CN104600651B - 一种电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电网中220k V及以下等级的输电线路防覆冰方法，属于电力、电气传输技术领域。该方法，执行步骤如下：1）根据收集到的线路覆冰信息和气象信息，并结合SCADA系统确定电网的冰情状态；2）根据冰情状态确定协调优化控制策略，生成相应控制命令；3）根据步骤2）中的防覆冰控制命令或融冰控制命令对电网中各输电线路上的变压器及无功补偿装置进行控制，通过对输电线路两端调压绕组的投切及无功补偿装置根据调压绕组的投切所引起的线路无功功率变化的动态投切，以保证电网的稳定运行。该方法使得输电线路的防覆冰处理实时可控，免去了过往防覆冰处理中的一些不得不面对的问题，使得经济效益和工作效率上都明显提高。

Description

一种电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法

技术领域

本发明涉及一种防覆冰方法，属于电力、电气传输技术领域。

背景技术

伴随输电网的大规模建设，越来越多的电气元件(架空线、杆塔、变压器等)暴露在自然环境中，进一步增加了电网停运的风险。根据地理气象条件及相关历史数据分析，世界范围内已进入灾害多发期，并且从近些年的统计情况来看，灾害的频率、强度以及波及范围也在不断加剧。而在诸多自然灾害中，冰灾作为发生频率高、持续时间长、影响范围广、破坏强度大的主要自然灾害，已经严重影响了电力系统的正常运行，给人类社会造成了巨大的损失。

除冰防冰方法、技术的研究与应用是世界性的难题，国内外对此进行着长期的研究。目前大约有30多种处于各种阶段的除冰防冰方法和技术，归纳起来大致可以分为以下几类：热力除冰法、机械除冰法、自然被动法和其他除冰法。

典型的热力除冰技术有高压直流电流除冰技术、交流电流除冰技术、脉冲电热除冰技术、高电流密度熔冰法以及1988～1990年由武汉高压研究所研制的低居里磁热线除冰法、我国一直采用和加拿大Manitoba水电局采用的短路电流融冰法等靠电热自行加热输电线路使覆冰融化的方法。低居里磁热线除冰法存在一个问题，当环境温度达到除冰要求进行除冰作业之后，在环境温度不发生变化的情况下，铁磁材料依旧产生热耗损，影响线路传输功率。而短路电流融冰法，需将所要融冰的输电线路停下来，且合闸冲击可能造成系统稳定破坏事故。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种主要针对220kV及以下电压等级的输电线路的防覆冰方法。

本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法，执行步骤如下：

1)根据收集到的线路覆冰信息和气象信息，并结合SCADA系统确定所述电网的冰情状态；

所述冰情状态分为正常状态和紧急状态；

所述SCADA系统定时收集所述电网中各输电线路上的电压、电流信息；

2)根据所述冰情状态确定协调优化控制策略，生成相应控制命令；

当所述冰情状态为正常状态时，以线路防覆冰为主要控制策略，以线路融冰为次要控制策略，确定目标函数并调用协调优化算法，生成防覆冰控制命令；

当所述冰情状态为紧急状态时，以线路融冰为主要控制策略，以线路防覆冰为次要控制策略，确定目标函数并调用协调优化算法，生成融冰控制命令；

3)根据步骤2)中所述的防覆冰控制命令或融冰控制命令对所述电网中各输电线路上的变压器及无功补偿装置进行控制，通过对所述输电线路两端调压绕组的投切及所述无功补偿装置根据所述调压绕组的投切所引起的线路无功功率变化的动态投切，以保证所述电网的稳定运行；

无功补偿装置为动态补偿电容器；

步骤2)中的所述协调优化算法如下，

$\left\{\begin{array}{c}F=min(f_1+f_2+f_3)\\ s.t.h\left(x^{\′}\right(nT),u^{\′}(nT\left)\right)=0\\ g\left(x^{\′}\right(nT\left)\right)\≥0\\ u^{\′}\left(nT\right)=u\left(nT\right)+\mathrm{\Δ}u\left(nT\right)\\ \left|\right|\mathrm{\Δ}u\left(nT\right)\left|\right|\≤\mathrm{\Δ}u{\left(nT\right)}_{\max }\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1=\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}{V}_i\underset{j\∈i}{\Σ}{V}_i{G}_{ij}{\mathrm{cos\θ}}_{ij}\\ f_2=\mathrm{\λ}\left(l\right)\underset{l=1}{\overset{Nt}{\Σ}}{P}_{lloss}\\ f_3=\mathrm{\ζ}\left(i\right)\underset{i=1}{\overset{N}{\Σ}}|U_i-U_{irat}|\end{array}\right.,$

