计及节点分裂的源网协同优化方法与流程

本发明计及节点分裂的源网协同优化方法涉及的是一种经济调度中的源网协同优化方法，特别是一种将点分裂纳入到优化调度决策中的方法。

背景技术：

传统电力系统调度理论通常是根据规划、检修决策结果，在固定电网结构下对源中决策量进行优化。伴随大规模可再生能源发电并网，以及电动汽车、储能等主动负荷的融入，电力系统源有功平衡模式呈现复杂多变的发展态势，固定电网结构下的经济调度将日趋难以适应这一局面。

近年来，在运行阶段通过调整支路运行状态改变电网结构，进行源与网的协同优化成为新的研究热点。有的文章中指出在直流潮流基础上，建立了以发电成本最小为目标，发电机组输出功率、支路运行状态为决策量的源网协同优化决策模型。在此基础上，国内外学者又相继在模型中引入了电网n-1、电网连通性、节点电压范围、节点短路容量限制等其它必备运行约束，并给出了此类问题的启发式求解算法，将这一研究思路逐步推向实际。相关学者定义了经济调度中源网间的三种状态，并将改变电网结构作为消除或抑制经济调度中源网冲突的手段。建立了源网冲突度量的两层优化模型，能够在最小化电网结构改变量的同时，兼顾源最优运行方式的实现。

可见，围绕在经济调度中的源网协同优化问题，国内外学者从多个角度开展了热烈的研究，并取得了丰富的研究成果。然而，目前研究仅考虑了电网结构中边的调整，将支路运行状态通过0-1量表示，引入到优化模型中。实际上，通过变电站内开关操作，进行电网结构中的点分裂，同样可实现电网结构的改变。相较边的调整，点分裂的方式可减少线路投切引起的操作过电压风险，对电网安全、可靠运行影响更小。已有文章提出通过点分裂的方式改变电网结构，以消除事故后母线电压或线路潮流越限，但是仅将其作为事故后的紧急控制手段，一般采用基于灵敏度的启发式寻优方法，尚未将点分裂纳入到优化调度决策中。

电能在电网中的传输，需要满足基尔霍夫电压、电流定律等电气规律的制约，而电网结构的改变可影响电网中的潮流分布。在经济调度中考虑调整电网结构，能够缓解网对源最优运行方式的制约。现有研究仅通过改变支路运行状态来调整电网结构，实际通过变电站内开关操作进行点分裂，同样可实现电网结构的调整，并促进源最优运行方式的实现。然而，支路运行状态的调整在经济调度模型中一般可直接通过引入0-1量的方式表示，而点分裂过程则更为复杂，现有研究所建立的模型均无法直接适用。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述研究基础的不足，提供一种计及节点分裂的源网协同优化方法，引入虚拟注入和虚拟支路的方式构建增广电网结构，并给出了经济调度中对应点分裂过程的约束表达，建立了计及点分裂的源网协同优化模型，通过点分裂来改变电网结构的差异，在经济调度中考虑调整电网结构，缓解网对源最优运行方式的制约。

本发明是采取以下技术方案实现的：

在增广电网结构下，计及点分裂的源网协同优化模型表示为如下形式，以发电成本最小为目标，模型目标函数表示为，

（13）

式中，n为运行机组数量；为机组发电成本系数，以线性形式表示；为机组输出功率。

约束条件主要包括：

（1）节点功率平衡约束

（14）

式中，为节点m负荷有功功率；为以节点m为末节点的支路集合；以节点m为首节点的支路集合；为与节点m相连的发电机组集合。

（2）虚拟注入约束

对于发电、负荷引入的虚拟注入量，应满足式（1）～式（5）所示约束；

（1）

（2）

上式中，为虚拟注入是否有效的0-1标志，m为大于10万的常数；当=1时，由式（1）可知=，表示虚拟注入有效，等同于实际的机组注入功率；当=0时，由式（2）有=0；

