專利名稱：基于安全域的安全約束經濟調度方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)，具體講，涉及基于安全域的安全約束經濟調度方法。
背景技術：
電力系統(tǒng)經濟調度是保證負荷的可靠供電，提高系統(tǒng)運行經濟性的有效工具，對電力系統(tǒng)的安全可靠經濟運行發(fā)揮著重要作用[1]。電力系統(tǒng)經濟調度可以分為靜態(tài)經濟調度與動態(tài)經濟調度[2]，靜態(tài)經濟調度是對某一具體時間斷面，通過調整機組的有功無功出力、變壓器分接頭等，達到成本最小或電能質量最好等優(yōu)化目標，如最優(yōu)潮流問題[3] (Optimal Power Flow，0PF);動態(tài)經濟調度是針對某一調度周期而言的，可以將其分割為多個靜態(tài)的時間斷面，各時間斷面彼此間相互耦合，通過優(yōu)化機組的啟停狀態(tài)和出力等來實現整個調度周期內的最優(yōu)目標，如日前機組組合問題[4](Unit Commitment, UC)。動態(tài)經濟調度能綜合考慮多方面的因素，如機組的啟停、機組的爬坡速率、負荷的變化等，因此，所得調度方案更符合實際。
近年來，隨著電力市場放松管制，大量新型元件的引入，負荷的飛速增長，以及可再生能源發(fā)電的接入，電力系統(tǒng)所面臨的運行狀況日趨復雜，運行條件日漸苛刻，在電力系統(tǒng)經濟調度中，關注系統(tǒng)運行經濟性的同時，考慮各種安全約束條件顯得尤為必要。
目前，已有較多文獻在OPF中考慮了暫態(tài)穩(wěn)定等約束條件[5_8]，其處理暫態(tài)穩(wěn)定約束的方法一般為基于時域仿真的方法和基于能量函數的方法[5]，這兩種方法存在計算量大，模型復雜和不便于求解等問題，其根源一方面在于電力暫態(tài)穩(wěn)定問題本身的復雜性，另一方面是由于傳統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的方法均屬于“逐點法”(即針對既定的事故前系統(tǒng)運行狀態(tài)，如節(jié)點注入功率空間的一點，通過時域仿真，或直接法確定既定事故發(fā)生后系統(tǒng)是否能夠再恢復到穩(wěn)定狀態(tài))，這種分析與系統(tǒng)的運行狀態(tài)嚴格相關，在運行狀態(tài)發(fā)生變化時，需要重新進分析。在電力系統(tǒng)的動態(tài)經濟調度中，已有相關文獻考慮了支路潮流與節(jié)點電壓等約束條件[9]，如文獻[10]將OPF嵌入到UC問題中，考慮了支路潮流約束與節(jié)點電壓約束；文獻[11]在多區(qū)域互聯系統(tǒng)的UC問題中，引入了系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定限制；但上述文獻均沒有在UC問題中引入靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束和暫態(tài)穩(wěn)定約束。綜上，在當前的電力經濟調度中， 存在著難以考慮靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束和暫態(tài)穩(wěn)定約束，無法有效評估經濟調度方案的安全裕度等問題。
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[11]Yuanyin Hsu, Chungching Su, Chihchien Liang etal. Dynamic security constrained multi-area unit commitment[J]. IEEE Transactions on Power Systems, 1991,6(3) :1049-1055.發(fā)明內容
本發(fā)明旨在克服現有技術的不足，為在電力系統(tǒng)經濟調度這一傳統(tǒng)優(yōu)化運行問題中處理系統(tǒng)的網絡安全約束(包括支路潮流約束、靜態(tài)電壓穩(wěn)定約束和暫態(tài)穩(wěn)定約束等)和協調經濟性與安全性這一矛盾提供有效的途徑，使調度方案更加科學合理，為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術方案是，基于安全域的安全約束經濟調度方法，包括如下步驟
