CN111969638A - 基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出了基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法及系统，首先忽略了直流启动的短路容量条件，得到初步的分区结果，接着搜索含直流落点的分区与其他分区合并以到达直流启动条件，并提供了恢复过程中分区的并列顺序。同时，在保证计算时间的前提下，通过添加割约束得到多个次优解为分区决策提供更多的选择。本实施例提供的模型与算法在计算时间短，能够快速恢复供电，占有较高的优势，并且能够体现了电力网络的社团结构特性，能够实现划分区域的整体控制。

Description

基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法及系统

技术领域

本公开涉及直流输电控制相关技术领域，具体的说，是涉及一种基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

目前电网在制定恢复方案时普遍将直流系统留待系统主干网架恢复完成之后才启动，使得大停电后的恢复进程缓慢，不能满足供电需求。直流系统具有功率提升速度快的优势，可为大停电后电网中负荷恢复提供有力的功率支撑。

目前大停电后多直流馈入受端电网的恢复存在如下问题：

为加快恢复进程，希望在保证直流启动安全性的前提下尽可能使直流在分区内部启动。直流输电形式主要为常规直流输电(LCC-HVDC)，它的启动需要满足一定的条件，主要是受端电网的调频能力和逆变侧换流母线处的短路容量。而短路容量与线路、母线等分区决策变量的解析关系具有很强的非线性，建模十分困难，因此不容易在分区策略建模时将直流系统的启动条件考虑进来。因此，迫切需要新的算法在分区策略制定时考虑直流的启动条件，以形成更加合理的分区，加快恢复进程。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法及系统，针对多直流馈入受端电网的恢复分区问题，提出基于整数线性规划的分区模型与算法。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法，包括如下步骤：

将获取的停电电网数据传输至多直流馈入电网分区的整数线性规划模型，进行规划求解获得初步分区结果；

将分区结果中含有直流落点的分区进行短路容量校验，判断分区的短路容量是否满足直流启动条件；

对于满足启动条件的分区，直接启动该分区；对于不满足启动条件的分区，将该分区与相邻分区合并直到满足直流启动条件，求解分区的次优解，启动合并后的分区。

基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区系统，包括：

初步分区模块：被配置为用于将获取的停电电网数据传输至多直流馈入电网分区的整数线性规划模型，进行规划求解获得初步分区结果；

判断模块：被配置为用于将分区结果中含有直流落点的分区进行短路容量校验，判断分区的短路容量是否满足直流启动条件；

控制启动模块：被配置为用于针对满足启动条件的分区，直接启动该分区；对于不满足启动条件的分区，将该分区与相邻分区合并直到满足直流启动条件，求解分区的次优解，启动合并后的分区。

一种电子设备包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开在初步分区的求解过程中不考虑直流启动的短路容量约束，大大减少了模型的建立难度和求解难度，能够大大提高计算速度，实现快速恢复送电，同时在校验阶段以短路容量为判断标准判断系统是否满足直流启动条件，提高了直流输电启动的安全性。

(2)本公开在建立模型前，将带电孤岛凝聚成一个电源节点能够简化模型的建立，同时简化模型的求解。

(3)本公开在次优解求解过程中，增加割约束解决了原模型只以联络线最少为控制目标，可能出现的牺牲一些联络线数目，使原本子系统内不能启动的直流达到启动条件。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的方法流程图；

图2是本公开实施例的系统框图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

并行恢复可以加快大停电后的恢复进程，合理的恢复分区是并行恢复的前提。针对多直流馈入受端电网的恢复分区问题，本公开提出基于整数线性规划的分区模型与算法。由于直流启动的短路容量条件建模困难以及目前电网在制定恢复方案时普遍将直流放在系统主干网架恢复完成之后才启动，本公开的算法首先忽略了直流启动的短路容量条件，得到初步的分区结果，接着搜索含直流落点的分区与其他分区合并以到达直流启动条件，并提供了恢复过程中分区的并列顺序。同时，在保证计算时间的前提下，通过添加割约束得到多个次优解为分区决策提供更多的选择。本实施例提供的模型与算法在计算时间短，能够快速恢复供电，占有较高的优势，并且能够体现了电力网络的社团结构特性，能够实现划分区域的整体控制。

下面以具体的实施例进行说明。

实施例1

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法，包括如下步骤：

S1:获取停电电网的电网数据；

S2:将电网数据传输至多直流馈入电网分区的整数线性规划模型，进行规划求解获得初步分区结果；所述整数线性规划模型的约束中不考虑直流启动的短路容量约束；

S3:将分区结果中含有直流落点的分区进行短路容量校验，判断分区的短路容量是否满足直流启动条件；

S4:对于满足启动条件的分区，直接启动该分区；对于不满足启动条件的分区，将该分区与相邻分区合并求解重新分区的次优解，直到满足直流启动条件，启动合并后的分区。

本实施例在初步分区的求解过程中不考虑直流启动的短路容量约束，大大减少了模型的建立难度和求解难度，能够大大提高计算速度，实现快速恢复送电，同时在校验阶段以短路容量为判断标准判断系统是否满足直流启动条件，提高了直流输电启动的安全性。

