一种基于动态分区的大电网紧急状态控制辅助决策方法与流程

本发明属于电力系统运行控制技术领域，具体来说，涉及一种基于动态分区的大电网紧急状态控制辅助决策方法。

背景技术：

随着特高压交直流线路的建成投运，大容量跨区输电的格局逐渐形成。跨区互联电网使各区域电网间的动态耦合特性进一步增强，局部电网故障对大区电网安全稳定性的影响更大。电网进入紧急状态时，若未及时实施采取控制措施，将有可能引发连锁故障，造成大停电事故的发生。

目前电网的运行控制手段从实现方式上主要分类两类，一类是通过改变发电机出力和负荷需求动态调整电网运行方式，一类是利用电力电子设备改变潮流分布。与切机切负荷、解列等传统的二三道防线措施相比，负荷转供仅在小范围内改变网络的拓扑结构，便能在较大程度上降低减供负荷比例，效果显著，可靠性高，已经引起了国内外研究人员的关注。

在这一背景下，当电网处于紧急状态时能否利用包括负荷转供在内的动态分区技术，对分区网络结构进行合理调整，进而控制相关元件的潮流、电压等，使电网退出紧急状态是对保持电网保持安全稳定具有一定的意义。目前针对设备过载、电压越限问题，工程应用上多通过发电机出力调整、投切容抗等措施予以解决。本发明旨在从网络拓扑结构出发，引入动态分区技术，给出协调安全性、经济性等目标的动态分区调整方案，以解决设备过载、电压越限等单一类紧急状态，维护电网的安稳运行。

技术实现要素：

本发明目的是：提供一种基于动态分区的大电网紧急状态控制辅助决策方法，以实现在当前状态或预想故障下电网出现电压越限、设备过载等问题时，及时启动动态分区辅助决策计算，为调度人员提供正确的控制策略建议。

具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤：

1)根据电力系统运行方式及相应的模型和参数，在线进行计算，获取预想故障后的系统潮流数据，进入步骤2)；

2)将电压安全裕度小于设定门槛值η_v,thr1和预想故障后电压安全裕度小于设定门槛值η_v,thr2的母线分别加入到越限母线集和待控母线集，将过载安全裕度小于设定门槛值η_p,thr1和预想故障后过载安全裕度小于设定门槛值η_p,thr2的设备分别加入到过载设备集和待控设备集，其中越限母线集和待控母线集统称为母线考察集，过载设备集和待控设备集统称为设备考察集；

若越限母线集和过载设备集均为空，即电网当前状态下不存在设备过载或电压越限，则结束本方法；否则，进入步骤3)启动基于动态分区的紧急状态控制辅助决策计算；

所述设备指的是线路和变压器；

所述动态分区指的是在大电网进入紧急状态时，通过对部分线路进行投切，改变电网拓扑结构，以减轻或消除紧急状态，包括负荷转供和电磁环网的解合环；

3)设定动态分区方案投切线路条数，筛选可投切线路，形成可选方案空间，进入步骤4)；

4)若越限母线集和过载设备集均非空，表明当前状态下电网发生多类紧急状态且同时存在设备过载和电压越限，则针对可选方案空间中的每个动态分区方案，计算其综合性能指标R_e,i，将综合性能指标大于设定门槛值R_e,i,thre的方案加至待校核方案集中，进入步骤5)；

若越限母线集为空且过载设备集非空，表明当前状态下电网发生单一类紧急状态，存在设备过载，则针对可选方案空间中的每个动态分区方案，计算其综合性能指标ω_p,i，将综合性能指标大于设定门槛值ω_p,i,thre的方案加至待校核方案集中，进入步骤5)；

若越限母线集非空且过载设备集为空，即当前状态下电网发生单一类紧急状态，存在母线电压越限，则针对可选方案空间中的每个动态分区方案，计算其综合性能指标ω_u,i，将综合性能指标大于设定门槛值ω_u,i,thre的方案加至待校核方案集中，进入步骤5)；