$\mathrm{\&lambda;}\left(l\right)=\left\{\begin{array}{cc}C& P_{lloss}<P_{lloss\min }\\ 0& P_{lloss}\&GreaterEqual;P_{lloss\min }\end{array}\right.,$

$\mathrm{\&zeta;}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{C}_1& U_{i\min }>U_i{\mathrm{UU}}_i>U_{i\max }\\ 0& U_{i\min }\&le;U_i\&le;U_{i\max }\end{array}\right.,$

式中，F为目标函数，f₁为第一子目标函数、f₂为第二子目标函数，f₃为第三子目标函数，第一罚函数λ，第二罚函数ζ，x(nT)为第nT个采样时刻时调节前的状态变量，u(nT)为第nT个采样时刻时控制变量，正数常量C、C₁；

所述状态变量包括所述电网中的节点的集合N、所述节点数的电势V、所述电网中线路两端节点i、j的电导G_ij、所述电网中线路两端节点i、j的相角差θ_ij、单线路l、所述电网内所有易覆冰线路的集合N_t、所述单线路不覆冰损耗P_lloss和所述单线路的临界不覆冰损耗P_{l loss min}；

所述控制变量包括防覆冰变压器变比、动态补偿电容器电容及节点i上指定电压值U_i、节点i上指定电压幅值U_{i rat}、指定电压幅值的最大值U_{i max}、指定电压幅值的最小值U_{i min}；

式中，u'(nT)为调节后的控制变量，Δu(nT)为防覆冰变压器变比的修正量和动态补偿电容器投切的修正量，即控制变量u(nT)的增量；x'(nT)为调节后的状态变量；s.t.h为满足等式约束的约束条件，g为满足电网安全稳定要求的约束条件。

上述技术方案的改进：在步骤3)中，同时采用监测外界气象环境变化的方式，评估当前的冰情状态与当前气象环境的目标状态的差距，依据步骤3)中采用的调控方式进行自适应调整。

上述技术方案的改进：若自适应调整后，紧急状态仍未解除，则由SCADA系统进行协调优化。

上述技术方案的改进：所述正常状态是所述电网的拓扑结构完整、满足全部符合供电需求量且所述输电线路未出现覆冰现象或出现少量覆冰迹象，但不影响所述输电线路的安全运行；所述紧急状态是所述输电线路上出现大量覆冰。

上述技术方案的改进：所述气象信息是指当前气象信息或未来24小时的气象预测信息。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：该方法依据线路覆冰情况划分正常状态与紧急状态，根据协调优化控制对输电线路进行动态防覆冰处理，在输电线路防覆冰的同时兼顾了防覆冰效果的经济性与适用性，该方法可以用作整体做宏观调控运行也可用作局部自治运行，或宏观局部配合运行，加速冰情处理，使得输电线路的冰情可以尽快解除并保持正常稳定运行，既免去停机维护也省去常规检修的过程。保证了供电-用电持续性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图1是本发明的电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法的整体流程图。

图2是本发明的电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法的单体流程图。

图3是本发明的电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法的整体与局部之间的的交互过程结构框图。

图4是本发明的电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法的局部内的交互过程结构框图。

具体实施方式

实施例

如图1、2所示的本实施例的一种电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法，执行步骤如下：

1)根据收集到的线路覆冰信息和气象信息，并结合SCADA系统确定电网的冰情状态；

冰情状态分为正常状态和紧急状态；

SCADA系统定时收集电网中各输电线路上的电压、电流信息；

2)根据冰情状态确定协调优化控制策略，生成相应控制命令；

当冰情状态为正常状态时，以线路防覆冰为主要控制策略，以线路融冰为次要控制策略，确定目标函数并调用协调优化算法，生成防覆冰控制命令；

当冰情状态为紧急状态时，以线路融冰为主要控制策略，以线路防覆冰为次要控制策略，确定目标函数并调用协调优化算法，生成融冰控制命令；

3)根据步骤2)中的防覆冰控制命令或融冰控制命令对电网中各输电线路上的变压器及无功补偿装置进行控制，通过对输电线路两端调压绕组的投切及无功补偿装置根据调压绕组的投切所引起的线路无功功率变化的动态投切，以保证电网的稳定运行；

