CN109713730A - 一种电网系统的最大受电规模的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网系统的最大受电规模的计算方法，包括以下步骤：先获取发电机的发电功率、发电机成本参数、发电机开关机状态、发电机是否进行开机或关机动作，以及获取直流馈入功率和直流馈入功率成本，其中，发电机成本参数包括发电机的发电功率带来的环保和经济价值、发电机运行所需的固定成本、发电机开机动作所需的成本、发电机关机动作所需的成本和发电机的功率成本；再根据上述参数计算出电网系统的最大受电规模。本发明大大提高了电网系统最大受电规模计算的准确度和合理性。

Description

一种电网系统的最大受电规模的计算方法

技术领域

本发明涉及电网规划与运行技术领域，具体涉及一种电网系统的最大受电 规模的计算方法。

背景技术

我国能源资源与负荷中心呈逆向分布，东部负荷中心电网需接受多回远距 离、大容量的高压直流输电，同时结合交流互联电网的电力互济，以满足日益 增加的用电需求。以华东多直流馈入电网中的江苏电网为例，作为全国用电负 荷最高的省级电网之一，高峰负荷方式下，除通过直流输电接受来自西南的水 电和北部的煤电外，还需要通过与其交流互联的其他省级电网实现电力供给。 由于受环保要求约束和政策影响，江苏省内燃煤机组逐步退役，本地开机规模 下降，接受外来电力占比不断增加。因此为评估电网的受电能力，需对电网的 最大受电规模进行计算，以提升负荷中心电网的供电安全性、可靠性与经济性。 但是现有的受电规模的计算方法，计算准确度较低，不利于电网受电能力的准 确评估。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种电网系统的最大受电规模的计算方 法，能够提高电网系统的最大受电规模的计算准确度。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

一种电网系统的最大受电规模的计算方法，包括以下步骤：

1)获取发电机的发电功率、发电机成本参数、发电机开关机状态、发电机 是否进行开机或关机动作，以及获取直流馈入功率和直流馈入功率成本；

所述发电机成本参数包括发电机的发电功率带来的环保和经济价值、发电 机运行所需的固定成本、发电机开机动作所需的成本、发电机关机动作所需的 成本和发电机的功率成本；

2)根据发电机的发电功率、发电机成本参数、发电机开关机状态、发电机 是否进行开机或关机动作、直流馈入功率和直流馈入功率成本计算出电网系统 的最大受电规模。

所述步骤2)中的电网系统的最大受电规模由以下公式得出：

式中，R_t表示t时间段内电网系统的最大受电规模；

O代表区域外发电机集合；

G_it表示t时间段发电机i的发电功率；

w_it表示t时间段发电机i发电功率带来的环保和经济价值；

I_it表示t时间段发电机i的开关机状态，当发电机i开机时，I_it＝1，当发电 机i关机时，I_it＝0；

f_it表示t时间段发电机i运行所需的固定成本；

M_it表示发电机开机动作，当发电机i在t时间段初始时刻进行了开启动作 时，M_it＝1，当发电机i在t时间段初始时刻未进行开启动作时，M_it＝0；

s_it表示在t时间段发电机i开机动作所需的成本；

N_it表示发电机关机动作，当发电机i在t时间段初始时刻进行了关机动作 时，N_it＝1，当发电机i在t时间段初始时刻未进行关机动作时，N_it＝0；

h_it表示在t时间段发电机i关机动作所需的成本；

c_it表示在t时间段发电机i的功率成本；

E_jt表示在t时间段直流j的馈入功率；

d_jt表示在t时间段直流j的馈入功率成本。

所述电网系统的节点满足以下约束条件：

B_tθ_t＝P_t；

式中,B_t表示t时间段的电网系统节点导纳矩阵，θ_t表示t时间段的电网 系统的节点相角，P_t表示t时间段的电网系统的节点注入有功功率。

G_it满足以下约束条件：

式中，Q是直流受端近区发电机组集合，P_Glim表示直流受端近区内发电机 组需要维持的最小开机出力。

G_it和E_jt满足以下约束条件：

式中：L_t表示t时间段电网系统的负荷水平。

所述电网系统的线路传输功率满足以下约束条件：

P_Bt＝(D_t×A_t)×θ_t；

其中，P_Bt是t时间段的线路潮流向量,A_t表示t时间段的电网系统关联矩 阵，D_t表示对角矩阵，D_t中的对角线元素为电网系统中t时间段的各线路电纳， θ_t表示t时间段的电网系统的节点相角。