R_e,i、ω_p,i和ω_u,i，用于表征第i种动态分区方案对电网当前状态或预想故障下所发生的特定的紧急状态的改善程度，其值越大，效果越好；

5)若待校核方案集非空，针对待校核方案集中的每个动态分区方案，利用交流潮流计算动态分区方案实施后母线考察集中各母线的电压安全裕度和设备考察集中各设备的过载安全裕度，若各母线的电压安全裕度和设备的过载裕度均大于设定门槛值，则将该方案加入可行方案集中；进入步骤6)；

若待校核方案集为空，判断投切线路数是否已经达到上限，若未达到上限，则增加线路投切条数，重新确定可选方案空间，进入步骤3)；若投切线路数已经达到上限，则结束本方法；

6)若可行方案集非空，则针对可行方案集中的多个动态分区方案，基于动态分区量化评价指标体系，进行综合评价，选出最佳控制方案，结束本方法；若可行方案集为空，则将待校核方案集中的各个方案按综合性能指标的大小进行排序，取综合性能指标最大的动态分区方案作为最后的控制方案，结束本方法。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)中，根据公式(1)～(2)计算母线的电压安全裕度：

式中：η_v,i为母线i的电压安全裕度；U_i为母线i的电压幅值；和分别为其上限和下限；

所述设备包括线路和变压器，根据公式(3)和(4)分别计算线路以及变压器的过载安全裕度：

式中：η_pl,i为线路i的过载安全裕度；I_li为线路i的电流值；I_li.lim为线路i的热稳定限值；

式中：η_pt,i为变压器i的过载安全裕度；S_ti为变压器i的视在功率；S_ti.lim为变压器i的额定容量。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)中，根据投切线路形成的可选方案空间，需遵循以下原则：投切的为220kV线路；投入的线路为处于停运且检修结束状态的线路；开合方案需保证供电可靠性，确保不会形成孤网；需要根据电网实际情况设置投切线路的上限。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4)中，根据公式(5)计算R_e,i：

式中：R_e,i为针对电压越限和设备过载的第i种动态分区方案的综合性能指标；i＝1,2,…,I，I为设备考察集中的设备数，j＝1,2,…,J，J为母线考察集中的母线数，η′_p,i和η′_v,j分别为动态分区方案实施后的设备过载安全裕度和母线电压安全裕度，k_pv为过载安全裕度和电压安全裕度之间的换算系数,表明对设备过载和电压越限不同的重视程度；在相应设备为线路时η_p,i等于η_pl,i，在相应设备为变压器时η_p,i等于η_pt,i；

根据公式(6)计算ω_u,i：

式中：ω_u,i为针对电压越限的第i种动态分区方案的综合性能指标；V为母线考察集，包括越限母线集和待控母线集；γ_v为不同电压等级母线的重要性修正因子；N为当前状态下电压越限的母线个数，λ_i,j,v为其中第j个母线的电压安全裕度；S_i,j,v为实施第i种动态分区方案后第j个母线的电压安全裕度变化量；W为预想故障的总数，N_k为其中第k个故障下发生电压越限的母线个数，λ_i,l,k,v为第k个故障下第l个母线的电压安全裕度；S_i,l,k,v为第i种动态分区方案实施后第k个故障下第l个母线的电压安全裕度的变化量；

根据公式(7)计算ω_p,i：

式中：ω_p,i为针对设备过载的第i种动态分区方案的综合性能指标；V为设备考察集，即过载的设备合集；γ_v为不同电压等级设备的重要性修正因子；N为当前状态下过载的设备个数，θ_i,j,v为其中第j个设备的过载安全裕度；μ_i,j,v为实施第i种动态分区方案后第j个设备的过载安全裕度的变化量；W为预想故障的总数，N_k为其中第k个故障下发生过载的设备个数，θ_i,l,k,v为第k个故障下第l个设备的过载安全裕度；μ_i,l,k,v为第i种动态分区方案实施后第k个故障下第l个设备的过载安全裕度的变化量。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤6)中，基于动态分区量化评价指标体系对可行方案集中的动态分区方案进行综合评价，通过以下方式进行：

