CN111525598A - 一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，先分析大容量直流闭锁事故下送端电网高频问题及相关抑制策略，再构建电网切机容量优化模型，计算送端电网内部各电源切机惩罚因子，最后将切机惩罚因子带入显示化计及系统频率稳定需求的电网切机容量优化模型中求解得到直流闭锁事故下送端电网优化切机方式及其相应的切机容量。本方案将送端电网全局电源纳入切除备选，考虑不同类型电源间切机效果的差异性，通过切机惩罚因子定量量化不同区域、不同参数性能机组的切除效果；协调优化大容量直流闭锁预想事故冲击下的送端电网高频问题相关抑制策略，显著减少送端电网内有功盈余，将总切机容量保持在合理范围，有效避免欠切和过切现象。

Description

一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法
技术领域
本发明涉及电力系统调度运行技术领域，具体涉及一种抑制送端电网高频问题的优化切 机容量获取方法。
背景技术
特高压直流输电具有容量大、效率高等特点，在长距离大容量输电、交流电网异步互联 等方面具有显著优势。然而，在促进清洁能源跨区消纳和资源大范围优化配置的同时，大容 量直流输电线路闭锁故障，尤其是双极闭锁，会导致多直流异步外送电网产生巨量功率盈余。 加之，异步互联和新能源渗透率不断攀升背景下，送端电网惯性响应和频率调节能力大幅下 降，大功率扰动下频率变化速率加快、频率偏差增大。因此，多直流异步外送电网的频率越 限和高频失稳风险十分突出。例如，2016年云南电网与南方电网主网实现异步互联后，云南 电网同步规模减小，丰大和枯大方式下系统惯性水平分别下降为异步前的31％和27％，在现 实中已经出现超低频振荡和频率稳定问题。与之类似的还有清洁能源富集的西南电网，通过 渝鄂背靠背柔性直流与三华电网实现异步互联后，西南电网装机容量仅为原两华电网的1/5， “强直弱交”特征愈发明显，频率稳定风险加剧。
多直流外送电网在大容量直流双极闭锁故障下，抑制巨量功率盈余带来的高频问题的主 要措施为稳控切机，辅助措施包括健在直流线路的功率快速调制和机组一次调频。目前，针 对送端电网切机方法的研究仍停留在对机组类型和控制措施方面的定性比较，没有对系统最 优切机容量进行量化计算。此外，传统切机方法采用“盲切”方式切除配套电源，存在切机 容量不精确(过切或欠切)以及切机后系统惯量匮乏等风险。
为维持送端电网频率始终低于高频切机和发电机超速保护设定值，精确评估预想有功扰 动事故下系统频率的最大偏移量及变化速率具有重要的意义。基于频率预测值可辅助估算直 流闭锁事故下的切机容量，避免出现“过切”造成的频率过调和“欠切”状态下频率崩溃事 故。为实现事故后频率的快速分析与预测，文献“文云峰,赵荣臻,肖友强,等.基于多层极限学 习机的电力系统频率安全评估方法[J].电力系统自动化,2019,43(01):133-143.”提出一种基于多 层极限学习机的频率安全在线评估方法。文献“续昕,张恒旭,李常刚,等.基于轨迹灵敏度的紧 急切负荷优化算法[J].电力系统自动化,2016,40(18):143-148.”针对受端电网提出一种考虑系统 频率安全约束的紧急切负荷优化算法，构建了总切负荷量最小的线性规划模型。为降低对大 量数据的依赖，文献“Wen Yunfeng,ChungChiyung,Ye Xi.Enhancing frequency stability of asynchronous gridsinterconnected with HVDC links[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS,2017,33(2):1800-1810.”、文献“Badesa Luis,Teng Fei,Strbac Goran.SimultaneousScheduling of Multiple Frequency Services in Stochastic Unit Commitment[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS,2019,34(5):3858-3868.”和文献“ZhangGuangyuan, Ela Erik,Wang Qin.Market Scheduling and Pricing for Primary andSecondary Frequency Reserve[J].IEEE TRANSACTIONS ON POWER SYSTEMS,2019,34(4):2914-2924.”研究了利 用事故状态下系统有功不平衡量计算扰动后频率变化率、最大频率偏差以及准稳态频率的数 学模型，加快了求解速度。
