一种阻断多重故障传播的电网扩展规划方法、装置、设备及介质与流程

本发明涉及电网，特别涉及一种阻断多重故障传播的电网扩展规划方法、装置、设备及介质。

背景技术：

1、当电力系统中的多个元件均发生故障时，会引发潮流转移，并导致故障快速传播至整个电力系统，从而造成连锁故障，进而引发大停电事故。电力系统中的连锁故障可能在短时间内导致其内部的多条线路相继过载，在此情况下，就很难对电力系统采取有效的应急补救措施。

2、由此可见，如何在电力系统的设计初期，就通过考虑多重故障的连锁传播特性，来在电力系统中的关键电力网络环结构中新建电力传输线路，及时地将电力系统中的连锁故障阻断，并保证电力系统的安全稳定运行，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种阻断多重故障传播的电网扩展规划方法、装置、设备及介质，以进一步提高电力系统在运行过程中的安全性。其具体方案如下：

2、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种阻断多重故障传播的电网扩展规划方法，包括：

3、获取与目标电力系统相对应的电力拓扑图，得到目标电力拓扑图；

4、在所述目标电力拓扑图中确定所述目标电力系统发生多重故障时影响范围最大的电力网络环结构，得到目标电力网络环结构；

5、根据所述目标电力网络环结构创建三层优化模型；所述三层优化模型包括：用于模拟在所述目标电力网络环结构中新建电力传输线路的上层优化模型、用于模拟所述目标电力系统发生多重故障的中层优化模型以及用于模拟阻断所述目标电力系统发生多重故障时级联传播路径的下层优化模型；

6、利用benders分解算法对所述三层优化模型进行求解，得到目标线路集合，并根据所述目标线路集合在所述目标电力系统中新建电力传输线路。

7、优选的，所述在所述目标电力拓扑图中确定所述目标电力系统发生多重故障时影响范围最大的电力网络环结构，得到目标电力网络环结构，包括：

8、基于最小输入定理对所述目标电力系统进行最大匹配计算，得到最大匹配结果；

9、将所述最大匹配结果中未被匹配的节点判定为驱动节点，并由所述驱动节点构建所述目标电力系统实现结构可控所需的最小驱动节点集合；

10、以目标节点为起点，并将与所述目标节点相关联的节点以及线路划分为与所述目标节点相对应的结构可控子系统；所述目标节点为所述最小驱动节点集合中的任意一个节点；

11、将与各个驱动节点相对应的结构可控子系统分别等效收缩为广义节点，并基于各个广义节点之间的拓扑连接关系构建降阶电力网络；

12、利用费德勒特征值查找所述降阶电力网络中特征值最大的电力网络环结构，得到所述目标电力网络环结构。

13、优选的，所述上层优化模型的表达式为：

14、；

15、式中，表示负荷，表示负荷的负荷损失，表示线路是否在所述目标电力网络环结构上投建线路时所对应的变量，表示所述目标电力系统的总负荷数；

16、所述上层优化模型所对应的约束条件为：

17、；

18、；

19、式中，表示是否对结构可控子系统和结构可控子系统加边时所对应的变量，表示结构可控子系统和结构可控子系统之间的待建线路集，表示待建线路集中的总线路数，为加边预算；表示线路，表示线路是否在所述目标电力网络环结构上投建线路时所对应的变量；

20、；

21、式中，为结构可控子系统和结构可控子系统间的邻接矩阵。

22、优选的，所述中层优化模型的表达式为：

23、；

24、式中，表示线路是否发生故障时所对应的变量，表示负荷，表示所述目标电力系统的总负荷数，表示负荷的负荷损失；

25、所述中层优化模型的约束条件为：

26、；

27、式中，表示所述中层优化模型的约束条件，表示线路，表示所述目标电力系统的总线路数，表示线路是否发生故障时所对应的变量，表示线路是否在所述目标电力网络环结构上投建线路时所对应的变量，为故障线路数，为已建线路集，为待建线路集。

28、优选的，所述下层优化模型的表达式为：

29、；

30、式中，表示发电机的出力，表示负荷的负荷损失，表示负荷，表示所述目标电力系统的总负荷数；

31、所述下层优化模型的约束条件包括：

32、节点功率平衡约束：；

33、式中，表示节点，表示线路，表示所述目标电力系统的总线路数，表示节点与线路之间的连接关系参数，表示线路的潮流，表示发电机，表示所述目标电力系统的总发电机数，表示节点与发电机之间的连接关系参数，表示发电机的出力，表示负荷，表示所述目标电力系统的总负荷数，表示节点与负荷之间的连接关系参数，为负荷的初始负荷，表示负荷的负荷损失，表示所述目标电力系统中所有节点的集合；

