CN108808738A - 一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，对于电网实时运行时，负荷快速增长、电网故障等引起相关设备潮流越限，需要通过调整机组将越限设备恢复至正常状态。本发明所提方法考虑了约束条件的优先级，将约束条件无法校正量通过相应的惩罚因子加入目标函数，建立考虑约束优先级的安全校正控制模型，采用线性规划法进行迭代求解，从而能够准确得到安全校正控制策略。本方法考虑约束优先级的线性规划法，易于实现，且解决了电网实际运行中出现多支路、断面耦合造成求解校正控制策略困难的问题，能够根据优先级给出缓解设备越限的次优解，具有一定的推广价值和应用前景。

Description

一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法

技术领域

本发明涉及一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，属于电力系统运行和自动化技术领域。

背景技术

目前，随着国民经济的发展、用电负荷的稳步增长、特高压交直流建设，电网运行特性发生了根本变化，呈现出交直流混合运行、外来电源比例大、网络结构复杂、电网安全稳定运行面临巨大挑战等特点。电网在实际运行情况下，负荷的快速增长、电网故障的发生，容易引起电网潮流较大范围的变化及转移，直接导致线路、主变及稳定断面潮流超过热稳定极限。

保证关键设备、关键断面的安全运行，对调度员的快速决断能力提出了更高的要求。因此亟需一种高效可靠的电网安全校正控制策略，帮助调度员制定详细的控制方案，并对控制效果及控制后电网状态有更明确的掌握。通过一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，既能处理多设备同时越限的复杂情况，又能保证无法全部校正时，能根据优先级尽可能的校正最重要的越限设备，为调度员提供了一种快速校正恢复策略，具有重要现实意义和应用推广价值。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的根据电网实际运行中出现多支路、断面耦合造成求解校正控制策略困难的问题，本发明提供一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，考虑关键设备、关键断面的约束优先级，以机组调整量和约束无法校正量的惩罚项最小为目标，通过调整区域内可控机组消除关键设备、关键断面越限。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：获取潮流计算需要的电网模型与实时断面数据，通过潮流计算识别当前越限设备，所述越限设备包括越限支路和越限断面；

步骤2：基于AGC可控机组模型，建立发电机组约束模型；

步骤3：根据越限支路或越限断面计算越限设备对机组的灵敏度信息；

步骤4：设置越限设备的优先级，根据优先级匹配相应惩罚因子，建立考虑约束优先级的安全校正控制模型；

步骤5：建立带惩罚项的线性规划优化模型，采用单纯形法求解该优化模型，求解相关优化结果；

步骤6：根据优化结果，同时能得到越限设备j的无法校正量，若m_j＝0时，表示越限设备能完全校正到限值内时，则校正结束；若m_j＞0时，m_j为越限设备的无法校正量，表示未能将此越限设备校正至限制内，则转入步骤7；

步骤7：针对m_j＞0的无法完全校正的越限设备，重新设置这些无法完全校正的越限设备的优先级，将最关注的越限设备设置优先级别最高，校正此越限设备，转入步骤1；若不重新设置优先级，则计算结束。

作为优选方案，所述步骤1包括：

1-1：获取潮流计算实时断面数据和电网模型，所述断面数据包括：电网模型、系统负荷和发电出力、节点电压幅值与相角、节点类型；所述节点类型包括：PQ节点、PV节点、平衡节点，PQ节点代表有功功率和无功功率给定的节点，PV节点代表有功功率和电压幅值给定的节点；

1-2：进行一次潮流计算，并识别出越限设备，若无越限设备，则结束；若有越限设备，则转入步骤2。

作为优选方案，所述步骤2包括：

2-1：发电机功率调整过程中，要受到最大功率和最小功率的限制，同时机组的功率调整也受到短时间内机组爬坡率的限制；可控发电机的有功出力的不等式约束表达如下：

式中r_i ^p、r_i ^d为发电机组i的上调节速率和下调节速率；t为发电机组的调节时间；u_i0、和分别为发电机组i有功当前值、有功上限值、有功下限值；分别为发电机组i的上调节量和下调节量；

