本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制研究領(lǐng)域，具體涉及一種與機(jī)組組合調(diào)度相協(xié)同的輸變電設(shè)備動(dòng)態(tài)增容方法。

背景技術(shù)：

隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和可再生能源的大規(guī)模接入，電網(wǎng)建設(shè)滯后與高用電需求之間的矛盾不斷凸顯。在電力市場(chǎng)機(jī)制下，電網(wǎng)公司需要在更接近極限的情形下運(yùn)行電力設(shè)備，如何平衡電網(wǎng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性，對(duì)于電網(wǎng)調(diào)度和控制提出了更高的要求?；诎踩s束的機(jī)組組合問(wèn)題(scuc)和動(dòng)態(tài)增容技術(shù)是兩個(gè)挖掘電網(wǎng)輸電能力，解決潮流擁塞的有效手段。

對(duì)于基于安全約束的機(jī)組組合問(wèn)題(scuc)的研究由來(lái)已久，該問(wèn)題主要關(guān)注如何在保證線路潮流和節(jié)點(diǎn)電壓不越限的條件下，調(diào)度各發(fā)電機(jī)組出力，達(dá)到減少切負(fù)荷量以及最小化系統(tǒng)發(fā)電成本的目的。傳統(tǒng)的基于安全約束的機(jī)組組合問(wèn)題不考慮輸變電設(shè)備的隨機(jī)停運(yùn)，不計(jì)及輸變電設(shè)備的短時(shí)增容能力，輸變電設(shè)備的額定容量為一個(gè)固定的常數(shù)。因此傳統(tǒng)的機(jī)組組合問(wèn)題是一個(gè)靜態(tài)的優(yōu)化問(wèn)題。

輸變電設(shè)備動(dòng)態(tài)增容技術(shù)通過(guò)分析影響設(shè)備輸變電能力的關(guān)鍵因素，建立模型量化各因素對(duì)設(shè)備關(guān)鍵性運(yùn)行指標(biāo)的影響，從而試圖在保證安全性的前提下，在短時(shí)間內(nèi)提高設(shè)備的輸變電能力。但是目前的關(guān)于輸變電設(shè)備動(dòng)態(tài)增容技術(shù)的研究大多關(guān)注單個(gè)設(shè)備的動(dòng)態(tài)增容能力，沒(méi)有從系統(tǒng)的角度來(lái)考慮如何安排增容設(shè)備、如何安排增容時(shí)段的問(wèn)題。因而輸變電設(shè)備的動(dòng)態(tài)增容技術(shù)通常應(yīng)用于互為備用的兩臺(tái)設(shè)備，其中一臺(tái)設(shè)備檢修、設(shè)備故障時(shí)的情況。

因此，需要研究一種與機(jī)組組合調(diào)度相協(xié)同的輸變電設(shè)備動(dòng)態(tài)增容方法，綜合應(yīng)用機(jī)組組合調(diào)度和輸變電設(shè)備動(dòng)態(tài)增容技術(shù)這兩種方法，從全局的角度調(diào)配設(shè)備的增容運(yùn)行能力，對(duì)于挖掘電網(wǎng)輸電能力，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本具有重要的實(shí)踐意義和巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問(wèn)題，提供一種與機(jī)組組合調(diào)度相協(xié)同的輸變電設(shè)備動(dòng)態(tài)增容方法。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案包括下列步驟：

步驟1、建立微分方程，計(jì)算安全約束下，輸電線路和變壓器的最大增容運(yùn)行負(fù)載率。

本發(fā)明中的輸變電設(shè)備包括變壓器和輸電線路。熱點(diǎn)溫度是變壓器運(yùn)行過(guò)程中的重要技術(shù)指標(biāo)，過(guò)高的熱點(diǎn)溫度可能引起繞組絕緣擊穿，導(dǎo)致變壓器失效。因此在增容過(guò)程中，控制合理的熱點(diǎn)溫度，從而保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1-1.采用變壓器動(dòng)態(tài)增容模型，計(jì)算變壓器熱點(diǎn)溫度，具體如下：

δθh＝δθh1-δθh2

θh＝θa+δθ0+δθh

其中，θh為實(shí)際熱點(diǎn)溫度，θa為環(huán)境溫度，k為負(fù)載率，δ表示變化量，t表示時(shí)間，d為微分算子，r、τw、τ0、x、y、k11、k21和k22為與變壓器有關(guān)的參數(shù)。設(shè)定熱點(diǎn)溫度的值，就能夠計(jì)算變壓器最大增容負(fù)載率。該變壓器動(dòng)態(tài)增容模型能夠量化負(fù)載率和環(huán)境溫度對(duì)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的影響。