综上所述，目前直接针对异步互联格局下送端电网切机容量优化的研究还较为鲜见。为 解决现有稳控切机方法的不适应性，本发明提出了一种显示化计及系统频率稳定需求的多直 流异步外送电网切机容量优化模型。该模型利用层次分析和熵权法计及各类型机组调节性能 及位置分布的差异性，耦合大容量直流闭锁故障下多维频率指标约束、网络潮流约束、备用 及切机约束，对系统总切机容量进行最小化优化。相较于传统切机方法，所提出的优化方法 具有较好的频率适应性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：当前送端电网直流闭锁事故下稳控切机方法存在的“过 切”、“欠切”和“盲切”现象，本发明提出一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取 方法。
本发明通过下述技术方案实现：
本发明提供一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，包括以下步骤：
T1.收集正常状态下的送端电网各机组初始数据；
T2.在大容量直流闭锁事故冲击下，收集送端电网各机组故障数据；
T3.将收集的各机组送端电网初始数据和大容量直流闭锁事故冲击下的送端电网故障数 据进行预处理后得到送端电网内部各电源切机惩罚因子；
T4.将预处理后的送端电网内部各电源切机惩罚因子带入构建好的显示化计及系统频率 稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型中进行求解，得到直流闭锁事故下送端电 网优化切机方式及其对应的切机容量；
T5.根据T4中获得的直流闭锁事故下送端电网优化切机方式及其对应的切机容量对直 流闭锁事故下送端电网每个机组进行相应的切机工作。
进一步优选方案为，T1中所述正常状态下的送端电网各机组初始数据包括：正常运行条 件下系统中各电源位置信息、机组开机状态和停机状态、机组惯性时间常数、机组调差系数、 机组备用率、机组出力上限和出力下限、机组单位发电成本和直流通道外送功率。
进一步优选方案为，T2中所述大容量直流闭锁事故冲击下的送端电网各机组故障数据包 括：直流闭锁事故冲击下健在直流线路过负荷运行能力和系统安全运行相关参数；
所述系统安全运行相关参数包括：高频切机及发电机超速保护设定值、频率变化率上限 值和系统准稳态频率上限值。
进一步优化方案为，对送端电网各机组初始数据和大容量直流闭锁事故冲击下的送端电 网各机组故障数据进行的预处理过程为：
首先确定出在直流闭锁事故下，影响送端电网切机效果的相关基本评价指标；
然后采用层次分析法-熵权法思想确定基本评价指标中送端电网各电源的切机惩罚因子。 进一步优化方案为，所述影响送端电网切机效果的基本评价指标包括：电气距离、发电成本、 机组调差系数、惯性时间常数和机组出力因子。
本发明技术原理：本发明分析大容量直流闭锁事故下送端电网高频问题及相关抑制策略， 构建一种显示化计及系统频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型，达到精准 控制系统切机容量的目的，求解获得直流闭锁事故下送端电网每个机组的优化切机容量。本 技术方案将送端电网全局电源纳入切除备选，考虑到不同类型电源间切机效果的差异性，通 过单位切机惩罚因子定量量化不同区域、不同参数性能机组的切除效果；协调优化大容量直 流闭锁预想事故冲击下的送端电网高频问题相关抑制策略，可显著减少送端电网内有功盈余， 将总切机容量保持在合理范围，避免欠切和过切现象。在大容量直流闭锁事故冲击下，计算 送端电网内部各电源切机惩罚因子，并将送端系统内各电源的切机惩罚因子带入显示化计及 系统频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型求解，求解获得直流闭锁事故下 送端电网切机优化方法。
根据送端电网实际情况确定用于表征机组切除效果的主要指标，一般考虑电气距离、发 电成本、机组调差系数、惯性时间常数、以及机组出力因子等。由于切机惩罚因子的计算涉 及多个指标，为区分不同指标对切机效果影响程度的不同，采用AHP法确定优化模型中不同 指标的权重。通过比较同一层次各指标的相对重要性综合计算每个指标的权重系数，最终实 现各指标权重的定量化处理。
由于各指标计量单位不统一，以及正向指标(数值越大切机惩罚系数越大)与负向指标 (数值越大切机惩罚系数越小)的属性不同。为消除差异性，采用熵权法对原始数据进行标 准化处理，计算公式如下所示：
