一種基于動態分區的大電網緊急狀態控制輔助決策方法與流程
本發明屬于電力系統運行控制技術領域，具體來說，涉及一種基于動態分區的大電網緊急狀態控制輔助決策方法。
背景技術：
隨著特高壓交直流線路的建成投運，大容量跨區輸電的格局逐漸形成。跨區互聯電網使各區域電網間的動態耦合特性進一步增強，局部電網故障對大區電網安全穩定性的影響更大。電網進入緊急狀態時，若未及時實施采取控制措施，將有可能引發連鎖故障，造成大停電事故的發生。
目前電網的運行控制手段從實現方式上主要分類兩類，一類是通過改變發電機出力和負荷需求動態調整電網運行方式，一類是利用電力電子設備改變潮流分布。與切機切負荷、解列等傳統的二三道防線措施相比，負荷轉供僅在小范圍內改變網絡的拓撲結構，便能在較大程度上降低減供負荷比例，效果顯著，可靠性高，已經引起了國內外研究人員的關注。
在這一背景下，當電網處于緊急狀態時能否利用包括負荷轉供在內的動態分區技術，對分區網絡結構進行合理調整，進而控制相關元件的潮流、電壓等，使電網退出緊急狀態是對保持電網保持安全穩定具有一定的意義。目前針對設備過載、電壓越限問題，工程應用上多通過發電機出力調整、投切容抗等措施予以解決。本發明旨在從網絡拓撲結構出發，引入動態分區技術，給出協調安全性、經濟性等目標的動態分區調整方案，以解決設備過載、電壓越限等單一類緊急狀態，維護電網的安穩運行。
技術實現要素：
本發明目的是：提供一種基于動態分區的大電網緊急狀態控制輔助決策方法，以實現在當前狀態或預想故障下電網出現電壓越限、設備過載等問題時，及時啟動動態分區輔助決策計算，為調度人員提供正確的控制策略建議。
具體地說，本發明是采用以下技術方案實現的，包括以下步驟：
1)根據電力系統運行方式及相應的模型和參數，在線進行計算，獲取預想故障后的系統潮流數據，進入步驟2)；
2)將電壓安全裕度小于設定門檻值ηv,thr1和預想故障后電壓安全裕度小于設定門檻值ηv,thr2的母線分別加入到越限母線集和待控母線集，將過載安全裕度小于設定門檻值ηp,thr1和預想故障后過載安全裕度小于設定門檻值ηp,thr2的設備分別加入到過載設備集和待控設備集，其中越限母線集和待控母線集統稱為母線考察集，過載設備集和待控設備集統稱為設備考察集；
若越限母線集和過載設備集均為空，即電網當前狀態下不存在設備過載或電壓越限，則結束本方法；否則，進入步驟3)啟動基于動態分區的緊急狀態控制輔助決策計算；
所述設備指的是線路和變壓器；
所述動態分區指的是在大電網進入緊急狀態時，通過對部分線路進行投切，改變電網拓撲結構，以減輕或消除緊急狀態，包括負荷轉供和電磁環網的解合環；
3)設定動態分區方案投切線路條數，篩選可投切線路，形成可選方案空間，進入步驟4)；
4)若越限母線集和過載設備集均非空，表明當前狀態下電網發生多類緊急狀態且同時存在設備過載和電壓越限，則針對可選方案空間中的每個動態分區方案，計算其綜合性能指標Re,i，將綜合性能指標大于設定門檻值Re,i,thre的方案加至待校核方案集中，進入步驟5)；
若越限母線集為空且過載設備集非空，表明當前狀態下電網發生單一類緊急狀態，存在設備過載，則針對可選方案空間中的每個動態分區方案，計算其綜合性能指標ωp,i，將綜合性能指標大于設定門檻值ωp,i,thre的方案加至待校核方案集中，進入步驟5)；
若越限母線集非空且過載設備集為空，即當前狀態下電網發生單一類緊急狀態，存在母線電壓越限，則針對可選方案空間中的每個動態分區方案，計算其綜合性能指標ωu,i，將綜合性能指標大于設定門檻值ωu,i,thre的方案加至待校核方案集中，進入步驟5)；
Re,i、ωp,i和ωu,i，用于表征第i種動態分區方案對電網當前狀態或預想故障下所發生的特定的緊急狀態的改善程度，其值越大，效果越好；
