CN112651128B - 一种面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，步骤包括：S1.构建优化模型；S2.将优化模型中所有支路开关的状态设置为闭合状态；S3.将步骤S2处理后得到的优化模型分解为多个子模型，每个子模型只含一个N‑1故障或不含任何故障；S4.对各个子模型分别进行求解，得到第一阶段优化模型的求解结果；S5.根据各子优化模型的求解结果获取有效开关集合；S6.在步骤S1所构建的优化模型中将有效开关以外的其余开关的状态设置为闭合状态，得到第二阶段优化模型；S7.求解第二阶段优化模型，得出最终的拓扑结构和机组出力联合优化结果。本发明能够同时高效优化交直流系统机组出力及拓扑，具有计算效率高等优点。

Description

一种面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法
技术领域
本发明涉及交直流混联电力系统技术领域，尤其涉及一种面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法。
背景技术
随着电压源型换流站(VSC)技术的进步和快速发展，多端柔性直流输电系统在含海上风电的电力系统领域受到了越来越广泛的关注与应用(Gang Shi,Guoxiang Wu,XuCai,Zhe Chen.Coordinated control of multi-terminal VSC-HVDC transmission forlarge offshore wind farms.Proceedings of The 7th International PowerElectronics and Motion Control Conference,2012)。综合考虑VSC快速控制和电网拓扑优化的运行调度可以有效提升交直流系统的经济性及故障后的校正控制能力。然而拓扑优化会给交直流系统运行优化调度问题带来巨大的挑战，如拓扑优化中交流支路开关状态这一决策变量为二进制变量，且当考虑多场景和N-1故障约束之后，考虑VSC快速控制和电网拓扑优化的运行调度将成为一个大规模混合整数优化问题。针对混合整数优化模型，目前通常是采用诸如分支定界法、割平面法等数学优化算法进行直接求解，但是这类求解算法的计算时间会随着问题规模的增大呈指数增长(V.Nwana,K.Darby-Dowman,G.Mitra.Atwo-stage parallel branch and bound algorithm for mixed integer programs.IMAJournal of Management Mathematics,2004)。因此采用传统方法直接求解交直流系统机组出力与拓扑结构联合随机优化问题会存在求解难度大、求解时间长的问题。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种求解效率高的面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，克服传统算法求解机组出力与拓扑结构联合优化问题存在的求解时间长、求解难度大等问题。以下所述换流站均指连接交流子系统和直流子系统的换流站。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，步骤包括：
S1.构建优化模型，以含电压源型换流站的交直流电力系统正常状态下的总发电成本为目标函数，约束条件包括与交流子系统线性潮流模型、考虑V2-P下垂控制的直流子系统线性潮流模型、电压源型换流站传输功率相关的约束，以及与交直流支路传输容量、电压源型换流站传输容量、火电机组有功出力范围及火电机组调节能力相关的约束，所述换流站均为连接交流子系统和直流子系统的换流站；
S2.将优化模型中所有支路开关的状态设置为闭合状态，所述支路开关为待优化的交流支路开关；
S3.将经过步骤S2处理后得到的优化模型分解为多个子模型，每个所述子模型只含一个N-1故障或不含任何故障，由含有各所述子模型的集合构成第一阶段模型；
S4.对步骤S3产生的各个子模型分别进行求解，得到所述第一阶段模型的求解结果；
S5.根据步骤S4得到的各所述子模型的所述求解结果获取有效开关集合；
S6.根据步骤S5得到的有效开关集合，在步骤S1所构建的优化模型中将有效开关以外的其余开关的状态设置为闭合状态，进而得到第二阶段优化模型；
S7.求解所述第二阶段优化模型，得出最终的拓扑结构和火电机组出力联合优化结果。
进一步的，所述优化模型目标为使得各场景下各火电机组发电成本之和最小，即为：
Figure BDA0002861520820000021
其中，s表示所属场景，bc表示正常运行状态，ai、bi、ci为节点i的火电机组成本函数中的系数，
Figure BDA0002861520820000022
代表节点i的火电机组有功出力，ps为场景发生概率，ns为场景总数，ΩAC表示交流子系统节点集合；
进一步的，与所述交流子系统线性潮流模型相关的约束条件为：
Figure BDA0002861520820000023