(a)正向指标标准化：
Figure BDA0002488227080000041
(b)反向指标标准化：
Figure BDA0002488227080000042
经由层次分析和熵权法处理，可得到各指标的权重系数ωk以及不同指标下各电源对应的 标准化数据D′jk。利用下式即可计算出系统中第j台机组的切机惩罚因子：
Figure BDA0002488227080000043
式中，ωk为第k个指标的权重；D′jk表示第j个电源在第k个指标下的标准值。
进一步优化方案为，显示化计及系统频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化 模型的构建方法具体包括以下步骤：
S1.收集大容量直流闭锁历史事故冲击下的送端电网频率数据和相应高频问题抑制策略 实施后的效果数据；
S2.根据高频问题抑制策略实施后的效果数据引入各机组的切机惩罚因子构建目标函 数，即在大容量直流闭锁预想事故下送端系统切机容量最小化目标函数；
S3.根据实际电网运行要求，构建送端电网常规运行约束；根据实际电网运行规程中对 频率的要求，构建多维度频率约束；
S4.利用大M法对模型中存在的非线性化乘积项进行线性化处理后得到显示化计及系统 频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型。
进一步优化方案为，S1中所述大容量直流闭锁预想事故冲击下的送端电网高频问题的相 关抑制策略包括：增加外送功率、稳控切机和一次调频。
分析大容量直流闭锁事故下送端电网高频问题及相关抑制策略，构建一种显示化计及系 统频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型，达到精准控制系统切机容量的目 的。
通过紧急提升健在直流线路输送的有功功率(快速增加在运行直流输电线路的外送功率)，可 以快速缓解送端电网的功率盈余、补偿受端电网的功率缺额，具有较好的经济性和时效性。 然而，在实际运行中，直流短期过负荷能力一般受到较多限制，其典型值为1.1倍额定容量。 因此，在直流满载运行下，直流功率的上调空间十分有限。为维持送端电网频率稳定，避免 触发系统第三道防线中高频切机和解列装置动作，直流紧急功率支援必须与稳控切机相配合。
稳控切机作为抑制巨量功率盈余带来的高频问题的主要措施，可在事件触发下集中切除 送端电网中一部分发电机组，实现系统有功功率的平衡。传统稳控切机方法主要集中切除直 流换流站附近的配套电源，仅当切机容量不足时才考虑追加补切其余机组。
由于现行稳控切机装置主要随直流工程而新建或改造，其离线配置方式较为简单，系统 频率调节性能的整体优化考虑不足。在大容量直流闭锁故障下，采用“盲切”方式切除配套 电源，存在切机容量不精确即过切或欠切问题，以及切机后系统进入超低惯量状态等运行风 险：
一方面，发电机组的过切将导致控制代价大、经济性较差，而欠切则可能使得系统频率无法 恢复至合理范围；另一方面，在含高比例新能源的多直流异步外送电网中，采用常规的紧急 控制切除配套同步电源，会导致切机后系统新能源出力渗透率的大幅攀升，系统转动惯量进 一步下降，不利于故障后系统的频率稳定。
因此，除切除配套电源外，还应考虑网内不同类型机组调节性能差异带来的切机影响。 例如，由于风电、光伏出力存在波动性且不提供惯性和频率支撑，可优先切除风、光机组， 以避免系统因新能源机组零惯性和出力不确定性而再次受到影响；就水电机组与火电机组而 言，因水电机组启停时间快、成本低，通常也应优先考虑切除。
进一步优化方案为，所述送端电网常规运行约束具体包括：系统切机容量约束、健在直 流线路过负荷能力约束、机组备用约束和输电线路潮流约束。
进一步优化方案为，所述多维度频率约束具体包括：系统频率变化率约束、极值频率约 束和准稳态频率约束。
相较于传统切机方案，本发明所提出显示化计及系统频率稳定需求的多直流异步外送电 网切机容量优化模型具有较好的频率适应性。
关于目标函数
由于不同机组在发电成本、调差系数、惯性时间常数、备用率、与故障直流的电气距离 等方面存在显著差异性，引入切机惩罚因子来表征上述指标对切机效果的影响，从而得到直 流闭锁故障下全网总切机容量最小的目标函数：
Figure BDA0002488227080000051
式中：ci、ch、cw和ΔPcut,i、ΔPcut,h、ΔPcut,w分别为第i台火电机组、第h台水电机组以及第w个风电场的切机惩罚因子和机组切除量，下标i、h、w分别表示火电、水电以及风 电机组。
关于约束条件
