CN112117761B - 基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法：计算线路、发电机节点及变电站节点权重因子，以此作为路径搜索过程中选择线路和节点的依据；基于待恢复节点类型，确定各类节点权重因子对应系数的取值，并计算待恢复节点组合权重；对新能源和负荷接入系统要求进行分析，研究新能源节点恢复与功率平衡的约束条件；提出一种考虑相邻未恢复发电机节点影响的改进节点组合权重，增加发电机节点被搜索的机会，加快发电机节点恢复速度；最后，结合所提出的改进节点组合权重，建立广度优先路径搜索模型，在考虑系统恢复过程中对新能源接纳能力的情况下，实现新能源电力系统有序恢复。

Description

基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法

技术领域

本发明涉及新能源电力系统有序恢复技术领域，具体地，涉及一种基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法。

背景技术

随着传统化石能源逐渐枯竭，国家大力发展新能源以满足人类社会对于能源的需求。然而中国新能源与负荷呈逆向分布，因此国家电网公司大力发展适用于远距离、大容量输电的特高压直流技术将新能源外送，以满足负荷中心的用电需求。以西北电网为例，正逐渐形成以甘肃、新疆、宁夏等为代表的新能源基地集群通过特高压直流群外送格局，在支撑国家资源优化配置的同时，电网安全稳定运行也面临诸多挑战。

一方面，多直流群之间、交直流之间以及新能源和直流群之间耦合特性紧密，新能源消纳能力与直流送电能力关联性强，交流短路故障、直流换相失败及闭锁等故障均可能引起大规模新能源脱网事故，导致电网发生大范围连锁故障的风险增大；而另一方面，目前新能源电站参与电网紧急控制时多采取刚性切除馈线的方式，对新能源集中地区的潮流、电压影响较大，极易引发正常运行新能源机组大规模脱网，造成电网次生危害或引发连锁故障。

可以看出，无论从当前新能源电站参与紧急控制的方式，还是新能源运行实际风险来看，大规模新能源脱网的风险仍普遍存在。而脱网新能源集中、无序恢复时，可能对电网的安全稳定运行有较大影响。目前关于系统恢复问题的研究多专注于常规能源系统，对于新能源电力系统有序恢复的研究还有所欠缺；此外，现有研究对新能源参与恢复的关注点多在于新能源作为黑启动电源的可行性，而对新能源恢复给整个系统恢复过程带来的冲击考虑不足。在恢复初期系统较为薄弱，新能源出力的波动性会引起系统频率和电压的波动。不适时机和不适量的恢复新能源可能会导致系统再次崩溃。并且，在实际系统中，单个新能源节点的出力较小，节点权重因此较小，致使在路径搜索过程中恢复顺序滞后。

因此，对于新能源系统的恢复过程，必须考虑对新能源的接纳能力，建立基于改进网络权重的恢复路径搜索模型，避免出现因不适时机和不适量恢复新能源导致的系统再次崩溃现象。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出一种基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法，以避免出现因不适时机和不适量恢复新能源导致的系统再次崩溃现象，克服现有技术在恢复过程中对新能源消纳考虑不足的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法，包括以下步骤：

步骤1：计算线路权重因子、发电机节点权重因子及变电站节点权重因子；其中，线路权重因子L_wij表征恢复过程中输电线路的重要程度，其考虑因素包括输电线路回路数N、线路潮流中的有功功率P_L和无功功率Q_L，定义为：

式中，j为待恢复节点，i为与j相邻的已恢复节点；

发电机节点权重因子及变电站节点权重因子则是对节点重要程度的一种衡量，发电机节点权重因子G_wj由两部分组成：发电机权重及负荷权重；利用层次分析模型进行综合考量，得出每个机组的权重g_w，并将负荷大小P_D作为该节点负荷权重；发电机节点权重因子G_wj为每个机组的权重g_w和负荷大小P_D的加权，计算公式为：

G_wj＝α₁g_w+α₂P_D (2)

式中，α₁和α₂为对应项的加权系数；

对于变电站节点权重因子，考虑的因素有：该变电站节点是否为枢纽节点，变电站节点的负荷大小；该变电站节点是否为枢纽节点可以用出线回数K来衡量，K值越大，说明该节点与周围节点的电气联系越紧密，即该变电站节点为枢纽节点，而负荷大小P_D越大说明节点担负的用电需求越高；因此，定义变电站节点权重因子S_wj为：

S_wj＝KP_D (3)

