一种兼容facts设备的电力系统实时潮流控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种兼容FACTS设备的电力系统实时潮流控制方法。包括发电计划制定、超短期发电计划校正、发电控制和基于安全的潮流校正，在满足电力系统经济、安全约束的前提下，将常规潮流控制设备与FACTS设备在时间尺度上进行协调，从而达到一定时间范围内的潮流分布最优。该方法不仅兼容于现有的电力系统潮流调控体系，而且具有较高的工程实用性。
【专利说明】
一种兼容FACTS设备的电力系统实时潮流控制方法
技术领域
[0001]本发明装置属于新能源领域，涉及常规潮流控制手段与FACTS设备在时间尺度上 协调控制改善潮流分布，适用于电力系统的实时潮流控制。
【背景技术】
[0002]虽然FACTS(Flexible AC Transmission Systems，柔性交流输电系统）设备技术 在提高线路的输电能力、改善系统的潮流分布和提高系统的安全稳定性能等方面效果明 显，但是目前这项技术尚不够完善。在发展的过程中，也出现了一些问题。其中包括如何提 高FACTS设备技术的设计水平、如何消除或尽可能的减小FACTS设备之间的交互影响等问 题。绝大部分FACTS设备技术是由串联电力电子设备、并联电力电子设备或者串并联电力电 子设备组合而成的，其工作原理是通过快速调节电力元件的参数来达到改变电力系统中节 点的注入功率或支路的等效阻抗的目的，从而实现预期的控制目标。但是很多时候，由于设 计水平有限，限制了其在电力系统中充分发挥其调节潮流、增强稳定、提高电网传输能力等 方面的实际效果。
[0003]此外，FACTS设备技术的单位造价过于昂贵。FACTS设备的最大优点，在于其能快速 的控制电力系统状态。但是电力系统中很多时候需要慢速的潮流调节，而一些常规的控制 设备就可以很好的完成相应任务，如可投切固定串补、可投切并联电容等。因此，如何将 FACTS设备与现有的常规控制进行协调控制具有重要的意义。电网中的常规潮流控制设备 与FACTS设备将越来越多，其运行控制必将愈来愈复杂。因此有必要就其控制机理在大电网 的时间范围内进行一定的区分与协调。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对前述【背景技术】中的缺陷和不足，提出一种兼容FACTS设备的 电力系统实时潮流控制方法。针对常规潮流控制设备与FACTS设备在改善系统潮流分布方 面的效果(快与慢），将常规潮流控制设备与FACTS设备的控制能力在时间尺度上进行划分， 最终通过将常规潮流控制设备与FACTS设备协调配合控制使用，从而达到改善系统潮流分 布的作用。
[0005] 本发明所采用的技术方案如下，一种兼容FACTS设备的电力系统实时潮流控制方 法，其特征在于，包括如下步骤：
[0006] 1)发电计划制定，根据日前母线负荷预测数据、风电预测数据、水火电购电计划数 据，通过动态规划算法，优化安排次日的各个时间段的负荷断面，制定发电计划，只使用常 规潮流控制设备控制系统的潮流分布；
[0007] 2)超短期发电计划校正，根据负荷与电能的超短期预测数据，通过常规潮流控制 设备以及FACTS设备相互配合共同控制系统的潮流分布，对之前制定的发电计划进行超短 期发电计划校正；
[0008] 3)发电控制，在本阶段常规潮流控制设备不参与潮流控制，通过FACTS设备控制系 统的潮流分布；
[0009] 当电网发生故障的情况下将进行安全的潮流校正，具体为将由于电网故障产生的 安全约束作为约束条件加入发电计划的制定和超短期发电计划校正，此阶段只通过FACTS 设备进行实时潮流控制。
[0010] 进一步的，所述步骤2)中对常规潮流控制设备以及FACTS设备相互配合采用的优 化模型如下式：
[0011]