第一步給定系統(tǒng)的機組參數、網絡拓撲參數、靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界割集、暫態(tài)穩(wěn)定預想事故集、支路潮流限值信息，分別計算系統(tǒng)的有功靜態(tài)安全域邊界系數、割集電壓穩(wěn)定域邊界系數和動態(tài)安全域邊界系數；
第二步建立基于安全域的安全約束經濟調度模型，根據優(yōu)化目標的不同可以分為以下幾個模型(1)模型I，以系統(tǒng)的總發(fā)電成本最小為優(yōu)化目標，考慮機組運行約束和系統(tǒng)功率平衡與旋轉備用約束；(2)模型II，以系統(tǒng)總發(fā)電成本最小化為優(yōu)化目標，考慮機組運行約束、系統(tǒng)功率平衡與旋轉備用約束和網絡安全約束；(3)模型III，以系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度最大為優(yōu)化目標，考慮的約束條件與模型II相同；(4)模型IV，以系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度最大為優(yōu)化目標，考慮的約束條件與模型II相同；(5)模型V，通過加權法，將系統(tǒng)總發(fā)電成本最小、靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度最大和暫態(tài)穩(wěn)定裕度最大三個目標轉化為一個單目標，考慮的約束條件與模型II相同，在求解時，將該模型分為機組啟停狀態(tài)優(yōu)化子問題和負荷優(yōu)化分配子問題；
第三步利用基于認知的社會演化算法求解機組啟停狀態(tài)優(yōu)化子問題，得到調度周期內，各機組的最優(yōu)運行狀態(tài)，計算出調度周期內機組的啟動成本，并考慮爬坡速率約束，確定各機組實際有功出力上下限；
第四步以第三步所得到的機組啟停狀態(tài)和機組有功出力限值作為輸入，根據模型的優(yōu)化目標，求解負荷優(yōu)化分配子問題，即優(yōu)化分配各發(fā)電機組的有功出力，計算出調度周期內各機組的發(fā)電成本，靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度和暫態(tài)穩(wěn)定裕度；
第五步綜合第三步與第四步所得結果，即可得到一個可行的經濟調度方案；判斷是否滿足收斂條件，若滿足，則結束；否則，返回第三步。
其中第二步中各模型的目標函數具體為
(I)相關變量說明
本發(fā)明中用到的主要變量定義如下
TC :系統(tǒng)總發(fā)電成本，包括機組的啟動成本與發(fā)電成本兩項；
T :調度周期時 段數；
G :系統(tǒng)中發(fā)電節(jié)點集合；
Gs :系統(tǒng)中所有發(fā)電機集合，一條發(fā)電節(jié)點上可能連接多臺發(fā)電機；
L :系統(tǒng)中負荷節(jié)點集合；
B :系統(tǒng)中支路集合；
N :系統(tǒng)中節(jié)點集合，N = G U L U 0，節(jié)點O為松弛節(jié)點，其復電壓由人為指定，作為系統(tǒng)的參考；
η :系統(tǒng)中節(jié)點總數，n = nG+nL+l ；
ng:系統(tǒng)中發(fā)電機總數；
ne :系統(tǒng)中發(fā)電節(jié)點總數；
nL :系統(tǒng)中負荷節(jié)點總數；
nL :系統(tǒng)中支路總數；
wt:時段t負荷權值；
W。發(fā)電成本權值；
Wsv :靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度權值；
Wts :暫態(tài)穩(wěn)定裕度權值；
Si (t):機組i在時段t所處狀態(tài)，O表示停機，I表示開機；
SCi⑴機組i的啟動成本；
Ci⑴機組i在時段t的發(fā)電成本；
C(t):在時段t內，系統(tǒng)的總發(fā)電成本；
C(t):時段t系統(tǒng)總發(fā)電成本的歸一化值；
pgi⑴機組i在時段t的有功出力；
P::機組i最小有功出力；
P;:機組i最大有功出力；
If :支路I允許傳輸的最大有功潮流；
