安全約束下電力系統(tǒng)運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，風電、太陽能等間歇性能源的加入，大規(guī) ?？缌饔蚨嗉壦娬镜慕ㄔO(shè)，核電、抽蓄、燃機等多種類型電源的接入以及電網(wǎng)遠距離交直 流混合輸電的格局等因素都極大地增加了電網(wǎng)運行的復雜度。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)來安排類型機組在負荷曲線上的運行位置，進而評價未來電力規(guī)劃的適 應(yīng)性與經(jīng)濟性。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)日益復雜，電力系統(tǒng)運行中 涉及到的系統(tǒng)調(diào)峰、機組啟停、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)往往難以考慮到實際運行當中的各項限制因素。因此，產(chǎn)生了電力系統(tǒng)運行模 擬這一新技術(shù)，即針對當前電力規(guī)劃，采用機組組合模型對電力系統(tǒng)未來運行進行長時間、 考慮運行層面的各項約束的模擬，進而精細化的評估當前電力規(guī)劃方案在未來運行中的適 應(yīng)性、經(jīng)濟性、環(huán)保性等指標。
[0003] 目前，不考慮系統(tǒng)安全約束的電力系統(tǒng)運行模擬技術(shù)已比較成熟，并在國際上已 有一些軟件實現(xiàn)的產(chǎn)品。丹麥的Riso實驗室研發(fā)了電力系統(tǒng)運行模擬軟件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)，該軟件實現(xiàn) 的電力系統(tǒng)運行模擬方法采用逐小時的運行模擬的方式評價系統(tǒng)運行成本，被應(yīng)用于風電 接入規(guī)劃以及抽水蓄能機組的規(guī)劃中。但該方法僅能考慮電源側(cè)的模擬，并沒有對電力 網(wǎng)絡(luò)進行建模，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)考慮線路約束時序運行模擬 (http://www. geenergyconsulting. com/practice-area/software-products/maps. )〇 牛 津大學研發(fā)了 Switch軟件中也實現(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)分為幾個或幾十個地 區(qū)，建立不同地區(qū)之間的網(wǎng)流模型，并無法建立詳細的電力網(wǎng)絡(luò)潮流模型，運行模擬結(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)濟性，無法分析電網(wǎng)規(guī)劃的安全性、合理性與 經(jīng)濟性。
[0004] 電力系統(tǒng)運行模擬中考慮系統(tǒng)安全約束為計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，精細化考慮電力系統(tǒng)安全約束需要對電力系統(tǒng)各節(jié)點和支路進行 建模。以中等規(guī)模的省級網(wǎng)為例，一般包含發(fā)電機組約100~200臺，節(jié)點1000~2000個， 支路2000~5000條。不考慮安全約束的運行模擬中每日機組組合模型決策變量個數(shù)將在 1萬個以上，約束數(shù)也將達到2萬個以上。包含安全約束后，約束條件個數(shù)將增加10萬個以 上。大規(guī)模的優(yōu)化模型的建模和求解的計算和存儲開銷極大，考慮安全約束的運行模擬模 型規(guī)模，對于個人電腦或高性能工作站，采用商業(yè)軟件進行求解單日的機組組合模型，其建 模時間約在幾十秒的數(shù)量級上，求解時間也會在幾百秒的數(shù)量級上，全年逐日的運行模擬 的模擬總時間將超過幾十小時的時間量級上，難以滿足規(guī)劃工作的實際需求。龐大的計算 與存儲開銷限制了考慮安全約束的電力系統(tǒng)運行模擬技術(shù)在實際大規(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組組合快速計算技術(shù)，進而提升考慮安全約束的電力系統(tǒng)運行模 擬的計算效率，使其能夠應(yīng)用于大規(guī)模實際電力系統(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 案及電源裝機規(guī)劃，結(jié)合系統(tǒng)負荷預測、一次能源情況形成電力系統(tǒng)運行邊界條件，選定一 定的調(diào)度目標，在發(fā)電機運行約束、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 時間的運行過程，根據(jù)系統(tǒng)運行模擬結(jié)果評估系統(tǒng)規(guī)劃方案或系統(tǒng)運行方式。