一种交直流混联受端电网结构优化方法转让专利
申请号 : CN202110530077.X
文献号 : CN113141022B
文献日 : 2022-05-03
发明人 : 王莹 , 周友斌 , 李丁 , 吴亚宁 , 周鲲鹏 , 曹侃 , 王涛 , 蔡德福 , 刘海光 , 陈汝斯 , 余笑东
申请人 : 国网湖北省电力有限公司电力科学研究院 , 国家电网有限公司 , 华中科技大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种交直流混联受端电网结构优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：步骤1、确定待优化的受端电网，收集规划基准年和目标年数据，包括基准年电源、负荷、网架数据，目标年规划电源、预测负荷和新建变电站选址；
步骤2、基于步骤1中的基准年和目标年数据，初步分析直流落点、类型和接入方式，生成待选变电站和线路集；
步骤3、基于步骤1中的基准年和目标年数据、步骤2中的待选变电站和线路集，建立交直流混联受端电网的两层结构优化模型，所述两层结构优化模型的主问题为最低成本电网规划问题，子问题1为安全性校核，子问题2为考虑新能源消纳的最优运行问题；
步骤4、输入不同的边界条件，采用Benders分解法对步骤3中的结构优化模型进行求解，获取候选优化方案以及方案对应的等额年支付成本和全年新能源消纳率；
步骤5、建立候选方案的综合评估指标体系，包括等额年支付成本、全年新能源消纳率、短路电流平均裕度、多馈入有效短路比均值、换相失败风险度、直流功率丢失比例均值、潮流穿越总和，采用多层次评价分析法对候选优化方案进行综合评估，确定最终的结构优化方案；
所述步骤3中，建立交直流混联受端电网的两层输电网结构优化模型，主问题为最低成本电网规划问题，以系统建设等额年金成本最小为目标函数，约束条件为投资成本约束，决策变量为线路投运状态，具体形式为：以等额年支付成本最小作为主问题的目标函数，包括投资建设成本等年值与年运行费用，具体形式为
minF＝FINV+FM
式中，F为等额年支付成本；FINV表示投资建设费用，包括交直流线路建设费用和换流站建设费用；FCON表示换流站建设费用；r为折现率；n为工程使用年限；NL表示待建线路集合；Cj为线路j建设费用；Zj为线路j投运状态；FM表示运行费用；
投资成本约束
式中，FL,max为允许的线路建设投资成本上限；Lj为线路j长度；Lmax为允许的扩展线路长度上限。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，初步分析新建直流落点、类型和接入方式，具体方法为：
(1)考虑目标年电力平衡需求和减少多直流换相同时失败风险，待选线路集中新建直流应落点至电力缺额较大、具有一定结构强度的区域；
(2)根据新建直流输电容量和电压等级，考虑故障隔离需求，待选线路集中新建直流类型可选择常规直流、柔性直流或者混合输电方式；
(3)根据基准年电网短路电流水平和电网结构，待选线路集中新建直流的接入方式可选择单分层接入、分层接入和分端接入。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，建立交直流混联受端电网的两层输电网结构优化模型，子问题1安全性校核的约束条件包括，多个场景的N‑1安全约束、短路电流约束、多馈入有效短路比约束、电网均衡度约束，具体形式为：场景s下的N‑1安全约束：
PGs‑PDs＝B·θs
PLs＝AL·θLs
PL,max‑≤PLs≤PL,max+PG,min≤PGs≤PG,max式中参数取自场景s下N‑1故障后的数值，PGs、PDs分别表示节点电源功率、节点负荷功率向量；B为节点电纳矩阵；θs为节点电压相角向量；PLs为交流线路有功潮流向量；AL为电网的交流线路电纳对角矩阵；θLs为交流线路相角差向量；PL,max+、PL,max‑为线路正向、反向最大传输功率向量；PG,min和PG,max分别为发电机组最小、最大输出功率向量；
短路电流约束：
Ii,max＜Ii,E,i∈ΩB式中，Ii,E为变电站母线i处断路器额定开断电流，Ii,max为变电站母线i可能流过的最大短路电流；ΩB为研究区域变电站母线集合；
多馈入有效短路比约束：
MESCRj≥2 j∈ΩC
式中，MESCRj为换流站j的多馈入有效短路比；ΩC为研究区域换流站集合；
电网结构均衡度约束：
σ≤σmax
式中，σ表示线路利用率标准差，σmax表示利用率标准差指标的上限值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，建立交直流混联受端电网的两层输电网结构优化模型，子问题2考虑新能源消纳的最优运行问题，目标函数为年运行费用最小，约束条件包括系统运行约束、新能源机组运行约束和常规机组运行约束，决策变量为常规机组出力和新能源出力，具体形式为：其中，T为运行周期的总时段数；M为电站总数；fi,t表示电站i在t时段的运行成本；
