CN113725828B - 一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法及系统 - Google Patents

一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法及系统，属于电力系统技术领域。本发明方法包括：当送端电网系统发生直流闭锁故障后，获取送端电网直流闭锁故障的参数信息；根据直流闭锁故障的参数信息，计算送端电网系统在直流闭锁故障后的频率偏差最大值对系统机组引入切机决策变量；构建送端电网系统直流闭锁故障后的切机优化模型，并设置切机优化模型优化目标和约束条件；根据频率偏差最大值及切机决策变量，对优化模型求解，确定送端电网直流闭锁故障后的最优切机措施。本发明送端电网直流闭锁故障后系统最大频率偏差值方便计算，切机优化模型易于求解，是一种实用的送端电网直流闭锁故障后频率安全约束的切机措施优化方法。

Description

一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法及系统
技术领域
本发明涉及电力系统技术领域，并且更具体地，涉及一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法及系统。
背景技术
大力发展风电和太阳能发电等新能源已成为国内外应对气候变化、解决能源危机和促进节能减排的共识与重要手段。近年来，我国新能源并网装机和消纳总量高速增长。但由于我国资源分布不均，能源与负荷呈明显的逆向分布特点，大量的新能源分布在“三北”地区，而负荷中心分布在中东部地区，新能源必须通过远距离输送才能到达负荷中心，大规模新能源经特高压直流外送是当前新能源送出的一种重要途径。
特高压直流送端大多建设在清洁能源集中开发的偏远地区，输电线路长、本地负荷轻、网架结构薄弱。同时，风电、光伏等新能源通过电力电子设备并网，降低了系统惯量。对于含高比例新能源的直流送端系统，大量新能源并网后替代了本地常规同步机组，送端电网系统低惯量特征尤为突出，电网抵御功率扰动能力大幅下降，严重恶化了系统频率调节能力。
一旦直流发生闭锁故障后，直流功率外送通道阻断，送端系统将产生大量功率盈余，引发送端系统频率升高，为应对大容量直流闭锁这种大功率扰动，仅仅依靠系统内机组调频可能无法使系统频率恢复到正常运行范围内，还需要通过切机操作切除部分盈余功率，抑制系统频率上升。
发明内容
本发明的目的在于考虑送端电网直流闭锁故障后频率安全约束的切机措施优化方法，将频率安全约束纳入切机措施中，而提出了一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法，包括：
当送端电网系统发生直流闭锁故障后，获取送端电网直流闭锁故障的参数信息；
根据直流闭锁故障的参数信息，计算送端电网系统在直流闭锁故障后的频率偏差最大值对系统机组引入切机决策变量；
构建送端电网系统直流闭锁故障后的切机优化模型，并设置切机优化模型优化目标和约束条件；
根据频率偏差最大值及切机决策变量，对优化模型求解，确定送端电网直流闭锁故障后的最优切机措施。
可选的，参数信息包括：
送端电网直流闭锁故障后系统网络参数信息：系统节点参数信息、支路参数信息、网络拓扑结构信息和发电机位置信息；
设备参数信息：正常状态下机组有功出力，机组出力上下限，机组动态参数和直流输送功率。
可选的，频率偏差最大值在系统最大频率偏差上限阈值值范围内。
可选的，约束条件包括：频率安全约束、切机量约束、系统备用容量约束和发电机有功出力约束。
可选的，直流闭锁故障后的频率偏差最大值，当系统出现有功扰动后，以系统惯性中心的极值频率作为评判系统频率稳定的主要指标。
本发明还提出了一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的系统，包括：
获取信息单元，当送端电网系统发生直流闭锁故障后，获取送端电网直流闭锁故障的参数信息；
计算单元，根据直流闭锁故障的参数信息，计算送端电网系统在直流闭锁故障后的频率偏差最大值对系统机组引入切机决策变量；
构建模型单元，构建送端电网系统直流闭锁故障后的切机优化模型，并设置切机优化模型优化目标和约束条件；
确定单元，根据频率偏差最大值及切机决策变量，对优化模型求解，确定送端电网直流闭锁故障后的最优切机措施。
可选的，参数信息包括：
送端电网直流闭锁故障后系统网络参数信息：系统节点参数信息、支路参数信息、网络拓扑结构信息和发电机位置信息；
