一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法

专利名称：一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202010970787.X

专利申请（专利权）人：国网江西省电力有限公司,国家电网有限公司
权利人地址：江西省南昌市青山湖区湖滨东路666号

专利发明（设计）人：王凯,徐渊,谌艳红,李华勇,吴键,李峥山,段志远,梁文莉,邬强,董欢欢

专利摘要：本发明公开了一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，首先进行预想故障分析，根据基态支路潮流约束和故障态支路潮流约束，选定有效监视支路，实现支路数量缩减，确定设备组中潮流越限的边界条件，得到故障不等式约束组成的安全运行域；再利用电网潮流转换特性对得到的故障不等式约束进行过滤，减少约束条件；最后将约束条件减少后的安全运行域进行深度过滤，实现约束条件数量优化，有效辨识出安全运行域的边界。本发明方法的严格过滤与深度过滤有效缩减了计算规模，本发明使安全约束问题的求解难度有效降低，对于电力系统的安全稳定运行有着重要启发。

主权利要求：
1.一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1，首先进行预想故障分析，根据基态支路潮流约束和故障态支路潮流约束，选定有效监视支路，实现支路数量缩减，确定设备组中潮流越限的边界条件，得到故障不等式约束组成的安全运行域；
S2，再利用电网潮流转换特性对步骤S1得到的故障不等式约束进行过滤，减少约束条件；
S3，最后将约束条件减少后的安全运行域进行深度过滤，实现约束条件数量优化，有效辨识出安全运行域的边界。
2.根据权利要求1所述的一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，其特征在于，步骤S1中，对于基态支路潮流约束，根据下式选择需监视的支路；
式中，KBp表示支路p在其相应设备组中的分支系数； 表示支路p的有功潮流；g表示设备组编号；SG表示包含监视支路的设备组的集合； 表示设备组g基态下的运行支路集；
将基态支路有功潮流描述为监视支路有功潮流的函数，则有
式中：上标0表示预想故障前的电网状态； 表示支路p的基态有功潮流；Mp表示支路p所属设备组的基态监视支路编号；SB表示支路集合。
3.根据权利要求2所述的一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，其特征在于，步骤S1中，对于故障态支路潮流约束，根据下式选择需监视的支路；
式中， 表示设备组g故障态k下的运行支路集； 表示支路p的短时允许载流量。
4.根据权利要求3所述的一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，其特征在于，步骤S1中，故障不等式约束组成的安全运行域如下：式中：R表示综合剩余系数或综合转移系数，上标k表示预想故障k开断后的电网状态；
表示开断时设备组i向设备组j的转移系数；C为预想故障集； 为基态下各设备组的监视支路构成的集合； 表示预想故障k开断的支路集； 为各设备组故障态k下的监视支路构成的集合。
5.根据权利要求4所述的一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，其特征在于，步骤S2中，所述故障不等式约束进行过滤分为粗过滤和严格过滤两种情况；故障不等式约束进行粗过滤具体如下：根据潮流转移关系，故障态潮流被表示为基态潮流的线性函数，当基态潮流的安全约束满足时有下列表达式：式中，上标max表示取最大值；将故障态潮流表示为基态潮流的线性函数，代入基态潮流的安全约束，得到故障态潮流的上界，则 为电网基态潮流满足安全约束时 的上界：当 时，说明故障态潮流永远不可能越限，相应的约束为冗余约束；
故障不等式约束进行严格过滤具体如下：仅考虑一组断面之间的潮流转移关系，相关的约束共有四条，构成安全运行域；
一组断面的潮流转移关系如列表达式所示：
相关的约束条件如列表达式所示：
约束条件如列表达式中第一个和第二个构成矩形可行域边界，第三个和第四个式子为两个约束，若矩形可行域边界与一条约束构成的可行域的顶点均属于矩形可行域边界与另一条约束构成的可行域，则所述另一条约束为冗余的，反之亦然。
