一种计及输电线路温度特性的电力系统紧急控制优化方法

摘要

本发明公开了一种计及输电线路温度特性的电力系统紧急控制优化方法，步骤：基于数据采集与监视控制系统SCADA及动态热定值系统DTR，获得电网实时运行状态信息和运行环境信息，并对电力系统进行计及线路温度以及定值的扩展状态估计，获得输电线路热定值；结合动态热定值理论，计算电力系统允许紧急控制时间；提出判断电力系统热稳定的新指标以及计算电力系统热稳定安全裕度；创建计及输电线路温度特性的系统紧急控制优化模型，模型的优化结果即为紧急控制策略。在确保系统在允许时间内消除线路潮流越限及电压越限的前提下，使得控制费用成本最小，即在充分保证系统运行安全性的同时兼顾运行经济性，控制结构更加科学、有效。

说明书

技术领域

本发明涉及电气工程领域，尤其涉及一种计及输电线路温度特性的电力系统紧急控制优 化方法。

背景技术

电力系统作为国民经济的支柱产业，其安全稳定的运行对整个国民经济的发展有非常重 要的作用，近年来用电负荷的急剧攀升以及电网规划的滞后性，使得输电网络的建设速度已 经很难跟上经济发展的需要，网络的正常运行状态已经越来越接近于其传输极限。此时电网 运行于较脆弱状态，一个偶然的扰动便会造成设备过负荷，从而使系统进入紧急状态，处理 不当将引发连锁事故，甚至造成全网大停电，造成不可估量的经济损失。因此，在事故发展 过程中，快速制定合理有效的校正控制措施，及时消除越线环节成为有效降低大停电事故发 生的重要手段。

传统紧急控制措施均以最大允许热载流作为系统是否满足热稳定约束的判断标准，美国 学者Davis提出动态热定值技术(DynamicThermalRating，DTR)框架，人们开始意识到， 线路最大允许载荷能力并不是固定值，而是随时间与环境状态的变化而变化的，并且限制线 路传输极限的本质是温度而不是电流。加拿大学者FGalina在2005年提出电热协调的概念， 使得输电元件的电、热之间的物理耦合关系更加清晰。传统紧急控制允许时间的确定是基于 经验值给出一个固定的控制时间，但在不同的气象环境以及电网运行状态下，线路温度的动 态过程也不同，一成不变的设定难以适应复杂多变的电网运行环境，难免带来校正控制决策 的保守或冒进。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种计及输电线路温度特性的电力系统紧急 控制优化方法，本发明基于电力系统热稳定性，结合动态热定值框架，给出系统允许确切紧 急控制时间，并建立计及输电线路温度特性的系统紧急控制优化模型，在确保系统在允许时 间内消除线路潮流越限及电压越限的前提下，使得控制费用成本最小，即在充分保证系统运 行安全性的同时兼顾运行经济性，控制结构更加科学、有效。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种计及输电线路温度特性的电力系统紧急控制优化方法，包括如下步骤：

首先，基于数据采集与监视控制系统SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)及 动态热定值系统DTR(DynamicThermalRating)系统，获得电网实时运行状态信息和运行环境 信息，并对电力系统进行计及输电线路温度以及输电线路动态热定值的扩展状态估计，获得 输电线路动态热定值；

结合输电线路动态热定值的计算方法，计算电力系统允许紧急控制时间；

提出判断电力系统热稳定的新指标；

依据电力系统允许紧急控制时间和电力系统热稳定的新指标创建计及输电线路温度特性 的系统紧急控制优化模型，模型的优化结果包括：发电机输出功率调整、切负荷量及发电机 组停运容量，模型的优化结果即为紧急控制策略。

所述运行状态信息包括输电线路电压、电流、功率以及温度。

所述运行环境信息包括输电线路所处风向、风速、气温、日照强度，

所述输电线路热定值的计算步骤如下：

电力系统运行条件下，输电线路温度变化与运行环境及承载的电流相关，对输电线路而 言，其温度变化受承载的电流、风速、风向、日照和环境温度的影响。

输电线路热平衡方程对输电线路输电线路温度特性规律的数学表达，具体表达如下：

I²R(T_c)+Q_s＝Q_c+Q_r(1)

I代表输电线路承载的电流，Q_s代表导线接收日照吸热，Q_c代表空气对流散热，Q_r代表 导线辐射散热，R(T_c)代表温度为T_c时导线单位长度的交流电阻。

所述允许紧急控制时间的计算步骤如下：

当线路电流或者外界环境发生变化时，在输电线路温度达到稳定之前，输电线路温度是 一个动态变化的过程，暂态热平衡方程如下：

$m_l{C}_{pl}\frac{{\mathrm{dT}}_l\left(t\right)}{dt}=q_l\left(t\right)+q_s\left(t\right)-q_c\left(t\right)-q_r\left(t\right)---\left(2\right)$

q_l(t)＝I²R_ref[1+α(T(t)-T_d)](3)

q_s(t)＝E_tA_tD(4)

q_c(t)＝A_c(T(t)-T_a(t))(5)

q_r(t)＝A_r[(273+T(t))⁴-(273+T_a(t))⁴](6)

