专利名称：一种考虑静态安全性的自动电压控制方法
技术领域：
本发明属于电力系统运行和控制技术领域，特别涉及一种考虑静态安全性的自动电压控制方法。
背景技术：
自动电压控制(Automatic Voltage Control, AVC)系统是实现电网安全、经济、优质运行的重要手段，其基本原理是通过协调控制发电机无功出力、变压器分接头、无功补偿设备，实现电网内无功电压的合理分布，以提高电压稳定裕度、降低网络损耗、提高电压合格率等。确定协调控制指令的主要手段是求解最优潮流(Optimal Power Flow,0PF)模型，如式⑴min f (x0, U0)s. t. g0 (x0, U0) =0(4) hi TtX < X0 < X式⑷中U。为控制变量向量，X。为状态变量向量；目标函数f (X。，U。)一般为电力系统有功网损，约束方程&(Χ(Ι，Utl) =0为电力系统正常运行状态潮流方程为控制变量的下限向量、上限向量，为状态变量的下限向量、上限向量。随着电网调度运行对安全性要求的不断提高，自动电压控制过程中除需考虑电力系统的基态安全性外，其控制结果还需满足静态安全性的要求。由此引入了考虑安全约束的最优潮流(Security Constrained Optimal Power Flow, SC0PF)模型，以同时考虑电力系统的安全性和经济性，得到满足静态安全性要求的自动电压控制指令。一种典型的考虑静态安全性的自动电压控制方法，其具体实施步骤为I、设置静态安全分析(Contingency Assessment, CA)(以当前潮流结果作为电力系统的基态，模拟电力系统故障发生后的潮流结果，以此来预知电力系统是否存在安全隐患，判断在发生预想故障后电力系统变量是否会出现越限的功能)所监视的预想故障(为研究电力系统故障对电力系统安全运行产生的影响，而预先设定的电力系统元件(如线路、变压器、发电机、负荷、母线等)的故障及其组合)集；预想故障集Caii表示为CA11={预想故障k|k=l，L，Nc}，Nc为预想故障集中所含预想故障总个数；2、将预想故障集中的预想故障状态下的潮流方程和变量约束加入到最优潮流模型中，构造电力系统考虑静态安全约束的最优潮流(Security Constrained Optimal PowerFlow, SC0PF)模型，如式(2)min f (x0, u0)s. t. g0 (x0, u0) =0gk (xk, u0) =0U < < H
Λ' < .V0 < XXr < < Xck=l, · · ·，Nc式(5)中变量下标k为电力系统运行状态标号，k=0表示正常运行状态(或称故障前状态)，k=l，. . . ,N。表示第k个预想故障状态；％为控制变量向量，Xtl为正常运行状态的状态变量向量，Xk为第k个预想故障状态的状态变量向量，Xtl和Xk所含元素个数均为Nx ;控制变量的值在正常运行状态和预想故障状态下通常保持不变，如发电机的机端电压幅值等；状态变量的值在正常运行状态和预想故障状态下通常不同，其值由电力系统的网络结构、元件参数和控制变量的值所决定，如负荷母线和联络母线 的电压幅值、发电机的无功出力、各母线的电压相角等；目标函数f(X(l，Utl) —般为电力系统有功网损，约束方程go(Xo，Utl) =0为电力系统正常运行状态潮流方程，gk(xk, u0) =0为第k个预想故障状态下电力系统的潮流方程； 、 为控制变量的下限向量、上限向量，为正常运行状态下状态变量的下限向量、上限向量，xC>x(为预想故障状态下状态变量的下限向量、上限向量； 3、对考虑静态安全约束的最优潮流模型进行求解，得到自动电压控制指令；4、根据得到的自动电压控制指令，对电力系统实施自动电压控制。这种典型的考虑静态安全性的自动电压控制方法，由于静态安全分析所监视的预想故障集Caii中所设置的预想故障数量往往很大，使得模型(5)数学模型规模巨大，在实际自动电压控制的实施中往往求解困难，基本无法在满足在线实施要求的时间内求解；同时由于其严格的故障后安全性约束，可能使得模型(5)优化可行域为空，不存在可行解，此时无法得到可用的自动电压控制指令。因此这种典型的考虑静态安全性的自动电压控制方法难以应对自动电压控制的在线实施的要求。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，提出一种新的考虑静态安全性的自动电压控制方法，本方法使得电力系统的安全性在正常运行状态和预想故障状态下都有所提高，不但大大降低了考虑静态安全性的自动电压控制的求解难度，计算耗时可满足自动电压控制的在线实施的需要；而且在安全约束要求严苛、模型(5)无解时，也可给出一个权衡了经济和安全的协调解，以提供自动电压控制指令；在简化计算的同时，其计算结果又不失准确性，可有效地协调优化电力系统的安全性和经济性。