本發(fā)明涉及一種電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化方法，特別涉及考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化方法。

背景技術：

電力系統(tǒng)的首要任務是維護安全、可靠的運行，保證用戶的基本用電需求，從而進一步促進國家和社會的經(jīng)濟發(fā)展。然而，電力系統(tǒng)存在許多不可控的隨機故障，例如發(fā)電機組和交直流聯(lián)絡線的故障停運。在正常的運行方式下，一旦發(fā)生故障停運事件，就會造成較大的有功缺額，導致系統(tǒng)頻率迅速跌落，嚴重危脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。電力系統(tǒng)在大的擾動或故障下，為了維持穩(wěn)定運行和持續(xù)供電可以采取調備用、切機、切負荷、解列等一系列控制措施，其中事故備用主要用于平衡電力系統(tǒng)故障后所造成的有功缺額，因此是最基本的一種控制手段。在事故發(fā)生后的緊急狀態(tài)下，如何調用事故備用以彌補有功缺額所造成的危害，是電力系統(tǒng)在實際運行中需要解決的一大問題。在事故備用調用的過程中，不僅需要考慮機組最大有功功率、機組爬坡率的限制，同時還需要考慮備用的響應時間、故障的恢復時間，以及保證在事故備用調用后電力系統(tǒng)滿足網(wǎng)絡安全約束，即線路和斷面上的功率不越限。

隨著電力系統(tǒng)交直流聯(lián)系日益緊密，形成了一種多條高壓交直流饋入的受端電網(wǎng)。當大容量輸電通道故障后，會產(chǎn)生大容量的有功缺額，從而對受端的交流電網(wǎng)造成很大的沖擊。在這種情況下，為了使電力系統(tǒng)盡快恢復到正常運行狀態(tài)，除了合理調用事故備用之外還需要采取一些緊急功率控制手段，例如直流功率緊急控制技術。直流輸電系統(tǒng)的核心設備換流器是由高頻電力電子器件構成，具有短時過負荷能力，因此可以充分利用其快速調節(jié)特性，實現(xiàn)直流系統(tǒng)對交流系統(tǒng)的緊急功率支援，從而有效減少交流系統(tǒng)的切機切負荷量，最大限度保證供電的連續(xù)性和可靠性。直流功率緊急控制是通過直流調制實現(xiàn)的，在直流輸電的控制系統(tǒng)中加入直流調制器，從兩端交流系統(tǒng)中提取反映系統(tǒng)異常的信號，例如功角、頻率等的變化，來調制直流系統(tǒng)的輸出功率，使之快速補償其所連交流系統(tǒng)中的有功缺額，從而起到緊急功率支援、抑制頻率波動的作用，其功率調制幅度一般為直流輸電線路額定傳輸功率的10～20％。

目前尚未見到將直流功率緊急控制與備用調用進行協(xié)調優(yōu)化，從而為故障停運發(fā)生后電網(wǎng)的調度提供參考的報道。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化方法，該方法以故障停運事件發(fā)生后全網(wǎng)限電量最小為目標，通過備用和直流功率緊急控制的協(xié)調優(yōu)化，得到電力系統(tǒng)緊急狀態(tài)下合理的備用調用方案。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用了以下技術方案：

步驟1：從電網(wǎng)實時運行控制系統(tǒng)(OCS)中獲取用于備用緊急調用的原始數(shù)據(jù)；

步驟2：以故障停運事件發(fā)生后全網(wǎng)的限電量最小為目標函數(shù)，建立電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化模型；

步驟3：在步驟2模型的基礎上，建立考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化模型；

步驟4：求解步驟2和步驟3中的模型，得到不考慮和考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用方案并返回OCS。

所述步驟1中原始數(shù)據(jù)包括當前時刻的電網(wǎng)運行方式、直流聯(lián)絡線最大過載率、負荷備用率、負荷備用響應時間、事故備用響應時間、直流緊急支援響應時間以及故障停運事件。其中，直流聯(lián)絡線最大過載率的取值范圍為10～20％，負荷備用率的取值范圍為2～5％，負荷備用響應時間為5分鐘，事故備用響應時間為10分鐘，直流緊急支援響應時間為10分鐘，故障停運事件包括發(fā)電機組故障停運和省間聯(lián)絡線(包括直流聯(lián)絡線和交流聯(lián)絡線)故障停運。

所述步驟2中目標函數(shù)表示為：

其中，m為故障停運事件編號，包括發(fā)電機組gm故障停運和省間聯(lián)絡線sm故障停運，表示故障停運事件m發(fā)生后節(jié)點j的限電量，ω_j表示節(jié)點j負荷的重要程度，N_D表示電網(wǎng)節(jié)點的總個數(shù)。

所述步驟2中電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化模型包括以下約束條件：

1)各節(jié)點限電量約束

其中，D_j表示節(jié)點j的負荷。

2)發(fā)電機輸出功率約束

P_i-loadR_i≥P_imin (4)