Figure BDA0002861520820000024
Figure BDA0002861520820000025
Figure BDA0002861520820000026
所述考虑V2-P下垂控制的直流子系统线性潮流模型相关的约束条件为：
Figure BDA0002861520820000031
Figure BDA0002861520820000032
Figure BDA0002861520820000033
Figure BDA0002861520820000034
Figure BDA0002861520820000035
与所述电压源型换流站传输功率相关的约束条件为：
Figure BDA0002861520820000036
交流子系统支路传输容量约束为：
Figure BDA0002861520820000037
所述火电机组有功出力范围约束为：
Figure BDA0002861520820000038
所述火电机组调节能力约束为：
Figure BDA0002861520820000039
直流子系统电压约束为：
Figure BDA00028615208200000310
直流子系统支路传输容量约束为：
Figure BDA00028615208200000311
所述电压源型换流站传输容量约束为：
Figure BDA00028615208200000312
其中，
Figure BDA00028615208200000313
分别表示交流子系统和直流子系统中与节点i相连的所有支路集合，下标s和下标p分别代表所属场景和所属状态,p∈{bc,stf,ltf}，stf和ltf分别表示故障f发生后短期运行状态、故障f发生后长期运行状态，
Figure BDA00028615208200000314
分别代表交流子系统中节点i的总有功注入功率、火电机组有功出力、换流站有功注入功率、负荷有功功率，
Figure BDA00028615208200000315
为交流子系统中节点i与节点j之间支路的有功功率；
Figure BDA00028615208200000316
为交流子系统中节点i与节点j之间的支路导纳，所述支路导纳表示为
Figure BDA0002861520820000041
其中xij为交流子系统中节点i与节点j之间支路的电抗；
Figure BDA0002861520820000042
与
Figure BDA0002861520820000043
等效，
Figure BDA0002861520820000044
代表交流子系统中节点i与节点j之间支路的开关状态，
Figure BDA0002861520820000045
代表支路处于断开状态，
Figure BDA0002861520820000046
代表支路处于闭合状态，
Figure BDA0002861520820000047
代表交流子系统中节点i和节点j之间的电压相角差，M为足够大的正数；
Figure BDA0002861520820000048
其中，
Figure BDA0002861520820000049
是换流站的直流下垂控制系数，
Figure BDA00028615208200000410
分别是
Figure BDA00028615208200000411
的上限和下限；
Figure BDA00028615208200000412
分别是直流子系统中节点i的电压值、下垂控制参考电压、下垂控制直流参考有功功率，
Figure BDA00028615208200000413
Figure BDA00028615208200000414
分别表示直流子系统中节点i的有功注入功率、风电有功出力、负荷有功功率、换流站有功注入功率，
Figure BDA00028615208200000415
为直流子系统中节点i与节点j之间支路的有功功率，
Figure BDA00028615208200000416
为直流子系统中节点i与节点j之间支路的电阻值，
Figure BDA00028615208200000417
ΩDC、ΩDC,VC分别表示由同一个换流站的交流侧节点和直流侧节点构成的节点对集合、直流子系统的节点集合、与换流站相连的直流子系统节点集合；
Figure BDA00028615208200000418
为运行状态p下的支路传输容量系数，
Figure BDA00028615208200000419
代表正常运行状态下直流子系统中节点i与节点j之间支路的传输容量，
Figure BDA00028615208200000420
分别为火电机组的有功出力上限、有功出力下限、有功出力调节上限，
Figure BDA00028615208200000421
分别为直流子系统中节点i的电压上限和下限，
Figure BDA00028615208200000422
代表与交流子系统中节点i相连的换流站的传输容量；
Figure BDA00028615208200000423
代表正常运行状态下交流子系统中节点i与节点j之间支路的传输容量；ΩAC,VC代表与换流站相连的交流子系统节点集合；上述内容所述换流站均指连接交流子系统和直流子系统的电压源型换流站；