Xi⑴截止到時段t，機組i已經連續(xù)運行/停機的時間，Xi⑴> O表示之前機組i處于運行狀態(tài)，Xi (t) < O表示機組i之前處于停機狀態(tài)；
Tf :機組i最小連續(xù)停機時間；
Tn :機組i最小連續(xù)運行時間；
Δρ；(:機組i的最大上爬坡速率；
Apf :機組i的最大下爬坡速率；
Pgi⑴節(jié)點i在時段t的有功發(fā)電；
Pdi⑴節(jié)點i在時段t的有功負荷；
D(t):時段t時，系統(tǒng)的總負荷；
R(t):時段t時，系統(tǒng)允許的最小旋轉備用容量；
V1:節(jié)點i電壓幅值；
Θ1:節(jié)點i電壓相角；
Gij :節(jié)點i與節(jié)點j之間的電導；
Bij :節(jié)點i與節(jié)點j之間的電納；
P1 (t):支路I的有功功率；
CS :系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界割集集合，其中CS(k)為第k個臨界割集所包含的支路集合；
CTS :系統(tǒng)的預想事故集；
Ctf :對于第k個預想事故，節(jié)點i的動態(tài)安全域超平面系數；
對于第k個臨界割集，支路I的割集電壓穩(wěn)定域超平面系數；
KD :機組累計運行狀態(tài)數組，KD (t, i)為截止到時段t機組i的累積運行狀態(tài)， KD (t, i) > O表示之前機組處于運行狀態(tài)，KD (t, i) < O表示之前機組處于停機狀態(tài)；
KJ:開停機允許標志數組，KJ (t，i)為機組i在時段t的開停機標志位，KJ (t，i)= I表示之前機組處于停機狀態(tài)，在時段t可以開機運行；KJ(t，i) = -1表示之前機組i處于運行狀態(tài)，在時段t可以停機；KJ(t，i) = O表示截止到時段t機組i不滿足最小連續(xù)運行 /停運時間約束，不能改變機組的運行狀態(tài)；
KR :機組運行狀態(tài)數組，KR(t，i) = I表示機組i在時段t開機運行，KR(t，i) = O 表示機組i在時段t停機；
(2)目標函數
(2.1)模型 I&II
模型I與模型II的目標函數如式I所示
權利要求
1.一種基于安全域的安全約束經濟調度方法，其特征是，包括如下步驟 第一步給定系統(tǒng)的機組參數、網絡拓撲參數、靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界割集、暫態(tài)穩(wěn)定預想事故集、支路潮流限值信息，分別計算系統(tǒng)的有功靜態(tài)安全域邊界系數、割集電壓穩(wěn)定域邊界系數和動態(tài)安全域邊界系數； 第二步建立基于安全域的安全約束經濟調度模型，根據優(yōu)化目標的不同可以分為以下幾個模型(I)模型I，以系統(tǒng)的總發(fā)電成本最小為優(yōu)化目標，考慮機組運行約束和系統(tǒng)功率平衡與旋轉備用約束；(2)模型II，以系統(tǒng)總發(fā)電成本最小化為優(yōu)化目標，考慮機組運行約束、系統(tǒng)功率平衡與旋轉備用約束和網絡安全約束；(3)模型III，以系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度最大為優(yōu)化目標，考慮的約束條件與模型II相同；(4)模型IV，以系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定裕度最大為優(yōu)化目標，考慮的約束條件與模型II相同；(5)模型V，通過加權法，將系統(tǒng)總發(fā)電成本最小、靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度最大和暫態(tài)穩(wěn)定裕度最大三個目標轉化為一個單目標，考慮的約束條件與模型II相同，在求解時，將該模型分為機組啟停狀態(tài)優(yōu)化子問題和負荷優(yōu)化分配子問題； 第三步利用基于認知的社會演化算法求解機組啟停狀態(tài)優(yōu)化子問題，得到調度周期內，各機組的最優(yōu)運行狀態(tài)，計算出調度周期內機組的啟動成本，并考慮爬坡速率約束，確定各機組實際有功出力上下限； 第四步以第三步所得到的機組啟停狀態(tài)和機組有功出力限值作為輸入，根據模型的優(yōu)化目標，求解負荷優(yōu)化分配子問題，即優(yōu)化分配各發(fā)電機組的有功出力，計算出調度周期內各機組的發(fā)電成本，靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度和暫態(tài)穩(wěn)定裕度； 第五步綜合第三步與第四步所得結果，即可得到一個可行的經濟調度方案；判斷是否滿足收斂條件，若滿足，則結束；否則，返回第三步。
