CN109617078A - 基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，针对电网运行过程中的线路热稳定问题，该方法兼顾了电网的局部热稳定问题和全局的运行水平。结合节点自身功率水平提出节点功率调整综合指标，并且给出了节点的功率调节方向。根据节点功率调整指标以及节点类型形成了功率调整节点集和功率平衡节点集。最后提出预防控制优化模型，对系统功率进行多轮次调整。通过IEEE 39节点系统进行了算例分析，验证了该模型的快速性和有效性。

Description

基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法

技术领域

本发明涉及一种线路热稳定预防优化控制方法，属于电力技术领域。

背景技术

近年来，由于各地区电网的电源和负荷的陆续投入，以及输电线路的改造与新建，导致了电力系统的运行状态和运行方式都有了较大的变化。随着发电端和受电端功率的加大，系统承担的输电负载率也在加大，在这种情况下，当一条线路运行状态达到热稳极限或因为故障导致退出运行时，会继而导致其他线路过载退出运行，引起连锁反应。因此需要根据系统当前的运行状态采取措施，使系统达到安全稳定的运行状态。

本文对系统运行状态中的线路热稳定进行预防控制，提出了节点功率调整指标，形成了功率调整节点集和功率平衡节点集，利用优化控制模型对系统功率进行多轮次调整，使线路达到安全运行的同时使系统运行水平最优。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，对系统运行状态中的线路热稳定进行预防控制，提出了节点功率调整指标，形成了功率调整节点集和功率平衡节点集，利用优化控制模型对系统功率进行多轮次调整，使线路达到安全运行的同时使系统运行水平最优。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，

辨识热稳定极限或者负载率小于预设值的线路，作为优化调整对象：

根据优化调整对象确定其首、末端节点的功率调整指标；

根据节点的功率调整指标以及节点类型形成参与功率调整的节点集；

建立优化调整对象的线路热稳定预防控制优化模型；

根据优化模型对节点功率进行调整，再判断线路的热稳定极限或者负载率是否达到设定的期望值，如果未达到，则重新调整对节点功率，直到达到设定的期望值为止。

节点的功率调整指标包括：节点功率变化对线路潮流的调整效果，节点功率变化对整个系统的影响，节点自身的功率调整能力，以及节点的功率变化对线路潮流增减的影响方向。

建立的线路热稳定预防控制优化模型为：

约束条件为

式(5)中：minf是优化模型的目标函数，P_L为线路L的有功功率，为线路L的热稳定极限，r_obj为调整后欲达到的负载率，B为参与功率调整的节点集，ΔP_k为节点k的功率调整量，ω_k为节点k的功率调节权重；α、β分别为权重系数；

式(6)中，和分别为节点k功率调整量ΔP_k的下限和上限；和分别为节点k的功率P_k下限和上限。

参与功率调整的节点集由功率调整节点集和功率平衡节点集构成。

确定节点功率调整的优先顺序，根据节点的综合指标分配功率调整量，采取分次调整的策略控制系统的功率波动。

选择线路有功功率的灵敏度最大的节点进行调节，实现调整量最小和调整目标最优。

线路有功功率的灵敏度通过其节点电压对节点功率的灵敏度计算得到。

采用基于潮流计算的灵敏度分析方法得到线路有功功率的灵敏度。

采用基于潮流计算的灵敏度分析方法得到线路有功功率的灵敏度，步骤为：

建立节点功率平衡方程：

F(X,U)＝0 (1)

式中,X＝[V,δ]^T,U＝[P,Q]^T,分别为状态向量和控制向量，其中，T表示转置,P 表示有功功率，Q表示无功功率；V表示电压幅值，δ表示电压相角；

对控制向量全微分，得到灵敏度公式:

由式(2)得：

线路L有功功率的灵敏度λ通过线路首、末端的节点电压相角对节点有功功率的灵敏度得到，根据式(3)得到：

式中,和分别为线路首、末节点电压相角δ_i、δ_j对节点有功功率的灵敏度,x_L为线路L的电抗；

通过式(4)选取线路L有功功率的灵敏度λ最大的节点进行调节，实现调整量最小和调整目标最优。

本发明所达到的有益效果：

本发明提供了一种基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，建立了基于灵敏度的全局优化控制模型，该模型根据功率调整节点集和功率平衡节点集对系统功率进行多轮次调整，在使接近热稳极限的线路达到安全运行水平的同时，兼顾了系统总体运行水平。该模型不但可以应用于预防控制也可用于紧急控制，更具有全面性和可行性。

附图说明

图1是线路热稳定功率控制流程图；

图2是功率调整效果对比图；

图3是电网性能对比图。

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。

1节点功率调整指标的计算

1.1线路对节点有功功率的灵敏度计算

节点对线路有功功率的调整能力主要通过灵敏度体现，输电线路的有功功率对节点功率的灵敏度越大，则该节点的调节能力越强。线路对节点有功功率的灵敏度计算是通过节点电压对节点功率的灵敏度计算得到的。

采用基于潮流计算的灵敏度分析方法得到线路对节点有功功率的灵敏度。节点功率平衡方程写成如下形式：

F(X,U)＝0 (1)