導(dǎo)體溫度是輸電線路運(yùn)行的重要技術(shù)指標(biāo)，過(guò)高的導(dǎo)體溫度，可能導(dǎo)致輸電線路絕緣損耗，線路弧垂增加，引起接地故障，導(dǎo)致線路故障停運(yùn)。因此在增容過(guò)程中合理地控制導(dǎo)體溫度是保證輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效方法。

1-2.采用的輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型，計(jì)算輸電線路的導(dǎo)體溫度，具體如下：

其中，m為輸電線路質(zhì)量，cp為線路比熱容，tc為導(dǎo)體溫度，t為時(shí)間，d表示微分算子，qj、qs、qr、qc分別表示焦耳產(chǎn)熱功率、太陽(yáng)輻射功率、輻射散熱功率和傳導(dǎo)散熱功率。該輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型能夠量化負(fù)載率和環(huán)境溫度對(duì)導(dǎo)體溫度的影響。

步驟2、從輸電損耗和設(shè)備壽命損失兩個(gè)方面，量化計(jì)算輸變電設(shè)備增容運(yùn)行成本，得到不同負(fù)載率下的輸變電設(shè)備增容運(yùn)行成本曲線。

2-1.變壓器增容運(yùn)行過(guò)程經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算方法如下：

ct_p＝(p0+k²pk)pin

其中，ct_p為變壓器輸電損耗，p0為變壓器空載損耗，pk為變壓器負(fù)載損耗，pin為發(fā)電電價(jià)。

其中，ct_life為變壓器壽命損失，vt為變壓器相對(duì)老化速度，l0為變壓器設(shè)計(jì)使用壽命，tprice為變壓器價(jià)格。bt為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，θ0為設(shè)計(jì)熱點(diǎn)溫度，θh為實(shí)際熱點(diǎn)溫度。

ct_total＝ct_p+ct_life

其中，ct_total為變壓器增容運(yùn)行總成本，包括輸電損耗ct_p和壽命損失ct_life兩個(gè)部分。

2-2.輸電線路增容運(yùn)行過(guò)程經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算方法如下：

cl_p＝i0²k²r·pin

其中，cl_p為輸電線路的輸電損耗，i0為輸電線路額定電流，r為輸電線路導(dǎo)體電阻，pin為發(fā)電電價(jià)。

其中，cl_life為輸電線路壽命損失，vl為輸電線路相對(duì)老化速度，l0為輸電線路設(shè)計(jì)使用壽命，lprice為輸電線路價(jià)格。bl、m為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，ti為設(shè)計(jì)導(dǎo)體溫度，tl為實(shí)際導(dǎo)體溫度。

cl_total＝cl_p+cl_life

cl_total為輸電線路增容運(yùn)行總成本，包括輸電損耗cl_p和壽命損失cl_life兩個(gè)部分。

變壓器和輸電線路的增容運(yùn)行總成本均包括輸電損耗和壽命損失兩個(gè)部分，但是其計(jì)算方法略有不同。根據(jù)以上定義，能夠計(jì)算得到不同負(fù)載率下的變壓器和輸電線路的運(yùn)行成本曲線。

步驟3、根據(jù)輸變電設(shè)備故障率，利用接受-拒絕采樣法，得到單個(gè)設(shè)備的時(shí)序運(yùn)行狀態(tài)，組合得到系統(tǒng)的時(shí)序運(yùn)行狀態(tài)。

步驟4、求解機(jī)組組合與輸變電設(shè)備增容計(jì)劃的協(xié)同優(yōu)化模型，得到該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的調(diào)度計(jì)劃和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

本發(fā)明提出的機(jī)組組合與輸變電設(shè)備增容計(jì)劃的協(xié)同優(yōu)化模型，在傳統(tǒng)的安全約束的機(jī)組組合問(wèn)題(scuc)中做了如下改變。

4-1.在目標(biāo)函數(shù)中增加了輸變電設(shè)備增容成本。

其中，目標(biāo)函數(shù)包括機(jī)組發(fā)電成本，切負(fù)荷成本以及輸變電設(shè)備增容運(yùn)行成本。pi,t為機(jī)組i在t時(shí)段的發(fā)電量，fi為機(jī)組i的發(fā)電成本函數(shù)。lsm,t為節(jié)點(diǎn)m在t時(shí)段的切負(fù)荷量，為切負(fù)荷成本。pll,t為輸變電設(shè)備l在t時(shí)段的有功潮流，pll^max為設(shè)備最大運(yùn)行功率，pll,t/pll^max即為設(shè)備l在t時(shí)段的負(fù)載率，gl為設(shè)備l的增容運(yùn)行成本函數(shù)。