其中，q_l(t)表示电阻发热项，q_s(t)表示日照吸热项，q_c(t)表示对流散热项，q_r(t)表示 热辐射散热项；t表示时间，单位s；m_l为单位导体的质量，kg/m；C_p为导体材料的比热容， 单位J/(kg·℃)；C_pl为导体材料的比热容，J/(kg·℃)；T(t)为输电线路运行平均温度，℃；

T_l(t)为线路运行平均温度，单位℃；I为流过导体的电流，单位A；R_ref为导体制造商规 定的额定环境温度T_d下的单位长度的电阻，单位Ω/m，输电线路电阻随温度的变化在设定范 围内近似线性关系，α为导体材料的电阻温度系数；T_a为导体周围环境的温度，T_a(t)为导体 周围环境的温度，A_c为对流换热系数；A_r为辐射换热系数；E_t为太阳辐射功率密度；D为导 体直径。A_t导体的吸收率；

在DTR系统中，公式(2)-(6)中风速、风向、气温、日照各气象参数均可实测获得， 当电力系统遭受扰动进入紧急状态时，此时虽然输电线路潮流越限，但是由于热惯性的影响， 温度的变化将滞后于电流，此时输电线路温度进入动态变化之中。其温度动态变化的时间通 过公(2)获得。

为实现紧急控制时间的快速计算，假设故障发生前输电线路处于近似热平衡状态，线路 温度由式(1)近似计算获得，并直接求得故障后在线路载流I_l作用下输电线路温度暂态过程 T_l(t)及温度动态变化到达最大允许值达到T_max的时间t_l表示为：

$T_l\left(t\right)=T_a-\frac{K_1}{K_2}+(T_{l0}-T_a+\frac{K_1}{K_2})e^{K_{2}t}---\left(7\right)$

其中$K_1=(I_l^2{R}_{ref}+q_s)/{\mathrm{mC}}_p;$

$K_2=(I_l^2\alpha -A_c-A_r{T}_{\Sigma })/m_l{C}_p;$

T_Σ＝[(T_a+273)²+(T_s+273)²](T_s+T_a+546)

$t_l=\frac{1}{K_2}ln\left(\frac{T_{max}-T_a+(K_1/K_2)}{T_0-T_a+(K_1/K_2)}\right)---\left(8\right)$

其中，T_l0对应故障前输电线路l的初始温度；T_s为化简过程中采用的保守性输电线路温 度参数，为输电线路最大允许运行温度，故障后所有输电线路t_l的最小者即为允许紧急控制 的时间，有：t_min＝min(t_l),l∈SL，即紧急控制需在t_min时间内消除载流越限。

所述判断系统热稳定的新指标：

当系统中所有输电元件的温度不超出其最高允许运行温度时，则系统是热稳定的：

T_l(t)≤T_max(9)；

其中，T_l(t)为输电线路在t时刻的温度，T_max为输电线路最大允许运行温度。

所述计及基于输电线路温度特性的紧急控制优化模型：

1)目标函数

以紧急控制代价最小为目标，目标函数表示为：

minC_R+C_I+C_P(10)

其中，C_R为发电机组输出功率费用，C_I为负荷卸载赔付费用，C_P表示发电机停运费用；

具体表达如下：

$C_R\left(P_{Gi}\right)={\Sigma }_{i\in SG}{a}_i{P}_{Gi}^2---\left(11\right)$

C_I(D_i)＝Σ_i∈SDb_iΔP_Di(12)

C_P(ΔP_Gi)＝Σ_i∈SPc_iΔP_Gi(13)

其中，SG为剩余发电节点集合，SD为负荷节点集合；P_Gi分别为i节点发电机组有功输 出功率决策值及基态值；ΔP_Di为负荷节点有功切除量；a_i为节点i机组的输出功率费用系数； b_i为节点i负荷的卸载赔付价值系数，c_i为发电机停运费用系数，ΔP_Gi为发电机节点有功切除 量。

2)约束条件

系统功率平衡约束：

Σ_i∈DiΔP_Di＝Σ_i∈SPΔP_Gi(14)

$(P_i-{\mathrm{\Delta P}}_{Gi})-U_i{\Sigma }_{j=0}^n{U}_j{B}_{ij}({\theta }_{ij}-{\mathrm{\Delta \theta }}_{ij})=0---\left(15\right)$

