是表征系统运行状态的变量，定义其中e_i和f_i分别表示节点i的横分量和纵分量，N_D为系统节点数；③目标函数f(u)是所有负荷操作的不同权重的限行组合，其为：

$f\left(u\right)=\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{u}_i,$

其中，ω_Ci为采取措施i所需付出的代价，ω_Ci定义为负荷等级和负荷量的函数：ω_Ci＝r_iL_i，r_i表示负荷的等级，等级越高ω_Ci越大，L_i表示负荷量的大小，所切负荷量越大ω_Ci越大；④设置等式约束h(x,u)＝0为各节点基本的功率平衡方程，即：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...N_D\end{array}\right.,$

其中，P_Gi为节点i注入的发电有功功率，P_Di为节点i的负载有功功率，Q_Gi为节点i注入的发电无功功率，Q_Di为节点i的负载无功功率，G_ij为节点i和节点j间的互电导，B_ij为节点i和节点j间的互电纳；⑤数学模型还要满足安全约束，包括节点出力裕度约束、电压约束、支路输送功率约束以及各决策变量约束；⑥经步骤①～⑤得到紧急控制在线预决策的数学模型。

所述步骤（1）步骤⑤中，所述出力裕度约束为：

$\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }-\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Di}}-{\mathrm{\ϵ}}_P\≥0,$

其中，P_gimax表示发电机i的最大有功出力，P_Di表示节点i的当前负荷有功功率，ε_P表示修正值，N_Gon表示故障后在线的发电机机组数，N_D表示系统的节点数。

所述步骤（1）步骤⑤中，所述电压约束为：

$V_{\mathrm{imim}}^2\≤e_i^2+f_i^2\≤V_{i\max }^2,i=1,...,N_D,$

其中V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限。

所述步骤（1）步骤⑤中，所述各支路输送容量约束为：

$(G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2,i=1,...,N_L$

其中，N_L为系统支路数，S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值。

所述步骤（1）步骤⑤中，所述决策变量约束为：

u_i∈{0,1} i＝1,...,Nm，

具体的控制措施为离散变量，用0和1来分别表示切与不切负荷。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：本发明通过EMS系统收集到当前运行方式制定紧急控制策略，大大减少策略表的数据规模和计算量，降低失配情况；同时在求解的过程中，加入了多个约束条件，保证控制过程中系统的安全性。本发明可以在海上油气田生产和电网控制领域中广泛应用。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图；

图2是本发明的在线预决策流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其包括以下步骤：

1）系统正常运行，EMS系统（能量管理系统）对实际电网进行实时监控并按预先设定的时间间隔定期采集系统当前运行参数信息，将电网参数提供给紧急控制系统；

2）根据系统当前运行参数进行状态估计，得到当前的运行方式，包括各状态变量的值，判断运行参数是否有刷新，如果有刷新则生成紧急控制系统控制策略表；

3）实时检测系统是否发生扰动和故障，若未发生则系统继续正常运行，返回步骤1）；若发生故障则判断扰动和故障类型，继续执行下一步；

4）在控制策略表中寻找匹配的控制策略；

5）执行紧急控制策略，并实时检测系统运行状态；

6）在系统经过渡过程回到稳定运行时，本次紧急控制结束，返回步骤1）。

如图2所示，上述步骤2）中，紧急控制系统控制策略表生成方法如下：

（1）建立紧急控制在线预决策的数学模型：

$\min \underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{M}_i$

$s.t.\left\{\begin{array}{cc}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }-\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Di}}-{\mathrm{\ϵ}}_P\≥0& \\ P_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ (G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2& i=1,...,N_D\\ V_{i\min }^2\≤e_i^2+f_i^2\≤V_{i\max }^2& i=1,...,N_D\\ u_i\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}& i=1,...,N_m\end{array}\right.;;$