设备参数信息：正常状态下机组有功出力，机组出力上下限，机组动态参数和直流输送功率。
可选的，频率偏差最大值在系统最大频率偏差上限阈值值范围内。
可选的，约束条件包括：频率安全约束、切机量约束、系统备用容量约束和发电机有功出力约束。
可选的，直流闭锁故障后的频率偏差最大值，当系统出现有功扰动后，以系统惯性中心的极值频率作为评判系统频率稳定的主要指标。
本发明送端电网直流闭锁故障后系统最大频率偏差值方便计算，切机优化模型易于求解，是一种实用的送端电网直流闭锁故障后频率安全约束的切机措施优化方法。
附图说明
图1为本发明一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法的流程图；
图2为本发明实施例中改进的九节点系统图；
图3为本发明实施例中频率响应曲线；
图4为本发明一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法。
具体实施方式
现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
本发明提出了一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法，如图1所示，包括：
当送端电网系统发生直流闭锁故障后，获取送端电网直流闭锁故障的参数信息；
根据直流闭锁故障的参数信息，计算送端电网系统在直流闭锁故障后的频率偏差最大值对系统机组引入切机决策变量；
构建送端电网系统直流闭锁故障后的切机优化模型，并设置切机优化模型优化目标和约束条件；
根据频率偏差最大值及切机决策变量，对优化模型求解，确定送端电网直流闭锁故障后的最优切机措施。
其中，参数信息包括：
送端电网直流闭锁故障后系统网络参数信息：系统节点参数信息、支路参数信息、网络拓扑结构信息和发电机位置信息；
设备参数信息：正常状态下机组有功出力，机组出力上下限，机组动态参数和直流输送功率。
其中，频率偏差最大值在系统最大频率偏差上限阈值值范围内。
其中，约束条件包括：频率安全约束、切机量约束、系统备用容量约束和发电机有功出力约束。
其中，直流闭锁故障后的频率偏差最大值，当系统出现有功扰动后，以系统惯性中心的极值频率作为评判系统频率稳定的主要指标。
本发明的实施选用修改的IEEE 9 Bus系统作为数据基础，在节点5修改接入直流输电系统，直流外送功率为125MW，修改后的系统中包含3台总装机容量为200MW的同步机组，5个总装机容量为120MW的等值新能源机组群，新能源机组的渗透率大约为37.5％。以修改后的九节点系统作为具体实施例，直流系统发生双极闭锁故障为例进行算例分析，该系统结构图如图2所示。
具体实施方式如下：
获取基本参数信息，包括送端电网直流闭锁故障后系统网络参数信息，设备参数信息等；
送端电网直流闭锁故障后系统网络参数信息包括：系统节点参数信息，支路参数信息，网络拓扑结构信息，发电机位置信息。设备参数信息包括：正常状态下机组有功出力，机组出力上下限，机组动态参数，直流输送功率。
其中系统内发电机组参数信息如表1所示：
表1
计算直流闭锁故障后送端系统频率偏差最大值，对系统内每台机组引入切机决策变量，根据送端电网多机系统频率响应模型可计算得到系统频率偏差最大值的解析表达；
计算直流闭锁故障后送端系统频率偏差最大值，当系统出现有功扰动后，一般以系统惯性中心的极值频率作为评判系统频率稳定的最主要指标；
其中，引入切机决策变量d，d＝0表示机组应当切除，d＝1表示机组不被切除，
每台机组的切除量可以表示为：
其中，PG,i,0为第i台同步机组在正常状态下的有功出力，di为第i台同步机组的切机决策变量，PG,j,0为第j台可再生能源机组在正常状态下的有功出力，dj为第j台可再生能源机组的切机决策变量；
系统总的切机量为：
经切机后系统内功率盈余ΔP可以表示为：
ΔP＝ΔPdc-ΔPcut
根据多机系统频率响应模型，可以计算出频率偏差在时域下的表达为：
式中：
其中，H′为系统考虑紧急切机后的等效惯性时间常数；D为系统发电机等效阻尼系数；Ki为第i台同步机组的机械功率增益系数；Ri为第i台同步机组的调差系数；Fi为第i台同步机组的做功比例系数；di为第i台同步机组的切机策略变量；T为系统内同步机组的调速器时间常数；Δf为系统频率偏差值；ΔP为经切机后系统内盈余功率。
