CN107069699B - 一种电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明根据预想故障集中的某一失稳算例，通过仿真得到不实施紧急控制时的仿真结果，再结合扩展等面积法则，直接计算各紧急控制措施的性能指标，从而确定各紧急控制措施性价比，根据性价比由高到低选择紧急控制措施，直至暂态稳定裕度高于事先所设定的下限；若稳定裕度超出设定上限，则进一步修正当前紧急控制策略，得到最优紧急控制策略。本发明可用于离线紧急控制策略整定或在线预决策紧急控制策略的快速搜索，能够快速确定最优紧急控制策略，为制定稳控措施提供决策依据，有利于提高紧急控制策略搜索的精度和速度，使系统运行更具安全性和经济性。

Description

一种电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体而言涉及一种电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法。

背景技术

随着新型设备的投入，特高压交直流混合电网的建立，跨区电网的互联，电网的安全稳定控制越来越复杂。其中，传统安全稳定控制措施之一：电力系统紧急控制，在保护电力系统安全稳定运行过程中发挥了重要作用。电力系统紧急控制措施包括切机、切负荷、直流调制、快关气门、串联或并联补偿、备用电源投入、解列等。近年来，大型能源基地的开发、新能源大规模外送、全国电网互联等，电网运行复杂性大大提高，出现一些新型安全稳定问题，这对安全稳定控制系统的要求更高。而紧急控制措施也出现一些新特征，比如直流紧急功率调制已经作为交直流输电通道故障时的紧急控制手段之一，FACTS装备、大功率储能也能提高系统暂态稳定性。那么如何从这些紧急控制措施之中快速搜索出性价比高的控制措施并制定最优紧急控制策略尤为重要，对提高电力系统暂态稳定性意义重大。

电力系统紧急控制策略的形式主要有“离线预决策，实时匹配”、“在线预决策，实时匹配”、“实时计算,实时控制”三种。后两种对控制算法和硬件设施要求极高，还没有广泛应用，第一种紧急控制策略依赖于离线生成的策略表。目前常用的紧急控制策略搜索方法有枚举法、性价比法和二分法。

枚举法虽然算法简单，容易实现，但是对于实际电网，枚举法计算量过大，运算时间过长，应用起来比较难，并且枚举法一般不考虑不同紧急控制措施的性能差异；性价比法虽然考虑到各个紧急控制措施的性能差异，搜索速度快，但是按照性价比由高到低逐个采取紧急控制措施，直至暂态稳定裕度高于事先所设定的下限，存在过控现象，得到的紧急控制策略不一定是最优的；二分法在搜索之前需要重新排列候选控制空间，每次改变候选紧急控制措施均需重新排列计算量较大。

发明内容

本发明的目的是：为克服传统紧急控制措施策略搜索方法难以兼顾搜索精度和速度，提出了一种电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法。该方法可用于离线紧急控制策略整定或在线预决策紧急控制策略快速搜索，有利于提高紧急控制策略搜索的精度和速度，使系统运行更具有安全性和经济性。

本发明是采用以下的技术方案实现的，包括下列步骤：

1)针对预想故障，进入步骤2)；

2)根据预想故障和当前已经实施的紧急控制策略，确定紧急控制搜索空间，计算紧急控制搜索空间中每一控制措施的性能指标，进入步骤3)；

3)根据紧急控制时刻OMIB等值机的功率差，根据约束条件确定候选控制措施，由候选控制措施组成候选控制措施空间，计算每一个候选控制措施的性价比指标，并按照候选控制措施的性价比由高到低进行排序，进入步骤4)；

4)判断候选控制措施空间是否为空，若候选控制措施空间为空，则发出无法找到合适的紧急控制策略警告，结束本方法，否则进入步骤5)；

5)选择性价比最高的紧急控制措施加入之前的紧急控制策略形成当前紧急控制策略，并利用EEAC求得实施当前紧急控制策略后的稳定裕度η，进入步骤6)；

6)判断实施当前紧急控制策略后的稳定裕度η是否满足要求，若不满足要求，则在紧急控制搜索空间中剔除当前紧急控制策略中的控制措施，返回步骤2)；若满足要求，确定紧急控制策略，进入步骤7)；

7)判断当前紧急控制策略是否需要修正，若不需要则说明当前紧急控制策略为最优紧急控制策略，结束本方法，否则进入步骤8)；

8)对当前紧急控制策略进行修正，结束本方法。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)中，紧急控制搜索空间中每一控制措施的性能指标的计算公式如下：

上式中，γ为每一控制措施的性能指标，Δη为实施紧急控制前后系统稳定裕度的变化量；A₃为实施紧急控制后OMIB等值机增加的减速面积；

为对应控制措施下OMIB等值机的加速面积；ΔP为每一控制措施的控制量。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)中，确定候选控制措施空间的约束条件为：

