安全約束下電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬模型快速生成與求解方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)分析領(lǐng)域，特別涉及考慮安全約束的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬中的 模型快速生成與求解方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷增加，風(fēng)電、太陽能等間歇性能源的加入，大規(guī) ?？缌饔蚨嗉?jí)水電站的建設(shè)，核電、抽蓄、燃機(jī)等多種類型電源的接入以及電網(wǎng)遠(yuǎn)距離交直 流混合輸電的格局等因素都極大地增加了電網(wǎng)運(yùn)行的復(fù)雜度。傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)規(guī)劃中往往 通過生產(chǎn)模擬技術(shù)來安排類型機(jī)組在負(fù)荷曲線上的運(yùn)行位置，進(jìn)而評(píng)價(jià)未來電力規(guī)劃的適 應(yīng)性與經(jīng)濟(jì)性。但隨著電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)日益多樣化、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，電力系統(tǒng)運(yùn)行中 涉及到的系統(tǒng)調(diào)峰、機(jī)組啟停、線路斷面潮流安全等多方面的限制因素，傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)生 產(chǎn)模擬技術(shù)往往難以考慮到實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中的各項(xiàng)限制因素。因此，產(chǎn)生了電力系統(tǒng)運(yùn)行模 擬這一新技術(shù)，即針對(duì)當(dāng)前電力規(guī)劃，采用機(jī)組組合模型對(duì)電力系統(tǒng)未來運(yùn)行進(jìn)行長時(shí)間、 考慮運(yùn)行層面的各項(xiàng)約束的模擬，進(jìn)而精細(xì)化的評(píng)估當(dāng)前電力規(guī)劃方案在未來運(yùn)行中的適 應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等指標(biāo)。
[0003] 目前，不考慮系統(tǒng)安全約束的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬技術(shù)已比較成熟，并在國際上已 有一些軟件實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品。丹麥的Riso實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬軟件Wilmar (WEBER Christoph, MEIBOM Peter, BARTH Rudiger, et al. WILMAR:A Stochastic Programming Tool to Analyze the Large-Scale Integration of Wind Energy. In:KALLRATH Josef, PARDAL0S Panos M, REBENNACK Steffen, et al. , Optimization in the Energy Industry, Energy Systems:Springer Berlin Heidelberg, 2009. p 437-458)，該軟件實(shí)現(xiàn) 的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬方法采用逐小時(shí)的運(yùn)行模擬的方式評(píng)價(jià)系統(tǒng)運(yùn)行成本，被應(yīng)用于風(fēng)電 接入規(guī)劃以及抽水蓄能機(jī)組的規(guī)劃中。但該方法僅能考慮電源側(cè)的模擬，并沒有對(duì)電力 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建模，因而無法考慮電力系統(tǒng)線路潮流以及斷面潮流等安全運(yùn)行約束。通用電 氣公司（GE)研發(fā)了 MAPS軟件能夠?qū)崿F(xiàn)多區(qū)域互聯(lián)電力系統(tǒng)考慮線路約束時(shí)序運(yùn)行模擬 (http://www. geenergyconsulting. com/practice-area/software-products/maps. )〇 牛 津大學(xué)研發(fā)了 Switch軟件中也實(shí)現(xiàn)了類似的功能（FRIPP Matthias. Switch:A Planning Tool for Power Systems with Large Shares of Intermittent Renewable Energy. Environmental Science&Technology, 2014, 46 (11) :6371-6378.)。雖然 MAPS 與 Switch 中 能夠考慮多區(qū)域的電力系統(tǒng)中的潮流傳輸極限，但其僅能將電力系統(tǒng)分為幾個(gè)或幾十個(gè)地 區(qū)，建立不同地區(qū)之間的網(wǎng)流模型，并無法建立詳細(xì)的電力網(wǎng)絡(luò)潮流模型，運(yùn)行模擬結(jié)果僅 能分析各地區(qū)電源結(jié)構(gòu)與布局的合理性與經(jīng)濟(jì)性，無法分析電網(wǎng)規(guī)劃的安全性、合理性與 經(jīng)濟(jì)性。