（3）

（4）

式中，为虚拟注入是否有效的0-1标志；

（5）

（3）机组输出功率范围约束

（15）

式中，、分别为机组输出功率最大值、最小值。

（4）支路功率约束

对于首末节点均不可进行变电站内开关操作的普通支路，支路功率应满足式（6）～式（8）所示的约束；对于引入的虚拟支路，支路功率应满足式（9）～式（12）所示约束；

（6）

（7）

（8）

式中，假设支路e首末端节点分别为m、n，支路功率为，若首端节点m可进行点分裂，增广电网结构中除增加虚拟节点外，进一步引入虚拟支路，、分别为节点m、节点n电压相角；为支路e电抗值；为支路运行状态，为0表示停运，为1表示运行；

虚拟支路功率应满足如下约束，

（9）

（10）

（11）

式中，为虚拟节点电压相角；为虚拟支路运行状态，为0表示停运，为1表示运行；由于支路e与虚拟支路最多只能有一条运行，为此在优化模型中加入如下约束，

（12）

当、均为0时，表示原电网结构中支路e停运。

计及点分裂的源网协同优化模型为混合整数线性规划模型，为避免点分裂过程违反节点短路电流容量限制、电网连通性等约束，采用启发式求解方法进行模型的求解。

所述启发式求解方法，包括以下步骤：

1）数据准备；

2）确定节点、支路状态可调整集合；根据电网连通性、实际运行规则确定可进行节点分裂和运行状态调整的节点、支路集合；

3）根据计及点分裂的源网协同优化模型进行优化计算；

4）针对计及点分裂的源网协同优化模型优化结果，采用短路电流计算、拓扑分析等分析计算工具，判断是否违反节点短路电流、连通性等约束；

5）若优化结果不违反运行约束，则输出计算结果；若违反，则将造成违反运行约束的支路或节点从可选集合中删除，返回到步骤3）重新进行计算。

本发明优点：本发明将点分裂作为调整电网结构的手段，并利用增广电网结构给出点分裂过程的约束表达，建立了计及点分裂的源网协同优化模型，通过增加虚拟节点，引入虚拟注入和虚拟支路的方式构建增广电网结构，可表示变电站内开关操作造成的节点分裂，以及发电、负荷、支路在不同分裂节点间的切换。同时，增广电网结构还适用于表示节点融合过程，也适用于双母线分段、一个半断路器等更为复杂的主接线方式，最终使现有研究所建立的源网协同优化模型直接可行。本发明能够扩大传统经济调度解的空间，适应复杂多变的源有功平衡模式，提高源运行效率，同时可减少通过调整支路运行状态改变电网结构，对电网安全运行的不利影响。

附图说明

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1是3节点电力系统形成示意图；

图2是传统经济调度模型结果示意图；

图3是现有经济调度模型决策结果示意图；

图4是图1中3节点系统中节点1对应的站内主接线为双母线接线方式的结构示意图；

图5是图4中的节点1分裂后经济调度结果示意图；

图6是图4的节点1分裂后电网潮流分布图；

图7是原电网结构的发电表示方式示意图；

图8是增广电网结构的发电表示方式示意图；

图9是原电网结构的支路表示示意图；

图10是增广电网结构的支路表示方式示意图；

图11是图7中引入3条虚拟支路后的原电网结构的支路表示示意图；

图12是图8中引入3条虚拟支路后的增广电网结构的支路表示示意图；

图13是5节点系统示意图；

图14是5节点系统对应的增广电网结构示意图；

图15是本发明模型调度结果示意图。

具体实施方式

下面将结合具体的实施例对本发明作进一步验证和说明。

电能在电网中的传输，需要满足基尔霍夫电压、电流定律等电气规律的制约，而电网结构的改变可影响电网中的潮流分布。在经济调度中考虑调整电网结构，能够缓解网对源最优运行方式的制约。以简单3节点电力系统（见图1）为例，对电网结构与经济调度间的关联机理进行说明。3节点系统各支路电抗及容量、负荷数据如图1所示，发电机数据见表1。

