CN107528315A - 一种多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法，以最小化大规模停电事故发生概率为目标，考虑电力平衡、单一电源占比、多直流馈入短路比、正常方式状态等一系列约束，构建了电网分区规模及联结方案优化问题对应的数学模型；考虑到网架实际建设条件及规划工作关注重点，以“最小单元”为基础，提出了表征电网分区规模及联结方案的变量表达方法，以两两最小单元间的联结方案为待求变量；采用启发式算法和声搜索求解所发展的数学模型；提供了一种定量化、精益化开展多直流馈入电网网架形态及结构规划研究的方法，从停电风险控制角度得出电网分区规模及联结优化方案。

Description

一种多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法

技术领域

本发明属于电力系统规划技术领域，具体涉及到一种多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法。

背景技术

多直流馈入受端电网往往具有大规模、高强度联结、网架耦合紧密特征。一方面，这是系统具备一定充裕度、满足稳定约束、直流安全运行的客观要求，另一方面，也导致了系统交互影响突出、停电风险控制困难等问题。其中，合理控制同步电网规模、优化电网联结方案是提高多直流馈入受端电网应对复杂性故障、防范由于交直流交互反应导致大面积停电事故的措施之一，是实际电网发展规划工作的重要问题。目前，这方面研究以“试探型“方法为主，即规划专家根据经验拟定若干个分区及联结方案，通过逐一计算各方案技术经济性能而得出推荐方案。这类方法有较大的局限性，如电网分区规模与联结方案是两个交互影响的因素：在分区内部联结较强条件下可能能够实现更多的电网分区，从而更大程度上提高系统事故范围控制能力，同样地，同等分区规模条件下改变内部联结方案也可能能够进一步改善电网安全性能，人工试探的方法难以同时协调各方面因素取得一个更优的方案。一些研究也提出通过数学方法优化输电网结构，但其关注点主要在于局部线路的增加及扩容，而不是宏观网架形态上的构建。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法,该方法能够优化多直流馈入受端电网分区规模及联结方案，使得进一步改善电网安全性能。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：一种多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：制定待规划电网基础条件，所述的电网基础条件包括研究水平年的电源、负荷、变电站、直流逆变站接入位置；

S02：确定求解变量X数量及各变量的候选解：对于给定的待规划电网，由规划专家划分最小单元，所述的最小单元为变电站、发电机组、直流逆变站，单元内部各节点联结方案是确定的，任2个最小单元间的联结方案即为所述求解变量X，规划专家指定两两最小单元间的可行、待选联结方案，并进行编号，作为对应变量的候选解；

S03：指定分区规模及联结优化数学模型中的参数，所述的分区规模及联结优化数学模型中的参数包括：大规模停电对应负荷损失规模、备用率最低要求、单一电源所允许最大占比、直流多馈入短路比最小值；

S04：采用和声搜索算法求解分区规模及联结优化数学问题，得出两两最小单元间的推荐联结方案；所述的和声搜索是一种模拟乐师调音过程的启发式算法，其计算过程包括初始化、排序、产生新解、更新记忆库。

进一步地，步骤S04中所述的计算过程具体包括以下步骤：

S041：设置和声搜索算法参数：K^max、H、η₁、η₂，其中，K^max为算法最大迭代次数；H为和声记忆库容量，即计算中储存的解的数量；η₁为在和声记忆库以外随机生成新解的概率，且η₁的取值范围为0＜η₁＜1；η₂为对新解中各变量产生随机扰动的概率，所述的η₂的取值范围为0＜η₂＜1。优选地，算法前期为加大搜索范围，η₁取较大值，其中η₁＞0.5；中后期为加快收敛，η₁取较小值其中η₁＜0.2；

S042：随机生成H个解，逐一对各解进行约束条件检验及目标函数计算，按目标函数值由小到大排列，即为初始和声记忆库。

S043：从迭代次数K＝0开始，产生新解X'_K；

S044：以概率1-η₁随机指定和声记忆库内任意解作为新解，以η₁概率在和声记忆库外的可行域中产生新解，对于在记忆库中指定的新解，对其中各变量以概率η₂产生扰动；