进一步的，所述步骤S5中得到求解结果之后包括对所有子模型的求解结果分别进行处理的步骤，各子模型求解结果处理的具体步骤包括：将所述子模型中所有决策变量对应设置为步骤S4所得的该子模型求解结果中的数值，然后逐一断开所有交流支路开关。在断开任意一个开关前，所有开关设置为闭合状态，在断开任意一个开关之后，立即判断关键重载支路的传输功率是否减小，所述关键重载支路为步骤S4所得的该子模型求解结果中负载率等于1的支路；
进一步的，具体使用如下的判断公式：
Figure BDA0002861520820000051
其中，下标k代表第k个交流支路开关断开后的系统状态，
Figure BDA0002861520820000052
为交流子系统不含平衡节点的节点有功注入功率向量，
Figure BDA0002861520820000053
表示通过删除不含对地支路的交流子系统节点导纳矩阵中平衡节点所对应的行和列得到的矩阵；
Figure BDA0002861520820000054
为不含平衡节点的交流子系统节点电压相角向量；
Figure BDA0002861520820000055
为交流子系统的节点电压相角向量，其中平衡节点电压相角为0，其余节点的电压相角等于
Figure BDA0002861520820000056
中相应的数值；
Figure BDA0002861520820000057
为交流子系统的支路有功功率向量，
Figure BDA0002861520820000058
为交流子系统的网络关联矩阵，
Figure BDA0002861520820000059
为交流支路两端电压相角差的向量；
Figure BDA00028615208200000510
为由各交流支路导纳组成的对角矩阵；所述判断公式中，处于断开状态的第k个开关所在交流支路的导纳设置为0，而对于未断开的开关所在的交流支路，它的导纳表示为
Figure BDA00028615208200000511
其中x是它的电抗；所述判断公式基于交流电力系统领域经典的直流潮流算法；
通过
Figure BDA00028615208200000512
判断第k个开关是否属于断开后能够减少所述关键重载支路传输功率的交流支路开关。
进一步的，所述步骤S5的具体还步骤包括：对于关键重载支路，在获取所有能够改善关键重载支路负载率的开关集合后，对所有能够改善同一关键重载支路负载率的开关集合取交集，获取得到各关键重载支路的有效开关集合；将所有关键重载支路的所述有效开关集合取并集得到最终的有效开关集合；
进一步的，所述步骤S7中通过专业求解器求解所述第二阶段优化模型，得出最终的拓扑结构和火电机组出力联合优化结果。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过构建针对交直流系统机组出力与拓扑结构联合优化的混合整数优化模型，并对该优化模型采用两阶段优化方法来实现求解，从而加快求解速度、降低求解难度，实现交直流机组出力与拓扑结构优化问题的高效求解，使得可以实现考虑多场景和N-1故障约束的交直流电力系统高效运行和故障后安全校正控制。
2、本发明通过在构建优化模型时，在约束条件中设置包括与交流子系统线性潮流模型、考虑V2-P下垂控制的直流子系统线性潮流模型、电压源型换流站传输功率等有关的约束，以及采用了一些约束线性化处理技术，能够在降低模型非线性程度的同时，得到比较接近实际的交直流系统机组出力与拓扑结构优化模型。
附图说明
图1是本实施例面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法的实现流程示意图。
图2是本实施例中生成候选开关集的原理示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法步骤包括：
S1.构建优化模型，以含电压源型换流站的交直流电力系统正常状态下的总发电成本为目标函数，约束条件包括与交流子系统线性潮流模型、考虑V2-P下垂控制的直流子系统线性潮流模型、电压源型换流站传输功率相关的约束，以及与交直流支路传输容量、电压源型换流站传输容量、火电机组有功出力范围及火电机组调节能力相关的约束，所述换流站均为连接交流子系统和直流子系统的换流站；
S2.将优化模型中所有支路开关的状态设置为闭合状态，所述支路开关为待优化的交流支路开关；
S3.将经过步骤S2处理后得到的优化模型分解为多个子模型，每个所述子模型只含一个N-1故障或不含任何故障，由含有各所述子模型的集合构成第一阶段模型；
S4.对步骤S3产生的各个子模型分别进行求解，得到所述第一阶段模型的求解结果；
S5.根据步骤S4得到的各所述子模型的所述求解结果获取有效开关集合；
S6.根据步骤S5得到的有效开关集合，在步骤S1所构建的优化模型中将有效开关以外的其余开关的状态设置为闭合状态，进而得到第二阶段优化模型；
S7.求解所述第二阶段优化模型，得出最终的拓扑结构和火电机组出力联合优化结果。
