本发明涉及电力系统保护与安全控制领域，具体地说，是一种基于虚控单元与启发式搜索的线路过载紧急控制策略。
背景技术：
近年来世界各地频繁发生大停电事故，造成了巨大的经济损失。其研究资料表明：电力系统中故障线路切除引起的潮流转移是发生线路连锁跳闸的重要原因。若能在事前探测到输送功率变化较大的线路，找出可能发生过载的线路并闭锁其后备保护，然后采用快速切机切负荷方案消除线路的过载现象，则能有效抑制停电事故进一步扩大。因此，如何采用紧急控制快速消除过载，成为预防大停电策略中亟待解决的问题。
到目前为止，这一方面受广大学者认可的算法包括优化算法和灵敏度算法，其中优化算法对数学模型进行求解，通过建立合理的目标函数与约束条件，尽量在电网损失代价较小的条件下得到消除过载的调整方案，具有较好的安全性与经济性，但计算量偏大，还可能存在不收敛情况。较之于优化的方法，灵敏度算法通过轮次计算得到调整方案，因此其在收敛速度和算法复杂度方面的优势很明显，并且所得控制方案的调整量和调整设备容易实现最少，这些优点使得灵敏度算法在紧急控制中得到广泛应用。在传统的灵敏度控制策略中，单次控制只调整一个节点时，功率的不平衡只能依靠平衡机组承担，所得结果往往不适用于实际电网。功率反向等量配对方案的提出为减载提供了新的思路，但是由潮流转移导致多条线路过负荷时，依据过载最严重线路的灵敏度大小降序排列的顺序来调整节点出力，可能会加重某些线路的过载程度，并且在调整过程中可能出现新的过载线路。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有方法的不足，提出一种基于虚控单元与启发式搜索的线路过载紧急控制策略，以保证采用紧急控制快速消除过载，有效抑制停电事故进一步扩大。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明引入了虚拟控制单元的概念，并将其作为目标控制单元。然后，给出了启发式搜索方法，每次搜索得到一个与虚拟控制单元减载效果较为接近，且具有较大减载能力的最优可控单元。经过多次调整计算，逐步朝着最优减载方向进行调整，最终得到消除过载的调整方案。
一种基于虚控单元与启发式搜索的线路过载紧急控制策略，所述方法包括以下步骤：
步骤1：引入虚拟控制单元的概念：节点的出力调整量等于最大线路过载量时，能够完全消除线路过载的控制单元；
步骤2：给出了最优可控单元的双层搜索策略：第一层，通过设置合理的阈值，筛选减载能力较强的控制节点对构成优先控制单元集；第二层，综合考虑控制单元的减载效果和消除过载能力，给出了基于虚拟控制单元的启发式搜索步骤，得到优先控制单元集中的最优可控单元；
步骤3：若所选的阈值范围内无法找到可控单元，则适当扩大第一层搜索范围，依次类推，直至得到满足要求的控制单元；
步骤4：考虑正常线路冗余量约束计算调整量，避免了潮流校验。经过一次调整后，依据灵敏度关系修正线路潮流与节点的最大可调整出力，提高控制速度。
作为进一步描述，步骤1中提到的虚拟控制单元的概念，描述如下：
线路过负荷紧急情况下，选择调整出力的控制单元时，假设电网中存在这样一个控制单元：仅通过调整该控制单元出力即能消除线路过载，且节点的出力总调整量为最大线路过载量。则对于当前过载状态而言，该控制单元为理想控制单元，然而实际电网往往不存在这一控制单元，因此称之为虚拟控制单元，记为f(a，b)。将实际控制单元调整后过载线路的减载量与f(a，b)进行比较，即可得到控制单元减载效果的优劣程度的排序，并结合控制单元的消除过载能力，综合得到当前过载状态下的最优可控单元。
由此引入虚拟控制单元的定义：节点出力调整量等于最大线路过载量时，能够完全消除线路过载的控制单元。
假设网络中存在nm条过载线路，令各线路的过载量组成的向量记为
式中：lm为过载线路集；
作为进一步描述，步骤2提到的最优可控单元描述如下：