P_Bt满足以下约束条件：

-P_B,max≤P_Bt≤P_B,max；

其中，P_B,max表示线路潮流的上限。

G_it满足以下约束条件：

I_itG_mini≤G_it≤I_itG_maxi；

其中，G_maxi表示发电机i的出力上限，G_mini表示发电机i的出力下限。

I_it满足以下约束条件：I_it≤I_i(t-1)+M_it且I_it≥I_i(t-1)-N_it。

本发明具有以下有益效果：本实施例的电网系统的最大受电规模的计算方 法，综合考虑了区域外受电带来的环保和经济价值、发电机的直流馈入功率、 直流馈入功率成本等多种计算参数，同时还对计算参数进行了直流潮流约束、 直流受端近区开机规模约束等，更利于电网系统潮流的合理分布和提升电网系 统运行稳定性，大大提高了电网系统最大受电规模计算的准确度和合理性。

附图说明

图1是本发明的IEEE 14节点算例系统示意图；

图2是四种方式的负荷水平的示意图；

图3是四种方式的发电机组的出力水平的示意图；

图4是四种方式的直流功率水平的示意图；

图5是四种方式的最大受电规模的示意图；

图6是方式1的计算结果图；

图7是方式2的计算结果图；

图8是方式3的计算结果图；

图9是方式4的计算结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人 员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

本实施例公开了一种电网系统的最大受电规模的计算方法，包括以下步骤：

1)获取发电机的发电功率、发电机成本参数、发电机开关机状态、发电机 是否进行开机或关机动作，以及获取直流馈入功率和直流馈入功率成本；

所述发电机成本参数包括发电机的发电功率带来的环保和经济价值、发电 机运行所需的固定成本、发电机开机动作所需的成本、发电机关机动作所需的 成本、发电机的功率成本；

2)根据发电机的发电功率、发电机成本参数、发电机开关机状态、发电机 是否进行开机或关机动作、直流馈入功率和直流馈入功率成本计算出电网系统 的最大受电规模。

电网系统的最大受电规模由以下公式得出：

式中，R_t表示t时间段内电网系统的最大受电规模；

O代表区域外(本地区域之外)的发电机集合；

G_it表示t时间段发电机i的发电功率；

w_it表示t时间段发电机i发电功率带来的环保和经济价值；

I_it表示t时间段发电机i的开关机状态，当发电机i开机时，I_it＝1，当发电 机i关机时，I_it＝0；

f_it表示t时间段发电机i运行所需的固定成本；

M_it表示发电机开机动作，当发电机i在t时间段初始时刻进行了开启动作 时，M_it＝1，当发电机i在t时间段初始时刻未进行开启动作时，M_it＝0；

s_it表示在t时间段发电机i开机动作所需的成本；

N_it表示发电机关机动作，当发电机i在t时间段初始时刻进行了关机动作 时，N_it＝1，当发电机i在t时间段初始时刻未进行关机动作时，N_it＝0；

h_it表示在t时间段发电机i关机动作所需的成本；

c_it表示在t时间段发电机i的功率成本；

E_jt表示在t时间段直流j的馈入功率；

d_jt表示在t时间段直流j的馈入功率成本。

上述公式(1)中，决策变量为G_it、I_it、M_it、N_it和E_jt，其中I_it，M_it，N_it为离散变量，G_it和E_jt为连续变量。该公式给出了多个时间段的决策结果，保 证多种运行方式连续调整时总体受电规模最大化。决策变量中离散变量和连续 变量同时存在，采用了混合整数线性规划算法进行求解，确保了计算的高效性 以及大规模系统的适用性。