其中，u_i为采取的第i个措施，ω_Ci为采取措施i所需付出的代价，N_m为决策量的维数，P_gimax表示发电机i的最大有功出力，ε_P表示修正值（有功出力裕度），N_Gon表示故障后（主要指机组脱网和线路断开）在线的发电机机组数，N_D表示系统的节点数。P_Gi为节点i注入的发电有功功率，P_Di为节点i的负载有功功率，Q_Gi为节点i注入的发电无功功率，Q_Di为节点i的负载无功功率，G_ij为节点i和节点j间的互电导，B_ij为节点i和节点j间的互电纳。V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限。N_L为系统支路数，S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值，e_i和f_i分别表示状态变量在节点i的横分量和纵分量。

该数学模型的建模方法如下：

①由于当系统发生事故扰动后，可以使系统恢复稳定或阻止系统向更坏的情况发展的紧急控制策略并不一定是唯一的，需要在所有可能的紧急控制策略中寻找到最优的控制策略。因此，求解控制策略是一个最优化的问题。在紧急控制中，大部分操作（如切负荷）都是非连续的，任何一个操作都有可能对系统产生影响，但不一定是线性的影响。因此，寻找每个故障对应的最优控制策略是一个非线性最优化问题。最优控制策略的求解是一个多约束的非线性最优化问题，其数学模型为：

minf(u)

$s.t.\left\{\begin{array}{c}h(u,x)=0\\ g(u,x)\≤0\\ \underset{\‾}{u}\≤u\≤\stackrel{\‾}{u}\\ \underset{\‾}{x}\≤x\≤\stackrel{\‾}{x}\end{array}\right.,$

其中，u为决策变量，x为状态变量，f(u)为目标函数，h(x,u)＝0为等式约束，g(x,u)≤0为不等式约束，为状态变量上下限约束，为决策变量上下限约束。

②决策变量u是可以用来控制的变量，以保证系统的安全性，包括所有可能的切负荷措施，u_i为采取的第i个措施，N_m为决策的个数。状态变量x是表征系统运行状态的变量，定义其中e_i和f_i分别表示节点i的横分量和纵分量，N_D为系统节点数。

③在实际油田群电网中，存在有各类负荷（如电潜泵、注水泵、吊机等），不同负荷的等级是不同，即有些负荷切掉对系统影响不大，而有些重要负荷切掉后可能对油田的作业生产产生很大影响，重要负荷应是切负荷最后考虑的对象。由此，可以对不同的负荷设置权重系数，对权重系数高的负荷进行操作将会带来大的代价。目标函数f(u)就是所有负荷操作的不同权重的限行组合，其为：

$f\left(u\right)=\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{u}_i,$

其中，ω_Ci为采取措施i所需付出的代价，ω_Ci可以定义为负荷等级和负荷量的函数：ω_Ci＝r_iL_i，r_i表示负荷的等级，等级越高ω_Ci越大，L_i表示负荷量的大小，所切负荷量越大ω_Ci越大。

④为保证紧急控制过程中系统的安全性，设置等式约束h(x,u)＝0为各节点基本的功率（潮流）平衡方程，即：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...N_D\end{array}\right.,$

其中，P_Gi为节点i注入的发电有功功率，P_Di为节点i的负载有功功率，Q_Gi为节点i注入的发电无功功率，Q_Di为节点i的负载无功功率，G_ij为节点i和节点j间的互电导，B_ij为节点i和节点j间的互电纳。

⑤该数学模型除要满足上述约束方程外，还要满足安全约束，包括节点出力裕度约束、电压约束、支路输送功率约束以及各决策变量约束。

a、出力裕度约束是指系统内的发电出力应与负荷功率和线路损耗达到平衡外，还应具有一定的出力裕度，这也是系统所应满足的最基本条件。这也是离线决策的优先脱扣系统中考虑的约束条件。具体为：

$\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }-\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Di}}-{\mathrm{\ϵ}}_P\≥0,$

其中，P_gimax表示发电机i的最大有功出力，P_Di表示节点i的当前负荷有功功率，ε_P表示修正值（有功出力裕度），N_Gon表示故障后（主要指机组脱网和线路断开）在线的发电机机组数，N_D表示系统的节点数。

b、电压约束：

$V_{\mathrm{imim}}^2\≤e_i^2+f_i^2\≤V_{i\max }^2,i=1,...,N_D,$

其中V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限。

c、各支路输送容量约束：

S_ij≤S_ijmax i＝1,…,N_D，

对于其中的某一条海缆：

$P_{\mathrm{ij}}=e_i(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+f_j(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)-G_{\mathrm{ij}}\left(e_i^2{+f}_i^2\right)$