无功补偿装置为动态补偿电容器；

步骤2)中的协调优化算法如下，

$\left\{\begin{array}{c}F=min(f_1+f_2+f_3)\\ s.t.h\left(x^{\&prime;}\right(nT),u^{\&prime;}(nT\left)\right)=0\\ g\left(x^{\&prime;}\right(nT\left)\right)\&GreaterEqual;0\\ u^{\&prime;}\left(nT\right)=u\left(nT\right)+\mathrm{\&Delta;}u\left(nT\right)\\ \left|\right|\mathrm{\&Delta;}u\left(nT\right)\left|\right|\&le;\mathrm{\&Delta;}u{\left(nT\right)}_{\max }\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{V}_i\underset{j\&Element;i}{\&Sigma;}{V}_i{G}_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}\\ f_2=\mathrm{\&lambda;}\left(l\right)\underset{l=1}{\overset{Nt}{\&Sigma;}}{P}_{lloss}\\ f_3=\mathrm{\&zeta;}\left(i\right)\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}|U_i-U_{irat}|\end{array}\right.,$

$\mathrm{\&lambda;}\left(l\right)=\left\{\begin{array}{cc}C& P_{lloss}<P_{lloss\min }\\ 0& P_{lloss}\&GreaterEqual;P_{lloss\min }\end{array}\right.,$

$\mathrm{\&zeta;}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{C}_1& U_{i\min }>U_i{\mathrm{UU}}_i>U_{i\max }\\ 0& U_{i\min }\&le;U_i\&le;U_{i\max }\end{array}\right.,$

式中，F为目标函数，f₁为第一子目标函数、f₂为第二子目标函数，f₃为第三子目标函数，第一罚函数λ，第二罚函数ζ，x(nT)为第nT个采样时刻时调节前的状态变量，u(nT)为第nT个采样时刻时控制变量，正数常量C、C₁；

状态变量包括电网中的节点的集合N、节点数的电势V、电网中线路两端节点i、j的电导G_ij、电网中线路两端节点i、j的相角差θ_ij、单线路l、电网内所有易覆冰线路的集合N_t、单线路不覆冰损耗P_lloss和单线路的临界不覆冰损耗P_{l loss min}；此外状态变量还可以包括当时线路上的冰情状况。

控制变量包括防覆冰变压器变比、动态补偿电容器电容及节点i上指定电压值U_i、节点i上指定电压幅值U_{i rat}、指定电压幅值的最大值U_{i max}、指定电压幅值的最小值U_{i min}；

式中，u'(nT)为调节后的控制变量，Δu(nT)为防覆冰变压器变比的修正量和动态补偿电容器投切的修正量，即控制变量u(nT)的增量；x'(nT)为调节后的状态变量；s.t.h为满足等式约束的约束条件，g为满足电网安全稳定要求的约束条件。

本实施例的在步骤3)中，同时采用监测外界气象环境变化的方式，评估当前的冰情状态与当前气象环境的目标状态的差距，依据步骤3)中采用的调控方式进行自适应调整。

本实施例的若自适应调整后，紧急状态仍未解除，则由SCADA系统进行协调优化。

SCADA系统作为现行常用系统可以根据已有的数据信息很好的便是当前线路的冰情状态。

本实施例正常状态是电网的拓扑结构完整、满足全部符合供电需求量且输电线路未出现覆冰现象或出现少量覆冰迹象，但不影响输电线路的安全运行；紧急状态是输电线路上出现大量覆冰。

本实施例的气象信息是指当前气象信息或未来24小时的气象预测信息。

如图1所示，本实施例的地区调度管理Agent单元、协调优化控制Agent单元，以及控制执行Agent单元；其中调度管理Agent单元与协调优化控制Agent单元双向连接，地区调度管理Agent单元包括电网冰情监测系统、工作站、数据库，以及与SCADA系统连接的接口；协调优化控制Agent单元与控制执行Agent单元双向连接，控制执行Agent单元包括防覆冰变压器、动态补偿电容器。

