CN113872184A - 解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法和系统，该方法包括：初始化电网拓扑模型，查找事故预想下的过流问题；获得最短潮流转移路径排序表；将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态设置为寻优问题的变量，在约束条件下，建立第一目标函数和第二目标函数；第一目标函数为过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大；第二目标函数为对电网结构的改变程度最小；对第一目标函数和第二目标函数进行运算求取最优解获得电网运行方式调整策略。基于该方法，还提出了解决故障后输电线路过流问题的电网运行系统。本发明通过改变现有输电线路运行状态、变电站母线运行方式等措施提升电网静态稳定性，解决了故障后输电线路过流问题。

Description

解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法和系统

技术领域

本发明属于电力技术领域，特别涉及解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法和系统。

背景技术

电网运行方式优化方法，或叫静态稳定控制方法，是电网规划与风险评估领域中具有挑战性的课题。随着大中型城市用电需求的增长，因输电走廊紧缺等问题，电网建设进度可能跟不上负荷需求增长，导致电网存在薄弱环节，故障情况下可能出现部分元件潮流越限问题，恶劣情况下可能导致连锁故障发生。常态化开展N-1、N-2事故预想。220千伏及以上电网为环网结构，若发生单一元件掉闸(N-1故障)或同塔双回线路故障(N-2故障)，其他线路存在潮流越限风险，电力系统的静态稳定性并非最优。线路过流后执行紧急转移负荷、事故拉路或机组紧急开停机等措施不仅对调度运行人员运行经验要求极高，同时对电网供电可靠程度有破坏性影响。

对上述出现的问题，第一类解决方法为：包括发电重新调度、无功源优化、线路串联补偿、新增过流联切安自装置切除负荷等控制措施。第二类解决方法为：根据电网运行状态，对电网现有资源进行优化的控制措施。将运行方式优化问题转化成基于网络拓扑的非线性混合整数规划问题，寻找全局最优解，即，寻找使得负荷裕度最大的预期最佳网络拓扑，据此调整电网运行方式。第一类方案存在以下缺点：需要额外投资附加设备，经济性差、实时性差，发电重新调度会干扰电力市场正常交易，切除负荷将造成用户停电影响民生。第二类方案存在以下缺点：一是网络拓扑优化问题具有组合特性，对于电力元件众多的大中型城市电网，非线性规划或动态规划等方法的计算量非常庞大，计算速度、鲁棒性和解的质量无法满足实时求解要求；二是以整个电网负荷裕度最大为目标在实际电网运行控制中并不实用，因为电网中绝大部分元件的输送能力能够满足N-1、N-2开断要求，故障发生后这些元件的潮流只要不越限即可，故障发生后薄弱路径上的个别线路过流问题才是需要重点解决的问题，也就是说以其他元件负荷裕度的降低(在不越限的前提下)换取薄弱线路不过流是可行的。现有方案并不能有针对性地弥补电网局部性结构缺陷。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法和系统，解决N-1、N-2故障后线路过流问题，简化了大规模电网网络拓扑优化问题的模型。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，包括以下步骤：

初始化电网拓扑模型，基于现有综合稳定分析算法进行潮流计算，在电网拓扑模型中查找事故预想下的过流问题；

将潮流转移路径按权值由小到大排序，获得最短潮流转移路径排序表；

将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量，在约束条件下，建立第一目标函数和第二目标函数；所述第一目标函数为过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大；第二目标函数为对电网结构的改变程度最小；

通过对第一目标函数和第二目标函数求最优解，获取当前电网运行方式的优化调整策略。

进一步的，所述初始化电网拓扑模型具体包括：根据电网节点总数、线路等效阻抗和变电站内线路开关通断状态，计算节点连接矩阵M和节点等效阻抗矩阵Z；

其中，M中的元素m_i,j表示i，j节点之间的直接连接关系，m_i,j取值为1代表两节点之间直接连接，m_i,j取值为0代表两节点不直接相连；

Z中的元素z_i,j代表i，j节点之间线路的等效阻抗值，取值为∞代表节点之间没有连接关系或线路相关开关在分位。

进一步的，所述基于现有综合稳定分析算法进行潮流计算，在电网拓扑模型中查找事故预想下的过流问题具体包括：采用键值对的形式表示过流结果，即

U_s＝{Y_n:[L_i,j，...]，...}，Y_n∈[Y₀,Y₁,...Y_N]；

其中，Y_n为事先设定好的N-1、N-2预想事故集合中的元素，Y_n对应的元件发生故障后，对应的过流线路集合为[L_i,j，...]，U_s为过流结果。

进一步的，所述将潮流转移路径按权值由小到大排序，获得最短潮流转移路径排序表具体包括：对节点连接矩阵M采用深度优先遍历法，对Y_n中的故障线路L_p,q，从节点p为起点开始搜索，搜索至节点q终止，记录经过的路径列表及相应路径的阻抗，用键值对的形式将转移路径集合表示为B_p,q；