$Q_{\mathrm{ij}}=f_i(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-e_i(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)+B_{\mathrm{ij}}(e_i^2+f_i^2),$

则：

$S_{\mathrm{ij}}^2=P_{\mathrm{ij}}^2+Q_{\mathrm{ij}}^2=(G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2],$

则支路输送功率约束为：

$(G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}_{}}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2,i=1,...,N_L$

其中，N_L为系统支路数，S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值。

d、决策变量约束为：

u_i∈{0,1} i＝1,...,N_m，

具体的控制措施为离散变量，用0和1来分别表示切与不切负荷。

⑥经步骤①～⑤即可得到紧急控制在线预决策的数学模型。

（2）由于在紧急控制在线预决策数学中存在大量的离散决策变量，如果首先假定所有的决策变量均为连续变量，采用广泛使用的内点法进行求解再对各离散决策变量处理，则会造成由于离散决策变量过多而最终的优化结果严重偏离最优解。因此将步骤（1）中的数学模型进行分解简化，以避免优化结构偏离最优解，其步骤如下：

第一步、判断当前负荷下，系统能否稳定；当系统发生故障后，判断在若不切除负荷下，系统能否达到稳定，即在不切除负荷的情况下，是否可以满足以下约束条件：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ (G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2& i=1,...,N_L\\ V_{i\min }^2\≤e_i^2+f_i^2\≤V_{i\max }^2& i=1,...,N_D\end{array}\right.\left(1\right)$

若该约束方程有解，则表示机组的出力和负荷可以平衡，系统可以达到稳定，不需要切负荷的措施；若该约束方程无解，则表示当前机组可能的出力和当前负荷情况存在严重的不平衡，需要进行下一步的计算。

第二步、计算系统需要切除的负荷量的限制条件，即判断是否满足出力裕度约束条件：

$\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Di}}\≤\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }-{\mathrm{\ϵ}}_P,$

其中，表示切负荷后系统的总有功负荷，由此可得：

${\mathrm{\ΔP}}_D=P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Di}}\≥P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }+{\mathrm{\ϵ}}_P,$

其中，P_ΣLoad代表在切负荷措施前系统的总有功负荷，ΔP_D表示所需切掉的负荷量；P_gimax表示发电机i的最大有功出力。

除此以外，设定了所有可切负荷及其相应的代价，不可切负荷代价可以设置为无穷大，除去不可切负荷，设定可切负荷的总量为P_ΣDmax，则切负荷量所应满足的约束条件为：

$P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }+{\mathrm{\ϵ}}_P\≤{\mathrm{\ΔP}}_D\≤P_{\mathrm{\Σ}D\max }.$

第三步、寻找可能的控制策略表，即通过上一步得出的切负荷量的限制，寻找可能的切负荷的组合。在寻找可能的切负荷组合前，需要提供对各个负荷等级的描述信息，即切掉负荷所带来的代价，若代价为无穷大，则该负荷不应在切负荷的范围内，由此得到可切负荷的范围。在可切负荷的范围内，寻找满足切负荷量限制的组合，即求解以下模型：

$\min \underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{M}_i$

$s.t.P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}+{\mathrm{\ϵ}}_P\≤{\mathrm{\ΔP}}_D\≤P_{\mathrm{\Σ}D\max },$

式中，u_i为采取的第i个措施，由此可以得到满足切负荷量约束的最小代价的切负荷组合，该组合可能是一种，也可能是多种。除此之外，求得的负荷不一定满足式第一步中的潮流约束条件，因此需要给出多种可能的组合：

i）求出最优代价f_min以及对应的切负荷组合；

ii）计算代价为f_min的所有切负荷组合的ΔP_D，找出其中的最大值ΔP_Dmax；

iii）若找出所有满足以下约束条件的切负荷组合：

$P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\stackrel{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}{P}_{\mathrm{gi}\max }+{\mathrm{\ϵ}}_P\≤{\mathrm{\ΔP}}_D\≤{\mathrm{\ΔP}}_{D\max }$