步骤2：基于待恢复节点类型，确定各类节点权重因子对应系数的取值，对于发电机节点，变电站节点权重因子对应的系数c取为0，对于变电站节点，发电机节点权重因子对应的系数b取为0；之后，计算待恢复节点组合权重，计算公式为：

C_wj＝aL_wij+bG_wj+cS_wj j∈Ω_U,i∈Ω_R (4)

式中，a为线路权重因子对应的系数，Ω_R表示已恢复节点集合，Ω_U表示未恢复节点集合；

步骤3：对新能源和负荷接入系统的要求进行分析，研究新能源节点恢复与功率平衡的约束条件；恢复初期，新能源可以在满足运行安全约束的前提下接入系统；系统恢复初期，常规电源尚未完全恢复，系统惯性较小，新能源出力的随机性和波动性可能造成系统较大的频率偏差；因此在给系统接入新能源时，需要考虑系统频率约束：

Δf_min≤Δf≤Δf_max (5)

式中：Δf为新能源接入造成的系统频率偏差，Δf_max和Δf_min为系统频率偏差的上下限；

功率平衡约束则保证恢复过程中负荷恒小于已恢复发电机出力，计算公式为：

式中：r为已恢复发电机序号，P_Gr为第r台已恢复发电机有功出力；P_Dl为第l个已恢复的负荷有功功率；Ω_GR为已恢复发电机集合；Ω_DL为已恢复负荷集合；

步骤4：提出一种考虑相邻未恢复发电机节点影响的改进节点组合权重，加快发电机节点恢复速度，计算公式为：

C′_wj＝C_wj+γG_wk (7)

式中：j为待恢复节点，C_wj为节点j的组合权重，k为与j相邻的未恢复发电机节点，G_wk为节点k的发电机节点权重因子，γ为比例系数；

步骤5：结合所提出的改进节点组合权重，建立广度优先路径搜索模型，实现新能源电力系统有序恢复，具体为：

如果已恢复节点数目n＝0，根据需求选取恢复节点p_n，放入已恢复节点集合Ω_R，搜索所有与节点p_n相邻的节点放入待恢复节点集合Ω_N，其余节点放入未恢复节点集合Ω_U；计算待恢复节点集合Ω_N中所有节点的组合权重，选取权重最大者为下一恢复节点，即：

p_n+1＝{j|C′_wj＝max{C′_w},j∈Ω_N} (8)

式中，C′_w为待恢复节点集合Ω_N中所有节点的组合权重；

如果已恢复节点数目n≠0，将p_n点放入已恢复节点集合Ω_R中，并搜索与其相邻的节点放入待恢复节点集合Ω_N，将这些节点从未恢复节点集合Ω_U中剔除；根据式(8)计算待恢复节点集合Ω_N中所有节点的组合权重，并选取组合权重最大者作为下一恢复节点p_n+1；若p_n已经是网络中的末端节点，则直接从待恢复节点集合Ω_N中剩余节点选择组合权重最大的p_n+1，否则继续搜索与p_n相邻的节点放入待恢复节点集合Ω_N；当未恢复节点集合Ω_U和待恢复节点集合Ω_N皆为空集时，说明所有节点均已恢复，路径搜索过程结束，按顺序输出已恢复节点集合Ω_R中元素即可得到恢复路径方案。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

本发明提出的新能源电力系统恢复路径搜索方法，可以充分考虑系统对新能源的接纳能力，实现新能源电力系统的有序恢复。目前国内外对于新能源电力系统有序恢复的研究有所欠缺；对新能源参与恢复的关注点也多在于新能源作为黑启动电源的可行性，而对新能源恢复给整个系统恢复过程带来的冲击考虑不足，在恢复初期会因不适时机和不适量的恢复新能源导致系统再次崩溃。本发明考虑了恢复过程中新能源节点恢复约束与功率平衡约束，利用改进网络权重和广度优先算法对新能源电力系统恢复路径进行搜索，既能避免恢复过程中系统再次崩溃，也能迅速恢复发电机节点，为系统提供功率支撑。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明实施例所述一种基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法流程图；