[0012] st.F(X,Uref,Vref)=0 (2)
[0013] xmin彡X彡Xmax(包含安全约束）（3)
[0014] Umin^U^Umax (4)
[0015] Vmin^V^Vmax (5)
[0016] 式中，Ofrrf-U1)为第i台常规潮流控制设备的已使用的控制量，&1为与其对应的权 值;（v jrrf-vj)为第j台FACTS设备的已使用的控制量，bj为与其对应的权值;为第i台常规 潮流控制设备调整范围的中间值、U 1为第i台常规潮流控制设备实际投入量，为第j台 FACTS设备调整范围的中间值、Vj为第j台FACTS设备实际投入量、X为状态变量，Xmin为状态 变量安全约束的最小值，X max为状态变量安全约束的最大值;U为常规潮流控制设备实际投 入量，Umin常规潮流控制设备实际投入量安全约束的最小值，U max为常规潮流控制设备实际 投入量安全约束的最大值;V为FACTS设备实际投入量，Vmin为FACTS设备实际投入量安全约 束的最小值，V max为FACTS设备实际
[0017]投入量安全约束的最大值;Vref为FACTS设备调整范围的中间值。
[0018] 进一步的，发电计划的时间尺度是24小时，即24小时制定一次发电计划;超短期发 电计划校正的时间尺度是5~15分钟，即每隔5~15分钟进行一次超短期发电计划校正;发 电控制的时间尺度是1~2分钟，基于静态安全的潮流校正的时间尺度是秒级（即60秒之 内）。
[0019] 本发明所带来的有益效果如下：
[0020] (1)本发明能够满足常规潮流控制手段与FACTS设备用于改善潮流分布的限制条 件，并能够提高FACTS设备的利用率。
[0021] (2)本发明能够降低投资成本，避免浪费现象的发生。不仅带来了经济优势，还带 来了安全优势，即提高了系统的安全指标。
[0022] 综上所述，本发明在原有的常规潮流控制设备与FACTS设备的基础上，将常规潮流 控制设备与FACTS设备在时间尺度上进行划分，协调控制改善系统的潮流分布。此方法的实 现更加简单可靠，具有较高的工程实用性。
[0023]摘要附图
[0024]图1为常规潮流控制设备与FACTS设备参与潮流控制的时间尺度划分图；
[0025]图2为本发明一个简单的3节点系统图；
[0026]图3位本发明中步骤2与步骤3的流程图。 具体实施方案
[0027] 如图1-3所示，本发明包括发电计划制定、超短期发电计划校正、发电控制和基于 安全的潮流校正。发电计划制定的时间尺度是24小时，超短期发电计划校正的时间尺度是 5min~15min，发电控制的时间尺度是lmin~2min，基于静态安全的潮流校正的时间尺度是 秒级（即60秒之内）。本发明具体步骤如下：
[0028] 步骤1:所述发电计划制定阶段，主要任务是确定第二天的计划发电量及其在各发 电机组之间的具体分配情况。计划发电量就是在预计的日负荷曲线基础上，加上适当数量 的热备用容量。热备用容量主要用于抵偿由负荷波动、日负荷曲线误差以及各种事故等引 起的功率缺额。在保证电网安全、可靠运行的前提下，经济性是制定日前计划主要目标，因 此制定日前计划需要进行优化计算。日前计划制定阶段的控制变量包括发电机组的启停状 态、变压器档位、并联电容电抗器的投切和档位、启动机组的有功出力等。
[0029] 日前计划中把连续时间的优化问题简化为多时间断面的优化问题，一般将一天连 续的24个小时离散为96个时间断面，即每15分钟取一个时间断面。日前计划的目标不再是 连续24小时内的费用总和最低，而是考虑96个离散时刻的费用总和最低。日前计划兼顾了 电网运行的经济性与安全性。日前计划是预测控制，相当于是给后面更短的时间尺度更精 确的控制提供一个基值。因此，在此时间尺度下只使用常规潮流控制设备控制系统潮流，保 证电力系统的经济性和安全稳定性。而把尽可能多的FACTS设备的控制余量留给时间尺度 更短的控制备用。