6.根据权利要求5所述的一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，其特征在于，步骤S3中，所述进行深度过滤具体为：对于一组基态潮流的安全约束及一组故障不等式约束，任意构造目标函数，则构成线性规划问题，采用对偶单纯形法求得最优基础可行解；
对任一函数不等式约束取等号，若可行域为空，对偶单纯形法没有变量能够入基，则说明该不等式约束为冗余约束；
利用子优化问题进行深度过滤具体表达式如下：
式中， 为设备组j的热稳定限额； 为设备组j的长期允许载流量，通过设备组内设备间的潮流比例及长期允许载流量获得； 为预想故障k发生后设备组j剩余设备的短时允许载流量，通过预想故障后设备组内剩余设备间的潮流比例及关键设备的短时载流量获得；
Sk为所考虑的预想故障集；STr表示输电断面集。 说明书 : 一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法技术领域[0001] 本发明涉及电力系统安全性研究领域，尤其涉及一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法。背景技术[0002] 随着电力系统规模的不断扩大，经济发展对电力发展的依赖程度逐渐提高，同时对电能质量的好坏和供电安全性可靠性也有了更高的要求，由此就需要通过电力系统安全约束来加以限制。在电力系统运行过程中，安全约束最优潮流(SCOPF)是电力系统稳态安全性研究中的重要问题，研究重点应该放在事故预防方面。当系统在安全状态下出现故障或者扰动后，可以通过安全约束最优潮流(SCOPF)的手段来进行校正，使系统回归安全状态。但是在进行安全约束求解时计算量大，难度高，由此可以通过各种方法对多种约束条件进行过滤，最后得到有限的关键约束，实现约束条件优化。发明内容[0003] 本发明目的在于针对现有技术的不足，针对安全约束最优潮流(SCOPF)求解时规模太大、求解难度高的问题，提出一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，缩减安全约束最优潮流(SCOPF)安全运行域的规模，以及实现故障态约束过滤。[0004] 本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，该方法包括如下步骤：[0005] S1，首先进行预想故障分析，根据基态支路潮流约束和故障态支路潮流约束，选定有效监视支路，实现支路数量缩减，确定设备组中潮流越限的边界条件，得到故障不等式约束组成的安全运行域；[0006] S2，再利用电网潮流转换特性对步骤S1得到的故障不等式约束进行过滤，减少约束条件；[0007] S3，最后将约束条件减少后的安全运行域进行深度过滤，实现约束条件数量优化，有效辨识出安全运行域的边界。[0008] 进一步地，步骤S1中，对于基态支路潮流约束，根据下式选择需监视的支路；[0009][0010] 式中，KBp表示支路p在其相应设备组中的分支系数； 表示支路p的有功潮流；g表示设备组编号；SG表示包含监视支路的设备组的集合； 表示设备组g基态下的运行支路集。[0011] 将基态支路有功潮流描述为监视支路有功潮流的函数，则有[0012][0013] 式中：上标0表示预想故障前的电网状态； 表示支路p的基态有功潮流；Mp表示支路p所属设备组的基态监视支路编号；SB表示支路集合。[0014] 进一步地，步骤S1中，对于故障态支路潮流约束，可根据下式选择需监视的支路；[0015][0016] 式中， 表示设备组g故障态k下的运行支路集； 表示支路p的短时允许载流量。[0017] 进一步地，步骤S1中，故障不等式约束组成的安全运行域如下：[0018][0019][0020][0021] 式中：R表示综合剩余系数或综合转移系数，上标k表示预想故障k开断后的电网状态； 表示开断时设备组i向设备组j的转移系数；C为预想故障集； 为基态下各设备组的监视支路构成的集合； 表示预想故障k开断的支路集； 为各设备组故障态k下的监视支路构成的集合。[0022] 进一步地，步骤S2中，所述故障不等式约束进行过滤分为粗过滤和严格过滤两种情况；故障不等式约束进行粗过滤具体如下：[0023] 根据潮流转移关系，故障态潮流可被表示为基态潮流的线性函数，当基态潮流的安全约束满足时有下列表达式：[0024][0025] 式中，上标max表示取最大值。将故障态潮流表示为基态潮流的线性函数，代入基态潮流的安全约束，可以得到故障态潮流的上界，则 为电网基态潮流满足安全约束时的上界：[0026][0027] 当 时，说明故障态潮流永远不可能越限，相应的约束为冗余约束。