该公式根据特定负荷水平下交流受入电力规模尽量大的原则，协调发电机 组相关变量和直流功率变量，最大化区域外发电的环保和经济价值，最小化发 电机和直流功率馈入的相关成本。

由于区域外受电后本地机组关停，会使得本地发电的环保性有所提高，同 时，不同区域发电成本差异化会导致受电价值发生变化；对于多送端互联的网 对点送电结构，当各送端开机方式变化时，受端能够接受的最大受电规模可能 也会随之变化；受端电网中若存在多回直流馈入，多回直流功率馈入与交流送 端电网机组出力的协调配合也会对受电规模产生影响。因此本实施例的公式(1) 中将区域外受电带来的环保和经济价值、发电机组开机方式变化、多回直流的 馈入功率、直流馈入功率的馈入成本均作为计算参数考虑在内，提高了受电规 模的计算准确度，使得计算结果更加符合电网的实际运行工况。

在其中一个实施方式中，电网系统的节点满足以下直流潮流方程约束条件：

B_tθ_t＝P_t

式中,B_t表示t时间段的电网系统节点导纳矩阵，θ_t表示t时间段的电网 系统的节点相角，P_t表示t时间段的电网系统的节点注入有功功率。通过该约 束提高电网潮流分布的合理性。

在其中一个实施方式中，G_it满足以下约束条件：

式中，Q是直流受端近区发电机组集合，直流受端近区为直流逆变站换流 母线相连的三级断面内区域(实际计算时可根据电网情况调整)；P_Glim表示直流 受端近区内发电机组需要维持的最小开机出力；该约束条件对直流受端近区的 发电功率进行了约束，使得直流受端近区维持一定的开机水平，故障情况下能 够提供动态无功支撑，降低直流换相失败和闭锁的风险。

在其中一个实施方式中，G_it和E_jt满足以下功率平衡约束条件：

式中：L_t表示t时间段电网系统的负荷水平。

在其中一个实施方式中，电网系统的线路传输功率满足以下约束条件：

P_Bt＝(D_t×A_t)×θ_t；

其中，P_Bt是t时间段的线路潮流向量,A_t表示t时间段的电网系统关联矩 阵，D_t表示对角矩阵，D_t中的对角线元素为电网系统中t时间段的各线路电纳， θ_t表示t时间段的电网系统的节点相角。通过该约束提高电网线路传输的安全 稳定性。

进一步地，P_Bt满足以下约束条件：

-P_B,max≤P_Bt≤P_B,max；

其中，P_B,max表示线路潮流的上限。通过对P_Bt的约束，能够留出适当的功 率裕度，有效降低满载和潮流阻塞带来的安全风险。

在其中一个实施方式中，G_it满足以下约束条件：

I_itG_mini≤G_it≤I_itG_maxi；

其中，G_maxi表示发电机i的出力上限，G_mini表示发电机i的出力下限。

在其中一个实施方式中，I_it满足以下开关机约束条件：

I_it≤I_i(t-1)+M_it且I_it≥I_i(t-1)-N_it。

该约束保证了发电机只有在前一时间段处于关机状态时，才能在后一时间 执行开启动作，发电机只有在前一时间段处于开机状态时，才能在后一时刻执 行关机动作。该约束同时也是跨期约束，连接了相邻两个时间段。

下面以IEEE-14节点系统为例来具体说明上述最大受电规模的计算方法：

如图1所示，对IEEE-14节点标准系统进行如下修改：在第3个节点和第12个节点处加入发电机组，同时在第11个节点和第13个节点处分别加入1回 直流，减小第2个节点的负荷、增加第11、12、13个节点的负荷。此时，整个 系统的负荷中心转移至第11、12、13节点附近，可看作是直流馈入的受端负荷 中心电网。