B_p,q＝{z₁:[L_p,1，...，L_m,q],z₂:[L_p,2，...，L_n,q],...}

列表[L_p,1，...，L_m,q]表示节点p与节点q之间的一条潮流转移路径，其中的元素为路径中包含的各线路；z₁＝w_p,1+...w_i,j...+w_m,q；z₂＝w_p,2+...w_i,j+...+w_n,q

其中，各潮流转移路径按计算阻抗z的值由小到大排序，可获得线路L_p,q掉闸后变电站p与变电站q之间的最短潮流转移路径的排序表z₁、z₂...z_n；

w_p,1为节点p与节点1之间线路的权值；w_i,j为节点i与节点j之间线路的权值，w_m,q为节点m与节点q之间线路的权值；w_p,2为节点p与节点2之间线路的权值；w_n,q为节点n与节点q之间线路的权值；

且

其中z_i,j为节点i，j间输电线路的线路阻抗；ΔS_i,j为节点i，j间输电线路的传输功率增量，即线路L_p,q开断前，线路L_p,q上的潮流增加100个单位，线路L_i,j上的潮流增加值。

进一步的，所述将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量具体包括：寻优的变量设置为[x1,x2,...,xi,...]；所述变量范围包含该路径所经过的变电站站内所有220千伏及以上元件的连接状态，xi的取值为0或1，表示开关或者刀闸位于分位或合位。

进一步的，所述约束条件具体包括第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件；

所述第一约束条件为：不造成变电站单电源供电，即为对任一节点i，节点连接矩阵满足

所述第二约束条件为：无故障情况下电压及潮流不越限，即任一节点电压满足V_d≤U_i≤V_u；且对任一支路的电流满足I_i,j≤I_lim；

所述第三约束条件为：不新增其他的故障后过流问题，即网架结构调整后，计算所得的U_s中的键值对无新增量，size(U′_s)≤size(U_s)。

进一步的，所述第一目标函数的建立过程为：

根据故障后过流线路所在最短潮流转移路径中是否包含发电机节点，将第一目标函数定义为：

其中，

为节点p、q之间线路掉闸后的过流线路所在最短潮流转移路径k的阻抗；T_p为节点p、q之间线路掉闸后的过流线路所在最短潮流转移路径经过的所有节点集合，G为全网所有发电机节点集合；(T_p∩G)为最短潮流转移路径中包含的发电机节点，N_Tp,G为最短潮流转移路径中包含的发电机节点个数，T_p,Gi,为最短潮流转移路径中的发电机节点Gi的所有送出通路的集合；

当路径中无发电机节点(即N_Tp,G＝0)时，K_up、K_down均取0；当路径中有发电机节点(即N_Tp,G>0)时，且发电机节点在过流支路上游时，K_up＝1、K_down＝0；若发电机节点在过流支路下游，则K_up＝0、K_down＝1。

进一步的，所述第二目标函数建立的过程为：对网络架构结构的改变程度最小的表达式为：

其中，

分别为网架结构改变前、后对应的节点连接矩阵M中节点i，j之间的开关通断状态；N代表电网全部节点集合，O代表优化后的备选方案集合。

进一步的，所述通过对第一目标函数和第二目标函数进行运行，求取最优解，获取当前电网运行方式的优化调整策略具体为：

建立最终目标函数表达式F＝λ₁F₁+λ₂F₂；λ₁+λ₂＝1；

对最终目标函数表达式进行求解得到当前电网运行方式的优化调整策略。

本发明还提出了解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，包括初始化模块、排序模块、建立模块和寻优模块；

所述初始化模块用于初始化电网拓扑模型，基于现有综合稳定分析算法进行潮流计算，在电网拓扑模型中查找事故预想下的过流问题；

所述排序模块用于将潮流转移路径按权值由小到大排序，获得最短潮流转移路径排序表；

所述建立模块用于将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量，在约束条件下，建立第一目标函数和第二目标函数；所述第一目标函数为过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大；第二目标函数为对电网结构的改变程度最小；

所述寻优模块用于通过对第一目标函数和第二目标函数求最优解，获取当前电网运行方式的优化调整策略。

发明内容中提供的效果仅仅是实施例的效果，而不是发明所有的全部效果，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