表13节点系统发电机组数据

按照图1所示电网结构，采用传统固定电网结构下的经济调度，调度结果如图2所示，总发电成本为3052.5usd/h。其中，支路1-2有功潮流等于其传输容量，造成处在同一回路中的支路1-3仍有较高冗余的输电能力无法得到发挥，经济机组b无法承担更多负荷，使得总发电成本提高。

若在经济调度中考虑电网结构的改变，将支路运行状态与机组输出功率同时作为决策量纳入到经济调度模型中，调度结果如图3所示。此时，总发电成本为2990usd/h，较传统固定电网结构下的经济调度模型降低62.5usd/h。由图3可知，现有的模型为降低发电成本需要支路2-3停运，电网结构的调整能够避免kvl约束对支路1-3输电能力的制约。

现有研究仅通过改变支路运行状态来调整电网结构，实际通过变电站内开关操作进行点分裂，同样可实现电网结构的调整，并促进源最优运行方式的实现。假设3节点系统中节点1对应的站内主接线为双母线接线方式，具体如图4所示。初始状态下母线w1、w2间的母联断路器qf处于闭合状态，此时主接线可等值为1个节点。若将断路器qf打开，其它断路器运行状态不变，此时节点1将分裂成2个节点：发电机a、负荷、支路1-2连接于母线w1，发电机b、支路1-3连接于母线w2。在此基础上实施传统经济调度，调度结果如图5所示，总发电成本为2915usd/h，较传统固定电网结构下的经济调度模型降低137.5usd/h，较现有的模型降低75usd/h。

上述变电站内开关操作仅考虑了母联断路器运行状态的调整，此外还可进一步通过其它断路器的开关操作进行发电、负荷、支路在不同母线间的切换。例如，根据图4所示的节点1主接线方式，可将节点1负荷由母线w1经开关操作转移到母线w2，此时经济调度结果如图6所示。此时，总发电成本为2886usd/h，较传统固定电网结构下的经济调度模型降低166.5usd/h，较现有的模型降低104usd/h。

可见，进一步通过点分裂的方式改变电网结构，相较现有研究仅通过调整支路运行状态改变电网结构的方式，能够扩大经济调度解的空间，适应复杂多变的源有功平衡模式，提高源运行效率，同时可减少线路投切引起的操作过电压风险，对电网安全运行的不利影响更小。然而，支路运行状态的调整在经济调度模型中一般可直接通过引入0-1量的方式表示，而点分裂过程则更为复杂，现有研究所建立的模型均无法直接适用。

为表示点分裂过程，本发明提出了增广电网结构的概念。增广电网结构是指在原电网结构的基础上，通过增加虚拟节点以模拟母联断路器动作，并引入虚拟注入和虚拟支路，以模拟发电、负荷，以及支路在不同母线间的转移。

输电网中变电站主接线方式主要为双母线、双母线分段、一个半断路器等。本文首先以双母线方式为例，对发电、负荷以及支路在增广电网结构下的表示方法进行说明。

（1）增广电网结构下发电、负荷表示方法

首先对发电表示方法进行说明。假设与节点m相连的发电注入功率为。在增广电网结构下增加节点m对应的虚拟节点，以表示母联断路器动作后形成的分裂节点，同时引入虚拟注入、，分别表示节点m、上的功率注入。具体如图7和图8所示。

