CN103178551B

CN103178551B - 海上油田群电网的功率优化控制方法

Info

Publication number: CN103178551B
Application number: CN201310006694.5A
Authority: CN
Inventors: 谢玉洪; 柯吕雄; 唐广荣; 谢小荣; 王建丰; 卜华荣; 李卫团; 邹道标; 刘祖仁; 刘策; 魏澈; 昝智海
Original assignee: Tsinghua University; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd; CNOOC China Ltd Zhanjiang Branch
Current assignee: Tsinghua University; China National Offshore Oil Corp CNOOC; CNOOC Research Institute Co Ltd; CNOOC China Ltd Zhanjiang Branch
Priority date: 2013-01-09
Filing date: 2013-01-09
Publication date: 2014-12-17
Anticipated expiration: 2033-01-09
Also published as: CN103178551A

Abstract

本发明公开了一种海上油田群电网的功率优化控制方法。其建立一个大规模、多约束、非线性的功率优化数学模型，以发电燃料费用、有功网损、无功平衡、电压残差为优化目标，通过用户控制实现多目标综合控制模式；以潮流约束、电压约束、支路输送功率约束等作为约束条件，保证了系统的安全性。采用内点法在IntelliJIDEA平台进行编程实现。本发明设置了适合海上油田群电网的优化目标，实现了电网有功和无功的协调控制，实现对电网功率的优化自动控制，可降低海上油田群电网的燃料消耗，提升其发电效率，改善电网的安全稳定性，减少燃料消耗和对应的污染物排放。

Description

海上油田群电网的功率优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种电网功率优化控制方法，具体是指一种海上油田群电网的功率优化控制方法。

背景技术

目前，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。如何对它的运行进行监管和控制具有重要的意义。目前，主要依赖能量管理系统（简称EMS，Energy Management System）对它的运行信息进行采集，进而提供给电网运行监管人员，进行实现必要的调度和控制。但是这种运行控制还比较粗放，表现在：没有对主要的可控量，如发电机功率、变压器分接头等，进行优化分析和自动控制，从而未能优化发电设备的燃料成本、机组利用率不高、无功的分区平衡不好、可能导致较大的燃料成本；总体上，电网优化运行和效率提升潜力较大。因此很有必要发展功率优化控制技术来解决这些问题；但目前无论国外与国内，这方面的技术成果还非常少。

陆上电网EMS中有功率优化的高级应用功能，但其不能适应海上油田群电网的需求：1）陆上电网的总容量（亿kW级）远远大于海上孤立电网（数十万kW及以下），后者为小容量孤立电网；2）海上电网的发电机组均为燃气轮发电机，它的响应速度快，但过载容量小，对系统频率和电压极其敏感；3）陆上EMS的潮流分析功能牵涉到对发电和负荷的实时、日和中长期的预测，而海上油田群的发电和负荷均比较固定；4）陆上电网的功率优化通常将有功和无功分开来考虑，但海上油田群电网中电源和负荷耦合紧密、有功和无功相互影响大，需要协调一致控制。因此，有必要针对海上油田群电网的特点研发适用的功率控制方法。

上述论述内容目的在于向读者介绍可能与下面将被描述和/或主张的本发明的各个方面相关的技术的各个方面，相信该论述内容有助于为读者提供背景信息，以有利于更好地理解本发明的各个方面，因此，应了解是以这个角度来阅读这些论述，而不是承认现有技术。

发明内容

本发明的目的在于避免现有技术中的不足而提供一种海上油田群电网的功率优化控制方法，以提高系统机组的运行效率、减少排放，也可以有效降低网损，减少发电燃料费用，并能优化各石油平台之间的潮流分布，提高电压质量和系统稳定性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

提供一种海上油田群电网的功率优化控制方法，包括：

（1）、建立功率优化控制的数学模型：

；

数学模型中，目标函数为：

，其中为发电燃料费用的权重系数，为机组发电燃料费用，为有功网损的权重系数，为系统有功网损，为无功平衡的权重系数，为无功平衡；为电压残差的权重系数，为电压残差；

数学模型中，等式约束为：

;

其中，为节点i注入的发电有功功率，为节点i的负载有功功率，为节点i注入的发电无功功率，为节点i的负载无功功率，为节点i和节点j间的互电导，为节点i和节点j间的互电纳；、分别为各节点电压横分量和纵分量，为系统节点数；