对于每个方案，首先确定其各级指标的权重，进而通过一定的数学运算方法得到上一级指标的综合评价指标，逐层向上计算，最后得到动态分区方案的综合评价结果；动态分区量化评价指标体系包括安全性、可靠性和经济性三类指标，如下所示：

第一类，安全性指标：

线路负载指标x_L

式中：i＝1,2,…,n_l；η_pl,i为线路i的过载安全裕度；n_l为线路条数；α_li为线路重要性修正因子；

变压器负载指标x_T

式中：i＝1,2,…,n_t；η_pt,i为变压器i的过载安全裕度；n_t为变压器个数；α_ti为变压器重要性修正因子；

电压水平指标λ_U

式中：i＝1,2,…,n_u；n_u为母线数量；η_v,i为母线i的电压安全裕度；α_ui为母线电压重要性修正因子；

短路电流水平指标x_I

式中：i＝1,2,…,n_sc；n_sc为短路故障个数；I_i,sc为第i个短路故障下的短路电流值；I_i,sc.lim为短路母线相连的断路器的遮断容量的最小值；

第二类，可靠性指标：

供电回路数S_M

式中：S_i为不多于两个供电通道的220kV末端变电站的容量；

旋转备用指标x_re

式中：P_SR为有功旋转备用容量；P_SR.lim为有功旋转备用容量的最低限值；

第三类，经济性指标：

系统网损指标S_loss

S_loss＝∑P_G-∑P_D (14)

式中：P_G为发电容量；P_D为负荷容量；

操作代价指标F_c

式中：n为线路开合的次数；f_i为每次开合产生的操作费用，与开关的造价和使用寿命有关。

本发明的有益效果如下：本发明充分考虑了电网当前状态和预想故障下电网可能出现的电压越限和设备过载问题，涉及了校正控制和预防控制。另外，本发明所基于的动态分区技术(包括倒负荷、电磁环网的解合环)，以线路投切为核心，动态调整运行网架的拓扑结构，速度快且控制代价小。最后，本发明根据动态分区量化评价指标体系对可行的动态分区控制方案进行择优，综合考虑各方案对电网安全性、经济性和可靠性的影响，挑选最佳的控制方案。

附图说明

图1为本发明的流程框图。

图2为动态分区方案的量化评价指标体系。

具体实施方式

下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本发明的一个实施例，其步骤如图1所示：

图1中步骤1描述的是，根据电力系统运行方式及相应的模型和参数，在线进行计算，获取预想故障后的系统潮流数据，进入步骤2)；

图1中步骤2描述的是，2)将电压安全裕度小于设定门槛值η_v,thr1和预想故障后电压安全裕度小于设定门槛值η_v,thr2的母线分别加入到越限母线集、待控母线集，将过载安全裕度小于设定门槛值η_p,thr1和预想故障后过载安全裕度小于设定门槛值η_p,thr2的设备分别加入到过载设备集、待控设备集，其中越限母线集和待控母线集统称为母线考察集，过载设备集和待控设备集统称为设备考察集；

若越限母线集和过载设备集均为空，即电网当前状态下不存在设备过载或电压越限，则结束结算；否则，启动基于动态分区的紧急状态控制辅助决策计算，进入步骤3)；

所述设备指的是线路和变压器。

所述动态分区指的是在大电网进入紧急状态时，通过对部分线路进行投切，改变电网拓扑结构，以减轻或消除紧急状态的技术。动态分区技术具体包括两种，一是负荷转供，二是电磁环网的解合环。

所述电网的母线电压安全裕度、设备过载安全裕度的计算方法如下：

本发明考虑的紧急状态包括两个方面：一是当前状态下的电压越限、设备过载；二是预想故障后出现电压越限和设备过载，分别涉及电网的校正控制和预防控制。根据公式(1)～(2)计算母线的电压安全裕度。