为风电、光伏新能源电站在t时段的弃电惩罚费用； 为t时段的缺电损失费；
系统运行约束：
L
∑Pi,t+∑Pl,t＝Pt
∑Ei,t+∑El,t＝Et
∑RRi,t≥RRmin,t
Pl,max‑≤Pl,t≤Pl,max+∑Eji≤Ejmax
式中，∑Pi,t为各电站在t时段的发电出力之和；Pl,t为线路l在t时段送入系统的电力；
L
Pt为t时段的系统负荷；Ei,T为各电站i在运行时段t的发电量；El,T为线路l在运行时段t送入系统的电量；ET为运行时段t的预测负荷电量；RRi,t为电站i在t时段承担备用容量，RRmin,t为系统在t时段的备用容量和备用容量下限；Pl,max+、Pl,max‑分别为线路l的正向、反向最大输电容量；Eji、Ejmax分别为电站i第j类大气污染排放量和排放上限；
新能源机组运行约束：
0≤PW,t≤PW,max
ηE＝(EW‑EWQ)/EW
ηE≥ηE,min
式中，PW,t为新能源在时刻t的出力，PW,max为新能源电站额定装机容量；EW、EWQ分别为新能源机组在运行周期内的发电量和强迫弃电量；ηE为全年新能源消纳率；ηE,min为系统要求的最小新能源消纳率；
常规机组运行约束：
式中， 为表征电站i是否处于运行状态的0‑1变量，开机状态下为1，停机状态下为0；
r d
分别为电站i的最大、最小技术出力；ri 、ri 分别为电站i的向上、向下爬坡上限； 为电站i的最小开、停机时间。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中，采用Benders分解法对步骤3中的结构优化模型进行求解，具体为：(41)输入模型参数和迭代次数k；
(42)求解主问题，得到主问题下界解LB以及主问题变量的取值；
(43)求解子问题1，若无解，生成安全可行性割集并将其加入主问题，更新主问题下界解LB，若有解，进入(44)；
(44)求解子问题2，若无解，生成最优运行割集并将其加入主问题，更新主问题下界解LB，若有解，进入(45)；
(45)根据所有子问题的解，更新主问题上界解UB；
(46)判断上界解与下界解是否满足UB‑LB≤ξ，ξ表示收敛阈值；若满足，则结束计算；否则生成主问题最优割集并将其纳入主问题，进行第k+1次迭代。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5中，建立候选方案的综合评估指标体系，包括等额年支付成本、全年新能源消纳率、短路电流平均裕度、多馈入有效短路比均值、换相失败风险度、直流功率丢失比例均值、潮流穿越总和，采用多层次评价分析法对候选优化方案进行综合评估，确定最终的结构优化方案，具体步骤为：(51)计算各候选结构优化方案的短路电流平均裕度、多馈入有效短路比均值、换相失败风险度、直流功率丢失比例均值、潮流穿越总和；
(52)对候选优化方案的7个评估指标进行归一化处理，包括短路电流平均裕度、多馈入有效短路比均值、换相失败风险度、直流功率丢失比例均值、全年新能源消纳率、等额年支付成本、潮流穿越总和；
(53)采用层次分析法确定7个指标的目标函数权值评分矩阵；
(54)基于线性加权和法建立结构优化方案评估的目标函数，具体形式为其中
式中，f1(x)为短路电流平均裕度、f2(x)为多馈入有效短路比均值、f3(x)为换相失败风险度、f4(x)为直流功率丢失比例均值、f5(x)为全年新能源消纳率、f6(x)为等额年支付成本，f7(x)为潮流穿越总和，其权系数分别为w1、w2、w3、w4、w5、w6、w7；
(55)选择目标函数值最小的方案作为最终的结构优化方案。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，短路电流平均裕度、多馈入有效短路比均值、换相失败风险度、直流功率丢失比例均值、潮流穿越总和的具体计算方法为：式中，Imar为短路电流平均裕度，Nb1为关注区域中变电站母线最大短路电流超过门槛值的变电站数量；Mavr为多馈入有效短路比均值，Nc为换流站个数；Rcf为换相失败风险度，mj为受端电网中导致j回直流同时换相失败的三相短路故障数量；Kploss为直流功率丢失比例均值，Ploss，i表示母线i三相接地短路故障导致丢失的直流功率，PDCsum表示电网受入外来直流功率之和，Nb2为关注区域中引起直流功率丢失比例超过门槛值的母线数量；PT,sum为潮流穿越总和，PT,k为大负荷方式下第k个分区联络断面交换功率，NT为受端电网结构优化关注的分区联络断面数量。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，评估指标进行归一化处理方法为，将多馈入有效短路比均值单独用τ表示，将短路电流平均裕度和新能源消纳率用η表示；将换相失败风险度、直流功率丢失比例平均值、等额年支付成本和潮流穿越总和用μ表示，归一化表达式如下所示：
