CN109599858A - 交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统优化计算技术领域，尤其涉及一种基于风险的交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化方法，包括：步骤A、提出交直流系统预防控制优化模型；步骤B、提出交直流系统紧急控制优化模型；步骤C、提出交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化模型；步骤D、利用黄金分割法和内点法，对所述协调优化模型求解。算例分析表明，本发明对交直流系统风险有很好的控制效果，具有良好的工程应用前景。

Description

交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化方法

技术领域

本发明属于电力系统优化计算技术领域，尤其涉及一种基于风险的交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，尤其是全控型器件的出现，使得电压源换流器型高压直流输电(Voltage source converter based high voltage direct current，VSC-HVDC)技术成为可能。至今，现代电力系统已经发展为交直流互联的大系统，其规模越来越大，运行方式日益复杂，一些偶然的事件可能会破坏系统的安全稳定运行，造成过载问题、电压问题，甚至诱发连锁故障而造成大面积的停电事故。因此，在系统正常运行的状态下，通过安全分析来研究其状态转移的可能性及其对系统造成的危害程度，并采用适当的控制措施来降低系统的风险，将预防控制与紧急控制有效协调起来，对系统的安全稳定和经济运行具有重要的意义。目前针对交直流系统的研究主要集中于潮流计算、互联变流器控制策略等方面。对交直流系统发生故障的安全稳定控制研究相对较少。少数对交直流系统安全稳定控制的研究，都只从预防控制或者紧急控制单方面着手，并没有考虑两种控制方式的协调。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种基于风险的交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化方法，包括：

步骤A、提出交直流系统预防控制优化模型；

步骤B、提出交直流系统紧急控制优化模型；

步骤C、提出交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化模型；

步骤D、利用黄金分割法和内点法，对所述协调优化模型求解。

所述交直流系统预防控制优化模型包括：

目标函数：

纯交流节点潮流方程约束：

交直流网络相连节点潮流方程约束：

直流网络方程约束:

不等式约束:

其中，

并引入两个函数连续可导函数和对式(7)进行近似连续化处理，同时令：

式中：C_p为预防控制成本；P_Gi和Q_Gi分别为节点i的有功和无功出力；上标s_pre和s₀分别为系统预防控制后的运行状态和预防控制前的初始运行状态；a_pGi和b_pGi分别为节点i有功和无功出力预防控制调节成本系数；N为系统的节点集，F为运行状态集；和为系统在初始运行状态s₀时节点i的有功和无功负荷；为在运行状态s_k时节点i的电压幅值；为在运行状态s_k时i-j支路的电导；为在运行状态s_k时i-j支路的电纳；为运行状态s_k时i-j节点电压相角差；和分别为系统在运行状态s_k时节点i流入换流变压器的有功和无功功率；和分别为系统在运行状态s_k时节点i处VSC直流侧电压和电流幅值；和分别为系统在运行状态s_k时节点i处VSC的调制度和移相角；X_dti为节点i处换流变压器阻抗值；R_dti为节点i处换流器内部损耗等效电阻；Y_di、α_di均为中间变量；G_dij为i-j直流支路的电导；P_Gimax和P_Gimin分别为系统节点i处有功出力的上限和下限；Q_Gimax和Q_Gimin分别为系统节点i处无功出力的上限和下限；V_imax和V_imin分别为系统节点i处电压幅值的上限和下限；P_lmax和P_lmin分别为系统支路l传输有功功率的上限和下限；V_dimax和V_dimin分别为系统节点i处VSC直流侧电压幅值的上限和下限；I_dimax和I_dimin分别为系统节点i处VSC直流侧电流幅值的上限和下限；δ_dimax和δ_dimin分别为系统节点i处VSC移相角的上限和下限；M_dimax和M_dimin分别为系统节点i处VSC调制度的上限和下限；为系统在预防控制后的运行状态s_pre时的总风险指标值，为系统在预防控制前的初始运行状态s₀时的总风险指标值；λ为协调控制系数；为系统在运行状态s_k时支路l的有功功率；为系统运行在状态s_k的概率，即发生第k个故障的概率；为系统在运行状态s_k时的后果值；为系统在运行状态s_k时线路l越限的后果值。