设直流闭锁故障下送端电网功率盈余初始量为ΔP0，考虑以下约束条件，实现全网切机 容量的最小化优化：
1)切机容量约束
引入决策变量xi、xh、xw表征第i台火电机组、第h台水电机组以及第w个风电场在预想直流故障下的切机策略。当x＝0时表示保留该电源，x＝1表示切除该电源以减少送端电网的盈余功率：
Figure BDA0002488227080000061
Figure BDA0002488227080000062
式中：
Figure BDA0002488227080000063
和
Figure BDA0002488227080000064
分别表示第i台火电、第h台水电和第w个风电场在正常状态 (故障前)的出力。系统总切机容量可由式(3)表示，为保障直流外送需求及网内负荷的正常 供电，需限制全网总切机容量低于最大容忍上限
Figure BDA0002488227080000065
2)直流过负荷能力约束
直流闭锁故障下，其余非故障直流总的过负荷能力可表示为：
Figure BDA0002488227080000066
式中，Ω表示正常运行直流线路的集合；
Figure BDA0002488227080000067
表示集合Ω中第dc条直流线路的额定外送 容量；ΔPdc表征送端电网经由紧急功率支援增加的外送功率总量；系数α为直流线路紧急过 载率。
经上述快速响应的稳控切机和直流紧急功率支援后，送端电网仍存在的功率盈余ΔP可 表示为：
ΔP＝ΔP0-ΔPcut-ΔPdc (5)
式中ΔP0为故障直流线路在闭锁事故发生前的外送功率，即系统初始扰动量，可通过下 式表示：
Figure BDA0002488227080000068
3)机组备用约束
直流功率紧急支援和稳控切机可有效降低送端电网功率盈余量，而对于剩余不平衡功率， 还需通过网内具备调频能力的机组进行调节：
Figure BDA0002488227080000071
式中，yi和yh表示第i台火电机组和第h台水电机组在一次调频时间范围内的下调备用 量；
Figure BDA0002488227080000072
和
Figure BDA0002488227080000073
表示第i台火电机组和第h台水电机组的最小出力；系数γi和γh用于表征第 i台火电机组和第h台水电机组的下调响应速率。
4)系统频率变化率(RoCoF)约束
有功扰动后，一般以系统惯性中心的频率变化率RoCoF(Rate-of-Change-of-Frequency)、 极值频率、准稳态频率作为评判系统频率稳定的指标。RoCoF表示扰动故障下系统频率变化 的快慢，与故障扰动量的大小以及系统惯性水平密切相关。为避免触发系统中频率变化率继 电保护装置动作，最大频率变化率需低于所设定的容忍上限值：
Figure BDA0002488227080000074
Figure BDA0002488227080000075
式中：RoCoFmax为系统惯性中心频率变化率上限值；Hsys为系统等效惯性时间常数；
Figure BDA0002488227080000076
和
Figure BDA0002488227080000077
分别表示第i台火电机组和第h台水电机组的最大有功出力。
5)极值频率约束
系统频率的最大偏差值直接决定了第三道防线高频切机的启动与否，为避免触发高频切 机，系统中同步机组一次备用需具备较快的响应速度：
Figure BDA0002488227080000078
送端电网内第i台火电机组和第h台水电机组的出力下调速率分别用vi和vh表示；f0、 fmax和Δfdb分别为系统正常频率、高频切机启动阈值和同步机组一次调频死区。
此外，在大容量直流闭锁时，送端电网应具备足够的下调备用，利用约束(11)确保直流闭 锁预想事故下系统不会因备用下调空间不足而导致频率无法回落至正常范围：
Figure BDA0002488227080000081
6)准稳态频率约束
准稳态频率是扰动后系统重新回到准稳态运行点的频率值，是二次调频的重要依据。为 保障系统运行安全水平，对送端电网准稳态频率偏差进行约束：
Figure BDA0002488227080000082
式中，Δfss和
Figure BDA0002488227080000083
分别为系统准稳态频率和系统所允许的准稳态频率最大偏差；PD和 D表示系统总负荷和负荷阻尼系数。
7)输电线路潮流约束
在“强直弱交”背景下，大容量直流闭锁将会引起交流系统潮流大规模转移，部分额定 容量较小的输电线路可能会出现潮流阻塞。出于运行安全性考虑，在模型中增加潮流约束， 确保线路传输安全：
Figure BDA0002488227080000084