本发明提出了解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法和系统，该方法包括：初始化电网拓扑模型，基于现有综合稳定分析算法进行潮流计算，在电网拓扑模型中查找事故预想下的过流问题；将潮流转移路径按权值由小到大排序，获得最短潮流转移路径排序表；将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量，在约束条件下，建立第一目标函数和第二目标函数；第一目标函数为过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大；第二目标函数为对电网结构的改变程度最小；通过对第一目标函数和第二目标函数进行运行，求取最优解，获取当前电网运行方式的优化调整策略。基于解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，还提出了解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化系统。本发明通过改变现有输电线路状态、变电站母线运行方式等措施提升电网静态稳定性水平，解决N-1、N-2故障后线路过流问题。不需要额外投资附加设备、不需要发电重新调度、不需要切除负荷，经济性好。

本发明简化了大规模电网网络拓扑优化问题的模型，仅以潮流转移关键路径上的相关节点为变量，大幅降低寻优问题的计算规模，计算速度快、内存占用少。

本发明以使故障后过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他转移路径的阻抗增大和网架结构改变程度最小作为目标函数方向进行寻优，避免了传统算法中遍历式、随机式的大量无效迭代，同时以其他必要性约束条件为制约，使寻优结果合理、可操作性强。

本发明计算速度快、占用内存少，不仅适用于短期未来态电网方式的寻优，还能以电网实时状态量为初始值进行扫描计算，获得当前电网运行方式的实时优化策略，为调控运行人员提供参考，实现电网最优运行方式的实时调整。

附图说明

如图1给出了某城市电网N-1故障后局部潮流方向图；

如图2给出了变电站7、9站内220千伏母线原有的连接方式示意图；

如图3给出了变电站7、9站内220千伏母线连接方式优化后示意图；

如图4给出了过流线路所在最短路径上存在发电机节点的两种情况；

如图5给出了变电站9的站内拓扑模型图；

如图6给出了本发明实施例1解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法整体框图；

如图7给出了本发明实施例1解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法流程图；

如图8给出了本发明实施例2解决故障后输电线路过流问题的电网运行系统示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

实施例1

本发明实施例1提出了解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法。首先介绍一下本发明技术方案实现的基本原理。电网元件故障后的过流线路包含在最短潮流转移路径中。如图1给出了某城市电网N-1故障后局部潮流方向图。对电网进行N-1或N-2事故预想，局部电网简化成节点网络拓扑见图1所示，箭头代表潮流方向。变电站A与变电站B之间的500千伏线路(图中虚线)故障后，有两条线路潮流越限，分别为支路L_4,7(变电站4与变电站7之间的线路)、支路L_5,G0(变电站5与发电厂节点G0之间的线路)。

用节点连接权矩阵W表示系统中各变电站、发电厂之间是否有直接的连接关系，W矩阵中的元素w_i,j代表节点i、j之间的权值。本发明综合将某一输电线路的线路阻抗、传输功率增量的比值作为该输电线路两端节点i、j之间的权值，公式表达为

其中分子代表线路L_i,j的阻抗，分母代表线路L_A,B开断前潮流增加100个单位线路L_i,j的潮流增加值，可由历史断面计算获得。w_i,j越小，代表线路L_i,j对线路L_A,B的潮流输送作用的替代能力越强。

按深度优先原则以节点A为起点、B为终点遍历出获得除线路L_A,B之外的，节点A、B之间的其他输电路径的集合，即所有潮流转移路径。最短潮流转移路径的通过权重值计算排序获得，权重和最小的为线路L_A,B开断后的最短潮流转移路径，所以图1中权重和最小的路径为A→1→4→7→B，权重和第二小路径为A→3→5→G0→9→B，所以发生过流的线路分别包含在这两条路径中。

解决线路过流问题的关键是使该线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大，进而减小线路L_4,7、L_5,G0上负担的潮流。如图2给出了变电站7、9站内220千伏母线原有的连接方式示意图；开关为黑色代表在合位，无色代表分位，如图3给出了变电站7、9站内220千伏母线连接方式优化后示意图。

