分層分區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度

0基于目標(biāo)級(jí)聯(lián)分析的分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度cdrd分層互聯(lián)運(yùn)營(yíng)是現(xiàn)代能源系統(tǒng)的顯著特點(diǎn)。對(duì)于如此復(fù)雜的大規(guī)模系統(tǒng),難以采用唯一的電力調(diào)度中心進(jìn)行集中式優(yōu)化調(diào)度與控制風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度(risk-baseddispatch,RD)是對(duì)傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和安全約束調(diào)度的進(jìn)一步發(fā)展,其所制定的調(diào)度方案不僅要求滿足系統(tǒng)安全約束還需將運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi)本文的主要貢獻(xiàn)是:面向具有多級(jí)電力調(diào)度中心的分層分區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng),提出一種基于目標(biāo)級(jí)聯(lián)分析的分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度(coordinateddecentralizedrisk-baseddispatch,CDRD)方法。各下級(jí)調(diào)度中心可并行自主地調(diào)度管轄電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電機(jī)組,實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的分散自治調(diào)控;通過(guò)上級(jí)聯(lián)合調(diào)度中心對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化可保證整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。1基本總結(jié)1.1運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)式在電力系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,針對(duì)預(yù)想事故后系統(tǒng)在靜態(tài)與動(dòng)態(tài)下不同側(cè)面的安全水平,可以定義多種類的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)式中:N圖中1表示正常狀態(tài)下的潮流上限;s1.2基于crd的機(jī)組運(yùn)行安全約束在集中式調(diào)度體系下,調(diào)度中心通過(guò)SCADA等系統(tǒng)采集所管轄電網(wǎng)的運(yùn)行信息,并可通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等軟件模塊評(píng)估系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)水平。本文探討的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度為計(jì)及預(yù)想故障的預(yù)防型風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度,可根據(jù)文獻(xiàn)[6-7,9]建立集中式預(yù)防型風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度(centralizedrisk-baseddispatch,CRD)的優(yōu)化模型:式中:0、k分別代表基態(tài)和第k個(gè)故障狀態(tài);N等式約束式(4)代表系統(tǒng)有功平衡;式(5)為正常狀態(tài)下的安全(線路潮流)約束;式(6)為預(yù)想故障狀態(tài)下的安全約束(預(yù)防調(diào)度發(fā)電機(jī)使得故障后潮流不越過(guò)線路緊急限值);式(7)為機(jī)組出力的上下限約束;通過(guò)約束式(8)保障系統(tǒng)過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)在可接受范圍內(nèi)。相較傳統(tǒng)SCD,CRD的顯著優(yōu)勢(shì)是:1)由于計(jì)及了事故發(fā)生概率,CRD可動(dòng)態(tài)跟蹤事故風(fēng)險(xiǎn)并對(duì)機(jī)組有功出力做出調(diào)整CRD模型是耦合預(yù)想故障集和復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)約束式(8)的大規(guī)模優(yōu)化問(wèn)題,一般難以直接求解,需采用Benders等分解算法將原問(wèn)題拆分為多個(gè)規(guī)模較小的子問(wèn)題后進(jìn)行迭代優(yōu)化。2區(qū)域分解機(jī)制密合式處理單元上下級(jí)的協(xié)調(diào)合作本文所提出的分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度方法面向的對(duì)象是具有多級(jí)電力調(diào)度中心的多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng)。