34、线路潮流约束条件：；

35、式中，表示线路，表示线路的潮流，表示线路的导纳，表示节点，表示所述目标电力系统中节点的总数，表示节点与线路之间的连接关系参数，表示节点的相角，为节点的最大相角值，表示线路是否在所述目标电力网络环结构上投建线路时所对应的变量，表示线路是否发生故障时所对应的变量，为已建线路集，为待建线路集；

36、线路传输容量约束条件：；

37、式中，表示线路，表示线路是否在所述目标电力网络环结构上投建线路时所对应的变量，表示线路是否发生故障时所对应的变量，表示线路的最大传输容量，表示线路的潮流，为已建线路集，为待建线路集；

38、相角上下限约束条件：；

39、式中，表示节点，表示节点的相角，为节点的最大相角值，为所述目标电力系统中所有节点的集合；

40、发电机出力上下限约束条件：；

41、式中，表示发电机，表示发电机的出力，表示发电机的最大出力，表示所述目标电力系统中所有发电机的集合；

42、负荷损失上下限约束条件：；

43、式中，表示负荷，表示负荷的负荷损失，为负荷的初始负荷，表示所述目标电力系统中所有负荷的集合。

44、优选的，所述利用benders分解算法对所述三层优化模型进行求解，得到目标线路集合，包括：

45、利用所述benders分解算法将所述三层优化模型分解为主问题模型和子问题模型，并通过所述主问题模型和所述子问题模型的相互迭代求取所述三层优化模型的最优解，得到所述目标线路集合。

46、优选的，所述利用所述benders分解算法将所述三层优化模型分解为主问题模型和子问题模型，并通过所述主问题模型和所述子问题模型的相互迭代求取所述三层优化模型的最优解，得到所述目标线路集合，包括：

47、利用所述benders分解算法将所述三层优化模型分解为子问题模型和主问题模型；

48、所述子问题模型的表达式为：

49、；

50、式中，表示线路是否发生故障时所对应的变量，表示发电机的出力，表示负荷，表示负荷的负荷损失，表示所述目标电力系统的总负荷数；

51、将所述中层优化模型的约束条件和所述下层优化模型的约束条件判定为所述子问题模型的约束条件；

52、利用对偶理论和第一对偶约束将所述子问题模型转换为单层优化模型，并利用求解器gurobi对所述单层优化模型进行求解，得到所述子问题模型的最优解以及所述子问题模型的最优拉格朗日乘子；

53、所述单层优化模型的表达式为：

54、；

55、式中，表示所述目标电力系统中节点的总数，表示节点，表示负荷，表示所述目标电力系统的总负荷数，表示节点与负荷之间的连接关系参数，为负荷的初始负荷，表示线路，表示所述目标电力系统的总线路数，表示根据所述主问题模型的最优解所生成的加边线路，表示线路是否发生故障时所对应的变量，表示线路的最大传输容量，表示发电机的最大出力，为节点的最大相角值，表示线路的导纳，、、、、、、、、均为所述子问题模型在第次迭代次数下的最优拉格朗日乘子；

56、所述第一对偶约束的表达式为：

57、；

58、式中，表示节点，表示所述目标电力系统中节点的总数，表示线路，表示节点与线路之间的连接关系参数，为已建线路集，为待建线路集，表示节点与负荷之间的连接关系参数，表示发电机，表示所述目标电力系统中所有发电机的集合，表示节点与负荷之间的连接关系参数，表示负荷，表示所述目标电力系统中所有负荷的集合，表示线路的导纳，表示所述目标电力系统中所有节点的集合，、、、、、、、、、、均为所述子问题模型在第次迭代次数下的最优拉格朗日乘子；

59、利用所述子问题模型的最优拉格朗日乘子生成所述主问题模型的动态最优割，并将所述上层优化模型所对应的约束条件判定为所述主问题模型的约束条件，以对所述主问题模型的可行域进行限制；

60、所述主问题模型的表达式为：

61、；

62、式中，表示线路是否在所述目标电力网络环结构上投建线路时所对应的变量，为所述主问题模型的最优解；

63、所述动态最优割的表达式如下：

64、；

65、式中，为所述主问题模型的最优解，表示节点，表示所述目标电力系统中节点的总数，表示负荷，表示所述目标电力系统的总负荷数，表示节点与负荷之间的连接关系参数，为负荷的初始负荷，表示线路，表示所述目标电力系统的总线路数，表示线路是否在所述目标电力网络环结构上投建线路时所对应的变量，表示线路是否发生故障时所对应的变量，表示线路的最大传输容量，表示发电机，表示所述目标电力系统的总发电机数，表示发电机的最大出力，表示所述目标电力系统的总线路数，为负荷的初始负荷，为节点的最大相角值，表示线路的导纳，表示所述中层优化模型的约束条件，、、、、、、、、、、均为所述子问题模型在第次迭代次数下的最优拉格朗日乘子；

