考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法与流程

本发明涉及输电网规划技术领域，具体涉及一种考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法。

背景技术：

随着我国对高压直流输电的推进，多条特高压交流、直流输电线路落点上海，使得上海电网的受电比例不断攀升。以上海为典型的大都市，用电需求量大，用电负荷具有典型的城市电网负荷特征：用电总负荷大；平均负荷密度高；用电峰谷差逐年拉大，致使电网调峰问题凸显。由于电网受电比例攀升，同时受电网削峰填谷等措施影响，迫使大量本地火电机组超常规调峰甚至停机，从而导致了电网“强馈入弱开机”的运行方式，造成上海电网的动态无功备用容量大幅降低，对电网的电压稳定造成负面影响。

在电网受电比例高达总用电负荷40％的运行现状下，为了保证电网能够安全稳定地运行，本地发电机组必须保持低负荷运行，使得本地机组发电单位能耗和单位污染物排放量较高，并且长期低负荷运行给发电机组安全稳定运行带来更高风险，进而影响电网安全稳定运行。有必要通过合理安排“强馈入弱开机”条件下本地机组的运行方式，减少机组开机时间，从而保证电网运行的经济性并减小污染排放。

目前电网中机组的开机方式安排通常只考虑电力平衡和潮流越限，很少考虑电压稳定性和调峰需求。本文结合上海电网“强馈入弱开机”运行方式情况，充分考虑静态、暂态电压稳定性的前提下，通过电力平衡分析，系统潮流分析，电压稳定分析，调峰平衡分析以及电量置换措施确定本地机组最优开机规模，进行机组开机方式的合理安排，在确保电网安全运行的同时，保证电网运行的经济性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，通过统筹考虑电力平衡需求、潮流控制需求、电压稳定需求、调峰要求的多重因素，合理安排电网机组开机方式，确保城市电网安全稳定运行，具有逻辑结构清晰、实用合理的优点。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，以确定电网本地机组的最优开机规模，其特征是，包含以下步骤：

S1、以包括正常运行情况及重负荷情况下的潮流等式约束以及不等式约束作为约束条件，建立考虑电压稳定性的机组最优开机方式的电力系统数学模型；

S2、对电力系统数学模型进行二进制编码，生成初始种群，并采用自适应遗传算法和连续潮流算法相结合的混合算法求解确定满足电力平衡、潮流平衡以及电压稳定性条件下的最优机组开机方式；

S3、对步骤S2获得的最优机组开机方式进行调峰平衡分析，并通过电量置换及机组调整措施确定本地机组最优开机规模。

上述的考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，其中，所述的步骤S1中：

建立数学模型时将电力系统的最大电压稳定裕度作为目标函数。

上述的考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，其特征是，所述的步骤S1具体包含：

以电力系统的电压稳定裕度最大作为数学模型的目标函数，以正常运行情况及重负荷情况下的潮流等式约束以及包含节点电压约束、发电机有功出力约束、发电机无功出力约束以及线路潮流约束的不等式约束作为约束条件建立考虑电压稳定性的机组最优开机方式的数学模型；

所述的目标函数为：

min-λ；

所述的约束条件为：

正常运行方式下：

重负荷运行方式下：

P_Gi(λ)＝P_Gi(0)(1+λ)

Q_Gi(λ)＝Q_Gi(0)(1+λ)

U_i,min≤U_i≤U_i,max(i∈S_B)

P_Gi,min≤P_Gi≤P_Gi,max(i∈S_G)

Q_Gi,min≤Q_Gi≤Q_Gi,max(i∈S_G)

式中，λ为系统电压稳定裕度；P_Gi、Q_Gi为发电机i的有功、无功出力；P_Di、Q_Di为节点i的有功、无功负荷；U_i、θ_i和U_j、θ_j分别为节点i电压幅值、相角和节点j的电压幅值、相角，且θ_ij＝θ_i-θ_j；G_ij、B_ij分别为节点导纳矩阵第i行，第j列的实部和虚部；P_Di(λ)、Q_Di(λ)分别为重负荷运行状态下节点i的负荷情况；P_Gi(λ)、Q_Gi(λ)分别为重负荷状态下发电机i的出力情况；P_Di(0)、Q_Di(0)分别为节点i的基本有功负荷和基本无功负荷；S为规定λ适当比例的视在功率；为节点i负荷变化的功率因数角；P_Gi(0)、Q_Gi(0)分别为发电机i的基本有功出力和基本无功出力；U_i,max、U_i,min分别是节点i电压上下限；P_G,max、P_G,min和Q_G,max、Q_G,min分别发电机i有功、无功出力上下限；S_B为系统所有节点集合；S_G为所有发电机集合；S_l为所有支路线路集合；P_ij为节点i和节点j之间的线路的有功潮流。