[0030] 步骤2:所述超短期发电计划校正阶段，时间尺度为5min~15min，即5min~15min 校正一次。具体指根据负荷与电能的超短期(5min~15min)预测数据，对之前制定的发电计 划进行校核与修正，以使电网运行状态更接近实际要求。
[0031 ] 超短期计划校正也属于预测控制，为AGC(Automatic Generation Control，自动 发电控制）提供了一个基值。故应尽量使用常规潮流控制设备进行潮流控制来保证电网运 行的经济性与安全稳定性，而把尽可能多的FACTS设备的控制余量，留给下一级发电控制阶 段。具体常规潮流设备与FACTS设备的容量分配可通过添加如下优化算法实现，优化方程建 立在潮流方程的基础上，即
[0032]
[0033] st.F(X,Uref,Vref)=0 (2)
[0034] Xmin彡X彡Xmax(包含安全约束）（3)
[0035] Umin^U^Umax (4)
[0036] Vmin^V^Vmax (5)
[0037] 式（1)中，OTref-U1)为第i台常规潮流控制设备的已使用的控制量，ai为与其对应 的权值；（V jrrf-Vj)为第j台FACTS设备的已使用的控制量，bj为与其对应的权值;％为第i台 常规潮流控制设备调整范围的中间值、U 1为第i台常规潮流控制设备实际投入量，％为第j 台FACTS设备调整范围的中间值、Vj为第j台FACTS设备实际投入量、X为状态变量，Xmin为状 态变量安全约束的最小值，X max为状态变量安全约束的最大值;U为常规潮流控制设备实际 投入量，u_常规潮流控制设备实际投入量安全约束的最小值，Umax为常规潮流控制设备实 际投入量安全约束的最大值;V为FACTS设备实际投入量，Vmin为FACTS设备实际投入量安全 约束的最小值，V max为FACTS设备实际投入量安全约束的最大值;Vrrf为FACTS设备调整范围 的中间值。
[0038] 基于上述优化公式可知，在满足一定条件下要使得目标函数值最小，就要使得权 值较大的项值更小，权值较大的项可以较大。从而通过上述优化，在保证电网经济、安全稳 定目标下，可预留较多的快速控制余量给下一级。
[0039] 在满足潮流控制的经济、安全约束条件下，要想获得上式的最小值，就必须协调配 合常规潮流控制设备与FACTS设备。
[0040] 步骤3:所述发电控制阶段，时间尺度为lmin~2min，是指融入现有的AGC平台，每 lmin~2min进行一次的通过控制调整发电机组输出功率来适应负荷波动的反馈控制。电力 系统中功率的不平衡将导致频率的偏移，所以电网的频率可以作为控制发电机输出功率的 一个信息。
[0041] 在这个lmin~2min的时间尺度下，常规潮流控制设备已经在前面阶段被安排了一 些容量进行潮流控制。此时，在满足电网安全约束的前提下，常规潮流控制设备不参与电力 系统的潮流控制，通过具有较多剩余调节容量的FACTS设备来改善系统的潮流分布。
[0042] 当电网处于故障情况下，电网的拓扑结构可能会发生变化，可以将这些安全约束 作为约束条件加入发电计划制定和超短期发电计划校正，进行实时控制。
[0043]基于静态安全的潮流校正的时间尺度达到秒级，常规潮流控制手段已经不能很好 的完成任务。此时，为了满足安全约束条件，需要使用具有剩余调节容量的FACTS设备进行 实时控制。
[0044] 综上所述，本发明在原有的常规潮流控制设备与FACTS设备的基础上，将常规潮流 控制设备与FACTS设备在时间尺度上进行划分，协调控制改善系统的潮流分布。此方法的实 现更加简单可靠，具有较高的工程实用性。以下将介绍一个简单的3节点系统用来说明常规 潮流控制设备与FACTS设备的协调配合问题。
