一种电力系统静态安全稳定运行极限优化方法

摘要

本发明公开了一种电力系统静态安全稳定运行极限优化方法，提供一种利用BPA电力系统计算分析软件的解析包含有被评估电力系统网络结构和运行数据的原始数据报表；然后对原始数据报表中的数据进行BPA潮流计算；若BPA潮流计算不收敛，则对控制变量或约束条件进行矫正设置，直至BPA潮流计算收敛；然后进行N-1潮流计算；若N-1潮流计算不收敛，则进行N-1最优潮流计算，直至N-1最优潮流计算收敛，并输出N-1潮流计算报表；然后以N-1潮流计算报表中的数据去覆盖原始数据报表中的数据，即可保证被评估电力系统处于静态安全稳定运行极限的电网运行方式中。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统静态安全稳定分析和优化领域，尤其涉及一种电 力系统静态安全稳定运行极限优化方法。

背景技术

随着电力系统的发展，电力系统的电网规模越来越大，电网安全稳定 问题也越来越复杂，特别是电网静态安全稳定问题日益成为电力系统 关注的焦点。为了提高电网的安全稳定运行，同时降低电网损耗，保 证电网安全、经济运行，就应增强对电网传输断面传输功率的调控能 力，合理地对控制变量、状态变量及变量函数的物理限制和运行限制 进行调节，使电力部门及用户总体设备的运行指标达到最佳状态，并 且获得电网传输断面传输功率的极限值。

电力系统安全分析是电力系统规划和调度的常用手段，用以校验输变 电设备发生故障或强迫退出运行后系统的运行状态。事故预想后的安 全分析，对一个输电系统规划方案而言，可以校验其承受事故的能力 ；对运行中的电力系统而言，可以检验其运行方式及接线方式的安全 性，进而给出事故前后应采用的防范措施或校正措施。制定电力系统 的安全稳定运行方式是各级电网的日常工作，随着电力系统的日益扩 大，电网的运行方式越来越复杂，需要考虑的问题也越来越多。但是 有相当一部分地区电网现有的安全稳定运行方式受到制定人员主观及 相应客观因素的影响，为了得到较为满意的结果，运行人员往往需要 反复多次尝试调整参数，有时耗费大量的时间和精力都很难找到满意 的优化结果。至今为止，还未能找到一种很好的解决电网静态安全稳 定运行极限的优化 方法。

中国专利公开号CN101969202A，公开日是2011年2月9日，名称为“电 力系统暂态稳定输电断面功率极限区间的识别方法”的方案中公开了 一种电力系统暂态稳定输电断面功率极限区间的识别方法，包括以下 步骤：步骤一，针对电网当前运行方式，采用暂态功角稳定量化评估 方法和暂态电压安全稳定量化评估方法对输电断面暂态安全稳定考核 故障集中每个故障分别进行暂态安全稳定评估，得到每个故障的暂态 功角稳定模式和暂态电压安全稳定模式，其中，暂态功角稳定模式包 括暂态功角稳定裕度、发电机的主导分群模式、临界发电机群和余下 发电机群中各台发电机的参与因子，暂态电压安全稳定模式包括暂态 电压安全稳定裕度、负荷参与因子；步骤二，依据发电机、负荷的参 与因子、功率对输电断面功率的灵敏度和暂态功角稳定裕度、暂态电 压安全稳定裕度计算出每台可调发电机、每个可调负荷对输电断面功 率极限的影响因子；步骤三，若计算输电断面功率极限区间下限，即 最小值，则进入步骤四，若计算输电断面功率极限区间上限，即最大 值，则进入步骤五；步骤四，根据发电机和负荷对输电断面功率极限 的影响因子，确定用于计算输电断面功率极限最小值的送、受端发电 机和负荷的调整方式，采用迭代方式计算出输电断面功率极限的最小 值；步骤五，根据发电机和负荷对输电断面功率极限的影响因子，确 定用于计算输电断面功率极限最大值的送、受端发电机和负荷的调整 方式，采用迭代方式计算出输电断面功率极限的最大值。不足之处在 于，这种识别方法，只能识别出电力系统暂态稳定输电断面的功率在 极限区间工作，却不能使被评估电力系统处于静态安全稳定运行极限 的电网运行方式中。

