安全約束下電力系統運行模擬模型快速生成與求解方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電力系統分析領域，特別涉及考慮安全約束的電力系統運行模擬中的 模型快速生成與求解方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，隨著電力系統規模的不斷增加，風電、太陽能等間歇性能源的加入，大規 模跨流域多級水電站的建設，核電、抽蓄、燃機等多種類型電源的接入以及電網遠距離交直 流混合輸電的格局等因素都極大地增加了電網運行的復雜度。傳統的電力系統規劃中往往 通過生產模擬技術來安排類型機組在負荷曲線上的運行位置，進而評價未來電力規劃的適 應性與經濟性。但隨著電力系統電源結構日益多樣化、電網結構日益復雜，電力系統運行中 涉及到的系統調峰、機組啟停、線路斷面潮流安全等多方面的限制因素，傳統的電力系統生 產模擬技術往往難以考慮到實際運行當中的各項限制因素。因此，產生了電力系統運行模 擬這一新技術，即針對當前電力規劃，采用機組組合模型對電力系統未來運行進行長時間、 考慮運行層面的各項約束的模擬，進而精細化的評估當前電力規劃方案在未來運行中的適 應性、經濟性、環保性等指標。
[0003] 目前，不考慮系統安全約束的電力系統運行模擬技術已比較成熟，并在國際上已 有一些軟件實現的產品。丹麥的Riso實驗室研發了電力系統運行模擬軟件Wilmar (WEBER Christoph, MEIBOM Peter, BARTH Rudiger, et al. WILMAR:A Stochastic Programming Tool to Analyze the Large-Scale Integration of Wind Energy. In:KALLRATH Josef, PARDAL0S Panos M, REBENNACK Steffen, et al. , Optimization in the Energy Industry, Energy Systems:Springer Berlin Heidelberg, 2009. p 437-458)，該軟件實現 的電力系統運行模擬方法采用逐小時的運行模擬的方式評價系統運行成本，被應用于風電 接入規劃以及抽水蓄能機組的規劃中。但該方法僅能考慮電源側的模擬，并沒有對電力 網絡進行建模，因而無法考慮電力系統線路潮流以及斷面潮流等安全運行約束。通用電 氣公司（GE)研發了 MAPS軟件能夠實現多區域互聯電力系統考慮線路約束時序運行模擬 (http://www. geenergyconsulting. com/practice-area/software-products/maps. )〇 牛 津大學研發了 Switch軟件中也實現了類似的功能（FRIPP Matthias. Switch:A Planning Tool for Power Systems with Large Shares of Intermittent Renewable Energy. Environmental Science&Technology, 2014, 46 (11) :6371-6378.)。雖然 MAPS 與 Switch 中 能夠考慮多區域的電力系統中的潮流傳輸極限，但其僅能將電力系統分為幾個或幾十個地 區，建立不同地區之間的網流模型，并無法建立詳細的電力網絡潮流模型，運行模擬結果僅 能分析各地區電源結構與布局的合理性與經濟性，無法分析電網規劃的安全性、合理性與 經濟性。
[0004] 電力系統運行模擬中考慮系統安全約束為計算和建模帶來極大的挑戰，其原因在 于電力網絡的規模較大，精細化考慮電力系統安全約束需要對電力系統各節點和支路進行 建模。以中等規模的省級網為例，一般包含發電機組約100~200臺，節點1000~2000個， 支路2000~5000條。不考慮安全約束的運行模擬中每日機組組合模型決策變量個數將在 1萬個以上，約束數也將達到2萬個以上。包含安全約束后，約束條件個數將增加10萬個以 上。大規模的優化模型的建模和求解的計算和存儲開銷極大，考慮安全約束的運行模擬模 型規模，對于個人電腦或高性能工作站，采用商業軟件進行求解單日的機組組合模型，其建 模時間約在幾十秒的數量級上，求解時間也會在幾百秒的數量級上，全年逐日的運行模擬 的模擬總時間將超過幾十小時的時間量級上，難以滿足規劃工作的實際需求。龐大的計算 與存儲開銷限制了考慮安全約束的電力系統運行模擬技術在實際大規模電力系統中的應 用。