式中，τmax、τmin、μmax、μmin、ηmax、ηmin分别为各指标的最大值与最小值，τmargin为多馈入有效短路比的门槛值。
说明书 :
一种交直流混联受端电网结构优化方法
技术领域
背景技术
流与常规/柔性直流相互作用，系统稳定特性较之前发生了显著变化，电压稳定、功角稳定
等安全稳定问题突出；另一方面，能源转型的推进使得新能源快速发展，新能源消纳水平已
经成为电网发展重要评价指标。系统的安全稳定水平和能源消纳水平均与电网结构强相
关。目前，传统交直流电网结构优化方法研究重点考虑常规直流，采用多馈入短路比等指标
进行研究并提出直流落点方式及交流网架构建方法，对我国受端电网电力电子化特征的适
应性不足，也无法满足受端电网大规模新能源和多样化直流电力统筹消纳的需求。
目标规划问题。因此，如何总综合考虑多种因素，合理优化直流落点区域、组团方式和交流
电网拓扑结构，提出面向交直流混联受端电网的结构优化技术与方法是目前电网规划领域
亟需解决的问题。
发明内容
电网规划问题，子问题1为安全性校核，子问题2为考虑新能源消纳的最优运行问题；
值、潮流穿越总和，采用多层次评价分析法对候选优化方案进行综合评估，确定最终的结构
优化方案。
束，决策变量为线路投运状态，具体形式为：
合；Cj为线路j建设费用；Zj为线路j投运状态；FM表示运行费用；
束、电网均衡度约束，具体形式为：
网的交流线路电纳对角矩阵；θLs为交流线路相角差向量；PL,max+、PL,max‑为线路正向、反向最
大传输功率向量；PGs为节点发电机出力向量，PG,min和P,Gmax分别为发电机组最小、最大输出
功率向量；
新能源机组运行约束和常规机组运行约束，决策变量为常规机组出力和新能源出力，具体
形式为：
Pt为t时段的系统负荷；Ei,T为各电站i在运行时段t的发电量；El,T为线路l在运行时段t送入
系统的电量；ET为运行时段t的预测负荷电量；RRi,t为电站i在t时段承担备用容量，RRmin,t为
系统在t时段的备用容量和备用容量下限；Pl,max‑、Pl,max+分别为线路l的正向、反向最大输电
容量；Eji、Ejmax分别为电站i第j类大气污染(CO2、SO2、NOx以及烟尘等)排放量和排放上限；
要求的最小新能源消纳率；
为0； 分别为电站i的最大、最小技术出力；ri 、ri 分别为电站i的向上、向下爬
坡上限； 为电站i的最小开、停机时间。
比例均值、潮流穿越总和，采用多层次评价分析法对候选优化方案进行综合评估，确定最终
的结构优化方案，具体步骤为：
年支付成本、潮流穿越总和；
成本，f7(x)为潮流穿越总和，其权系数分别为w1、w2、w3、w4、w5、w6、w7；
mj为受端电网中导致j回直流同时换相失败的三相短路故障数量；Kploss为直流功率丢失比
例均值，Ploss，i表示母线i三相接地短路故障导致丢失的直流功率，PDCsum表示电网受入外来
直流功率之和，Nb2为关注区域中引起直流功率丢失比例超过门槛值的母线数量；PT,sum为潮
流穿越总和，PTk为大负荷方式下第k个分区联络断面交换功率，NT为受端电网结构优化关注
的分区联络断面数量。
平均值、等额年支付成本和潮流穿越总和用μ表示，归一化表达式如下所示：
性、有效性。
结构优化方案的安全性、经济性和能源消纳水平。
使得该方法在实际应用中具有更大的可行性。
附图说明
具体实施方式
本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人
员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
电压±800千伏。直流类型考虑LCC以及混合直流输电两种形式。直流接入方式接入形式考
虑单层接入和分端接入两种方式。
点及组团方式。子问题1安全性校核的约束条件包括，多个场景的N‑1安全约束、短路电流约
束、多馈入有效短路比约束、电网均衡度约束。子问题2考虑新能源消纳的最优运行问题，以
全年运行费用最小为目标函数，约束条件包括系统运行约束、新能源机组运行约束和常规
机组运行约束，决策变量为常规机组出力和新能源出力。
支付成本和全年新能源消纳率如表1所示。
潮流穿越总和，采用多层次评价分析法对候选优化方案进行综合评估，确定最终的结构优
化方案
0.5974 0.7154 0.6917 0.3609 0.4266 0.2769
涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。