图2为本发明实施例所述某地区电网的网架结构。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例中一种基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法，主要包括：计算线路、发电机节点及变电站节点权重因子，以此作为路径搜索过程中选择线路和节点的依据；基于待恢复节点类型，确定各权重因子对应的系数，并计算待恢复节点组合权重；对新能源和负荷接入系统要求进行分析，研究新能源节点恢复与功率平衡的约束条件；提出一种考虑相邻未恢复发电机节点影响的改进节点组合权重，增加发电机节点被搜索的机会，加快发电机节点恢复速度；最后，结合所提出的改进节点组合权重，建立广度优先路径搜索模型，在考虑系统恢复过程中对新能源接纳能力的情况下，实现新能源电力系统有序恢复。

本实施例一种基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法，包括以下步骤：

步骤一：线路权重因子与节点权重因子计算。

线路权重因子表征恢复过程中输电线路的重要程度，计算公式如式(1)所示。为简单和不失一般性，本发明选取某地区电网进行研究，其结构如图2所示。图2中5北塔山、6老君庙、23奇台3个发电机节点为新能源机组，其余发电机节点为常规能源机组。图中两节点之间两根连线代表双回线，三根连线代表三回线。由于只采用实际电网的部分网架，因此需做如下近似处理：

(1)对于某一节点在图中存在未画出的输电线路，根据稳态潮流计算得到的线路潮流，将各线路潮流相加的代数和等效为该节点的负荷；

(2)将直流输电系统的输送功率等效为所连接交流节点的负荷。

节点4(神火)是权重最大的发电机节点，因此将其设置为自启动节点。

各线路权重因子计算结果如表1所示：

表1线路权重

发电机节点权重因子与变电站节点权重因子表征恢复过程中节点的重要程度，计算公式如式(2)和式(3)所示。节点权重因子计算结果如表2所示：

表2节点权重因子

P_G发电机有功出力，P_D有功负荷，单位p.u.，基准容量100MVA

步骤二：节点组合权重及其改进计算。

为综合分析线路、发电机节点及变电站节点权重因子在新能源系统恢复过程中的重要程度，基于对节点类型的分析，计算对应系数与节点组合权重值；此外，为加快发电机节点恢复速度，针对节点组合权重进行式(7)的改进，通过增加相邻节点的组合权重，提高发电机节点被搜索到的机会。节点组合权重及其改进计算结果如表3所示：

表3节点组合权重及其改进计算

步骤三：基于改进权重因子的路径搜索模型。

为证明所建立的恢复路径搜索模型的有效性，以下采用两种方法为系统提供恢复方案。方案1为采用式(4)计算的节点组合权重，为系统提供恢复路径方案；方案2为采用式(7)计算的改进节点组合权重，并以此制定恢复方案。方案1和方案2的路径恢复顺序如表4所示。

表4路径恢复顺序对比

表5机组恢复时间对比

方案1中，由节点4(神火)恢复至节点9(彩虹)和节点11(石钱滩)后，本应由11恢复12(兴盛)，再恢复13(芨芨湖)是最好的路径，因为这两个节点连接着发电机节点。但由表2可知，线路7(11→12)的权重L_w7＝3.59，且节点12(兴盛)没有负荷，所以S_w12＝0，因此由式(4)计算得到节点12(兴盛)的组合权重C_w7＝3.59。而线路22(9→20)的权重L_w22＝32.92，且节点20(五彩湾)的负荷为P_D＝1.57，由(4)计算得到节点20(五彩湾)的组合权重C_w20＝48.62，故先恢复节点20(五彩湾)。同理，恢复节点20(五彩湾)后，并没有选择连接发电机节点较多的13(芨芨湖)，而是依次恢复了节点19(乌北)，18(达坂城)，17(吐鲁番)。因此，方案1中G7，G8，G23，W6恢复的次序靠后。

方案2中，当恢复至节点11(石钱滩)后，由于节点9(彩虹)叠加了节点6(老君庙)的权重，由表2的数据和式(7)计算可得，此时S′_w12＝500，C_w12＝503.59，C_w12＞C_w20，因此优先恢复节点12(兴盛)。同理，之后优先恢复变电站节点13(芨芨湖)。从表5可见G7，G8，G23，W6的恢复次序明显提升。W5恢复次序下降，这是因为变电站节点9(彩虹)叠加了发电机节点1(宜化)和2(古泉)的权重，将节点9(彩虹)，2(古泉)，1(宜化)的恢复次序提前了。从整体来看，改进的节点权重有效改善了发电机节点的恢复次序，尤其是出力较小的新能源机组。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于改进网络权重的新能源电力系统恢复路径搜索方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算线路权重因子、发电机节点权重因子及变电站节点权重因子；其中，线路权重因子L_wij表征恢复过程中输电线路的重要程度，其考虑因素包括输电线路回路数N、线路潮流中的有功功率P_L和无功功率Q_L，定义为：