圖2給出了分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度的架構(gòu),在該調(diào)度架構(gòu)下,各下級(jí)電力調(diào)度中心僅負(fù)責(zé)調(diào)控區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備,由上級(jí)聯(lián)合調(diào)度中心來(lái)負(fù)責(zé)區(qū)域電網(wǎng)之間的協(xié)調(diào)工作。各區(qū)域調(diào)度中心之間無(wú)需交互任何信息,然而,為實(shí)現(xiàn)多區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)的全局經(jīng)濟(jì)優(yōu)化,下級(jí)和上級(jí)調(diào)度中心之間必需建立雙向通訊網(wǎng)絡(luò),以傳遞必要的算法協(xié)調(diào)信息?！胺稚ⅰ焙汀皡f(xié)調(diào)”是該調(diào)度架構(gòu)的核心:“分散”意味著各區(qū)域調(diào)度中心都具備自治能力,可對(duì)其所管轄區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的所有發(fā)電機(jī)組進(jìn)行調(diào)度,并負(fù)責(zé)調(diào)控該區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)在其可接受范圍內(nèi)?！皡f(xié)調(diào)”則要求各區(qū)域調(diào)度中心應(yīng)當(dāng)相互合作安排調(diào)度計(jì)劃以保證整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,可以通過(guò)上級(jí)聯(lián)合電力調(diào)度中心來(lái)完成協(xié)調(diào)工作。實(shí)現(xiàn)分散協(xié)調(diào)優(yōu)化的關(guān)鍵是找到合適的區(qū)域耦合(一致性)約束,本文采用圖3所示的區(qū)域分解機(jī)制,將聯(lián)絡(luò)線有功功率作為共享和協(xié)調(diào)變量。相較傳統(tǒng)方法式中:P3分散風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)備的優(yōu)化模型和算法3.1目標(biāo)級(jí)聯(lián)分析目標(biāo)級(jí)聯(lián)分析法(analyticaltargetcascading,ATC)3.2的數(shù)之間的協(xié)調(diào)在ATC算法框架下,每一個(gè)區(qū)域電網(wǎng)在求解其自身調(diào)度方案時(shí)需要考慮與上層調(diào)度中心下發(fā)的共享參數(shù)之間的協(xié)調(diào)。為此,需對(duì)第1.2節(jié)所介紹的集中式風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度模型做適當(dāng)調(diào)整,更改后的下級(jí)調(diào)度中心s對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度子問(wèn)題的優(yōu)化模型為式中:N算法1:該問(wèn)題與CRD模型具有相同的優(yōu)化結(jié)構(gòu),可采用Benders分解算法當(dāng)下級(jí)調(diào)度中心s求得調(diào)度方案時(shí),需上傳其求解得到的聯(lián)絡(luò)線有功值P3.3聯(lián)絡(luò)線功率相關(guān)問(wèn)題上級(jí)電力調(diào)度中心為整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度的協(xié)調(diào)者,負(fù)責(zé)對(duì)各下級(jí)電力調(diào)度中心所求得聯(lián)絡(luò)線功率的偏差進(jìn)行最小化優(yōu)化。當(dāng)上級(jí)電力調(diào)度中心接收到所有下級(jí)電力調(diào)度中心上傳的聯(lián)絡(luò)線功率數(shù)據(jù)(P式(20)為一致性協(xié)調(diào)約束,表示兩互聯(lián)系統(tǒng)間的聯(lián)絡(luò)線功率絕對(duì)值應(yīng)當(dāng)相等。算法2:該問(wèn)題是一個(gè)僅含等式約束的二次規(guī)劃問(wèn)題,可采用Lagrange方法求解。構(gòu)建Lagrange函數(shù)如下:該Lagrange函數(shù)取極值的必要條件為求解式(22),即可得到協(xié)調(diào)變量的值3.4上級(jí)調(diào)度中心乘子更新公式分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度算法的收斂條件為式(23)檢查在t次迭代中,上級(jí)調(diào)度中心下發(fā)的聯(lián)絡(luò)線功率值若在第t次迭代中,以上兩類收斂性條件不滿足或不完全滿足,則上級(jí)調(diào)度中心應(yīng)根據(jù)式(25)、(26)更新乘子系數(shù)的值,并將更新后的乘子系數(shù)下發(fā)給各下級(jí)調(diào)度中心進(jìn)行下一次迭代計(jì)算:式中:μ為常數(shù),其值一般取1≤μ≤3;α和β的初值一般取較小的常數(shù)3.5上級(jí)電力調(diào)度中心優(yōu)化問(wèn)題的步驟上下級(jí)電力調(diào)度中心的優(yōu)化問(wèn)題必須交替迭代計(jì)算,通過(guò)協(xié)調(diào)聯(lián)絡(luò)線潮流,以達(dá)到調(diào)控各區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)且獲取系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行成本的目的?；贏TC的分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度的算法流程如圖5所示,其步驟如下所述:步驟1:置迭代次數(shù)t=1。