CN104269847A - 一种柔性环网控制系统运行及潮流优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，属于电力系统运行及潮流优化领域，解决了柔性环网控制系统正常及故障方式下，系统有功潮流合理分配问题。该方法包括：基于D5000系统实时获取目标电网的网络参数；根据获得的电网基本参数，以元件负载率、系统供电能力为目标条件，建立对应目标函数；以各个目标函数为基础，确立多目标优化函数；根据模糊理论，制定各目标函数的隶属度函数，采用模糊算法求得多目标函数的优化解。该方法以多目标函数为约束条件，通过求解多目标优化函数，得到柔性环网控制系统正常及故障运行方式下的最优潮流分布，提高了电网运行的可靠性和经济性。

Description

一种柔性环网控制系统运行及潮流优化方法

技术领域

本发明属于电力系统运行及潮流优化领域，特别涉及一种柔性环网控制系统运行及潮流优化方法。

背景技术

随着电力系统的高速发展，城市电网的网架结构愈加坚强，极大提高了电网的供电能力和供电可靠性。但与此同时，势必也会造成电网短路电流超标问题突出。如采用电网开环运行的方式解决短路电流超标问题，将给电网供电能力、供电可靠性以及电网调度灵活性等方面带来很大的困难。如何协调电网供电能力与短路电流超标问题是当前电网调度运行面临的重大难题。传统的依靠经验对电网进行分区供电的解决方法缺乏理论依据，且仅限于离线计算分析，不能实时反映电网的运行状态，具有一定的局限性。因此迫切需要有新技术、新方法创新应用于解决电网供电能力与短路电流之间的矛盾，探索、实践未来电网的可能发展方向。

目前，从现有投运的柔性直流输电工程及其技术特点来看，柔性直流输电技术主要应于风电并网、城市供电、电网互联、海上平台供电等领域，在交流电网解环方面尚无应用。已投运柔性直流输电工程的最大容量达到400MW，最高电压等级达到±200kV；在建性直流输电工程的最大容量达到1000MW，最高电压等级达到了500kV。在我国，国家网公司通过自主研发于2011年7月投运了我国首个柔性直流输电工程，即上海南汇风电网柔性直流输电示范工程，工程容量达到了20MW，电压等级达到了±30kV，标志着我在柔性直流输电技术领域实现了从无到有的突破。目前，世界范围内柔性直流输电技术正迅速朝着高电压、大容量方向发展，工程数量越来越多，应用领域也越来越广泛，从端向多端领域发展，成为促进新能源的大规模开放利用和智能电网建设的重要手段。

而柔性直流输电技术能够灵活地控制有功无功传输，具有不会对交流系统的短路电流水平产生影响、隔绝交流系统故障等优点。当系统发生故障时，柔性直流可以迅速隔离电网，避免事故影响扩大，而且可以提高系统阻尼，抑制弱交流互联可能带来的低频振荡。因此，本发明考虑在柔性直流输电技术的基础上，开发柔性环网控制器，实现城市电磁环网解列、潮流控制、无功功率调节、短路电流抑制等功能，在不增加电网短路电流水平、不降低电网稳定性的同时，增加电网运行的灵活性、可靠性，实现交流电网软分区运行。

发明内容

发明目的：

为了解决电网供电能力不足与短路电流超标问题之间的矛盾，克服传统的依靠经验对电网进行分区供电的解决方法缺乏理论支撑的弊端，本发明提出一种柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，通过对多个目标条件分别建立目标函数进行优化，得出柔性环网控制系统正常及故障运行方式下的有功潮流优化结果，从而确定最优的有功功率支援指令值。

技术方案：

本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，通过对多个目标条件分别建立目标函数进行优化，得出柔性环网控制系统正常及故障运行方式下的有功潮流优化结果，从而确定最优的有功功率支援指令值，其特征在于：该方法步骤如下：

S1.根据目标电网网架结构及电源、负荷分布情况，选择合适的母线，在母联开关处安装柔性环网控制器M₁、M₂…M_n，将目标电网划分为若干子网S₁、S₂…S_n，实现电网的软分区供电，并设定柔性环网控制器的初始潮流转移值P_trans1、P_trans2…P_transn；