比较图2、3可见，通过调整线路L_7,B II线、线路L_9,6、线路L_9,G0 I线与母线的原有连接关系，并使母联开关分列运行，此措施增大了过流线路L_4,7、L_5,G0所在最短路径的阻抗。线路L_4,7所在最短路径阻抗由Z_A,1+Z_1,4+Z_4,7+Z_7,B增大为Z_A,1+Z_1,4+Z_4,7+(Z_7,10,I+Z_7,10,II)+Z_7,B；线路L5,G0所在原最短路径阻抗由Z_A,3+Z_3,5+Z_5,G0+Z_G0,9+Z_9,B增大为无穷大，因此拓扑优化后线路L5,G0所在最短路径阻抗变为Z_A,3+Z_3,5+Z_5,G0+Z_G0,10+Z_10,7+Z_7,B。拓扑优化后再次潮流计算，当线路L_A,B掉闸后，线路L_4,7、L_5,G0不再过流，且未出现其他线路过流问题。

采用“备用线路转环路运行”等其他改变拓扑连接关系的方案，使节点A、B之间其他路径的阻抗变小，也可实现最短潮流转移路径上的潮流减小。因此本发明以“使故障后过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大”为目标寻找网络拓扑优化方案。

如图4给出了过流线路所在最短路径上存在发电机节点的两种情况。以上两种情况线路过流原因不同，在不调整发电机出力的前提下，有效解决措施分别对应两种：对于第一种情况：发电机节点在过流线路下游，线路过流原因是该发电机出力对本路径的节点负荷的送出能力不足。对应的措施为：使该发电机节点其他送出路径的阻抗相对本路径的阻抗增大。对于第二种情况：发电机节点在过流线路上游，线路过流原因是该发电机出力在本路径上送出过多。对应的措施为：使该发电机节点其他送出路径的阻抗相对本路径的阻抗减小。

如图5给出了变电站9的站内拓扑模型图，对于双母线结构的站内接线方式，各线路均可运行于#1母线或#2母线，拓扑结构等效为图5所示，各线路、主变与各母线的连接状态设为变量x_i，取值为1代表运行于所连母线，取值为0代表不运行于所连母线；用母联开关的状态变量表示母联开关的分合状态，母联开关的状态变量取值为0表示母线分列运行。所以本发明最终所得结果为各状态变量x_i的取值列表，筛选出取值发生变化的变量，即可得到优化运行方式所需要改变的元件连接方式，即需要进行分/合的开关(或刀闸)。

如图6给出了本发明实施例1解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法整体框图；如图7给出了本发明实施例1解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法流程图。本发明给出的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，通过改变现有输电线路状态、变电站母线运行方式等提升电网静态稳定性水平，降低N-1、N-2故障后输电线路过流风险。简化大规模电网网络拓扑优化问题的模型，将问题重点放在故障后有过流问题的局部电网，仅以较短潮流转移路径上的相关节点为变量，最大程度降低寻优问题的计算规模，计算速度快、内存占用少。搜素N-1、N-2故障后潮流转移路径的集合，得到故障元件两端节点之间包含过流元件的最短潮流转移路径，以该路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大为目标导向，以其他必要性约束条件为制约，获得当前电网运行方式的调整策略，为调控运行人员提供参考，实现电力系统最优运行方式的实时控制。

在步骤S701中，初始化电网拓扑模型，基于现有综合稳定分析算法进行潮流计算，在电网拓扑模型中查找事故预想下的过流问题。

根据电网节点总数、线路等效阻抗和变电站内线路开关通断状态，计算节点连接矩阵M和节点等效阻抗矩阵Z；

其中，M中的元素m_i,j表示i，j节点之间的直接连接关系，m_i,j取值为1代表两节点之间直接连接，m_i,j取值为0代表两节点不直接相连；

Z中的元素z_i,j代表i，j节点之间线路的等效阻抗值，取值为∞代表节点之间没有连接关系或线路相关开关在分位。

采用键值对的形式表示过流结果，即

U_s＝{Y_n:[L_i,j，...]，...}，Y_n∈[Y₀,Y₁,...Y_N]；

其中，Y_n为事先设定好的N-1、N-2预想事故集合中的元素，Y_n对应的元件发生故障后，对应的过流线路集合为[L_i,j，...]，U_s为过流结果。

在步骤S702中，将潮流转移路径按权值由小到大排序，获得最短潮流转移路径排序表。

对节点连接矩阵M的采用深度优先遍历法，对于Y_n中的故障线路L_p,q(假设故障前L_p,q线路上潮流方向为由A向B)，从节点p为起点开始搜索，搜索至节点q终止，记录经过的路径列表及相应路径的阻抗，用键值对的形式将转移路径集合表示为B_p,q；

B_p,q＝{z₁:[L_p,1，...，L_m,q],z₂:[L_p,2，...，L_n,q],...}

列表[L_p,1，...，L_m,q]表示节点p与节点q之间的一条潮流转移路径，其中的元素为路径中包含的各线路；z₁＝w_p,1+...w_i,j...+w_m,q；z₂＝w_p,2+...w_i,j+...+w_n,q