各個(gè)下級(jí)電力調(diào)度中心設(shè)定其管轄電網(wǎng)的最大可接受風(fēng)險(xiǎn)值K步驟2:各下級(jí)電力調(diào)度中心調(diào)用算法1求解區(qū)域電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度子問(wèn)題,得到滿足R步驟3:上級(jí)調(diào)度中心接收到所有下級(jí)調(diào)度中心上傳的聯(lián)絡(luò)線功率數(shù)據(jù)后,調(diào)用算法2求解主問(wèn)題,對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率偏差進(jìn)行最小化優(yōu)化。步驟4:上級(jí)調(diào)度中心檢查收斂條件式(23)、(24),若同時(shí)滿足,則終止迭代過(guò)程,所求得結(jié)果即為最優(yōu)解;否則,根據(jù)式(25)、(26)更新乘子系數(shù),置t=t+1,并返回步驟2重新求解。4計(jì)算與分析4.1緊急限值與內(nèi)部約束在Matlab平臺(tái)上編寫了CDRD的優(yōu)化模型和分散協(xié)調(diào)算法程序,調(diào)用CPLEX求解器求解底層的線性規(guī)劃和二次規(guī)劃問(wèn)題。在6節(jié)點(diǎn)雙區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)和RTS96三區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)上進(jìn)行了仿真計(jì)算(2個(gè)系統(tǒng)線路的長(zhǎng)期緊急和短期緊急限值都分別設(shè)定為1.1和1.2),并與分散協(xié)調(diào)調(diào)度架構(gòu)下的經(jīng)濟(jì)調(diào)度(CDED,不考慮安全和風(fēng)險(xiǎn)約束)和分散協(xié)調(diào)調(diào)度架構(gòu)下的安全約束調(diào)度(CDSD,不考慮風(fēng)險(xiǎn)約束)以及集中式的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度作了比較分析。首先在6節(jié)點(diǎn)雙區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)上進(jìn)行了測(cè)試,互聯(lián)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。機(jī)組參數(shù)如附表B1所示,線路電抗的標(biāo)幺值均為0.5pu,線路L11、L12、L13和L21、L22、L23的潮流最大值分別為75、90、90、100、95、95MW,聯(lián)絡(luò)線最大傳輸能力為50MW,負(fù)荷D11、D12和D21、D22的值分別為70、80、90、90MW。設(shè)定協(xié)調(diào)變量RTS96系統(tǒng)4.26個(gè)節(jié)點(diǎn)和雙區(qū)互聯(lián)系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果4.2.1cdrd與cded和cdsd的比較將本文所提出的分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度所求得的調(diào)度方案與分散架構(gòu)下不考慮運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的CDED和CDSD的結(jié)果進(jìn)行了比較,結(jié)果如表1所示。由于區(qū)域1內(nèi)的發(fā)電機(jī)組發(fā)電成本較低(如附表B1所示),在3種調(diào)度方式下,均由區(qū)域電網(wǎng)1向區(qū)域電網(wǎng)2傳輸聯(lián)絡(luò)功率。相較CDED和CDSD,在CDRD調(diào)度方式下,區(qū)域電網(wǎng)1內(nèi)的機(jī)組1需降低出力而區(qū)域電網(wǎng)2內(nèi)的機(jī)組2應(yīng)當(dāng)多承擔(dān)一些出力,以使區(qū)域電網(wǎng)1和2均滿足其安全(預(yù)想故障)約束和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)約束。因此,在CDRD調(diào)度方式下由區(qū)域電網(wǎng)1向區(qū)域電網(wǎng)2注入的聯(lián)絡(luò)功率值最小(33.3MW)。此外,CDRD的計(jì)算時(shí)間略有上升。表2分析了3種調(diào)度方式下整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)和各區(qū)域電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性、安全性與風(fēng)險(xiǎn)性。N4.2.2cdrd與crd的比較表3對(duì)分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度與集中式風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度的結(jié)果進(jìn)行了比較?？梢钥闯?在6節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上,CDRD的調(diào)度方案與CRD是一致的,這意味著采用本文的分散協(xié)調(diào)機(jī)制可以使CDRD獲得與CRD相近的經(jīng)濟(jì)性和風(fēng)險(xiǎn)性。CRD的計(jì)算時(shí)間為5s,CDRD的計(jì)算時(shí)間為22s。4.2.3cd0的收斂曲線圖8顯示了發(fā)電成本的收斂曲線,C4.2.4cdrd的不同調(diào)度方法為測(cè)試故障概率對(duì)CDRD調(diào)度結(jié)果的影響,設(shè)置了6組不同的故障概率值(0.001、0.005、0.01、0.015、0.02),且在每一種故障概率場(chǎng)景下,區(qū)域電網(wǎng)1和2的風(fēng)險(xiǎn)容忍上限均設(shè)定為0.2。