本实施例通过构建针对电力系统机组出力与拓扑结构优化的混合整数优化模型，同时对该优化模型采用两阶段优化方法来实现求解，能有效减小优化模型的整数变量的解空间，从而加快求解速度、降低求解难度，实现交直流系统机组出力与拓扑结构优化的高效求解，解决传统机组出力与拓扑结构联合优化方法存在的求解时间长、求解难度大问题，并可以实现考虑多场景和N-1故障约束的交直流电力系统高效运行和故障后安全校正控制。
本实施例在构建优化模型时，具体考虑多个场景(具体参见S.Zhang,H.Cheng,L.Zhang,M.Bazargan,L.Yao.Probabilistic Evaluation of Available Load SupplyCapability for Distribution System.IEEE Transactions on Power Systems,2013)、多个N-1故障、三种运行状态(包括正常运行、故障后短期运行、故障后长期运行)(具体参见F.Capitanescu,L.Wehenkel.Improving the Statement of the Corrective Security-Constrained Optimal Power-Flow Problem.IEEE Transactions on Power Systems,2007)，以交直流电力系统正常状态下的总发电成本为目标函数，在约束条件中设置包括与交直流系统线性潮流模型，直流系统V2-P下垂控制、电压源型换流站传输功率相关的约束，以及与交直流支路传输容量、电压源型换流站传输容量、火电机组有功出力范围及火电机组调节能力相关的约束，能够在降低模型非线性程度地同时，构建得到更为接近实际的交直流系统机组出力与拓扑结构优化模型。
本实施例优化模型中，目标函数为各场景下各火电机组发电成本之和，即为：
Figure BDA0002861520820000071
其中，s表示所属场景，bc表示正常运行状态，ai、bi、ci为节点i的火电机组成本函数中的系数，
Figure BDA0002861520820000072
代表节点i的火电机组有功出力，ps为场景发生概率。ns为场景总数，ΩAC分别表示交流子系统节点集合。
本实施案例中，与所述交流子系统线性潮流模型相关的约束条件为：
Figure BDA0002861520820000073
Figure BDA0002861520820000074
Figure BDA0002861520820000075
Figure BDA0002861520820000076
所述考虑V2-P下垂控制的直流子系统线性潮流模型相关的约束条件为：
Figure BDA0002861520820000077
Figure BDA0002861520820000078
Figure BDA0002861520820000079
Figure BDA00028615208200000710
Figure BDA0002861520820000081
Figure BDA0002861520820000082
Figure BDA0002861520820000083
Figure BDA0002861520820000084
Figure BDA0002861520820000085
Figure BDA0002861520820000086
所述电压源型换流站传输功率相关的约束条件为：
Figure BDA0002861520820000087
交流子系统支路传输容量约束为：
Figure BDA0002861520820000088
所述火电机组有功出力范围约束为：
Figure BDA0002861520820000089
所述火电机组调节能力约束为：
Figure BDA00028615208200000810
直流子系统电压约束为：
Figure BDA00028615208200000811
直流子系统支路传输容量约束为：
Figure BDA00028615208200000812
所述电压源型换流站传输容量约束为：
Figure BDA00028615208200000813
其中，
Figure BDA00028615208200000814
分别表示交流子系统和直流子系统中与节点i相连的所有支路集合，下标s和下标p分别代表所属场景和所属状态,
Figure BDA00028615208200000815
stf和ltf分别表示故障f发生后短期运行状态、故障f发生后长期运行状态，
Figure BDA00028615208200000816
分别代表交流子系统中节点i的总有功注入功率、火电机组有功出力、换流站有功注入功率、负荷有功功率，
Figure BDA0002861520820000091
为交流子系统中节点i与节点j之间支路的有功功率；
Figure BDA0002861520820000092
为交流子系统中节点i与节点j之间的支路导纳，所述支路导纳表示为
Figure BDA0002861520820000093
其中xij为交流子系统中节点i与节点j之间支路的电抗；
Figure BDA0002861520820000094
与
Figure BDA0002861520820000095
等效，
Figure BDA0002861520820000096