S2.从D5000系统中实时获取各子网的基本网络参数，包括子网中各发电机组的出力P_G1、P_G2…P_Gn，各变电站母线所带的负荷P_L1、P_L2…P_Ln，联络线潮流值P_Line1、P_Line2…P_Linen以及每条交流线路的潮流值P_ac1、P_ac2…P_acn；

S3.以D5000系统中实时获取的基本网络参数为基础，对多个目标条件分别建立其对应的目标函数f_j(P_Gi,P_Li,P_line,P_aci,P_transi)；

步骤S3中j表示第j个目标条件；

步骤S3对多个目标条件分别建立其对应的目标函数，具体函数为：

1)元件负载率目标函数

电网的元件负载率是元件承载功率占额定功率的百分比，可以衡量元件的利用程度；一般来说，合适的电网元件负载率不但有助于电网的安全、稳定运行，充分发挥元件价值，还可以减少重载与轻载的比率，有助于增强电网稳定性，延长变压器、开关等元件的使用寿命；电网在正常及故障运行方式下，应保证系统中各元件的负载率在合理范围内，避免电网发生N-1元件过载的问题；元件负载率约束下的目标函数为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_i=\frac{p_{\mathrm{aci}}}{P_{\mathrm{aclim}}}\×100\%\\ {\mathrm{\η}}_i\_\min \≤{\mathrm{\η}}_i\≤{\mathrm{\η}}_i\_\max \end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，η_i表示元件负载率；η_{i_min}表示元件负载率的下限值，η_{i_max}表示元件负载率的上限值；P_aci表示系统中交流线路的潮流值，P_aclim表示元件标称的额定容量或短时间内可以过载运行的极限容量；

2)电网供电能力目标函数

电网的供电能力是指电网在N-1任一电网元件的情况下，系统能够提供的电力；若电网供电能力不足，在系统发生N-1故障后，可能导致系统电源不能满足负荷的情况，此时会导致联切负荷保护装置动作，系统损失大量负荷；同时，若电网中电源过多，则容易导致系统N-1故障后元件过载问题；环网控制器的输送潮流能很大程度上影响各子网的供电能力，因此，其输送潮流值应满足电网供电能力目标函数；电网供电能力约束下的目标函数为：

$\left\{\begin{array}{c}|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Linei}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{transi}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Li}}|\≤\mathrm{\ζ}\\ |\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gj}}+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Linej}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{transi}}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Lj}}|\≤\mathrm{\ζ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，i、j分别表示第i个子网和第j个子网；P_Gi表示系统中各机组的有功出力；P_Linei表示子网联络线支援潮流值；PLi表示各变电站所带的负荷量；P_transi表示环网控制器所支援的潮流值；

结合式(1)和式(2)，得到计及元件负载率和电网供电能力的多目标优化函数模型为：

F(P_Gi,P_Li,P_line,P_aci,P_transi)＝f_j(P_Gi,P_Li,P_line,P_aci,P_transi)  (3)

$s.t.\left\{\begin{array}{c}h(P_{\mathrm{Gi}},P_{\mathrm{Li}},P_{\mathrm{Linei}},P_{\mathrm{transi}})=P_{\mathrm{Gi}}+P_{\mathrm{Linei}}+P_{\mathrm{transi}}-P_{\mathrm{Li}}=0\\ {\mathrm{\η}}_{i\_\min }\≤{\mathrm{\η}}_i{\≤\mathrm{\η}}_{i\_\max }\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，η_i表示元件负载率；η_{i_min}表示元件负载率的下限值，η_{i_max}表示元件负载率的上限值；P_Gi表示系统中各机组的有功出力；P_Linei表示子网联络线支援潮流值；P_transi表示环网控制器所支援的潮流值；P_Li表示各变电站所带的负荷量；

由式(3)和式(4)所决定的P_trans即为多目标条件下环网控制器潮流支援的优化参考值；该多目标优化函数可以采用模糊理论进行求解；

利用模糊理论对该函数模型求解，主要是通过对目标函数式(3)和约束条件式(4)进行模糊化处理；

根据决策者需求，给每个目标函数指定一个隶属度函数μ_i(f_i(P))，用以反映对目标函数f_i(P)的满意度，目标值越优，满意度越高；采用模糊算法的求解过程如式(5)所示：