2-2：实际运行中调度员监控的对象通常是以建立在机组之上的PLC电厂控制器为控制目标，因此机组的调整措施也要考虑PLC的限制；

式中Δu_i为发电机组i的实际调节量，n_c为PLC电厂控制器j包含发电机组的数目；p_{j_plcmax}和p_{j_plcmin}分别为PLC电厂控制器j的有功上限值、有功下限值。

作为优选方案，所述步骤3包括：

3-1：支路有功灵敏度是指支路有功对节点有功注入或对机组有功出力的灵敏度，反映了节点有功注入或机组有功出力变化时对支路有功潮流的影响，其公式如下：

S＝HB'^-1 (3)

式中，称为支路有功功率灵敏度矩阵，反映了节点有功注入的增量对支路有功的影响，表示N_l×(n-1)维实数矩阵；B'∈R^(n-1)×(n-1)，是PQ解耦潮流的系数矩阵，R^(n-1)×(n-1)表示(n-1)×(n-1)维实数矩阵； 表示(n-1)×N_l维实数矩阵；设线路k所连两端母线为a与b，对于该线路，在H矩阵中的第k行，除了第a列的第b列的之外，其余元素值全为零；x_ab为线路k的电抗；N_l为支路总数，系统节点数目为n；

3-2：断面潮流是组成断面的各条支路的潮流之和，由于支路的潮流都是有方向的，所以断面潮流也是有方向的，它清晰的反映了断面所连接的两地区之间的功率交换关系；

计算出支路的灵敏度，根据公式计算出任一潮流断面的灵敏度；设由N_b条支路组成的潮流断面记作：

根据定义，潮流断面T的潮流等于其所有支路有方向的潮流之和，即

因而，潮流断面T对系统中任一节点i的有功注入的灵敏度为：

式中，S_ki表示支路k对节点i的有功注入的灵敏度，其值取自式(3)中S矩阵中对应的数值；的值，当支路k的方向与潮流断面方向一致时取1，当支路k的方向与潮流断面方向相反时取-1；P_k表示支路k的有功潮流，P_i表示节点i的有功注入。

作为优选方案，所述步骤4包括：

4-1：考虑约束优先级的电网安全校正控制策略的求解是一个优化问题，对应的目标函数根据约束优先级增加约束无法校正的惩罚项：

式中是可控机组i的上调节控制成本系数和下调节控制成本系数；n_ct为可控机组的数目；n_ov为越限设备数目；m_j为越限设备j的无法校正量；M_j为越限设备j的约束优先级对应的惩罚因子；即为约束无法校正的惩罚项；

4-2：不等式约束包括支路约束和稳定断面约束，公式如下：

式中S_ij为越限设备j对发电机组i的灵敏度，其值对应步骤3的计算方法；P_j0、P_jmin和P_jmax分别为越限设备当前潮流值、越限设备潮流下限值和越限设备潮流上限值；

4-3：考虑约束优先级的设备越限约束模型，公式如下：

式中m_j为越限设备j的无法校正量，当越限设备j能校正到限值内时，m_j＝0；

根据设备越上限和越下限需分别按如下公式转化为线性规划标准约束模型：

设备越上限时约束模型：

设备越下限时约束模型：

4-4：等式约束为系统功率平衡，因此发电机有功功率的调整受到系统有功功率平衡的等式约束，公式如下：

式中S_loss,i为发电机组i的网损灵敏度，反映了发电机组的网损特性。

作为优选方案，所述步骤5包括：结合式1、2、7、10、11、12建立带惩罚项的线性规划优化模型，采用单纯形法求解该优化模型，求解得到发电机组i的上调整量和下调整量进而得到发电机机组i的实际调整量

有益效果：本发明提供的一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，对于电网实时运行时，负荷快速增长、电网故障等引起相关设备(包括线路、主变和稳定断面，下同)潮流越限，需要通过调整机组将越限设备恢复至正常状态。不考虑约束优先级的校正控制方法收敛性差，无法解决多支路、断面越限耦合严重的问题，导致控制策略无法生成，影响调度员快速制定详细的控制方案，保证关键设备安全运行。