S045：对新解X'_K进行目标函数计算和约束校核，若目标函数f(X'_K)小于和声记忆库中最后一位解的目标函数，则该解替换作为一位解，并按照目标函数由小到大顺序重新排列和声记忆库中的解；否则，放弃该解；

S046：若K＜K^max，则K＝K+1，返回步骤S044；否则输出和声记忆库中排位第一的解作为推荐解。

进一步地，S043中所述的目标函数计算采用非序贯蒙特卡洛仿真法求解目标函数。

进一步地，所述的数学模型目标函数为最小化电网大规模停电事故发生概率：

minf(X)＝p_X{P^L≥ε×P}

式中：P为待规划电网负荷总量；P^L为停电负荷；ε为电网定义的大规模停电对应的损失负荷占总负荷比例；p_X{P^L≥ε×P}表示电网发生停电负荷占全网负荷比例超过ε的概率；X为一组表示两两最小单元间联结方案的离散型变量；基于电力系统基础理论及相关安全规定，该模型中的约束条件包括：

(1)电力平衡及备用率约束：任一同步分区内电源容量能够满足相应分区的负荷且留有一定备用；

式中：分别表示联结方案X下第i个同步分区中的电源容量和负荷总量；α为所要求的最小备用率；

(2)单一电源占比约束：任一同步分区内单一电源容量不超过分区负荷的一定比例；

式中：为联结方案X中第i个同步分区最大单一电源容量；β为单一电源容量占负荷比例的最大允许值；

(3)多馈入直流短路比约束：为保障直流安全运行，任一直流多馈入短路比不低于指定值；

MSCR_k≥LCC

式中：MSCR_k为电网中第k回直流的多馈入短路比；LCC为规定的多馈入短路比最小值；

(4)短路电流约束，短路电流不超过开关遮断容量；

式中：分别为厂站g母线的三相、单相短路电流；I^max为开关最大遮断电流；

(5)正常运行方式约束：

A.发电机有功、无功出力约束：所安排的机组出力不超过允许范围；

式中：为机组e所允许的最小、最大有功出力；分别为机组e所允许的最小、最大无功出力；机组e所安排的有功、无功出力；

B.主变、线路负载约束：设备潮流不超过设备所允许的容量；

S^f≤S^f,max

式中：S^f,max为设备f所允许的最大容量；S^f表示设备潮流；

C.节点电压约束：节点电压不超过允许范围；

V^min≤V^j≤V^max

式中：V^j表示节点j电压幅值；V^max、V^min分别表示电网所规定的节点电压上、下限值。

进一步地，步骤S02中所述的求解变量X具体表示方法如下：

假设一个包括n节点的电网，所述的节点包括待规划电网中变电站、直流逆变站、电厂和开关站，经规划专家判断划分为N个最小单元，则X相应包括个待求解变量,对每一个待求解变量规划人员根据研究需求、建设条件等因素指定候选方案，假设最小单元i_A和i_B的联结方案，其中，1≤i_A、i_B≤N，i_A≠i_B，其中第κ个变量有个候选方案，所述的为大于零的整数，为最小单元i_A和i_B可能存在的联结方案数量，则对该电网，求解变量X可行域表示为：

其中：

与现有技术相比，有益效果是：首次提出了大电网网架结构及形态规划定量化研究的设想，并提出了具体方法；基于“最小单元”定义将网架结构及形态过往这一定性的、经验型的复杂对象表达为一定量的离散型变量。

附图说明

图1是所发明的电网分区规模及联结方案优化方法执行流程。

图2是基于非序贯MCS的电网停电风险指标计算执行流程。

图3是 4节点系统最小单元划分示意图。

图4 是3个变量候选解示意图。

图5 是X 3种取值情况所代表的电网分区及联结方案示意图。

图6是 2025年广东500kV电网待规划网架及最小单元划分方案示意图。

图7是广东电网规划年单元5、单元6待选联结方案示意图。

图8是基于本发明所得出的研究年广东500kV电网推荐分区规模及联结方案 (ε＝0.01)。

图9是基于本发明所得出的研究年广东500kV电网推荐分区规模及联结方案 (ε＝0.1)。

图10是基于本发明所得出的研究年广东500kV电网推荐分区规模及联结方案 (ε＝0.25)。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

