计及多阶段校正控制的交直流电力系统安全约束机组组合方法

本发明涉及电力系统优化调度领域，具体涉及一种计及多阶段校正控制的交直流电力系统安全约束机组组合方法。

背景技术：

1、级联故障传播主要包括缓慢相继开断阶段和快速相继开断阶段，进入快速相继开断阶段后，输电线路会以雪崩式速度断开，很难有效阻断故障传播。因此，如何在缓慢相继开断阶段进行有效的校正控制，以阻断级联故障传播，对电力系统安全稳定运行具有重要意义。根据主要诱发因素，级联故障形态可分为过载主导型和配合主导型级联故障。初始线路故障发生后，有功潮流转移引起的线路热稳定相继越限会造成过载主导型级联故障的发生，而配合主导型级联故障则是由相邻线路继电保护装置的隐性故障引起的。因此，对于系统调度人员来说，需要制定一种兼顾这些诱发因素的校正控制策略，以对级联故障进行预防性控制。

2、同时，基于电压源型换流器的多端直流输电(vsc-mtdc)技术具有潮流方向及有功功率和无功功率独立控制的能力，已逐渐成为大规模新能源并网与电网事故支援的有效手段。相比于传统设备(如发电机)，vsc换流站的响应速度更快，控制方式更灵活，为电网潮流控制提供了额外手段。然而，目前关于如何利用多端直流输电系统进行级联故障的预防性控制研究仍处于起步阶段，1)现有关于电力系统预防性调度研究多关注单一形态级联故障的预防校正问题，可能导致总体效果较为乐观；2)现有的多端直流输电系统的功率调节模型研究鲜有考虑vsc换流站功率传输状态(接收/发送)变换问题。vsc换流站运行于整流或逆变状态时，参与安全校正控制的方式不同，整流站通过从交流电网中吸收功率以缓解交流线路过载，而逆变站通过发送功率来进行事故救援。如果vsc换流站运行状态保持不变将限制系统安全校正能力的发挥。3)安全约束机组组合(scuc)作为保证系统安全经济运行的重要手段，通过优化机组出力计划和电网潮流分布，保证系统高效运行的同时，提升系统应对随机故障的能力，而关于利用多端直流输电系统进行多阶段的安全校正问题尚未在安全约束机组组合中被详细研究过。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了解决现有技术中存在的问题，提供一种计及多阶段校正控制的交直流电力系统安全约束机组组合方法，以期能保证将级联故障阻断在缓慢开断阶段，防止大停电事件发生，保证系统运行的安全性。

2、为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

3、本发明一种计及多阶段校正控制的交直流电力系统安全约束机组组合方法，所述交直流电力系统包括：交流电力系统和基于电压源型换流器的多端直流输电系统，所述交流电力系统包括：发电机组、负荷和交流线路，所述多端直流输电系统包括：vsc换流站和直流线路，其特点是，所述交直流电力系统安全约束机组组合方法是按如下步骤进行：

4、步骤1、建立多端直流输电系统的功率灵活调节模型；

5、步骤1.1、基于大m法，利用式(1)得到表示vsc换流站a在t时刻运行功率大小的变量和表示vsc换流站a在t时刻的功率传输状态的变量δa,t：

6、

7、式(1)中，表示vsc换流站a在t时刻的运行功率；和为引入的vsc换流站a在t时刻的正、负辅助连续变量；m为正实数；

8、以vsc换流站接收功率的方向为正方向，当δa,t＝1时，表示vsc换流站a在t时刻作为整流站运行；当δa,t＝0时，表示vsc换流站a在t时刻作为逆变站运行；

9、步骤1.2、将vsc换流站a在t时刻运行功率大小的变量和vsc换流站a在t时刻的功率传输状态的变量δa,t均作为优化决策变量，建立多端直流输电系统的功率灵活调节模型的约束条件；

10、步骤2、建立考虑n-1-1级联故障风险的交直流电力系统的多阶段安全约束机组组合模型；

11、步骤2.1、以最小化发电耗材fg和n-1-1级联故障风险frisk为优化目标，利用式(8)-式(10)构建多阶段安全约束机组组合模型的目标函数fscuc：

12、fscuc＝min(fg+frisk) (8)

13、

14、

15、式(8)至式(10)中，和分别为发电机组、负荷和t时刻n-1-1级联故障交流线路的集合；ag、bg和cg为发电机组g的三个发电耗材系数；ig,t为发电机组g在t时刻的启停状态的二进制变量；pg,t表示发电机组g在t时刻的出力；和表示发电机组g在t时刻的开机耗材和停机耗材；cvoll为失负荷惩罚因子；表示t时刻n-1-1级联故障在安全校正期间负荷d切除的功率；ρt(p-q>i-j)表示t时刻n-1-1级联故障链p-q>i-j发生的概率，其中，p-q表示交流母线p和交流母线q之间的交流线路，i-j表示交流母线i和交流母线j之间的交流线路；

