计及直流闭锁故障的含风电场电力系统调度优化方法及系统与流程

本发明涉及一种计及直流闭锁故障的含风电场电力系统调度优化方法，属于电力系统运行和控制技术领域。

背景技术：

我国西部地区不仅水电、煤炭等常规资源较为丰富，而且风电、光伏发电等新能源的开发也日趋成熟，但受经济水平限制，当地电网的负荷水平相对较低，电力存在较大富余；而东部沿海地区经济发达，但能源供应相对不足。由于特高压直流输电在远距离传输和隔离交流电网故障方面具有天然的优势，因此成为西部能源输送到东部负荷中心的主要方式。

与此同时，近几年风电发展迅猛,风电出力的随机波动增加了系统运行方式的不确定性,确定运行方式下的小干扰稳定研究存在着一定的局限性。因此，针对含风电场的交直流互联电力系统调度优化问题，合理有序安排交直流受端电网中机组的启停和出力，对于充分消纳多回直流落地功率的同时，保证正常情况和直流闭锁故障后电网频率、电压、线路潮流满足运行要求，对于交直流混联受端电网的安全稳定运行有着重要的意义。

技术实现要素：

为了克服特高压直流双极闭锁后,含风电场的受端电网可能出现频率降低、功率大范围转移等运行情况，甚至引起低频减载、线路越限等电网事故，本发明提供一种计及直流闭锁故障的含风电场电力系统调度优化方法及系统，实现了直流闭锁对电网安全稳定运行，保障了直流功率的合理消纳。

为解决上述技术问题，本发明提供

一种计及直流闭锁故障的含风电场电力系统调度优化方法，其特征在于，

包括如下步骤：

1)获取含风电场电力系统的电网网架、负荷预测值、风电功率预测值、机组参数、特高压直流参数；

2)将所述含风电场电力系统的电网网架、负荷预测值、风电功率预测值、机组参数、特高压直流参数输入至预先构建的交直流受端电网机组组合模型；所述交直流受端电网机组组合模型包括目标函数以及电网运行约束条件，所述电网运行约束条件包括在输送功率最大的直流发生双极闭锁后，将电网最低频率约束在规定的范围，以及当电网中任一回直流双极闭锁后，电网中有足够的备用容量保证电网重新实现有功平衡的约束条件；

3)输出所述含风电场电力系统的直流最优输送容量、风电场最优出力、最优机组启停和出力计划。

进一步的，所述直流受端电网机组组合模型的目标函数为：

上式为模型的最小费用目标函数，忽略直流和风电运行成本，费用包含常规火电机组的发电成本和启动费用两部分，各变量的含义如下：csum为运行总费用；t为调度时段总数；ng为火电机组总数；为机组在时段的有功输出和启停变量，0为停机，1为开机；为机组i的发电成本函数，具体为：ai、bi和ci分别为运行费用的二次系数、一次系数和常数项，为机组i的启动费用，与机组的停机时间有关，t为优化时间。

进一步的，所述直流受端电网机组组合模型的电网运行约束条件如下：

在电网正常运行时约束条件下：

1)直流系统约束条件

①直流输电约束条件：

l∈nd,t∈t(5)

②直流节点功率平衡

l∈nd,t∈t(8)

式(2)-(8)为直流系统的约束条件，包括直流功率计算公式和接入节点的功率平衡，各变量含义如下：为直流输送的有功功率和无功功率；α、γ分别表示直流的触发角和熄弧角；vac表示换流站交流母线侧电压；vdc、idc为直流电压和电流；gp、gq表示直流输送有功和无功功率与各直流变量之间的函数关系；pd,l,max为直流系统的额定有功功率；nd为电网的直流数量；为节点m、n在时段t的电压幅值；为节点m、n在时段t的电压相角差；gmn、bmn为节点m、n在导纳矩阵中对应元素的实部和虚部，节点m在时段t的有功、无功负荷；

2)交流系统约束条件

①节点功率平衡

常规节点有功、无功平衡：

m∈nb,t∈t(11)

②线路有功约束：

③节点电压约束：

式(9)-(13)为交流电网的约束条件，其中，节点功率平衡保证有功、无功功率的平衡；线路有功约束保证电网中所有线路均运行在载流量以内；节点电压约束则保证电压运行在合理范围内，各变量含义如下：为机组在时段的有功输出和启停变量，nb为电网中常规交流节点的数量；nm为节点m所连接发电机的集合；nl为电网中线路数量；为机组i在时段t的无功出力；为节点m的风电出力变量；为线路m-n在时段t的有功功率；plmn,max、plmn,min为线路m-n的有功功率上下限；vm,max、vm,min为节点m电压幅值的上下限；3)机组约束条件

