本发明属于电力系统运行与控制研究领域，具体涉及一种与机组组合调度相协同的输变电设备动态增容方法。
背景技术：
随着区域经济的不断发展和可再生能源的大规模接入，电网建设滞后与高用电需求之间的矛盾不断凸显。在电力市场机制下，电网公司需要在更接近极限的情形下运行电力设备，如何平衡电网运行的安全性和经济性，对于电网调度和控制提出了更高的要求。基于安全约束的机组组合问题(scuc)和动态增容技术是两个挖掘电网输电能力，解决潮流拥塞的有效手段。
对于基于安全约束的机组组合问题(scuc)的研究由来已久，该问题主要关注如何在保证线路潮流和节点电压不越限的条件下，调度各发电机组出力，达到减少切负荷量以及最小化系统发电成本的目的。传统的基于安全约束的机组组合问题不考虑输变电设备的随机停运，不计及输变电设备的短时增容能力，输变电设备的额定容量为一个固定的常数。因此传统的机组组合问题是一个静态的优化问题。
输变电设备动态增容技术通过分析影响设备输变电能力的关键因素，建立模型量化各因素对设备关键性运行指标的影响，从而试图在保证安全性的前提下，在短时间内提高设备的输变电能力。但是目前的关于输变电设备动态增容技术的研究大多关注单个设备的动态增容能力，没有从系统的角度来考虑如何安排增容设备、如何安排增容时段的问题。因而输变电设备的动态增容技术通常应用于互为备用的两台设备，其中一台设备检修、设备故障时的情况。
因此，需要研究一种与机组组合调度相协同的输变电设备动态增容方法，综合应用机组组合调度和输变电设备动态增容技术这两种方法，从全局的角度调配设备的增容运行能力，对于挖掘电网输电能力，降低系统运行成本具有重要的实践意义和巨大的经济价值。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术所存在的上述技术问题，提供一种与机组组合调度相协同的输变电设备动态增容方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括下列步骤：
步骤1、建立微分方程，计算安全约束下，输电线路和变压器的最大增容运行负载率。
本发明中的输变电设备包括变压器和输电线路。热点温度是变压器运行过程中的重要技术指标，过高的热点温度可能引起绕组绝缘击穿，导致变压器失效。因此在增容过程中，控制合理的热点温度，从而保证变压器的安全稳定运行。
1-1.采用变压器动态增容模型，计算变压器热点温度，具体如下：
δθh＝δθh1-δθh2
θh＝θa+δθ0+δθh
其中，θh为实际热点温度，θa为环境温度，k为负载率，δ表示变化量，t表示时间，d为微分算子，r、τw、τ0、x、y、k11、k21和k22为与变压器有关的参数。设定热点温度的值，就能够计算变压器最大增容负载率。该变压器动态增容模型能够量化负载率和环境温度对变压器绕组热点温度的影响。
导体温度是输电线路运行的重要技术指标，过高的导体温度，可能导致输电线路绝缘损耗，线路弧垂增加，引起接地故障，导致线路故障停运。因此在增容过程中合理地控制导体温度是保证输电线路安全稳定运行的有效方法。
1-2.采用的输电线路动态增容模型，计算输电线路的导体温度，具体如下：
其中，m为输电线路质量，cp为线路比热容，tc为导体温度，t为时间，d表示微分算子，qj、qs、qr、qc分别表示焦耳产热功率、太阳辐射功率、辐射散热功率和传导散热功率。该输电线路动态增容模型能够量化负载率和环境温度对导体温度的影响。
步骤2、从输电损耗和设备寿命损失两个方面，量化计算输变电设备增容运行成本，得到不同负载率下的输变电设备增容运行成本曲线。
2-1.变压器增容运行过程经济性指标计算方法如下：
ct_p＝(p0+k2pk)pin
其中，ct_p为变压器输电损耗，p0为变压器空载损耗，pk为变压器负载损耗，pin为发电电价。
其中，ct_life为变压器寿命损失，vt为变压器相对老化速度，l0为变压器设计使用寿命，tprice为变压器价格。bt为经验常数，θ0为设计热点温度，θh为实际热点温度。
ct_total＝ct_p+ct_life
其中，ct_total为变压器增容运行总成本，包括输电损耗ct_p和寿命损失ct_life两个部分。
2-2.输电线路增容运行过程经济性指标计算方法如下：
cl_p＝i02k2r·pin
其中，cl_p为输电线路的输电损耗，i0为输电线路额定电流，r为输电线路导体电阻，pin为发电电价。