2.如權利要求所述的基于安全域的安全約束經濟調度方法，其特征是，其中第二步中各模型的目標函數具體為 I)相關變量說明 本發(fā)明中用到的主要變量定義如下 TC :系統(tǒng)總發(fā)電成本，包括機組的啟動成本與發(fā)電成本兩項； T :調度周期時段數； G :系統(tǒng)中發(fā)電節(jié)點集合； Gs :系統(tǒng)中所有發(fā)電機集合，一條發(fā)電節(jié)點上可能連接多臺發(fā)電機； L :系統(tǒng)中負荷節(jié)點集合； B :系統(tǒng)中支路集合； N :系統(tǒng)中節(jié)點集合，N = G U L U O,節(jié)點O為松弛節(jié)點，其復電壓由人為指定，作為系統(tǒng)的參考； η :系統(tǒng)中節(jié)點總數，n = nG+nL+l ； ng :系統(tǒng)中發(fā)電機總數； %:系統(tǒng)中發(fā)電節(jié)點總數； %:系統(tǒng)中負荷節(jié)點總數； nL :系統(tǒng)中支路總數； Wt :時段t負荷權值；Wc :發(fā)電成本權值； Wsv :靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度權值； Wts :暫態(tài)穩(wěn)定裕度權值； Si (t):機組i在時段t所處狀態(tài)，O表示停機，I表示開機； SCi (t):機組i的啟動成本； Ci (t):機組i在時段t的發(fā)電成本； C(t):在時段t內，系統(tǒng)的總發(fā)電成本； ((O :時段t系統(tǒng)總發(fā)電成本的歸一化值； Pgi⑴機組i在時段t的有功出力； p% :機組i最小有功出力； :機組i最大有功出力； P,M :支路I允許傳輸的最大有功潮流； Xi (t):截止到時段t，機組i已經連續(xù)運行/停機的時間，Xi (t) >0表示之前機組i處于運行狀態(tài)，Xi (t) < O表示機組i之前處于停機狀態(tài)； Tf :機組i最小連續(xù)停機時間； Γ:機組i最小連續(xù)運行時間； ΦΓ :機組i的最大上爬坡速率； 4p,j :機組i的最大下爬坡速率； Pgi⑴節(jié)點i在時段t的有功發(fā)電； Pdi⑴節(jié)點i在時段t的有功負荷； D(t):時段t時，系統(tǒng)的總負荷； R(t):時段t時，系統(tǒng)允許的最小旋轉備用容量； Vi :節(jié)點i電壓幅值； θ i :節(jié)點i電壓相角； Gij :節(jié)點i與節(jié)點j之間的電導； Bij :節(jié)點i與節(jié)點j之間的電納； P1W :支路I的有功功率； CS :系統(tǒng)的靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨界割集集合，其中CS (k)為第k個臨界割集所包含的支路集合； CTS :系統(tǒng)的預想事故集； 對于第k個預想事故，節(jié)點i的動態(tài)安全域超平面系數；對于第k個臨界割集，支路I的割集電壓穩(wěn)定域超平面系數； KD :機組累計運行狀態(tài)數組，KD (t，i)為截止到時段t機組i的累積運行狀態(tài)，KD (t，i)> O表示之前機組處于運行狀態(tài)，KD (t, i) < O表示之前機組處于停機狀態(tài)； KJ:開停機允許標志數組，KJ (t，i)為機組i在時段t的開停機標志位，KJ (t，i) = I表示之前機組處于停機狀態(tài)，在時段t可以開機運行；KJ(t，i) = -I表示之前機組i處于運行狀態(tài)，在時段t可以停機；KJ(t，i) = O表示截止到時段t機組i不滿足最小連續(xù)運行/停運時間約束，不能改變機組的運行狀態(tài)； KR :機組運行狀態(tài)數組，KR(t, i) = I表示機組i在時段t開機運行，KR(t, i) = O表示機組i在時段t停機； 2)目標函數(2.1)模型 I&II 模型I與模型II的目標函數如式I所示