5)若待校核方案集非空，針對待校核方案集中的每個動態分區方案，利用交流潮流計算動態分區方案實施后母線考察集中各母線的電壓安全裕度和設備考察集中各設備的過載安全裕度，若各母線的電壓安全裕度和設備的過載裕度均大于設定門檻值，則將該方案加入可行方案集中；進入步驟6)；
若待校核方案集為空，判斷投切線路數是否已經達到上限，若未達到上限，則增加線路投切條數，重新確定可選方案空間，進入步驟3)；若投切線路數已經達到上限，則結束本方法；
6)若可行方案集非空，則針對可行方案集中的多個動態分區方案，基于動態分區量化評價指標體系，進行綜合評價，選出最佳控制方案，結束本方法；若可行方案集為空，則將待校核方案集中的各個方案按綜合性能指標的大小進行排序，取綜合性能指標最大的動態分區方案作為最后的控制方案，結束本方法。
上述技術方案的進一步特征在于，所述步驟2)中，根據公式(1)～(2)計算母線的電壓安全裕度：
式中：ηv,i為母線i的電壓安全裕度；Ui為母線i的電壓幅值；和分別為其上限和下限；
所述設備包括線路和變壓器，根據公式(3)和(4)分別計算線路以及變壓器的過載安全裕度：
式中：ηpl,i為線路i的過載安全裕度；Ili為線路i的電流值；Ili.lim為線路i的熱穩定限值；
式中：ηpt,i為變壓器i的過載安全裕度；Sti為變壓器i的視在功率；Sti.lim為變壓器i的額定容量。
上述技術方案的進一步特征在于，所述步驟3)中，根據投切線路形成的可選方案空間，需遵循以下原則：投切的為220kV線路；投入的線路為處于停運且檢修結束狀態的線路；開合方案需保證供電可靠性，確保不會形成孤網；需要根據電網實際情況設置投切線路的上限。
上述技術方案的進一步特征在于，所述步驟4)中，根據公式(5)計算Re,i：
式中：Re,i為針對電壓越限和設備過載的第i種動態分區方案的綜合性能指標；i＝1,2,…,I，I為設備考察集中的設備數，j＝1,2,…,J，J為母線考察集中的母線數，η′p,i和η′v,j分別為動態分區方案實施后的設備過載安全裕度和母線電壓安全裕度，kpv為過載安全裕度和電壓安全裕度之間的換算系數,表明對設備過載和電壓越限不同的重視程度；在相應設備為線路時ηp,i等于ηpl,i，在相應設備為變壓器時ηp,i等于ηpt,i；
根據公式(6)計算ωu,i：
式中：ωu,i為針對電壓越限的第i種動態分區方案的綜合性能指標；V為母線考察集，包括越限母線集和待控母線集；γv為不同電壓等級母線的重要性修正因子；N為當前狀態下電壓越限的母線個數，λi,j,v為其中第j個母線的電壓安全裕度；Si,j,v為實施第i種動態分區方案后第j個母線的電壓安全裕度變化量；W為預想故障的總數，Nk為其中第k個故障下發生電壓越限的母線個數，λi,l,k,v為第k個故障下第l個母線的電壓安全裕度；Si,l,k,v為第i種動態分區方案實施后第k個故障下第l個母線的電壓安全裕度的變化量；
根據公式(7)計算ωp,i：
式中：ωp,i為針對設備過載的第i種動態分區方案的綜合性能指標；V為設備考察集，即過載的設備合集；γv為不同電壓等級設備的重要性修正因子；N為當前狀態下過載的設備個數，θi,j,v為其中第j個設備的過載安全裕度；μi,j,v為實施第i種動態分區方案后第j個設備的過載安全裕度的變化量；W為預想故障的總數，Nk為其中第k個故障下發生過載的設備個數，θi,l,k,v為第k個故障下第l個設備的過載安全裕度；μi,l,k,v為第i種動態分區方案實施后第k個故障下第l個設備的過載安全裕度的變化量。
上述技術方案的進一步特征在于，所述步驟6)中，基于動態分區量化評價指標體系對可行方案集中的動態分區方案進行綜合評價，通過以下方式進行：