数学模型中，不等式约束为：

各支路输送容量约束：；其中，为系统支路数，为节点i和节点j直接交换功率的最大值；

电压约束：；其中，、分别表示节点i电压幅值的下限和上限；

数学模型中，控制变量上下限为：

；

其中，表示各台发电机的有功功率，、分别表示各台发电机有功功率的最大值和最小值，表示各台发电机的无功功率，、分别表示各台发电机无功出力的最大值和最小值，表示含带载可调分接头变压器的变比，、分表表示各变压器变比的最大值和最小值，表示电抗器的投切状态，表示静止同步补偿器的无功功率，、分别表示各静止同步补偿器的无功功率的最大值和最小值；为系统内发电机数目，为系统内变压器数目，系统内电抗器数目，为系统为静止同步补偿器数目；

（2）、功率优化控制的求解：

采用内点法进行求解，用离散变量分步规整法来确定各离散控制变量，具体如下：

首先将各离散变量当作连续变量进行求解，然后按照顺序对各个离散变量分别进行就近取整，在处理的过程中，按照既定的顺序，处理完排序靠前的离散变量后，将其固定，再次进行优化潮流计算，根据求解结果，对下一个离散变量进行就近规整。

其中，通过调整权重系数、、、的大小，实现下述方式之一的控制方式：

（1）以系统有功网损为优化目标；

（2）以系统电压残差为优化目标；

（3）以系统发电燃料费用为优化目标；

（4）以系统发电燃料费用和有功网损为综合优化目标；

（5）以系统发电燃料费用、有功网损和无功平衡为综合优化目标；

（6）以系统发电燃料费用、有功网损和电压残差为综合优化目标；

（7）以系统发电燃料费用、有功网损、无功平衡和电压残差为综合优化目标。

其中，所述的发电燃料费用按如下步骤得出：

将单台发电燃料费用采用多次函数进行模拟：

，式中，为机组有功功率，为发电燃料费用系数；

以二次函数为例，单台发电燃料费用函数为：

，其中，，；

则总的发电燃料费用为：

。

其中，所述的无功平衡，其中，表示海缆首端的无功功率，表示海缆末端的无功功率，功率的方向为从海缆首端到末端；为使目标函数连续可微，将指标定义为：。

其中，所述的电压残差是指各节点电压与其设定电压之间差的绝对值加权和，即：；为使目标函数连续可微，可将指标定义为：，其中，为中枢点电压幅值，为不同节点电压的比例系数。

本发明的有益效果：（1）根据海上油田群电网的运行状态，优化调节发电机的功率、变压器分接头和SVG的设备，实现对电网功率的优化自动控制；（2）通过用户配置目标函数的比例系数，可灵活实现发电燃料费用、有功网损、无功平衡、电压残差等不同或综合控制目标；（3）可实现海上油田群电网的有功和无功功率的协调控制；（4）降低海上油田群电网的燃料消耗，提升其发电效率，改善电网的安全稳定性，减少排放。随着海上油田群电网的进一步扩展，本功率优化控制方法具有很好的应用前景。

具体实施方式

本发明的核心在于提供一种海上油田群电网的功率优化控制方法，以提高系统机组的运行效率、减少排放，也可以有效降低网损，减少发电燃料费用，并能优化各石油平台之间的潮流分布，提高电压质量和系统稳定性。

如图1所示，本发明所述的海上油田群电网的功率优化控制方法，具体如下：

1、建立功率优化控制的数学模型

a ）通用数学模型

功率优化控制，即当电网系统的结构参数和负荷确定后，通过优化控制变量的取值，在满足约束条件的前提下，使系统一个或多个性能指标达到优化的潮流分布。功率优化控制是一个大规模、多约束、非线性的优化问题，其数学模型为：

。

其中：为控制变量，为状态变量。为目标函数，为等式约束，为不等式约束，为状态变量上下限约束，为控制变量上下限约束。

b ）控制变量和状态变量

在功率优化控制的数学模型中，变量分为控制变量和状态变量。

控制变量是可以用来控制的变量，以使系统的潮流分布达到最优。在海上油田群网的优化模型中，控制变量包括发电机的有功功率和无功功率、含带载可调分接头变压器的变比、电抗器的投切状态和静止同步补偿器（SVG）的无功功率等，其中为系统内发电机数目，为系统内变压器数目，系统内电抗器数目，为系统为SVG数目。