图1所发明的电网分区规模及联结方案优化方法执行流程。

图2基于非序贯MCS的电网停电风险指标计算执行流程。

以图3所示的4(n＝4)节点系统为例，假设经规划专家判断，节点3、节点 4的联结关系已经确定，则节点3、节点4组成最小单元3，节点1、节点2分别为单元1和单元2，即K＝3，相应的，求解变量为3个最小单元间的两两联结方案：单元1与单元2间的联结方案X^1-2、单元1与单元3的联结方案X^1-3和单元 2与单元3的联结方案X^2-3。假设两两单元间的可选联结方案分别有A、B、C 三个，分别代表的联络方案如图4所示，则对于该4节点电网求解变量及对应的可行域表示为：

X＝(X^1-2,X^1-3,X^2-3)

其中：

依次类推，假设一个包括n节点的电网，经规划专家判断划分为N个最小单元，则X相应包括个待求解变量。

X中3个变量取不同值分别代表了不同的电网分区规模及联结方案。如表示电网只有1个分区，单元1与单元2、单元1与单元3、单元2与单元3间的联系方案均为双回交流线路；表示电网划分为2个分区，单元1、单元2组合为一个同步分区，并通过单回交流线路联络，单元3独立为一个分区；代表电网划分为3个分区， 3个最小单元均保持独立。3种情况所代表的电网分区及联结方案如图5所示。

如图6-10所示，以广东电网2025年研究年为例，说明本发明所提供方法的实施方式。

步骤1：确定2025年广东电网负荷、直流馈入、省内电源、变电站布点、设备故障率等基础规划信息；

步骤2：规划工作人员根据已有电网情况、重点关注断面制定最小单元划分方案及单元间的待选联结方案。所制定的方案具体如附图6所示，共划分了9个最小单元，其中，单个节点的单元主要是待接入的大型骨干电厂。其中，单元5、单元6间的待选联结方案有4个方案：无交流联络、单回交流联络、双回交流联络及双回交流联络加装串抗，如图7所示。

步骤3：参数设置。为反映不同停电规模风险与电网分区、联结方案间的关系，分别考虑了ε＝0.01、ε＝0.1和ε＝0.25三种情况。

步骤4：执行优化算法。

步骤5：向规划人员返回优化方案。

由图8-10可见，不同ε值下本发明方法所提供的电网分区及联结方案是不同的，规律是：ε越大，本发明方法越倾向于提供多分区、分区内部强联结的网架形态方案。这与电力系统基本理论及停电事故规律方面的研究结论是一致的：ε较小时，构建的网架形态方案更趋向于形成一张网式的大系统，因为这类型网架在降低“大概率、小规模”事故发生风险方面更具优势，虽然“小概率、大规模”事故发生风险也包含在目标函数里，但其概率低，对目标函数值贡献小。但大规模同步电网在多重的、复杂性扰动下发生严重停电事故的风险更大，尤其是多直流馈入电网的交直流交互影响特性更增大了电网大面积停电事故的发生风险，因此，在ε增大时，本发明方法更倾向于提供多分区而分区内部联结较强的网架结构，即增加分区控制停电事故发生风险，同时，通过加强分区内部网架联结强度满足多直流馈入短路比、电力传输等约束。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：制定待规划电网基础条件，所述的电网基础条件包括研究水平年的电源、负荷、变电站、直流逆变站接入位置；

S02：确定求解变量X数量及各变量的候选解：对于给定的待规划电网，由规划专家划分最小单元，所述的最小单元为变电站、发电机组、直流逆变站，最小单元内部各节点联结方案是确定的，任2个最小单元间的联结方案即为所述求解变量X，规划专家指定两两最小单元间的可行、待选联结方案，并进行编号，作为对应变量的候选解；

S03：指定分区规模及联结优化数学模型中的参数，所述的分区规模及联结优化数学模型中的参数包括：大规模停电对应负荷损失规模、备用率最低要求、单一电源所允许最大占比、直流多馈入短路比最小值；

S04：采用和声搜索算法求解分区规模及联结优化数学问题，得出两两最小单元间的推荐联结方案；所述的和声搜索是一种模拟乐师调音过程的启发式算法，其计算过程包括初始化、排序、产生新解、更新记忆库。

2.根据权利要求1所述的多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法，其特征在于：步骤S04中所述的计算过程具体包括以下步骤：