對于每個方案，首先確定其各級指標的權重，進而通過一定的數學運算方法得到上一級指標的綜合評價指標，逐層向上計算，最后得到動態分區方案的綜合評價結果；動態分區量化評價指標體系包括安全性、可靠性和經濟性三類指標，如下所示：
第一類，安全性指標：
線路負載指標xL
式中：i＝1,2,…,nl；ηpl,i為線路i的過載安全裕度；nl為線路條數；αli為線路重要性修正因子；
變壓器負載指標xT
式中：i＝1,2,…,nt；ηpt,i為變壓器i的過載安全裕度；nt為變壓器個數；αti為變壓器重要性修正因子；
電壓水平指標λU
式中：i＝1,2,…,nu；nu為母線數量；ηv,i為母線i的電壓安全裕度；αui為母線電壓重要性修正因子；
短路電流水平指標xI
式中：i＝1,2,…,nsc；nsc為短路故障個數；Ii,sc為第i個短路故障下的短路電流值；Ii,sc.lim為短路母線相連的斷路器的遮斷容量的最小值；
第二類，可靠性指標：
供電回路數SM
式中：Si為不多于兩個供電通道的220kV末端變電站的容量；
旋轉備用指標xre
式中：PSR為有功旋轉備用容量；PSR.lim為有功旋轉備用容量的最低限值；
第三類，經濟性指標：
系統網損指標Sloss
Sloss＝∑PG-∑PD (14)
式中：PG為發電容量；PD為負荷容量；
操作代價指標Fc
式中：n為線路開合的次數；fi為每次開合產生的操作費用，與開關的造價和使用壽命有關。
本發明的有益效果如下：本發明充分考慮了電網當前狀態和預想故障下電網可能出現的電壓越限和設備過載問題，涉及了校正控制和預防控制。另外，本發明所基于的動態分區技術(包括倒負荷、電磁環網的解合環)，以線路投切為核心，動態調整運行網架的拓撲結構，速度快且控制代價小。最后，本發明根據動態分區量化評價指標體系對可行的動態分區控制方案進行擇優，綜合考慮各方案對電網安全性、經濟性和可靠性的影響，挑選最佳的控制方案。
附圖說明
圖1為本發明的流程框圖。
圖2為動態分區方案的量化評價指標體系。
具體實施方式
下面結合實施例并參照附圖對本發明作進一步詳細描述。
實施例1：
本發明的一個實施例，其步驟如圖1所示：
圖1中步驟1描述的是，根據電力系統運行方式及相應的模型和參數，在線進行計算，獲取預想故障后的系統潮流數據，進入步驟2)；
圖1中步驟2描述的是，2)將電壓安全裕度小于設定門檻值ηv,thr1和預想故障后電壓安全裕度小于設定門檻值ηv,thr2的母線分別加入到越限母線集、待控母線集，將過載安全裕度小于設定門檻值ηp,thr1和預想故障后過載安全裕度小于設定門檻值ηp,thr2的設備分別加入到過載設備集、待控設備集，其中越限母線集和待控母線集統稱為母線考察集，過載設備集和待控設備集統稱為設備考察集；
若越限母線集和過載設備集均為空，即電網當前狀態下不存在設備過載或電壓越限，則結束結算；否則，啟動基于動態分區的緊急狀態控制輔助決策計算，進入步驟3)；
所述設備指的是線路和變壓器。
所述動態分區指的是在大電網進入緊急狀態時，通過對部分線路進行投切，改變電網拓撲結構，以減輕或消除緊急狀態的技術。動態分區技術具體包括兩種，一是負荷轉供，二是電磁環網的解合環。
所述電網的母線電壓安全裕度、設備過載安全裕度的計算方法如下：
本發明考慮的緊急狀態包括兩個方面：一是當前狀態下的電壓越限、設備過載；二是預想故障后出現電壓越限和設備過載，分別涉及電網的校正控制和預防控制。根據公式(1)～(2)計算母線的電壓安全裕度。
式中：ηv,i為母線i的電壓安全裕度；Ui為母線i的電壓幅值；和分別為其上限和下限。
根據公式(3)和(4)分別計算線路以及變壓器的過載安全裕度。
式中：ηpl,i線路i的過載安全裕度；Ili為線路i的電流值；Ili.lim為線路i的熱穩定限值。
式中：ηpt,i為變壓器i的過載安全裕度；Sti為變壓器i的視在功率；Sti.lim為變壓器i的額定容量。
