一种考虑输电线路动态热定值的安全调度方法与流程

本发明涉及一种考虑输电线路动态热定值的安全调度方法。

背景技术：

20世纪70年代末，以提高输电线路载荷能力为目的的动态热定值(DTR)概念被提出以来，迅速得到广泛关注，并得到实践应用，故DTR一直被认为是输电线路具备温度、环境等量测的综合系统装置。研究表明，相比传统静态热定值(STR)，DTR可以显著提高输电线路载荷能力，这无疑在当今资源紧张的情况下，为充分提高和挖掘输电线路传输能力提供了有效的手段。

随着DTR的发展，其在电力系统中的应用越来越广泛，在电力系统运行中，利用DTR减少备用容量需求，减少弃风容量，减少切负荷容量等应用越来越多。近年来，将DTR技术应用于电力系统经济调度问题得到重视。

早期经济调度多应用传统的等微增率原理，直接对机组进行各时段出力分配，但该方法不易满足机组各时段爬坡速度约束。之后出现了基于前瞻技术的考虑机组爬坡约束的动态经济调度方法(dynamic economic dispatch，DED)，该类调度问题多采用动态规划(dynamic programming，DP)法进行求解，DP法利用了机组爬坡速度约束的弱耦合特点，但仅能保证结果为每时段最优。安全约束经济调度(security constrained economic dispatch，SCED)既能满足机组在连续时段上的爬坡速度约束，又能保证电网的安全运行。将输电线路的动态热定值技术与电力系统安全经济调度相结合，可以提高整个系统的安全性与经济性。

为了将DTR技术应用于电力系统安全经济调度，需对未来时刻输电线路动态热定值进行预测。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种考虑输电线路动态热定值的安全调度方法，本发明首先通过指数平滑方法，分别对影响输电线路动态热定值的各个气象要素(风速、气温、日照)进行预测，进而得到未来时刻输电线路动态热定值的预测值，将该预测值应用到电力系统安全经济调度当中，动态热定值的引入可以增加输电线路的传输极限，使得原有约束域增大，从而在保证整个系统安全性的前提下，增加了系统运行的经济性。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种考虑输电线路动态热定值的安全调度方法，包括以下步骤：

(1)考虑输电元件运行时的温度变化因素，建立输电线路热平衡模型；

(2)对负荷进行预测，利用指数平滑方法对输电线路热定值预测特点进行分析，对影响因素进行预测；

(3)考虑输电线路动态热定值的SCED在日前安全约束机组组合(security constrained unit commitment，SCUC)确定的日机组启停发电计划基础上，以系统总能耗最小为目标，根据负荷预测和输电线路热定值预测结果，满足约束条件下，实时调整机组出力以进行调度。

所述步骤(1)中，综合考虑载流、风速、风向、日照和气温因素的基础上建立输电线路电热耦合规律的输电线路热平衡模型。

所述步骤(1)中，载流、风速、风向、日照和气温因素中的环境参数，通过输电元件动态增容方法测得。

所述步骤(2)中，利用平滑平均数将数据数列的数量差异抽象化的原理，对历史的统计数据进行加权修习，使得修习后的数据信息排除异常数据的影响，得到预测对象变动的基本趋势。

所述步骤(2)中，采用指数平滑方法，分别对影响输电线路热定值的风速、气温和日照进行预测。

所述步骤(3)中，以正常状态下全网发电费用最小为目标。

所述步骤(3)中，约束条件包括节点功率平衡约束，

式中，C_j为j节点的负荷预测值，为网损，NC分别为发电机节点及负荷节点集合。

所述步骤(3)中，约束条件包括发电机节点输出功率约束：

式中，P_Gi、分别为发电节点i有功输出功率下、上限值。

所述步骤(3)中，约束条件包括发电机节点功率调节速率约束：

发电机节点功率调节速率约束

上式中，为调度起始点发电节点输出功率，节点发电功率调节最大速率，Δt对应调度周期时间长度，即为从调度初始状态到未来Δt时刻正常运行状态发电节点有功功率的最大允许调节量。