其中，各潮流转移路径按计算阻抗z的值由小到大排序，可获得线路L_p,q掉闸后变电站p与变电站q之间的最短潮流转移路径的排序表z₁、z₂...z_n；

w_p,1为节点p与节点1之间线路的权值；w_i,j为节点i与节点j之间线路的权值，w_m,q为节点m与节点q之间线路的权值；w_p,2为节点p与节点2之间线路的权值；w_n,q为节点n与节点q之间线路的权值；

且

其中z_i,j为节点i，j间输电线路的线路阻抗；ΔS_i,j为节点i，j间输电线路的传输功率增量，即线路L_p,q开断前，线路L_p,q上的潮流增加100个单位，线路L_i,j上的潮流增加值。

在步骤S703中，将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量，在约束条件下，建立第一目标函数和第二目标函数；第一目标函数为过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大；第二目标函数为对电网结构的改变程度最小；

将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量，其中寻优的变量为[x1,x2,...,xi,...]；变量范围包含该路径所经过的变电站站内所有220千伏及以上元件的连接状态，xi的取值为0或1，表示开关或者刀闸位于分位或合位。

建立约束条件，约束条件具体包括第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件；

第一约束条件为：不造成变电站单电源供电，即为对任一节点i，节点连接矩阵满足

第二约束条件为：无故障情况下电压及潮流不越限，即任一节点电压满足V_d≤U_i≤V_u；且对任一支路的电流满足I_i,j≤I_lim；

第三约束条件为：不新增其他的故障后过流问题，即网架结构调整后，计算所得的U_s中的键值对无新增量，size(U′_s)≤size(U_s)。

建立目标函数，其中第一目标函数建立的方法为：根据故障后过流线路所在最短潮流转移路径中是否包含发电机节点，将第一目标函数定义：

F₁取最小值时，能实现本发明原理中所述的使故障后过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大的目标。

其中，

为节点p、q之间线路掉闸后的过流线路所在最短潮流转移路径k的阻抗，当第一项值减小代表故障后过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大；T_p为节点p、q之间线路掉闸后的过流线路所在最短潮流转移路径经过的所有节点集合，G为全网所有发电机节点集合；(T_p∩G)可得到该路径中包含的发电机节点，N_Tp,G路径中包含的发电机节点个数，T_p,Gi,为路径中的发电机节点Gi的所有送出通路的集合；当路径中无发电机节点(即N_Tp,G＝0)时，K_up、K_down均取0；当路径中有发电机节点(即N_Tp,G>0)时，且发电机节点在过流支路上游时，K_up＝1、K_down＝0，使该发电机节点其他送出路径的阻抗相对本路径的阻抗减小；若发电机节点在过流支路下游，则K_up＝0、K_down＝1，使该发电机节点其他送出路径的阻抗相对本路径的阻抗增大。

第二目标函数的建立过程为：对网架结构的改变程度最小。方式调整优化方案对原有网架结构改变不应过多，也不应进行无意义的调整，以求尽量简化运行方式调整手段并缩短调整时间。该目标能去掉对缓解过流问题无效果的开关分合操作，从而获得使现有开关(及刀闸)分合状态改变个数最少的方案。

对网络架构结构的改变程度最小的表达式为：

其中，

分别为网架结构改变前、后对应的节点连接矩阵M中节点i，j之间的开关通断状态；N代表电网全部节点集合，O代表优化后的备选方案集合。

在步骤S704中，通过对第一目标函数和第二目标函数进行运行，求取最优解，获取当前电网运行方式的优化调整策略。

根据实际情况可调整目标二网架结构改变程度最小在整体优化目标所占权重，最终目标函数表示为：F＝λ₁F₁+λ₂F₂；λ₁+λ₂＝1；对于带有一定约束的寻优问题可采用遗传算法、禁忌搜索、模拟退火等算法求解，因变量规模不大，各种算法所用时间相当，单一过流线路所在的最短潮流转移路径涉及15个节点的算例显示，计算所用时间平均在2.5秒左右。将搜索得到最优方案输出，可获得当前电网运行方式的优化调整策略，可供运行人员参考。

实施例2

基于本发明实施例1提出的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，本发明实施例2还提出了解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化系统，该系统包括初始化模块、排序模块、建立模块和寻优模块；