本发明所提方法考虑了约束条件的优先级，将约束条件无法校正量通过相应的惩罚因子加入目标函数，建立考虑约束优先级的安全校正控制模型，采用线性规划法进行迭代求解，从而能够准确得到安全校正控制策略。本方法考虑约束优先级的线性规划法，易于实现，且解决了电网实际运行中出现多支路、断面耦合造成求解校正控制策略困难的问题，能够根据优先级给出缓解设备越限的次优解，具有一定的推广价值和应用前景。

通过考虑约束优先级，采用带约束惩罚项的线性规划算法，实现优化安全校正策略计算，模型简单，易于求解，具有很好的收敛性，为调度员提供了一种快速校正恢复策略，具有一定的推广价值和应用前景。具体具有以下的优点：

1.考虑约束优先级的线性规划法，利用约束惩罚项建立优化模型，易于实现，收敛性好。

2.解决了多设备同时越限，出现耦合情况而无法实现安全校正控制的问题。

3.可以灵活设越限设备优先级，优先校正关键设备。

附图说明

图1考虑约束优先级的电网安全校正控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1：获取潮流计算需要的电网模型与实时断面数据，通过潮流计算识别当前越限设备，所述越限设备包括越限支路和越限断面。

1-1：获取潮流计算实时断面数据和电网模型，所述断面数据包括：电网模型、系统负荷和发电出力、节点电压幅值与相角、节点类型；所述节点类型包括：PQ节点、PV节点、平衡节点，PQ节点代表有功功率和无功功率给定的节点，PV节点代表有功功率和电压幅值给定的节点；

1-2：进行一次潮流计算，并识别出越限设备，若无越限设备，则结束；若有越限设备，则转入步骤2。

步骤2：基于AGC可控机组模型，建立发电机组约束模型。

2-1：发电机功率调整过程中，要受到最大功率和最小功率的限制，同时机组的功率调整也受到短时间内机组爬坡率的限制；可控发电机的有功出力的不等式约束表达如下：

式中r_i ^p、r_i ^d为发电机组i的上调节速率和下调节速率；t为发电机组的调节时间；u_i0、和分别为发电机组i有功当前值、有功上限值、有功下限值；分别为发电机组i的上调节量和下调节量；

2-2：实际运行中调度员监控的对象通常是以建立在机组之上的PLC电厂控制器为控制目标，因此机组的调整措施也要考虑PLC的限制；

式中Δu_i为发电机组i的实际调节量，n_c为PLC电厂控制器j包含发电机组的数目；p_{j_plcmax}和p_{j_plcmin}分别为PLC电厂控制器j的有功上限值、有功下限值。

步骤3：根据越限支路或越限断面计算越限设备对机组的灵敏度信息。

3-1：支路有功灵敏度是指支路有功对节点有功注入或对机组有功出力的灵敏度，反映了节点有功注入或机组有功出力变化时对支路有功潮流的影响，其公式如下：

S＝HB'^-1 (3)

式中，称为支路有功功率灵敏度矩阵，反映了节点有功注入的增量对支路有功的影响，表示N_l×(n-1)维实数矩阵；B'∈R^(n-1)×(n-1)，是PQ解耦潮流的系数矩阵，R^(n-1)×(n-1)表示(n-1)×(n-1)维实数矩阵； 表示(n-1)×N_l维实数矩阵；设线路k所连两端母线为a与b，对于该线路，在H矩阵中的第k行，除了第a列的第b列的之外，其余元素值全为零；x_ab为线路k的电抗；N_l为支路总数，系统节点数目为n；

3-2：断面潮流是组成断面的各条支路的潮流之和，由于支路的潮流都是有方向的，所以断面潮流也是有方向的，它清晰的反映了断面所连接的两地区之间的功率交换关系；

计算出支路的灵敏度，根据公式计算出任一潮流断面的灵敏度；设由N_b条支路组成的潮流断面记作：

根据定义，潮流断面T的潮流等于其所有支路有方向的潮流之和，即

因而，潮流断面T对系统中任一节点i的有功注入的灵敏度为：

式中，S_ki表示支路k对节点i的有功注入的灵敏度，其值取自式(3)中S矩阵中对应的数值；的值，当支路k的方向与潮流断面方向一致时取1，当支路k的方向与潮流断面方向相反时取-1；P_k表示支路k的有功潮流，P_i表示节点i的有功注入。