所述步骤(3)中，约束条件包括网络安全约束：

式中，I(0)为正常情况下线路载流量，为线路载流上限，即前文中队输电线路热定值的预测值，I(l)为线路载流矢量，l＝0表示正常工况，l表示线路l断开后线路的载流量，NLO为可能发生断线的线路集合。

本发明的有益效果为：

(1)本发明充分利用DTR技术所带来的输电线路传输极限的提高，松弛了模型中的网络约束，增大了系统的约束域；

(2)本发明设所提出的方法可以在保证系统运行安全的基础上明显降低系统的运行成本，有利于电力系统安全、经济运行；

(3)本发明观测计及DTR的SCED模型可知，在约束条件中增加了N-1网络安全约束，保证了优化结果的安全性，同时在网络安全约束中引入DTR预测结果，提高了输电线路的传输极限，使得约束域增大，在保证系统安全性的基础上提高了系统运行的经济性。

附图说明

图1为本发明风速预测结果与真实值比较示意图；

图2为本发明气温预测结果与真实值比较示意图；

图3为本发明日照强度预测结果与真实值比较示意图；

图4为本发明热定值预测结果与真实值比较示意图；

图5为本发明的6节点电网结构图；

图6为本发明的G2机组出力对比图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

1输电线路热平衡方程(Heat Balance Equation，HBE)

运行条件下，输电元件温度变化与运行环境及状态相关，对架空输电线路而言，其温度变化主要受载流、风速、风向、日照、气温等因素的影响。输电线路热平衡方程(Heat Balance Equation，HBE)即是在综合考虑上述因素的基础上对输电线路电热耦合规律的数学建模，具体表达如下：

其中，等式右侧4个热量计算式分别为：电阻发热项q_l(t)＝I²R_ref[1+α(T_l(t)-T_d)]，日照吸热项q_s(t)＝E_tA_tD，对流散热项q_c(t)＝A_c(T_l(t)-T_a(t))和热辐射散热项q_r(t)＝A_r[(273+T_l(t))⁴-(273+T_a(t))⁴]。t表示时间，s；m为单位导体的质量，kg/m；Cp为导体材料的比热容，J/(kg·℃)；Tl为线路运行平均温度，℃；I为流过导体的电流，A；Rref为导体制造商规定的额定环境温度(Td)下的单位长度的电阻，Ω/m，输电线路电阻随温度的变化在一定范围内近似线性关系，α为导体材料的电阻温度系数；Ta(t)为导体周围环境的温度。Ac和Ar分别为对流换热系数和辐射换热系数，它们受导体材料、几何特性及周围环境因素的影响；Et为太阳辐射功率密度；Ar为导体的吸收率；D为导体直径。上述环境参数在实际中均可通过输电元件动态增容技术实测获得。

2基于指数平滑法的热定值预测

2.1指数平滑方法

通过简单的指数平滑预测对输电线路热定值预测特点进行分析，指数平滑预测法是一种简单易行，应用十分广泛的短期时间序列预测方法，它是利用平滑平均数可以将数据数列的数量差异抽象化的原理，对历史的统计数据进行加权修习，使得修习后的数据信息排除异常数据的影响，从而显示出预测对象变动的基本趋势。它具有两个显著特点：1、充分利用全部历史数据和相关信息；2、遵循“重近轻远”，使时间序列所包含的历史规律性能显著地体现出来。

若{}为时间序列及其观测值，在t时刻对t+1时刻的观测值进行预测，指数平滑的预测模型为：

S_t＝αX_t+(1-α)S_t-1

式中，为第t时刻的平滑值，为平滑参数。

在一次指数平滑的基础上可再进行指数平滑，称之为高次指数平滑，其计算公式为

S_t^p＝αS_t^p-1+(1-α)S_t-1^p

式中，p为平滑次数。

对于平稳移动趋势的指数平滑预测模型，取X_t+1＝S_t，可将上式进行递推展开：

式中，为平滑初值，取，即可得第t+1期的预测值。

本发明采用指数平滑方法，分别对影响输电线路热定值的风速、气温、日照进行预测，得到未来1小时的预测值，滚动向前预测未来72小时的结果分别如图1-3所示。对风速、气温、日照强度的预测误差分别为，24.35％，3.58％，10.14％。根据热平衡方程可以计算未来72小时的热定值预测结果如图4所示，预测相对误差为5.24％。