式中：η_v,i为母线i的电压安全裕度；U_i为母线i的电压幅值；和分别为其上限和下限。

根据公式(3)和(4)分别计算线路以及变压器的过载安全裕度。

式中：η_pl,i线路i的过载安全裕度；I_li为线路i的电流值；I_li.lim为线路i的热稳定限值。

式中：η_pt,i为变压器i的过载安全裕度；S_ti为变压器i的视在功率；S_ti.lim为变压器i的额定容量。

图1中步骤3描述的是，设定动态分区方案投切线路条数，筛选可投切线路，形成可选方案空间，进入步骤4)；

所述由投切线路所形成的可选方案空间的制定需遵循以下原则：

(1)投切的线路为220kV线路；

(2)投入的线路为处于停运且检修结束状态的线路；

(3)开合方案需保证供电可靠性，确保不会形成孤网；

(4)考虑到仅依靠动态分区方案可能无法完全解决电网紧急状态，且如同时投切的线路数过多，不但会加大计算量，而且实际调度运行中难以操作，因此需要根据电网实际情况设置投切线路的上限；

一般初始投切线路数设为1，在此基础上依次递增。

图1中步骤4描述的是，若越限母线集和过载设备集均非空，即当前状态下电网同时存在设备过载和电压越限，则针对可选方案空间中的每个动态分区方案，计算其综合性能指标R_e,i，将综合性能指标大于设定门槛值R_e,i,thre的方案加至待校核方案集中，进入步骤5)；若越限母线集为空，过载设备集非空，即当前状态下电网发生了设备过载，则针对可选方案空间中的每个动态分区方案，计算其综合性能指标ω_p,i，将综合性能指标大于设定门槛值ω_p,i,thre的方案加至待校核方案集中，进入步骤5)；若越限母线集非空，过载设备集为空，即当前状态下电网发生了母线电压越限，则针对可选方案空间中的每个动态分区方案，计算其综合性能指标ω_u,i，将综合性能指标大于设定门槛值ω_u,i,thre的方案加至待校核方案集中，进入步骤5)；

所述综合性能指标(R_e、ω_u,i和ω_p,i)表征第i种动态分区方案对当前状态或预想故障下所发生的特定的紧急状态的改善程度，其值越大，效果越好。

电网发生多类紧急状态，即电网同时出现电压越限和设备过载时，根据公式(5)计算一套动态分区方案对改善多类紧急状态的效果。

式中：R_e,i针对电压越限和设备过载的第i种动态分区方案的综合性能指标；i＝1,2,…,I，I为设备考察集中的设备数，j＝1,2,…,J，J为母线考察集中的母线数，η′_p,i和η′_v,j分别为动态分区方案实施后的设备过载安全裕度和母线电压安全裕度，k_pv为过载安全裕度和电压安全裕度之间的换算系数，表明对设备过载和电压越限不同的重视程度(一般取0.5～1.5之间)。在相应设备为线路时η_p,i等于η_pl,i，在相应设备为变压器时η_p,i等于η_pt,i。

电网发生单一类紧急状态，即电网出现电压越限或设备过载时，分别根据公式(6)、公式(7)计算动态分区方案对紧急状态的改善效果。

式中：ω_u,i为针对电压越限的第i种动态分区方案的综合性能指标；V为母线考察集，包括越限母线集和待控母线集；γ_v为不同电压等级母线的重要性修正因子；N为当前状态下电压越限的母线个数，λ_i,j,v为其中第j个母线的电压安全裕度；S_i,j,v为实施第i种动态分区方案后第j个母线的电压安全裕度变化量；W为预想故障的总数，N_k为其中第k个故障下发生电压越限的母线个数，λ_i,l,k,v为第k个故障下第l个母线的电压安全裕度；S_i,l,k,v为第i种动态分区方案实施后第k个故障下第l个母线的电压安全裕度的变化量。

式中：ω_p,i为针对设备过载的第i种动态分区方案的综合性能指标；V为设备考察集，即过载的设备(线路/变压器)合集；γ_v为不同电压等级设备的重要性修正因子；N为当前状态下过载的设备个数，θ_i,j,v为其中第j个设备的过载安全裕度；μ_i,j,v为实施第i种动态分区方案后第j个设备的过载安全裕度的变化量；W 为预想故障的总数，N_k为其中第k个故障下发生过载的设备个数，θ_i,l,k,v为第k个故障下第l个设备的过载安全裕度；μ_i,l,k,v为第i种动态分区方案实施后第k个故障下第l个设备的过载安全裕度的变化量。