状态变量是用来表征系统运行状态的变量，在涠西南油田群网优化模型中，状态变量包括各节点电压横分量和纵分量，其中为系统节点数。

c ）优化目标

本方法中提供了一组多个灵活可配置的优化目标，具体包括：

(1) 发电燃料费用

机组发电燃料费用可表示为：

为发电机i的发电燃料费用，一般可采用多次函数拟合：

式中，为机组有功功率，为发电燃料费用系数。

(2) 系统有功网损

系统的有功网损可以表示为：

；

其中，为机组有功功率，为各节点负载有功功率。

(3) 无功平衡

无功平衡很大程度上影响着系统的电压水平和网损，海上油田群电网主要考虑各个平台的无功平衡，由于平台之间采用海底电缆连接，因此可以把海缆中点的无功功率作为无功平衡的衡量指标：

；

其中，表示海缆首端的无功功率，表示海缆末端的无功功率，功率的方向为从海缆首端到末端。

为使目标函数连续可微，亦可将指标定义为：

。

(4) 电压残差

电压残差是指各节点电压与其设定电压之间差的绝对值加权和。即：

；

为使目标函数连续可微，亦可将其定义为：

；

其中，为设定电压幅值，为不同节点电压的权重系数。

d ）约束条件

(1) 等式约束

功率优化控制模型中的等式约束一般为各节点基本的功率（潮流）平衡方程，即：

；

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

(2) 不等式约束

除上述潮流方程约束外，系统还要满足安全约束，包括节点电压约束、支路输送功率约束以及各控制变量上下限的约束。

Ø 电压约束：

；

其中、分别表示节点i电压幅值的下限和上限。

Ø 各支路输送容量约束：

；

对于其中的某一条海缆：

；

则：

；

则支路输送功率约束为：

；

其中，为系统支路数，为节点i和节点j直接交换功率的最大值。

Ø 控制变量上下限

；

其中，、分别表示各台发电机有功出力的最大值和最小值，、分别表示各台发电机无功出力的最大值和最小值，、分表表示各变压器变比的最大值和最小值，、分别表示各SVG无功功率的最大值和最小值。

e ）功率优化控制的非线性数学问题

综上所述，功率优化控制的非线性数学问题如下所示：

。

2、功率优化控制问题的求解

对上述功率优化控制的数学问题，首先假定所有的控制变量均为连续变量，采用广泛使用的内点法进行求解，然后针对性设计了一种新的离散变量分步规整法来确定各离散控制变量。

a) 内点法。

内点法是一种求解约束非线性规划问题的通用方法，它要求所有变量均为连续变量；本发明具体实施中,在所有的控制变量均假定为连续变量的条件下,采用基于原-对偶内点法原理的IPOPT（Interior Point Optimizer）开源软件包来求解前述功率优化控制问题。

b) 离散变量的分步规整法

采用分步规整法对离散变量进行处理，先将各离散变量当作连续变量进行求解，然后按照顺序进行就近取整。具体来说即按照顺序对不同等级变压器、电抗器分步规整，每规整一次再重新对其他变量进行一次功率优化控制计算，根据当前结果进行下一次的规整。具体的规整顺序为：

(i) 变压器分接头：在实际的运行中，电压等级高的变压器分接头对系统的影响较大，在电压等级高的分接头确定后，电压等级低的分接头调节的影响较小。因此在分步规整的过程中，按照变压器等级的高低来进行排序。

(ii) 电抗器投切：由于电抗器投切与否所提供的无功功率的差别较大，因此对电抗器的投切按求得的最优解与离散值的接近程度来排序。最优解与离散值差距越大，其规整后对系统的影响越大，因此把差距大的排在前面，差距小的排在后面。

