专利名称：基于安全域的安全约束经济调度方法
技术领域：
本发明涉及电力系统，具体讲，涉及基于安全域的安全约束经济调度方法。
背景技术：
电力系统经济调度是保证负荷的可靠供电，提高系统运行经济性的有效工具，对电力系统的安全可靠经济运行发挥着重要作用[1]。电力系统经济调度可以分为静态经济调度与动态经济调度[2]，静态经济调度是对某一具体时间断面，通过调整机组的有功无功出力、变压器分接头等，达到成本最小或电能质量最好等优化目标，如最优潮流问题[3] (Optimal Power Flow，0PF);动态经济调度是针对某一调度周期而言的，可以将其分割为多个静态的时间断面，各时间断面彼此间相互耦合，通过优化机组的启停状态和出力等来实现整个调度周期内的最优目标，如日前机组组合问题[4](Unit Commitment, UC)。动态经济调度能综合考虑多方面的因素，如机组的启停、机组的爬坡速率、负荷的变化等，因此，所得调度方案更符合实际。
近年来，随着电力市场放松管制，大量新型元件的引入，负荷的飞速增长，以及可再生能源发电的接入，电力系统所面临的运行状况日趋复杂，运行条件日渐苛刻，在电力系统经济调度中，关注系统运行经济性的同时，考虑各种安全约束条件显得尤为必要。
目前，已有较多文献在OPF中考虑了暂态稳定等约束条件[5_8]，其处理暂态稳定约束的方法一般为基于时域仿真的方法和基于能量函数的方法[5]，这两种方法存在计算量大，模型复杂和不便于求解等问题，其根源一方面在于电力暂态稳定问题本身的复杂性，另一方面是由于传统暂态稳定分析的方法均属于“逐点法”(即针对既定的事故前系统运行状态，如节点注入功率空间的一点，通过时域仿真，或直接法确定既定事故发生后系统是否能够再恢复到稳定状态)，这种分析与系统的运行状态严格相关，在运行状态发生变化时，需要重新进分析。在电力系统的动态经济调度中，已有相关文献考虑了支路潮流与节点电压等约束条件[9]，如文献[10]将OPF嵌入到UC问题中，考虑了支路潮流约束与节点电压约束；文献[11]在多区域互联系统的UC问题中，引入了系统动态稳定限制；但上述文献均没有在UC问题中引入静态电压稳定约束和暂态稳定约束。综上，在当前的电力经济调度中， 存在着难以考虑静态电压稳定约束和暂态稳定约束，无法有效评估经济调度方案的安全裕度等问题。
[I]A. J. Wood, B. F. Wollenberg. Power Generation Operation and Control, 1984，John Wiley, New York.
[2]W. G. Wood. Spinning reserve constrained static and dynamic economic dispatch[J]. IEEE Transactions on PowerApparatus and Systems，1982，PAS-101(2) 381-388.
[3]M. Huneault，F. D. Galiana. A survey of the optimal power flow literature[J]. IEEE Transactions on Power System, 1991,6(2) :762-770.
[4] R Baldick. The generalized unit commitment problem[J] . IEEETransactions on Power Systems, 1995,10 (I) :465 - 475.
[5]孙元章,杨新林,王海风.考虑暂态稳定约束的最优潮流问题[J].电力系统自动化，2005，29 (16) :56-59.
[6]刘明波，阳曾.含暂态能量裕度约束多故障最优潮流计算[J].中国电机工程学报，2007，27 (34) :12-18.
[7]Deqiang Gan, Robert J. Thomas, Ray D. Zimmerman. Stability constrained optimal power flow[J]. IEEE Transaction on Power System,2000,15(2) :535-540.
[8]Yue Yuan, Junji Kubokawa, Hiroshi Sasaki. A solution of optimal power flow with multi-contingency transient stability constraints[J]. IEEE Transactions on Power System,2003,18(3) :1094-1102.
[9] S. J. Wang, S. M. Shahidehpour, D. S. Kirschen，et. al. Short-term generation scheduling with transmission and environmental constraints using an augmented lagrangian relaxation[J]. IEEE Transactions on Power System, 1995，10(3) :1294-1301.
[10]Haili Ma, S. M. Shahidehour. Unit commitment with transmission security and voltage constraints[J]. IEEE Transactions on Power System,1999, 14(2) :757-764.