若 ${\mathrm{\ΔP}}_{D\max }=P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }+{\mathrm{\ϵ}}_P,$ 直接转至第四步；

iv）由此可以得到n₁种满足切负荷量约束条件的组合，将所有组合按照代价由小到大进行排序，其中代价最小为f_min，把结果提供给下一步计算。

若最终可以求出一种或多种组合，则置负荷表的标识flag＝1，若没有切除任何满足切负荷量约束条件的切负荷组合，则置负荷表的标识flag＝0。

第四步、对第三步求得的结果进行判断，若flag＝0，则表示不存在使系统恢复稳定的可切负荷组合，需要输出报警信息；若flag＝1，则继续进行计算，搜索最优控制策略。

通过第三步得到的满足切负荷量约束限制的组合已经按照代价的大小从低到高进行排序，但这些组合不一定可以满足式（1）的约束条件，因此需要进行验证。另一方面，同一代价下可能存在多种切负荷组合，因此需要从中选取一种最优的控制策略。

根据第三步得到的切负荷组合，从代价最低的一种组合开始，检查该种切机组合可以满足式（1）的约束条件，如满足则表示该种切负荷的组合方式就是最优的控制策略；否则如该种切机组合方式不满足式（1）的约束条件，则验证下一种切负荷组合，直到搜索到最优解为止。对于同一种代价的切负荷组合，比较两者的目标函数值，将目标函数值小的组合作为最优控制策略。

若将上一步求得的切负荷组合全部验证仍未得到最优解，则判断是否还有可切负荷。即判断下式是否成立：

ΔP_Dmax+P_Dmin≤P_ΣDmax

其中，P_Dmin为可切负荷的最小值；ΔP_Dmax为所有被切负荷组合的最大值。若该式不成立，则表示系统内不存在其他可切负荷，目前所有的可切负荷的组合都无法使系统恢复稳定，需要输出报警信息。若该式成立，则置切负荷量约束为：

ΔP_Dmax+P_Dmin≤ΔP_D≤P_ΣDmax，

重新返回第三步，并将模型变为：

$\min \underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{u}_i$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_{D\max }+P_{D\min }\≤{\mathrm{\ΔP}}_D\≤P_{\mathrm{\Σ}D\max }\\ u_i\∈\{0,1\},i=1,...,N_m\end{array}\right.,$

继续寻找可能的切负荷组合表。

（3）由最优控制策略生成紧急控制在线预决策策略表：若收到了参数刷新的信号，则应该生成新的策略表，若未收到参数刷新的信号，则策略表保持不变。由于系统的故障可以分为两大部分：机组脱网和线路断开，当收到运行参数刷新的信号后，生成策略表主要包括两大部分内容：

a、机组脱网故障扫描：机组脱网故障扫描即计算系统N-1、N-2、…N-N_min（N_min可定义为3）故障下对应的最优控制策略，并将生成的策略表进行存储。

b、线路断开扫描：线路断开扫描即计算系统可能发生的各种线路断开故障下对应的最优控制策略，并将生成的策略表进行存储。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的连接和结构都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (6)

1.一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其包括以下步骤：

1)系统正常运行，EMS系统对实际电网进行实时监控并按预先设定的时间间隔定期采集系统当前运行参数信息，将运行参数提供给紧急控制系统；

2)根据系统当前运行参数进行状态估计，得到当前的运行方式参数，包括各状态变量的值，判断运行参数是否有刷新，如果有刷新则生成紧急控制系统控制策略表；紧急控制系统控制策略表生成方法如下：

(1)建立紧急控制在线预决策的数学模型：

$\min \underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{u}_i$

$s.t.\left\{\begin{array}{cc}\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }-\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Di}}-{\mathrm{\ϵ}}_P\≥0& \\ P_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_i)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_i+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ (G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2& i=1,...,N_L\\ V_{i\min }^2\≤e_i^2+f_i^2\≤V_{i\max }^2& i=1,...,N_D\\ u_i\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}& i=1,...,N_m\end{array}\right.;$