3考虑动态热定值的安全经济调度模型

考虑DTR的SCED在日前SCUC确定的日机组启停发电计划基础上，以系统总能耗最小为目标，根据短期负荷预测，短期输电线路热定值预测，实时调整机组出力，满足负荷平衡约束、机组运行约束和网络安全约束以实现节能经济调度。接下来将从目标以及约束对计及DTR的SCED模型进行详细描述。

目标函数，以正常状态下全网发电费用最小为目标：

其中,NG为发电节点集合，PGi0为正常状态发电节点i有功输出功率，ai，bi，ci为发电节点i费用函数系数。

节点功率平衡约束：

式中，C_j为j节点的负荷预测值，为网损，NC分别为发电机节点及负荷节点集合。

发电机节点输出功率约束：

式中，P_Gi、分别为发电节点i有功输出功率下、上限值。

发电机节点功率调节速率约束

上式中，为调度起始点发电节点输出功率，节点发电功率调节最大速率(本发明中认为功率上调、下调速率相同)，Δt对应调度周期时间长度(本发明中取为30分钟)。即为从调度初始状态到未来Δt时刻正常运行状态发电节点有功功率的最大允许调节量。

网络安全约束：

式中，I(0)为正常情况下线路载流量，为线路载流上限，即前文中队输电线路热定值的预测值。I(l)为线路载流矢量，l＝0表示正常工况，l表示线路l断开后线路的载流量，NLO为可能发生断线的线路集合。

观测计及DTR的SCED模型可知，在约束条件中增加了N-1网络安全约束，保证了优化结果的安全性，同时在网络安全约束中引入DTR预测结果，提高了输电线路的传输极限，使得约束域增大，在保证系统安全性的基础上提高了系统运行的经济性。

采用6节点电网进行算例分析以验证本发明模型的有效性，此时网络结构如图5所示，网络参数在表1中给出；发电机节点参数如表2所示；通过故障扫描确定在此状态下输电线路1-2开断将导致输电线路2-4载流越限，为关键预想故障。各负荷节点预测功率如表3所示，基准功率取为100MVA。热平衡方程中的各参数如表4，各输电线路允许最高温度为70℃，各节点电压上下限均取为1.05p.u和0.95p.u。

表1电网参数

表2机组节点数据(标幺值)

表3节点负荷预报(标幺值)

表4热平衡方程参数

表6首先给出采用静态热定值的SCED优化结果，包括三个机组的出力、关键输电元件的载流以及运行成本。表7为计及DTR系统的SCED调度结果。图6为机组G2出力曲线的对比图。

表6考虑静态热定值的优化结果

表7考虑动态热定值的优化结果

由运行结果发现，考虑静态热定值的SCED在时段5和时段6出现无解情况，计及DTR系统的SCDE却有解，说明考虑DTR后系统的约束域变大。并且考虑DTR后，系统运行成本明显减少，分析其原因主要是由于网络的约束，限制了边际成本低的发电机组的出力，而边际成本高的机组出力增多，各机组出力由于该影响，不满足等耗量微增率准则，所以边际成本提高，总的运行成本也提高。

有上述可以得知，本发明针对传统的SCED建模中设定输电线路静态热定值过于保守的问题，提出了将DTR技术与SCED相结合的模型，结论如下：

(1)充分利用DTR技术所带来的输电线路传输极限的提高，松弛了模型中的网络约束，增大了系统的约束域。

(2)所提出的方法可以在保证系统运行安全的基础上明显降低系统的运行成本，有利于电力系统安全、经济运行。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。