式中：PG,i,s、PG,h,s和PG,w,s分别表示在节点s处第i个火电机组、第h个水电机组以及第w个风电场一次调频后的出力；PD,s和Pdc,s分别表示节点负荷需求量和直流外送量；SF表示节点功率转移因子；Fl max为第l条线路的额定容量。
关于模型线性化
注意到极值频率约束式(10)中存在二进制变量与连续变量相乘得到的非线性项(xiyh、 xhyh、xwyh、xiyi、xhyi和xwyi)，需先对其进行线性化处理，然后再调用线性化优化求解算法进行求解。
采用大M法对式(10)中非线性项进行线性化处理。以xiyh为例，利用zih表示二进制变量 xi与连续变量yh的乘积，式中M是一个相对大的常数。根据式(14)和(15)可知，当第i台火 电机组被切除(即xi＝1)时，zih＝yh；当xi＝0时，中间变量zih＝0。
xiyh＝zih (14)
Figure BDA0002488227080000085
同理，采用大M法可对式(10)所产生的剩余非线性项进行线性化处理，处理方式与式(14) 和式(15)相同，这里不再赘述。
针对异步互联格局下多直流外送电网的高频问题及现有切机方法的局限性，本发明提供 的构建显示化计及频率稳定需求的切机容量优化模型的方法主要特点如下：
将送端电网全局电源纳入切除备选，考虑到不同类型电源间切机效果的差异性，引入单 位切机惩罚因子定量量化不同区域、不同参数性能机组的切除效果；
耦合大容量直流闭锁故障下多维频率指标约束、网络潮流约束、备用及切机约束，精细 化计算满足系统频率稳定性的最优切机方法；
通过协调优化直流紧急功率支援、稳控切机和机组一次调频，可显著减少送端电网内有 功盈余，将总切机容量保持在合理数值，避免欠切和过切现象。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明提供的本发明提出一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法；可兼 顾直流闭锁事故下送端电网安全性与经济性：将送端电网全局电源纳入切除备选，考虑到不 同类型电源间切机效果的差异性，引入单位切机惩罚因子定量量化不同区域、不同参数性能 机组的切除效果，能够在保障频率稳定前提下精准控制送端电网的切机容量，充分发挥电网 自身调节能力，克服欠切或过切问题，避免切机后系统进入超低惯量状态，具有良好的经济 性与适应性。
2、本发明提供的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，切机容量优化模 型中耦合大容量直流闭锁故障下多维频率指标约束、网络潮流约束、备用及切机约束，通过 协调优化直流紧急功率支援、稳控切机和机组一次调频，可显著减少送端电网内有功盈余， 将总切机容量保持在合理数值，避免欠切和过切现象，精细化计算满足系统频率稳定性的最 优切机方法对特定情境的依赖性低，易于推广至不同送端电网海量直流预想事故下切机方法 的优化，具有较强的实用性和推广性。
3、本发明提供的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，在构建切机容量 优化模型时采用大M法对极值频率约束中的非线性乘积项进行线性化，使得整个模型为完全 线性的模型，易于利用GAMS进行建模并调用CPLEX求解器求解，整个求解过程简单、快 速、有效。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不 构成对本发明实施例的限定。
在附图中：
图1为本发明方法流程框图。
图2为送端电网切机容量优化建模整体思路图。
图3为切机惩罚因子计算流程图。
图4为模拟系统网络和各电源分布情况图。
图5为切机方式一的系统频率响应结果图。
图6为切机方式二的系统频率响应结果图。
图7为切机方式三(本发明方法)的系统频率响应结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明 作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本 发明的限定。
实施例1
如图1所示，使用本发明提供的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法， 1.一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
T1.收集正常状态下的送端电网初始数据；
T2.在大容量直流闭锁事故冲击下，收集送端电网故障数据；