$F(P_{\mathrm{Gi}},P_{\mathrm{Li}},P_{\mathrm{line}},P_{\mathrm{aci}},P_{\mathrm{transi}})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{|{\mathrm{\μ}}_i^{*}-{\mathrm{\μ}}_i\left(f_i\left(P\right)\right)|}^m---\left(5\right)$

其中，为隶属度函数理想向量的第i个分量；m为指数；式(5)中，n＝2，i＝1，2时，f_i(P)分别对应的目标函数为f_ηi、f_Pi；

S4.根据F(P_Gi,P_Li,P_line,P_aci,P_transi)求解得到多目标优化值，具体为：

1)根据每个目标函数和约束条件得到每个目标函数下的局部解

2)根据局部解求得多目标优化函数的解

3)由多目标优化函数的优化值修正各个目标函数下的局部解：若满足各个目标函数约束条件，则以代替若不满足则保持不变；重复步骤2)，直到满足计算精度要求或者溢出设定的最大计算次数，得出最终多目标的优化解。

步骤S1中所述的柔性环网控制器，柔性环网控制系统包括换流站和直流输电线路，各个柔性直流输电换流站分别包括换流阀、两个平波电抗器、以及至少一组直流输电线路，各个柔性直流输电换流站之间通过直流输电线路相连接，柔性直流输电换流站还包括至少两个直流分断装置，直流分断装置的数量与正极传输连接线、负极传输连接线的数量之和相一致，各个直流分断装置分别与正极传输连接线、负极传输连接线一一相对应。

其基本原理如下：

以柔性直流输电技术为基础的环网控制器的主要原理为：在原来需要开环运行的母线处采用背靠背柔性直流换流站相连接，由此将原电网划分为若干子网，构成软环网运行。因此，环网控制器不仅能够传输功率，实现环网运行，同时还能够参与电网电压调节、提供动态无功支撑。除此之外，通过环网控制器构成的软环网还具有有效降低环网短路电流、故障后的负荷转移可控的优点。柔性直流输电技术作为直流输电的一种新技术，由换流站和直流输电线路构成，包括两个换流站和两条直流线路。其中功率可双向流动，两个换流站中的任一个既可以作整流站也可以作逆变站运行。柔性直流输电系统通过调节换流器出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，独立地控制输出的有功功率和无功功率。考虑如图1所示的柔性直流输电系统，X_eq为联结变压器和阀电抗器的等效电抗。

步骤S3的步骤2)中，对目标函数式(3)进行模糊化处理时，目标函数的模糊化是指根据决策者要求达到的满意度，构建目标函数的隶属度函数，该隶属度函数可作为模糊评价指标，能够有效地将不同量纲的目标进行比较和组合，从而得到计及多目标函数的综合解。

步骤S3的步骤2)中，对约束条件式(4)进行模糊化处理时，约束条件的模糊化是指求解处理中采用软约束条件，即在必要时允许一定程度的溢出约束条件范围。

优点和效果：

本发明涉及一种柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，采用本发明所提出的方法与现有技术相比较，具有以下有益效果：本发明考虑了多种目标条件的约束，建立了多目标约束函数，利用模糊理论，迭代求解多目标优化函数，得到电网正常及检修方式下柔性环网控制器的最优潮流转移值，极大地提高了电网运行的灵活性和安全性，相比较传统的依靠经验对电网进行分区供电的解决方法更加合理、实用。

附图说明

图1是本发明柔性直流输电系统功率交换原理图；

图2是本发明柔性环网控制系统运行及潮流优化方法流程图；

图3是某实际电网地理位置接线图。

具体实施方式

本发明涉及一种柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，通过对目标电网的各个子网进行实时计算，分析每时刻各元件负载率及子网供需平衡情况，采用具有创新性思路的多目标柔性环网控制系统潮流优化方法，实现对电网有功功率的优化，提高了电网运行的可靠性和经济性。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

本实施方式中，以某实际电网的网架结构为例，在某变电站220千伏母线处安装本发明所提出的柔性环网控制器，将原电网划分为两个子网。电网在正常运行方式下，柔性环网控制器根据所设定的初始值在两个子网间传输潮流。当电网发生N-1故障时，柔性环网控制器应根据各子网的电力供应情况，实时调整潮流转移值，保证2个子网的安全、稳定、经济运行。上述柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，包括如下步骤：