名词解释：

潮流计算是指电力系统在某一确定的运行方式和接线方式下，计算电 力系 统从电源到负荷各处的电压、电流的大小和方向以及功率的分布情况 。

N-1潮流计算是指在有N条支路的电力系统中，任意一条支路发生故障 断开，或变电站中某台变压器退出运行，计算该电力系统在N-1的运行 条件下，从电源到负荷各处的电压、电流的大小和方向以及功率的分 布情况。

发明内容

本发明是为了解决现有电力系统识别方法不能使被评估电力系统处于 静态安全稳定运行极限的电网运行方式中的不足，提供一种电力系统 静态安全稳定运行极限优化方法，该优化方法能提高被评估电力系统 的电网始终处于静态安全稳定运行极限的电网运行方式中，并能对被 评估电力系统的电网进行潮流极限优化计算，实现被评估电力系统的 电网在指定的运行方式下，能通过BPA电力系统计算分析软件获得被评 估电力系统静态安全稳定运行极限所需的电网运行方式优化数据，并 能对电网运行方式优化数据进行自动计算和验证，其验证结果可以直 接用于指导编制被评估电力系统静态安全稳定运行极限下的电网运行 方式，以确保电网安全稳定可靠运行。 

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电力系统静态安全稳定运行极限优化方法，包括以下步骤：

步骤一，利用BPA电力系统计算分析软件的自定义数据接口模块解析包 含有被评估电力系统的网络结构和运行数据的BPA潮流格式原始数据报 表；

步骤二，然后采用BPA电力系统计算分析软件对原始数据报表中的数据 进行首次BPA潮流计算；

步骤三，若首次BPA潮流计算不收敛，则采用BPA最优潮流模型及算法 对被评估电力系统的控制变量或约束条件进行分析，并根据分析结果 对被评估电力系统的控制变量或约束条件进行矫正设置，然后根据矫 正设置后的数据对被 评估电力系统进行BPA最优潮流计算，直至BPA最优潮流计算收敛，进 而使首次BPA潮流计算收敛，并获得使首次BPA潮流计算收敛时的首次 BPA潮流计算收敛报表，其中，控制变量包括发电机有功功率、发电机 无功功率、线性有功负荷、线性无功负荷和变压器抽头，约束条件包 括联络线路约束、模型有功负荷约束、模型无功负荷约束、输电断面 约束和节点电压约束；

步骤四，当首次BPA潮流计算收敛后，则利用首次BPA潮流计算收敛报 表中的数据进行N-1潮流计算；

 步骤五，若N-1潮流计算不收敛，即此时的N-1潮流计算结果会出现 电压越限、电流越限或功率越限，则筛查出被评估电力系统中不满足 N-1潮流计算的开断线路，并形成开断线路故障集合报表；

步骤六，接着采用基于互补理论的现代内点算法，计算出包含有开断 线路故障集合报表的被评估电力系统新的控制变量或约束条件，然后 根据被评估电力系统新的控制变量或约束条件的数据进行N-1最优潮流 计算；

步骤七，若N-1最优潮流计算不收敛，则对被评估电力系统新的控制变 量或约束条件进行优化矫正，然后根据优化矫正后的数据再次进行N- 1最优潮流计算，直至N-1最优潮流计算收敛，进而使N-1潮流计算收敛 ，并获得使N-1潮流计算收敛时的N-1潮流计算收敛报表， 此时的N- 1潮流计算收敛报表中的结果均不再出现电压越限、电流越限和功率越 限，说明此时获得了正好满足N-1潮流计算收敛的被评估电力系统临界 安全极限运行方式；

步骤八，用N-1潮流计算收敛报表中的数据去覆盖原始数据报表中的数 据，即可保证被评估电力系统处于静态安全稳定运行极限的电网运行 方式中，该电网运行方式即为被评估电力系统的静态安全稳定运行极 限。