電力系統(tǒng)運 行模擬的核心是逐日或逐周求解系統(tǒng)的機組組合模型，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為各類型機組各時段出力組成的向 量，其元素為連續(xù)變量，I為表示各類型機組狀態(tài)的變量組成的向量，其元素為0-1變 量，上標T表示向量或矩陣的轉(zhuǎn)置。目標函數(shù)f(P，I)為系統(tǒng)運行總成本最低，總成本包 括機組燃料成本、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)運行 約束以及發(fā)電機組的運行約束，系統(tǒng)運行約束包括負荷平衡約束、備用平衡約束，發(fā)電機 組運行約束包括機組出力約束、出力變化速率約束、機組啟停狀態(tài)約束、電量約束等；其 中C表示上述各約束中機組出力對應(yīng)決策變量P前面的系數(shù)矩陣，D表示上述各約束中 機組狀態(tài)對應(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 機轉(zhuǎn)移分布因子，L為系統(tǒng)各節(jié)點負荷組成的向量，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。電力系統(tǒng)運行模擬的詳細模型 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)電機轉(zhuǎn)移分布因子矩陣與負荷轉(zhuǎn)移分布因子矩陣：發(fā)電機轉(zhuǎn)移分布因子矩 陣表示系統(tǒng)各發(fā)電機出力對各支路潮流的靈敏度，負荷轉(zhuǎn)移分布因子矩陣表示系統(tǒng)各發(fā)電 機出力對各支路潮流的靈敏度，設(shè)系統(tǒng)共有K條支路，N個節(jié)點，M臺發(fā)電機，發(fā)電機轉(zhuǎn)移分 布因子Gti以及負荷轉(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臺機組出力對第1條支路的靈敏度，G D矩陣共 有K行N列，gln表示第η個節(jié)點負荷對第1條支路的靈敏度。若已知所有機組的出力向量 X以及所有節(jié)點的負荷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)能夠通過計算機求解混合整數(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)運行模擬中優(yōu)化模型規(guī)模較大進 而導致計算效率較低的問題。提出一種安全約束下電力系統(tǒng)運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)全拓撲對應(yīng)的負荷轉(zhuǎn)移分布因子與發(fā)電機轉(zhuǎn)移分布因子， 對于根據(jù)各日系統(tǒng)支路開斷狀態(tài)對負荷轉(zhuǎn)移分布因子與發(fā)電機轉(zhuǎn)移分布因子進行修正，進 而避免每次重新計算，提高了機組組合模型建模效率，同時，在求解機組組合模型時，采用 起作用安全約束辨識技術(shù)，僅將起作用的安全約束加入機組組合模型中，進而提高了機組 組合模型的求解效率。
[0019] 本發(fā)明的基于風險評估的電力系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)辨識方法，包括：定義輸電線路、電 纜、變壓器以及連接兩個母線的輸電設(shè)備為"支路";定義電力系統(tǒng)中的所有母線為"節(jié)點"；
[0020] 其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0021] 1)獲得在運行模擬時間范圍內(nèi)所有涉及到所有支路及節(jié)點信息，根據(jù)支路與節(jié)點 的連接關(guān)系以及各支路電抗，計算電力系統(tǒng)考慮所有支路的原始節(jié)點阻抗矩陣、負荷轉(zhuǎn)移 分布因子原始矩陣以及發(fā)電機轉(zhuǎn)移分布因子原始矩陣；
[0022] 2)依次開始進行逐日運行模擬計算，獲取當前模擬日的支路開斷狀態(tài)，根據(jù)支路 開斷狀態(tài)，將負荷轉(zhuǎn)移分布因子原始矩陣與發(fā)電機轉(zhuǎn)移分布因子原始矩陣進行修正后得到 當前模擬日考慮支路開斷狀態(tài)