对应上述增广电网结构，在经济调度模型中虚拟注入应满足如下约束，

（1）

（2）

上式中，为虚拟注入是否有效的0-1标志，m为较大常数。当=1时，由式（1）可知=，表示虚拟注入有效，等同于实际的机组注入功率；当=0时，由式（2）有=0。

类似，虚拟注入应满足，

（3）

（4）

式中，为虚拟注入是否有效的0-1标志。

由虚拟注入的物理意义可知，在增广电网结构中两个虚拟注入量有且仅有一个虚拟注入有效，为此在调度模型中还应引入如下约束，

（5）

负荷功率的表示方法与之类似，在调度模型中引入式（1）—式（5）所示约束。

（2）增广电网结构下支路表示方式

假设支路e首末端节点分别为m、n，支路功率为。若首端节点m可进行点分裂，增广电网结构中除增加虚拟节点外，进一步引入虚拟支路，具体如图9和图10所示。

对应上述增广电网结构，在经济调度模型中应满足如下约束，

（6）

（7）

（8）

式中，、分别为节点m、节点n电压相角；为支路e电抗值；为支路运行状态，0表示停运，1表示运行。

类似，虚拟支路功率应满足如下约束，

（9）

（10）

（11）

式中，为虚拟节点电压相角；为虚拟支路运行状态，0表示停运，1表示运行。

显然，支路e与虚拟支路最多只能有一条运行，为此在优化模型中需加入如下约束，

（12）

当、均为0时，表示原电网结构中支路e停运。因此，本文模型能够自动包含现有仅考虑支路运行状态调整的研究。

若支路e两端节点均可进行变电站内开关操作，则应引入3条虚拟支路，如图11和图12所示。

虚拟支路对应的约束与式（9）～式（12）类似。

本发明通过增加虚拟节点，引入虚拟注入和虚拟支路的方式构建增广电网结构，可表示变电站内开关操作造成的节点分裂，以及发电、负荷、支路在不同分裂节点间的切换。同时，增广电网结构还适用于表示节点融合过程，也适用于双母线分段、一个半断路器等更为复杂的主接线方式，最终使现有研究所建立的源网协同优化模型直接可行。

为验证本文模型有效性，以5节点系统为例进行说明。5节点系统负荷及支路电抗数据如图13所示，机组特性见表2。支路1-4的传输容量上限为200mw，其他支路的传输容量上限均为120mw。

表2机组参数

在固定电网结构下，实施传统安全经济调度，各机组输出功率如表3所示，各支路功率如表4所示。

表3发电机组输出功率

表4支路潮流

总发电成本为。由表3可知，支路3-4潮流恰等于其传输容量限值，而支路1-4负载率较低，仍有较大的传输容量没有得到发挥。这是由于受kvl约束制约，支路3-4潮流等于其传输容量限值，阻止了同一回路中支路1-4上潮流的继续增加。

通过调整支路运行状态改变电网结构，能够进一步挖掘电网传输能力，提高源运行效率。若仅考虑支路运行状态的调整，机组输出功率如表5所示，各支路功率如表6所示。

表5发电机组输出功率

表6支路潮流

总发电成本为，相较固定电网结构下的经济调度有了明显降低。同时，根据调度结果需要支路1-3、支路2-5停运，对原电网结构的改变量较大，增加了电网运行风险。

假设5节点系统中节点1、节点4为双母线接线方式。据此，5节点系统对应的增广电网结构如图14所示，在5节点系统增广电网结构下，根据本文模型，最终决策的电网结构如图15所示，各机组输出功率与表5所示结果相同，总发电成本为。

如图15所示，根据本文模型，节点1、节点4分别分裂为2个节点，发电与负荷在分裂后的节点间进行了重新分布，避免了kvl约束对源最优运行方式的制约。同时，本文模型决策结果不需要支路停运，有利于电网安全稳定运行。

为适应电力系统日趋复杂多变的发电负荷模式，本发明将点分裂作为调整电网结构的手段，并利用增广电网结构给出点分裂过程的约束表达，建立了计及点分裂的源网协同优化模型。本文研究能够扩大传统经济调度解的空间，适应复杂多变的源有功平衡模式，提高源运行效率，同时可减少通过调整支路运行状态改变电网结构，对电网安全运行的不利影响。