电网运行人员用BPA电力系统计算分析软件的潮流部分进行BPA潮流计 算， 在BPA潮流计算收敛后，进行N-1潮流计算，并使N-1潮流计算收敛。首 先，BPA电力系统计算分析判断所给的电网运行方式是否合理，BPA潮 流不收敛则需要调用最优潮流计算程序得到所给电网网架结构下合理 的稳定运行方式。当BPA潮流计算收敛后，就用BPA电力系统计算分析 软件进行N-1潮流计算，如果N-1潮流计算不收敛，则筛查出不满足N- 1潮流计算的开断线路，调用N-1最优潮流进行计算，给出调整策略修 改BPA文件，并利用BPA电力系统计算分析软件进行潮流校核和N-1潮流 校核，最终的目标是获得正好满足N-1潮流计算的电力系统静态临界安 全极限运行方式。

可以再次利用BPA电力系统计算分析软件对N-1潮流计算收敛报表中的 数据进行末次BPA潮流计算，并生成末次BPA潮流计算收敛报表，并把 末次BPA潮流计算收敛报表中的结果和N-1潮流计算收敛报表中的结果 采取一一对应的方式进行对比校核，同时，还可把N-1潮流计算收敛后 得到的均不再出现电压越限、电流越限和功率越限所形成的一组数据 结果同首次BPA潮流计算后得到的电压越限情况、电流越限情况和功率 越限情况所形成的另一组数据结果进行对比校核，对比校核后，我们 就能够清楚的知道被评估电力系统应该运行在什么状态下是最佳的。

这里，由于N-1潮流计算收敛是在首次BPA潮流计算收敛的前提条件下 获得的，因而采用N-1潮流计算收敛时的N-1潮流计算收敛报表中的数 据进行末次BPA潮流计算也是收敛的，即N-1潮流计算收敛报表中得到 的数据是在首次BPA潮流计算收敛报表中得到的数据为基础前提进行计 算的，所以对比校核后，均不会再出现末次BPA潮流计算后得到的电压 、电流或功率有越限情况，从而说明对比校核的结果已经获得通过， 进而获得被评估电力系统静态安全稳定运行极限优化方法的优化数据 ，其优化数据就是N-1潮流计算收敛报表中的数据。 被评估电力系统在符合最佳运行方式要求的数小时内，可以自动或半 自动地分析数以千计的可能的电网运行方案，考虑全部可能发生的故 障对电网安全、稳定的影响，从而最大限度地制定出被评估电力系统 最佳的静态安全稳定运行极限，满足各种运行约束的安全可靠的电网 运行方式，同时获得相关传输断面传输功率的极限值。

该优化方法能提高并使得被评估电力系统的电网始终处于静态安全稳 定运行极限下的电网运行方式中，并能对被评估电力系统的电网进行 潮流极限优化计算，实现被评估电力系统的电网在指定的运行方式下 ，通过BPA电力系统计算分析软件获得被评估电力系统静态安全稳定运 行极限所需的电网运行方式优化数据，能对电网运行方式优化数据进 行自动计算和验证，其验证结果可以直接用于指导编制被评估电力系 统静态安全稳定运行极限下的电网运行方式，以确保电网安全稳定可 靠运行。

作为优选，在步骤一中，在对包含有被评估电力系统的网络结构和运 行数据进行BPA网络节点解析的同时，也对包含有被评估电力系统的网 络结构和运行数据进行BPA网络节点等值的处理。

作为优选，在步骤五中，若N-1潮流计算中出现开断线路过载情况，则 设置N-1校验故障。

作为优选，所述约束条件还包括系统潮流约束，用于保证负荷转移过 程中被评估电力系统始终满足系统潮流约束。

本发明能达到如下效果：

1、该优方法能提高并使得被评估电力系统的电网始终处于静态安全稳 定运行极限下的电网运行方式中，并能对被评估电力系统的电网进行 潮流极限优化计算，实现被评估电力系统的电网在指定的运行方式下 ，通过BPA电力系统计 算分析软件获得被评估电力系统静态安全稳定运行极限所需的电网运 行方式优化数据，能对电网运行方式优化数据进行自动计算和验证， 其验证结果可以直接用于指导编制被评估电力系统静态安全稳定运行 极限下的电网运行方式，以确保电网安全稳定可靠运行。

