一种多级关联断面限额适应性评估及优化计算方法与流程

1.本发明涉及电力能源领域，具体涉及一种多级关联断面限额适应性评估及优化计算方法。


背景技术：

2.随着新型电力系统推进，新能源发展将进一步加快，以新能源为主体的电力系统运行方式复杂多变，电力保供及新能源消纳压力进一步增大。同时特高压直流快速发展，交直流电网耦合度不断提高，断面间限额关联度及电网控制复杂度提升，传统根据极端典型方式提前制定电网预控限额的方法，难以适应新型电力系统方式复杂多变特性及保供消纳需求，需要主动适应复杂多变方式开展限额适应性评估及优化制定，提升电网控制灵活性。
3.目前针对关联断面限额的研究主要集中在输电断面辨识方法以及各种安全约束下的极限传输容量计算方法，比如基于连续潮流技术、基于分级聚类的电网分区方法、自适应定位技术、人工智能等，求解断面极限传输容量。在典型方式提取方面，大多数研究是基于电网仿真样本生成方法，搜集电网仿真计算离线数据中的用户调整潮流行为数据，并进行处理。目前基于数据驱动的暂态稳定评估进行其数据上的改进研究，可以分为欠采样和过采样方法两类，欠采样方法由于会损失多数类的数据信息，因此应用范围有限。
4.以上针对复杂电网关键断面限额优化的研究较为全面细致，成果主要集中在电网可用输电能力的研究优化上。但随着风电、分布式光伏等大量新能源的接入，源荷不确定性问题日益突出，针对断面需求适应性评估优化的研究较少。此外，特高压直流陆续投运，大容量故障冲击及交直流多断面耦合增大，潮流的分布组合对故障后稳定特性影响加剧，断面间输送限额关联性突出，因此，需要一种方法能充分考虑新能源时空互补特性，在考虑多类不确定因素基础上开展关联断面限额适应性评估及协调优化。


技术实现要素：

5.为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种多级关联断面限额适应性评估及优化计算方法
6.为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
7.一种多级关联断面限额适应性评估及优化计算方法，包括以下步骤，
8.(1).构建以断面限额适应性最优为目标的优化模型；
9.(2).根据电力系统稳定计算规程并结合优化模型，确定初始控制限额和初始稳定限额；
10.(3).根据实际负荷、日前新能源预测和日前交易计划情况确定次日不同时段各断面输送需求并确定典型需求方式；
11.(4).将得出的典型需求方式与初始稳定限额进行比较，计算限额不足度指标，若初始限额不满足典型方式要求，则基于初始控制限额方案，利用功率摄动法求出断面限额调整向量，调整断面功率限额，使得主导故障稳定裕度均衡变化达到临界值；
12.(5).基于限额调整向量和得到的新断面控制限额方案，以调整后的限额为方式开展时域仿真，求解该方式下断面功率与稳定裕度影响因子，再按步骤4重复生成限额调整向量，直至调整后的限额满足典型方式需求或主导故障的稳定裕度达到临界值，从而得出次日最优断面限额分档方案。
13.优选地，步骤(1)具体为根据不同运行方式下电网的稳定特性，综合考虑各类安全约束的条件下，以控制限额适应性最优为目标，构建多级复杂耦合断面稳定限额优化模型，如式(1)所示:
[0014][0015]
式中：g为电力系统潮流约束；ε为电网稳定最小裕度要求；ηj为故障j下的系统稳定裕度；p
i需求
是第i个断面的送出需求；p
i限额
是第i个断面的输送限额；j代表主导故障编号，m表示主导故障个数；t0是计算分析起始时间，t是计算分析结束时间；k为k个关联输电断面。
[0016]
优选地，步骤(2)具体为根据电力系统稳定计算规程，确定计算系统的k个关联输电断面和m个主导故障，根据主导故障的稳定特性，基于时域仿真确定初始控制限额，按照断面限额与稳定裕度影响因子逐步均衡增大断面功率，将主导故障稳定裕度满足临界稳定条件时的各关联断面功率作为初始稳定限额。