①有功、无功功率上下限约束

②最小开停机时间约束：

③机组启动费用：

i∈ng,t∈t(21)

式(14)-(21)为发电机的约束条件，包括机组容量约束、最小开停机时间约束和机组启动费用计算公式，各变量含义如下：为机组提供的备用容量；pg,i,min为机组有功出力上下限；pi,min为机组考虑爬坡约束的有功出力上下限；为风电场出力最大值；uri、dri为机组有功出力每分钟的增加和减少的容量；qg,i,min为机组无功出力的上下限；ti,up、ti,down为机组的最小开停机时段数；分别为机组连续运行和停机的时段数；hsti、csti分别机组的热、冷启动费用；ti,cold为机组的冷启动时间；

4)直流闭锁后一次调频容量约束

式中，kg,i为机组i的单位调节功率系数；kl为负荷的单位调节功率系数；δf为电网运行要求的最大频率偏差，取±0.2hz；为t时段单回直流的最大功率，其计算公式如式(23)，引入式(22)的意义在于当输送功率最大的直流发生双极闭锁后，在发电机和负荷单位频率调节效应下，电网最低频率应在规定的范围；

5)直流闭锁后二次调频容量约束

式(24)的意义在于当电网中任一回直流双极闭锁后，电网中有足够的备用容量保证电网重新实现有功平衡；

在直流闭锁后电网运行约束条件下：

①节点功率平衡：常规节点有功、无功平衡：

m∈nb,t∈t,l∈nd(27)

②线路有功约束：

③节点电压约束：

式中，下标l表示第l回直流闭锁且二次调频结束后的电网运行状态变量，分别为机组i二次调频时的有功、无功功率调整量，取决于该机组的备用容量；

式(1)～(29)组成本文所述的交直流受端电网机组组合模型。

进一步的，所述步骤3)，具体为：

将交直流受端电网机组组合模型分解为机组组合主模型、电网运行约束子模型和二次调频子模型，然后对各子模型进行线性化求解的基础上，基于benders分解理论建立主模型与两个子模型之间的协调机制，当主模型的优化结果同时满足两个子模型的验证计算时，得到整个模型的最优解。

进一步的，所述机组组合主模型：

由目标函数(1)、约束条件(4)、(14)-(24)以及由电网运行约束子模型和二次调频子模型返回的benders割组成，为保证有功功率平衡，增加式(30)所示的负荷平衡约束条件，

式中，为t时段的总负荷，为t时段的网损，由电网运行约束子模型计算得到，将主模型中目标函数、约束条件分别线性化后，采用混合整数算法求解得到机组启停变量常规发电机有功出力和直流输送有功的优化结果。

一种计及直流闭锁故障的含风电场电力系统调度优化系统，

包括数据获取模块、机组组合模型模块以及最优化计算模块；

所述数据获取模块用于获取含风电场电力系统的电网网架、负荷预测值、风电功率预测值、机组参数、特高压直流参数，并输入至所述机组组合模型模块；

所述机组组合模型模块用于将所述电网网架、负荷预测值、风电功率预测值、机组参数、特高压直流参数输入至预先构建的交直流受端电网机组组合模型；所述交直流受端电网机组组合模型包括目标函数以及电网运行约束条件，所述电网运行约束条件包括在输送功率最大的直流发生双极闭锁后，将电网最低频率约束在规定的范围，以及当电网中任一回直流双极闭锁后，电网中有足够的备用容量保证电网重新实现有功平衡的约束条件；

所述最优化计算模块用于输出所述含风电场电力系统的直流最优输送容量、风电场最优出力、最优机组启停和出力计划。

进一步的，所述目标函数为：

上式为模型的最小费用目标函数，忽略直流和风电运行成本，费用包含常规火电机组的发电成本和启动费用两部分，各变量的含义如下：csum为运行总费用；t为调度时段总数；ng为火电机组总数；为机组在时段的有功输出和启停变量，0为停机，1为开机；为机组i的发电成本函数，具体为：ai、bi和ci分别为运行费用的二次系数、一次系数和常数项，为机组i的启动费用，与机组的停机时间有关，t为优化时间。

进一步的，所述电网运行约束条件如下

电网正常运行时约束条件：

1)直流系统约束条件

①直流输电约束条件：

l∈nd,t∈t(5)

②直流节点功率平衡

l∈nd,t∈t(8)