构建送端电网直流闭锁故障后的切机优化模型，优化模型以切机综合成本最小为目标，约束条件包括，频率安全约束，切机量约束，系统备用容量约束，发电机有功出力约束；
所述切机优化模型的优化目标，以直流闭锁故障后切机综合成本最小为目标构建目标函数：
其中，SSG为同步发电机组集合，SRES为可再生能源机组集合，Ci为第i台同步机组的切机成本，Cj为第j台新能源机组的切机成本，ΔPcut,i为第i台同步机组的切除量，ΔPcut,j为第j台可新能源机组的切除量；
其中，频率安全约束为：
Δfmax≤Δfmax_set
为了维持系统频率稳定，系统频率偏差最大值低于系统所允许的最大频率偏差上限设定值Δfmax_set，其值一般设定为0.5Hz；
其中，切机量约束为：
为保证系统内正常的有功供应，需限制总切机量小于最大切机上限ΔPcut,max，切机量约束条件可以表达为：
ΔPcut≤ΔPcut,max
其中，系统备用容量约束为：
为保证系统内剩余同步机组有足够的备用容量来承担剩余不平衡功率，模型还应当满足机组备用容量约束。同步机组的备用容量可以表示为：
yi≤(PG,i,0-PG,i,min)·di
式中，PG,i,min为第i台同步机组的有功出力下限；
机组备用容量约束可以确保系统在切机后不会因下调备用空间不足而导致频率无法恢复至安全范围；
其中，发电机有功出力约束为：
PG,i,min≤PG,i≤PG,i,max,i∈SG
其中，SG为系统内发电机组集合，PG,i为第i台发电机组的有功出力，PG,i,min,PG,i,max为第i台发电机组的有功出力上下限。
求解切机优化模型，结合送端电网直流闭锁故障后考虑频率安全的切机优化模型的优化目标和约束条件，对优化模型求解得到送端电网直流闭锁故障后最优切机措施；
其中，优化模型求解算法采用分支定界法，优化模型中包括0-1离散变量，是一个混合整数规划问题，采用分支定界算法求解，直到满足收敛精度要求，输出最优的切机措施优化结果。
根据优化模型求解结果，为维持系统频率稳定，系统需切除SG1、RES4、RES5机组，共107MW有功功率，剩余盈余功率18MW由未切除的同步机组SG2、SG3参与调频分担。
直流闭锁故障前，系统频率为50.02Hz，10s时直流发生双极闭锁故障，系统频率上升，采用本发明所提切机优化措施后，系统频率恢复情况如图3所示，系统极值频率为50.44Hz，在安全范围内。说明所采用的考虑送端电网直流闭锁故障后频率安全约束的切机措施优化方法可以满足系统频率安全需求。
通过以上算例分析可以看到，本发明综合考虑了送端电网直流闭锁故障后系统运行控制的安全性和经济性，将频率安全约束纳入切机优化模型中，得到的优化结果可实现送端电网直流闭锁故障后频率安全控制，同时实现了切机综合成本最小。
本发明还提出了一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的系统200，如图4所示，包括：
获取信息单元201，当送端电网系统发生直流闭锁故障后，获取送端电网直流闭锁故障的参数信息；
计算单元202，根据直流闭锁故障的参数信息，计算送端电网系统在直流闭锁故障后的频率偏差最大值对系统机组引入切机决策变量；
构建模型单元203，构建送端电网系统直流闭锁故障后的切机优化模型，并设置切机优化模型优化目标和约束条件；
确定单元204，根据频率偏差最大值及切机决策变量，对优化模型求解，确定送端电网直流闭锁故障后的最优切机措施。
其中，参数信息包括：
送端电网直流闭锁故障后系统网络参数信息：系统节点参数信息、支路参数信息、网络拓扑结构信息和发电机位置信息；
设备参数信息：正常状态下机组有功出力，机组出力上下限，机组动态参数和直流输送功率。
其中，频率偏差最大值在系统最大频率偏差上限阈值值范围内。
其中，约束条件包括：频率安全约束、切机量约束、系统备用容量约束和发电机有功出力约束。
其中，直流闭锁故障后的频率偏差最大值，当系统出现有功扰动后，以系统惯性中心的极值频率作为评判系统频率稳定的主要指标。
本发明送端电网直流闭锁故障后系统最大频率偏差值方便计算，切机优化模型易于求解，是一种实用的送端电网直流闭锁故障后频率安全约束的切机措施优化方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本申请实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设计语言Java和直译式脚本语言JavaScript等。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的方法，所述方法包括：