圖1中步驟3描述的是，設定動態分區方案投切線路條數，篩選可投切線路，形成可選方案空間，進入步驟4)；
所述由投切線路所形成的可選方案空間的制定需遵循以下原則：
(1)投切的線路為220kV線路；
(2)投入的線路為處于停運且檢修結束狀態的線路；
(3)開合方案需保證供電可靠性，確保不會形成孤網；
(4)考慮到僅依靠動態分區方案可能無法完全解決電網緊急狀態，且如同時投切的線路數過多，不但會加大計算量，而且實際調度運行中難以操作，因此需要根據電網實際情況設置投切線路的上限；
一般初始投切線路數設為1，在此基礎上依次遞增。
圖1中步驟4描述的是，若越限母線集和過載設備集均非空，即當前狀態下電網同時存在設備過載和電壓越限，則針對可選方案空間中的每個動態分區方案，計算其綜合性能指標Re,i，將綜合性能指標大于設定門檻值Re,i,thre的方案加至待校核方案集中，進入步驟5)；若越限母線集為空，過載設備集非空，即當前狀態下電網發生了設備過載，則針對可選方案空間中的每個動態分區方案，計算其綜合性能指標ωp,i，將綜合性能指標大于設定門檻值ωp,i,thre的方案加至待校核方案集中，進入步驟5)；若越限母線集非空，過載設備集為空，即當前狀態下電網發生了母線電壓越限，則針對可選方案空間中的每個動態分區方案，計算其綜合性能指標ωu,i，將綜合性能指標大于設定門檻值ωu,i,thre的方案加至待校核方案集中，進入步驟5)；
所述綜合性能指標(Re、ωu,i和ωp,i)表征第i種動態分區方案對當前狀態或預想故障下所發生的特定的緊急狀態的改善程度，其值越大，效果越好。
電網發生多類緊急狀態，即電網同時出現電壓越限和設備過載時，根據公式(5)計算一套動態分區方案對改善多類緊急狀態的效果。
式中：Re,i針對電壓越限和設備過載的第i種動態分區方案的綜合性能指標；i＝1,2,…,I，I為設備考察集中的設備數，j＝1,2,…,J，J為母線考察集中的母線數，η′p,i和η′v,j分別為動態分區方案實施后的設備過載安全裕度和母線電壓安全裕度，kpv為過載安全裕度和電壓安全裕度之間的換算系數，表明對設備過載和電壓越限不同的重視程度(一般取0.5～1.5之間)。在相應設備為線路時ηp,i等于ηpl,i，在相應設備為變壓器時ηp,i等于ηpt,i。
電網發生單一類緊急狀態，即電網出現電壓越限或設備過載時，分別根據公式(6)、公式(7)計算動態分區方案對緊急狀態的改善效果。
式中：ωu,i為針對電壓越限的第i種動態分區方案的綜合性能指標；V為母線考察集，包括越限母線集和待控母線集；γv為不同電壓等級母線的重要性修正因子；N為當前狀態下電壓越限的母線個數，λi,j,v為其中第j個母線的電壓安全裕度；Si,j,v為實施第i種動態分區方案后第j個母線的電壓安全裕度變化量；W為預想故障的總數，Nk為其中第k個故障下發生電壓越限的母線個數，λi,l,k,v為第k個故障下第l個母線的電壓安全裕度；Si,l,k,v為第i種動態分區方案實施后第k個故障下第l個母線的電壓安全裕度的變化量。
式中：ωp,i為針對設備過載的第i種動態分區方案的綜合性能指標；V為設備考察集，即過載的設備(線路/變壓器)合集；γv為不同電壓等級設備的重要性修正因子；N為當前狀態下過載的設備個數，θi,j,v為其中第j個設備的過載安全裕度；μi,j,v為實施第i種動態分區方案后第j個設備的過載安全裕度的變化量；W 為預想故障的總數，Nk為其中第k個故障下發生過載的設備個數，θi,l,k,v為第k個故障下第l個設備的過載安全裕度；μi,l,k,v為第i種動態分區方案實施后第k個故障下第l個設備的過載安全裕度的變化量。