步骤1：根据某实际电网网架结构及电源、负荷分布情况，选择在变电站1的220千伏母线处安装柔性环网控制器M₁，将目标电网划分为两个子网S₁、S₂，实现了电网的软分区供电，并设定柔性环网控制器的初始潮流转移值P_trans1；

步骤2：从D5000系统中实时获取两个子网的基本网络参数，包括子网中各发电机组的出力P_G1、P_G2…P_Gn，各变电站母线所带的负荷P_L1、P_L2…P_Ln，联络线潮流值P_Line1、P_Line2…P_Linen以及每条交流线路的潮流值P_ac1、P_ac2…P_acn；

步骤3：以D5000系统中实时获取的基本网络参数为基础，对多个目标条件分别建立其对应的目标函数f_j(P_Gi,P_Li,P_line,P_aci,P_transi)：

其中，h_i表示元件负载率；h_{i_min}表示元件负载率的下限值，h_{i_max}表示元件负载率的上限值；P_aci表示系统中交流线路的潮流值，P_aclim表示元件标称的额定容量或短时间内可以过载运行的极限容量。

$\left\{\begin{array}{c}|\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Linei}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{transi}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Li}}|\≤\mathrm{\ζ}\\ |\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gj}}+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Linej}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{transi}}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Lj}}|\≤\mathrm{\ζ}\end{array}\right.---\left(7\right)$

其中，i、j分别表示第i个子网和第j个子网；P_Gi表示系统中各机组的有功出力；P_Linei表示子网联络线支援潮流值；P_Li表示各变电站所带的负荷量；P_transi表示环网控制器所支援的潮流值。该电网中两子网电力平衡结果及部分元件计算结果如下所示：

表1某实际电网两子网电力平衡结果表

表1某实际电网部分元件负载率计算结果表

步骤4：根据两子网中电力平衡结果，给出柔性环网控制器的暂定潮流转移值再将此值分别带入目标约束函数式(6)和式(7)，采用线性隶属函数变化，可求得对应的隶属函数，对元件负载率和电网供电能力分别给定满意度系统为：0.15，0.05。求解隶属度函数可以得到优化的柔性环网控制器潮流转移值为308MW。因此，在此算例边界条件下，计及多目标约束下的柔性环网控制器潮流转移参考值设置为308MW最为合理。

Claims (4)

1.一种柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，通过对多个目标条件分别建立目标函数进行优化，得出柔性环网控制系统正常及故障运行方式下的有功潮流优化结果，从而确定最优的有功功率支援指令值，其特征在于：该方法步骤如下：

S1.根据目标电网网架结构及电源、负荷分布情况，选择合适的母线，在母联开关处安装柔性环网控制器M₁、M₂…M_n，将目标电网划分为若干子网S₁、S₂…S_n，实现电网的软分区供电，并设定柔性环网控制器的初始潮流转移值P_trans1、P_trans2…P_transn；

S2.从D5000系统中实时获取各子网的基本网络参数，包括子网中各发电机组的出力P_G1、P_G2…P_Gn，各变电站母线所带的负荷P_L1、P_L2…P_Ln，联络线潮流值P_Line1、P_Line2…P_Linen以及每条交流线路的潮流值P_ac1、P_ac2…P_acn；

S3.以D5000系统中实时获取的基本网络参数为基础，对多个目标条件分别建立其对应的目标函数f_j(P_Gi,P_Li,P_line,P_aci,P_transi)；

步骤S3中j表示第j个目标条件；

步骤S3对多个目标条件分别建立其对应的目标函数，具体函数为：

1)元件负载率目标函数

电网的元件负载率是元件承载功率占额定功率的百分比，衡量元件的利用程度，元件负载率约束下的目标函数为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\η}}_i=\frac{P_{\mathrm{aci}}}{P_{\mathrm{ac\; lim}}}\×100\%\\ {\mathrm{\η}}_i\_\min \≤{\mathrm{\η}}_i\≤{\mathrm{\η}}_i\_\max \end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，η_i表示元件负载率；η_{i_min}表示元件负载率的下限值，η_{i_max}表示元件负载率的上限值；P_aci表示系统中交流线路的潮流值，P_aclim表示元件标称的额定容量或短时间内可以过载运行的极限容量；