[0045] 如图2所示一个简单的3节点系统图，包含两个发电机节点G和一个负荷节点L，3条 支路中一条支路装设TCSC(Thyristor Controlled Series Compensation，可控串补），一 条装设SC(固定串联补偿装置）。在保证系统发电量与负荷量平衡的情况下，可通过分别调 节两台发电机的发电量来改变支路中的潮流，这属于常规潮流调控手段;通过SC改变其所 在线路的阻抗大小，可以改变系统的潮流，但SC响应速度较慢(一般跟随计划投入或退出运 行，或依靠人工控制）属于常规潮流调控设备，考虑到使用寿命，其每天被投入或退出次数 也有限。TCSC对系统潮流调控的原理与SC完全相同，但其响应速度要快得多，而且能实现串 入支路电抗的无极变化，当然的成本要远高于SC。
[0046] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形 也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种兼容FACTS设备的电力系统实时潮流控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) 发电计划制定，根据日前母线负荷预测数据、风电预测数据、水火电购电计划数据， 通过动态规划算法，优化安排次日的各个时间段的负荷断面，制定发电计划，这个时间段只 使用常规潮流控制设备控制系统的潮流分布； 2) 超短期发电计划校正，根据负荷与电能的超短期预测数据，通过常规潮流控制设备 以及FACTS设备相互配合共同控制系统的潮流分布，对之前制定的发电计划进行超短期发 电计划校正； 3) 发电控制，在本阶段常规潮流控制设备不参与潮流控制，只通过FACTS设备控制系统 的潮流分布； 当电网发生故障的情况下将进行基于静态安全的潮流校正，具体为将由于电网故障产 生的安全约束作为约束条件加入发电计划的制定和超短期发电计划校正，此阶段只通过 FACTS设备进行实时潮流控制。2. 根据权利要求1所述的兼容FACTS设备的电力系统实时潮流控制方法，其特征在于， 所述步骤2)中对常规潮流控制设备以及FACTS设备相互配合采用的优化模型如下式：St. F(X,Uref,Vref)=0 (2) Xmin^X^Xmax (3) Umin^U^Umax (4) Vmin^V^Vmax (5) 式中，（U1re3f-U1)为第i台常规潮流控制设备的已使用的控制量，ai为与其对应的权值； (Vjref-Vj)为第j台FACTS设备的已使用的控制量，bj为与其对应的权值;为第i台常规潮 流控制设备调整范围的中间值、Ui为第i台常规潮流控制设备实际投入量，Cjf为第j台FACTS 设备调整范围的中间值、Vj为第j台FACTS设备实际投入量、X为状态变量，Xmin为状态变量安 全约束的最小值，X max为状态变量安全约束的最大值;U为常规潮流控制设备实际投入量， 1]_常规潮流控制设备实际投入量安全约束的最小值，Umax为常规潮流控制设备实际投入量 安全约束的最大值;V为FACTS设备实际投入量，V min为FACTS设备实际投入量安全约束的最 小值，Vmax为FACTS设备实际投入量安全约束的最大值;V rrf为FACTS设备调整范围的中间值。3. 根据权利要求1所述的兼容FACTS设备的电力系统实时潮流控制方法，其特征在于： 发电计划的时间尺度是24小时，即24小时制定一次发电计划;超短期发电计划校正的时间 尺度是5~15分钟，即每隔5~15分钟进行一次超短期发电计划校正;发电控制的时间尺度 是1~2分钟，基于静态安全的潮流校正的时间尺度是秒级。
【文档编号】H02J3/06GK105896543SQ201610368434
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】陈谦, 曹国芳, 秦川, 李卓然, 金宇清, 余方召, 张正利, 周荣玲, 黄磊
【申请人】河海大学