上述的考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，其中，所述步骤S2中：

电压稳定裕度是指负荷不断增加直到系统处于稳定临界点时的负荷水平与当前稳定状态的负荷水平之差。

电压稳定裕度计算公式为：

式中，P_max为临界状态下的极限有功负荷，P₀为当前运行方式下的有功负荷。

上述的考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，其中，所述的步骤S3具体包含：

对步骤S2获得的最优开机方式进行调峰平衡分析，评估该开机方式在低谷时段的调峰平衡是否存在缺口，若存在缺口，则在低谷时段通过用电量置换和机组调停来确定本地机组的最优开机方式。

本发明与现有技术相比具有以下优点：通过统筹考虑电力平衡需求、潮流控制需求、电压稳定需求、调峰要求的多重因素，合理安排电网机组开机方式，确保城市电网安全稳定运行，具有逻辑结构清晰、实用合理的优点。

附图说明

图1为本发明的方法流程图；

图2为本发明实施例中的PV曲线图；

图3为本发明实施例中的基于PV曲线的连续潮流计算过程示意图；

图4为本发明实施例中的混合算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

本发明提出了一种考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，以确定电网本地机组的最优开机规模，如图1所示，该方法包含以下步骤：

S1、以包括正常运行情况及重负荷情况下的潮流等式约束以及不等式约束作为约束条件，建立考虑电压稳定性的机组最优开机方式的电力系统数学模型；

S2、对电力系统数学模型进行二进制编码，生成初始种群，并采用自适应遗传算法和连续潮流法相结合的混合算法进行全局寻优，求解确定满足电力平衡、潮流平衡以及电压稳定性条件下的最优机组开机方式；

S3、对步骤S2获得的最优机组开机方式进行调峰平分析，并通过电量置换及机组调整措施确定本地机组最优开机规模。

上述的考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，其中，所述的步骤S1中：建立数学模型时将电力系统的最大电压稳定裕度作为目标函数,保证电网运行的电压稳定性。

上述的考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，其中，所述的步骤S1具体包含：以电力系统的电压稳定裕度最大作为数学模型的目标函数，以正常运行情况及重负荷情况下的潮流等式约束以及不等式约束(节点电压约束，发电机有功出力约束，发电机无功出力约束以及线路潮流约束)作为约束条件建立考虑电压稳定性的机组最优开机方式的数学模型；

所述的目标函数为：

min-λ；

所述的约束条件为：

正常运行方式下：

重负荷运行方式下：

P_Gi(λ)＝P_Gi(0)(1+λ)

Q_Gi(λ)＝Q_Gi(0)(1+λ)

U_i,min≤U_i≤U_i,max(i∈S_B)

P_Gi,min≤P_Gi≤P_Gi,max(i∈S_G)

Q_Gi,min≤Q_Gi≤Q_Gi,max(i∈S_G)

式中，λ为系统电压稳定裕度；P_Gi、Q_Gi为发电机i的有功、无功出力；P_Di、Q_Di为节点i的有功、无功负荷；U_i、θ_i和U_j、θ_j分别为节点i电压幅值、相角和节点j的电压幅值、相角，且θ_ij＝θ_i-θ_j；G_ij、B_ij分别为节点导纳矩阵第i行，第j列的实部和虚部；P_Di(λ)、Q_Di(λ)分别为重负荷运行状态下节点i的负荷情况；P_Gi(λ)、Q_Gi(λ)分别为重负荷状态下发电机i的出力情况；P_Di(0)、Q_Di(0)分别为节点i的基本有功负荷和基本无功负荷；S为规定λ适当比例的视在功率，节点i的负荷变化率的乘子；S为规定λ适当比例的视在功率；为节点i负荷变化的功率因数角；P_Gi(0)、Q_Gi(0)分别为发电机i的基本出力；k_Gi指定了随着λ变化，发电机i的出力变化率的乘子；U_i,max、U_i,min分别是节点i电压上下限；P_G,max、P_G,min和Q_G,max、Q_G,min分别发电机i有功、无功出力上下限；S_B为系统所有节点集合；S_G为所有发电机集合；S_l为所有支路线路集合；P_ij为节点i和节点j之间的线路的有功潮流。