4-2.在約束條件中增加了輸變電設(shè)備增容約束：

約束條件：

約束1為功率平衡方程，dm,t為節(jié)點(diǎn)m在t時(shí)段的負(fù)荷需求。

約束2為發(fā)電功率約束，pi^max和pi^min為發(fā)電機(jī)i的最大和最小輸出功率。

約束3為切負(fù)荷約束。

約束4、5為潮流方程等式約束，a、kp、kd為與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嚓P(guān)的常數(shù)矩陣。m為懲罰因子，i1,t為設(shè)備l在t時(shí)段的運(yùn)行狀態(tài)，1為正常運(yùn)行，0為故障停運(yùn)，由系統(tǒng)狀態(tài)采樣確定。

約束6最為重要的是將傳統(tǒng)的線路潮流安全約束改為額定容量可變的線路潮流安全約束，其中，kl為設(shè)備l的最大增容負(fù)載率。jl,t為設(shè)備l在t時(shí)段的增容狀態(tài)，1為增容運(yùn)行，0為不增容運(yùn)行。

約束7-11為輸變電設(shè)備增容約束。其中，gl,t(hl,t)為設(shè)備增容起始(結(jié)束)標(biāo)志，1表示設(shè)備l在t時(shí)段開(kāi)始(結(jié)束)增容運(yùn)行過(guò)程。為設(shè)備l的最大增容運(yùn)行次數(shù)。tl^max為設(shè)備l的持續(xù)增容運(yùn)行時(shí)間，jl,t為設(shè)備l在t時(shí)段的增容狀態(tài)

其中，機(jī)組發(fā)電成本函數(shù)fi，設(shè)備增容運(yùn)行成本函數(shù)gl，進(jìn)行線性化或分度線性化處理，整個(gè)優(yōu)化問(wèn)題為一個(gè)混合整數(shù)線性優(yōu)化問(wèn)題，已有成熟的求解算法可以進(jìn)行求解。

步驟5、判斷是否滿足蒙特卡洛循環(huán)的收斂性條件，若滿足轉(zhuǎn)至步驟6，若不滿足轉(zhuǎn)至步驟3。

本發(fā)明選擇目標(biāo)函數(shù)的方差系數(shù)作為判斷蒙特卡洛循環(huán)是否收斂的判據(jù)，具體計(jì)算方法如下：

其中cv為方差系數(shù)，ns為蒙特卡洛循環(huán)次數(shù)，ck為第k次蒙特卡洛循環(huán)求解協(xié)同優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)值，cave為前ns次循環(huán)求解的目標(biāo)函數(shù)的平均值。若方差系數(shù)cv<0.05認(rèn)為蒙特卡洛循環(huán)滿足收斂性條件，反之，不滿足。

步驟6、迭代結(jié)束，得到系統(tǒng)調(diào)度決策方案庫(kù)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)期望。

本發(fā)明有益效果如下：

本發(fā)明豐富了電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)控思路，將設(shè)備的輸變電能力和電網(wǎng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行方式有機(jī)結(jié)合。通過(guò)機(jī)組組合調(diào)度優(yōu)化線路潮流，同時(shí)通過(guò)動(dòng)態(tài)增容技術(shù)，在保證安全性的前提下，短時(shí)增加重要節(jié)點(diǎn)處設(shè)備的輸變電能力。本發(fā)明綜合應(yīng)用這兩種手段進(jìn)行電網(wǎng)的聯(lián)合調(diào)度。相比于傳統(tǒng)的動(dòng)態(tài)增容方法，可以從電網(wǎng)系統(tǒng)全局的角度調(diào)配輸變電設(shè)備的增容運(yùn)行能力，對(duì)于挖掘電網(wǎng)輸電能力，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行具有重要實(shí)踐價(jià)值。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明流程圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。

請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的一種與機(jī)組組合調(diào)度相協(xié)同的輸變電設(shè)備動(dòng)態(tài)增容方法，包括下列步驟：

步驟1、建立微分方程，計(jì)算安全約束下，輸電線路和變壓器的最大增容運(yùn)行負(fù)載率。

本發(fā)明中的輸變電設(shè)備包括變壓器和輸電線路。熱點(diǎn)溫度是變壓器運(yùn)行過(guò)程中的重要技術(shù)指標(biāo)，過(guò)高的熱點(diǎn)溫度可能引起繞組絕緣擊穿，導(dǎo)致變壓器失效。因此在增容過(guò)程中，控制合理的熱點(diǎn)溫度，從而保證變壓器的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1-1.采用變壓器動(dòng)態(tài)增容模型，計(jì)算變壓器熱點(diǎn)溫度，具體如下：