[0004] 電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬中考慮系統(tǒng)安全約束為計(jì)算和建模帶來極大的挑戰(zhàn)，其原因在 于電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模較大，精細(xì)化考慮電力系統(tǒng)安全約束需要對(duì)電力系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)和支路進(jìn)行 建模。以中等規(guī)模的省級(jí)網(wǎng)為例，一般包含發(fā)電機(jī)組約100~200臺(tái)，節(jié)點(diǎn)1000~2000個(gè)， 支路2000~5000條。不考慮安全約束的運(yùn)行模擬中每日機(jī)組組合模型決策變量個(gè)數(shù)將在 1萬個(gè)以上，約束數(shù)也將達(dá)到2萬個(gè)以上。包含安全約束后，約束條件個(gè)數(shù)將增加10萬個(gè)以 上。大規(guī)模的優(yōu)化模型的建模和求解的計(jì)算和存儲(chǔ)開銷極大，考慮安全約束的運(yùn)行模擬模 型規(guī)模，對(duì)于個(gè)人電腦或高性能工作站，采用商業(yè)軟件進(jìn)行求解單日的機(jī)組組合模型，其建 模時(shí)間約在幾十秒的數(shù)量級(jí)上，求解時(shí)間也會(huì)在幾百秒的數(shù)量級(jí)上，全年逐日的運(yùn)行模擬 的模擬總時(shí)間將超過幾十小時(shí)的時(shí)間量級(jí)上，難以滿足規(guī)劃工作的實(shí)際需求。龐大的計(jì)算 與存儲(chǔ)開銷限制了考慮安全約束的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬技術(shù)在實(shí)際大規(guī)模電力系統(tǒng)中的應(yīng) 用。
[0005] 綜上所述，需要在電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出安全約束的模型快速生 成以及考慮安全約束的機(jī)組組合快速計(jì)算技術(shù)，進(jìn)而提升考慮安全約束的電力系統(tǒng)運(yùn)行模 擬的計(jì)算效率，使其能夠應(yīng)用于大規(guī)模實(shí)際電力系統(tǒng)。與本發(fā)明相關(guān)的【背景技術(shù)】包括：
[0006] 1)考慮安全約束的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬技術(shù)：其含義是，根據(jù)電力系統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃方 案及電源裝機(jī)規(guī)劃，結(jié)合系統(tǒng)負(fù)荷預(yù)測(cè)、一次能源情況形成電力系統(tǒng)運(yùn)行邊界條件，選定一 定的調(diào)度目標(biāo)，在發(fā)電機(jī)運(yùn)行約束、系統(tǒng)線路與斷面潮流安全約束等約束下模擬系統(tǒng)一段 時(shí)間的運(yùn)行過程，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行模擬結(jié)果評(píng)估系統(tǒng)規(guī)劃方案或系統(tǒng)運(yùn)行方式。電力系統(tǒng)運(yùn) 行模擬的核心是逐日或逐周求解系統(tǒng)的機(jī)組組合模型，其形式為一混合整數(shù)規(guī)劃模型，如 下式所示：
[0011] 上式中，P，I為上述優(yōu)化模型的決策變量，P為各類型機(jī)組各時(shí)段出力組成的向 量，其元素為連續(xù)變量，I為表示各類型機(jī)組狀態(tài)的變量組成的向量，其元素為0-1變 量，上標(biāo)T表示向量或矩陣的轉(zhuǎn)置。目標(biāo)函數(shù)f(P，I)為系統(tǒng)運(yùn)行總成本最低，總成本包 括機(jī)組燃料成本、系統(tǒng)啟停成本以及網(wǎng)損成本等。約束條件CPT+DIT< b表示系統(tǒng)運(yùn)行 約束以及發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行約束，系統(tǒng)運(yùn)行約束包括負(fù)荷平衡約束、備用平衡約束，發(fā)電機(jī) 組運(yùn)行約束包括機(jī)組出力約束、出力變化速率約束、機(jī)組啟停狀態(tài)約束、電量約束等；其 中C表示上述各約束中機(jī)組出力對(duì)應(yīng)決策變量P前面的系數(shù)矩陣，D表示上述各約束中 機(jī)組狀態(tài)對(duì)應(yīng)決策變量I前面的系數(shù)矩陣，b表示上述各約束中右端常數(shù)項(xiàng)向量。約束 條件
約束表示電力線路與變壓器潮流安全約束，其中Gti為發(fā)電 機(jī)轉(zhuǎn)移分布因子，L為系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)負(fù)荷組成的向量，E與f分別為支路的潮流上下限；約 束條件
為P的上下限約束，T為轉(zhuǎn)置符號(hào)。電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬的詳細(xì)模型 詳見 Ning Zhang, Chongqing Kang, Daniel S. Kirschen, Qing Xia, ffeimin Xi, Junhui Huang, Qian Zhang. Planning pumped storage capacity for wind power integration. IEEE Transactions on Sustainable Energy,2013, 4(2):393-401.