当送端电网系统发生直流闭锁故障后，获取送端电网直流闭锁故障的参数信息；
根据直流闭锁故障的参数信息，计算送端电网系统在直流闭锁故障后的频率偏差最大值对系统机组引入切机决策变量；
频率偏差在时域下的表达为：
式中：
其中，H′为系统考虑紧急切机后的等效惯性时间常数；D为系统发电机等效阻尼系数；Ki为第i台同步机组的机械功率增益系数；Ri为第i台同步机组的调差系数；Fi为第i台同步机组的做功比例系数；di为第i台同步机组的切机策略变量；T为系统内同步机组的调速器时间常数；Δf为系统频率偏差值；ΔP为经切机后系统内盈余功率；
构建送端电网系统直流闭锁故障后的切机优化模型，并设置切机优化模型优化目标和约束条件；
具体为：构建送端电网系统直流闭锁故障后的切机优化模型，切机优化模型以切机成本最小为目标，约束条件包括，频率安全约束，切机量约束，系统备用容量约束，发电机有功出力约束；
所述切机优化模型的优化目标，以直流闭锁故障后切机成本最小为目标构建目标函数：
其中，SSG为同步发电机组集合，SRES为可再生能源机组集合，Ci为第i台同步机组的切机成本，Cj为第j台新能源机组的切机成本，ΔPcut,i为第i台同步机组的切除量，ΔPcut,j为第j台可新能源机组的切除量；
根据频率偏差最大值及切机决策变量，对优化模型求解，确定送端电网直流闭锁故障后的最优切机措施。
2.根据权利要求1所述的方法，所述参数信息包括：
送端电网直流闭锁故障后系统网络参数信息：系统节点参数信息、支路参数信息、网络拓扑结构信息和发电机位置信息；
设备参数信息：正常状态下机组有功出力，机组出力上下限，机组动态参数和直流输送功率。
3.根据权利要求1所述的方法，所述频率偏差最大值在系统最大频率偏差上限阈值值范围内。
4.根据权利要求1所述的方法，所述约束条件包括：频率安全约束、切机量约束、系统备用容量约束和发电机有功出力约束。
5.根据权利要求1所述的方法，所述直流闭锁故障后的频率偏差最大值，当系统出现有功扰动后，以系统惯性中心的极值频率作为评判系统频率稳定的主要指标。
6.一种用于确定直流闭锁故障后最优切机措施的系统，所述系统包括：
获取信息单元，当送端电网系统发生直流闭锁故障后，获取送端电网直流闭锁故障的参数信息；
计算单元，根据直流闭锁故障的参数信息，计算送端电网系统在直流闭锁故障后的频率偏差最大值对系统机组引入切机决策变量；
频率偏差在时域下的表达为：
式中：
其中，H′为系统考虑紧急切机后的等效惯性时间常数；D为系统发电机等效阻尼系数；Ki为第i台同步机组的机械功率增益系数；Ri为第i台同步机组的调差系数；Fi为第i台同步机组的做功比例系数；di为第i台同步机组的切机策略变量；T为系统内同步机组的调速器时间常数；Δf为系统频率偏差值；ΔP为经切机后系统内盈余功率；
构建模型单元，构建送端电网系统直流闭锁故障后的切机优化模型，并设置切机优化模型优化目标和约束条件；
具体为：构建送端电网系统直流闭锁故障后的切机优化模型，切机优化模型以切机成本最小为目标，约束条件包括，频率安全约束，切机量约束，系统备用容量约束，发电机有功出力约束；
所述切机优化模型的优化目标，以直流闭锁故障后切机成本最小为目标构建目标函数：
其中，SSG为同步发电机组集合，SRES为可再生能源机组集合，Ci为第i台同步机组的切机成本，Cj为第j台新能源机组的切机成本，ΔPcut,i为第i台同步机组的切除量，ΔPcut,j为第j台可新能源机组的切除量；
确定单元，根据频率偏差最大值及切机决策变量，对优化模型求解，确定送端电网直流闭锁故障后的最优切机措施。
7.根据权利要求6所述的系统，所述参数信息包括：
送端电网直流闭锁故障后系统网络参数信息：系统节点参数信息、支路参数信息、网络拓扑结构信息和发电机位置信息；
设备参数信息：正常状态下机组有功出力，机组出力上下限，机组动态参数和直流输送功率。
8.根据权利要求6所述的系统，所述频率偏差最大值在系统最大频率偏差上限阈值值范围内。
9.根据权利要求6所述的系统，所述约束条件包括：频率安全约束、切机量约束、系统备用容量约束和发电机有功出力约束。
10.根据权利要求6所述的系统，所述直流闭锁故障后的频率偏差最大值，当系统出现有功扰动后，以系统惯性中心的极值频率作为评判系统频率稳定的主要指标。
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