2、该优化方法可使电网静态安全稳定运行方式的编制变得简单易行， 缩短了工作流程和制定时间，减轻运行人员工作强度和压力，全面提 高电网运行的电压质量和安全稳定性。

附图说明

图1是本发明的一种流程示意框图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的 说明。

实施例：一种电力系统静态安全稳定运行极限优化方法，参加图1所示 ，其步骤如下: 

步骤一，利用BPA电力系统计算分析软件的自定义数据接口模块解析包 含有被评估电力系统的网络结构和运行数据的BPA潮流格式原始数据报 表，在对包含有被评估电力系统的网络结构和运行数据进行BPA网络节 点解析的同时，也对包含有被评估电力系统的网络结构和运行数据进 行BPA网络节点等值的处理；

步骤二，然后采用BPA电力系统计算分析软件对原始数据报表中的数据 进行首次BPA潮流计算；

步骤三，若首次BPA潮流计算不收敛，则采用BPA最优潮流模型及算法 对被评估电力系统的控制变量或约束条件进行分析，并根据分析结果 对被评估电力系统的控制变量或约束条件进行矫正设置，然后根据矫 正设置后的数据对被 评估电力系统进行BPA最优潮流计算，直至BPA最优潮流计算收敛，进 而使首次BPA潮流计算收敛，并获得使首次BPA潮流计算收敛时的首次 BPA潮流计算收敛报表，其中，控制变量包括发电机有功功率、发电机 无功功率、线性有功负荷、线性无功负荷和变压器抽头，约束条件包 括联络线路约束、模型有功负荷约束、模型无功负荷约束、输电断面 约束和节点电压约束，束条件还包括系统潮流约束，用于保证负荷转 移过程中被评估电力系统始终满足系统潮流约束；

步骤四，当首次BPA潮流计算收敛后，则利用首次BPA潮流计算收敛报 表中的数据进行N-1潮流计算；

步骤五，若N-1潮流计算不收敛，即此时的N-1潮流计算结果会出现电 压越限、电流越限或功率越限，则筛查出被评估电力系统中不满足N- 1潮流计算的开断线路，并形成开断线路故障集合报表；若N-1潮流计 算中出现开断线路过载情况，则设置N-1校验故障；

步骤六，接着采用基于互补理论的现代内点算法，计算出包含有开断 线路故障集合报表的被评估电力系统新的控制变量或约束条件，然后 根据被评估电力系统新的控制变量或约束条件的数据进行N-1最优潮流 计算；

步骤七，若N-1最优潮流计算不收敛，则对被评估电力系统新的控制变 量或约束条件进行优化矫正，然后根据优化矫正后的数据再次进行N- 1最优潮流计算，直至N-1最优潮流计算收敛，进而使N-1潮流计算收敛 ，并获得使N-1潮流计算收敛时的N-1潮流计算收敛报表， 此时的N- 1潮流计算收敛报表中的结果均不再出现电压越限、电流越限和功率越 限，说明此时获得了正好满足N-1潮流计算收敛的被评估电力系统临界 安全极限运行方式；

步骤八，用N-1潮流计算收敛报表中的数据去覆盖原始数据报表中的数 据，即可保证被评估电力系统处于静态安全稳定运行极限的电网运行 方式中，该电 网运行方式即为被评估电力系统的静态安全稳定运行极限。输出分析 报告作为备用。

现在以某地区的实际电网为例，分别对2011 年某两个月的典型方式 下的静态安全稳定运行极限进行了分析优化。分析步骤如下：

1、该被评估电力系统有958 个节点、502 条线路，104 台发电机 ，215 台有载调压变压器、183 个无功补偿点，并利用数据接口模 块采集被评估电力系统中这些点的网络结构和运行数据，然后把采集 到的网络结构和运行数据转换成BPA潮流格式原始数据报表，并在BPA 潮流格式原始数据报表的基础上进行BPA网络等值和解析；