[0017]
优选地，步骤(3)具体为根据日前新能源预测、日前交易计划，能够确定各时刻与关键故障稳定裕度强相关的多个关联断面输送需求组合,将各时刻的多个断面需求值，整合为多维向量，针对上述多组关联断面组合数据，利用k-means方法实现多维向量聚类，通过k-means聚类方法能够在设定聚类类别数后，自动计算寻找各分类的最优中心点，然后利用肘部法则求出上述关联断面最佳分类数，即计算误差平方和，如式(2)所示:
[0018][0019]
式中，ci是第i个簇，p是ci中的样本点，mi是ci的质心，sse是所有样本的聚类误差，代表了聚类效果的好坏；将中心点为质心mi组成的向量乘以1.15倍后的值作为需求典型方式。
[0020]
优选地，步骤(4)具体为针对不同故障后稳定类型，需要确定不同的稳定裕度计算方法，根据不同的稳定问题，不同故障下稳定裕度量化指标各不相同，其故障后的稳定裕度由电压波动积分值进行表征，如式(3)所示:
[0021][0022]
式中，ηj为发生故障j后的稳定指标；tc为故障清除时刻；u
i,j
(t)为发生故障j后母
线i在t时刻的电压幅值，稳定裕度描述的是故障切除后的暂态过程中母线电压低于0.9p.u.的面积，表示可量化系统的稳定程度；
[0023]
在多个故障主导的关联断面影响因素分析时，断面限额的稳定裕度影响因子用线性矩阵j表示，如式(4)和式(5)所示：
[0024]
δη＝jδp
ꢀꢀ
(4)
[0025][0026]
式中：δpk为断面k的调整变化量，δp为由δp1至δpk组成的断面限额调整变化向量，δηm为故障m发生后的稳定裕度变化量，δη为稳定裕度向量，在求出上述矩阵后，利用其指导限额调整向量以及评估系统抗扰动能力。
[0027]
优选地，步骤(5)具体为通过增大不满足输送需求的断面限额，减小超出断面需求且灵敏度最高的断面限额为原则生成限额调整向量，限额调整步长设置为10万千瓦。
[0028]
采用上述技术方案带来的有益效果：
[0029]
本发明提出一种多级关联断面限额适应性评估及优化计算方法，首先构建了以断面限额适应性最优为目标优化模型，然后根据负荷、新能源预测及市场交易数据，提出基于k-means聚类的典型需求方式提取方法，开展断面限额与输送需求分析及适应性评估；最后，利用参数摄动法计算关联断面限额与主导故障稳定裕度影响因子矩阵，基于限额适应性情况和稳定裕度影响因子开展断面限额协调优化，得到与断面输送需求适应性最优的关联断面限额，有效反映了高比例新能源电网运行特性，为断面限额优化制定提供参考，实现电网效率效益充分发挥及新能源高效消纳。由于本方法以最大程度满足需求、最小程度降低初始限额为原则开展协调优化，利用本方法得到调整限额，能够保证多个断面整体限额降低最少，最大程度满足典型方式需求，从而提升了电网运行的效率效益。
附图说明
[0030]
图1为本发明计算方法的流程图；
[0031]
图2为本发明聚类原理流程图；
[0032]
图3为本发明xj电网联网通道网架结构图；
[0033]
图4为本发明典型日聚类情况；
[0034]
图5为本发明常规分档方案对需求的包络方式；
[0035]
图6为本发明四种方式下jq直流换相失败后故障电压波动曲线。
具体实施方式
[0036]
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
[0037]
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
[0038]
请参阅图1所示流程图，本发明为了弥补现有方法的不足，提出一种多级关联断面限额适应性评估及优化计算方法。具体包括以下步骤。
[0039]