其中，cl_life为输电线路寿命损失，vl为输电线路相对老化速度，l0为输电线路设计使用寿命，lprice为输电线路价格。bl、m为经验常数，ti为设计导体温度，tl为实际导体温度。
cl_total＝cl_p+cl_life
cl_total为输电线路增容运行总成本，包括输电损耗cl_p和寿命损失cl_life两个部分。
变压器和输电线路的增容运行总成本均包括输电损耗和寿命损失两个部分，但是其计算方法略有不同。根据以上定义，能够计算得到不同负载率下的变压器和输电线路的运行成本曲线。
步骤3、根据输变电设备故障率，利用接受-拒绝采样法，得到单个设备的时序运行状态，组合得到系统的时序运行状态。
步骤4、求解机组组合与输变电设备增容计划的协同优化模型，得到该系统运行状态下的调度计划和经济性指标。
本发明提出的机组组合与输变电设备增容计划的协同优化模型，在传统的安全约束的机组组合问题(scuc)中做了如下改变。
4-1.在目标函数中增加了输变电设备增容成本。
其中，目标函数包括机组发电成本，切负荷成本以及输变电设备增容运行成本。pi,t为机组i在t时段的发电量，fi为机组i的发电成本函数。lsm,t为节点m在t时段的切负荷量，
4-2.在约束条件中增加了输变电设备增容约束：
约束条件：
约束1为功率平衡方程，dm,t为节点m在t时段的负荷需求。
约束2为发电功率约束，pimax和pimin为发电机i的最大和最小输出功率。
约束3为切负荷约束。
约束4、5为潮流方程等式约束，a、kp、kd为与网络拓扑相关的常数矩阵。m为惩罚因子，i1,t为设备l在t时段的运行状态，1为正常运行，0为故障停运，由系统状态采样确定。
约束6最为重要的是将传统的线路潮流安全约束改为额定容量可变的线路潮流安全约束，其中，kl为设备l的最大增容负载率。jl,t为设备l在t时段的增容状态，1为增容运行，0为不增容运行。
约束7-11为输变电设备增容约束。其中，gl,t(hl,t)为设备增容起始(结束)标志，1表示设备l在t时段开始(结束)增容运行过程。
其中，机组发电成本函数fi，设备增容运行成本函数gl，进行线性化或分度线性化处理，整个优化问题为一个混合整数线性优化问题，已有成熟的求解算法可以进行求解。
步骤5、判断是否满足蒙特卡洛循环的收敛性条件，若满足转至步骤6，若不满足转至步骤3。
本发明选择目标函数的方差系数作为判断蒙特卡洛循环是否收敛的判据，具体计算方法如下：
其中cv为方差系数，ns为蒙特卡洛循环次数，ck为第k次蒙特卡洛循环求解协同优化模型的目标函数值，cave为前ns次循环求解的目标函数的平均值。若方差系数cv<0.05认为蒙特卡洛循环满足收敛性条件，反之，不满足。
步骤6、迭代结束，得到系统调度决策方案库和经济性指标期望。
本发明有益效果如下：
本发明丰富了电网运行调控思路，将设备的输变电能力和电网的实时运行方式有机结合。通过机组组合调度优化线路潮流，同时通过动态增容技术，在保证安全性的前提下，短时增加重要节点处设备的输变电能力。本发明综合应用这两种手段进行电网的联合调度。相比于传统的动态增容方法，可以从电网系统全局的角度调配输变电设备的增容运行能力，对于挖掘电网输电能力，降低系统运行成本，保证电网安全、稳定、高效运行具有重要实践价值。
附图说明
图1为本发明流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图1，本发明的一种与机组组合调度相协同的输变电设备动态增容方法，包括下列步骤：
步骤1、建立微分方程，计算安全约束下，输电线路和变压器的最大增容运行负载率。
本发明中的输变电设备包括变压器和输电线路。热点温度是变压器运行过程中的重要技术指标，过高的热点温度可能引起绕组绝缘击穿，导致变压器失效。因此在增容过程中，控制合理的热点温度，从而保证变压器的安全稳定运行。
1-1.采用变压器动态增容模型，计算变压器热点温度，具体如下：
δθh＝δθh1-δθh2
θh＝θa+δθ0+δθh
其中，θh为实际热点温度，θa为环境温度，k为负载率，δ表示变化量，t表示时间，d为微分算子，r、τw、τ0、x、y、k11、k21和k22为与变压器有关的参数。设定热点温度的值，就可以计算变压器最大增容负载率。该变压器动态增容模型能够量化负载率和环境温度对变压器绕组热点温度的影响。
导体温度是输电线路运行的重要技术指标，过高的导体温度，可能导致输电线路绝缘损耗，线路弧垂增加，引起接地故障，导致线路故障停运。因此在增容过程中合理地控制导体温度是保证输电线路安全稳定运行的有效方法。