16、步骤2.2、构建多阶段安全约束机组组合模型在基态运行的约束条件，包括：发电机组运行约束、交流节点功率平衡约束、交流线路潮流约束、发电机组开机耗材约束和停机耗材约束；

17、步骤2.3、构建多阶段安全约束机组组合模型在n-1故障后的短期校正期间约束条件，包括：vsc换流站的功率调节约束、发电机组的功率调整约束、交流节点的功率平衡约束和交流线路的潮流约束；

18、步骤2.4、构建多阶段安全约束机组组合模型在n-1故障后长期校正期间的约束条件，包括：发电机组的功率调整约束；

19、步骤2.5、构建多阶段安全约束机组组合模型在n-1-1级联故障后安全校正期间的约束条件，包括：交流节点的功率平衡约束、切负荷的功率约束和交流线路的潮流约束；

20、步骤3、将多阶段安全约束机组组合模型分解为日前调度主问题模型、n-1短期校正子问题模型、n-1长期校正子问题模型和n-1-1安全校正子问题模型并利用benders分解法进行求解，得到最优机组组合方案。

21、本发明所述的计及多阶段校正控制的交直流电力系统安全约束机组组合方法的特点也在于，所述步骤1.2包括：

22、步骤1.2.1、利用式(2)和式(3)分别建立vsc换流站a在t时刻的运行功率约束和功率上下调整约束：

23、

24、

25、式(2)至(3)中，表示vsc换流站的集合；和分别表示vsc换流站a运行功率大小的下界和上界；和分别表示vsc换流站a向上、向下的最大功率调整幅度；和分别为vsc换流站a在t时刻向上、向下的功率调整状态二进制变量；

26、步骤1.2.2、利用式(4)建立vsc换流站a在t时刻的功率反转约束：

27、

28、式(4)中，为调度周期集合；为vsc换流站a在t时刻功率反转状态的二进制变量；为vsc换流站a在t时刻的正、负辅助二进制变量；χa,t为vsc换流站a在t时刻的另一辅助二进制变量；nre为vsc换流站的最大功率反转次数；

29、步骤1.2.3、利用式(5)和式(6)分别建立vsc换流站a在t时刻的功率调整次数约束和功率调整时间间隔约束：

30、

31、

32、式(5)至(6)中，za,t为vsc换流站a在t时刻功率调整状态的二进制变量；za,t、σa,t和为换流站a在t时刻引入的三个辅助变量；ns为vsc换流站最大功率调整次数；m1为正实数；δt为vsc换流站保持功率不变的最小间隔时间；

33、步骤1.2.4、利用式(7)建立多端直流输电系统的潮流约束：

34、

35、式(7)中，为直流母线集合；表示直流母线和直流母线之间的直流线路在t时刻的潮流；表示与vsc换流站a相连的直流母线在t时刻的注入功率；为直流母线的注入功率对直流线路潮流的转移因子；为直流线路的额定容量。

36、所述步骤2.2包括：

37、利用式(11)-式(13)建立发电机组运行约束：

38、

39、

40、

41、式(11)至(13)中，和分别为发电机组g出力的下界和上界；urg和drg分别为基态运行的发电机组g的向上、向下爬坡率限制；和分别为基态运行的发电机组g在t-1时刻已经处于开机状态和处于关机状态的时间；和分别为基态运行的发电机组g的最小开机时间和最小停机时间；

42、利用式(14)建立交流节点功率的平衡约束：

43、

44、式(14)中，pd,t和pi-j,t分别表示t时刻负荷d的功率和交流线路i-j的潮流；和分别为与交流母线i相连的发电机组、负荷、交流线路和vsc换流站集合；