为达到上述目的，本发明提出一种考虑静态安全性的自动电压控制方法。该方法在分析所有历史严重故障的严重程度和时间分布特性的基础上，进行严重筛选，进而在静态安全分析的结果和最优潮流的解之间进行迭代，以得到自动电压控制指令，根据得到的控制指令，实施自动电压控制。本发明提出的考虑静态安全性的自动电压控制方法，其特征在于，该方法在电网控制中心在线实施时，根据电网调度运行对自动电压控制的需求，在每个控制周期进行一次自动电压控制计算；该自动电压控制计算针对控制周期起始时电力系统的控制断面进行；在每次自动电压控制计算开始时，以从历史严重故障信息数据库中得到的严重故障排序表为依据，进行本次自动电压控制计算的严重故障筛选，以最优潮流模型的解作为电力系统的基态，在静态安全分析的结果和最优潮流模型的解之间进行迭代，求解得到本次自动电压控制指令；再对预想故障集Caii进行静态安全分析，根据得到的结果更新历史严重故障信息数据库中的严重故障排序表，供下一次自动电压控制计算使用。上述在每个控制周期进行一次自动电压控制计算，具体包含以下步骤I)从历史严重故障信息数据库中读取严重故障排序表，并以表中信息为依据从预想故障集Caii中筛选出严重故障，组成本次自动电压控制计算的起作用故障集CAc;tive ；
2)求解最优潮流模型(3)，得到正常运行状态试验解(uQ(°)，X。 )min f (x0, u0)s. t. g0 (x0, U0) =0(6) '- ) < U0 <I. < X0 < x(0)其中=u, u(0) =U ,I = 2L，= ,3)以正常运行状态试验解(11/°)，x0(0))作为电力系统的基态，在静态安全分析的结果和最优潮流模型的解之间进行迭代，求解该控制周期的自动电压控制指令；4)根据得到的自动电压控制指令，在该控制周期内对电力系统实施自动电压控制；5)以正常运行状态试验解(uQ(°)，x0(0))作为电力系统的基态，对预想故障集Caii进行静态安全分析，更新历史严重故障信息数据库中的严重故障排序表，供下一次控制周期的自动电压控制计算使用。本发明的方法与传统的考虑静态安全性的自动电压控制方法相比，至少具有以下优点I.基于历史信息的严重故障筛选方法，快速有效地识别和选取会导致当前控制断面安全监视变量出现最大越限的预想故障，大大降低了静态安全分析所需计算的预想故障数量，提高了在线计算速度；2.在静态安全分析结果和最优潮流模型的解之间进行迭代，以求解自动电压控制指令的方法大大降低了考虑静态安全性的自动电压控制模型的求解难度，计算耗时可满足自动电压控制的在线实施的需要；3.在电力系统静态安全性要求严苛、模型(5)无解时，也可给出一个权衡了经济和安全的协调解，以提供自动电压控制指令；4.在简化计算的同时，得到的自动电压控制指令结果又不失准确性，控制指令实施后可使电力系统有功网损和预想故障状态下的最大电压幅值越限量都大幅减小，使得电力系统在经济和安全两方面性能都有大幅提高。
图I为本发明一个实施例应用在IEEE 9节点电力系统的系统模型图。
具体实施例方式下面结合附图及实施例详细描述本发明的内容及特点。实施例中的条件数据是示例性的，仅用于解释本发明，而不能对本发明的保护范围的限制。
本发明提出的考虑静态安全性的自动电压控制方法，其特征在于，该方法在电网控制中心在线实施时，根据电网调度运行对自动电压控制的需求，以一定时间间隔为控制周期，每个控制周期采用本方法进行一次自动电压控制计算。该自动电压控制计算针对控制周期起始时电力系统的断面(某一时刻T电力系统的网络结构、元件参数、潮流结果等信息集合在一起，称为一个断面，或潮流断面)进行，该断面称为控制断面。在每次自动电压控制计算开始时，以从历史严重故障信息数据库中得到的严重故障排序表为依据，进行本次自动电压控制计算的严重故障筛选，以最优潮流模型的解作为电力系统的基态，在静态安全分析的结果和最优潮流模型的解之间进 行迭代，求解得到本次自动电压控制指令。在本次计算得到自动电压控制指令后，再对预想故障集Caii进行静态安全分析，根据得到的结果更新历史严重故障信息数据库中的严重故障排序表，供下一次自动电压控制计算使用；所述在每个控制周期进行一次自动电压控制计算具体包含以下步骤I)从历史严重故障信息数据库中读取严重故障排序表，并以表中信息为依据从预想故障集Caii中筛选出严重故障，组成本次自动电压控制计算的起作用故障集CAc;tive ；2)求解最优潮流模型(3)，得到正常运行状态试验解(uQ(°)，X。 )min f (x0, u0)s. t. g0 (x0, u0) =0(7)u(m < U0 < _xtU! < Xn < Xim其中 (0)= ，Wm=W , I = ，Xm=X .3)以正常运行状态试验解(Uci' x0(0))作为电力系统的基态，在静态安全分析的结果和最优潮流模型的解之间进行迭代，求解该控制周期的自动电压控制指令；4)根据得到的自动电压控制指令，对该控制周期内电力系统实施自动电压控制；5)以正常运行状态试验解(uQ(°)，x0(0))作为电力系统的基态，对预想故障集Caii进行静态安全分析，更新历史严重故障信息数据库中的严重故障排序表，供下一次控制周期的自动电压控制计算使用。上述步骤5)以正常运行状态试验解(Utl(°)，x0(0))作为电力系统的基态，对预想故障集Caii进行静态安全分析，更新历史严重故障信息数据库中的严重故障排序表包含以下步骤(5-1)以正常运行状态试验解(uQ(°)，x0(0))作为系电力统的基态，对预想故障集CAn进行静态安全分析，若状态变量向量X中的第i个变量Xi为安全监视变量(安全监视变量指在电力系统调度运行中监视的一些变量，在静态安全分析的结果中，只关心这些变量在预想故障状态的值是否越限)，计算其在预想故障k状态下的值Xi，k (Xi, k为向量Xk中的第i个元素的值)的越上限量和越下限量立u ^ ^ O
1.0 ( . ^ )⑷4)m
一* ( O(χα— > )
k=l, · · ·，Nci = 1，· · ·，Nx，且Xi为安全监视变量(5-2)筛选导致任意安全监视变量出现最大越限(包括最大越上限和最大越下限)的预想故障，组成严重故障集Csevwity Csmmly^l Jl想故I玲· I 31, \<i<Ns, isN, X1.为安伞视变印
........................I
sΛ.. Sim=XmKSik 或 ^=1118x^1(5-3)对预想故障k，若在其状态下有ntu个安全监视变量出现最大越上限，η,』个安全监视变量出现最大越下限，则记其严重程度指标为将Csevwity中所含预想故障按其严重程度指标进行排序，并以本次计算控制断面的时标T为标识存入历史严重故障信息数据库；(5-4)更新本次自动电压控制计算控制断面时标T所在时段P的历史严重故障信息数据库中严重故障排序表，具体为将全天分为若干个固定时段(如每小时为一个时段，则有24个时段；或每半小时为一个时段，则有48个时段)，历史严重故障信息数据库中保存有各时段的严重故障排序表；预想故障k在时段P的严重程度指标nk，p定义为历史上该预想故障在该时段为严重故障的次数，即nk,p=预想故障k e Cseverity的次数，对W e P %取当前控制断面时标T所在时段P的严重故障排序表中各预想故障的严重程度指标，对V预想故障k e Cseverity,计算nk,p=nk,p+l，并按新的严重程度指标对严重故障进行排序，更新该时段的严重故障排序表，并存入历史严重故障信息数据库。上述步骤I)从历史严重故障信息数据库中读取严重故障排序表，并以表中信息为依据从预想故障集Caii中筛选出严重故障，组成本次自动电压控制计算的起作用故障集
Active 包含以下步骤( 1-1)按严重程度顺序从历史严重故障信息数据库中读取以上一次自动电压控制计算的控制断面时标T为标识的严重故障排序表；( 1-2)按严重程度顺序从历史严重故障信息数据库中读取当前控制断面时标T所在时段P的严重故障排序表；(1-3)在上述步骤(1-1)和(1-2)的两个严重故障排序表中按严重程度从高到低选取Nl个最严重的故障，组成本次自动电压控制计算的起作用故障集CArtive ;其中Niktive为预先设置好的起作用故障集所含预想故障的个数，该个数按历次自动电压控制计算得到的严重故障排序表中所含严重故障个数的均值向上取整进行取值。上述步骤3)以正常运行状态试验解(11/°)，x0(0))作为电力系统的基态，在静态安全分析的结果和最优潮流模型的解之间进行迭代，求解该控制周期的自动电压控制指令包含以下步骤(3-1)令t=0，其中t为迭代序号，t e Z ;(3-2)以解(U(l(t)，χ0ω)作为电力系统基态，对起作用故障集CArtive进行静态安全分析；若静态安全分析结果中安全监视变量的值无越限或越限量小于电力系统运行可允许的最大越限量，转到步骤(3-7)，否则继续进行步骤(3-3)；(3-3)根据静态安全分析结果调整变量的安全限值ii(t+1)、r+1>、l(t+1)、]^+ls;
