考慮直流功率控制的電力系統備用緊急調用優化方法與流程
本發明涉及一種電力系統備用緊急調用優化方法，特別涉及考慮直流功率控制的電力系統備用緊急調用優化方法。
背景技術：
電力系統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濟發展。然而，電力系統存在許多不可控的隨機故障，例如發電機組和交直流聯絡線的故障停運。在正常的運行方式下，一旦發生故障停運事件，就會造成較大的有功缺額，導致系統頻率迅速跌落，嚴重危脅電網的安全穩定運行。電力系統在大的擾動或故障下，為了維持穩定運行和持續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。在事故發生后的緊急狀態下，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滿足網絡安全約束，即線路和斷面上的功率不越限。
隨著電力系統交直流聯系日益緊密，形成了一種多條高壓交直流饋入的受端電網。當大容量輸電通道故障后，會產生大容量的有功缺額，從而對受端的交流電網造成很大的沖擊。在這種情況下，為了使電力系統盡快恢復到正常運行狀態，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特性，實現直流系統對交流系統的緊急功率支援，從而有效減少交流系統的切機切負荷量，最大限度保證供電的連續性和可靠性。直流功率緊急控制是通過直流調制實現的，在直流輸電的控制系統中加入直流調制器，從兩端交流系統中提取反映系統異常的信號，例如功角、頻率等的變化，來調制直流系統的輸出功率，使之快速補償其所連交流系統中的有功缺額，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調優化，從而為故障停運發生后電網的調度提供參考的報道。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種考慮直流功率控制的電力系統備用緊急調用優化方法，該方法以故障停運事件發生后全網限電量最小為目標，通過備用和直流功率緊急控制的協調優化，得到電力系統緊急狀態下合理的備用調用方案。
為實現上述目的，本發明采用了以下技術方案：
步驟1：從電網實時運行控制系統(OCS)中獲取用于備用緊急調用的原始數據；
步驟2：以故障停運事件發生后全網的限電量最小為目標函數，建立電力系統備用緊急調用優化模型；
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備用緊急調用優化模型；
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備用緊急調用方案并返回OCS。
所述步驟1中原始數據包括當前時刻的電網運行方式、直流聯絡線最大過載率、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電機組故障停運和省間聯絡線(包括直流聯絡線和交流聯絡線)故障停運。
所述步驟2中目標函數表示為：
其中，m為故障停運事件編號，包括發電機組gm故障停運和省間聯絡線sm故障停運，表示故障停運事件m發生后節點j的限電量，ωj表示節點j負荷的重要程度，ND表示電網節點的總個數。
所述步驟2中電力系統備用緊急調用優化模型包括以下約束條件：
1)各節點限電量約束
其中，Dj表示節點j的負荷。
2)發電機輸出功率約束
Pi-loadRi≥Pimin (4)
其中，Pi為發電機組i的實際出力，Pimax為發電機組i的最大有功功率，Pimin為發電機組i的最小技術出力，loadRi為發電機組i安排的負荷備用，為故障停運事件m發生后發電機組i調用的事故備用。
3)備用響應時間約束
0≤loadRi≤Tl·RampRatei (5)
其中，RampRatei為發電機組i的爬坡率，Tl為負荷備用的響應時間，Tc為事故備用的響應時間。
4)負荷備用容量約束
若發電機組gm故障停運，則
若省間聯絡線sm故障停運，則
其中，NG表示在線發電機組的臺數，α為負荷備用率。
5)有功缺額平衡方程
若發電機組gm故障停運，則
若省間聯絡線sm故障停運，則
其中，Pgm表示發電機組gm故障停運造成的有功缺額，Psm表示省間聯絡線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負荷波動，調用的事故備用總量加上全網限電量需要滿足故障停運事件所造成的有功缺額。當發電機組gm發生故障停運時，其不再提供負荷備用和事故備用。
6)故障停運事件發生后線路和斷面功率約束
若發電機組gm故障停運，則
其中，表示省間聯絡線s注入的有功功率，表示發電機組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，表示發電機組gm故障停運后斷面n上的有功功率，In表示第n個斷面，lk表示第k條線路，lk∈In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，Hki表示發電機組i的有功功率對線路k的功率分布因子，Hks表示省間聯絡線s的有功功率對線路k的功率分布因子，Hkj表示節點j的負荷對線路k的功率分布因子，NS表示省間聯絡線的條數。
若省間聯絡線sm故障停運，則
其中，表示省間聯絡線sm故障停運后線路k上的有功功率，表示省間聯絡線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備用緊急調用優化模型的目標函數與步驟2中目標函數相同，約束條件在步驟2電力系統備用緊急調用優化模型的基礎上進行如下修改：
1)公式(2)-(8)所述各節點限電量約束、發電機輸出功率約束、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