虽然系统中的控制单元数量众多，但可以有效降低线路过载功率的控制单元数量较少。因此，本发明首先选出消除过载能力较强的控制节点对构成优先控制单元集h；其次搜索h中的最优可控单元，既限制了控制单元的数量，大大减少了计算量，也选出了消除过载能力较强的控制单元，不影响控制算法的效率。
另外，考虑到电网的潮流转移故障较严重情况下，仅依靠发电机之间的相互调节，一是不能较快地降低线路过载，二是电网可能不存在仅调节发电机出力来转移过载功率的外在条件。因此，本发明采用切机和切负荷同一优先级的方式消除线路过负荷。
作为进一步描述，步骤4中将f(i，j)的最大可调整出力记为δpn，这部分调整量由2个约束决定调整量如下：
发电机节点i的最大减出力δpi.max；
节点j的最大加出力约束，由于节点j的类型没有指定，因此假设节点j上发电机最大加出力为δpjg.max，节点j上的负荷最大减出力为δpjl.max。则δpn应满足：
δpn＝min(δpi.max，δpjg.max+δpjl.max)
为了以最小的控制单元调整量为代价来消除线路过载，则控制单元f(i，j)对线路的过载量不能过控。令这部分约束确定的控制单元调整量为δpm，则δpm应满足：
式中：lq∈lm；
与现有方法相比，本发明的有益效果是：本发明给出了一种新的基于虚拟控制单元的可控单元的启发式搜索策略，结合减载效果和消除过载能力对电网中的控制单元的操作优先级进行综合排序，从而找出与虚拟控制单元减载效果较为接近，且具有较大减载能力的最优可控单元，逐步朝着最优减载的方向进行调整，物理意义明确。
附图说明
图1为：本发明一实施例的cab与cij的关系示意图。
图2为：本发明一实施例的紧急控制策略流程。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明所述的一种基于虚控单元与启发式搜索的线路过载紧急控制策略，包括如下步骤：
步骤1：引入虚拟控制单元的概念：节点的出力调整量等于最大线路过载量时，能够完全消除线路过载的控制单元；
令节点i、节点j是电网中任意两可调出力节点，根据反向配对法可知，若在节点i的注入功率减少量与在节点j注入功率增加量一致时，节点i和j可组成一个基本控制单元，记为f(i，j)。该控制单元的调整量为节点i减少的出力或节点j增加的出力，因此组成该控制单元的节点出力调整量即为该控制单元的调整量，同理控制单元的出力限值由其组成节点的出力限值共同确定。
当控制单元f(i，j)的出力调节量为1个单位功率时，电网中任一线路l的有功功率变化量称为控制单元f(i，j)对l的组合灵敏度，记为sl-ij。将电网中的可控节点进行分类，记g1为可调发电机节点集；g2为可调负荷节点集，则组合灵敏度sl-ij的计算式如下：
式中：b′为pq分解法中的b′矩阵；i∈g1；j∈g1∪g2；mij为一列向量，只在节点i和j对应的位置上有值-1与1，其余元素全为零；δpij为该控制单元出力调整量；δθ为线路两端的相位差向量；xl为线路l的电抗。
线路过负荷紧急情况下，选择调整出力的控制单元时，假设电网中存在这样一个控制单元：仅通过调整该控制单元出力即能消除线路过载，且节点的出力总调整量为最大线路过载量。则对于当前过载状态而言，该控制单元为理想控制单元，然而实际电网往往不存在这一控制单元，因此称之为虚拟控制单元，记为f(a，b)。将实际控制单元调整后过载线路的减载量与f(a，b)进行比较，即可得到控制单元减载效果的优劣程度的排序，并结合控制单元的消除过载能力，综合得到当前过载状态下的最优可控单元。
由此引入虚拟控制单元的定义：节点出力调整量等于最大线路过载量时，能够完全消除线路过载的控制单元。
假设网络中存在nm条过载线路，令各线路的过载量组成的向量记为
式中：lm为过载线路集；
步骤2：给出了最优可控单元的双层搜索策略：第一层，通过设置合理的阈值，筛选减载能力较强的控制节点对构成优先控制单元集；第二层，综合考虑控制单元的减载效果和消除过载能力，给出了基于虚拟控制单元的启发式搜索步骤，得到优先控制单元集中的最优可控单元；