步骤1中，停电电网的电网数据包括停电场景信息、电网的网络拓扑结构、发电机参数、负荷数据、直流系统的参数等。

停电场景信息具体包括停电的范围，停电范围内发电机、变压器、负荷都处于失电状态；发电机参数包括发电机容量、发电机阻抗参数、发电机启动所需功率、发电机最小稳定出力；直流系统的参数具体包括直流系统的额定容量、直流系统电压等级、额定容量、直流换流站交流滤波器分组容量；负荷数据包括负荷的有功功率、无功功率以及重要负荷比例。

电网的拓补结构关系可以用有向图G(V,E)表示，V是节点的集合(包括变电站和发电厂)，E是边的集合(包括输电线路和变压器支路)。

线性规划模型不论在求解速度还是收敛性保证方面都有巨大的优势，适合大规模系统应用。

可选的，本实施例分区联络线数目最少为目标，将多直流馈入受端电网恢复分区问题建模为整数线性规划模型(ILP)，即为多直流馈入电网分区的整数线性规划模型，具体的，目标函数可以如下：

y_l,j∈{0,1} (2)

E是线路的集合，l是线路的索引；J是分区个数(即黑启动电源个数)，j是分区索引；y_l,j∈{0,1}是二进制决策变量，1表示线路l属于分区j,0表示线路l不属于分区j；等式(1)的右侧表示了分区间联络线的数目。

多直流馈入电网分区的整数线性规划模型的约束条件，包括：

(一)黑启动电源约束：一个分区内有且只有一个黑启动机组，一个母线或一条线路只能属于一个分区；

具体的，可以如下：

z_jj＝1 (4)

z_ij∈{0,1} (5)

其中，z_ij∈{0,1}是二进制决策变量，1表示母线i属于分区j，0表示母线i不属于分区j，N表示系统母线的集合。

约束条件(3)表示一个母线只能属于一个分区且必须要被划分到该分区内，约束条件(4)表示黑启动电源属于自己形成的分区。上述两个约束条件的设置避免了某个母线同时被划分到两个分区的逻辑矛盾。

(二)母线与线路分区逻辑约束：一个输电线路及其两端的母线被划分到同一分区；具体的，可以如下：

δ(i)表示与母线i直接相连的线路集合，|δ(i)|表示集合δ(i)中元素的个数。约束条件(6)表明如果某条线路被划分到某个分区，那么其两端的母线也必须被划分到这一分区。

上述约束条件(一)和(二)构成了本实施例的分区逻辑约束。

(三)分区连通性约束：黑启动电源为一个分区内的唯一流量源，其只发出网络流而不消耗网络流，分区内的其他节点均有网络流到达且消耗一个单位的网络流，即黑启动电源发出的网络流等于分区内的节点数减1；区间联络线不属于任何分区。

在联络线合闸之前，每个分区与其他分区是孤立的，该条约束(三)可以采用“网络流”对连通性进行建模，能够保证分区内是拓扑连通的，具体约束如下：

-y_l,j|N|≤f_l,j≤y_l,j|N| (9)

f_l,j表征属于分区j的线路l上流过的网络流，是整数决策变量，它并不具有实际的物理意义，与潮流有本质的区别，也不满足基尔霍夫定律，为了减少决策变量的数量，图G设为有向图，f_l,j可正可负；

是整数集，|N|表示网络中的节点数量。

约束(7)表示当节点i属于分区j时，它消耗由黑启动电源j发出的单位网络流，对不属于分区j的节点，没有黑启动电源j发出的网络流到达，自然也不消耗；约束(8)表示黑启动电源j只发出网络流而不消耗，其发出的网络流等于分区内的节点数减一；约束(9)表示若某条线路不属于分区j,那么这条线路上也不流过分区j网络流源发出的网络流，同时只要线路l上有流量流过，那么这条线路就被划分到该分区，即y_l,j＝1。

约束(7)-(10)保证了分区子系统内部的连通性。但是，分区间的联络线应不属于任何分区，上述约束并没有对此进行区分，导致目标函数(1)的矛盾，为此添加下列约束。

y_l,j≤z_bj|_o(l)＝b (11)

y_l,j≤z_ej|_d(l)＝e (12)

y_l,j≥z_bj+z_ej-1 (13)

o(l)表示线路l的起点，d(l)表示线路l的终点；由上面约束条件可以看出，若节点b和e属于不同的分区，那么连接这两个节点的线路l不属于任何分区，即y_l,j＝0j＝1,2....J。这样，目标函数(1)可以精确地表示分区间联络线的数目。