本实施例中，电压稳定裕度是指负荷不断增加直到系统处于稳定临界点时的负荷水平与当前稳定状态的负荷水平之差。所述的PV曲线如图2所示，通过系统当前运行点与临界运行点间的有功功率差，即负荷裕度衡量系统的电压稳定性优劣。

上述的考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，其中，所述步骤S2中：

电压稳定裕度计算公式为：

式中，P_max为临界状态下的极限有功负荷，P₀为当前运行方式下的有功负荷由原始数据提供，P_max通过连续潮流计算获得，λ表示当前运行状态负荷裕度，λ越小表示当前运行点距极限运行越接近，即承受负荷功率变化的能力越弱，根据《国家电网安全稳定计算技术规范》规定，正常、检修状态下负荷裕度不小于8％，其他故障情况下负荷裕度不小于5％。

步骤S2中的连续潮流算法是通过预估，不断增加系统的负荷，再对预估值进行修正，得到随负荷不断变化的潮流解，以求得系统处于临界状态下的极限有功负荷，主要可分为：参数化、预估、校正、步长四个步骤，具体迭代过程如图3所示。首先，利用基本潮流，求得初始解A，通过正切预测值估计负荷增长后的解B，然后，用校正步对B值就行潮流计算确定精确解C，不断重复上述过程，当估计负荷D超过最大系统负荷，说明校正步不收敛，此时保持节点电压不变，进行修正得到解E。当到达负荷临界极限时，为确定准确的最大负荷，需要逐渐减小负荷预测的步长。

步骤S2中自适应遗传算法和连续潮流法相结合的混合算法，通过遗传算法二进制编码方式，生成初始种群；利用选择、交叉、变异操作对种群进行寻优迭代过程，求解最优个体；在寻优过程中，利用连续潮流算法来求解作为衡量种群中个体优劣的适应度，即电压稳定裕度。具体计算步骤如图4所示，具体包含以下步骤：

步骤S2.1：输入系统原始数据；

步骤S2.2：生成初始种群P：利用遗传算法对机组进行二进制编码生成初始种群。其中，基因值为1表示机组开启状态，0则表示机组停用状态。染色体的长度应该等于机组的总数，每个染色体则表示一种机组开机优化方案。

步骤S2.3：对每个个体进行校验是否满足调峰平衡需求，若不满足，则重新生成新个体。

步骤S2.4：计算个体适应度V：利用连续潮流法求解种群P中个体的适应度V(即系统的电压稳定裕度λ)并进行排序，过程中，需要使用如图2所示的PV曲线；

步骤S2.5：依次执行选择操作、交叉操作、变异操作，生成子代；

步骤S2.6：对生成的子代进行校验是否满足调峰平衡需求，若不满足，则用生成子代中满足要求的适应度最高的个体替代；若满足，返回步骤S2.3，并多次重复进行步骤S2.3、S2.4、S2.5操作；

步骤S2.7：当达到进化最大次数时，得出最优解。

其中，步骤S2.4在进行连续潮流计算时，需要进行以下操作：

步骤S2.41：参数化：采用局部参数化方法，使控制参数γ或状态变量x中的任何分量x_k将解曲线参数化，这是步长为dλ或dx_k；

步骤S2.42：预估：找到下一个解的近似解，在连续潮流过程中的第i步，已知潮流方程f(x,γ)＝0的解(x⁽ⁱ⁾,γ⁽ⁱ⁾)，预估就是找出下一个解(x⁽ⁱ⁺¹⁾,γ⁽ⁱ⁺¹⁾)的近似解

步骤S2.43：校正：以预估得到的近似解作为初始值进行校正。

所述的考虑电力系统电压稳定性的机组最优开机方式安排方法，其中，所述的步骤S4具体包含：对步骤S2获得的最优开机方式进行调峰平衡分析以应对电网峰谷差大的问题，评估该开机方式在低谷时段的调峰平衡是否存在缺口，若存在缺口，则在低谷时段通过用电量置换和机组调停来确定本地机组的最优开机方式。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。