对于h中的控制单元f(i，j)而言，本文根据f(i，j)与f(a，b)的组合灵敏度向量在nm维空间中的距离的远近，来评估控制单元f(i，j)与f(a，b)的控制效果的优劣程度，将f(i，j)的组合灵敏度向量记为
图1给出了2条线路(l1和l2)过载时，电网中任意控制单元f(i，j)与虚拟控制单元f(a，b)组合灵敏度向量间的关系。
1)由于任意一条过载线路消除的过载量总是小于或等于控制单元的调整量，因此f(i，j)的组合灵敏度向量cij应满足：
式中：
由此条件易得向量cij的终点的移动范围为图1中虚线所包围的区域(区域i和区域ii)。其中区域i中的控制单元对过载线路的组合灵敏度均为正，即能降低所有过载线路的功率，而区域ii中的控制单元对某些过载线路的组合灵敏度为负，在调整时会加重这些线路的过载程度，因此其控制优先级低于区域i中的控制单元，在搜索最优可控单元时，当且仅当区域i中没有可控单元，对区域ii进行搜索。
2)虚拟控制单元f(a，b)的组合灵敏度向量cab的终点移动轨迹为区域i的虚线，由cij和cab的终点范围可得到：区域i内，它们间的距离范围
综合上述分析，结合控制单元的减载效果和减载能力，给出基于虚拟控制单元的启发式搜索方法如下。
1.搜索区域i。选出h中
步骤①：优先搜索与f(a，b)距离较小的范围内的控制单元，即dij≤γ||cab||范围内的控制单元依据if(i，j)的大小降序排列，选出if(i，j)最大的可控单元，并将γ||cab||的值赋予d1，本文γ取0.2。若没有搜索得到可控单元，则转到b。
步骤②：设置一个扩展速度ε，则稳定增加的步长为ε||cab||。在d1≤dij≤d1+ε||cab||距离间隔内，继续搜索if(i，j)最大的可控单元。若没有搜索得到可控单元，则转到步骤③。
值得注意的是扩展速度ε较大时，在ε||cab||的距离间隔范围内，各控制单元与f(a，b)的减载效果差异会增大，导致搜索得到的控制单元减载效果可能较差；扩展速度ε较小会使得可控单元的搜索速度降低，并且可能忽略该距离附近的减载能力较强的控制单元。本文ε取值为0.05。
步骤③：若
2.搜索区域ii。令q＝{f(i，j)|f(i，j)∈h
3)扩大优先控制单元集h的选择范围，重复执行上述操作，直至搜索得到可控单元。
步骤3：若所选的阈值范围内无法找到可控单元，则适当扩大第一层搜索范围，依次类推，直至得到满足要求的控制单元；
步骤4：考虑正常线路冗余量约束计算调整量，避免了潮流校验。经过一次调整后，依据灵敏度关系修正线路潮流与节点的最大可调整出力，提高控制速度。
将f(i，j)的最大可调整出力记为δpn，这部分调整量由2个约束决定：①发电机节点i的最大减出力δpi.max；②节点j的最大加出力约束，由于节点j的类型没有指定，因此假设节点j上发电机最大加出力为δpjg.max，节点j上的负荷最大减出力为δpjl.max。则δpn应满足：
δpn＝min(δpi.max，δpjg.max+δpjl.max)
为了以最小的控制单元调整量为代价来消除线路过载，则控制单元f(i，j)对线路的过载量不能过控。令这部分约束确定的控制单元调整量为δpm，则δpm应满足：
式中：lq∈lm；
为了避免调整过程中出现新的线路过载，导致调整过程缓慢反复。引入正常线路有功功率不越限约束，令这部分约束确定的控制单元f(i，j)的调整量为δpr，则δpr应满足：
式中：lp为电网中除lm的线路；
综上所述，控制单元f(i，j)控制量δpij最终由下式确定。
δpij＝min(δpn，δpm，δpr)
图2给出了本发明算法的流程，虽然需要多次调整计算，但每次搜索得到一个当前过载状态下的最优可控单元，逐步朝着最优减载的方向进行调整。结合正常线路冗余约束保证在调整中不出现新的过载线路，并采用灵敏度关系修正线路潮流和节点出力，从而不需要进行潮流验证，计算速度快。