[0028] 故障不等式约束进行严格过滤具体如下：仅考虑一组断面之间的潮流转移关系，相关的约束共有四条，构成安全运行域；[0029] 一组断面的潮流转移关系如列表达式所示：[0030][0031][0032] 相关的约束条件如列表达式所示：[0033][0034][0035][0036][0037] 约束条件如列表达式中第一个和第二个构成矩形可行域边界，第三个和第四个式子为两个约束，若矩形可行域边界与一条约束构成的可行域的顶点均属于矩形可行域边界与另一条约束构成的可行域，则所述另一条约束为冗余的，反之亦然。[0038] 进一步地，步骤S3中，所述进行深度过滤具体为：对于一组变量不等式约束及一组函数不等式约束，任意构造目标函数(如零函数)，则构成线性规划问题，采用对偶单纯形法求得最优基础可行解。对任一函数不等式约束取等号，若可行域为空，对偶单纯形法没有变量可以入基，则说明该不等式约束为冗余约束；[0039] 利用子优化问题进行深度过滤具体表达式如下：[0040][0041][0042] 式中， 为设备组j的热稳定限额； 为设备组j的长期允许载流量，可通过设备组内设备间的潮流比例及长期允许载流量获得； 为预想故障k发生后设备组j剩余设备的短时允许载流量，可通过预想故障后设备组内剩余设备间的潮流比例及关键设备的短时载流量获得；Sk为所考虑的预想故障集；STr表示输电断面集。[0043] 本发明的有益效果：本发明提出了一种基于电网安全运行域的故障态约束过滤方法，利用电网故障态约束条件之间的实际物理意义与故障态约束的数学关系，采用IEEE118节点系统运用于实际电网进行仿真验证，严格过滤与深度过滤有效缩减了计算规模，说明了本方法在解决工程问题上的实用性，使安全约束问题的求解难度有效降低，对于电力系统的安全稳定运行有着重要启发。附图说明[0044] 图1为粗过滤时可以被过滤的约束示意图；[0045] 图2为粗过滤时不可以被过滤的约束示意图；[0046] 图3为深度过滤示意图；[0047] 图4为本发明实施例中118节点系统粗过滤效果图；[0048] 图5为本发明实施例中实际电网粗过滤效果图；[0049] 图6为本发明实施例中118节点系统深度过滤效果图；[0050] 图7为本发明实施例中实际电网深度过滤效果图；[0051] 图8为本发明方法流程图。具体实施方式[0052] 以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。[0053] 如图8所示，本发明提供的一种基于有效约束识别的电网热稳边界辨识方法，该方法包括如下步骤：[0054] S1，首先以SCOPF优化问题中设备组热稳限额为例来说明安全运行域的划分；[0055] 随着电力系统规模的扩大，对于电力系统安全稳定运行的需求越来越高，电力系统运行安全域能够提供工作点在安全域中的相对位置，反映出重要的运行信息，从而大大减少安全性评估所需的计算量，使调度人员可以更直观地判断系统的安全状态，确保系统的稳定性。SCOPF作为一类重要的安全运行约束问题，为电网风险的预防提供了理论基础。本发明以SCOPF优化问题中设备组热稳限额为例来说明安全运行域的划分。[0056] 将设备组热稳定限额定义为设备组初始有功潮流的允许控制上限，只要将各运行设备组的初始有功潮流控制在该限额之内，就能够保证电网的安全运行。可以得到下列约束：[0057][0058][0059][0060] 式中， 为设备组j的热稳定限额； 为设备组j的长期允许载流量，可通过设备组内设备间的潮流比例及关键设备的长期允许载流量获得；R表示综合剩余系数或综合转移系数，上标k表示预想故障k开断后的电网状态； 表示预想故障k开断时设备j的剩余系数；表示开断时设备组i向设备组j的转移系数； 为预想故障k发生后设备组j剩余设备的短时允许载流量，可通过预想故障后设备组内剩余设备间的潮流比例及关键设备的短时载流量获得；ST表示设备组集合；Sk为所考虑的预想故障集。[0061] S2，然后进行预想故障分析，选定有效监视支路，实现支路数量缩减，生成不等式约束组成的安全运行域；[0062] 首先选定监视支路。通过对预想故障的分析，对于基态支路潮流约束，可根据式(4)选择需监视的支路。[0063][0064] 式中：KBj表示支路j在其相应设备组中的分支系数； 表示支路j的有功潮流；g表示设备组编号；SG表示设备组的集合； 表示设备组g基态下的运行支路集。