式(2)-(8)为直流系统的约束条件，包括直流功率计算公式和接入节点的功率平衡，各变量含义如下：为直流输送的有功功率和无功功率；α、γ分别表示直流的触发角和熄弧角；vac表示换流站交流母线侧电压；vdc、idc为直流电压和电流；gp、gq表示直流输送有功和无功功率与各直流变量之间的函数关系；pd,l,max为直流系统的额定有功功率；nd为电网的直流数量；为节点m、n在时段t的电压幅值；表示节点m、n在时段t的电压相角差；gmn、bmn为节点m、n在导纳矩阵中对应元素的实部和虚部，节点m在时段t的有功、无功负荷；

2)交流系统约束条件

①节点功率平衡

常规节点有功、无功平衡：

m∈nb,t∈t(11)

②线路有功约束：

③节点电压约束：

式(9)-(13)为交流电网的约束条件，其中，节点功率平衡保证有功、无功功率的平衡；线路有功约束保证电网中所有线路均运行在载流量以内；节点电压约束则保证电压运行在合理范围内，各变量含义如下：为机组在时段的有功输出和启停变量，nb为电网中常规交流节点的数量；nm为节点m所连接发电机的集合；nl为电网中线路数量；为机组i在时段t的无功出力；为节点m的风电出力变量；为线路m-n在时段t的有功功率；plmn,max、plmn,min为线路m-n的有功功率上下限；vm,max、vm,min为节点m电压幅值的上下限；3)机组约束条件

①有功、无功功率上下限约束

②最小开停机时间约束：

③机组启动费用：

i∈ng,t∈t(21)

式(14)-(21)为发电机的约束条件，包括机组容量约束、最小开停机时间约束和机组启动费用计算公式，各变量含义如下：为机组提供的备用容量；pg,i,min为机组有功出力上下限；pi,min为机组考虑爬坡约束的有功出力上下限；为风电场出力最大值；uri、dri为机组有功出力每分钟的增加和减少的容量；qg,i,min为机组无功出力的上下限；ti,up、ti,down为机组的最小开停机时段数；分别为机组连续运行和停机的时段数；hsti、csti分别机组的热、冷启动费用；ti,cold为机组的冷启动时间；

4)直流闭锁后一次调频容量约束

式中，kg,i为机组i的单位调节功率系数；kl为负荷的单位调节功率系数；δf为电网运行要求的最大频率偏差，取±0.2hz；为t时段单回直流的最大功率，其计算公式如式(23)，引入式(22)的意义在于当输送功率最大的直流发生双极闭锁后，在发电机和负荷单位频率调节效应下，电网最低频率应在规定的范围；

5)直流闭锁后二次调频容量约束

式(24)的意义在于当电网中任一回直流双极闭锁后，电网中有足够的备用容量保证电网重新实现有功平衡；

直流闭锁后电网运行约束条件：

①节点功率平衡：常规节点有功、无功平衡：

m∈nb,t∈t,l∈nd(27)

②线路有功约束：

③节点电压约束：

式中，下标l表示第l回直流闭锁且二次调频结束后的电网运行状态变量，分别为机组i二次调频时的有功、无功功率调整量，取决于该机组的备用容量；

式(1)～(29)组成本文所述的交直流受端电网机组组合模型。

进一步的，所述最优化计算模块具体为：将交直流受端电网机组组合模型分解为机组组合主模型、电网运行约束子模型和二次调频子模型，然后对各子模型进行线性化求解的基础上，基于benders分解理论建立主模型与两个子模型之间的协调机制，当主模型的优化结果同时满足两个子模型的验证计算时，得到整个模型的最优解。

进一步的，所述机组组合主模型：

由目标函数(1)、约束条件(4)、(14)-(24)以及由电网运行约束子模型和二次调频子模型返回的benders割组成，为保证有功功率平衡，增加式(30)所示的负荷平衡约束条件，

式中，为t时段的总负荷，为t时段的网损，由电网运行约束子模型计算得到，将主模型中目标函数、约束条件分别线性化后，采用混合整数算法求解得到机组启停变量常规发电机有功出力和直流输送有功的优化结果。

本发明所达到的有益效果：

进行求解得到直流最优输送容量和最优机组启停和出力计划，在充分消纳直流输送功率的同时提高了交直流受端电网运行的安全性。

附图说明

图1是本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种计及直流闭锁故障的含风电场电力系统调度优化方法，包括以下步骤：

1)获取含风电场电力系统的电网网架、负荷预测值、风电功率预测值、机组参数、特高压直流参数；

2)将所述含风电场电力系统的电网网架、负荷预测值、风电功率预测值、机组参数、特高压直流参数输入至预先构建的交直流受端电网机组组合模型；所述交直流受端电网机组组合模型包括目标函数以及电网运行约束条件，所述电网运行约束条件能够在输送功率最大的直流发生双极闭锁后，将电网最低频率约束在规定的范围，当电网中任一回直流双极闭锁后，电网中有足够的备用容量保证电网重新实现有功平衡；