1-2.采用的输电线路动态增容模型，计算输电线路的导体温度，具体如下：
其中，m为输电线路质量，cp为线路比热容，tc为导体温度，t为时间，d表示微分算子，qj、qs、qr、qc分别表示焦耳产热功率、太阳辐射功率、辐射散热功率和传导散热功率。该输电线路动态增容模型能够量化负载率和环境温度对导体温度的影响。
步骤2、从输电损耗和设备寿命损失两个方面，量化计算输变电设备增容运行成本，得到不同负载率下的输变电设备增容运行成本曲线。
2-1.变压器增容运行过程经济性指标计算方法如下：
ct_p＝(p0+k2pk)pin
其中，ct_p为变压器输电损耗，p0为变压器空载损耗，pk为变压器负载损耗，pin为发电电价。
其中，ct_life为变压器寿命损失，vt为变压器相对老化速度，l0为变压器设计使用寿命，tprice为变压器价格。bt为经验常数，θ0为设计热点温度，θh为实际热点温度。
ct_total＝ct_p+ct_life
其中，ct_total为变压器增容运行总成本，包括输电损耗ct_p和寿命损失ct_life两个部分。
2-2.输电线路增容运行过程经济性指标计算方法如下：
cl_p＝i02k2r·pin
其中，cl_p为输电线路的输电损耗，i0为输电线路额定电流，r为输电线路导体电阻，pin为发电电价。
其中，cl_life为输电线路寿命损失，vl为输电线路相对老化速度，l0为输电线路设计使用寿命，lprice为输电线路价格。bl、m为经验常数，ti为设计导体温度，tl为实际导体温度。
cl_total＝cl_p+cl_life
cl_total为输电线路增容运行总成本，包括输电损耗cl_p和寿命损失cl_life两个部分。
变压器和输电线路的增容运行总成本均包括输电损耗和寿命损失两个部分，但是其计算方法略有不同。根据以上定义，可以计算得到不同负载率下的变压器和输电线路的运行成本曲线。
步骤3、根据输变电设备故障率，利用接受-拒绝采样法，得到单个设备的时序运行状态，组合得到系统的时序运行状态。
步骤4、求解机组组合与输变电设备增容计划的协同优化模型，得到该系统运行状态下的调度计划和经济性指标。
本发明提出的机组组合与输变电设备增容计划的协同优化模型，在传统的安全约束的机组组合问题(scuc)中做了如下改变。
4-1.在目标函数中增加了输变电设备增容成本。
其中，目标函数包括机组发电成本，切负荷成本以及输变电设备增容运行成本。pi,t为机组i在t时段的发电量，fi为机组i的发电成本函数。lsm,t为节点m在t时段的切负荷量，
4-2.在约束条件中增加了输变电设备增容约束：
约束条件：
约束1为功率平衡方程，dm,t为节点m在t时段的负荷需求。
约束2为发电功率约束，pimax和pimin为发电机i的最大和最小输出功率。
约束3为切负荷约束。
约束4、5为潮流方程等式约束，a、kp、kd为与网络拓扑相关的常数矩阵。m为惩罚因子，il,t为设备l在t时段的运行状态，1为正常运行，0为故障停运，由系统状态采样确定。
约束6最为重要的是将传统的线路潮流安全约束改为额定容量可变的线路潮流安全约束，其中，kl为设备l的最大增容负载率。jl,t为设备l在t时段的增容状态，1为增容运行，0为不增容运行。
约束7-11为输变电设备增容约束。其中，gl,t(hl,t)为设备增容起始(结束)标志，1表示设备l在t时段开始(结束)增容运行过程。
其中，机组发电成本函数fi，设备增容运行成本函数gl，进行线性化或分度线性化处理，整个优化问题为一个混合整数线性优化问题，已有成熟的求解算法可以进行求解。
步骤5、判断是否满足蒙特卡洛循环的收敛性条件，若满足转至步骤6，若不满足转至步骤3。
本发明选择目标函数的方差系数作为判断蒙特卡洛循环是否收敛的判据，具体计算方法如下：
其中cv为方差系数，ns为蒙特卡洛循环次数，ck为第k次蒙特卡洛循环求解协同优化模型的目标函数值，cave为前ns次循环求解的目标函数的平均值。若方差系数cv<0.05认为蒙特卡洛循环满足收敛性条件，反之，不满足。
步骤6、迭代结束，得到系统调度决策方案库和经济性指标期望。
本发明提出机组组合与输变电设备增容计划的协同优化模型，从系统全局的角度调配输变电设备的增容运行能力。该模型在传统的安全约束的机组组合问题(scuc)中加入了输变电设备增容约束，同时将设备增容运行成本加入到目标函数中，进行优化。更为重要的是，在本发明所提出的模型中设备的最大运行容量是可以变化的。该方法可以保证电网运行的安全性，同时追求良好的经济性。