[0005] 綜上所述，需要在電力系統運行模擬技術的基礎上，提出安全約束的模型快速生 成以及考慮安全約束的機組組合快速計算技術，進而提升考慮安全約束的電力系統運行模 擬的計算效率，使其能夠應用于大規模實際電力系統。與本發明相關的【背景技術】包括：
[0006] 1)考慮安全約束的電力系統運行模擬技術：其含義是，根據電力系統電網規劃方 案及電源裝機規劃，結合系統負荷預測、一次能源情況形成電力系統運行邊界條件，選定一 定的調度目標，在發電機運行約束、系統線路與斷面潮流安全約束等約束下模擬系統一段 時間的運行過程，根據系統運行模擬結果評估系統規劃方案或系統運行方式。電力系統運 行模擬的核心是逐日或逐周求解系統的機組組合模型，其形式為一混合整數規劃模型，如 下式所示：
[0011] 上式中，P，I為上述優化模型的決策變量，P為各類型機組各時段出力組成的向 量，其元素為連續變量，I為表示各類型機組狀態的變量組成的向量，其元素為0-1變 量，上標T表示向量或矩陣的轉置。目標函數f(P，I)為系統運行總成本最低，總成本包 括機組燃料成本、系統啟停成本以及網損成本等。約束條件CPT+DIT< b表示系統運行 約束以及發電機組的運行約束，系統運行約束包括負荷平衡約束、備用平衡約束，發電機 組運行約束包括機組出力約束、出力變化速率約束、機組啟停狀態約束、電量約束等；其 中C表示上述各約束中機組出力對應決策變量P前面的系數矩陣，D表示上述各約束中 機組狀態對應決策變量I前面的系數矩陣，b表示上述各約束中右端常數項向量。約束 條件
約束表示電力線路與變壓器潮流安全約束，其中Gti為發電 機轉移分布因子，L為系統各節點負荷組成的向量，E與f分別為支路的潮流上下限；約 束條件
為P的上下限約束，T為轉置符號。電力系統運行模擬的詳細模型 詳見 Ning Zhang, Chongqing Kang, Daniel S. Kirschen, Qing Xia, ffeimin Xi, Junhui Huang, Qian Zhang. Planning pumped storage capacity for wind power integration. IEEE Transactions on Sustainable Energy,2013, 4(2):393-401.
[0012] 2)發電機轉移分布因子矩陣與負荷轉移分布因子矩陣：發電機轉移分布因子矩 陣表示系統各發電機出力對各支路潮流的靈敏度，負荷轉移分布因子矩陣表示系統各發電 機出力對各支路潮流的靈敏度，設系統共有K條支路，N個節點，M臺發電機，發電機轉移分 布因子Gti以及負荷轉移分布因子矩陣G D可表示為：
[0014] Ge矩陣共有K行M列，g 1ηι表示第m臺機組出力對第1條支路的靈敏度，G D矩陣共 有K行N列，gln表示第η個節點負荷對第1條支路的靈敏度。若已知所有機組的出力向量 X以及所有節點的負荷L，則可通過Gti矩陣與G D矩陣獲得線路的潮流：
[0015] F = GgPt-GdLt
[0016] 上式中，F為各支路潮流組成的向量。
[0017] 3)混合整數規劃優化求解技術：該技術能夠通過計算機求解混合整數規劃優化 問題，給出模型的最優解。

【發明內容】

[0018] 本發明的目的是解決考慮安全約束的電力系統運行模擬中優化模型規模較大進 而導致計算效率較低的問題。提出一種安全約束下電力系統運行模擬模型快速生成與求解 方法，該方法首先生成電力系統全拓撲對應的負荷轉移分布因子與發電機轉移分布因子， 對于根據各日系統支路開斷狀態對負荷轉移分布因子與發電機轉移分布因子進行修正，進 而避免每次重新計算，提高了機組組合模型建模效率，同時，在求解機組組合模型時，采用 起作用安全約束辨識技術，僅將起作用的安全約束加入機組組合模型中，進而提高了機組 組合模型的求解效率。
[0019] 本發明的基于風險評估的電力系統薄弱環節辨識方法，包括：定義輸電線路、電 纜、變壓器以及連接兩個母線的輸電設備為"支路";定義電力系統中的所有母線為"節點"；
[0020] 其特征在于，該方法包括以下步驟：
[0021] 1)獲得在運行模擬時間范圍內所有涉及到所有支路及節點信息，根據支路與節點 的連接關系以及各支路電抗，計算電力系統考慮所有支路的原始節點阻抗矩陣、負荷轉移 分布因子原始矩陣以及發電機轉移分布因子原始矩陣；
[0022] 2)依次開始進行逐日運行模擬計算，獲取當前模擬日的支路開斷狀態，根據支路 開斷狀態，將負荷轉移分布因子原始矩陣與發電機轉移分布因子原始矩陣進行修正后得到 當前模擬日考慮支路開斷狀態