1)、根据不同运行方式下电网的稳定特性，综合考虑各类安全约束的条件下，以控制限额适应性最优为目标，构建多级复杂耦合断面稳定限额优化模型，如式(1)所示。
[0040][0041]
式中：g为电力系统潮流约束；ε为电网稳定最小裕度要求；ηj为故障j下的系统稳定裕度；p
i需求
是第i个断面的送出需求；p
i限额
是第i个断面的输送限额；j代表主导故障编号，m表示主导故障个数。2)、根据运行经验及稳定计算规程，确定k个关联输电断面和m个主导故障，根据主导故障，基于时域仿真结果确定初始控制限额方案；t0是计算分析起始时间，t是计算分析结束时间。
[0042]
3)、根据负荷、新能源预测确定次日不同时段各断面输送需求，为避免限额过多，利用聚类方法确定主要典型需求方式。
[0043]
如图2所示，根据日前新能源预测、日前交易计划，能够确定各时刻与关键故障稳定裕度强相关的多个关联断面输送需求组合,将各时刻的多个断面需求值，整合为多维向量。针对上述多组关联断面组合数据，利用k-means方法实现多维向量聚类，通过k-means聚类方法能够在设定聚类类别数后，自动计算寻找各分类的最优中心点，然后利用肘部法则求出上述关联断面最佳分类数，即计算sse(sum of the squared errors，误差平方和)，如式(2)所示。
[0044][0045]
式中，ci是第i个簇，p是ci中的样本点，mi是ci的质心(ci中所有样本的均值)，sse是所有样本的聚类误差，代表了聚类效果的好坏。随着聚类数k的增大，样本划分会更加精细，每个簇的聚合程度会逐渐提高，那么误差平方和sse自然会逐渐变小。并且，当k小于真实聚类数时，由于k的增大会大幅增加每个簇的聚合程度，故sse的下降幅度会很大，而当k到达真实聚类数时，再增加k所得到的聚合程度回报会迅速变小，所以sse的下降幅度会骤减，然后随着k值的继续增大而趋于平缓，也就是说sse和k的关系图是一个手肘的形状，而这个肘部对应的k值就是数据的最佳聚类数。考虑断面需求预测准确度及中心点可能不属于各类组合中的最大值等因素，根据运行经验，将每类中心点乘以1.15倍后的值作为需求典型方式。
[0046]
4)、统计主导故障稳定裕度满足临界稳定条件，计算各断面需求方式下稳定裕度,判断主要典型需求方式下稳定裕度是否满足要求。若不满足要求，基于初始控制限额方案，利用功率摄动法求出断面限额调整向量，全局调整断面功率限额，使得主导故障稳定裕度均衡变化达到临界值。
[0047]
针对不同故障后稳定类型，需要确定不同的稳定裕度计算方法，根据不同的稳定问题，常用的方法有eeac、暂态电压裕度等方法。不同故障下稳定裕度量化指标各不相同，以西北电网常见的暂态电压稳定问题为例，由于故障后的电压波动程度反映了电网抗扰动能力，其故障后的稳定裕度可由电压波动积分值进行表征，如式(3)所示。
[0048][0049]
式中，ηj为发生故障j后的稳定指标；tc为故障清除时刻；u
i,j
(t)为发生故障j后母线i在t时刻的电压幅值。稳定裕度描述的是故障切除后的暂态过程中母线电压低于0.9p.u.的面积，可量化系统稳定程度。
[0050]
由于电力系统具有强时变性及非线性，难以用解析式表示稳定裕度和特征量之间关系，采用在运行方式邻域展开，通过特征量参数摄动求取稳定裕度变化，从而得到一定范围内特征量对稳定裕度的影响因子。在多个故障主导的关联断面影响因素分析时，断面限额的稳定裕度影响因子可以用线性矩阵表示，如式(4)、(5)所示。
[0051]
δη＝jδp
ꢀꢀ
(4)
[0052][0053]
式中：δpk为断面k的调整变化量，δp为由δp1至δpk组成的断面限额调整变化向量，δηm为故障m发生后的稳定裕度变化量，δη为稳定裕度向量。主要约束故障后的稳定裕度与级联断面功率均有关系，但不同断面功率对故障后稳定裕度影响不同，在求出上述矩阵后，可以利用其指导限额调整向量以及评估系统抗扰动能力。