3)输出所述含风电场电力系统的直流最优输送容量、风电场最优出力、最优机组启停和出力计划。

本实施例中，所述交直流受端电网组合模型的目标函数为：

上式为模型的最小费用目标函数，忽略直流和风电运行成本，费用主要包含常规火电机组的发电成本和启动费用两部分，各变量的含义如下：csum为运行总费用；t为调度时段总数；ng为火电机组总数；为机组在时段的有功输出和启停变量，0为停机，1为开机；为机组i的发电成本函数，具体为：sti^t为机组i的启动费用，与机组的停机时间有关。

本实施例中，所述步骤(2)中的不同的状态下电网运行约束条件包括：电网正常运行是约束条件，直流闭锁后电网运行约束条件；

其中，在电网正常运行时约束下：

1)直流系统约束条件

①直流输电约束条件：

l∈nd,t∈t(5)

②直流节点功率平衡

l∈nd,t∈t(8)

式(2)-(8)为直流系统的约束条件，包括直流功率计算公式和接入节点的功率平衡。各变量含义如下：为直流输送的有功功率和无功功率；α、γ分别表示直流的触发角和熄弧角；vac表示换流站交流母线侧电压；vdc、idc为直流电压和电流；gp、gq表示直流输送有功和无功功率与各直流变量之间的函数关系；pd,l,max为直流系统的额定有功功率；nd为电网的直流数量；为节点m、n在时段t的电压幅值；θmn为节点m、n在时段t的电压相角差；gmn、bmn为节点m、n在导纳矩阵中对应元素的实部和虚部，节点m在时段t的有功、无功负荷。

2)交流系统约束条件

①节点功率平衡

常规节点有功、无功平衡：

m∈nb,t∈t(11)

②线路有功约束：

③节点电压约束：

式(9)-(13)为交流电网的约束条件，其中，节点功率平衡保证有功、无功功率的平衡；线路有功约束保证电网中所有线路均运行在载流量以内；节点电压约束则保证电压运行在合理范围内。各变量含义如下：nb为电网中常规交流节点的数量；nm为节点m所连接发电机的集合；nl为电网中线路数量；为机组i在时段t的无功出力；为节点m的风电出力变量；为线路m-n在时段t的有功功率；plmn,max、plmn,min为线路m-n的有功功率上下限；vm,max、vm,min为节点m电压幅值的上下限。

3)机组约束条件

①有功、无功功率上下限约束

②最小开停机时间约束：

③机组启动费用：

i∈ng,t∈t(20)

式(14)-(20)为发电机的约束条件，包括机组容量约束、最小开停机时间约束和机组启动费用计算公式。各变量含义如下：为机组提供的备用容量；pg,i,min为机组有功出力上下限；pi,min为机组考虑爬坡约束的有功出力上下限；uri、dri为机组有功出力每分钟的增加和减少的容量；qg,i,min为机组无功出力的上下限；ti,up、ti,down为机组的最小开停机时段数；分别为机组连续运行和停机的时段数；hsti、csti分别机组的热、冷启动费用；ti,cold为机组的冷启动时间。

4)直流闭锁后一次调频容量约束

式中，kg,i为机组i的单位调节功率系数；kl为负荷的单位调节功率系数；δf为电网运行要求的最大频率偏差，通常取±0.2hz；为t时段单回直流的最大功率，其计算公式如式(22)。引入式(21)的意义在于当输送功率最大的直流发生双极闭锁后，在发电机和负荷单位频率调节效应下，电网最低频率应在规定的范围。

5)直流闭锁后二次调频容量约束

式中的意义在于当电网中任一回直流双极闭锁后，电网中有足够的备用容量保证电网重新实现有功平衡。

进一步地，在直流闭锁后电网运行约束条件下：

①节点功率平衡：常规节点有功、无功平衡：

m∈nb,t∈t,l∈nd(26)

②线路有功约束：

③节点电压约束：

式中，下标l表示第l回直流闭锁且二次调频结束后的电网运行状态变量。分别为机组i二次调频时的有功、无功功率调整量，取决于该机组的备用容量。

式(1)～(28)组成本文所述的交直流受端电网机组组合模型，与现有模型相比，增加式(21)～(28)所示的约束条件，保证任一回直流闭锁后电网频率仍在合理范围内，且在二次调频结束后，电网节点电压和线路功率满足电网运行要求，充分消纳直流功率的同时保证受端电网的可靠运行。