如图3、4所示的地区调度管理Agent单元和协调优化控制Agent单元设置在地区电网调度中心，功能是从全网角度制定系统的优化控制目标，生成相应的控制策略，并对控制执行Agent单元的控制结果进行校正。

控制执行Agent单元设置在安装覆冰自动防御控制系统的目标变电站内，其功能是根据本地采集到的电压、电流以及控制对象的运行状态对上级Agent单元的控制方法进行修正，并将修正结果返回给上级Agent单元，直到最终达成一致生成控制决策。

各层次Agent单元在一定的规则和协调方式下形成一个有序的Agent群体。低层次的控制执行Agent单元一方面根据感知的环境信息自行完成特定的控制任务，另一方面接受高层次协调优化Agent单元的控制指令，反馈任务执行信息，并与其他低层次控制执行Agent单元分享任务，实现协调控制。

协调优化控制Agent单元分为正常状态和紧急状态。正常状态对应于电网拓扑结构完整，满足全部负荷供电量需求，输电线路出现覆冰的迹象，则系统按照调度管理Agent单元的要求以防覆冰方式运行。正常状态下的控制目标需要兼顾防覆冰效果及系统运行的经济性。紧急状态对应于线路已经出现大量覆冰，系统按照调度管理Agent协调优化控制Agent单元的要求以融冰方式运行，紧急状态下的控制目标考虑融冰效果及电网的稳定性。

的协调优化控制Agent单元首先细化由地区调度管理Agent单元的传递下来针对不同状态(正常状态或紧急状态)的控制目标，对控制过程进行逻辑分析，使系统控制过程满足一定的运行约束条件，包括状态变量约束、控制变量约束、防覆冰强制约束等，然后采用协调优化算法对控制目标进行求解，量化控制指标，最终确定并产生一系列合理的优化指令，并将其分解为控制执行Agent单元可识别操作的动作序列；当电网处于正常状态时，控制系统以防覆冰方式运行，控制目标兼顾防覆冰效果及系统运行的经济性。此时，协调级控制系统是控制的中心，采用优化协调算法对控制目标进行求解，并得出相应的优化控制指令。在紧急状态下，执行级控制系统可以以自治的方式快速动作。如果动作后，紧急状态仍未解除，则由协调级控制系统负责进行协调优化。

的基于多代理的输电线路覆冰自动防御系统，其特征在于：的控制执行Agent单元负责定时采集输电线路的电压、电流等信息上传至SCADA系统，并接受协调优化控制Agent单元下达的控制命令，按照控制装置(防覆冰变压器、动态补偿电容器)的控制规律，实现就地控制。防覆冰变压器根据控制命令实现调压绕组的投切，以降低或提高待处理线路两端母线的电压，达到提高或降低线路工作电流的目的。并联电容器则根据调压绕组投切引起的线路无功功率变化动态投切，保证防覆冰期间电网的电压稳定。

同时，控制执行Agent单元还具有一定的自治能力，即可以通过监测外界环境的变化，评估当前所处状态与目标状态的差距，并自行做出相应的调节措施。

上式过程中的实现方式多种多样，仅将关键部分思路进行描述，至于所采用的具体算式形式，本领域技术人员将会有多种多样的实现方式，在此不一一列举，但凡与该思路相同的实现形式，当应落入本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法，其特征在于，执行步骤如下：

1)根据收集到的线路覆冰信息和气象信息，并结合SCADA系统确定所述电网的冰情状态；

所述冰情状态分为正常状态和紧急状态；

所述SCADA系统定时收集所述电网中各输电线路上的电压、电流信息；

2)根据所述冰情状态确定协调优化控制策略，生成相应控制命令；

当所述冰情状态为正常状态时，以线路防覆冰为主要控制策略，以线路融冰为次要控制策略，确定目标函数并调用协调优化算法，生成防覆冰控制命令；

当所述冰情状态为紧急状态时，以线路融冰为主要控制策略，以线路防覆冰为次要控制策略，确定目标函数并调用协调优化算法，生成融冰控制命令；

3)根据步骤2)中所述的防覆冰控制命令或融冰控制命令对所述电网中各输电线路上的变压器及无功补偿装置进行控制，通过对所述输电线路两端调压绕组的投切及所述无功补偿装置根据所述调压绕组的投切所引起的线路无功功率变化的动态投切，以保证所述电网的稳定运行；