式中,X＝[V,δ]^T,U＝[P,Q]^T,分别为状态向量和控制向量，其中，T表示转置,P 表示有功功率，Q表示无功功率，V表示电压幅值，δ表示电压相角。

针对式(1)，对控制向量全微分，得到灵敏度公式:

由式(2)得：

线路L有功功率P_L对节点有功功率P的灵敏度λ通过线路首、末节点电压相角对节点有功功率的灵敏度得到，根据式(3)得到：

式中,和分别为线路首、末节点电压相角δ_i、δ_j对节点有功功率的灵敏度,x_L为线路L的电抗。

式(4)的物理意义在于，对于某条输电线路，选取灵敏度λ最大的节点进行调节，可以实现调整量最小和调整目标最优的效果。

1.2节点对线路功率调整作用的相关性分析

针对一条运行状态接近热稳极限的线路，切机(送电侧)、切负荷(受电侧) 可以使线路的负载率下降，但部分节点的切机、切负荷反而会导致线路的负载率上升。比如对于某一个节点，如果负荷和线路的功率都是流出该节点，那么负荷功率的切除无疑会增大线路的潮流。另外，对于功率关联比较小的节点，节点功率的变化对线路功率几乎没有影响。因此，有必要分析节点功率变化对线路功率的调节方向。

1.3节点功率调整综合指标的计算

当线路运行状态接近热稳极限时，需要采取措施降低线路潮流，使之达到一个安全运行状态。调整过程中还需要考虑调整策略对全局的影响以及节点本身的功率调节能力。

在调整过程中，对于电网全局运行性能，在静态安全分析中主要体现为电网的潮流分布的均匀性，本文利用电网潮流熵的概念来评价该属性。对于节点自身的功率调节能力，通过调节量与节点负荷功率或者发电机有功出力的比值来确定。

2线路热稳定预防控制优化模型

线路热稳定预防控制的目标是针对接近热稳极限的线路，通过功率调节措施，改变系统的运行状态，使线路达到一个安全运行的水平。同时，考虑系统整体运行水平与节点本身功率限制，得到线路热稳定预防控制优化模型：

约束条件为

式(5)中：minf是优化模型的目标函数，P_L为线路L的有功功率，为线路L的热稳极限，r_obj为调整后欲达到的负载率；B为参与功率调整的节点集。ΔP_k为节点k的功率调整量；ω_k为节点k的功率调节权重；α、β分别为权重系数。

该优化模型目标函数的物理意义为：式(5)中第一项代表经过功率调整控制后，目标线路负载率达到期望值的程度，该值越小越接近，这也是调整过程中最看重的，因此权重α可设为0.8；第二项代表节点的功率调整量，保证调整效果的同时还需要使节点的功率调整量最小，重要性低于第一项，权重β可设为0.2。

式(6)中，和分别为节点k功率调整量ΔP_k的下限和上限；和分别为节点k的功率P_k下限和上限。节点功率调整过程中，要保证节点功率调整量在节点本身单次调节范围之内，并且保持节点本身的功率水平。

参与功率调整的节点集由功率调整节点集和功率平衡节点集构成。确定节点集并且形成功率调整的优先顺序。根据节点的综合指标分配功率调整量，采取分次调整的策略，保证系统不产生大的功率波动。

对于该优化模型的优化问题，由于在第1节中节点功率调整指标的计算以及节点集的选取时，可以保证在符合约束条件的前提下，实现目标函数，因此不需要优化算法。

3调整控制流程

线路热稳定功率控制流程如图1所示。

当发现线路潮流接近热稳极限时，启动功率调整程序。首先辨识接近热稳极限的线路或者需要降低负载率的线路，针对该线路进行后续的功率调整。

根据第1节，计算节点的功率调整指标。该指标涵盖了多项因素，包括节点功率变化对线路潮流的调整效果，节点功率变化对整个系统的影响，节点自身的功率调整能力，以及节点的功率变化对线路潮流增减的影响方向。同时节点功率调整量的大小根据该指标的权重确定。

对系统的节点功率调整结束之后，重新计算潮流。判断线路的负载率是否达到期望水平，如果没达到，则继续调整。整个调整过程中，视线路潮流水平会进行多次调整，直到满足条件为止。

4实施例

为了验证本文热稳定优化控制模型的有效性和快速性，采用IEEE 39节点网络作为算例系统。该系统为北美新英格兰州的一个区域电力网，共有10台发电机，19个负荷节点和46条线路。

本文基于IEEE 39节点的潮流数据作为基态数据，计算完基态潮流数据之后，发现线路16-19的负载率比较高，针对该线路，采取预防控制措施，使其达到一个安全的运行状态，同时保证系统的运行水平最佳。

4.2 IEEE 39系统功率调整仿真分析

对基态数据计算潮流后，发现线路16-19的潮流负载率最高，为75.22％。这里设定期望达到的负载率为50％，达到该负载率需要降低的功率为151MW，采用优化控制模型调节系统功率达到此目标。