[0065] 将基态支路有功潮流描述为监视支路有功潮流的函数，则有[0066][0067] 式中：上标0表示预想故障前的电网状态； 分别表示支路j的基态有功潮流；Mj表示支路j所属设备组的基态监视支路编号；SB表示支路集合。[0068] 对于故障态支路潮流约束，可根据式(6)选择需监视的支路。[0069][0070] 式中： 表示设备组g故障态k下的运行支路集； 表示支路j的短时允许载流量。[0071] 由式(4)和(6)可确定设备组中潮流越限的边界条件。[0072] 支路潮流约束式(7)‑(9)，可以得到可行域空间：[0073][0074][0075][0076] 式中：C为预想故障集； 为基态下各设备组的监视支路构成的集合； 表示预想故障k开断的支路集； 为各设备组故障态k下的监视支路构成的集合。[0077] S3，再利用电网潮流转换特性对故障约束不等式进行“粗过滤”和“严格过滤”，减少约束条件；[0078] 对于故障态冗余约束粗过滤问题，由于构成的SCOPF模型的计算规模非常大导致求解复杂，需要通过缩减约束条件来缩小计算量，提高求解效率与准确度。[0079] 根据潮流转移关系，故障态潮流可被表示为基态潮流的线性函数，如式(8)所示。[0080] 当基态潮流的安全约束满足时有式(10)：[0081][0082] 式中：上标max表示取最大值。[0083] 将故障态潮流表示为基态潮流的线性函数，代入基态潮流的安全约束，可以得到故障态潮流的上界，则 为电网基态潮流满足安全约束时 的上界:[0084][0085] 当 时，说明故障态潮流永远不可能越限，相应的约束为冗余约束。[0086] 如图1所示，基态约束所构成的可行域为一个矩形。故障态约束为直线的形式。本发明方法实质上是计算该矩形的顶点是否满足直线所表示的约束，若满足，说明基态约束所构成的可行域被包含在故障态约束构成的可行域中，即故障态约束是冗余的，可以被过滤。而图2中基态约束所构成的可行域不被包含在故障态约束构成的可行域中，则此故障态约束不可被过滤。[0087] 故障态冗余约束严格过滤；[0088] 在以上基础上，本发明提出一种更严格过滤安全约束的方法。首先仅考虑一组断面之间的潮流转移关系，如图3所示，与他们相关的约束共有四条，构成可行域。由于它们均为凸集，因此仅考虑它们顶点之间的关系即可。[0089] 对比与于式(8)，可以得到一组断面的潮流转移关系如式(12)(13)所示：[0090][0091][0092] 式中符号含义与上文中公式对比可知。式(12)、(13)构成图3中基态约束所构成的矩形可行域。相关约束条件如式(14)‑(17)所示：[0093][0094][0095][0096][0097] 式(14)(15)为图3中矩形可行域边界，式(16)(17)分别为约束1、2。分别考虑由约束1、两条基态约束构成的可行域以及由约束2、两条基态约束构成的可行域，将它们分别称为可行域1和可行域2。当可行域2的顶点均属于可行域1时，可行域2属于可行域1，如图3中左图所示，因此可行域1的相关约束是不起作用的，即约束1是冗余的。反之亦然。[0098] S4，最后利用子优化问题进行“深度过滤”，有效辨识出安全运行域的边界，实现约束条件数量优化；[0099] 对于一组变量不等式约束及一组函数不等式约束，任意构造目标函数(如零函数)，则构成线性规划问题，采用单纯形法求得最优基础可行解。对任一函数不等式约束取等号，若可行域为空，对偶单纯形法没有变量可以入基，则说明该约束为冗余约束。[0100][0101][0102] 式中：ST表示输电断面集。[0103] S5，通过算例仿真验证本发明的有效性和实用性。[0104] 本发明的算例仿真分析平台为一台主频为2.6GHz的6核心MSI计算机，内存为16GB。首先对IEEE118节点系统进行安全运行域关键边界辨识，验证本发明方法的有效性和正确性；进而对实际电网进行了优化，体现了本发明方法的实用性和鲁棒性。[0105] 算例使用模型介绍[0106] 测试算例，使用IEEE118节点系统，该系统包含53台发电机，9台变压器，177条普通支路。取所有线路长期载流值790A，短时载流值为长期载流值的1.4倍。[0107] 实际算例使用某实际电网运行方式下的电网安全运行边界的识别方法。算例数据由psasp7.2.41版本输出。算例数据包括62952个节点，67023条支路，5452个电源。根据线路的实际载流能力，线路的短时载流值取长期载流值的1.3倍。[0108] 粗过滤算例分析[0109] 对118节点系统进行支路N‑1故障扫描，再经本发明模型求解，粗过滤求解时间0.015s。