2、当BPA网络等值和解析收敛时，则输出首次BPA潮流计算收敛报表， 然后进行BPA（N-1）潮流计算检验。

3、若BPA（N-1）潮流计算中出现线路过载情况，则设置N-1校验故障 。

4、进行N-1最优潮流计算优化校正，同时设置等值控制变量、约束条 件、直流参数和控制策略进行联合优化，联合优化的算法是采用基于 互补理论的现代内点算法。

5、若N-1最优潮流计算优化校正后的结果不收敛，则调整控制变量或 约束条件，或者进行负荷转移，重新计算，直至N-1最优潮流计算收敛 为止。

6、当N-1最优潮流计算优化校正后的结果收敛后，则输出N-1最优潮流 计算收敛时的N-1潮流计算收敛报表。

7、然后再次利用BPA电力系统计算分析软件对N-1潮流计算收敛报表中 的数据进行末次BPA潮流计算，并生成末次BPA潮流计算收敛报表，并 把末次BPA潮流计算收敛报表中的结果和N-1潮流计算收敛报表中的结 果采取一一对应的方式进行对比校核，同时，还可把N-1潮流计算收敛 后得到的均不再出现电压 越限、电流越限和功率越限所形成的一组数据结果同首次BPA潮流计算 后得到的电压越限情况、电流越限情况和功率越限情况所形成的另一 组数据结果进行对比校核；这里，由于N-1潮流计算收敛是以首次BPA 潮流计算收敛为基础前提进行的，即N-1潮流计算收敛报表中得到的数 据是在首次BPA潮流计算收敛报表中得到的数据为基础前提进行计算的 ，所以对比校核后，均不会再出现末次BPA潮流计算后得到的电压、电 流或功率有越限情况，从而说明对比校核的结果已经获得通过，进而 获得被评估电力系统静态安全稳定运行极限优化方法的优化数据，其 优化数据就是N-1潮流计算收敛报表中的数据。

该优化方法能提高并使得被评估电力系统的电网始终处于静态安全稳 定运行极限下的电网运行方式中，并能对被评估电力系统的电网进行 潮流极限优化计算，实现被评估电力系统的电网在指定的运行方式下 ，通过BPA电力系统计算分析软件获得被评估电力系统静态安全稳定运 行极限所需的电网运行方式优化数据，能对电网运行方式优化数据进 行自动计算和验证，其验证结果可以直接用于指导编制被评估电力系 统静态安全稳定运行极限下的电网运行方式，以确保电网安全稳定可 靠运行。

在实际电力系统的静态安全稳定运行极限优化中，本方法对被评估电 力系统静态安全稳定运行极限的效果非常明显。下面举两个实例进行 说明：

例1：利用BPA进行N-1模拟故障开断：当模拟开断A站~B站线路，会导 致A站~C站线路过载；模拟开断A站~C站线路，会导致A站~B站线路过载 ；模拟开断D站~B站线路，会导致A站~C站线路过载。

优化前电网模拟开断线路过载情况如表1、表2和表3所示：当A站~B站 线路开断时，A站~C站线路的负载为331.8MVA，负载率为121.8%；当A 站~C站线路开断时，A站~B站线路的负载为331.9MVA，负载率为121.8 %；当D站~B 站线路开断时，A站~C站线路的负载为303.4MVA，负载率为111.3%。

优化后电网模拟开断线路过载情况如表4、表5和表6所示：当A站~B站 线路开断时，A站~C站线路的负载为261.9MVA，负载率为99.9%；当A站 ~C站线路开断时，A站~B站线路的负载为261.8MVA，负载率为99.8%； 当D站~B站线路开断时，A站~C站线路的负载为261.8MVA，负载率为99 .9%。