式中，j为待恢复节点，i为与j相邻的已恢复节点；

发电机节点权重因子及变电站节点权重因子则是对节点重要程度的一种衡量，发电机节点权重因子G_wj由两部分组成：发电机权重及负荷权重；利用层次分析模型进行综合考量，得出每个机组的权重g_w，并将负荷大小P_D作为该节点负荷权重；发电机节点权重因子G_wj为每个机组的权重g_w和负荷大小P_D的加权，计算公式为：

G_wj＝α₁g_w+α₂P_D (2)

式中，α₁和α₂为对应项的加权系数；

对于变电站节点权重因子，考虑的因素有：该变电站节点是否为枢纽节点，变电站节点的负荷大小；该变电站节点是否为枢纽节点用出线回数K来衡量，K值越大，说明该节点与周围节点的电气联系越紧密，即该变电站节点为枢纽节点，而负荷大小P_D越大说明节点担负的用电需求越高；因此，定义变电站节点权重因子S_wj为：

S_wj＝KP_D (3)

步骤2：基于待恢复节点类型，确定各类节点权重因子对应系数的取值，对于发电机节点，变电站节点权重因子对应的系数c取为0，对于变电站节点，发电机节点权重因子对应的系数b取为0；之后，计算待恢复节点组合权重，计算公式为：

C_wj＝aL_wij+bG_wj+cS_wj j∈Ω_U,i∈Ω_R (4)

式中，a为线路权重因子对应的系数，Ω_R表示已恢复节点集合，Ω_U表示未恢复节点集合；

步骤3：对新能源和负荷接入系统的要求进行分析，研究新能源节点恢复与功率平衡的约束条件；恢复初期，新能源在满足运行安全约束的前提下接入系统；系统恢复初期，常规电源尚未完全恢复，系统惯性小，新能源出力的随机性和波动性可能造成系统大的频率偏差；因此在给系统接入新能源时，需要考虑系统频率约束：

Δf_min≤Δf≤Δf_max (5)

式中：Δf为新能源接入造成的系统频率偏差，Δf_max和Δf_min为系统频率偏差的上下限；

功率平衡约束则保证恢复过程中负荷恒小于已恢复发电机出力，计算公式为：

式中：r为已恢复发电机序号，P_Gr为第r台已恢复发电机有功出力；P_Dl为第l个已恢复的负荷有功功率；Ω_GR为已恢复发电机集合；Ω_DL为已恢复负荷集合；

步骤4：提出一种考虑相邻未恢复发电机节点影响的改进节点组合权重，加快发电机节点恢复速度，计算公式为：

C′_wj＝C_wj+γG_wk (7)

式中：j为待恢复节点，C_wj为节点j的组合权重，k为与j相邻的未恢复发电机节点，G_wk为节点k的发电机节点权重因子，γ为比例系数；

步骤5：结合所提出的改进节点组合权重，建立广度优先路径搜索模型，实现新能源电力系统有序恢复，具体为：

如果已恢复节点数目n＝0，根据需求选取恢复节点p_n，放入已恢复节点集合Ω_R，搜索所有与节点p_n相邻的节点放入待恢复节点集合Ω_N，其余节点放入未恢复节点集合Ω_U；计算待恢复节点集合Ω_N中所有节点的组合权重，选取权重最大者为下一恢复节点，即：

p_n+1＝{j|C′_wj＝max{C′_w},j∈Ω_N} (8)

式中，C′_w为待恢复节点集合Ω_N中所有节点的组合权重；

如果已恢复节点数目n≠0，将p_n点放入已恢复节点集合Ω_R中，并搜索与其相邻的节点放入待恢复节点集合Ω_N，将这些节点从未恢复节点集合Ω_U中剔除；根据式(8)计算待恢复节点集合Ω_N中所有节点的组合权重，并选取组合权重最大者作为下一恢复节点p_n+1；若p_n已经是网络中的末端节点，则直接从待恢复节点集合Ω_N中剩余节点选择组合权重最大的p_n+1，否则继续搜索与p_n相邻的节点放入待恢复节点集合Ω_N；当未恢复节点集合Ω_U和待恢复节点集合Ω_N皆为空集时，说明所有节点均已恢复，路径搜索过程结束，按顺序输出已恢复节点集合Ω_R中元素即得到恢复路径方案。

Images