δθh＝δθh1-δθh2

θh＝θa+δθ0+δθh

其中，θh為實(shí)際熱點(diǎn)溫度，θa為環(huán)境溫度，k為負(fù)載率，δ表示變化量，t表示時(shí)間，d為微分算子，r、τw、τ0、x、y、k11、k21和k22為與變壓器有關(guān)的參數(shù)。設(shè)定熱點(diǎn)溫度的值，就可以計(jì)算變壓器最大增容負(fù)載率。該變壓器動(dòng)態(tài)增容模型能夠量化負(fù)載率和環(huán)境溫度對(duì)變壓器繞組熱點(diǎn)溫度的影響。

導(dǎo)體溫度是輸電線路運(yùn)行的重要技術(shù)指標(biāo)，過(guò)高的導(dǎo)體溫度，可能導(dǎo)致輸電線路絕緣損耗，線路弧垂增加，引起接地故障，導(dǎo)致線路故障停運(yùn)。因此在增容過(guò)程中合理地控制導(dǎo)體溫度是保證輸電線路安全穩(wěn)定運(yùn)行的有效方法。

1-2.采用的輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型，計(jì)算輸電線路的導(dǎo)體溫度，具體如下：

其中，m為輸電線路質(zhì)量，cp為線路比熱容，tc為導(dǎo)體溫度，t為時(shí)間，d表示微分算子，qj、qs、qr、qc分別表示焦耳產(chǎn)熱功率、太陽(yáng)輻射功率、輻射散熱功率和傳導(dǎo)散熱功率。該輸電線路動(dòng)態(tài)增容模型能夠量化負(fù)載率和環(huán)境溫度對(duì)導(dǎo)體溫度的影響。

步驟2、從輸電損耗和設(shè)備壽命損失兩個(gè)方面，量化計(jì)算輸變電設(shè)備增容運(yùn)行成本，得到不同負(fù)載率下的輸變電設(shè)備增容運(yùn)行成本曲線。

2-1.變壓器增容運(yùn)行過(guò)程經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算方法如下：

ct_p＝(p0+k²pk)pin

其中，ct_p為變壓器輸電損耗，p0為變壓器空載損耗，pk為變壓器負(fù)載損耗，pin為發(fā)電電價(jià)。

其中，ct_life為變壓器壽命損失，vt為變壓器相對(duì)老化速度，l0為變壓器設(shè)計(jì)使用壽命，tprice為變壓器價(jià)格。bt為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，θ0為設(shè)計(jì)熱點(diǎn)溫度，θh為實(shí)際熱點(diǎn)溫度。

ct_total＝ct_p+ct_life

其中，ct_total為變壓器增容運(yùn)行總成本，包括輸電損耗ct_p和壽命損失ct_life兩個(gè)部分。

2-2.輸電線路增容運(yùn)行過(guò)程經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算方法如下：

cl_p＝i0²k²r·pin

其中，cl_p為輸電線路的輸電損耗，i0為輸電線路額定電流，r為輸電線路導(dǎo)體電阻，pin為發(fā)電電價(jià)。

其中，cl_life為輸電線路壽命損失，vl為輸電線路相對(duì)老化速度，l0為輸電線路設(shè)計(jì)使用壽命，lprice為輸電線路價(jià)格。bl、m為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，ti為設(shè)計(jì)導(dǎo)體溫度，tl為實(shí)際導(dǎo)體溫度。

cl_total＝cl_p+cl_life

cl_total為輸電線路增容運(yùn)行總成本，包括輸電損耗cl_p和壽命損失cl_life兩個(gè)部分。

變壓器和輸電線路的增容運(yùn)行總成本均包括輸電損耗和壽命損失兩個(gè)部分，但是其計(jì)算方法略有不同。根據(jù)以上定義，可以計(jì)算得到不同負(fù)載率下的變壓器和輸電線路的運(yùn)行成本曲線。

步驟3、根據(jù)輸變電設(shè)備故障率，利用接受-拒絕采樣法，得到單個(gè)設(shè)備的時(shí)序運(yùn)行狀態(tài)，組合得到系統(tǒng)的時(shí)序運(yùn)行狀態(tài)。

步驟4、求解機(jī)組組合與輸變電設(shè)備增容計(jì)劃的協(xié)同優(yōu)化模型，得到該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)下的調(diào)度計(jì)劃和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