初始化模块用于初始化电网拓扑模型，基于现有综合稳定分析算法进行潮流计算，在电网拓扑模型中查找事故预想下的过流问题；

排序模块用于将潮流转移路径按权值由小到大排序，获得最短潮流转移路径排序表；

建立模块用于将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量，在约束条件下，建立第一目标函数和第二目标函数；第一目标函数为过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对除最短潮流路径之外的其他潮流转移路径的阻抗增大；第二目标函数为对电网结构的改变程度最小；

寻优模块通过对第一目标函数和第二目标函数进行运行，求取最优解，获取当前电网运行方式的优化调整策略。

其中初始化模块实现的过程为：根据电网节点总数、线路等效阻抗和变电站内线路开关通断状态，计算节点连接矩阵M和节点等效阻抗矩阵Z；

其中，M中的元素m_i,j表示i，j节点之间的直接连接关系，m_i,j取值为1代表两节点之间直接连接，m_i,j取值为0代表两节点不直接相连；

Z中的元素z_i,j代表i，j节点之间线路的等效阻抗值，取值为∞代表节点之间没有连接关系或线路相关开关在分位。

采用键值对的形式表示过流结果，即

U_s＝{Y_n:[L_i,j，...]，...}，Y_n∈[Y₀,Y₁,...Y_N]；

其中，Y_n为事先设定好的N-1、N-2预想事故集合中的元素，Y_n对应的元件发生故障后，对应的过流线路集合为[L_i,j，...]，U_s为过流结果。

排序模块实现的过程为：对节点连接矩阵M的采用深度优先遍历法，对Y_n中的故障线路L_p,q，(假设故障前L_p,q线路上潮流方向为由A向B)从节点p为起点开始搜索，搜索至节点q终止，记录经过的路径列表及相应路径的阻抗，用键值对的形式将转移路径集合表示为B_p,q；

B_p,q＝{z₁:[L_p,1，...，L_m,q],z₂:[L_p,2，...，L_n,q],...}

列表[L_p,1，...，L_m,q]表示节点p与节点q之间的一条潮流转移路径，其中的元素为路径中包含的各线路；z₁＝w_p,1+...w_i,j...+w_m,q；z₂＝w_p,2+...w_i,j+...+w_n,q

其中，各潮流转移路径按计算阻抗z的值由小到大排序，可获得线路L_p,q掉闸后变电站p与变电站q之间的最短潮流转移路径的排序表z₁、z₂...z_n；

w_p,1为节点p与节点1之间线路的权值；w_i,j为节点i与节点j之间线路的权值，w_m,q为节点m与节点q之间线路的权值；w_p,2为节点p与节点2之间线路的权值；w_n,q为节点n与节点q之间线路的权值；

且

其中z_i,j为节点i，j间输电线路的线路阻抗；ΔS_i,j为节点i，j间输电线路的传输功率增量，即线路L_p,q开断前，线路L_p,q上的潮流增加100个单位，线路L_i,j上的潮流增加值。

建立模块实现的过程为：将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量，其中寻优的变量为[x1,x2,...,xi,...]；变量范围包含该路径所经过的变电站站内所有220千伏及以上元件的连接状态，xi的取值为0或1，表示开关或者刀闸位于分位或合位。

建立约束条件，约束条件具体包括第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件；

第一约束条件为：不造成变电站单电源供电，即为对任一节点i，节点连接矩阵满足

第二约束条件为：无故障情况下电压及潮流不越限，即任一节点i的电压满足V_d≤U_i≤V_u；且对任一支路的电流满足I_i,j≤I_lim；

第三约束条件为：不新增其他的故障后过流问题，即网架结构调整后，计算所得的U_s中的键值对无新增量，size(U′_s)≤size(U_s)。

建立目标函数，其中第一目标函数的建立方法为：根据故障后过流线路所在最短潮流转移路径中是否包含发电机节点，将第一目标函数定义：

F₁取最小值时，能实现本发明原理中所述的使故障后过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大的目标。

其中，

为节点p、q之间线路掉闸后的过流线路所在最短潮流转移路径k的阻抗，当第一项值减小代表故障后过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他转移路径增大；T_p为节点p、q之间线路掉闸后的过流线路所在最短潮流转移路径经过的所有节点集合，G为全网所有发电机节点集合；(T_p∩G)可得到该路径中包含的发电机节点，N_Tp,G路径中包含的发电机节点个数，T_p,Gi,为路径中的发电机节点Gi的所有送出通路的集合；当路径中无发电机节点(即N_Tp,G＝0)时，K_up、K_down均取0；当路径中有发电机节点(即N_Tp,G>0)时，且发电机节点在过流支路上游时，K_up＝1、K_down＝0，使该发电机节点其他送出路径的阻抗相对本送出路径的阻抗减小；若发电机节点在过流支路下游，则K_up＝0、K_down＝1，使该发电机节点其他送出路径的阻抗相对本送出路径的阻抗增大。