表1  优化前模拟开断A站~B站线路过载情况

表2 优化前模拟开断A站~C站线路过载情况

表3 优化前模拟开断D站~B站线路过载情况

表4 优化后模拟开断A站~B站线路过载情况

表5 优化后模拟开断A站~C站线路过载情况

表6 优化后模拟开断D站~B站线路过载情况

优化前电网统调机组有功、无功出力情况如表7所示，机组总的无功出 力为231Mvar。优化后电网统调机组有功、无功出力情况如表8所示， 机组总的无功出力为127.3Mvar，比优化前减少103.7Mvar。

表7  优化前电网统调机组有功、无功出力情况 单位：MW、 Mva r

表8 优化后电网统调机组有功、无功出力情况 单位：MW、 Mvar

例1合理调整如下：优化前电网A站负荷为245.0MW，优化后电网A站负 荷为178.53MW，比优化前减少66.47 MW。过载线路的负载率由121.8 %、121.8%和111.3%分别调整为 99.9%、99.8%和99.9%，整体上达到 了静态安全稳定运行极限的要求。 

例2：利用BPA进行N-1模拟故障开断：当模拟开断A站~B站1回线路，会 导致A站~B站2回线路过载。 

优化前电网模拟开断线路过载情况如表9所示：当A站~B站1回线路开断 时，A站~B站2回线路的负载为486.8MVA，负载率为123.7%。

优化后电网模拟开断线路过载情况如10所示：当A站~B站1回线路开断 时，A站~B站2回线路的负载为392.9MVA，负载率为99.82%。

表9  优化前模拟开断A站~B站线路过载情况

表10 优化后模拟开断A站~C站线路过载情况

优化前电网统调机组有功、无功出力情况如表11所示，机组总的有功 出力为6975.1MW，无功出力为705.4Mvar。优化后电网统调机组有功、 无功出力情况如表12所示，机组总的有功出力为6968.11MW，无功出力 为410.6Mvar，优化后机组的有功出力与无功出力比优化前分别减少6 .99MW和294.8Mvar。

表11  优化前电网统调机组有功、无功出力情况 单位：MW、 Mv ar

表12 优化后电网统调机组有功、无功出力情况 单位：MW、 Mvar

电厂名称 是否可调 单机额定功率 投运机组台数 电厂有功出力汇总 电厂无功出力汇总 A 是 32 4 128  -23.94 B 是 42 10 376 -59.95 C 是 114 5 458 95.23 D 是 600 2 1100 95.44 E 是 40 1 35 -5 F 是 330 2 600 -80 G 是 38 4 140 0 H 是 360 2 440 125.95 I 是 300 2 500 -100 J 是 60 1 57 0 K 是 150 3 360 37.29 L 是 60 1 27 0 M 是 47 1 45 8.01 N 是 1×36+1×28 2 64 5.54 O 是 135 2 134.93 20.15 P 是 57 6 275 81.95 Q 是 150 2 240 18.1 R 是 2×60+2×65 4 245 34.57 S 是 302 5 967.05 221.07 T 是 37 1 24 0 U 是 320 2 600 -80 V 是 153 1 152.13 16.19

例2合理调整如下：优化前电网O电厂的有功出力为0MW，优化后电网O 电厂的有功出力为134.93MW，比优化前增加134.93 MW。优化前电网 V电厂的有功出力为30MW，优化后电网V电厂的有功出力为152.13MW， 比优化前增加122.13 MW。过载线路的负载率由123.7%调整为 99.8 2%，整体上基本达到了静态安全稳定运行极限的要求。 

通过上述的两个例子，由于合理调整发电机组的有功与无功出力、调 整相关节点的负荷值；可以使被评估电力系统各线路的控制满足《电 力系统安全稳定导则》和《电力系统电压质量和无功电力管理规定》 。被评估电力系统电压得到了有效的控制。220kV的电压均衡度大幅提 高，均维持在232kV左右，被评估电力系统没有电压越限情况，电压水 平良好。通过被评估电力系统整体的优化，被评估电力系统线路上的 有功流合理分配，线路上没有大容量的有功功率传输，从而使得电网 的线路过载得到了有效的控制，并且获得相关传输断面传输功率的极 限值。 

上面结合附图描述了本发明的实施方式，但实现时不受上述实施例限 制，本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变化 或修改。