其中，P_i為發(fā)電機組i的實際出力，P_imax為發(fā)電機組i的最大有功功率，P_imin為發(fā)電機組i的最小技術出力，loadR_i為發(fā)電機組i安排的負荷備用，為故障停運事件m發(fā)生后發(fā)電機組i調用的事故備用。

3)備用響應時間約束

0≤loadR_i≤T_l·RampRate_i (5)

其中，RampRate_i為發(fā)電機組i的爬坡率，T_l為負荷備用的響應時間，T_c為事故備用的響應時間。

4)負荷備用容量約束

若發(fā)電機組gm故障停運，則

若省間聯(lián)絡線sm故障停運，則

其中，N_G表示在線發(fā)電機組的臺數(shù)，α為負荷備用率。

5)有功缺額平衡方程

若發(fā)電機組gm故障停運，則

若省間聯(lián)絡線sm故障停運，則

其中，P_gm表示發(fā)電機組gm故障停運造成的有功缺額，P_sm表示省間聯(lián)絡線sm故障停運造成的有功缺額。

公式(7)-(10)表明，安排的負荷備用總量需要應對一定的電網(wǎng)負荷波動，調用的事故備用總量加上全網(wǎng)限電量需要滿足故障停運事件所造成的有功缺額。當發(fā)電機組gm發(fā)生故障停運時，其不再提供負荷備用和事故備用。

6)故障停運事件發(fā)生后線路和斷面功率約束

若發(fā)電機組gm故障停運，則

其中，表示省間聯(lián)絡線s注入的有功功率，表示發(fā)電機組gm故障停運后線路k上的有功功率，表示線路k的極限傳輸功率，表示發(fā)電機組gm故障停運后斷面n上的有功功率，I_n表示第n個斷面，l_k表示第k條線路，l_k∈I_n表示屬于第n個斷面的線路集合，表示斷面n的極限傳輸功率，H_ki表示發(fā)電機組i的有功功率對線路k的功率分布因子，H_ks表示省間聯(lián)絡線s的有功功率對線路k的功率分布因子，H_kj表示節(jié)點j的負荷對線路k的功率分布因子，N_S表示省間聯(lián)絡線的條數(shù)。

若省間聯(lián)絡線sm故障停運，則

其中，表示省間聯(lián)絡線sm故障停運后線路k上的有功功率，表示省間聯(lián)絡線sm故障停運后斷面n上的有功功率。

所述步驟3中考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化模型的目標函數(shù)與步驟2中目標函數(shù)相同，約束條件在步驟2電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化模型的基礎上進行如下修改：

1)公式(2)-(8)所述各節(jié)點限電量約束、發(fā)電機輸出功率約束、備用響應時間約束和負荷備用容量約束保持不變。

2)增加直流緊急有功支援容量約束

直流聯(lián)絡線緊急支援的有功功率受到聯(lián)絡線允許過載的最大容量的限制，即：

其中，表示故障停運事件m發(fā)生后省間直流聯(lián)絡線ds支援的有功功率，表示省間直流聯(lián)絡線ds的最大傳輸容量，λ_ds表示省間直流聯(lián)絡線ds允許的最大過載率。

3)增加直流緊急有功支援爬坡率約束

直流聯(lián)絡線緊急支援的有功功率受到爬坡率的限制，即：

其中，T_d表示直流緊急支援的響應時間，RampRate_ds表示省間直流聯(lián)絡線ds支援的有功功率的爬坡率。

4)公式(9)-(10)所述有功缺額平衡方程修改為如下形式：

考慮直流功率控制后，若發(fā)電機組gm故障停運，則

其中，N_DS表示省間直流聯(lián)絡線的條數(shù)。

若省間聯(lián)絡線sm故障停運，則

公式(21)-(22)表明，調用的事故備用總量、直流聯(lián)絡線緊急支援的有功功率以及全網(wǎng)限電量之和需要滿足故障停運事件所造成的有功缺額。當發(fā)電機組gm發(fā)生故障停運時，其不再提供事故備用；當省間直流聯(lián)絡線sm發(fā)生故障停運時，其不再提供緊急狀態(tài)下的有功功率支援。

5)公式(11)-(18)所述故障停運事件發(fā)生后線路和斷面功率約束修改為如下形式：

考慮直流功率控制后，若發(fā)電機組gm故障停運，則公式(11)、(13)和(14)保持不變，公式(12)修改為

其中，H_kds表示省間直流聯(lián)絡線ds的有功功率對線路k的功率分布因子。

若省間聯(lián)絡線sm故障停運，則公式(15)、(17)和(18)保持不變，公式(16)修改為

分別求解步驟2和步驟3中的優(yōu)化模型，可以得到不考慮和考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用方案(前者的優(yōu)化變量包括后者的優(yōu)化變量包括)，最終將優(yōu)化調用方案反饋給OCS平臺(如果不具有直流功率控制的條件，例如，不具有直流聯(lián)絡線或直流聯(lián)絡線全部故障，則選擇不考慮直流功率控制的優(yōu)化模型求解得到優(yōu)化方案，如果具有直流功率控制的條件，則選擇考慮直流功率控制的優(yōu)化模型求解得到優(yōu)化方案)。