第二目标函数的建立过程为：对网架结构的改变程度最小。方式调整优化方案对原有网架结构改变不应过多，也不应进行无意义的调整，以求尽量简化运行方式调整手段并缩短调整时间。该目标能去掉对缓解过流问题无效果的开关分合操作，从而获得使现有开关(及刀闸)分合状态改变个数最少的方案。

对网络架构结构的改变程度最小的表达式为：

其中，

分别为网架结构改变前、后对应的节点连接矩阵M中节点i，j之间的开关通断状态；N代表电网全部节点集合，O代表优化后的备选方案集合。

寻优模块实现的过程为：根据实际情况可调整目标二网架结构改变程度最小在整体优化目标所占权重，最终目标函数表示为：F＝λ₁F₁+λ₂F₂；λ₁+λ₂＝1；对于带有一定约束的寻优问题可采用遗传算法、禁忌搜索、模拟退火等算法求解，因变量规模不大，各种算法所用时间相当，单一过流线路所在的最短潮流转移路径涉及15个节点的算例显示，计算所用时间平均在2.5秒左右。将搜索得到最优方案输出，可获得当前电网运行方式的优化调整策略，可供运行人员参考。

本发明通过改变现有输电线路状态、变电站母线运行方式等措施提升电网静态稳定性水平，解决N-1、N-2故障后线路过流问题。不需要额外投资附加设备、不需要发电重新调度、不需要切除负荷，经济性好。

本发明简化了大规模电网网络拓扑优化问题的模型，仅以潮流转移关键路径上的相关节点为变量，大幅降低寻优问题的计算规模，计算速度快、内存占用少。

本发明以“使故障后过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大”、“网架结构改变程度最小”为方向进行寻优，避免了传统算法中遍历式、随机式的大量无效迭代，同时以其他必要性约束条件为制约，使寻优结果合理、可操作性强。

本发明计算速度快、占用内存少，不仅适用于短期未来态电网方式的寻优，还能以电网实时状态量为初始值进行扫描计算，获得当前电网运行方式的实时优化策略，为调控运行人员提供参考，实现电网最优运行方式的实时调整。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制。对于所属领域的技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的修改或变形。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。在本发明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发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

初始化电网拓扑模型，基于现有综合稳定分析算法进行潮流计算，在电网拓扑模型中查找事故预想下的过流问题；

将潮流转移路径按权值由小到大排序，获得最短潮流转移路径排序表；

将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量，在约束条件下，建立第一目标函数和第二目标函数；所述第一目标函数为过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大；第二目标函数为对电网结构的改变程度最小；

通过对第一目标函数和第二目标函数求最优解，获取当前电网运行方式的优化调整策略。

2.根据权利要求1所述的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，其特征在于，所述初始化电网拓扑模型具体包括：根据电网节点总数、线路等效阻抗和变电站内线路开关通断状态，计算节点连接矩阵M和节点等效阻抗矩阵Z；

其中，M中的元素m_i,j表示i，j节点之间的直接连接关系，m_i,j取值为1代表两节点之间直接连接，m_i,j取值为0代表两节点不直接相连；

Z中的元素z_i,j代表i，j节点之间线路的等效阻抗值，取值为∞代表节点之间没有连接关系或线路相关开关在分位。

3.根据权利要求2所述的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，其特征在于，所述基于现有综合稳定分析算法进行潮流计算，在电网拓扑模型中查找事故预想下的过流问题具体包括：采用键值对的形式表示过流结果，即

U_s＝{Y_n:[L_i,j，...]，...}，Y_n∈[Y₀,Y₁,...Y_N]；

其中，Y_n为事先设定好的N-1、N-2预想事故集合中的元素，Y_n对应的元件发生故障后，对应的过流线路集合为[L_i,j，...]，U_s为过流结果。

4.根据权利要求3所述的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，其特征在于，所述将潮流转移路径按权值由小到大排序，获得最短潮流转移路径排序表具体包括：对节点连接矩阵M采用深度优先遍历法，对Y_n中的故障线路L_p,q，从节点p为起点开始搜索，搜索至节点q终止，记录经过的路径列表及相应路径的阻抗，用键值对的形式将转移路径集合表示为B_p,q；