图1中步骤5描述的是，若待校核方案集非空，针对待校核方案集中的每个动态分区方案，利用交流潮流计算动态分区方案实施后母线考察集中各母线的电压安全裕度和设备考察集中各设备的过载安全裕度，若各母线的电压安全裕度和设备的过载裕度均大于设定门槛值，则将该方案加入可行方案集中。进入步骤6)。

若待校核方案集为空，判断投切线路数是否已经达到上限，若未达到上限，则增加线路投切条数，重新确定可选方案空间，进入步骤3)；若投切线路数已经达到上限，则结束计算；

图1中步骤6描述的是，若可行方案集非空，则针对对可行方案集中的多个动态分区方案，基于动态分区量化评价指标体系，进行综合评价，选出最佳控制方案，结束计算；若可行方案集为空，则将待校核方案集中的各个方案按综合性能指标的大小进行排序，取综合性能指标最大的动态分区方案作为最后的控制方案，结束计算。

所述对可行方案集中的动态分区方案进行综合评价的方法如下：

基于动态分区量化评价指标体系，对于每个方案，首先确定其各级指标的权重，进而通过一定的数学运算方法得到上一级指标的综合评价指标，逐层向上计算，最后得到动态分区方案的综合评价结果。

动态分区量化评价指标体系包括安全性、可靠性和经济性三类指标，如图2所示，具体指标如下：

第一类，安全性指标：

(1)线路负载指标x_L

式中：i＝1,2,…,n_l；η_pl,i为线路i的过载安全裕度；n_l为线路条数；α_li为线路重要性修正因子。

(2)变压器负载指标x_T

式中：i＝1,2,…,n_t；η_pl,i为变压器i的过载安全裕度；n_t为变压器个数；α_ti为变压器重要性修正因子。

(3)电压水平指标λ_U

式中：i＝1,2,…,n_u；n_u为母线数量；η_v,i为母线i的电压安全裕度；α_ui为母线电压重要性修正因子。

(4)短路电流水平指标x_I

式中：i＝1,2,…,n_sc；n_sc为短路故障个数；I_i,sc为第i个短路故障下的短路电流值。I_i,sc.lim为短路母线相连的断路器的遮断容量的最小值。

第二类，可靠性指标：

(1)供电回路数S_M

式中：S_i为不多于两个供电通道的220kV末端变电站的容量。

(2)旋转备用指标x_re

式中：P_SR为有功旋转备用容量；P_SR.lim为有功旋转备用容量的最低限值。

《国家电网安全稳定计算技术规范》指出一般按不大于2％～5％的实际负荷确定有功旋转备用。因此，P_SR.lim可取系统最大负荷的2％。

第三类，经济性指标：

(1)系统网损指标S_loss

S_loss＝∑P_G-ΣP_D 公式(14)

式中：P_G为发电容量；P_D为负荷容量。

(2)操作代价指标F_c

式中：n为线路开合的次数；f_i为每次开合产生的操作费用，与开关的造价和使用寿命有关。

指标的权重的确定是综合评价算法的核心，一般有主观赋权法、客观赋权法及综合赋权法。本实施例采用隶属于主观赋权法的层次分析法确定各级指标的权重。

考虑到本发明所提动态分区量化评价指标体系所包含的指标均为偏小型指标，即指标评估值越低，指标属性越好，在对单一评价指标进行赋权时，应给更为重要的指标赋以更低的权重。

权重确定之后，可通过模糊数学等运算方法确定每级指标的综合评价指标。本实施例考虑采用线性加权的方法获取综合评价结果，可记为：

式中：为各指标集的权重；β_j为各指标集中单个指标的权重；x_j为指标集中的单个指标；n为每个指标集中指标的个数。

综上所述，根据综合评价结果的大小可对多个动态分区方案进行优劣排序，综合评价结果愈小其可行性愈好。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。