代表交流子系统中节点i与节点j之间支路的开关状态，
Figure BDA0002861520820000097
代表支路处于断开状态，
Figure BDA0002861520820000098
代表支路处于闭合状态，
Figure BDA0002861520820000099
代表交流子系统中节点i和节点j之间的电压相角差，M为足够大的正数；
Figure BDA00028615208200000910
其中，
Figure BDA00028615208200000911
是换流站的直流下垂控制系数，
Figure BDA00028615208200000912
分别是
Figure BDA00028615208200000913
的上限和下限；
Figure BDA00028615208200000914
分别是直流子系统中节点i的电压值、下垂控制参考电压、下垂控制直流参考有功功率，
Figure BDA00028615208200000915
Figure BDA00028615208200000916
分别表示直流子系统中节点i的有功注入功率、风电有功出力、负荷有功功率、换流站有功注入功率，
Figure BDA00028615208200000917
为直流子系统中节点i与节点j之间支路的有功功率，
Figure BDA00028615208200000918
为直流子系统中节点i与节点j之间支路的电阻值，
Figure BDA00028615208200000919
ΩDC、ΩDC,VC分别表示由同一个换流站的交流侧节点和直流侧节点构成的节点对集合、直流子系统的节点集合、与换流站相连的直流子系统节点集合；
Figure BDA00028615208200000920
为运行状态p下的支路传输容量系数，
Figure BDA00028615208200000921
代表正常运行状态下直流子系统中节点i与节点j之间支路的传输容量，
Figure BDA00028615208200000922
分别为火电机组的有功出力上限、有功出力下限、有功出力调节上限，
Figure BDA00028615208200000923
分别为直流子系统中节点i的电压上限和下限，
Figure BDA00028615208200000924
代表与交流子系统中节点i相连的换流站的传输容量；
Figure BDA00028615208200000925
代表正常运行状态下交流子系统中节点i与节点j之间支路的传输容量；ΩAC,VC代表换流站相连的交流子系统节点集合。所述交流子系统和直流子系统的线性潮流模型是通过对Wiget等人所提的模型(详见R.Wiget,G.Andersson.DC optimal power flow including HVDCgrids.2013IEEE Electrical Power&Energy Conference)修改得到的。
由于含支路开关状态的交流子系统线性潮流公式原式为：
Figure BDA00028615208200000926
式中，
Figure BDA00028615208200000927
为非线性项。
为保证优化模型为凸模型，采用大M法(具体参见Y.Tan,Y.Li,Y.Cao andM.Shahidehpour.Integrated Optimization of Network Topology and DG Outputs forMVDC Distribution Systems.IEEE Transactions on Power Systems,2018)将上述式(18)约束转换得到上述公式(4)和(5)，即为得到考虑支路开关状态的交流子系统潮流方程。
直流子系统V2-P下垂控制的原公式为(具体参见Y.Cao,et al.A VirtualSynchronous Generator Control Strategy for VSC-MTDC Systems.IEEE Transactionson Energy Conversion)：
Figure BDA0002861520820000101
令
Figure BDA0002861520820000102
可将公式(19)转换为：
Figure BDA0002861520820000103
由于
Figure BDA0002861520820000104
则
Figure BDA0002861520820000105
可以被忽略，公式(20)可以近似得到：
Figure BDA0002861520820000106
式中，
Figure BDA0002861520820000107
仍为非线性项，令
Figure BDA0002861520820000108
采用McCormick法(具体参见L.Liberti,C.C.Pantelides.An exact reformulationalgorithm for large nonconvex NLPs involving bilinear terms.J.Global Optim.,2006)，最终将公式(21)转换即得到如式(6)和(7)的凸函数。