B_p,q＝{z₁:[L_p,1，...，L_m,q],z₂:[L_p,2，...，L_n,q],...}

列表[L_p,1，...，L_m,q]表示节点p与节点q之间的一条潮流转移路径，其中的元素为路径中包含的各线路；z₁＝w_p,1+...w_i,j...+w_m,q；z₂＝w_p,2+...w_i,j+...+w_n,q

其中，各潮流转移路径按计算阻抗z的值由小到大排序，可获得线路L_p,q掉闸后变电站p与变电站q之间的最短潮流转移路径的排序表z₁、z₂...z_n；

w_p,1为节点p与节点1之间线路的权值；w_i,j为节点i与节点j之间线路的权值，w_m,q为节点m与节点q之间线路的权值；w_p,2为节点p与节点2之间线路的权值；w_n,q为节点n与节点q之间线路的权值；

且

其中z_i,j为节点i，j间输电线路的线路阻抗；ΔS_i,j为节点i，j间输电线路的传输功率增量，即线路L_p,q开断前，线路L_p,q上的潮流增加100个单位，线路L_i,j上的潮流增加值。

5.根据权利要求4所述的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，其特征在于，所述将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量具体包括：寻优的变量设置为[x1,x2,...,xi,...]；所述变量范围包含该路径所经过的变电站站内所有220千伏及以上元件的连接状态，xi的取值为0或1，表示开关或者刀闸位于分位或合位。

6.根据权利要求5所述的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，其特征在于，所述约束条件具体包括第一约束条件、第二约束条件和第三约束条件；

所述第一约束条件为：不造成变电站单电源供电，即为对任一节点i，节点连接矩阵满足

所述第二约束条件为：无故障情况下电压及潮流不越限，即任一节点电压满足V_d≤U_i≤V_u；且对任一支路的电流满足I_i,j≤I_lim；

所述第三约束条件为：不新增其他的故障后过流问题，即网架结构调整后，计算所得的U_s中的键值对无新增量，size(U′_s)≤size(U_s)。

7.根据权利要求6所述的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，其特征在于，所述第一目标函数的建立过程为：

根据故障后过流线路所在最短潮流转移路径中是否包含发电机节点，将第一目标函数定义为：

其中，

为节点p、q之间线路掉闸后的过流线路所在最短潮流转移路径k的阻抗；T_p为节点p、q之间线路掉闸后的过流线路所在最短潮流转移路径经过的所有节点集合，G为全网所有发电机节点集合；(T_p∩G)为最短潮流转移路径中包含的发电机节点，N_Tp,G为最短潮流转移路径中包含的发电机节点个数，T_p,Gi,为最短潮流转移路径中的发电机节点Gi的所有送出通路的集合；

当路径中无发电机节点(即N_Tp,G＝0)时，K_up、K_down均取0；当路径中有发电机节点(即N_Tp,G>0)时，且发电机节点在过流支路上游时，K_up＝1、K_down＝0；若发电机节点在过流支路下游，则K_up＝0、K_down＝1。

8.根据权利要求7所述的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，其特征在于，所述第二目标函数建立的过程为：对网络架构结构的改变程度最小的表达式为：

其中，

分别为网架结构改变前、后对应的节点连接矩阵M中节点i，j之间的开关通断状态；N代表电网全部节点集合，O代表优化后的备选方案集合。

9.根据权利要求8所述的解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化方法，其特征在于，所述通过对第一目标函数和第二目标函数进行运行，求取最优解，获取当前电网运行方式的优化调整策略具体为：

建立最终目标函数表达式F＝λ₁F₁+λ₂F₂；λ₁+λ₂＝1；

对最终目标函数表达式进行求解得到当前电网运行方式的优化调整策略。

10.解决故障后输电线路过流问题的电网运行优化系统，其特征在于，包括初始化模块、排序模块、建立模块和寻优模块；

所述初始化模块用于初始化电网拓扑模型，基于现有综合稳定分析算法进行潮流计算，在电网拓扑模型中查找事故预想下的过流问题；

所述排序模块用于将潮流转移路径按权值由小到大排序，获得最短潮流转移路径排序表；

所述建立模块用于将包含过流线路的潮流转移路径中的开关状态优先设置为寻优的变量，在约束条件下，建立第一目标函数和第二目标函数；所述第一目标函数为过流线路所在最短潮流转移路径的阻抗相对其他潮流转移路径的阻抗增大；第二目标函数为对电网结构的改变程度最小；

所述寻优模块用于通过对第一目标函数和第二目标函数求最优解，获取当前电网运行方式的优化调整策略。

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