其中，u_i为采取的第i个措施；ω_Ci为采取措施i所需付出的代价；N_m为决策量的维数，P_gimax表示发电机i的最大有功出力，ε_P表示修正值；N_Gon表示故障后在线的发电机机组数；N_D表示系统的节点数；P_Gi为节点i注入的发电有功功率；P_Di为节点i的负载有功功率；Q_Gi为节点i注入的发电无功功率；Q_Di为节点i的负载无功功率；G_ij为节点i和节点j间的互电导；B_ij为节点i和节点j间的互电纳；V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限；N_L为系统支路数；S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值，e_i和f_i分别表示状态变量在节点i的横分量和纵分量；

(2)将步骤(1)中的数学模型进行分解简化，其步骤如下：

第一步、判断当前负荷下，系统能否稳定；当系统发生故障后，判断在不切除负荷的情况下，是否满足以下约束条件：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ (G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2& i=1,...,N_L\\ V_{i\min }^2\≤e_i^2+f_i^2\≤V_{i\max }^2& i=1,...,N_D\end{array}\right.,$

若该约束方程有解，则系统能达到稳定；若该约束方程无解，则进入下一步；

第二步、计算系统需要切除的负荷量的限制条件，求得所需切负荷量的约束条件为：

$P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }+{\mathrm{\ϵ}}_P\≤\mathrm{\Δ}{P}_D\≤P_{\mathrm{\Σ}D\max },$

式中，P_ΣLoad代表在切负荷措施前系统的总有功负荷，ΔP_D表示所需切掉的负荷量；P_gimax表示发电机i的最大有功出力；P_ΣDmax为可切负荷的总量；

第三步、通过上一步得出的切负荷量的限制，在可切负荷的范围内，寻找满足切负荷量限制的组合，即求解以下模型：

$\min \underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{u}_i$

$s.t.P_{\mathrm{\ΣLoad}}-\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}+{\mathrm{\ϵ}}_P\≤\mathrm{\Δ}{P}_D\≤P_{\mathrm{\Σ}D\max },$

式中，u_i为采取的第i个措施；由此得到满足切负荷量约束的最小代价的切负荷组合，该组合是一种或多种；若最终求出一种或多种组合，则置负荷表的标识flag＝1，若无切除任何满足切负荷量约束条件的切负荷组合，则置负荷表的标识flag＝0；

第四步、对第三步求得的结果进行判断，若flag＝0，则表示不存在使系统恢复稳定的可切负荷组合，需要输出报警信息；若flag＝1，则继续进行计算，搜索最优控制策略；并重新返回第三步，将模型变为：

$\min \underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{u}_i$

$s.t.\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{P}_{D\max }+P_{D\min }\≤\mathrm{\Δ}{P}_D\≤P_{\mathrm{\Σ}D\max }\\ \begin{array}{cc}{u}_i\∈\left\{\mathrm{0,1}\right\}& i=1,...,N_m\end{array}\end{array}\right.,$

继续寻找可能的切负荷组合表；P_Dmin为可切负荷的最小值；ΔP_Dmax为所有被切负荷组合的最大值；

(3)由最优控制策略生成紧急控制在线预决策策略表：若收到了参数刷新的信号，则应该生成新的策略表，若未收到参数刷新的信号，则策略表保持不变；

3)实时检测系统是否发生扰动和故障，若未发生则系统继续正常运行，返回步骤1)；若发生故障则判断扰动和故障类型，继续执行下一步；

4)在控制策略表中寻找匹配的控制策略；

5)执行紧急控制策略，并实时检测系统运行状态；

6)在系统经过渡过程回到稳定运行时，本次紧急控制结束，返回步骤1)。

2.如权利要求1所述的一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其特征在于：所述步骤2)步骤(1)中，所述数学模型的建模方法如下：