步骤4：设置越限设备的优先级，根据优先级匹配相应惩罚因子，建立考虑约束优先级的安全校正控制模型。

4-1：考虑约束优先级的电网安全校正控制策略的求解是一个优化问题，对应的目标函数根据约束优先级增加约束无法校正的惩罚项：

式中是可控机组i的上调节控制成本系数和下调节控制成本系数；n_ct为可控机组的数目；n_ov为越限设备数目；m_j为越限设备j的无法校正量；M_j为越限设备j的约束优先级对应的惩罚因子；即为约束无法校正的惩罚项；

4-2：不等式约束包括支路约束和稳定断面约束，公式如下：

式中S_ij为越限设备j对发电机组i的灵敏度，其值对应步骤3的计算方法；P_j0、P_jmin和P_jmax分别为越限设备当前潮流值、越限设备潮流下限值和越限设备潮流上限值；

4-3：考虑约束优先级的设备越限约束模型，公式如下：

式中m_j为越限设备j的无法校正量，当越限设备j能校正到限值内时，m_j＝0；

根据设备越上限和越下限需分别按如下公式转化为线性规划标准约束模型：

设备越上限时约束模型：

设备越下限时约束模型：

4-4：等式约束为系统功率平衡，因此发电机有功功率的调整受到系统有功功率平衡的等式约束，公式如下：

式中S_loss,i为发电机组i的网损灵敏度，反映了发电机组的网损特性。

步骤5：结合式(1)、(2)、(7)、(10)、(11)、(12)建立带惩罚项的线性规划优化模型，采用单纯形法求解该优化模型，求解得到发电机组i的上调整量和下调整量进而得到发电机机组i的实际调整量

步骤6：根据优化结果，同时能得到越限设备j的无法校正量，若m_j＝0时，表示越限设备能完全校正到限值内时，则校正结束；若m_j＞0时，m_j为越限设备的无法校正量，表示未能将此越限设备校正至限制内，则转入步骤7；

步骤7：针对m_j＞0的无法完全校正的越限设备，重新设置这些无法完全校正的越限设备的优先级，将最关注的越限设备设置优先级别最高，校正此越限设备，转入步骤1；若不重新设置优先级，则计算结束。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤1：获取潮流计算需要的电网模型与实时断面数据，通过潮流计算识别当前越限设备，所述越限设备包括越限支路和越限断面；

步骤2：基于AGC可控机组模型，建立发电机组约束模型；

步骤3：根据越限支路或越限断面计算越限设备对机组的灵敏度信息；

步骤4：设置越限设备的优先级，根据优先级匹配相应惩罚因子，建立考虑约束优先级的安全校正控制模型；

步骤5：建立带惩罚项的线性规划优化模型，采用单纯形法求解该优化模型，求解相关优化结果；

步骤6：根据优化结果，同时能得到越限设备j的无法校正量，若m_j＝0时，表示越限设备能完全校正到限值内时，则校正结束；若m_j＞0时，m_j为越限设备的无法校正量，表示未能将此越限设备校正至限制内，则转入步骤7；

步骤7：针对m_j＞0的无法完全校正的越限设备，重新设置这些无法完全校正的越限设备的优先级，将最关注的越限设备设置优先级别最高，校正此越限设备，转入步骤1；若不重新设置优先级，则计算结束。

2.根据权利要求1所述的一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，其特征在于：所述步骤1包括：

1-1：获取潮流计算实时断面数据和电网模型，所述断面数据包括：电网模型、系统负荷和发电出力、节点电压幅值与相角、节点类型；所述节点类型包括：PQ节点、PV节点、平衡节点，PQ节点代表有功功率和无功功率给定的节点，PV节点代表有功功率和电压幅值给定的节点；

1-2：进行一次潮流计算，并识别出越限设备，若无越限设备，则结束；若有越限设备，则转入步骤2。

3.根据权利要求2所述的一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，其特征在于：所述步骤2包括：