γ_i为第i个控制措施的性能指标，

为采取第i个控制措施后OMIB等值机功率差变化量，ε₁取0.01，ε₂取0.1；

各候选控制措施性价比指标计算公式如下：

其中，α_i为第i个候选控制措施的性价比指标，C_i为第i个候选控制措施的控制代价。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤7)中，判断当前紧急控制策略是否需要修正的条件为：

η>η₃ (4)

其中，η₃为设置的安全暂态稳定裕度范围上限。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤8)中，对当前紧急控制策略进行修正的方法为：

定义第i个候选控制措施的有效控制量

为：

ΔP_i为第i个候选控制措施的控制量；

则当前紧急控制策略的修正有效控制量之和

为：

其中，j为紧急控制策略不修正时总共采取的控制措施数；

为第j个候选控制措施的有效控制量；η₁为加入第j-1个候选控制措施后的暂态稳定裕度；η₂为设置的安全暂态稳定裕度范围下限,η₄为加入第j个候选控制措施后的暂态稳定裕度；

修正紧急控制策略的数学模型为：

其中，ΔP′为总控制量，q为候选控制措施数量；若第i个候选控制措施被执行则n_i＝1，否则n_i＝0。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤8)中，采用贪心算法求解修正紧急控制策略数学模型。

本发明的有益效果如下：本发明能够快速确定最优紧急控制策略，为制定稳控措施提供决策依据，有利于提高紧急控制策略搜索的精度和速度，特别适用于离线紧急控制策略整定或在线预决策紧急控制策略的快速搜索，使系统运行更具安全性和经济性。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为简单电力系统示意图。

图3为切除不同性能指标发电机的功角曲线。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。

本实施例以图2所示简单电力系统为例。该系统中G1～G10为同步发电机，G1～G10有功出力分别为84MW、84MW、336MW、336MW、84MW、84MW、336MW、336MW、1054MW、2000MW。G11、G12、G13为风力发电机，G11、G12每台有功出力为210MW，G13有功出力420WM，母线5与母线6之间通过直流直接连接。

图1中步骤1描述的是，针对预想故障，进入步骤2)开始本方法。电力系统运行过程中，常见故障有单相短路、相间短路、三相短路，变压器故障，发电机组故障，母线故障等等，现在随着特高压交直流的大电网逐步成型，发生闭锁故障、换相失败故障、重启动失败故障的风险逐渐提高，区域电网之间单一故障转化成多重故障、相继故障的概率增加。

本实施例为说明起见，利用时域仿真法对预想故障集中的故障进行暂态仿真，任意选择某一失稳算例作为预想故障，以此对本方法的以下步骤进行说明。如设本实施例中，0s时刻母线1至母线2之间的一条线路靠近母线2的地方发生三相短路故障，0.1s断开该线路故障消除。仿真计算可得的系统暂态功角失稳，稳定裕度为-24.05％。

图1中步骤2描述的是，根据预想故障和当前已经实施的紧急控制策略，确定可行的控制措施，形成紧急控制搜索空间，并计算紧急控制搜索空间中每一控制措施的性能指标，进入步骤3。常见的用于紧急控制的电力系统控制措施包括切机、切负荷、直流调制、快关气门、串联或并联补偿、备用电源投入、解列等。

紧急控制搜索空间中每一控制措施的性能指标的计算公式如下：

上式中，γ为每一控制措施的性能指标，Δη为实施紧急控制前后系统稳定裕度的变化量；A₃为实施紧急控制后OMIB等值机增加的减速面积；

为对应控制措施下OMIB等值机的加速面积；ΔP为每一控制措施的控制量。

本实施例中，为简便分析只考虑切除同步发电机措施，则紧急控制搜索空间为[G1，G2，G3，G4，G5，G6，G7，G8]。利用式(1)计算紧急控制搜索空间各控制措施的性能指标可得G1～G8的性能指标为[0.1754 0.1754 0.1561 0.1561 0.1344 0.1344 0.13070.1307]。

由性能指标结果可知：发电机G1～G4的性能指标均要高于发电机G5～G8。发电机G1和G5的有功出力相同，但是性能指标不一样，切除性能指标不一样的发电机系统的功角曲线是不相同的。从图3中很明显看出，切除发电机G1比切除发电机G5的DSP点更大，减速面积更大，切除G1比切除G5效果更好，系统暂态稳定性更高。

图1中步骤3描述的是，根据紧急控制时刻OMIB等值机的功率差，根据约束条件确定候选控制措施，由候选控制措施组成候选控制措施空间，计算每一个候选控制措施的性价比指标，并按照候选控制措施的性价比由高到低进行排序，进入步骤4。