不过滤时有715条约束。通过粗过滤法，过滤之后，剩下609条约束。此处的不过滤实际上在转移系数上已经设置了过滤，设定的转移系数阈值是0.01，转移系数小于0.01的约束不输出，约束筛选效果如图4所示：[0110] 对实际电网模型系统进行支路N‑1，N‑2故障扫描，再经本发明模型求解，粗过滤求解时间23s，不过滤时，约束条件有1742条；粗过滤后，约束条件有1150条；此处在转移系数上已经设置了过滤，设定的转移系数阈值是0.01，转移系数小于0.01的约束不输出。以上约束中，有156条约束条件为固定断面约束，所以除去这些固定断面约束后，不过滤时，约束条件有1586条；粗过滤时，约束条件有994条；约束筛选效果如图5所示：[0111] 选取118节点系统中一条支路的约束条件筛选效果为例：[0112] 关于支路11‑12的约束条件筛选效果如表1：[0113] 表1支路11‑12的约束条件筛选效果[0114]预想故障 不过滤约束数量 粗过滤约束数量 深度过滤约束数量11‑12 6 1 1[0115] 对118节点系统进行支路N‑1故障扫描，再经本发明模型求解，深度过滤求解时间0.21s，不过滤时有715条约束。通过深度过滤方法，过滤之后，剩下421条约束。此处的不过滤实际上在转移系数上已经设置了过滤，设定的转移系数阈值是0.01，转移系数小于0.01的约束不输出，约束筛选效果如图6所示：[0116] 对实际电网模型系统进行支路N‑1，N‑2故障扫描，再经本发明模型求解，深度过滤求解时间41s，不过滤时，约束条件有1586条；深度过滤后，约束条件有745条；此处的不过滤实际上在转移系数上已经设置了过滤，设定的转移系数阈值是0.01，转移系数小于0.01的约束不输出，约束筛选效果如图7所示：[0117] 选取实际电网模型系统中单个支路故障的约束条件筛选分析：[0118] 关于支路20284—20281故障的约束条件筛选效果，如表2：[0119] 表2考虑支路20284‑‑20281故障的约束条件筛选[0120] 预想开 不过滤约束数量 粗过滤约束数量 深度过滤约束数量20284‑20281 61 42 13[0121] 针对支路20284‑20281预想故障，从原本的61条约束粗过滤到42条，然后经由深度过滤到13条，说明本发明模型对单回线故障的约束优化效果明显。[0122] 选取实际电网模型系统中两个支路故障的约束条件筛选分析：[0123] 关于支路20036‑>20041加20037‑>20439的约束条件筛选效果如表3：[0124] 表3支路20036‑>20041加20037‑>20439的约束条件筛选效果[0125] 预想故障 不过滤约束数量 粗过滤约束数量 深度过滤约束数量20036‑>20041加20037‑>20439 39 39 31[0126] 关于支路21145‑>20374加21144‑>20373的约束条件筛选效果如表4：[0127] 表4支路21145‑>20374加21144‑>20373的约束条件筛选效果[0128] 预想故障 不过滤约束数量 粗过滤约束数量 深度过滤约束数量21145‑>20374加21144‑>20373 3 1 1[0129] 针对支路20036‑20041加20037‑>20439预想故障的约束，不过滤约束39条，粗过滤约束39条到深度过滤约束31条，粗过滤没有效果，深度过滤有效。[0130] 针对支路21145‑20374加21144‑>20373预想故障的约束，不过滤约束3条，粗过滤约束1条到深度过滤约束1条，粗过滤有效果，深度过滤没有效果。说明本发明模型对双回线支路故障约束优化有效但不明显。[0131] 本发明所建模模型针对电网安全约束条件的过滤方法，除了不过滤的方法，还提供了粗过滤和深度过滤两种方法。对安全约束的粗过滤方法是基于电网设备物理属性的一种安全过滤方法，用于工程上的应用。对安全约束的深度过滤方法，是基于数学上的一种电网安全极限的过滤方法，一般用于求解出电网安全运行的极限条件。这两种方法在求解时间和求解效果上都有较强的优势。实际电网算例说明所建的电网安全运行约束优化模型能够适应大规模电网的应用需求。[0132] 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

专利地区：江西

专利申请日期：2020-09-15

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN112086967B