[0054]
5)、基于求解得到的新断面控制限额方案，与断面需求进行对比，求解断面功率与稳定裕度影响因子，局部增大不满足输送需求的断面限额，减小超出断面需求且灵敏度最高的断面限额，使得断面限额与断面需求的差值最小，同时对整体断面限额降低最少，得出次日最优断面限额分档方案。
[0055]
为验证上文所提出的一种多级关联断面限额适应性评估及优化计算方法，以xj电网多级关联断面限额适应性分析为例，如图3所示为xj电网联网通道网架结构图。因为xj联网通道为长链式、接力送电的通道，通道需求与xj外送功率、hx新能源上网、qhhx光伏出力等因素有很大的相关性，而且hx风电和qhhx光伏时空分布不同，断面送出需求分布不均，常规规定的分档控制限额难以满足要求。
[0056]
因此为提升联网通道整体传输效率，需要根据预测及市场情况，得到典型送出需求方式，开展统筹优化。首先根据负荷、新能源预测市场交易，确定jq直流功率、hx、sy断面送出需求、xjws断面需求，利用聚类算法统计挖掘出典型需求方式，如表1所示。根据聚类结
果，按照肘部法则，某典型日聚类结果分为4类，如图4所示。
[0057]
表1聚类的得到的典型需求方式
[0058][0059]
将四类聚类方式中心点乘以1.1倍生成典型需求方式后表如下表所示，可以看出，只有典型需求方式1完全满足常规方式分档，其余3种典型需求方式常规限额均不能很好得到满足。其常规方式制定限额对需求方式的包络情况如图5所示，为满足输送需求，需要对常规初始限额进行协调优化。为评价限额适应性情况，提出限额不足度指标，如式(6)所示。
[0060][0061]
式中，l为断面需求大于断面初始限额的断面个数，m为断面需求小于断面初始限额的断面个数，p
i需求
、p
i限额
分别为特点需求方式下，断面i的需求及限额。根据式(6)求出四个典型需求方式的限额不足度指标分别为0，0.29/2.5，0.49/0.84，0.34/0.48，可以看出需求方式2、3、4均具备优化空间，同时需求方式2不足部分较少，富余部分较大，较易优化，需求方式4富余部分和不足部分比例相对，优化难度最大。
[0062]
接下来对xjws断面、dy断面、gy断面、qy断面、hy断面、hxsc断面限额进行优化。上述联网通道算例中，主要故障约束为jq直流大功率换相失败故障以及hw双回线路n-2同杆异名相故障后潮流转移引发的低电压问题，为此以故障后暂态电压波动积分量作为稳定裕度量化指标，求取稳定裕度与断面功率影响因子矩阵。
[0063]
以需求方式2优化为例，结合断面影响因子矩阵及需求和限额适应度评估，得到每一步限额调整向量，具体迭代过程如表2所示，在经过x次迭代后，得到需求方式2优化后的限额，如表3所示。可以看出经过优化后的典型方式断面需求不足度指标均为0，表明经过优化后的限额能够满足典型日相关时段送出需求，能够有效解决典型日新能源消纳送出问题，验证了本方法的有效性和实用性。
[0064]
表2迭代计算过程
[0065][0066][0067]
表3迭代计算过程
[0068] xjwsdygyqyhyhxws常规分档方式250460440460630320典型需求方式230930521622922740针对需求方式2优化限额320400380340520220典型需求方式3363401352452657160针对需求方式3优化限额375430430460685198典型需求方式4275400323511580360针对需求方式4优化限额298430367535590382
[0069]
为进一步研究优化限额后电网运行方式抗扰能力，以jq直流换相失败为例，看出四种限额模式下电压波动趋势类似，稳定裕度满足要求，如图6所示。
[0070]
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。