本發(fā)明提出的機(jī)組組合與輸變電設(shè)備增容計(jì)劃的協(xié)同優(yōu)化模型，在傳統(tǒng)的安全約束的機(jī)組組合問(wèn)題(scuc)中做了如下改變。

4-1.在目標(biāo)函數(shù)中增加了輸變電設(shè)備增容成本。

其中，目標(biāo)函數(shù)包括機(jī)組發(fā)電成本，切負(fù)荷成本以及輸變電設(shè)備增容運(yùn)行成本。pi,t為機(jī)組i在t時(shí)段的發(fā)電量，fi為機(jī)組i的發(fā)電成本函數(shù)。lsm,t為節(jié)點(diǎn)m在t時(shí)段的切負(fù)荷量，為切負(fù)荷成本。pll,t為輸變電設(shè)備l在t時(shí)段的有功潮流，pll^max為設(shè)備最大運(yùn)行功率，pll,t/pll^max即為設(shè)備l在t時(shí)段的負(fù)載率，gl為設(shè)備l的增容運(yùn)行成本函數(shù)。

4-2.在約束條件中增加了輸變電設(shè)備增容約束：

約束條件：

約束1為功率平衡方程，dm,t為節(jié)點(diǎn)m在t時(shí)段的負(fù)荷需求。

約束2為發(fā)電功率約束，pi^max和pi^min為發(fā)電機(jī)i的最大和最小輸出功率。

約束3為切負(fù)荷約束。

約束4、5為潮流方程等式約束，a、kp、kd為與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎嚓P(guān)的常數(shù)矩陣。m為懲罰因子，il,t為設(shè)備l在t時(shí)段的運(yùn)行狀態(tài)，1為正常運(yùn)行，0為故障停運(yùn)，由系統(tǒng)狀態(tài)采樣確定。

約束6最為重要的是將傳統(tǒng)的線路潮流安全約束改為額定容量可變的線路潮流安全約束，其中，kl為設(shè)備l的最大增容負(fù)載率。jl,t為設(shè)備l在t時(shí)段的增容狀態(tài)，1為增容運(yùn)行，0為不增容運(yùn)行。

約束7-11為輸變電設(shè)備增容約束。其中，gl,t(hl,t)為設(shè)備增容起始(結(jié)束)標(biāo)志，1表示設(shè)備l在t時(shí)段開(kāi)始(結(jié)束)增容運(yùn)行過(guò)程。為設(shè)備l的最大增容運(yùn)行次數(shù)。tl^max為設(shè)備l的持續(xù)增容運(yùn)行時(shí)間，jl,t為設(shè)備l在t時(shí)段的增容狀態(tài)

其中，機(jī)組發(fā)電成本函數(shù)fi，設(shè)備增容運(yùn)行成本函數(shù)gl，進(jìn)行線性化或分度線性化處理，整個(gè)優(yōu)化問(wèn)題為一個(gè)混合整數(shù)線性優(yōu)化問(wèn)題，已有成熟的求解算法可以進(jìn)行求解。

步驟5、判斷是否滿足蒙特卡洛循環(huán)的收斂性條件，若滿足轉(zhuǎn)至步驟6，若不滿足轉(zhuǎn)至步驟3。

本發(fā)明選擇目標(biāo)函數(shù)的方差系數(shù)作為判斷蒙特卡洛循環(huán)是否收斂的判據(jù)，具體計(jì)算方法如下：

其中cv為方差系數(shù)，ns為蒙特卡洛循環(huán)次數(shù)，ck為第k次蒙特卡洛循環(huán)求解協(xié)同優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)值，cave為前ns次循環(huán)求解的目標(biāo)函數(shù)的平均值。若方差系數(shù)cv<0.05認(rèn)為蒙特卡洛循環(huán)滿足收斂性條件，反之，不滿足。

步驟6、迭代結(jié)束，得到系統(tǒng)調(diào)度決策方案庫(kù)和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)期望。

本發(fā)明提出機(jī)組組合與輸變電設(shè)備增容計(jì)劃的協(xié)同優(yōu)化模型，從系統(tǒng)全局的角度調(diào)配輸變電設(shè)備的增容運(yùn)行能力。該模型在傳統(tǒng)的安全約束的機(jī)組組合問(wèn)題(scuc)中加入了輸變電設(shè)備增容約束，同時(shí)將設(shè)備增容運(yùn)行成本加入到目標(biāo)函數(shù)中，進(jìn)行優(yōu)化。更為重要的是，在本發(fā)明所提出的模型中設(shè)備的最大運(yùn)行容量是可以變化的。該方法可以保證電網(wǎng)運(yùn)行的安全性，同時(shí)追求良好的經(jīng)濟(jì)性。