2)电网供电能力目标函数

电网的供电能力是指电网在N-1任一电网元件的情况下，系统能够提供的电力，环网控制器的输送潮流应满足电网供电能力目标函数，电网供电能力约束下的目标函数为：

$\left\{\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gi}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Linei}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{transi}}-\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Li}}|\≤\mathrm{\ζ}\\ \underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Gj}}+\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Linej}}+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{transi}}-\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Lj}}|\≤\mathrm{\ζ}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，i、j分别表示第i个子网和第j个子网；P_Gi表示系统中各机组的有功出力；P_Linei表示子网联络线支援潮流值；P_Li表示各变电站所带的负荷量；P_transi表示环网控制器所支援的潮流值；

结合式(1)和式(2)，得到计及元件负载率和电网供电能力的多目标优化函数模型为：

F(P_Gi,P_Li,P_line,P_aci,P_transi)＝f_j(P_Gi,P_Li,P_line,P_aci,P_transi)  (3)

$s.t.\left\{\begin{array}{c}h(P_{\mathrm{Gi}},P_{\mathrm{Li}},P_{\mathrm{Linei}},P_{\mathrm{transi}})=P_{\mathrm{Gi}}+P_{\mathrm{Linei}}+P_{\mathrm{transi}}-P_{\mathrm{Li}}=0\\ {\mathrm{\η}}_i\_\min \≤{\mathrm{\η}}_i\≤{\mathrm{\η}}_i\_\max \end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，η_i表示元件负载率；η_{i_min}表示元件负载率的下限值，η_{i_max}表示元件负载率的上限值；P_Gi表示系统中各机组的有功出力；P_Linei表示子网联络线支援潮流值；P_transi表示环网控制器所支援的潮流值；P_Li表示各变电站所带的负荷量；

由式(3)和式(4)所决定的P_trans即为多目标条件下环网控制器潮流支援的优化参考值；该多目标优化函数采用模糊理论进行求解；

利用模糊理论对该函数模型求解，通过对目标函数式(3)和约束条件式(4)进行模糊化处理；

根据决策者需求，给每个目标函数指定一个隶属度函数μ_i(f_i(P))，用以反映对目标函数f_i(P)的满意度，目标值越优，满意度越高；采用模糊算法的求解过程如式(5)所示：

$F(P_{\mathrm{Gi}},P_{\mathrm{Li}},P_{\mathrm{line}},P_{\mathrm{aci}},P_{\mathrm{transi}})=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{|{\mathrm{\μ}}_i^{*}-{\mathrm{\μ}}_i\left(f_i\left(P\right)\right)|}^m---\left(5\right)$

其中，为隶属度函数理想向量的第i个分量；m为指数；式(5)中，n＝2，i＝1，2时，f_i(P)分别对应的目标函数为f_ηi、f_Pi；

S4.根据F(P_Gi,P_Li,P_line,P_aci,P_transi)求解得到多目标优化值，具体为：

1)根据每个目标函数和约束条件得到每个目标函数下的局部解

2)根据局部解求得多目标优化函数的解

3)由多目标优化函数的优化值修正各个目标函数下的局部解：若满足各个目标函数约束条件，则以代替若不满足则保持不变；重复步骤2)，直到满足计算精度要求或者溢出设定的最大计算次数，得出最终多目标的优化解。

2.根据权利要求1所述的柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，其特征在于：步骤S1中所述的柔性环网控制器，包括换流站和直流输电线路，各个柔性直流输电换流站分别包括换流阀、两个平波电抗器、以及至少一组直流输电线路，各个柔性直流输电换流站之间通过直流输电线路相连接，柔性直流输电换流站还包括至少两个直流分断装置，直流分断装置的数量与正极传输连接线、负极传输连接线的数量之和相一致，各个直流分断装置分别与正极传输连接线、负极传输连接线一一相对应。

3.根据权利要求1所述的柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，其特征在于：步骤S3的步骤2)中，对目标函数式(3)进行模糊化处理时，目标函数的模糊化是指根据决策者要求达到的满意度，构建目标函数的隶属度函数，该隶属度函数可作为模糊评价指标，能够有效地将不同量纲的目标进行比较和组合，从而得到计及多目标函数的综合解。

4.根据权利要求1所述的柔性环网控制系统运行及潮流优化方法，其特征在于：步骤S3的步骤2)中，对约束条件式(4)进行模糊化处理时，约束条件的模糊化是指求解处理中采用软约束条件，即在必要时允许一定程度的溢出约束条件范围。