66、当所述主问题模型的约束系数矩阵为全单模矩阵时，将所述主问题模型中的0-1变量等价松弛为连续变量，并利用对偶理论和第二对偶约束对所述主问题模型进行求解，得到所述主问题模型的最优解；

67、所述第二对偶约束的表达式如下：

68、；

69、；

70、式中，为所述主问题模型的最优解，表示线路，表示所述目标电力系统的总线路数，、、、为拉格朗日乘子，表示线路是否在所述目标电力网络环结构上投建线路时所对应的变量，为故障线路数，表示发电机，表示所述目标电力系统的总发电机数，表示发电机的最大出力，表示线路的导纳，为节点的最大相角值，表示负荷，表示所述目标电力系统的总负荷数，为负荷的初始负荷，表示节点，表示所述目标电力系统中节点的总数，表示节点与负荷之间的连接关系参数，为负荷的初始负荷，表示线路的最大传输容量，为已建线路集，、、、、、、、、、、均为所述子问题模型在第次迭代次数下的最优拉格朗日乘子；

71、对所述子问题模型和所述主问题模型进行迭代计算，当所述子问题模型的最优解和所述主问题模型的最优解满足预设条件时，则将与所述子问题模型最优解相对应的加边线路判定为所述目标线路集合。

72、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种阻断多重故障传播的电网扩展规划装置，包括：

73、拓扑图获取模块，用于获取与目标电力系统相对应的电力拓扑图，得到目标电力拓扑图；

74、环结构获取模块，用于在所述目标电力拓扑图中确定所述目标电力系统发生多重故障时影响范围最大的电力网络环结构，得到目标电力网络环结构；

75、三层模型创建模块，用于根据所述目标电力网络环结构创建三层优化模型；所述三层优化模型包括：用于模拟在所述目标电力网络环结构中新建电力传输线路的上层优化模型、用于模拟所述目标电力系统发生多重故障的中层优化模型以及用于模拟阻断所述目标电力系统发生多重故障时级联传播路径的下层优化模型；

76、线路求解模块，用于利用benders分解算法对所述三层优化模型进行求解，得到目标线路集合，并根据所述目标线路集合在所述目标电力系统中新建电力传输线路。

77、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种阻断多重故障传播的电网扩展规划设备，包括：

78、存储器，用于存储计算机程序；

79、处理器，用于执行所述计算机程序时实现如前述所公开的一种阻断多重故障传播的电网扩展规划方法的步骤。

80、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如前述所公开的一种阻断多重故障传播的电网扩展规划方法的步骤。

81、有益效果：相较于现有技术而言，在本发明中，首先是获取与目标电力系统相对应的电力拓扑图，将电力系统的网络结构抽象为可供算法分析的结构化对象；然后，再在目标电力拓扑图中确定发生多重故障时影响范围最大的目标电力网络环结构，并由此实现对关键防护位置的精准识别与定位；之后，再根据目标电力网络环结构创建包含上层优化模型、中层优化模型和下层优化模型的三层优化模型；其中，上层优化模型能够模拟在目标电力网络环结构中需要新建的电力传输线路，中层优化模型能够模拟目标电力系统在发生故障时所对应的多重故障，而下层优化模型能够模拟在阻断目标电力系统发生多重故障时所对应的级联传播路径，这样就可以在三层优化模型的统一框架内对目标电力系统中的“线路投建、故障发生以及故障阻断”进行分析与调整；最后利用benders分解算法对三层优化模型进行求解，就可以得到目标线路集合，并根据目标线路集合来在目标电力系统中最容易发生多重级联故障的电力网络环结构中新建电力传输线路。因此，通过该方法就能够在目标电力系统的设计初期从电力网络的拓扑源头去预防连锁故障的发生，这样就可以有效克服现有技术中连锁故障事后难以补救以及缺乏源头防控手段的技术缺陷，由此就可以进一步提高电力系统在运行过程中的安全性与可靠性。

82、相应的，本发明所提供的一种阻断多重故障传播的电网扩展规划装置、设备及介质，同样具有上述有益效果。