3.如權利要求1所述的基于安全域的安全約束經濟調度方法，其特征是，約束條件分為機組運行約束條件、功率平衡及旋轉備用約束條件和網絡安全約束條件三類 (3.1)機組運行約束條件 機組運行約束條件包括機組出力約束、機組最小連續(xù)運行/停機時間約束、機組爬坡速率約束 機組出力約束 機組爬坡速率約束
4.如權利要求所述的基于安全域的安全約束經濟調度方法，其特征是，采用社會演化算法來求解機組啟停優(yōu)化子問題，基本思想為針對機組組合這一具體優(yōu)化問題，設計認知主體、認知規(guī)則和范例學習與突破的規(guī)則； 認知主體的尋優(yōu)過程為 1)讀入UC問題的基本數據，將所有機組按最大出力時的單位發(fā)電耗量H =aJ7Ii, +h, +c,/4升序排列； 2)由機組狀態(tài)數組KD(t, i)，判斷各機組是否能滿足最小連續(xù)運行/停機時間約束，從而確定 KJ(t，i) (i = 1,2,...,N)； 3)在KJ(t,i) ^ 0, i = I, 2, . . . N即可以改變當前狀態(tài)的機組中，隨機選擇一臺或幾臺機組改變其狀態(tài)，并且在機組投入運行時優(yōu)先選擇hr值小的機組，在機組退出運行時優(yōu)先選擇hr值大的機組，從而得到t時刻的一個運行方案，并判斷該運行方案是否同時滿足負荷及備用約束，若滿足，轉入下一步(4)，否則返回3)；4)得到可行解記錄數組KR(t,i), i = I, 2, . . . , N ； 5)若t= T，結束；若七< T，由KR(t，i)確定KD(t+l，i)，返回2)； 認知主體通過以下方式實現對優(yōu)良范式的繼承 在第t時刻，認知主體按“輪盤賭”的方法選定某一個范式迖，14 與％^分別表示逆中時段t運行機組的集合與停機機組的集合;^_與^ ,,分別表示時段t可以開機運行的機組的集合與可以停機的機組的集合，則認知主體在確定KR(t，i)時，將優(yōu)先選擇^4 (1￡4 中hr值小的機組，使其開機運行；優(yōu)先選擇JXffinLir* hr值大的機組，使其停機，當^con H ^kon = ^ (空集)或^￡# HQLjf =#時,就直接從 中進行隨機選擇。
5.如權利要求所述的基于安全域的安全約束經濟調度方法，其特征是，在求解負荷優(yōu)化分配子問題時，進行如下假設 1)對于高壓輸電系統(tǒng)，輸電線的電抗遠遠大于電阻，因此，忽略輸電線的電導，即Gij>> 0 ； 2)穩(wěn)態(tài)運行時，線路的支路角qu較小，因此,存在Sinqij^ qu !Cosqij ^ I的近似關系; 3)在電力系統(tǒng)經濟調度中主要關注系統(tǒng)的有功潮流，因此，認為Ui>> 1，忽略系統(tǒng)無功因素的影響； 在上述假設條件下，電力系統(tǒng)的潮流方程可以轉換為 Pglm-Pd,(t) = lwt) i^Nin) 進一步可化簡為 0 (t) = XP⑴，其中 X = B—I=Lxtl, X1, , Xn]T,
全文摘要
本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)。為在電力系統(tǒng)經濟調度這一傳統(tǒng)優(yōu)化運行問題中處理系統(tǒng)的網絡安全約束，包括支路潮流、靜態(tài)電壓穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定約束和協調經濟性與安全性這一矛盾提供有效的途徑，本發(fā)明采取的技術方案是，基于安全域的安全約束經濟調度方法，包括如下步驟第一步分別計算系統(tǒng)的有功靜態(tài)安全域邊界系數、割集電壓穩(wěn)定域邊界系數和動態(tài)安全域邊界系數；第二步建立基于安全域的安全約束經濟調度模型；第三步利用基于認知的社會演化算法求解機組啟停狀態(tài)優(yōu)化子問題；第四步計算出調度周期內各機組的發(fā)電成本，靜態(tài)電壓穩(wěn)定裕度和暫態(tài)穩(wěn)定裕度；第五步得到可行的經濟調度方案；否則，返回第三步。本發(fā)明主要應用于電力負荷調配優(yōu)化。
文檔編號H02J3/14GK102983573SQ20121044896
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權日2012年11月9日
發(fā)明者余貽鑫, 秦超 申請人:天津大學