(四)功率平衡约束：每个分区子系统中有充足的负荷来平衡发电，子系统内必须有足够的发电功率来供应重要负荷；重要负荷即为I类负荷，如政府、医院等需要尽快供电的负荷。具体约束条件如下：

G为发电机集合，g为发电机索引，P_GN,g为发电机g的额定功率；P_D,i为母线i处正常运行时的负荷量，α_g是机组g的最小稳定出力系数，不同类型的机组该值不同，一般地，燃煤机组为30％～35％,而水电机组不受最小出力限制，即α_g＝0；β_i为节点i处I类负荷的比例，根据电网实际情况确定。每个分区都要满足约束条件(14)-(15)。

(五)调频能力约束：受端电网有足够的调频能力使频率上升幅度在允许限值内。

直流启动瞬间会向受端电网输送0.035倍额定直流功率，会使频率突然上升。因此，受端电网必须要有足够的调频能力使频率上升幅度在允许限值内，允许限值可以设置为0.5Hz。

H_d为已恢复电网的调频能力指标，P_start，d为第d回直流的启动功率，△f_max为频率上升幅度的允许限值。

在步骤S2中，求解初步分区结果之前还包括如下步骤：获取停电场景信息，将未停电的带电孤岛凝聚成一个电源节点，设定该电源节点对外连接的关系不变。

由于停电场景的不确定性，大停电发生后可能形成一些带电孤岛，这些孤岛可以作为黑启动电源参与恢复，将带电孤岛凝聚成一个电源节点能够简化模型的建立，同时简化模型的求解。

将该分区与相邻分区合并直到满足直流启动条件，求解重新分区的次优解的方法，具体为：

S41、向多直流馈入电网分区的整数线性规划模型，添加割约束；

S42、对添加割约束后的整数线性规划模型求解，获得分区结果的次优解。

向模型中添加割约束用于保证求解后的分区结果与原模型的求解结果不同，而作为次优解。

其中，当初步的分区结果不能使直流满足启动的短路容量条件时，需要搜索与相邻分区合并已达到直流启动条件。由于多个分区间的合并操作是顺序完成的(不是一次性完成)，为了使直流尽快启动以及使直流的启动更加安全，应优先合并使直流短路容量增长最大的分区。与不同分区合并会使直流具有不同的短路容量，优先并列使直流短路容量最大的分区是本专利方法的准则，作为确定分区合并的顺序。

具体的，割约束条件可以为分区联络线数目不超过给定限值，如下：

S为之前已经获得的解的集合，s为解的索引；y_l,j∈{0,1}是二进制决策变量，1表示线路l属于分区j,0表示线路l不属于分区j；约束(17)保证了新获得的解与之前都不同。

本实施例增加割约束解决了原模型只以联络线最少为控制目标，可能出现的牺牲一些联络线数目，使原本子系统内不能启动的直流达到启动条件。只有一条直流时对初步分区结果进行判断，若直流能启动就启动即可，对于多条直流的情况，初步分区结果中可能有些直流能够达到启动条件，但是可能也有些直流达不到启动条件，因此在保证计算时间以及保证分区联络线数目不是太多的情况下，通过添加割约束寻找次优解，尽可能使所有直流在分区合并前就启动以加快恢复进程。

本实施例中通过求解优化模型(7)-(16)，得到初步的分区结果，由于优化模型中忽略了直流启动的短路容量约束，所以对含直流落点的分区进行短路容量校验，若校验通过，则算法结束，不再进行分区合并和寻找次优解；若校验不通过，则添加相应的割约束(17)重新优化寻找次优解并且搜索相邻分区与此分区合并。

步骤S2及步骤S4中判断分区是否满足直流启动条件，需满足直流输电系统的启动条件。

由于最小启动电流和最小滤波器组约束，LCC-HVDC启动时会对受端交流系统产生较大的有功和无功功率冲击,引起受端电网频率和电压的大幅变化。对受端电网强度的要求主要有已恢复电网的调频能力指标和逆变侧换流母线处最小短路容量要求。本实施例中，调频能力指标在模型中已经进行了约束，能否启动只要判断短路容量是否满足启动条件。