T3.将收集的送端电网初始数据和大容量直流闭锁事故冲击下的送端电网故障数据进行 预处理后得到送端电网内部各电源切机惩罚因子；
T4.将预处理后的送端电网内部各电源切机惩罚因子带入构建好的显示化计及系统频率 稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型中进行求解，得到直流闭锁事故下送端电 网切机优化方法；
T5.实施T4中获得的直流闭锁事故下送端电网切机优化方法。
所述正常状态下的送端电网初始数据包括：正常运行条件下系统中各电源位置信息、机 组开机状态和停机状态、机组惯性时间常数、机组调差系数、机组备用率、机组出力上限和 出力下限、机组单位发电成本和直流通道外送功率。
所述大容量直流闭锁事故冲击下的送端电网故障数据包括：直流闭锁事故冲击下健在直 流线路过负荷运行能力和系统安全运行相关参数；
所述系统安全运行相关参数包括：高频切机及发电机超速保护设定值、频率变化率上限 值和系统准稳态频率上限值。
所述对送端电网初始数据和大容量直流闭锁事故冲击下的送端电网故障数据进行的预处 理过程为：
首先确定出在直流闭锁事故下，影响送端电网切机效果的相关基本评价指标；
然后采用层次分析法-熵权法思想确定基本评价指标中送端电网各电源的切机惩罚因子。
所述影响送端电网切机效果的基本评价指标包括：电气距离、发电成本、机组调差系数、 惯性时间常数和机组出力因子。
实施例2
如图2所示，显示化计及系统频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型的 构建方法具体包括以下步骤：
S1.收集大容量直流闭锁历史事故冲击下的送端电网频率数据和相应高频问题抑制策略 实施后的效果数据；
S2.根据高频问题抑制策略实施后的效果数据引入各机组的切机惩罚因子构建目标函 数，即在大容量直流闭锁预想事故下送端系统切机容量最小化目标函数；
S3.根据实际电网运行要求，构建送端电网常规运行约束；根据实际电网运行规程中对 频率的要求，构建多维度频率约束；
S4.利用大M法对模型中存在的非线性化乘积项进行线性化处理后得到显示化计及系统 频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型。
所述大容量直流闭锁预想事故冲击下的送端电网高频问题抑制策略包括：增加外送功率、 稳控切机和机组一次调频。
所述送端电网常规运行约束具体包括：系统切机容量约束、健在直流线路过负荷能力约 束、机组备用约束和输电线路潮流约束。
所述多维度频率约束具体包括：系统频率变化率约束、极值频率约束和准稳态频率约束。
目标函数中引入了各机组的切机惩罚因子，用以表征多种评价指标下各机组切除效果的 差异性。为此，提出基于层次分析(AHP)和熵权法的切机惩罚因子确定方法，其流程如图3 所示，步骤如下：
步骤一：根据送端电网实际情况确定用于表征机组切除效果的主要指标，一般考虑电气 距离、发电成本、机组调差系数、惯性时间常数、以及机组出力因子等。
步骤二：由于切机惩罚因子的计算涉及多个指标，为区分不同指标对切机效果影响程度 的不同，采用AHP法确定优化模型中不同指标的权重。通过比较同一层次各指标的相对重要 性综合计算每个指标的权重系数，最终实现各指标权重的定量化处理。
步骤三：由于各指标计量单位不统一，以及正向指标(数值越大切机惩罚系数越大)与 负向指标(数值越大切机惩罚系数越小)的属性不同。为消除差异性，采用熵权法对原始数 据进行标准化处理，计算公式如下所示：
(a)正向指标标准化：
Figure BDA0002488227080000121
(b)反向指标标准化：
Figure BDA0002488227080000122
步骤四：经由层次分析和熵权法处理，可得到各指标的权重系数ωk以及不同指标下各电 源对应的标准化数据D′jk。利用式(18)即可计算出系统中第j台机组的切机惩罚因子：
Figure BDA0002488227080000123
式中，ωk为第k个指标的权重；D′jk表示第j个电源在第k个指标下的标准值。
实施例3
采用GAMS软件调用CPLEX求解器实现多直流送端电网切机容量优化模型的解算。为 模拟直流闭锁故障下送端电网的频率轨迹，在MATLAB/Simulink平台搭建系统频率响应模型 用于频率动态分析及切机方法效果的对比。
为验证本发明提出的切机优化模型所得方法在处置直流闭锁故障时的有效性，利用改进 后的IEEE RTS-79测试系统进行仿真计算。仿真系统通过三条直流线路(HVDC1、HVDC2 和HVDC3，额定容量分别为1000MW、1100MW和1400MW)与受端电网相连，网内总负 荷为1070MW，三条直流外送总规模3500MW，属于典型的外送型网络。该系统有32台同 步机组(含26台火电机组和6台水电机组)和6个风电场。系统网络和各电源分布情况如图 4所示。