①在紧急控制中，寻找每个故障对应的最优控制策略是一个非线性最优化问题，最优控制策略的求解是一个多约束的非线性最优化问题，其数学模型为：

minf(u)

$s.t.\left\{\begin{array}{c}h(u,x)=0\\ g(u,x)\≤0\\ \underset{\‾}{u}\≤u\≤\stackrel{\‾}{u}\\ \underset{\‾}{x}\≤x\≤\stackrel{\‾}{x}\end{array}\right.,$

其中，u为决策变量，x为状态变量，f(u)为目标函数，h(x,u)＝0为等式约束，g(x,u)≤0为不等式约束，为状态变量上下限约束，为决策变量上下限约束；

②决策变量u是用来控制的变量，u_i为采取的第i个措施，N_m为决策的个数；状态变量x是表征系统运行状态的变量，定义其中e_i和f_i分别表示节点i的横分量和纵分量，N_D为系统节点数；

③目标函数f(u)是所有负荷操作的不同权重的限行组合，其为：

$f\left(u\right)=\underset{i=1}{\overset{N_m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{Ci}}{u}_i,$

其中，ω_Ci为采取措施i所需付出的代价，ω_Ci定义为负荷等级和负荷量的函数：ω_Ci＝r_iL_i，r_i表示负荷的等级，等级越高ω_Ci越大，L_i表示负荷量的大小，所切负荷量越大ω_Ci越大；

④设置等式约束h(x,u)＝0为各节点基本的功率平衡方程，即：

$\left\{\begin{array}{cc}{P}_{\mathrm{Gi}}-P_{\mathrm{Di}}-e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\\ Q_{\mathrm{Gi}}-Q_{\mathrm{Di}}-f_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{e}_j-B_{\mathrm{ij}}{f}_j)+e_i\underset{j=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}(G_{\mathrm{ij}}{f}_j+B_{\mathrm{ij}}{e}_j)=0& i=1,...,N_D\end{array}\right.,$

其中，P_Gi为节点i注入的发电有功功率，P_Di为节点i的负载有功功率，Q_Gi为节点i注入的发电无功功率，Q_Di为节点i的负载无功功率，G_ij为节点i和节点j间的互电导，B_ij为节点i和节点j间的互电纳；

⑤数学模型还要满足安全约束，包括节点出力裕度约束、电压约束、支路输送功率约束以及各决策变量约束；

⑥经步骤①～⑤得到紧急控制在线预决策的数学模型。

3.如权利要求2所述的一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其特征在于：所述步骤(1)步骤⑤中，所述出力裕度约束为：

$\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{Gon}}}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{gi}\max }-\underset{i=1}{\overset{N_D}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Di}}-{\mathrm{\ϵ}}_P\≥0,$

其中，P_gimax表示发电机i的最大有功出力，P_Di表示节点i的当前负荷有功功率，ε_P表示修正值，N_Gon表示故障后在线的发电机机组数，N_D表示系统的节点数。

4.如权利要求2所述的一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其特征在于：所述步骤(1)步骤⑤中，所述电压约束为：

$V_{i\min }^2\≤e_i^2+f_i^2\≤V_{i\max }^2,i=1,...,N_D,$

其中V_imin、V_imax分别表示节点i电压幅值的下限和上限。

5.如权利要求2所述的一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其特征在于：所述步骤(1)步骤⑤中，所述各支路输送容量约束为：

$(G_{\mathrm{ij}}^2+B_{\mathrm{ij}}^2)[{(e_i{e}_j+f_i{f}_j-e_i^2-f_i^2)}^2+{(f_i{e}_j-e_i{f}_j)}^2]\≤S_{\mathrm{ij}\max }^2,i=1,...,N_L$

其中，N_L为系统支路数，S_ijmax为节点i和节点j直接交换功率的最大值。

6.如权利要求2所述的一种海上油田群电网紧急控制的在线预决策方法，其特征在于：所述步骤(1)步骤⑤中，所述决策变量约束为：

u_i∈{0,1} i＝1,...,N_m，

具体的措施为离散变量，用0和1来分别表示切与不切负荷。