(3-4)令 t=t+l;(3-5)求解采用调整后的安全限值建立的最优潮流模型(5)min f (x0, U0)s. t. g0 (x0, U0) =0(9)Uin < U0 < WinXin < X0 < x(,)(3-6)当 t>0 时，若 U0⑴-ιιΛ1)彡 tol，且 χ0ω-χ0(Μ)彡 tol (tol 为收敛判据， 根据所控制电力系统的规模不同，可在10+10_2之间进行取值)，转到步骤(3-7)，否则转到步骤(3-2)；(3-7)得到自动电压控制的解(U(l(t)，Χ(1ω)，输出自动电压控制指令。在自动电压控制中，通常只关心母线电压幅值的越限情况，步骤(3-3)具体实施只以母线电压幅值为例给出安全限值的调整公式，如需调整其他类型变量的安全限值，可类似地根据变量的物理特性合理给出计算公式(3-31)若变量Xi为安全监视变量，计算在第t次迭代中预想故障k状态下变量Xi的越上限和越下限量df :
ν (Π' {、· (I) ^ \
x'k —Xi {κ\, V ο (χ,Τ^(10)
[O(气”玉”k=l, . . . , Nc,且预想故障 k e CActivei = 1，· · ·，Nx，且Xi为安全监视变量(3-32)记 ") =mIlx(3-33)计算在第t+Ι次迭代中使用的安全下限Ια+1)和安全上限f11:W11 = miiifx；'0 + kmD ■ ψ,\bmeXi - 4 (12)7广"=max.W ·ξυ\χ Μ Ην,- !"η +4其中kmin、kmax为母线电压幅值下限、上限的调整系数，Xiibase是母线电压幅值Xi在自动电压控制计算前的潮流断面中的值，ε是母线电压幅值上下限间的最小带宽。kmin、kmax通常应在O. 8到I. 2之间取值，ε通常应大于O. Olp. u.。步骤(3-5)求解采用调整后的安全限值建立的最优潮流模型(9)具体步骤如下(3-51)求解模型(9)，若有解，转到步骤(3-53)，否则继续；(3-52)减小kmin、kmax (每次的减小量可取O. 02或O. 05或O. 1)，通过公式(12)重新计算安全限值，转到步骤(3-51)；(3-53)得到解(Utl(W))0下面通过实施例的方式对本发明的方法做进一步的说明。
本发明对一个IEEE 9节点电力系统进行考虑静态安全性的自动电压控制方法的实施例，该电力系统的组成模型如图I所示。该电力系统包含3台发电机G，及3个负荷D，通过9条传输线路连接成一个电力系统，共含有9条母线，图中以序号1-9表示。本实施例是对该IEEE 9节点电力系统实施自动电压控制，给出9条母线电压幅值的自动电压控制指令。本实施例的电力系统静态安全分析所监视的预想故障集设置如表I所示，其中所有预想故障组成预想故障集CA11。设置所有母线电压幅值作为安全监视变量。对任意预想故障状态，任意母线电压幅值的安全上限均设置为Fe = I.13.安全下限均设置为Ye=O. 95。
表I预想故障集Caii设置
将全天分为24个时段,每个小时为一个时段。按电力系统负荷的变化规律,从第I天的8:30到第51天的7:30,每小时生成一个潮流断面,共生成50天的数据，以模拟该电力系统的运行情况。对每个断面进行一次自动电压控制计算，50天电力系统运行和自动电压控制的模拟结束后，得到各时段的严重故障排序表如表2所示。表2各时段严重故障排序表
权利要求
1.一种考虑静态安全性的自动电压控制方法，其特征在于，该方法在电网控制中心在线实施时，根据电网调度运行对自动电压控制的需求，在每个控制周期进行一次自动电压控制计算；该自动电压控制计算针对控制周期起始时电力系统的控制断面进行；在每次自动电压控制计算开始时，以从历史严重故障信息数据库中得到的严重故障排序表为依据，进行本次自动电压控制计算的严重故障筛选，以最优潮流模型的解作为电力系统的基态，在静态安全分析的结果和最优潮流模型的解之间进行迭代，求解得到本次自动电压控制指令；再对预想故障集Caii进行静态安全分析，根据得到的结果更新历史严重故障信息数据库中的严重故障排序表，供下一次自动电压控制计算使用。