为了模拟实际环境中一个电厂装设多台发电机组的情况，本算例中将每台 机组容量设定为50MW、每个电厂中装设5台机组，整个系统中共20台机组(机 组编号见图1)。图1所示系统由2个送端、1个受端构成，由于2个送端互联， 故可看作是网对点的交流送电结构。另外，每回直流功率的调节范围设定为 20～50MW，单回线路潮流上限为200MW，直流受端近区发电最小开机设定为 50MW，即保证受端至少有1台机组处于开机满发状态。系统基准容量为100MW。

基于上述系统结构，在保持送端负荷水平不变的情况下，仅改变受端负荷 水平与负荷分布，则系统运行方式的变化可呈现出如图2所示的四种方式，采 用公式(1)对这四种方式进行计算。四种方式下的机组组合如表1所示，表1 中“1”代表机组处于开机状态，“0”代表机组处于关机状态；通过协调机组组 合与多直流馈入功率，实现了送、受端间的最大交流功率传输，各方式中接近 潮流传输极限的线路列表如表2所示；机组出力水平见图3，馈入的直流功率 见图4。

表1各方式下机组组合表

表2各方式下接近潮流传输极限的线路列表

当受端负荷发生变化时，送、受端机组开机及出力水平与馈入的直流功率 都会随之变化。四种方式间变化过程分析如下：

方式1→方式2：如图3-图4所示，随着负荷水平增加，机组出力和直流 馈入功率上升。由表2可知，支路4-5上的潮流在方式1和方式2中均达到了 其上限值，送端开机水平受限于此。如图4所示，由于第一回直流(HVDC1)的 功率成本低于第二回直流(HVDC2)的功率，HVDC1功率优先进行调节。由表1 和图3可知，受端系统的第16-20号机组在方式2下处于开机状态，以弥补受 端负荷增长导致的功率缺额。

方式2→方式3：如图2所示，受端电网负荷水平继续增加。由图3可知， 第13号机组开启并且满发，第6号机组出力略有下降。由表2可知，在方式3 中支路4-5和8-13上的潮流达到传输上限，同时如图4所示，第二回直流 (HVDC2)的馈入总功率也有所增加。

方式3→方式4：如图2和图4所示，总负荷水平有所下降，机组随之关停， 直流馈入功率降低。在方式4下，受限于直流近区最小开机限制，受端第17 号机组仍处于开机并且满发状态。此时由表2可知，支路4-5的潮流水平最重， 但距离传输上限仍有较大裕度。

上述过程是不同运行方式连续调整过程中机组组合与直流馈入功率的相互 协调过程。整个过程中第7-10号机组由于发电成本较高，一直处于关停状态。 四种方式下最大受电规模如图5所示，由于负荷分布不同，同时受限于线路传 输极限、安全约束以及成本因素，方式连续变化过程中受电规模也会随之变化。 如图5可知，方式3的受电规模大于方式2，这是因为方式3中受端负荷分布 更为合理，能够充分利用线路的传输能力；方式4中虽然线路传输功率尚未达 到上限，但由于存在直流受端最小开机约束，受端机组必须维持特定开机量以 确保系统稳定性，故该方式下受电规模较小。

在PSD-BPA潮流计算程序中搭建上述算例系统，上述四种方式的潮流计算 结果见图6-图9，其中，潮流较重的线路旁边有箭头标注。由此可知，该计算 结果中标注的线路潮流与表2中潮流计算结果近似相同，因此验证了本实施例 的最大受电规模计算方法具有较高的准确性与有效性。

本实施例的电网系统的最大受电规模的计算方法，综合考虑了区域外受电 带来的环保和经济价值、发电机的直流馈入功率、直流馈入功率成本、发电机 成本参数、发电机开关机状态，以及发电机是否进行开机或关机动作，通过协 调发电机组开关及出力水平，同时结合直流功率调节，更便于实现多种运行方 式连续调整时总受入交流功率的最大化，大大提高了电网系统最大受电规模计 算的准确度；同时，还对计算参数进行了直流潮流约束、直流受端近区开机规 模约束等，更利于电网系统潮流的合理分布和提升电网系统运行稳定性，从而 使得电网系统最大受电规模的计算结果更加准确和合理，确保受端电网能够接 受尽量多的外来电力。