该方法虽然只能保证获得一个次优解，但是大大减少了计算量，且考虑了分支定界法的经验，相对于直接规整也更加精准，所获得的解是可以接受的。

3、功率优化控制的用户控制信息

为使整个功率优化控制程序更加灵活，程序中的部分信息由用户来进行控制，以保证各变量的取值在理想的状态，具体包括：

a) 发电机信息

ü 各台发电机有功功率的最大值P_max

ü 各台发电机有功功率的最小值P_min

ü 各台发电机无功功率的最大值Q_max

ü 各台发电机无功功率的最小值Q_min

ü 各台发电机发电燃料费用的各次项系数a_i

b) 各支路信息

ü 各支路交换功率的最大值S_max

c) 节点电压信息

ü 中枢点电压参考值V_n

d) 变压器信息

ü 各变压器变比最大值k_max

ü 各变压器变比最小值k_min

ü 各变压器是否可调flag（0表示不可调，1表示可调）

e) 电抗器信息

ü 各电抗器是否可调flag（0表示不可调，1表示可调）

f) SVG信息

ü 各SVG是否可调flag（0表示不可调，1表示可调）

ü 各SVG可调最大值Q_SVGmax

ü 各SVG可调最小值Q_SVGmin

g) 目标函数权重系数

ü 发电燃料费用的权重系数ω _c

ü 有功网损的权重系数ω _loss

ü 电压残差的权重系数ω _v 。

4、功率优化控制的控制模式

功率优化控制方法的目标函数为：

通过调整权重系数，即控制、、、的大小，可以实现不同的控制方式，以下列出几种典型的控制方式：

方式一：以系统有功网损为优化目标；

方式二：以系统电压残差为优化目标；

方式三：以系统发电燃料费用为优化目标；

方式四：以系统发电燃料费用和有功网损为综合优化目标；

方式五：以系统发电燃料费用、有功网损和无功平衡为综合优化目标；

方式六：以系统发电燃料费用、有功网损和电压残差为综合优化目标；

方式七：以系统发电燃料费用、有功网损、无功平衡和电压残差为综合优化目标。

对于特定的海上油田群电网，本发明的功率优化控制方法，可以通过各种编程语言实现，形成可在各种计算机或服务器上运行的软件系统，并按照如下步骤循环执行：

1）已有的能量管理系统（EMS）或数据采集与监视控制（SCADA）系统对实际电网进行信息采集，并将电网参数提供给功率优化控制系统；

2）用户输入控制信息，具体信息前面已经详细给出；

3）调用功率优化控制程序，采用内点法求解优化模型，用分步规整法对离散变量进行处理；

4）将优化结果反馈给EMS/SCADA，实现实际的控制调度功能。

上面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，不能理解为对本发明保护范围的限制。

总之，本发明虽然例举了上述优选实施方式，但是应该说明，虽然本领域的技术人员可以进行各种变化和改型，除非这样的变化和改型偏离了本发明的范围，否则都应该包括在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种海上油田群电网的功率优化控制方法，其特征在于，包括：

（1）、建立功率优化控制的数学模型：

；

数学模型中，目标函数为：

，其中为发电燃料费用的权重系数，为机组发电燃料费用，为有功网损的权重系数，为系统有功网损，为无功平衡的权重系数，为无功平衡；为电压残差的权重系数，为电压残差， 表示各节点电压横分量， 表示各节点电压纵分量 ；

数学模型中，等式约束为：

;

数学模型中，不等式约束为：

数学模型中，控制变量上下限为：

；

（2）、功率优化控制的求解：

2.根据权利要求1所述的海上油田群电网的功率优化控制方法，其特征在于：通过调整权重系数、、、的大小，实现下述方式之一的控制方式：

（1）以系统有功网损为优化目标；

（2）以系统电压残差为优化目标；

（3）以系统发电燃料费用为优化目标；

（4）以系统发电燃料费用和有功网损为综合优化目标；

3.根据权利要求1或2所述的海上油田群电网的功率优化控制方法，其特征在于：所述的发电燃料费用按如下步骤得出：

将单台发电燃料费用采用多次函数进行模拟：

，式中，为机组有功功率，α₀ _…α_n为发电燃料费用系数；

当单台发电燃料费用采用二次函数进行模拟时，单台发电燃料费用函数为：

，其中，，， 为机组有功功率， 为机组燃料消耗最大值对应的有功功值；

则总的发电燃料费用为：

。

4.根据权利要求1或2所述的海上油田群电网的功率优化控制方法，其特征在于：所述的无功平衡，其中，表示海缆首端的无功功率，表示海缆末端的无功功率，功率的方向为从海缆首端到末端；为使目标函数连续可微，将指标定义为：。

5.根据权利要求1或2所述的海上油田群电网的功率优化控制方法，其特征在于：所述的电压残差是指各节点电压与其设定电压之间差的绝对值加权和，即：；为使目标函数连续可微，可将指标定义为：，其中，为中枢点电压幅值，为不同节点电压的比例系数。