考虑系统最大一条直流HVDC3双极闭锁预想事故(初始功率扰动量为1400MW)，采用传统和本发明所提出的稳控措施，比较系统频率变化情况。假设故障前系统中所有机组均 处于开机状态，6个风电场总出力1010MW(渗透率22.1％)，三条直流均满载运行。模型中其余参数设置如下:
f0＝50Hz,fmax＝50.8Hz，RoCoFmax＝1.0Hz/s,γi＝0.16,γh＝0.26,α＝0.1。
为验证优化模型的有效性及正确性，本节将从切机容量大小以及事故后系统惯性水平等 方面评估以下三种切机方式(前两种为传统的配套电源切机方式)。
切机方式一：考虑非故障直流1.1倍功率支援，且仅切除与故障直流处于同一母线BUS121 上的配套电源机组。实际切机总容量409.68MW(其中火电机组300MW、风电机组109.68 MW)。
切机方式二：在非故障直流1.1倍功率支援基础上，考虑切机容量与系统盈余功率匹配， 选择切除直流近区母线BUS121上409.68MW、BUS122上500MW、以及BUS115处200MW，切机总量1109.68MW。
切机方式三：采用本发明提出的切机容量优化模型，在频率稳定及其他多种约束下寻求 切机容量最小的方法。经模型求解，直流HVDC3双极闭锁下送端电网切机方式如表1所示。
表1切机方式三(本发明方法)所得切机方式
电源类型 切机容量/MW 占比/％
风电 392.59 49.53
水电 400 50.47
火电 0 0
考虑1.1倍直流紧急功率支援后，本发明所提方法(切机方式三)共切除电源792.59MW， 相较于切机方式二减少了317.09MW切机容量。其中，切除风电机组392.59MW(BUS121 处109.68MW、BUS117处67.50MW、BUS114处135.00MW以及BUS113处80.41MW) 和水电机组400MW(BUS122母线处4台单机出力100MW的机组)。
表2对比了不同切机方式下的系统切机容量和切机后系统惯性水平(经标幺化处理)。从 表中可以看出，由于切除了大量的同步电源，系统在方法切机方式二中惯性水平显著下降(过 切)。此外，与切机方式一相比，切机方式三中切除的同步机组均为水电机组，惯性时间常数 较小，事故后系统的惯性水平仍能维持在较高水准。
表2不同切机方式下切机容量及系统惯性水平比较
切机方式 切机容量/MW 系统惯量H<sub>sys</sub>/s
切机方式一 409.68 3.35
切机方式二 1109.68 3.15
切机方式三 792.59 3.41
通过在MATLAB/Simulink平台中搭建仿真系统频率响应模型，校验不同切机方式下系统 频率动态变化情况。图5至图7为不同切机方式下的系统频率恢复情况，从图5可以看出： 切机方式一切机容量不足，导致系统频率最大偏差达到55.67Hz，严重超出高频切机启动阈 值50.8Hz，会触发第三道防线高频切机动作，大量同步机组将被切除，系统可能出现局部解 列。同时由于同步电源的大量切除将影响非故障直流线路的外送功率。由图6可知，切机方 式二中由于切机容量很大，送端电网能够在短时间内完成系统有功平衡，系统频率偏差能够 恢复至0.2Hz以内。但该切机方式存在过切问题，控制成本过高。并且由于直流近区大量同 步电源的切除，系统惯性水平降低，切机后系统稳定运行风险增加。
采用本发明所提切机容量优化模型(切机方式三)可实现满足频率稳定需求下的切机容 量精准控制，极值频率在50.8Hz以下。如图7所示，在保证系统频率变化率和变化量可接 受的前提下，所提出切机方式可充分利用直流调制和同步机组频率调节能力得到频率可控的 切机方法切机方式，达到电网安全运行与事故控制成本的兼顾，避免了传统切机方式易出现 的欠切、过切等情况。
异步互联格局下，送端电网安全稳定运行风险主要来自于大容量直流闭锁事故下的高频 问题。针对多直流外送电网现有切机方式的不适应性，本发明提出一种显示化计及频率稳定 约束的切机容量优化模型。通过引入切机惩罚因子构建切机容量最小化目标，利用层次分析- 熵权法思想确定各电源切机惩罚因子大小，进而得到大容量直流闭锁预想事故下送端电网的 最优切机方式。