无功补偿装置为动态补偿电容器；

步骤2)中的所述协调优化算法如下，

$\left\{\begin{array}{c}F=min(f_1+f_2+f_3)\\ s.t.h\left(x^{\&prime;}\right(nT),u^{\&prime;}\left(nT\right))=0\\ g\left(x^{\&prime;}\right(nT))\&GreaterEqual;0\\ u^{\&prime;}\left(nT\right)=u\left(nT\right)+\mathrm{\&Delta;}u\left(nT\right)\\ \left|\right|\mathrm{\&Delta;}u\left(nT\right)\left|\right|\&le;\mathrm{\&Delta;}u{\left(nT\right)}_{\max }\end{array}\right.,$

$\left\{\begin{array}{c}{f}_1=\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}{V}_i\underset{j\&Element;i}{\&Sigma;}{V}_j{G}_{ij}{\mathrm{cos\&theta;}}_{ij}\\ f_2=\mathrm{\&lambda;}\left(l\right)\underset{l=1}{\overset{Nt}{\&Sigma;}}{P}_{lloss}\\ f_3=\mathrm{\&zeta;}\left(i\right)\underset{i=1}{\overset{N}{\&Sigma;}}|U_i-U_{irat}|\end{array}\right.,$

$\mathrm{\&lambda;}\left(l\right)=\left\{\begin{array}{cc}C& P_{lloss}<P_{lloss\min }\\ 0& P_{lloss}\&GreaterEqual;P_{lloss\min }\end{array}\right.,$

$\mathrm{\&zeta;}\left(i\right)=\left\{\begin{array}{cc}{C}_1& U_{i\min }>U_i{\mathrm{UU}}_i>U_{imax}\\ 0& U_{i\min }\&le;U_i\&le;U_{i\max }\end{array}\right.,$

式中，F为目标函数，f₁为第一子目标函数、f₂为第二子目标函数，f₃为第三子目标函数，第一罚函数λ，第二罚函数ζ，x(nT)为第nT个采样时刻时调节前的状态变量，u(nT)为第nT个采样时刻时控制变量，正数常量C、C₁；

所述状态变量包括所述电网中的节点的集合N、所述节点数的电势V、所述电网中线路两端节点i、j的电导G_ij、所述电网中线路两端节点i、j的相角差θ_ij、单线路l、所述电网内所有易覆冰线路的集合N_t、所述单线路不覆冰损耗P_lloss和所述单线路的临界不覆冰损耗P_llossmin；

所述控制变量包括防覆冰变压器变比、动态补偿电容器电容及节点i上指定电压值U_i、节点i上指定电压幅值U_irat、指定电压幅值的最大值U_imax、指定电压幅值的最小值U_imin；

式中，u'(nT)为调节后的控制变量，Δu(nT)为防覆冰变压器变比的修正量和动态补偿电容器投切的修正量，即控制变量u(nT)的增量；x'(nT)为调节后的状态变量；s.t.h为满足等式约束的约束条件，g为满足电网安全稳定要求的约束条件。

2.如权利要求1所述的电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法，其特征在于：在步骤3)中，同时采用监测外界气象环境变化的方式，评估当前的冰情状态与当前气象环境的目标状态的差距，依据步骤3)中采用的调控方式进行自适应调整。

3.如权利要求2所述的电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法，其特征在于：若自适应调整后，紧急状态仍未解除，则由SCADA系统进行协调优化。

4.如权利要求1所述的电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法，其特征在于：所述正常状态是所述电网的拓扑结构完整、满足全部符合供电需求量且所述输电线路未出现覆冰现象或出现少量覆冰迹象，但不影响所述输电线路的安全运行；所述紧急状态是所述输电线路上出现大量覆冰。

5.如权利要求1所述的电网中220kV及以下等级的输电线路防覆冰方法，其特征在于：所述气象信息是指当前气象信息或未来24小时的气象预测信息。