45、利用式(15)建立交流线路的潮流约束：

46、

47、式(15)中，θi,t为交流母线i在t时刻的电压相角；bi-j为交流线路i-j的电纳；为交流线路i-j的额定容量；

48、利用式(16)-式(17)建立基态运行的发电机组g在t时刻的开机耗材约束和停机耗材约束：

49、

50、

51、式(16)至(17)中，kg和jg分别表示基态运行的发电机组g的单次开机耗材和停机耗材；

52、所述步骤2.3包括：

53、利用式(18)、式(19)和式(20)分别建立vsc换流站a在t时刻的功率调节约束和发电机组g在t时刻的功率调整约束：

54、

55、

56、

57、式(18)至(20)中，上标(ⅰ)表示n-1故障后的短期校正期间的变量；表示vsc换流站a短期允许的最大功率调整范围；

58、利用式(21)和式(22)分别建立交流节点的功率平衡约束和交流线路的潮流约束：

59、

60、

61、式(21)至式(22)中，为t时刻交流线路i-j是否故障的二进制变量；表示交流线路i-j的短期容量。

62、所述步骤2.4是利用式(23)-式(24)建立发电机组g在t时刻的功率调整约束：

63、

64、

65、式(23)至(24)中，上标(ⅱ)表示n-1故障后长期校正期间的变量；和分别表示故障态运行的发电机组g向上、向下的最大调整范围。

66、所述步骤2.5包括：

67、利用式(25)和式(26)分别建立交流节点的功率平衡约束和切负荷的功率约束：

68、

69、

70、式(25)至(26)中，上标(ⅲ)表示n-1-1级联故障后安全校正期间的变量；

71、利用式(27)建立交流线路的潮流约束：

72、

73、式(27)中，为表示t时刻交流线路i-j是否属于n-1-1级联故障链的二进制变量；表示交流线路i-j的长期容量。

74、所述步骤3包括：

75、步骤3.1、设定内层循环的迭代次数为k，中层循环的迭代次数为m，外层循环的迭代次数为n；设定内层循环阈值为kmax，中层循环阈值为mmax，外层循环阈值为nmax；

76、设定第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下的多阶段安全约束机组组合模型目标函数fscuc的下界lb(k,m,n)＝0，上界ub(k,m,n)＝+∞，令ε为收敛阈值；

77、步骤3.2、构建日前调度主问题模型、n-1短期校正子问题模型、n-1长期校正子问题模型和n-1-1安全校正子问题模型；

78、步骤3.3、初始化n＝1；

79、步骤3.4、初始化m＝1；

80、步骤3.5、初始化k＝1；

81、步骤3.6、求解日前调度主问题模型，得到第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下的机组组合方案；

82、步骤3.7、求解n-1短期校正子问题模型和n-1长期校正子问题模型对任意n-1故障的解向量，若s(i)(k,m,n)＝0和s(ii)(k,m,n)＝0，则进入步骤3.10；否则，执行步骤3.8；

83、步骤3.8、判断k是否达到内层循环阈值kmax，若达到，则表示没有得到第n次外层循环的第m次中层循环的最优机组组合方案，并令m+1赋值给m后，转入步骤3.5；否则，执行步骤3.9；

84、步骤3.9、将不满足s(i)(k,m,n)＝0和s(ii)(k,m,n)＝0的n-1故障对应的式(35)和式(36)加入到日前调度主问题模型中，并令k+1赋值给k后，转入步骤3.6；

85、1ts(i)(k,m,n)+(π(i)(k,m,n))te(i)(x(k,m,n)-x*(k,m,n))≤0  (35)

86、1ts(ii)(k,m,n)+(π(ii)(k,m,n))te(ii)(x(k,m,n)-x*(k,m,n))≤0  (36)

87、步骤3.10、求解n-1-1安全校正子问题模型对任意n-1-1级联故障的解向量，若s(iii)(k,m,n)＝0，则进入步骤3.13；否则，执行步骤3.11；

88、步骤3.11、判断m是否达到中层循环阈值mmax，若达到，则表示没有得到第n次外层循环的最优机组组合方案；令n+1赋值给n后，转入步骤3.4；否则，执行步骤3.12；

89、步骤3.12、将不满足s(iii)(k,m,n)＝0的n-1-1级联故障对应的式(37)加入到日前调度主问题模型中，并令m+1赋值给m后，转入步骤3.5；

90、1ts(iii)(k,m,n)+(π(iii)(k,m,n))te(iii)(x(k,m,n)-x*(k,m,n))≤0  (37)

91、步骤3.13、更新下界若|ub(k,m,n)–lb(k,m,n)|≤ε，则第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下的机组组合方案作为最优机组组合方案输出；否则，执行步骤3.14；

92、步骤3.14、判断n是否达到外层循环阈值nmax，若达到，则表示没有得到最优机组组合方案，并结束流程；否则，执行步骤3.15；

93、步骤3.15、利用式(38)更新上界ub(k,m,n)：

94、

95、式(38)中，表示第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下的n-1-1级联故障风险的实际值，并由式(39)计算：

96、

97、步骤3.16、将式(40)加入日前调度主问题模型中，令n+1赋值给n后，转入步骤3.4；

98、

99、所述步骤3.2包括：

100、步骤3.2.1、计及基态运行的约束条件，利用式(28)建立日前调度主问题模型在第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下的目标函数