2-1：发电机功率调整过程中，要受到最大功率和最小功率的限制，同时机组的功率调整也受到短时间内机组爬坡率的限制；可控发电机的有功出力的不等式约束表达如下：

式中r_i ^p、r_i ^d为发电机组i的上调节速率和下调节速率；t为发电机组的调节时间；u_i0、和分别为发电机组i有功当前值、有功上限值、有功下限值；分别为发电机组i的上调节量和下调节量；

2-2：实际运行中调度员监控的对象通常是以建立在机组之上的PLC电厂控制器为控制目标，因此机组的调整措施也要考虑PLC的限制；

式中Δu_i为发电机组i的实际调节量，n_c为PLC电厂控制器j包含发电机组的数目；p_{j_plcmax}和p_{j_plcmin}分别为PLC电厂控制器j的有功上限值、有功下限值。

4.根据权利要求3所述的一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，其特征在于：所述步骤3包括：

3-1：支路有功灵敏度是指支路有功对节点有功注入或对机组有功出力的灵敏度，反映了节点有功注入或机组有功出力变化时对支路有功潮流的影响，其公式如下：

S＝HB'^-1 (3)

式中，称为支路有功功率灵敏度矩阵，反映了节点有功注入的增量对支路有功的影响，表示N_l×(n-1)维实数矩阵；B'∈R^(n-1)×(n-1)，是PQ解耦潮流的系数矩阵，R^(n-1)×(n-1)表示(n-1)×(n-1)维实数矩阵； 表示(n-1)×N_l维实数矩阵；设线路k所连两端母线为a与b，对于该线路，在H矩阵中的第k行，除了第a列的第b列的之外，其余元素值全为零；x_ab为线路k的电抗；N_l为支路总数，系统节点数目为n；

3-2：断面潮流是组成断面的各条支路的潮流之和，由于支路的潮流都是有方向的，所以断面潮流也是有方向的，它清晰的反映了断面所连接的两地区之间的功率交换关系；

计算出支路的灵敏度，根据公式计算出任一潮流断面的灵敏度；设由N_b条支路组成的潮流断面记作：

根据定义，潮流断面T的潮流等于其所有支路有方向的潮流之和，即

因而，潮流断面T对系统中任一节点i的有功注入的灵敏度为：

式中，S_ki表示支路k对节点i的有功注入的灵敏度，其值取自式(3)中S矩阵中对应的数值；的值，当支路k的方向与潮流断面方向一致时取1，当支路k的方向与潮流断面方向相反时取-1；P_k表示支路k的有功潮流，P_i表示节点i的有功注入。

5.根据权利要求4所述的一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，其特征在于：所述步骤4包括：

4-1：考虑约束优先级的电网安全校正控制策略的求解是一个优化问题，对应的目标函数根据约束优先级增加约束无法校正的惩罚项：

式中 是可控机组i的上调节控制成本系数和下调节控制成本系数；n_ct为可控机组的数目；n_ov为越限设备数目；m_j为越限设备j的无法校正量；M_j为越限设备j的约束优先级对应的惩罚因子；即为约束无法校正的惩罚项；

4-2：不等式约束包括支路约束和稳定断面约束，公式如下：

式中S_ij为越限设备j对发电机组i的灵敏度，其值对应步骤3的计算方法；P_j0、P_jmin和P_jmax分别为越限设备当前潮流值、越限设备潮流下限值和越限设备潮流上限值；

4-3：考虑约束优先级的设备越限约束模型，公式如下：

式中m_j为越限设备j的无法校正量，当越限设备j能校正到限值内时，m_j＝0；

根据设备越上限和越下限需分别按如下公式转化为线性规划标准约束模型：

设备越上限时约束模型：

设备越下限时约束模型：

4-4：等式约束为系统功率平衡，因此发电机有功功率的调整受到系统有功功率平衡的等式约束，公式如下：

式中S_loss,i为发电机组i的网损灵敏度，反映了发电机组的网损特性。

6.根据权利要求5所述的一种考虑约束优先级的电网安全校正控制方法，其特征在于：所述步骤5包括：结合式1、2、7、10、11、12建立带惩罚项的线性规划优化模型，采用单纯形法求解该优化模型，求解得到发电机组i的上调整量和下调整量进而得到发电机机组i的实际调整量