[0012] 2)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移分布因子矩陣與負(fù)荷轉(zhuǎn)移分布因子矩陣：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移分布因子矩 陣表示系統(tǒng)各發(fā)電機(jī)出力對(duì)各支路潮流的靈敏度，負(fù)荷轉(zhuǎn)移分布因子矩陣表示系統(tǒng)各發(fā)電 機(jī)出力對(duì)各支路潮流的靈敏度，設(shè)系統(tǒng)共有K條支路，N個(gè)節(jié)點(diǎn)，M臺(tái)發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移分 布因子Gti以及負(fù)荷轉(zhuǎn)移分布因子矩陣G D可表示為：
[0014] Ge矩陣共有K行M列，g 1ηι表示第m臺(tái)機(jī)組出力對(duì)第1條支路的靈敏度，G D矩陣共 有K行N列，gln表示第η個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)荷對(duì)第1條支路的靈敏度。若已知所有機(jī)組的出力向量 X以及所有節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷L，則可通過Gti矩陣與G D矩陣獲得線路的潮流：
[0015] F = GgPt-GdLt
[0016] 上式中，F(xiàn)為各支路潮流組成的向量。
[0017] 3)混合整數(shù)規(guī)劃優(yōu)化求解技術(shù)：該技術(shù)能夠通過計(jì)算機(jī)求解混合整數(shù)規(guī)劃優(yōu)化 問題，給出模型的最優(yōu)解。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0018] 本發(fā)明的目的是解決考慮安全約束的電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬中優(yōu)化模型規(guī)模較大進(jìn) 而導(dǎo)致計(jì)算效率較低的問題。提出一種安全約束下電力系統(tǒng)運(yùn)行模擬模型快速生成與求解 方法，該方法首先生成電力系統(tǒng)全拓?fù)鋵?duì)應(yīng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移分布因子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移分布因子， 對(duì)于根據(jù)各日系統(tǒng)支路開斷狀態(tài)對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)移分布因子與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移分布因子進(jìn)行修正，進(jìn) 而避免每次重新計(jì)算，提高了機(jī)組組合模型建模效率，同時(shí)，在求解機(jī)組組合模型時(shí)，采用 起作用安全約束辨識(shí)技術(shù)，僅將起作用的安全約束加入機(jī)組組合模型中，進(jìn)而提高了機(jī)組 組合模型的求解效率。
[0019] 本發(fā)明的基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的電力系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)辨識(shí)方法，包括：定義輸電線路、電 纜、變壓器以及連接兩個(gè)母線的輸電設(shè)備為"支路";定義電力系統(tǒng)中的所有母線為"節(jié)點(diǎn)"；
[0020] 其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0021] 1)獲得在運(yùn)行模擬時(shí)間范圍內(nèi)所有涉及到所有支路及節(jié)點(diǎn)信息，根據(jù)支路與節(jié)點(diǎn) 的連接關(guān)系以及各支路電抗，計(jì)算電力系統(tǒng)考慮所有支路的原始節(jié)點(diǎn)阻抗矩陣、負(fù)荷轉(zhuǎn)移 分布因子原始矩陣以及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移分布因子原始矩陣；
[0022] 2)依次開始進(jìn)行逐日運(yùn)行模擬計(jì)算，獲取當(dāng)前模擬日的支路開斷狀態(tài)，根據(jù)支路 開斷狀態(tài)，將負(fù)荷轉(zhuǎn)移分布因子原始矩陣與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)移分布因子原始矩陣進(jìn)行修正后得到 當(dāng)前模擬日考慮支路開斷狀態(tài)