节点电压幅值约束：

$\begin{array}{cc}{\underset{‾}{V}}_i\le V_i\le {\bar{V}}_i& i\in SB\end{array}---\left(16\right)$

其中，V_i表示节点电压的下限，表示节点电压的上限，V_i表示节点电压。

负荷节点与发电机节点功率切除限制：

$P_{Di}^m\le P_{Di}-{\mathrm{\Delta P}}_{Di}\le P_{Di}^M---\left(17\right)$

$P_{Gi}^m\le P_{Gi}-{\mathrm{\Delta P}}_{Gi}\le P_{Gi}^M---\left(18\right)$

其中，为负荷节点有功功率的上限，为负荷节点有功功率的下限；为发电 机节点有功功率的上限，为发电机节点有功功率的下限。

机组输出功率约束：

$\begin{array}{cc}{\underset{‾}{P}}_{Gi}\le P_{Gi}\le {\bar{P}}_{Gi}& i\in SG\end{array}---\left(19\right)$

其中，表示发电机输出功率下限，表示发电机输出功率上限，表示发电机输出功 率；

机组输出功率速率约束：

$\begin{array}{cc}-t_{\min }{r}_{rampGi}^{\max }\le P_{Gi}-P_{Gi}^0\le t_{\min }{r}_{rampGi}^{\max }& i\in SG\end{array}---\left(20\right)$

式中，为机组i的最大调节速率，t_min即为由式(8)计算得到的允许紧急控制的时间， 为机组i在t_min时间内允许增加或减小的功率值。

线路温度约束：

$m_l{C}_{pl}\frac{{\mathrm{dT}}_l\left(t\right)}{dt}=q_l\left(t\right)+q_s\left(t\right)-q_c\left(t\right)-q_r\left(t\right)$

T_l(t)≤T_max

其中，T_l(t)为线路l在t时刻的温度。

本发明的有益效果为：

(1)考虑了电网运行状态以及环境参数对线路热定值的影响，进而计算出系统允许紧急 控制的时间裕度，避免了依靠经验值的保守性或冒进性，紧急控制时间计算更加科学、精确。

(2)基于输电线路温度特性理论框架，提出新的电力系统热稳定判断标准以及热稳定裕 度的计算方法。

电力系统热稳定的传统判断标准是系数中是否有线路潮流越限，以固定的线路最大允许 载流量作为判断线路是否潮流越限的标准。输电线路温度特性理论指出，线路温度的变化滞 后于载流的变化，这种热惯性的影响使得线路温度变化与载流出现不同步性，而限制线路传 输容量的本质因素是温度，因此本发明提出新的电力系统热稳定判断标准，即当系统中所有 输电元件的温度不超出其最高允许运行温度时，则系统是热稳定的。本发明通过提出一种新 的电力系统热稳定性的判断指标，并提出新的热稳定安全裕度的计算方法，与传统的方法相 比，增加了电力系统热稳定的可行安全域，结果更接近真实值。

提出一种计及输电线路温度特性的紧急控制方法，不再以固定的热电流作为线路越限的 判断指标，而是以线路温度是否越限为判断指标，充分考虑线路温度的热惯性影响，增加了 优化方法的可行域，提高紧急控制方法的安全性与经济性。

附图说明

图1为电力系统运行状态划分示意图；

图2为DTR系统总体结构图；

图3为紧急控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，图1将电力系统运行状态划分为四个状态，分别为：安全正常状态，不安 全正常状态，待恢复状态，紧急状态，在安全正常状态遭受扰动可能过渡到不安全正常状态， 通过预防控制可以从不安全正常状态过渡到安全正常状态；在不安全正常状态遭受扰动可能 过渡到紧急状态，从紧急状态通过校正控制可以过渡到不安全正常状态；从紧急状态经过紧 急控制可以过渡到待恢复状态，待恢复状态经过恢复控制可以过渡到不安全正常状态。

如图2所示，通过张力传感器、日照辐射传感器、风力传感器、温度传感器分别可以测 量输电线路的张力，周围环境的日照强度，风速，风向，温度，通过电源系统可以测得电力 系统电压、电流、功率等信息，这些信息均通过数据通信传输到数据采集终端，再通过 GPRS/GSM移动通信网络与监控管理平台之间构成联系，SCADA系统也通过数据通信与监 控管理平台互相关联。

如图3所示，首先通过SCADA系统以及DTR系统采集的数据信息对电力系统进行扩展 状态估计，然后计算输电线路的动态热定值，然后通过暂态热平衡方程，计算电力系统紧急 控制时间裕度，在此基础上对紧急控制优化模型进行求解，获得发电机停运与切负荷容量， 最终实施紧急控制策略。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。