[11]Yuanyin Hsu, Chungching Su, Chihchien Liang etal. Dynamic security constrained multi-area unit commitment[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1991,6(3) :1049-1055.发明内容
本发明旨在克服现有技术的不足，为在电力系统经济调度这一传统优化运行问题中处理系统的网络安全约束(包括支路潮流约束、静态电压稳定约束和暂态稳定约束等)和协调经济性与安全性这一矛盾提供有效的途径，使调度方案更加科学合理，为达到上述目的，本发明采取的技术方案是，基于安全域的安全约束经济调度方法，包括如下步骤
第一步给定系统的机组参数、网络拓扑参数、静态电压稳定临界割集、暂态稳定预想事故集、支路潮流限值信息，分别计算系统的有功静态安全域边界系数、割集电压稳定域边界系数和动态安全域边界系数；
第二步建立基于安全域的安全约束经济调度模型，根据优化目标的不同可以分为以下几个模型(1)模型I，以系统的总发电成本最小为优化目标，考虑机组运行约束和系统功率平衡与旋转备用约束；(2)模型II，以系统总发电成本最小化为优化目标，考虑机组运行约束、系统功率平衡与旋转备用约束和网络安全约束；(3)模型III，以系统的静态电压稳定裕度最大为优化目标，考虑的约束条件与模型II相同；(4)模型IV，以系统的暂态稳定裕度最大为优化目标，考虑的约束条件与模型II相同；(5)模型V，通过加权法，将系统总发电成本最小、静态电压稳定裕度最大和暂态稳定裕度最大三个目标转化为一个单目标，考虑的约束条件与模型II相同，在求解时，将该模型分为机组启停状态优化子问题和负荷优化分配子问题；
第三步利用基于认知的社会演化算法求解机组启停状态优化子问题，得到调度周期内，各机组的最优运行状态，计算出调度周期内机组的启动成本，并考虑爬坡速率约束，确定各机组实际有功出力上下限；
第四步以第三步所得到的机组启停状态和机组有功出力限值作为输入，根据模型的优化目标，求解负荷优化分配子问题，即优化分配各发电机组的有功出力，计算出调度周期内各机组的发电成本，静态电压稳定裕度和暂态稳定裕度；
第五步综合第三步与第四步所得结果，即可得到一个可行的经济调度方案；判断是否满足收敛条件，若满足，则结束；否则，返回第三步。
其中第二步中各模型的目标函数具体为
(I)相关变量说明
本发明中用到的主要变量定义如下
TC :系统总发电成本，包括机组的启动成本与发电成本两项；
T :调度周期时 段数；
G :系统中发电节点集合；
Gs :系统中所有发电机集合，一条发电节点上可能连接多台发电机；
L :系统中负荷节点集合；
B :系统中支路集合；
N :系统中节点集合，N = G U L U 0，节点O为松弛节点，其复电压由人为指定，作为系统的参考；
η :系统中节点总数，n = nG+nL+l ；
ng:系统中发电机总数；
ne :系统中发电节点总数；
nL :系统中负荷节点总数；
nL :系统中支路总数；
wt:时段t负荷权值；
W。发电成本权值；
Wsv :静态电压稳定裕度权值；
Wts :暂态稳定裕度权值；
Si (t):机组i在时段t所处状态，O表示停机，I表示开机；
SCi⑴机组i的启动成本；
Ci⑴机组i在时段t的发电成本；
C(t):在时段t内，系统的总发电成本；
C(t):时段t系统总发电成本的归一化值；
pgi⑴机组i在时段t的有功出力；
P::机组i最小有功出力；
P;:机组i最大有功出力；
If :支路I允许传输的最大有功潮流；
Xi⑴截止到时段t，机组i已经连续运行/停机的时间，Xi⑴> O表示之前机组i处于运行状态，Xi (t) < O表示机组i之前处于停机状态；
Tf :机组i最小连续停机时间；
Tn :机组i最小连续运行时间；
Δρ；(:机组i的最大上爬坡速率；
Apf :机组i的最大下爬坡速率；
Pgi⑴节点i在时段t的有功发电；
Pdi⑴节点i在时段t的有功负荷；
D(t):时段t时，系统的总负荷；
R(t):时段t时，系统允许的最小旋转备用容量；
V1:节点i电压幅值；
Θ1:节点i电压相角；
Gij :节点i与节点j之间的电导；
Bij :节点i与节点j之间的电纳；
P1 (t):支路I的有功功率；
CS :系统的静态电压稳定临界割集集合，其中CS(k)为第k个临界割集所包含的支路集合；
CTS :系统的预想事故集；
Ctf :对于第k个预想事故，节点i的动态安全域超平面系数；
对于第k个临界割集，支路I的割集电压稳定域超平面系数；