S041：设置和声搜索算法参数：K^max、H、η₁、η₂，其中，K^max为算法最大迭代次数；H为和声记忆库容量，即计算中储存的解的数量；η₁为在和声记忆库以外随机生成新解的概率，且η₁的取值范围为0＜η₁＜1；η₂为对新解中各变量产生随机扰动的概率，所述的η₂的取值范围为0＜η₂＜1。

S042：随机生成H个解，逐一对各解进行约束条件检验及目标函数计算，按目标函数值由小到大排列，即为初始和声记忆库。

S043：从迭代次数K＝0开始，产生新解X'_K；

S044：以概率1-η₁随机指定和声记忆库内任意解作为新解，以η₁概率在和声记忆库外的可行域中产生新解，对于在记忆库中指定的新解，对其中各变量以概率η₂产生扰动；

S045：对新解X'_K进行目标函数计算和约束校核，若目标函数f(X'_K)小于和声记忆库中最后一位解的目标函数，则该解替换作为一位解，并按照目标函数由小到大顺序重新排列和声记忆库中的解；否则，放弃该解；

S046：若K＜K^max，则K＝K+1，返回步骤S044；否则输出和声记忆库中排位第一的解作为推荐解。

3.根据权利要求2所述的多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法，其特征在于：S043中所述的目标函数计算采用非序贯蒙特卡洛仿真法求解目标函数。

4.根据权利要求1所述的多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法，其特征在于：所述的数学模型目标函数为最小化电网大规模停电事故发生概率：

min f(X)＝p_X{P^L≥ε×P}

式中：P为待规划电网负荷总量；P^L为停电负荷；ε为电网定义的大规模停电对应的损失负荷占总负荷比例；p_X{P^L≥ε×P}表示电网发生停电负荷占全网负荷比例超过ε的概率；X为一组表示两两最小单元间联结方案的离散型变量；基于电力系统基础理论及相关安全规定，该模型中的约束条件包括：

(1)电力平衡及备用率约束：任一同步分区内电源容量能够满足相应分区的负荷且留有一定备用；

式中：分别表示联结方案X下第i个同步分区中的电源容量和负荷总量；α为所要求的最小备用率；

(2)单一电源占比约束：任一同步分区内单一电源容量不超过分区负荷的一定比例；

式中：为联结方案X中第i个同步分区最大单一电源容量；β为单一电源容量占负荷比例的最大允许值；

(3)多馈入直流短路比约束：为保障直流安全运行，任一直流多馈入短路比不低于指定值；

MSCR_k≥LCC

式中：MSCR_k为电网中第k回直流的多馈入短路比；LCC为规定的多馈入短路比最小值；

(4)短路电流约束，短路电流不超过开关遮断容量；

式中：分别为厂站g母线的三相、单相短路电流；I^max为开关最大遮断电流；

(5)正常运行方式约束：

A.发电机有功、无功出力约束：所安排的机组出力不超过允许范围；

式中：为机组e所允许的最小、最大有功出力；分别为机组e所允许的最小、最大无功出力；机组e所安排的有功、无功出力；

B.主变、线路负载约束：设备潮流不超过设备所允许的容量；

S^f≤S^f,max

式中：S^f,max为设备f所允许的最大容量；S^f表示设备潮流；

C.节点电压约束：节点电压不超过允许范围；

V^min≤V^j≤V^max

式中：V^j表示节点j电压幅值；V^max、V^min分别表示电网所规定的节点电压上、下限值。

5.根据权利要求1所述的多直流馈入受端电网分区规模及联结方案优化方法，其特征在于：步骤S02中所述的求解变量X具体表示方法如下：

假设一个包括n节点的电网，所述的节点包括待规划电网中变电站、直流逆变站、电厂和开关站，经规划专家判断划分为N个最小单元，则X相应包括个待求解变量,对每一个待求解变量规划人员根据研究需求、建设条件等因素指定候选方案，假设最小单元i_A和i_B的联结方案，其中，1≤i_A、i_B≤N，i_A≠i_B，其中第κ个变量有个候选方案，所述的为大于零的整数，为最小单元i_A和i_B可能存在的联结方案数量，则对该电网，求解变量X可行域表示为：

其中：

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