由此即构建得到优化模型，优化模型的完整表达式即为：
Figure BDA0002861520820000111
构建得到上述优化模型后，按步骤S2将优化模型中所有支路开关变量设置为闭合状态，以使得模型中不含离散变量，因而得到二次规划模型；然后按步骤S2将上述优化模型分解为多个优化模型，每个优化模型只含一个N-1故障或不含任何故障，对产生的多个子模型再进行求解。
本实施例步骤S5中得到求解结果之后还包括对所有子模型的求解结果进行处理的步骤，具体步骤包括：将所述子模型中所有决策变量对应设置为步骤S4所得的该子模型求解结果中的数值，然后逐一断开所有交流支路开关。在断开任意一个开关前，所有开关设置为闭合状态；在断开任意一个开关之后，立即判断关键重载支路的传输功率是否减小，所述关键重载支路为步骤S4所得的该子模型求解结果中负载率等于1的支路。
本实施例中，具体使用如下的判断公式：
Figure BDA0002861520820000121
其中，下标k代表第k个交流支路开关断开后的系统状态，
Figure BDA0002861520820000122
为交流子系统不含平衡节点的节点有功注入功率向量，
Figure BDA0002861520820000123
表示通过删除不含对地支路的交流子系统节点导纳矩阵中平衡节点所对应的行和列得到的矩阵；
Figure BDA0002861520820000124
为不含平衡节点的交流子系统节点电压相角向量；
Figure BDA0002861520820000125
为交流子系统的节点电压相角向量，其中平衡节点电压相角为0，其余节点的电压相角等于
Figure BDA0002861520820000126
中相应的数值；
Figure BDA0002861520820000127
为交流子系统的支路有功功率向量，
Figure BDA0002861520820000128
为交流子系统的网络关联矩阵，
Figure BDA0002861520820000129
为交流支路两端电压相角差的向量；
Figure BDA00028615208200001210
为由各交流支路导纳组成的对角矩阵；所述判断公式中，处于断开状态的第k个开关所在交流支路的导纳设置为0，而对于未断开的开关所在的交流支路，它的导纳表示为
Figure BDA00028615208200001211
其中x是它的电抗；所述判断公式基于交流电力系统领域经典的直流潮流算法；
通过
Figure BDA00028615208200001212
判断第k个开关是否属于断开后能够减少所述关键重载支路传输功率的交流支路开关。
本实施例中，步骤S5的具体步骤还包括：对于关键重载支路，在获取所有能够改善关键重载支路负载率的开关集合后，对所有能够改善同一关键重载支路负载率的开关集合取交集，获取得到各关键重载支路的有效开关集合；将所有关键重载支路的所述有效开关集合取并集得到最终的有效开关集合。
本实施例步骤S7中通过求解第二阶段优化模型，得出最终的拓扑结构和机组出力联合优化结果。在具体应用实施例中可采用专业求解器对模型进行求解。
为验证本发明上述方法的有效性，在对IEEE14节点交流系统(具体参见R.D.Zimmerman,C.E.Murillo-Sánchez,and R.J.Thomas,"MATPOWER:steady-stateoperations,planning and analysis tools for power systems research andeducation,"IEEE Trans.on Power Systems,2011)修改(接入4节点多端柔性直流系统)的基础上进行仿真验证，四节点多端柔性直流系统连接关系如表1和表2所示，其中风电分别接入直流子系统节点DC3和DC4，仿真结果如表3所示。
表1：交直流系统连接关系
Figure BDA0002861520820000131
表2：多端直流系统支路连接关系
Figure BDA0002861520820000132
表3：仿真结果对比
Figure BDA0002861520820000133
从表3可以看出，与采用求解器直接求解的方法相比，采用本发明方法可以在更短时间内获得相同的解，即本发明方法可以对传统方法直接求解交直流系统机组出力与拓扑优化存在的求解时间长等问题进行有效改善，提高交直流电力系统机组出力与拓扑优化的求解效率。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已提供了如上较佳实施例，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，其特征在于，步骤包括：
S1.构建优化模型，以含电压源型换流站的交直流电力系统正常状态下的总发电成本为目标函数，约束条件包括与交流子系统线性潮流模型、考虑V2-P下垂控制的直流子系统线性潮流模型、电压源型换流站传输功率相关的约束，以及与交直流支路传输容量、电压源型换流站传输容量、火电机组有功出力范围及火电机组调节能力相关的约束，所述换流站均为连接交流子系统和直流子系统的换流站；