2.如权利要求I所述方法，其特征在于，所述在每个控制周期进行一次自动电压控制计算，具体包含以下步骤 1)从历史严重故障信息数据库中读取严重故障排序表，并以表中信息为依据从预想故障集Caii中筛选出严重故障，组成本次自动电压控制计算的起作用故障集CAc;tive ； 2)求解最优潮流模型(3)，得到正常运行状态试验解 min f (x0, u0) s. t. g0 (x0, u0) -0
3.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤5)以正常运行状态试验解(u0(0), x0(0))作为电力系统的基态，对预想故障集Caii进行静态安全分析，更新历史严重故障信息数据库中的严重故障排序表，具体包括以下步骤 (5-1)以正常运行状态试验解作为系电力统的基态，对预想故障集Caii进行静态安全分析，若状态变量向量X中的第i个变量Xi为安全监视变量，计算其在预想故障k状态下向量Xk中的第i个元素的值Xi，k的越上限量和越下限量
4.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤I)从历史严重故障信息数据库中读取严重故障排序表，并以表中信息为依据从预想故障集Caii中筛选出严重故障，组成本次自动电压控制计算的起作用故障集CAc;tive包含以下步骤 (1-1)按严重程度顺序从历史严重故障信息数据库中读取以上一次自动电压控制计算的控制断面时标T为标识的严重故障排序表； (1-2)按严重程度顺序从历史严重故障信息数据库中读取当前控制断面时标T所在时段P的严重故障排序表； (1-3)在步骤(1-1)和(1-2)的两个严重故障排序表中按严重程度从高到低选取Niktive个最严重的故障，组成本次自动电压控制计算的起作用故障集Ciktive ;其中NArtive为预先设置好的起作用故障集所含预想故障的个数，该个数按历次自动电压控制计算得到的严重故障排序表中所含严重故障个数的均值向上取整进行取值。
5.如权利要求2所述方法，其特征在于，所述步骤3)以正常运行状态试验解(u0(0), x0(0))作为电力系统的基态，在静态安全分析的结果和最优潮流模型的解之间进行迭代，求解该控制周期的自动电压控制指令，具体包括以下步骤 (3-1)令t=0，其中t为迭代序号，t G Z ； (3-2)以解(U0aWt))作为电力系统基态，对起作用故障集CArtive进行静态安全分析；若静态安全分析结果中安全监视变量的值无越限或越限量小于电力系统运行可允许的最大越限量，转到步骤(3-7)，否则继续进行步骤(3-3); (3-3)根据静态安全分析结果调整变量的安全限值11_)、妒*、1_)、^"> ；(3-4)令 t=t+l ； (3-5)求解采用调整后的安全限值建立的最优潮流模型(5) min f (x0, U0) s. t. g0 (x0, u0) -0 (3)(3-6)当 t>0 时，若 I U。wIici(tH) I <tol,且 I x/C-x/h) I < toi，tol 为收敛判据，在10_，10_2之间进行取值，转到步骤(3-7)，否则转到步骤(3-2)； (3-7)得到该控制周期的自动电压控制的解(Utl(t)，XtZt))，输出该控制周期的自动电压控制指令。
6.如权利要求5所述方法，其特征在于，所述步骤(3-5)求解采用调整后的安全限值建立的最优潮流模型(5)具体步骤如下 (3-51)求解模型(5)，若有解，转到步骤(3-53)，否则继续； (3-52)减小kmin、kmax，每次的减小量取0. 02或0. 05或0. I ;通过公式(8)重新计算安全限值，转到步骤(3-51)； (3-53)得到解(u0M，x0M)。
全文摘要
本发明涉及一种考虑静态安全性的自动电压控制方法，属于电力系统运行和控制技术领域，该方法根据电网调度运行对自动电压控制的需求，在每个控制周期进行一次自动电压控制计算；在每次计算开始时，以从历史严重故障信息数据库中得到的严重故障排序表为依据，进行本次计算的严重故障筛选，以最优潮流模型的解作为电力系统的基态，在静态安全分析的结果和最优潮流模型的解之间进行迭代，求解得到本次自动电压控制指令；再对预想故障集CAll进行静态安全分析，根据得到的结果更新历史严重故障信息数据库中的严重故障排序表，供下一次计算使用。本方法使得电力系统的安全性在正常运行状态和预想故障状态下都有所提高。
文档编号H02J3/12GK102801165SQ20121028751
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者孙宏斌, 郭庆来, 张伯明, 吴文传, 王彬, 张明晔 申请人:清华大学