101、

102、式(28)中，为第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下的发电耗材；η(k,m,n)为第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1-1级联故障风险的近似值；

103、步骤3.2.2、计及n-1故障后的短期校正期间的约束条件，利用式(29)构建n-1短期校正子问题模型的目标函数：

104、min 1ts(i)(k,m,n)  (29)

105、式(29)中，1t表示单位向量的转置；s(i)(k,m,n)表示第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1短期校正期间不平衡量的向量；

106、利用式(30)建立n-1短期校正子问题模型的约束条件：

107、f(i)y(i)(k,m,n)-s(i)(k,m,n)≤h(i)-e(i)x*(k,m,n)，π(i)(k,m,n)  (30)

108、式(30)中，y(i)(k,m,n)表示第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1短期校正子问题模型的优化变量的向量，包括：和x*(k,m,n)表示第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下日前调度主问题模型的解向量；h(i)是n-1短期校正子问题模型约束条件下的常数项向量；e(i)和f(i)是n-1短期校正子问题模型约束条件下变量的两个线性系数矩阵；π(i)(k,m,n)为第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1短期校正子问题模型约束条件下的对偶变量的向量；

109、步骤3.2.3、计及n-1故障后长期校正期间的约束条件，构建n-1长期校正子问题模型；

110、利用式(31)和式(32)分别建立n-1长期校正子问题模型的目标函数及其约束条件：

111、min 1ts(ii)(k,m,n)  (31)

112、f(ii)y(ii)(k,m,n)-s(ii)(k,m,n)≤h(ii)-e(ii)x*(k,m,n),π(ii)(k,m,n)  (32)

113、式(31)和式(32)中，s(ii)(k,m,n)表示第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1长期校正期间不平衡量的向量；y(ii)(k,m,n)表示第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1长期校正子问题模型的优化变量的向量，包括：和h(ii)是n-1长期校正子问题模型约束条件下的常数项向量；e(ii)和f(ii)是n-1长期校正子问题模型约束条件下变量的两个线性系数矩阵；π(ii)(k,m,n)为第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1长期校正子问题模型约束条件下的对偶变量的向量；

114、步骤3.2.4、计及n-1-1级联故障后安全校正期间的约束条件，利用式(33)和式(34)构建n-1-1安全校正子问题模型的目标函数及约束条件：

115、

116、f(iii)y(iii)(k,m,n)-s(iii)(k,m,n)≤h(iii)-e(iii)x*(k,m,n),π(iii)(k,m,n)  (34)

117、式(33)-式(34)中，m1为正实数；为第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下的t时刻n-1-1级联故障链p-q>i-j发生的概率；为第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下的t时刻n-1-1级联故障在安全校正期间负荷d切除的功率；s(iii)(k,m,n)表示第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1-1安全校正期间不平衡量的向量；y(iii)(k,m,n)表示第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1-1安全校正子问题模型的优化变量的向量，包括：和h(iii)是n-1-1安全校正子问题模型约束条件下的常数项向量；e(iii)和f(iii)是n-1-1安全校正子问题模型约束条件下变量的两个线性系数矩阵；π(iii)(k,m,n)为第n次外层循环的第m次中层循环的第k次内层循环下n-1-1安全校正子问题模型约束条件下的对偶变量的向量。

118、本发明一种电子设备，包括存储器以及处理器的特点在于，所述存储器用于存储支持处理器执行所述方法的程序，所述处理器被配置为用于执行所述存储器中存储的程序。

119、与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

120、1、本发明通过大m法引入表征vsc站功率传输状态的0-1变量，建立了考虑vsc站功率反转调节的多端直流输电系统的功率灵活调节模型，然后将多端直流输电系统的运行灵活性纳入交直流电力系统优化调度模型中，进一步提升了系统运行决策的安全性。

121、2、本发明基于含交流电力系统和多端直流输电系统的交直流电力系统，建立了考虑n-1-1级联故障风险的多阶段安全约束机组组合模型。所建模型包含n-1短期校正、n-1长期校正和n-1-1级联故障安全校正控制，对过载主导型级联故障进行有效阻断的同时，还能保证系统对配合主导型n-1-1级联故障的校正控制能力，从而更有效地在缓慢开断阶段对级联故障进行阻断，保证系统的安全稳定运行。

122、3、本发明为求解多阶段安全约束机组组合模型，将所建模型分解为一个主问题模型和若干子问题模型并利用benders分解法进行循环迭代求解，提高了求解效率，从而满足电力系统实际运行调用时的计算效率要求。