所述步骤交直流系统紧急控制优化模型包括：

目标函数如下：

纯交流节点潮流方程约束：

交直流网络相连节点潮流方程约束：

直流网络方程约束：

不等式约束：

式中：为发生故障k后达到运行状态s_k的紧急控制成本；P_Li和Q_Li分别为节点i的有功和无功负荷；a_eGi和b_eGi分别为节点i有功和无功出力调节成本系数；a_eLi和b_eLi分别为节点i有功和无功负荷调节成本系数；N_G为系统的发电机节点集；N_D为系统的负荷节点集；N为系统的节点集；和为系统在运行状态s_k时节点i的有功和无功出力；和为系统在运行状态s_k时节点i的有功和无功负荷；分别为在运行状态s_k时节点i、j的电压幅值；Y_di、α_di均为中间变量。

所述协调优化模型如下：

式中：C_total为协调控制总成本。

所述步骤D依次包括以下步骤：

步骤D1：设置迭代次数iter＝1，协调控制系数λ上限和下限a＝0，b＝1；

步骤D2：选取两个值λ¹＝a-0.618(b-a)和λ²＝a+0.618(b-a)；

步骤D3：用内点法分别求解λ¹和λ²下的第二层优化问题，即预防控制子问题和各故障下的紧急控制子问题；

步骤D4：根据第二层优化问题的解计算λ¹和λ²对应的控制总成本和

步骤D5：若则λ^best＝λ1，b＝λ²；否则λ^best＝λ²，a＝λ¹；

步骤D6：重复步骤D2-D5，只到满足|a-b|≤ε，此时λ^best对应的预防控制变量和各故障下的紧急控制变量即为协调控制问题的最优解。

本发明的有益效果：

本发明结合预防控制和紧急控制的特点，提出了一种基于风险的交直流系统准稳态预防和紧急协调控制双层优化模型，对于模型中不可导的故障后果值计算函数，近似用一个连续可导函数代替，使该优化模型变成常见的非线性优化模型；并结合黄金分割法和内点法求解该双层优化模型。算例分析表明，本发明对交直流系统风险有很好的控制效果，具有良好的工程应用前景。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明实施例的系统接线图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

如图1所示，本发明实施例的基于风险的交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化方法包括下列步骤：

步骤A：提出交直流系统预防控制优化模型；

步骤B：提出交直流系统紧急控制优化模型；

步骤C：提出交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化模型；

步骤D：利用黄金分割法和内点法，对步骤C得到的协调优化模型求解。

为了更好的表述模型公式，先假设如下，运行状态集s₀为系统初始运行状态，s_k为第k个故障下运行状态，n_c为预想故障总数；N为系统的节点集；N_AC为系统的纯交流节点集；N_DC为系统的交直流网络相连节点集；N_G为系统的发电机节点集；N_L为系统的支路集；N_D为系统的负荷节点集；为在运行状态s_k时节点i的电压幅值；为在运行状态s_k时i-j支路的电导；为在运行状态s_k时i-j支路的电纳；为运行状态s_k时i-j节点电压相角差；不标上标的变量代表此变量与运行状态无关；模型公式中已出现过的变量不再加以解释。

所述步骤A依次包括以下步骤：

步骤A1：建立交直流系统预防控制优化模型目标函数如下：

式中：C_p为预防控制成本；P_Gi和Q_Gi分别为节点i的有功和无功出力；上标s_pre和s₀分别为系统预防控制后的运行状态和预防控制前的初始运行状态；a_pGi和b_pGi分别为节点i有功和无功出力预防控制调节成本系数。

步骤A2：建立交直流系统预防控制优化模型等式约束如下：

纯交流节点潮流方程约束：

式中： 和为系统在初始运行状态s₀时节点i的有功和无功负荷。

交直流网络相连节点潮流方程约束：

式中： 和分别为系统在运行状态s_k时节点i流入换流变压器的有功和无功功率。

直流网络方程约束:

式中： 和分别为系统在运行状态s_k时节点i处VSC直流侧电压和电流幅值；和分别为系统在运行状态s_k时节点i处VSC的调制度和移相角；X_dti为节点i处换流变压器阻抗值；R_dti为节点i处换流器内部损耗等效电阻。

步骤A3：建立交直流系统预防控制优化模型不等式约束如下：

不等式约束:

式中： 为系统在预防控制后的运行状态s_pre时的总风险指标值，为系统在预防控制前的初始运行状态s₀时的总风险指标值；λ为协调控制系数；下文将会对 做详细解释；为系统在运行状态s_k时支路l的有功功率；P_Gimax和P_Gimin分别为系统节点i处有功出力的上限和下限；Q_Gimax和Q_Gimin分别为系统节点i处无功出力的上限和下限；V_imax和V_imin分别为系统节点i处电压幅值的上限和下限；P_lmax和P_lmin分别为系统支路l传输有功功率的上限和下限，需要说明的是，本发明计及了有功功率的流向，故P_lmin为负值；V_dimax和V_dimin分别为系统节点i处VSC直流侧电压幅值的上限和下限；I_dimax和I_dimin分别为系统节点i处VSC直流侧电流幅值的上限和下限；δ_dimax和δ_dimin分别为系统节点i处VSC移相角的上限和下限；M_dimax和M_dimin分别为系统节点i处VSC调制度的上限和下限。

对和做详细解释如下：

式中：为系统运行在状态s_k的概率，即发生第k个故障的概率；为系统在运行状态s_k时的后果值；为系统在运行状态s_k时线路l越限的后果值。

一般认为：

由于式(7)不是连续可导的函数，就很难采用计算速度快的内点法求解，故引入两个函数连续可导函数和对式(7)进行近似连续化处理，同时令： 求取方法与类似，此处不再赘述。

所述步骤B依次包括以下步骤：

步骤B1：建立交直流系统紧急控制优化模型目标函数如下：

式中：为发生故障k后达到运行状态s_k的紧急控制成本；P_Li和Q_Li分别为节点i的有功和无功负荷；上标s_k和s_pre分别为系统在发生故障k时紧急控制后的运行状态和预防控制后的运行状态；a_eGi和b_eGi分别为节点i有功和无功出力紧急控制成本系数；a_eLi和b_eLi分别为节点i有功和无功负荷紧急控制成本系数。

步骤B2：建立交直流系统紧急控制优化模型等式约束如下：

纯交流节点潮流方程约束：

式中： 和为系统在运行状态s_k时节点i的有功和无功出力；和为系统在运行状态s_k时节点i的有功和无功负荷。

交直流网络相连节点潮流方程约束：

直流网络方程约束：

步骤B3：建立交直流系统紧急控制优化模型不等式约束如下：

所述步骤C依次包括以下步骤：

步骤C1：提出协调控制双层优化模型如下

式中：C_total为协调控制总成本。

所述步骤D依次包括以下步骤：

步骤D1：设置迭代次数iter＝1，协调控制系数λ上限和下限a＝0，b＝1；

步骤D2：选取两个值λ¹＝a-0.618(b-a)和λ²＝a+0.618(b-a)；

步骤D3：用内点法分别求解λ¹和λ²下的第二层优化问题，即预防控制子问题和各故障下的紧急控制子问题；

步骤D4：根据第二层优化问题的解计算λ¹和λ²对应的控制总成本和

步骤D5：若则λ^best＝λ¹，b＝λ²；否则λ^best＝λ²，a＝λ¹；

步骤D6：重复步骤D2-D5，只到满足|a-b|≤ε，此时λ^best对应的预防控制变量和各故障下的紧急控制变量即为协调控制问题的最优解。

本发明的原理说明如下：

本发明结合预防控制和紧急控制的特点，提出了一种基于风险的交直流系统准稳态预防和紧急协调控制双层优化模型，对于模型中不可导的故障后果值计算函数，近似用一个连续可导函数代替，使该优化模型变成常见的非线性优化模型；并结合黄金分割法和内点法求解该双层优化模型。

实施例1：

设定利用修改的IEEE标准系统检验该发明方法，对IEEE-9节点系统进行适当处理：在节点5和节点8间增加一条直流输电线路；节点1,2,3是发电机节点；节点7,9为带无功补偿装置节点；预想事故集为线路5-6和8-9。测试环境为PC机，CPU为Intel(R)Core(TM)i3M370、主频为2.40GHz、内存2.00GB。最终的优化结果如下表所示：

表1预防控制结果

表2紧急控制结果

通过本发明的方法，可以得到最优风险控制系数为0.56，最优控制成本为4251.13美元。其中对表格内容说明如下：

表1为在给定最优风险控制系数的情况下，进行相应的预防控制，发电机及带无功补偿装置的有功出力或无功出力相对于初始运行情况的变化量，进行预防控制的成本为764.32美元。

表2为在预防控制后，若故障真实发生，则对该故障采取对应的紧急控制措施，即进行切机、切负荷处理。各故障对应的切机、切负荷量是相对于预防控制后的运行情况的变化量,以及对应紧急控制措施产生的紧急控制成本。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于风险的交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化方法，其特征在于，包括：