S2.将优化模型中所有支路开关的状态设置为闭合状态，所述支路开关为待优化的交流支路开关；
S3.将经过步骤S2处理后得到的优化模型分解为多个子模型，每个所述子模型只含一个N-1故障或不含任何故障，由含有各所述子模型的集合构成第一阶段模型；
S4.对步骤S3产生的各个子模型分别进行求解，得到所述第一阶段模型的求解结果；
S5.根据步骤S4得到的各所述子模型的所述求解结果获取有效开关集合；
S6.根据步骤S5得到的有效开关集合，在步骤S1所构建的优化模型中将有效开关以外的其余开关的状态设置为闭合状态，进而得到第二阶段优化模型；
S7.求解所述第二阶段优化模型，得出最终的拓扑结构和火电机组出力联合优化结果。
2.根据权利要求1所述的面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，其特征在于，所述优化模型目标为使得各场景下各火电机组发电成本之和最小，即为：
Figure FDA0003502098580000011
其中，s表示所属场景，bc表示正常运行状态，ai、bi、ci为节点i的火电机组成本函数中的系数，
Figure FDA0003502098580000012
代表节点i的火电机组有功出力，ps为场景发生概率，ns为场景总数，ΩAC表示交流子系统的节点集合。
3.根据权利要求1所述的面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，其特征在于，与所述交流子系统线性潮流模型相关的约束条件为：
Figure FDA0003502098580000021
Figure FDA0003502098580000022
Figure FDA0003502098580000023
Figure FDA0003502098580000024
所述考虑V2-P下垂控制的直流子系统线性潮流模型相关的约束条件为：
Figure FDA0003502098580000025
Figure FDA0003502098580000026
Figure FDA0003502098580000027
Figure FDA0003502098580000028
Figure FDA0003502098580000029
与所述电压源型换流站传输功率相关的约束条件为：
Figure FDA00035020985800000210
交流子系统支路传输容量约束为：
Figure FDA00035020985800000211
所述火电机组有功出力范围约束为：
Figure FDA00035020985800000212
所述火电机组调节能力约束为：
Figure FDA00035020985800000213
直流子系统电压约束为：
Figure FDA00035020985800000214
直流子系统支路传输容量约束为：
Figure FDA00035020985800000215
所述电压源型换流站传输容量约束为：
Figure FDA00035020985800000216
其中，ΩAC表示交流子系统的节点集合，
Figure FDA0003502098580000031
分别表示交流子系统和直流子系统中与节点i相连的支路集合，下标s和下标p分别代表所属场景和所属状态，p∈{bc,stf,ltf}，stf和ltf分别表示故障f发生后短期运行状态、故障f发生后长期运行状态，
Figure FDA0003502098580000032
分别代表交流子系统中节点i的总有功注入功率、火电机组有功出力、换流站有功注入功率、负荷有功功率，
Figure FDA0003502098580000033
为交流子系统中节点i与节点j之间支路的有功功率；
Figure FDA0003502098580000034
为交流子系统中节点i与节点j之间的支路导纳，所述支路导纳表示为
Figure FDA0003502098580000035
其中xij为交流子系统中节点i与节点j之间支路的电抗；
Figure FDA0003502098580000036
与
Figure FDA0003502098580000037
等效，
Figure FDA0003502098580000038
代表交流子系统中节点i与节点j之间支路的开关状态，
Figure FDA0003502098580000039
代表支路处于断开状态，
Figure FDA00035020985800000310
代表支路处于闭合状态，
Figure FDA00035020985800000311
代表交流子系统中节点i和节点j之间的电压相角差，M为足够大的正数；
Figure FDA00035020985800000312
其中，
Figure FDA00035020985800000313
是换流站的直流下垂控制系数，
Figure FDA00035020985800000314
分别是
Figure FDA00035020985800000315
的上限和下限；
Figure FDA00035020985800000316
分别是直流子系统中节点i的电压值、下垂控制参考电压、下垂控制直流参考有功功率，