本实施例中，所述步骤(3)具体为：

根据模型特点将其分解为机组组合主模型、电网运行约束子模型和二次调频子模型，然后对各子模型进行线性化求解的基础上，基于benders分解理论建立主模型与两个子模型之间的协调机制，当主模型的优化结果同时满足两个子模型的验证计算时，得到整个模型的最优解。

所述机组组合主模型：主模型为忽略电网运行约束条件的传统机组组合问题，由目标函数(1)、约束条件(4)、(14)-(23)以及由电网运行约束子模型和二次调频子模型返回的benders割组成。为保证有功功率平衡，增加式(29)所示的负荷平衡约束条件。

式中，为t时段的总负荷，为t时段的网损，可由电网运行约束子模型计算得到。将主模型中目标函数、约束条件分别线性化后，采用混合整数算法求解可得到机组启停变量常规发电机有功出力和直流输送有功的优化结果。

所述电网运行约束子模型：该子模型采用传统newton-raphson计算进行求解，为形成benders割，将单步迭代中解方程转化成线性规划问题，如式(30)～(39)所示。其中，mp1、mq1、mp2、mq2、mpl1、mpl2、mpd1、mqd1分别为节点有功功率、无功功率、线路有功功率、直流输电有功和无功功率方程的非负松弛变量；式(31)为节点有功、无功功率的线性化方程；式(32)为直流输电系统有功、无功功率的线性方程；式(33)为线路有功功率的线性化方程；式(34)-(37)为发电机有功、无功、线路有功、节点电压的上下限约束；式(38)-(39)为直流输电系统中交流和直流相关变量的上下限约束。h、n、j、l、o、r、t、z、w和s为相应方程对自变量的一阶导数系数矩阵。除平衡节点外，其余节点的有功增量需满足式(34)，π、ψ和为约束条件相应的单纯形乘子。

δp＝0π(34)

δplmin≤δpl≤δplmax(36)

δvmin≤δv≤δvmax(37)

δxac,min≤δxac≤δxac,max(38)

δxdc,min≤δxdc≤δxdc,max(39)

benders割约束条件的存在，使得主模型重新求解出的机组启停和有功出力尽可能的消除(w^t)^*，如此循环最终得到满足网络安全约束的最优机组启停和有功出力。

所述二次调频子模型：

直流发生闭锁后，电网二次调频通过调整各常规火电机组的有功出力使系统在短时间内重新建立有功平衡，并保证线路有功功率和节点电压不越限。为求解常规机组有功、无功的调整变量建立二次调频子模型的线性化模型。

二次调频子模型的线性化求解方法是经过若干次上述线性规划问题的求解，按照式(40)计算t时段的benders割目标值，

当(w^t)^*＝0时，表示二次调频后电网在潮流计算收敛、电压满足上下限的同时，线路功率运行在载流量以内；当(w^t)^*>0时，表示二次调频后存在线路越限情况，需形成benders割约束条件返回到主模型中重新计算，具体计算如式(40)所示。

一种计及直流闭锁故障的含风电场电力系统调度优化系统，

包括数据获取模块、机组组合模型模块以及最优化计算模块；

所述数据获取模块用于获取含风电场电力系统的电网网架、负荷预测值、风电功率预测值、机组参数、特高压直流参数，并输入至所述机组组合模型模块；

所述机组组合模型模块用于将所述电网网架、负荷预测值、风电功率预测值、机组参数、特高压直流参数输入至预先构建的交直流受端电网机组组合模型；所述交直流受端电网机组组合模型包括目标函数以及电网运行约束条件，所述电网运行约束条件包括在输送功率最大的直流发生双极闭锁后，将电网最低频率约束在规定的范围，以及当电网中任一回直流双极闭锁后，电网中有足够的备用容量保证电网重新实现有功平衡的约束条件；

所述最优化计算模块用于输出所述含风电场电力系统的直流最优输送容量、风电场最优出力、最优机组启停和出力计划。

综上所述：

本发明提出一种计及直流闭锁故障的含风电场电力系统调度优化方法，针对风电场的接入，提出一种用于交直流受端电网的优化调度模型，考虑了直流闭锁后的一次调频容量约束和二次调频后电网节点电压、线路功率等电网运行约束条件，保证直流闭锁后电网频率和潮流仍可运行在合理范围内，进而提高电网运行的安全性；风电场接入和直流闭锁后一次调频容量约束和二次调频后的节点电压、线路潮流等电网约束条件，实现了直流闭对电网安全稳定运行，保障了直流功率的合理消纳。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

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。