首先确定针对线路16-19的功率调整节点集和功率平衡节点集。选取该线路对节点有功功率灵敏度大于0.015的节点，这些节点针对线路16-19的功率调节能力最大。计及节点调节后的系统潮流熵和节点功率调节代价，得到节点功率调节指标。对该指标进行排序，得到排序前三的节点为33、15、16，调节方向均为正，其中，节点33为发电机，节点15、16为负荷节点。

根据节点功率调整综合指标确定每个节点的功率调整量。依据功率调整节点集和功率平衡节点集对系统的节点功率进行调整，计算潮流后如果线路负载率达到期望值则控制结束；如果未达到期望值，则进行下一轮的调节。

为了对比文本优化控制模型的有效性和快速性，采用基于潮流追踪的方法对接近热稳极限的线路进行预防控制，分析线路负载率以及系统整体运行水平，对比两种方法的优劣。在基于潮流追踪的优化控制方法中，首先针对系统的潮流，进行潮流追踪，即得到发电机、线路、负荷的功率贡献汲取关系。针对欲进行控制的线路，分析对该线路贡献功率的发电机和从该线路汲取功率的负荷，对这些节点进行功率调整，从而达到降低线路负载率的目的。

两种方法的功率调整效果对比如图2所示，功率调整性能对比如图3所示。

由图2可见，基于灵敏度优化模型的控制方法在进行3次功率调整后就达到了期望的负载率(50％)，并且线路负载率下降的速度很快。而在基于潮流追踪的控制方法下，线路负载率下降速度很慢，在第五次调整以后线路负载率每次下降的很少，说明第五次以后，已经基本上没有了对该线路的调整能力。并且基于潮流追踪的方法在第八次调整后负载率依然没有达到期望值，说明该方法的调整效果不佳。

在线路热稳定预防控制问题中，欲进行控制的线路负载率是一个很重要的因素，但是电网全局的运行水平也是要考虑的一个因素。得到两种方法的调整性能，如图3所示。

该指标越小，则调整性能越佳。由图3可见，基于灵敏度优化模型的性能评价指标一直处于基于潮流追踪控制方法的下方，且下降的速度很快。而基于潮流追踪方法的性能评价指标在前三次调整后基本不变，之后的调整效果不是很明显。因此说明，在热稳定控制问题上，基于灵敏度优化模型在局部控制以及整体性能上都是合理有效的。

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。

Claims (9)

1.基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，

辨识热稳定极限或者负载率小于预设值的线路，作为优化调整对象：

根据优化调整对象确定其首、末端节点的功率调整指标；

根据节点的功率调整指标以及节点类型形成参与功率调整的节点集；

建立优化调整对象的线路热稳定预防控制优化模型；

根据优化模型对节点功率进行调整，再判断线路的热稳定极限或者负载率是否达到设定的期望值，如果未达到，则重新调整对节点功率，直到达到设定的期望值为止。

2.根据权利要求1所述的基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，节点的功率调整指标包括：节点功率变化对线路潮流的调整效果，节点功率变化对整个系统的影响，节点自身的功率调整能力，以及节点的功率变化对线路潮流增减的影响方向。

3.根据权利要求1所述的基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，建立的线路热稳定预防控制优化模型为：

约束条件为

式(5)中：minf是优化模型的目标函数，P_L为线路L的有功功率，为线路L的热稳定极限，r_obj为调整后欲达到的负载率，B为参与功率调整的节点集，ΔP_k为节点k的功率调整量，ω_k为节点k的功率调节权重；α、β分别为权重系数；

式(6)中，和分别为节点k功率调整量ΔP_k的下限和上限；和分别为节点k的功率P_k下限和上限。

4.根据权利要求1或3所述的基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，参与功率调整的节点集由功率调整节点集和功率平衡节点集构成。

5.根据权利要求4所述的基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，确定节点功率调整的优先顺序，根据节点的综合指标分配功率调整量，采取分次调整的策略控制系统的功率波动。

6.根据权利要求3所述的基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，选择线路有功功率的灵敏度最大的节点进行调节，实现调整量最小和调整目标最优。

7.根据权利要求6所述的基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，线路有功功率的灵敏度通过其节点电压对节点功率的灵敏度计算得到。

8.根据权利要求6所述的基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，采用基于潮流计算的灵敏度分析方法得到线路有功功率的灵敏度。

9.根据权利要求8所述的基于灵敏度的线路热稳定预防优化控制方法，其特征是，采用基于潮流计算的灵敏度分析方法得到线路有功功率的灵敏度，步骤为：

建立节点功率平衡方程：

F(X,U)＝0 (1)

式中,X＝[V,δ]^T,U＝[P,Q]^T,分别为状态向量和控制向量，其中，T表示转置,P表示有功功率，Q表示无功功率；V表示电压幅值，δ表示电压相角；

对控制向量全微分，得到灵敏度公式:

由式(2)得：

线路L有功功率的灵敏度λ通过线路首、末端的节点电压相角对节点有功功率的灵敏度得到，根据式(3)得到：

式中,和分别为线路首、末节点电压相角δ_i、δ_j对节点有功功率的灵敏度,x_L为线路L的电抗；

通过式(4)选取线路L有功功率的灵敏度λ最大的节点进行调节，实现调整量最小和调整目标最优。