本实施例的最大受电规模的计算方法，适用范围广泛，可适用于交流受端 电网，也可适用于含直流馈入的受端电网。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的 保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或 变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种电网系统的最大受电规模的计算方法，其特征是，包括以下步骤：

1)获取发电机的发电功率、发电机成本参数、发电机开关机状态、发电机是否进行开机或关机动作，以及获取直流馈入功率和直流馈入功率成本；

所述发电机成本参数包括发电机的发电功率带来的环保和经济价值、发电机运行所需的固定成本、发电机开机动作所需的成本、发电机关机动作所需的成本和发电机的功率成本；

2)根据发电机的发电功率、发电机成本参数、发电机开关机状态、发电机是否进行开机或关机动作、直流馈入功率和直流馈入功率成本计算出电网系统的最大受电规模。

2.如权利要求1所述的电网系统的最大受电规模的计算方法，其特征是，所述步骤2)中的电网系统的最大受电规模由以下公式得出：

式中，R_t表示t时间段内电网系统的最大受电规模；

O代表区域外发电机集合；

G_it表示t时间段发电机i的发电功率；

w_it表示t时间段发电机i发电功率带来的环保和经济价值；

I_it表示t时间段发电机i的开关机状态，当发电机i开机时，I_it＝1，当发电机i关机时，I_it＝0；

f_it表示t时间段发电机i运行所需的固定成本；

M_it表示发电机开机动作，当发电机i在t时间段初始时刻进行了开启动作时，M_it＝1，当发电机i在t时间段初始时刻未进行开启动作时，M_it＝0；

s_it表示在t时间段发电机i开机动作所需的成本；

N_it表示发电机关机动作，当发电机i在t时间段初始时刻进行了关机动作时，N_it＝1，当发电机i在t时间段初始时刻未进行关机动作时，N_it＝0；

h_it表示在t时间段发电机i关机动作所需的成本；

c_it表示在t时间段发电机i的功率成本；

E_jt表示在t时间段直流j的馈入功率；

d_jt表示在t时间段直流j的馈入功率成本。

3.如权利要求2所述的电网系统的最大受电规模的计算方法，其特征是，所述电网系统的节点满足以下约束条件：

B_tθ_t＝P_t；

式中,B_t表示t时间段的电网系统节点导纳矩阵，θ_t表示t时间段的电网系统的节点相角，P_t表示t时间段的电网系统的节点注入有功功率。

4.如权利要求2所述的电网系统的最大受电规模的计算方法，其特征是，G_it满足以下约束条件：

式中，Q是直流受端近区发电机组集合，P_Glim表示直流受端近区内发电机组需要维持的最小开机出力。

5.如权利要求2所述的电网系统的最大受电规模的计算方法，其特征是，G_it和E_jt满足以下约束条件：

式中：L_t表示t时间段电网系统的负荷水平。

6.如权利要求2所述的电网系统的最大受电规模的计算方法，其特征是，所述电网系统的线路传输功率满足以下约束条件：

P_Bt＝(D_t×A_t)×θ_t；

其中，P_Bt是t时间段的线路潮流向量,A_t表示t时间段的电网系统关联矩阵，D_t表示对角矩阵，D_t中的对角线元素为电网系统中t时间段的各线路电纳，θ_t表示t时间段的电网系统的节点相角。

7.如权利要求6所述的电网系统的最大受电规模的计算方法，其特征是，P_Bt满足以下约束条件：

-P_B,max≤P_Bt≤P_B,max；

其中，P_B,max表示线路潮流的上限。

8.如权利要求2所述的电网系统的最大受电规模的计算方法，其特征是，G_it满足以下约束条件：

I_itG_mini≤G_it≤I_itG_maxi；

其中，G_maxi表示发电机i的出力上限，G_mini表示发电机i的出力下限。

9.如权利要求2所述的电网系统的最大受电规模的计算方法，其特征是，I_it满足以下约束条件：I_it≤I_i(t-1)+M_it且I_it≥I_i(t-1)-N_it。