算例仿真表明，所提出方法能够在保障频率稳定前提下精准控制送端电网的切机容量， 克服欠切/过切问题，避免切机后系统进入超低惯量状态，具有良好的经济性与适应性，为解 决直流闭锁事故下送端电网的高频问题提供了一种新思路。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方法和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护 范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本 发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，其特征在于，包括以下步骤：
T1.收集正常状态下的送端电网各机组初始数据；
T2.在大容量直流闭锁事故冲击下，收集送端电网各机组故障数据；
T3.将收集的各机组送端电网初始数据和大容量直流闭锁事故冲击下的送端电网故障数据进行预处理后得到送端电网内部各电源切机惩罚因子；
T4.将预处理后的送端电网内部各电源切机惩罚因子带入构建好的显示化计及系统频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型中进行求解，得到直流闭锁事故下送端电网优化切机方式及其对应的切机容量；
T5.根据T4中获得的直流闭锁事故下送端电网优化切机方式及其对应的切机容量对直流闭锁事故下送端电网各机组进行相应的切机工作。
2.根据权利要求1所述的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，其特征在于，T1中所述正常状态下的送端电网各机组初始数据包括：正常状态下系统中各电源位置信息、机组开机状态和停机状态、机组惯性时间常数、机组调差系数、机组备用率、机组出力上限和出力下限、机组单位发电成本和直流通道外送功率。
3.根据权利要求1所述的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，其特征在于，T2中所述大容量直流闭锁事故冲击下的送端电网各机组故障数据包括：直流闭锁事故冲击下健在直流线路过负荷运行能力和系统安全运行相关参数；
所述系统安全运行相关参数包括：高频切机及发电机超速保护设定值、频率变化率上限值和系统准稳态频率上限值。
4.根据权利要求1所述的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，其特征在于，T3中对各机组送端电网初始数据和大容量直流闭锁事故冲击下的送端电网故障数据进行的预处理过程为：
首先确定出在直流闭锁事故下，影响送端电网切机效果的相关基本评价指标；
然后采用层次分析法-熵权法思想确定基本评价指标中送端电网各电源的切机惩罚因子。
5.根据权利要求4所述的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，其特征在于，
所述影响送端电网切机效果的基本评价指标包括：电气距离、发电成本、机组调差系数、惯性时间常数和机组出力因子。
6.根据权利要求1所述的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，其特征在于，显示化计及系统频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型的构建方法具体包括以下步骤：
S1.收集大容量直流闭锁历史事故冲击下的送端电网频率数据和相应高频问题抑制策略实施后的效果数据；
S2.根据高频问题抑制策略实施后的效果数据引入各机组的切机惩罚因子构建目标函数，即在大容量直流闭锁预想事故下送端系统切机容量最小化目标函数；
S3.根据实际电网运行要求，构建送端电网常规运行约束；根据实际电网运行规程中对频率的要求，构建多维度频率约束；
S4.利用大M法对模型中存在的非线性化乘积项进行线性化处理后得到显示化计及系统频率稳定需求的多直流异步外送电网切机容量优化模型。
7.根据权利要求6所述一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，其特征在于，S1中所述大容量直流闭锁预想事故冲击下的送端电网高频问题抑制策略包括：增加外送功率、稳控切机和一次调频。
8.根据权利要求6所述的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，所述送端电网常规运行约束具体包括：系统切机容量约束、健在直流线路过负荷能力约束、机组备用约束和输电线路潮流约束。
9.根据权利要求6所述的一种抑制送端电网高频问题的优化切机容量获取方法，所述多维度频率约束具体包括：系统频率变化率约束、极值频率约束和准稳态频率约束。
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