确定候选控制措施空间的约束条件为：

γ_i为第i个控制措施的性能指标，

为采取第i个控制措施后OMIB等值机功率差变化量，ε₁取0.01，ε₂取0.1；

各候选控制措施性价比指标计算公式如下：

其中，α_i为第i个候选控制措施的性价比指标，C_i为第i个候选控制措施的控制代价。

本实施例中，根据式(2)可得本实施例中候选控制措施空间为[G1，G2，G3，G4，G5，G6，G7，G8]。由于G1～G8均为火力发电厂同步发电机组，可近似认为G1～G8的切机代价相同，为了方便计算，不妨假设C_i＝1万元/MW，i＝0,1,2,3…..8。根据式(3)可得到紧急控制搜索空间中各措施的性价比，如图2所示。按照性价比由高到低得到候选控制空间为[G1，G2，G3，G4，G5，G6，G7，G8]。

图1中步骤4描述的是，判断候选控制措施空间是否为空，若候选控制措施空间为空，则发出无法找到合适的紧急控制策略警告，结束本方法，否则进入步骤5。

本实施例中，候选控制措施空间显然不为空，故进入步骤5。

图1中步骤5描述的是，更新当前紧急控制策略，即选取性价比最高的紧急控制策略加入到之前的紧急控制策略中，得到新的紧急控制策略。然后利用扩展等面积方法(EEAC)进行暂态稳定裕度量化评估，求得实施当前紧急控制策略后的稳定裕度η，进入步骤6。其中暂态稳定裕度量化评估，为成熟现有技术，可见《运动稳定性量化理论——非自治非线性多刚体系统的稳定性分析》(薛禹胜著，南京：江苏科学技术出版社，1999.12版)。

本实施例中，系统不采取紧急控制措施，暂态稳定裕度为-24.05％，系统失稳；选择候选控制措施空间性价比最高的紧急控制措施：切除发电机G1。切除发电机G1后暂态稳定裕度为-9.32％。

图1中步骤6描述的是，判断实施当前紧急控制策略后的稳定裕度η是否满足要求，若不满足要求，则在紧急控制搜索空间中剔除当前控制策略中的控制措施，返回步骤2；若满足要求，确定新的紧急控制策略，进入步骤7。

我国现行的《电力系统安全稳定导则》对系统运行的暂态稳定裕度有一定的要求，规定系统必须能够承受一定的扰动。本实施例设定暂态稳定裕度范围为20％～50％，暂态稳定裕度低于20％，系统抗扰动能力不足，失稳风险过大，暂态稳定裕度高于50％，紧急控制量过大，造成紧急控制代价过大。切除G1后暂态稳定裕度为-9.32％，系统不稳定；根据候选控制措施空间性价比排列顺序，需继续切除发电机G2、G3，切除G3后暂态稳定裕度为76.68％，满足最小稳定裕度20％的要求，紧急控制策略为切除[G1，G2，G3]，总控制量为504MW，控制代价为504万元。

图1中步骤7描述的是，判断当前紧急控制策略是否需要修正，若不需要则说明当前紧急控制即为最优紧急控制策略，结束本方法，否则进入步骤8)。

判断当前紧急控制策略是否需要修正的条件为：

η>η₃ (4)

其中，η₃为设置的安全暂态稳定裕度范围上限。

本实施例设定的稳定裕度上限为50％，切除G3后，暂态稳定裕度大于50％，紧急控制措施过切，需要对现有紧急控制策略进行修正，进入步骤8)。

图1中步骤8描述的是，对当前紧急控制策略进行修正，得到最优紧急控制策略。对当前紧急控制策略进行修正的方法为：

定义第i个候选控制措施的有效控制量

为：

ΔP_i为第i个候选控制措施的控制量；

则当前紧急控制策略的修正有效控制量之和

为：

其中，j为紧急控制策略不修正时总共采取的控制措施数；

为第j个候选控制措施的有效控制量；η₁为加入第j-1个候选控制措施后的暂态稳定裕度；η₂为设置的安全暂态稳定裕度范围下限,η₄为加入第j个候选控制措施后的暂态稳定裕度；

修正紧急控制策略的数学模型为：

其中，ΔP′为总控制量，q为候选控制措施数量；若第i个候选控制措施被执行则n_i＝1，否则n_i＝0。

根据式(5)和式(6)可得各控制措施的有效控制量为：[14.73 14.73 52.45 52.4511.29 11.29 43.92 43.92]。

采用贪心算法求解上述修正紧急控制策略数学模型。贪心算法又称贪婪算法，是一种常用的求解问题的算法，其思路是通过一系列的分级处理来得到待解决问题的最优解，它的每一次选择是在当前状态下的最优选择，也就是贪心选择，先求出每个问题的局部最优解，继而得到整个问题的最优解。

