本發明屬于電力系統運行與控制研究領域，具體涉及一種與機組組合調度相協同的輸變電設備動態增容方法。
背景技術：
隨著區域經濟的不斷發展和可再生能源的大規模接入，電網建設滯后與高用電需求之間的矛盾不斷凸顯。在電力市場機制下，電網公司需要在更接近極限的情形下運行電力設備，如何平衡電網運行的安全性和經濟性，對于電網調度和控制提出了更高的要求。基于安全約束的機組組合問題(scuc)和動態增容技術是兩個挖掘電網輸電能力，解決潮流擁塞的有效手段。
對于基于安全約束的機組組合問題(scuc)的研究由來已久，該問題主要關注如何在保證線路潮流和節點電壓不越限的條件下，調度各發電機組出力，達到減少切負荷量以及最小化系統發電成本的目的。傳統的基于安全約束的機組組合問題不考慮輸變電設備的隨機停運，不計及輸變電設備的短時增容能力，輸變電設備的額定容量為一個固定的常數。因此傳統的機組組合問題是一個靜態的優化問題。
輸變電設備動態增容技術通過分析影響設備輸變電能力的關鍵因素，建立模型量化各因素對設備關鍵性運行指標的影響，從而試圖在保證安全性的前提下，在短時間內提高設備的輸變電能力。但是目前的關于輸變電設備動態增容技術的研究大多關注單個設備的動態增容能力，沒有從系統的角度來考慮如何安排增容設備、如何安排增容時段的問題。因而輸變電設備的動態增容技術通常應用于互為備用的兩臺設備，其中一臺設備檢修、設備故障時的情況。
因此，需要研究一種與機組組合調度相協同的輸變電設備動態增容方法，綜合應用機組組合調度和輸變電設備動態增容技術這兩種方法，從全局的角度調配設備的增容運行能力，對于挖掘電網輸電能力，降低系統運行成本具有重要的實踐意義和巨大的經濟價值。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有技術所存在的上述技術問題，提供一種與機組組合調度相協同的輸變電設備動態增容方法。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案包括下列步驟：
步驟1、建立微分方程，計算安全約束下，輸電線路和變壓器的最大增容運行負載率。
本發明中的輸變電設備包括變壓器和輸電線路。熱點溫度是變壓器運行過程中的重要技術指標，過高的熱點溫度可能引起繞組絕緣擊穿，導致變壓器失效。因此在增容過程中，控制合理的熱點溫度，從而保證變壓器的安全穩定運行。
1-1.采用變壓器動態增容模型，計算變壓器熱點溫度，具體如下：
δθh＝δθh1-δθh2
θh＝θa+δθ0+δθh
其中，θh為實際熱點溫度，θa為環境溫度，k為負載率，δ表示變化量，t表示時間，d為微分算子，r、τw、τ0、x、y、k11、k21和k22為與變壓器有關的參數。設定熱點溫度的值，就能夠計算變壓器最大增容負載率。該變壓器動態增容模型能夠量化負載率和環境溫度對變壓器繞組熱點溫度的影響。
導體溫度是輸電線路運行的重要技術指標，過高的導體溫度，可能導致輸電線路絕緣損耗，線路弧垂增加，引起接地故障，導致線路故障停運。因此在增容過程中合理地控制導體溫度是保證輸電線路安全穩定運行的有效方法。
1-2.采用的輸電線路動態增容模型，計算輸電線路的導體溫度，具體如下：
其中，m為輸電線路質量，cp為線路比熱容，tc為導體溫度，t為時間，d表示微分算子，qj、qs、qr、qc分別表示焦耳產熱功率、太陽輻射功率、輻射散熱功率和傳導散熱功率。該輸電線路動態增容模型能夠量化負載率和環境溫度對導體溫度的影響。
步驟2、從輸電損耗和設備壽命損失兩個方面，量化計算輸變電設備增容運行成本，得到不同負載率下的輸變電設備增容運行成本曲線。
2-1.變壓器增容運行過程經濟性指標計算方法如下：
ct_p＝(p0+k2pk)pin
其中，ct_p為變壓器輸電損耗，p0為變壓器空載損耗，pk為變壓器負載損耗，pin為發電電價。
其中，ct_life為變壓器壽命損失，vt為變壓器相對老化速度，l0為變壓器設計使用壽命，tprice為變壓器價格。bt為經驗常數，θ0為設計熱點溫度，θh為實際熱點溫度。
ct_total＝ct_p+ct_life
其中，ct_total為變壓器增容運行總成本，包括輸電損耗ct_p和壽命損失ct_life兩個部分。
2-2.輸電線路增容運行過程經濟性指標計算方法如下：
cl_p＝i02k2r·pin
其中，cl_p為輸電線路的輸電損耗，i0為輸電線路額定電流，r為輸電線路導體電阻，pin為發電電價。