短路容量可以通过如下公式计算：

S_ac,d为第d回直流的短路容量，D为受端电网的直流落点数，U_N,d为换流母线d的额定电压，取1.0pu,Z_dd为换流母线d的节点自阻抗。

最小短路容量保证直流启动时向受端电网反送的无功功率不会使交流电压上升太大；可选的，短路容量的大小可以设定，可以设定为不小于逆变侧单组滤波器容量的设定倍数，一般的，短路容量要求最少为逆变侧单组滤波器容量的14倍，即为S_ac,d≥14Q_F,d，为了避免直流电流断续引起的过电压，最小启动电流一般设定0.1倍额定电流，所以最小启动功率P_start等设定为0.035P_dN，P_dN为额定直流输送功率。可选的，直流启动可以采用单极70％降压启动方式。

实施例2

本实施例提供基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区系统，包括：

初步分区模块：被配置为用于将获取的停电电网数据传输至多直流馈入电网分区的整数线性规划模型，进行规划求解获得初步分区结果；所述整数线性规划模型的约束中不考虑直流启动的短路容量约束；

判断模块：被配置为用于将分区结果中含有直流落点的分区进行短路容量校验，判断分区的短路容量是否满足直流启动条件；

控制启动模块：被配置为用于针对满足启动条件的分区，直接启动该分区；对于不满足启动条件的分区，将该分区与相邻分区合并直到满足直流启动条件，求解分区的次优解，启动合并后的分区。

实施例3

本实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1的方法所述的步骤。

实施例4

本实施例提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1的方法所述的步骤。

本公开所提出的电子设备可以是移动终端以及非移动终端，非移动终端包括台式计算机，移动终端包括智能手机(Smart Phone，如Android手机、IOS手机等)、智能眼镜、智能手表、智能手环、平板电脑、笔记本电脑、个人数字助理等可以进行无线通信的移动互联网设备。

应理解，在本公开中，该处理器可以是中央处理单元CPU，该处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

该存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。结合本公开所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开的范围。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本公开所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其他的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能的划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或者直接耦合或者通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性、机械或其它的形式。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本公开各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法，其特征是，包括如下步骤：

将获取的停电电网数据传输至多直流馈入电网分区的整数线性规划模型，进行规划求解获得初步分区结果；

将分区结果中含有直流落点的分区进行短路容量校验，判断分区的短路容量是否满足直流启动条件；

对于满足启动条件的分区，直接启动该分区；对于不满足启动条件的分区，将该分区与相邻分区合并直到满足直流启动条件，求解分区的次优解，启动合并后的分区。

2.如权利要求1所述的基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法，其特征是：所述多直流馈入电网分区的整数线性规划模型以分区联络线数目最少为目标建立目标函数。

3.如权利要求1所述的基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法，其特征是：

所述整数线性规划模型的约束中不考虑直流启动的短路容量约束；

或者，多直流馈入电网分区的整数线性规划模型的约束条件，包括：

黑启动电源约束：一个分区内有且只有一个黑启动机组，一个母线或一条线路只能属于一个分区；

母线与线路分区逻辑约束：一个输电线路及其两端的母线被划分到同一分区；

分区连通性约束：黑启动电源发出的网络流等于分区内的节点数减1；区间联络线不属于任何分区；

功率平衡约束：每个分区子系统中有充足的负荷来平衡发电，子系统内必须有足够的发电功率来供应重要负荷；

调频能力约束：受端电网有足够的调频能力使频率上升幅度在允许限值内。

4.如权利要求1所述的基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法，其特征是：求解初步分区结果之前还包括如下步骤：获取停电场景信息，将未停电的带电孤岛凝聚成一个电源节点，设定该电源节点对外连接的关系不变。

5.如权利要求1所述的基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法，其特征是：将该分区与相邻分区合并求解重新分区的次优解的方法，具体为：

向多直流馈入电网分区的整数线性规划模型，添加割约束；

对添加割约束后的整数线性规划模型求解，获得分区结果的次优解。

6.如权利要求5所述的基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法，其特征是：所述割约束为分区联络线数目不超过给定限值。

7.如权利要求5所述的基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区方法，其特征是：停电电网数据包括停电场景信息、电网的网络拓扑结构、发电机参数、负荷数据和直流系统的参数；

或者，进行短路容量校验，判断分区的短路容量是否满足直流启动条件具体为：短路容量要求不小于逆变侧单组滤波器容量的设定倍数。

8.基于整数线性规划的多直流馈入电网恢复分区系统，其特征是，包括：

初步分区模块：被配置为用于将获取的停电电网数据传输至多直流馈入电网分区的整数线性规划模型，进行规划求解获得初步分区结果；

判断模块：被配置为用于将分区结果中含有直流落点的分区进行短路容量校验，判断分区的短路容量是否满足直流启动条件；

控制启动模块：被配置为用于针对满足启动条件的分区，直接启动该分区；对于不满足启动条件的分区，将该分区与相邻分区合并直到满足直流启动条件，求解分区的次优解，启动合并后的分区。

9.一种电子设备，其特征是，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项方法所述的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征是，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项方法所述的步骤。

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