也就是说，控制策略修正过程就是在紧急控制代价和暂态稳定裕度之间找到平衡。其主要步骤为：首先根据候选控制空间紧急控制措施的性价比从大到小排列各控制措施，性价比值放在向量a中，位置向量放在向量b中，按照贪心策略，首先考虑性价比最高的控制措施，即控制措施b(n)，当采取该措施后暂态稳定裕度不满足要求，则累计采取该措施成本和切机量，并继续采取下一个紧急控制措施b(n-1)，如此循环，直至满足要求。按照这种方法得到紧急切机控制策略为最优控制控制策略。

本实施例结合等式(7)和式(8)利用贪心算法求解，求解过程如下：

候选控制空间中各控制措施的有效控制量如表1所示。根据公式(6)可求得修正控制量之和

性价比由低到高排列向量为a＝[0.1754 0.1754 0.15610.1561 0.1344 0.1344 0.1307 0.1307]，位置向量b＝[1 2 3 4 5 6 7 8]。

表1

利用贪心算法求得的终的紧急控制策略为：切除发电机G1、G2、G5、G6，总切机量为336MW，总紧急控制代价为336万元。与采用性价比方法得出的修正前控制策略相比，减控制量168MW，降低控制费用168万元。具体对比结果如表2所示。

表2

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (5)

1.一种电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)针对预想故障，进入步骤2)；

2)根据预想故障和当前已经实施的紧急控制策略，确定紧急控制搜索空间，计算紧急控制搜索空间中每一控制措施的性能指标，进入步骤3)；

3)根据紧急控制时刻OMIB等值机的功率差，根据约束条件确定候选控制措施，由候选控制措施组成候选控制措施空间，计算每一个候选控制措施的性价比指标，并按照候选控制措施的性价比由高到低进行排序，进入步骤4)；

确定候选控制措施空间的约束条件为：

γ_i为第i个控制措施的性能指标，

为采取第i个控制措施后OMIB等值机功率差变化量，ε₁取0.01，ε₂取0.1；

各候选控制措施性价比指标计算公式如下：

其中，α_i为第i个候选控制措施的性价比指标，C_i为第i个候选控制措施的控制代价；

4)判断候选控制措施空间是否为空，若候选控制措施空间为空，则发出无法找到合适的紧急控制策略警告，结束本方法，否则进入步骤5)；

5)选择性价比最高的紧急控制措施加入之前的紧急控制策略形成当前紧急控制策略，并利用EEAC求得实施当前紧急控制策略后的稳定裕度η，进入步骤6)；

6)判断实施当前紧急控制策略后的稳定裕度η是否满足要求，若不满足要求，则在紧急控制搜索空间中剔除当前紧急控制策略中的控制措施，返回步骤2)；若满足要求，确定紧急控制策略，进入步骤7)；

7)判断当前紧急控制策略是否需要修正，若不需要则说明当前紧急控制策略为最优紧急控制策略，结束本方法，否则进入步骤8)；

8)对当前紧急控制策略进行修正，结束本方法。

2.根据权利要求1所述的电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法，其特征在于，所述步骤2)中，紧急控制搜索空间中每一控制措施的性能指标的计算公式如下：

上式中，γ为每一控制措施的性能指标，Δη为实施紧急控制前后系统稳定裕度的变化量；A₃为实施紧急控制后OMIB等值机增加的减速面积；

为对应控制措施下OMIB等值机的加速面积；ΔP为每一控制措施的控制量。

3.根据权利要求2所述的电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法，其特征在于，所述步骤7)中，判断当前紧急控制策略是否需要修正的条件为：

η>η₃ (4)

其中，η₃为设置的安全暂态稳定裕度范围上限。

4.根据权利要求3所述的电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法，其特征在于，所述步骤8)中，对当前紧急控制策略进行修正的方法为：

定义第i个候选控制措施的有效控制量

为：

ΔP_i为第i个候选控制措施的控制量；

则当前紧急控制策略的修正有效控制量之和

为：

其中，j为紧急控制策略不修正时总共采取的控制措施数；

为第j个候选控制措施的有效控制量；η₁为加入第j-1个候选控制措施后的暂态稳定裕度；η₂为设置的安全暂态稳定裕度范围下限,η₄为加入第j个候选控制措施后的暂态稳定裕度；

修正紧急控制策略的数学模型为：

其中，ΔP′为总控制量，q为候选控制措施数量；若第i个候选控制措施被执行则n_i＝1，否则n_i＝0。

5.根据权利要求4所述的电力系统最优紧急控制策略快速搜索方法，其特征在于，所述步骤8)中，采用贪心算法求解修正紧急控制策略数学模型。

Images