其中，cl_life為輸電線路壽命損失，vl為輸電線路相對老化速度，l0為輸電線路設計使用壽命，lprice為輸電線路價格。bl、m為經驗常數，ti為設計導體溫度，tl為實際導體溫度。
cl_total＝cl_p+cl_life
cl_total為輸電線路增容運行總成本，包括輸電損耗cl_p和壽命損失cl_life兩個部分。
變壓器和輸電線路的增容運行總成本均包括輸電損耗和壽命損失兩個部分，但是其計算方法略有不同。根據以上定義，能夠計算得到不同負載率下的變壓器和輸電線路的運行成本曲線。
步驟3、根據輸變電設備故障率，利用接受-拒絕采樣法，得到單個設備的時序運行狀態，組合得到系統的時序運行狀態。
步驟4、求解機組組合與輸變電設備增容計劃的協同優化模型，得到該系統運行狀態下的調度計劃和經濟性指標。
本發明提出的機組組合與輸變電設備增容計劃的協同優化模型，在傳統的安全約束的機組組合問題(scuc)中做了如下改變。
4-1.在目標函數中增加了輸變電設備增容成本。
其中，目標函數包括機組發電成本，切負荷成本以及輸變電設備增容運行成本。pi,t為機組i在t時段的發電量，fi為機組i的發電成本函數。lsm,t為節點m在t時段的切負荷量，
4-2.在約束條件中增加了輸變電設備增容約束：
約束條件：
約束1為功率平衡方程，dm,t為節點m在t時段的負荷需求。
約束2為發電功率約束，pimax和pimin為發電機i的最大和最小輸出功率。
約束3為切負荷約束。
約束4、5為潮流方程等式約束，a、kp、kd為與網絡拓撲相關的常數矩陣。m為懲罰因子，i1,t為設備l在t時段的運行狀態，1為正常運行，0為故障停運，由系統狀態采樣確定。
約束6最為重要的是將傳統的線路潮流安全約束改為額定容量可變的線路潮流安全約束，其中，kl為設備l的最大增容負載率。jl,t為設備l在t時段的增容狀態，1為增容運行，0為不增容運行。
約束7-11為輸變電設備增容約束。其中，gl,t(hl,t)為設備增容起始(結束)標志，1表示設備l在t時段開始(結束)增容運行過程。
其中，機組發電成本函數fi，設備增容運行成本函數gl，進行線性化或分度線性化處理，整個優化問題為一個混合整數線性優化問題，已有成熟的求解算法可以進行求解。
步驟5、判斷是否滿足蒙特卡洛循環的收斂性條件，若滿足轉至步驟6，若不滿足轉至步驟3。
本發明選擇目標函數的方差系數作為判斷蒙特卡洛循環是否收斂的判據，具體計算方法如下：
其中cv為方差系數，ns為蒙特卡洛循環次數，ck為第k次蒙特卡洛循環求解協同優化模型的目標函數值，cave為前ns次循環求解的目標函數的平均值。若方差系數cv<0.05認為蒙特卡洛循環滿足收斂性條件，反之，不滿足。
步驟6、迭代結束，得到系統調度決策方案庫和經濟性指標期望。
本發明有益效果如下：
本發明豐富了電網運行調控思路，將設備的輸變電能力和電網的實時運行方式有機結合。通過機組組合調度優化線路潮流，同時通過動態增容技術，在保證安全性的前提下，短時增加重要節點處設備的輸變電能力。本發明綜合應用這兩種手段進行電網的聯合調度。相比于傳統的動態增容方法，可以從電網系統全局的角度調配輸變電設備的增容運行能力，對于挖掘電網輸電能力，降低系統運行成本，保證電網安全、穩定、高效運行具有重要實踐價值。
附圖說明
圖1為本發明流程圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明作進一步說明。
請參閱圖1，本發明的一種與機組組合調度相協同的輸變電設備動態增容方法，包括下列步驟：
步驟1、建立微分方程，計算安全約束下，輸電線路和變壓器的最大增容運行負載率。
本發明中的輸變電設備包括變壓器和輸電線路。熱點溫度是變壓器運行過程中的重要技術指標，過高的熱點溫度可能引起繞組絕緣擊穿，導致變壓器失效。因此在增容過程中，控制合理的熱點溫度，從而保證變壓器的安全穩定運行。
1-1.采用變壓器動態增容模型，計算變壓器熱點溫度，具體如下：
δθh＝δθh1-δθh2
θh＝θa+δθ0+δθh
其中，θh為實際熱點溫度，θa為環境溫度，k為負載率，δ表示變化量，t表示時間，d為微分算子，r、τw、τ0、x、y、k11、k21和k22為與變壓器有關的參數。設定熱點溫度的值，就可以計算變壓器最大增容負載率。該變壓器動態增容模型能夠量化負載率和環境溫度對變壓器繞組熱點溫度的影響。
導體溫度是輸電線路運行的重要技術指標，過高的導體溫度，可能導致輸電線路絕緣損耗，線路弧垂增加，引起接地故障，導致線路故障停運。因此在增容過程中合理地控制導體溫度是保證輸電線路安全穩定運行的有效方法。