直流聯絡線緊急支援的有功功率受到聯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發生后省間直流聯絡線ds支援的有功功率，表示省間直流聯絡線ds的最大傳輸容量，λds表示省間直流聯絡線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
直流聯絡線緊急支援的有功功率受到爬坡率的限制，即：
其中，Td表示直流緊急支援的響應時間，RampRateds表示省間直流聯絡線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，若發電機組gm故障停運，則
其中，NDS表示省間直流聯絡線的條數。
若省間聯絡線sm故障停運，則
公式(21)-(22)表明，調用的事故備用總量、直流聯絡線緊急支援的有功功率以及全網限電量之和需要滿足故障停運事件所造成的有功缺額。當發電機組gm發生故障停運時，其不再提供事故備用；當省間直流聯絡線sm發生故障停運時，其不再提供緊急狀態下的有功功率支援。
5)公式(11)-(18)所述故障停運事件發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，Hkds表示省間直流聯絡線ds的有功功率對線路k的功率分布因子。
若省間聯絡線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中的優化模型，可以得到不考慮和考慮直流功率控制的電力系統備用緊急調用方案(前者的優化變量包括后者的優化變量包括)，最終將優化調用方案反饋給OCS平臺(如果不具有直流功率控制的條件，例如，不具有直流聯絡線或直流聯絡線全部故障，則選擇不考慮直流功率控制的優化模型求解得到優化方案，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化模型求解得到優化方案)。
本發明的有益效果體現在：
本發明在考慮直流聯絡線短時過負荷能力的基礎上，以故障停運事件發生后全網的限電量最小為目標，對備用和直流功率控制進行協調優化，從而得到合理的備用緊急調用方案，使得電力系統在故障后盡快恢復到正常運行狀態，更好地維護電網的安全可靠運行，有效減少事故發生后電網的限電量，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濟損失，為故障停運發生后電網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備用緊急調用優化方法流程圖；
圖2為本發明實施例中的某省電網示意圖。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發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明，并不用于限定本發明。
下面以某省電網緊急狀態下備用調用為例，對本發明進行具體介紹，但應該理解的是發明并不局限于此，也同樣適用于對其他電網進行緊急狀態下備用和直流功率控制的協調優化。
如圖1所示，本發明提供的考慮直流功率控制的電力系統備用緊急調用優化方法，包括以下步驟：
第一步：從該省電網實時運行控制系統(OCS)中獲取優化備用緊急調用方案所需的原始數據，包括當前時刻的電網運行方式、直流聯絡線最大過載率、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。該省電網共有11條省間聯絡線，如圖2所示，故障停運事件選取最大的3條省間直流聯絡線發生雙極閉鎖，編號為1-3，對應的有功缺額分別為5000MW，5000MW和6400MW。
第二步：以故障停運事件發生后全網的限電量最小為目標，考慮各節點限電量約束、發電機輸出功率約束、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生后線路和斷面的功率約束，建立電力系統備用緊急調用優化模型。
第三步：在上述優化模型的基礎上，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備用緊急調用優化模型。
第四步：利用Matlab和Mosek軟件求解第二步和第三步中的優化模型，從而得到不考慮和考慮直流功率控制的電力系統備用緊急調用優化方案。
在本實施例中，如果不考慮直流功率控制的條件下，當發生不同的故障停運事件后，全網最小的限電量以及電網各分區事故備用的優化調用方案如表1所示。
表1不考慮直流功率控制下事故備用的優化調用方案(單位：MW)
由表1可以看出，當發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)，會導致電網出現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供應，需要將直流功率緊急控制與事故備用調用進行協調優化。
在本實施例中，如果考慮直流功率控制的條件下，當發生不同的故障停運事件后，全網最小的限電量以及電網各分區事故備用的優化調用方案如表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，當發生相同的故障停運事件，全網的限電量明顯減小，例如，故障停運1導致的全網限電量由39MW減小到21MW，故障停運3所導致的全網限電量由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生的位置有關。
第五步：將最終得到的備用調用優化方案返回OCS，從而實現與OCS平臺的交互，為故障停運發生后的電網調度提供參考。
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