Figure FDA00035020985800000317
Figure FDA00035020985800000318
Figure FDA00035020985800000319
分别表示直流子系统中节点i的有功注入功率、风电有功出力、负荷有功功率、换流站有功注入功率，
Figure FDA00035020985800000320
为直流子系统中节点i与节点j之间支路的有功功率，
Figure FDA00035020985800000321
为直流子系统中节点i与节点j之间支路的电阻值，
Figure FDA00035020985800000322
ΩDC、ΩDC,VC分别表示由同一个换流站的交流侧节点和直流侧节点构成的节点对集合、直流子系统的节点集合、与换流站相连的直流子系统节点集合；
Figure FDA00035020985800000323
为运行状态p下的支路传输容量系数，
Figure FDA00035020985800000324
代表正常运行状态下直流子系统中节点i与节点j之间支路的传输容量，
Figure FDA00035020985800000325
ΔPi MAX分别为火电机组的有功出力上限、有功出力下限、有功出力调节上限，
Figure FDA00035020985800000326
分别为直流子系统中节点i的电压上限和下限，
Figure FDA00035020985800000327
代表与交流子系统中节点i相连的换流站的传输容量；
Figure FDA00035020985800000328
代表正常运行状态下交流子系统中节点i与节点j之间支路的传输容量；ΩAC,VC代表与换流站相连的交流子系统节点集合；上述内容所述换流站均指连接交流子系统和直流子系统的电压源型换流站。
4.根据权利要求1～3中任意一项所述的面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，其特征在于，所述步骤S5中，对所有子模型的求解结果分别进行处理，各子模型求解结果处理的具体步骤包括：将所述子模型中所有决策变量对应设置为步骤S4所得的该子模型求解结果中的数值，然后逐一断开所有交流支路开关；在断开任意一个交流支路开关前，所有交流支路开关设置为闭合状态；在断开任意一个交流支路开关之后，立即判断关键重载支路的传输功率是否减小，所述关键重载支路为步骤S4所得的该子模型求解结果中负载率等于1的交流支路。
5.根据权利要求4所述的面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，其特征在于，具体使用如下的判断公式：
Figure FDA0003502098580000041
其中，下标k代表第k个交流支路开关断开后的系统状态，
Figure FDA0003502098580000042
为交流子系统不含平衡节点的节点有功注入功率向量，
Figure FDA0003502098580000043
表示通过删除不含对地支路的交流子系统节点导纳矩阵中平衡节点所对应的行和列得到的矩阵；
Figure FDA0003502098580000044
为不含平衡节点的交流子系统节点电压相角向量；
Figure FDA0003502098580000045
为交流子系统的节点电压相角向量，其中平衡节点电压相角为0，其余节点的电压相角等于
Figure FDA0003502098580000046
中相应的数值；
Figure FDA0003502098580000047
为交流子系统的支路有功功率向量，
Figure FDA0003502098580000048
为交流子系统的网络关联矩阵，
Figure FDA0003502098580000049
为交流支路两端电压相角差的向量；
Figure FDA00035020985800000410
为由各交流支路导纳组成的对角矩阵；所述判断公式中，处于断开状态的第k个开关所在交流支路的导纳设置为0，而对于未断开的开关所在的交流支路，它的导纳表示为
Figure FDA00035020985800000411
其中x是它的电抗；所述判断公式基于交流电力系统领域经典的直流潮流算法；
通过
Figure FDA00035020985800000412
判断第k个开关是否属于断开后能够减少所述关键重载支路传输功率的交流支路开关。
6.根据权利要求1～3中任意一项所述的面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，其特征在于，所述步骤S5的具体步骤还包括：在获取所有能够改善关键重载支路负载率的开关集合后，对所有能够改善同一关键重载支路负载率的开关集合取交集，获取得到各关键重载支路的有效开关集合；将所有关键重载支路的所述有效开关集合取并集得到最终的有效开关集合。
7.根据权利要求1～3中任意一项所述的面向交直流系统机组出力与拓扑结构的随机优化方法，其特征在于，所述步骤S7中通过求解器求解所述第二阶段优化模型，得出最终的拓扑结构和火电机组出力联合优化结果。
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