KD :机组累计运行状态数组，KD (t, i)为截止到时段t机组i的累积运行状态， KD (t, i) > O表示之前机组处于运行状态，KD (t, i) < O表示之前机组处于停机状态；
KJ:开停机允许标志数组，KJ (t，i)为机组i在时段t的开停机标志位，KJ (t，i)= I表示之前机组处于停机状态，在时段t可以开机运行；KJ(t，i) = -1表示之前机组i处于运行状态，在时段t可以停机；KJ(t，i) = O表示截止到时段t机组i不满足最小连续运行 /停运时间约束，不能改变机组的运行状态；
KR :机组运行状态数组，KR(t，i) = I表示机组i在时段t开机运行，KR(t，i) = O 表示机组i在时段t停机；
(2)目标函数
(2.1)模型 I&II
模型I与模型II的目标函数如式I所示
权利要求
1.一种基于安全域的安全约束经济调度方法，其特征是，包括如下步骤 第一步给定系统的机组参数、网络拓扑参数、静态电压稳定临界割集、暂态稳定预想事故集、支路潮流限值信息，分别计算系统的有功静态安全域边界系数、割集电压稳定域边界系数和动态安全域边界系数； 第二步建立基于安全域的安全约束经济调度模型，根据优化目标的不同可以分为以下几个模型(I)模型I，以系统的总发电成本最小为优化目标，考虑机组运行约束和系统功率平衡与旋转备用约束；(2)模型II，以系统总发电成本最小化为优化目标，考虑机组运行约束、系统功率平衡与旋转备用约束和网络安全约束；(3)模型III，以系统的静态电压稳定裕度最大为优化目标，考虑的约束条件与模型II相同；(4)模型IV，以系统的暂态稳定裕度最大为优化目标，考虑的约束条件与模型II相同；(5)模型V，通过加权法，将系统总发电成本最小、静态电压稳定裕度最大和暂态稳定裕度最大三个目标转化为一个单目标，考虑的约束条件与模型II相同，在求解时，将该模型分为机组启停状态优化子问题和负荷优化分配子问题； 第三步利用基于认知的社会演化算法求解机组启停状态优化子问题，得到调度周期内，各机组的最优运行状态，计算出调度周期内机组的启动成本，并考虑爬坡速率约束，确定各机组实际有功出力上下限； 第四步以第三步所得到的机组启停状态和机组有功出力限值作为输入，根据模型的优化目标，求解负荷优化分配子问题，即优化分配各发电机组的有功出力，计算出调度周期内各机组的发电成本，静态电压稳定裕度和暂态稳定裕度； 第五步综合第三步与第四步所得结果，即可得到一个可行的经济调度方案；判断是否满足收敛条件，若满足，则结束；否则，返回第三步。
2.如权利要求所述的基于安全域的安全约束经济调度方法，其特征是，其中第二步中各模型的目标函数具体为 I)相关变量说明 本发明中用到的主要变量定义如下 TC :系统总发电成本，包括机组的启动成本与发电成本两项； T :调度周期时段数； G :系统中发电节点集合； Gs :系统中所有发电机集合，一条发电节点上可能连接多台发电机； L :系统中负荷节点集合； B :系统中支路集合； N :系统中节点集合，N = G U L U O,节点O为松弛节点，其复电压由人为指定，作为系统的参考； η :系统中节点总数，n = nG+nL+l ； ng :系统中发电机总数； %:系统中发电节点总数； %:系统中负荷节点总数； nL :系统中支路总数； Wt :时段t负荷权值；Wc :发电成本权值； Wsv :静态电压稳定裕度权值； Wts :暂态稳定裕度权值； Si (t):机组i在时段t所处状态，O表示停机，I表示开机； SCi (t):机组i的启动成本； Ci (t):机组i在时段t的发电成本； C(t):在时段t内，系统的总发电成本； ((O :时段t系统总发电成本的归一化值； Pgi⑴机组i在时段t的有功出力； p% :机组i最小有功出力； :机组i最大有功出力； P,M :支路I允许传输的最大有功潮流； Xi (t):截止到时段t，机组i已经连续运行/停机的时间，Xi (t) >0表示之前机组i处于运行状态，Xi (t) < O表示机组i之前处于停机状态； Tf :机组i最小连续停机时间； Γ:机组i最小连续运行时间； ΦΓ :机组i的最大上爬坡速率； 4p,j :机组i的最大下爬坡速率； Pgi⑴节点i在时段t的有功发电； Pdi⑴节点i在时段t的有功负荷； D(t):时段t时，系统的总负荷； R(t):时段t时，系统允许的最小旋转备用容量； Vi :节点i电压幅值； θ i :节点i电压相角； Gij :节点i与节点j之间的电导； Bij :节点i与节点j之间的电纳； P1W :支路I的有功功率； CS :系统的静态电压稳定临界割集集合，其中CS (k)为第k个临界割集所包含的支路集合； CTS :系统的预想事故集； 