1-2.采用的輸電線路動態增容模型，計算輸電線路的導體溫度，具體如下：
其中，m為輸電線路質量，cp為線路比熱容，tc為導體溫度，t為時間，d表示微分算子，qj、qs、qr、qc分別表示焦耳產熱功率、太陽輻射功率、輻射散熱功率和傳導散熱功率。該輸電線路動態增容模型能夠量化負載率和環境溫度對導體溫度的影響。
步驟2、從輸電損耗和設備壽命損失兩個方面，量化計算輸變電設備增容運行成本，得到不同負載率下的輸變電設備增容運行成本曲線。
2-1.變壓器增容運行過程經濟性指標計算方法如下：
ct_p＝(p0+k2pk)pin
其中，ct_p為變壓器輸電損耗，p0為變壓器空載損耗，pk為變壓器負載損耗，pin為發電電價。
其中，ct_life為變壓器壽命損失，vt為變壓器相對老化速度，l0為變壓器設計使用壽命，tprice為變壓器價格。bt為經驗常數，θ0為設計熱點溫度，θh為實際熱點溫度。
ct_total＝ct_p+ct_life
其中，ct_total為變壓器增容運行總成本，包括輸電損耗ct_p和壽命損失ct_life兩個部分。
2-2.輸電線路增容運行過程經濟性指標計算方法如下：
cl_p＝i02k2r·pin
其中，cl_p為輸電線路的輸電損耗，i0為輸電線路額定電流，r為輸電線路導體電阻，pin為發電電價。
其中，cl_life為輸電線路壽命損失，vl為輸電線路相對老化速度，l0為輸電線路設計使用壽命，lprice為輸電線路價格。bl、m為經驗常數，ti為設計導體溫度，tl為實際導體溫度。
cl_total＝cl_p+cl_life
cl_total為輸電線路增容運行總成本，包括輸電損耗cl_p和壽命損失cl_life兩個部分。
變壓器和輸電線路的增容運行總成本均包括輸電損耗和壽命損失兩個部分，但是其計算方法略有不同。根據以上定義，可以計算得到不同負載率下的變壓器和輸電線路的運行成本曲線。
步驟3、根據輸變電設備故障率，利用接受-拒絕采樣法，得到單個設備的時序運行狀態，組合得到系統的時序運行狀態。
步驟4、求解機組組合與輸變電設備增容計劃的協同優化模型，得到該系統運行狀態下的調度計劃和經濟性指標。
本發明提出的機組組合與輸變電設備增容計劃的協同優化模型，在傳統的安全約束的機組組合問題(scuc)中做了如下改變。
4-1.在目標函數中增加了輸變電設備增容成本。
其中，目標函數包括機組發電成本，切負荷成本以及輸變電設備增容運行成本。pi,t為機組i在t時段的發電量，fi為機組i的發電成本函數。lsm,t為節點m在t時段的切負荷量，
4-2.在約束條件中增加了輸變電設備增容約束：
約束條件：
約束1為功率平衡方程，dm,t為節點m在t時段的負荷需求。
約束2為發電功率約束，pimax和pimin為發電機i的最大和最小輸出功率。
約束3為切負荷約束。
約束4、5為潮流方程等式約束，a、kp、kd為與網絡拓撲相關的常數矩陣。m為懲罰因子，il,t為設備l在t時段的運行狀態，1為正常運行，0為故障停運，由系統狀態采樣確定。
約束6最為重要的是將傳統的線路潮流安全約束改為額定容量可變的線路潮流安全約束，其中，kl為設備l的最大增容負載率。jl,t為設備l在t時段的增容狀態，1為增容運行，0為不增容運行。
約束7-11為輸變電設備增容約束。其中，gl,t(hl,t)為設備增容起始(結束)標志，1表示設備l在t時段開始(結束)增容運行過程。
其中，機組發電成本函數fi，設備增容運行成本函數gl，進行線性化或分度線性化處理，整個優化問題為一個混合整數線性優化問題，已有成熟的求解算法可以進行求解。
步驟5、判斷是否滿足蒙特卡洛循環的收斂性條件，若滿足轉至步驟6，若不滿足轉至步驟3。
本發明選擇目標函數的方差系數作為判斷蒙特卡洛循環是否收斂的判據，具體計算方法如下：
其中cv為方差系數，ns為蒙特卡洛循環次數，ck為第k次蒙特卡洛循環求解協同優化模型的目標函數值，cave為前ns次循環求解的目標函數的平均值。若方差系數cv<0.05認為蒙特卡洛循環滿足收斂性條件，反之，不滿足。
步驟6、迭代結束，得到系統調度決策方案庫和經濟性指標期望。
本發明提出機組組合與輸變電設備增容計劃的協同優化模型，從系統全局的角度調配輸變電設備的增容運行能力。該模型在傳統的安全約束的機組組合問題(scuc)中加入了輸變電設備增容約束，同時將設備增容運行成本加入到目標函數中，進行優化。更為重要的是，在本發明所提出的模型中設備的最大運行容量是可以變化的。該方法可以保證電網運行的安全性，同時追求良好的經濟性。