步骤A、提出交直流系统预防控制优化模型；

步骤B、提出交直流系统紧急控制优化模型；

步骤C、提出交直流系统预防控制和紧急控制的协调优化模型；

步骤D、利用黄金分割法和内点法，对所述协调优化模型求解。

2.根据权利要求1上述方法，其特征在于，所述交直流系统预防控制优化模型包括：

目标函数：

纯交流节点潮流方程约束：

交直流网络相连节点潮流方程约束：

直流网络方程约束:

不等式约束:

其中，

并引入两个函数连续可导函数和对式(7)进行近似连续化处理，同时令：

式中：C_p为预防控制成本；P_Gi和Q_Gi分别为节点i的有功和无功出力；上标s_pre和s₀分别为系统预防控制后的运行状态和预防控制前的初始运行状态；a_pGi和b_pGi分别为节点i有功和无功出力预防控制调节成本系数；N为系统的节点集，F为运行状态集；和为系统在初始运行状态s₀时节点i的有功和无功负荷；为在运行状态s_k时节点i的电压幅值；为在运行状态s_k时i-j支路的电导；为在运行状态s_k时i-j支路的电纳；为运行状态s_k时i-j节点电压相角差；和分别为系统在运行状态s_k时节点i流入换流变压器的有功和无功功率；和分别为系统在运行状态s_k时节点i处VSC直流侧电压和电流幅值；和分别为系统在运行状态s_k时节点i处VSC的调制度和移相角；X_dti为节点i处换流变压器阻抗值；R_dti为节点i处换流器内部损耗等效电阻；Y_di、α_di均为中间变量；G_dij为i-j直流支路的电导；P_Gimax和P_Gimin分别为系统节点i处有功出力的上限和下限；Q_Gimax和Q_Gimin分别为系统节点i处无功出力的上限和下限；V_imax和V_imin分别为系统节点i处电压幅值的上限和下限；P_lmax和P_lmin分别为系统支路l传输有功功率的上限和下限；V_dimax和V_dimin分别为系统节点i处VSC直流侧电压幅值的上限和下限；I_dimax和I_dimin分别为系统节点i处VSC直流侧电流幅值的上限和下限；δ_dimax和δ_dimin分别为系统节点i处VSC移相角的上限和下限；M_dimax和M_dimin分别为系统节点i处VSC调制度的上限和下限；为系统在预防控制后的运行状态s_pre时的总风险指标值，为系统在预防控制前的初始运行状态s₀时的总风险指标值；λ为协调控制系数；为系统在运行状态s_k时支路l的有功功率；为系统运行在状态s_k的概率，即发生第k个故障的概率；为系统在运行状态s_k时的后果值；为系统在运行状态s_k时线路l越限的后果值。

3.根据权利要求2上述方法，其特征在于，所述步骤交直流系统紧急控制优化模型包括：

目标函数如下：

纯交流节点潮流方程约束：

交直流网络相连节点潮流方程约束：

直流网络方程约束：

不等式约束：

式中：为发生故障k后达到运行状态s_k的紧急控制成本；P_Li和Q_Li分别为节点i的有功和无功负荷；a_eGi和b_eGi分别为节点i有功和无功出力调节成本系数；a_eLi和b_eLi分别为节点i有功和无功负荷调节成本系数；N_G为系统的发电机节点集；N_D为系统的负荷节点集；N为系统的节点集；和为系统在运行状态s_k时节点i的有功和无功出力；和为系统在运行状态s_k时节点i的有功和无功负荷；分别为在运行状态s_k时节点i、j的电压幅值；Y_di、α_di均为中间变量。

4.根据权利要求3上述方法，其特征在于，所述协调优化模型如下：

式中：C_total为协调控制总成本。

5.根据权利要求4上述方法，其特征在于，所述步骤D依次包括以下步骤：

步骤D1：设置迭代次数iter＝1，协调控制系数λ上限和下限a＝0，b＝1；

步骤D2：选取两个值λ¹＝a-0.618(b-a)和λ²＝a+0.618(b-a)；

步骤D3：用内点法分别求解λ¹和λ²下的第二层优化问题，即预防控制子问题和各故障下的紧急控制子问题；

步骤D4：根据第二层优化问题的解计算λ¹和λ²对应的控制总成本和

步骤D5：若则λ^best＝λ¹，b＝λ²；否则λ^best＝λ²，a＝λ¹；

步骤D6：重复步骤D2-D5，只到满足|a-b|≤ε，此时λ^best对应的预防控制变量和各故障下的紧急控制变量即为协调控制问题的最优解。