对于第k个预想事故，节点i的动态安全域超平面系数；对于第k个临界割集，支路I的割集电压稳定域超平面系数； KD :机组累计运行状态数组，KD (t，i)为截止到时段t机组i的累积运行状态，KD (t，i)> O表示之前机组处于运行状态，KD (t, i) < O表示之前机组处于停机状态； KJ:开停机允许标志数组，KJ (t，i)为机组i在时段t的开停机标志位，KJ (t，i) = I表示之前机组处于停机状态，在时段t可以开机运行；KJ(t，i) = -I表示之前机组i处于运行状态，在时段t可以停机；KJ(t，i) = O表示截止到时段t机组i不满足最小连续运行/停运时间约束，不能改变机组的运行状态； KR :机组运行状态数组，KR(t, i) = I表示机组i在时段t开机运行，KR(t, i) = O表示机组i在时段t停机； 2)目标函数(2.1)模型 I&II 模型I与模型II的目标函数如式I所示
3.如权利要求1所述的基于安全域的安全约束经济调度方法，其特征是，约束条件分为机组运行约束条件、功率平衡及旋转备用约束条件和网络安全约束条件三类 (3.1)机组运行约束条件 机组运行约束条件包括机组出力约束、机组最小连续运行/停机时间约束、机组爬坡速率约束 机组出力约束 机组爬坡速率约束
4.如权利要求所述的基于安全域的安全约束经济调度方法，其特征是，采用社会演化算法来求解机组启停优化子问题，基本思想为针对机组组合这一具体优化问题，设计认知主体、认知规则和范例学习与突破的规则； 认知主体的寻优过程为 1)读入UC问题的基本数据，将所有机组按最大出力时的单位发电耗量H =aJ7Ii, +h, +c,/4升序排列； 2)由机组状态数组KD(t, i)，判断各机组是否能满足最小连续运行/停机时间约束，从而确定 KJ(t，i) (i = 1,2,...,N)； 3)在KJ(t,i) ^ 0, i = I, 2, . . . N即可以改变当前状态的机组中，随机选择一台或几台机组改变其状态，并且在机组投入运行时优先选择hr值小的机组，在机组退出运行时优先选择hr值大的机组，从而得到t时刻的一个运行方案，并判断该运行方案是否同时满足负荷及备用约束，若满足，转入下一步(4)，否则返回3)；4)得到可行解记录数组KR(t,i), i = I, 2, . . . , N ； 5)若t= T，结束；若七< T，由KR(t，i)确定KD(t+l，i)，返回2)； 认知主体通过以下方式实现对优良范式的继承 在第t时刻，认知主体按“轮盘赌”的方法选定某一个范式迖，14 与％^分别表示逆中时段t运行机组的集合与停机机组的集合;^_与^ ,,分别表示时段t可以开机运行的机组的集合与可以停机的机组的集合，则认知主体在确定KR(t，i)时，将优先选择^4 (1￡4 中hr值小的机组，使其开机运行；优先选择JXffinLir* hr值大的机组，使其停机，当^con H ^kon = ^ (空集)或^￡# HQLjf =#时,就直接从 中进行随机选择。
5.如权利要求所述的基于安全域的安全约束经济调度方法，其特征是，在求解负荷优化分配子问题时，进行如下假设 1)对于高压输电系统，输电线的电抗远远大于电阻，因此，忽略输电线的电导，即Gij>> 0 ； 2)稳态运行时，线路的支路角qu较小，因此,存在Sinqij^ qu !Cosqij ^ I的近似关系; 3)在电力系统经济调度中主要关注系统的有功潮流，因此，认为Ui>> 1，忽略系统无功因素的影响； 在上述假设条件下，电力系统的潮流方程可以转换为 Pglm-Pd,(t) = lwt) i^Nin) 进一步可化简为 0 (t) = XP⑴，其中 X = B—I=Lxtl, X1, , Xn]T,
全文摘要
本发明涉及电力系统。为在电力系统经济调度这一传统优化运行问题中处理系统的网络安全约束，包括支路潮流、静态电压稳定和暂态稳定约束和协调经济性与安全性这一矛盾提供有效的途径，本发明采取的技术方案是，基于安全域的安全约束经济调度方法，包括如下步骤第一步分别计算系统的有功静态安全域边界系数、割集电压稳定域边界系数和动态安全域边界系数；第二步建立基于安全域的安全约束经济调度模型；第三步利用基于认知的社会演化算法求解机组启停状态优化子问题；第四步计算出调度周期内各机组的发电成本，静态电压稳定裕度和暂态稳定裕度；第五步得到可行的经济调度方案；否则，返回第三步。本发明主要应用于电力负荷调配优化。
文档编号H02J3/14GK102983573SQ20121044896
公开日2013年3月20日 申请日期2012年11月9日 优先权日2012年11月9日
发明者余贻鑫, 秦超 申请人:天津大学