本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在：

本發(fā)明在考慮直流聯(lián)絡線短時過負荷能力的基礎上，以故障停運事件發(fā)生后全網(wǎng)的限電量最小為目標，對備用和直流功率控制進行協(xié)調優(yōu)化，從而得到合理的備用緊急調用方案，使得電力系統(tǒng)在故障后盡快恢復到正常運行狀態(tài)，更好地維護電網(wǎng)的安全可靠運行，有效減少事故發(fā)生后電網(wǎng)的限電量，最大程度地滿足用戶的用電需求，減輕故障停運可能造成的經(jīng)濟損失，為故障停運發(fā)生后電網(wǎng)的調度工作提供一定的參考。

附圖說明

圖1為考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例中的某省電網(wǎng)示意圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明作進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

下面以某省電網(wǎng)緊急狀態(tài)下備用調用為例，對本發(fā)明進行具體介紹，但應該理解的是發(fā)明并不局限于此，也同樣適用于對其他電網(wǎng)進行緊急狀態(tài)下備用和直流功率控制的協(xié)調優(yōu)化。

如圖1所示，本發(fā)明提供的考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化方法，包括以下步驟：

第一步：從該省電網(wǎng)實時運行控制系統(tǒng)(OCS)中獲取優(yōu)化備用緊急調用方案所需的原始數(shù)據(jù)，包括當前時刻的電網(wǎng)運行方式、直流聯(lián)絡線最大過載率、負荷備用率、負荷備用響應時間、事故備用響應時間以及故障停運事件。在本實施例中，當前運行方式下的總負荷為92232.98MW，直流聯(lián)絡線最大過載率取為15％，負荷備用率取為2％，負荷備用響應時間為5分鐘，事故備用響應時間為10分鐘，直流緊急支援響應時間為10分鐘。該省電網(wǎng)共有11條省間聯(lián)絡線，如圖2所示，故障停運事件選取最大的3條省間直流聯(lián)絡線發(fā)生雙極閉鎖，編號為1-3，對應的有功缺額分別為5000MW，5000MW和6400MW。

第二步：以故障停運事件發(fā)生后全網(wǎng)的限電量最小為目標，考慮各節(jié)點限電量約束、發(fā)電機輸出功率約束、備用響應時間約束、負荷備用容量約束、有功缺額平衡方程以及故障停運事件發(fā)生后線路和斷面的功率約束，建立電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化模型。

第三步：在上述優(yōu)化模型的基礎上，增加直流緊急有功支援容量約束和直流緊急有功支援爬坡率約束，修改有功缺額平衡方程以及故障停運事件發(fā)生后線路和斷面的功率約束，從而建立考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化模型。

第四步：利用Matlab和Mosek軟件求解第二步和第三步中的優(yōu)化模型，從而得到不考慮和考慮直流功率控制的電力系統(tǒng)備用緊急調用優(yōu)化方案。

在本實施例中，如果不考慮直流功率控制的條件下，當發(fā)生不同的故障停運事件后，全網(wǎng)最小的限電量以及電網(wǎng)各分區(qū)事故備用的優(yōu)化調用方案如表1所示。

表1不考慮直流功率控制下事故備用的優(yōu)化調用方案(單位：MW)

由表1可以看出，當發(fā)生直流雙極閉鎖的大容量輸電通道故障后，由于斷面和線路的功率限制，為了保證電網(wǎng)的安全性，會造成較大的限電量，例如：故障停運3(6400MW有功缺額)，會導致電網(wǎng)出現(xiàn)411MW的限電量。因此，為了減小事故造成的負荷損失，進一步加強電力的持續(xù)供應，需要將直流功率緊急控制與事故備用調用進行協(xié)調優(yōu)化。

在本實施例中，如果考慮直流功率控制的條件下，當發(fā)生不同的故障停運事件后，全網(wǎng)最小的限電量以及電網(wǎng)各分區(qū)事故備用的優(yōu)化調用方案如表2所示。

表2考慮直流功率控制下事故備用的優(yōu)化調用方案(單位：MW)

由表2可以看出，考慮直流功率緊急控制后，當發(fā)生相同的故障停運事件，全網(wǎng)的限電量明顯減小，例如，故障停運1導致的全網(wǎng)限電量由39MW減小到21MW，故障停運3所導致的全網(wǎng)限電量由411MW減少到0MW。同時可以看出，直流功率緊急控制的效果與故障停運事件發(fā)生的位置有關。

第五步：將最終得到的備用調用優(yōu)化方案返回OCS，從而實現(xiàn)與OCS平臺的交互，為故障停運發(fā)生后的電網(wǎng)調度提供參考。