圖1中步驟5描述的是，若待校核方案集非空，針對待校核方案集中的每個動態分區方案，利用交流潮流計算動態分區方案實施后母線考察集中各母線的電壓安全裕度和設備考察集中各設備的過載安全裕度，若各母線的電壓安全裕度和設備的過載裕度均大于設定門檻值，則將該方案加入可行方案集中。進入步驟6)。
若待校核方案集為空，判斷投切線路數是否已經達到上限，若未達到上限，則增加線路投切條數，重新確定可選方案空間，進入步驟3)；若投切線路數已經達到上限，則結束計算；
圖1中步驟6描述的是，若可行方案集非空，則針對對可行方案集中的多個動態分區方案，基于動態分區量化評價指標體系，進行綜合評價，選出最佳控制方案，結束計算；若可行方案集為空，則將待校核方案集中的各個方案按綜合性能指標的大小進行排序，取綜合性能指標最大的動態分區方案作為最后的控制方案，結束計算。
所述對可行方案集中的動態分區方案進行綜合評價的方法如下：
基于動態分區量化評價指標體系，對于每個方案，首先確定其各級指標的權重，進而通過一定的數學運算方法得到上一級指標的綜合評價指標，逐層向上計算，最后得到動態分區方案的綜合評價結果。
動態分區量化評價指標體系包括安全性、可靠性和經濟性三類指標，如圖2所示，具體指標如下：
第一類，安全性指標：
(1)線路負載指標xL
式中：i＝1,2,…,nl；ηpl,i為線路i的過載安全裕度；nl為線路條數；αli為線路重要性修正因子。
(2)變壓器負載指標xT
式中：i＝1,2,…,nt；ηpl,i為變壓器i的過載安全裕度；nt為變壓器個數；αti為變壓器重要性修正因子。
(3)電壓水平指標λU
式中：i＝1,2,…,nu；nu為母線數量；ηv,i為母線i的電壓安全裕度；αui為母線電壓重要性修正因子。
(4)短路電流水平指標xI
式中：i＝1,2,…,nsc；nsc為短路故障個數；Ii,sc為第i個短路故障下的短路電流值。Ii,sc.lim為短路母線相連的斷路器的遮斷容量的最小值。
第二類，可靠性指標：
(1)供電回路數SM
式中：Si為不多于兩個供電通道的220kV末端變電站的容量。
(2)旋轉備用指標xre
式中：PSR為有功旋轉備用容量；PSR.lim為有功旋轉備用容量的最低限值。
《國家電網安全穩定計算技術規范》指出一般按不大于2％～5％的實際負荷確定有功旋轉備用。因此，PSR.lim可取系統最大負荷的2％。
第三類，經濟性指標：
(1)系統網損指標Sloss
Sloss＝∑PG-ΣPD 公式(14)
式中：PG為發電容量；PD為負荷容量。
(2)操作代價指標Fc
式中：n為線路開合的次數；fi為每次開合產生的操作費用，與開關的造價和使用壽命有關。
指標的權重的確定是綜合評價算法的核心，一般有主觀賦權法、客觀賦權法及綜合賦權法。本實施例采用隸屬于主觀賦權法的層次分析法確定各級指標的權重。
考慮到本發明所提動態分區量化評價指標體系所包含的指標均為偏小型指標，即指標評估值越低，指標屬性越好，在對單一評價指標進行賦權時，應給更為重要的指標賦以更低的權重。
權重確定之后，可通過模糊數學等運算方法確定每級指標的綜合評價指標。本實施例考慮采用線性加權的方法獲取綜合評價結果，可記為：
式中：為各指標集的權重；βj為各指標集中單個指標的權重；xj為指標集中的單個指標；n為每個指標集中指標的個數。
綜上所述，根據綜合評價結果的大小可對多個動態分區方案進行優劣排序，綜合評價結果愈小其可行性愈好。
雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但實施例并不是用來限定本發明的。在不脫離本發明之精神和范圍內，所做的任何等效變化或潤飾，同樣屬于本發明之保護范圍。因此本發明的保護范圍應當以本申請的權利要求所界定的內容為標準。
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