CDSD是一種確定性的、不具備風(fēng)險(xiǎn)感知和調(diào)控能力的調(diào)度方式。由于CDSD模型中沒(méi)有計(jì)及預(yù)想事故的發(fā)生概率,無(wú)論故障概率如何變化,其得到的調(diào)度方案(PCDRD能夠跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的變化,進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)整各區(qū)域電網(wǎng)機(jī)組的出力方案。在6種故障概率場(chǎng)景下分別執(zhí)行CDRD程序,可得到6組不同的調(diào)度方案,如表4所示。由表4最后一列可以看出,當(dāng)故障概率增加時(shí)(如設(shè)備老化、自然災(zāi)害等原因引起),系統(tǒng)總的過(guò)載風(fēng)險(xiǎn)也相應(yīng)增加,為了維持各區(qū)域電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)仍在最大限值(0.2)以內(nèi),CDRD將調(diào)低區(qū)域電網(wǎng)1內(nèi)機(jī)組1的出力以及聯(lián)絡(luò)線功率,同時(shí)提高區(qū)域電網(wǎng)2內(nèi)機(jī)組2的出力,其控制效果是使得區(qū)域電網(wǎng)1的風(fēng)險(xiǎn)維持在風(fēng)險(xiǎn)限值,同時(shí)將一部分可接受風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移至風(fēng)險(xiǎn)值較低的區(qū)域電網(wǎng)2。在高故障率場(chǎng)景時(shí),CDRD為調(diào)控運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)將施加更多的預(yù)防控制措施,使得發(fā)電成本有所上升。4.3測(cè)試結(jié)果來(lái)自三個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的rts96節(jié)點(diǎn)4.3.1cdsd的算法收斂由于CDED不能夠保證安全和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)限制,這里僅討論CDRD與CDSD調(diào)度方式的經(jīng)濟(jì)性與風(fēng)險(xiǎn)性。由表5可知,CDSD和CDRD分別經(jīng)過(guò)16次和64次迭代而收斂,CDSD的計(jì)算時(shí)間為40s,CDRD耗時(shí)212s。CDRD與CDSD都能夠保證安全性(預(yù)想事故后不出現(xiàn)STE越限),但CDSD調(diào)度方式下系統(tǒng)總的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)值(5.83)為可容忍限值(1+1+1=3)的1.9倍,而CDRD可將系統(tǒng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制在可接受范圍內(nèi),但其運(yùn)行成本會(huì)有所提高。圖10比較了2種調(diào)度方式下各區(qū)域電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn),在CDSD方式下區(qū)域電網(wǎng)1和2的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)值均越過(guò)了風(fēng)險(xiǎn)警戒線,而CDRD則可將各區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)都調(diào)控在風(fēng)險(xiǎn)警戒線以下。4.3.2cdrd與crd的比較表6顯示CDRD調(diào)度方案發(fā)電成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的值非常接近但略高于CRD,發(fā)電成本的誤差為(264775-263878)÷263878=0.3%,運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的誤差為(1.74-1.72)÷1.72=1.75%。CRD的計(jì)算時(shí)間少于CDRD,這是由于本文是在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上串行執(zhí)行CDRD主子問(wèn)題程序的,若采用多機(jī)分布式計(jì)算將提高CDRD的執(zhí)行效率。需要指出的是,表6的目的不是說(shuō)明CRD更優(yōu)于CDRD,而是在RTS96系統(tǒng)上比較CDRD調(diào)度結(jié)果的精度。在實(shí)際中,對(duì)于具有多個(gè)電力調(diào)度中心的大規(guī)模分層分區(qū)電力系統(tǒng),采用集中式CRD并不具備可行性。4.3.3區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度員風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度以0.5為風(fēng)險(xiǎn)增量,逐步提高各區(qū)域電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的最大容忍值,分析互聯(lián)系統(tǒng)整體發(fā)電成本與區(qū)域電網(wǎng)可容忍風(fēng)險(xiǎn)約束之間的關(guān)系如表7所示。若各區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度員風(fēng)險(xiǎn)態(tài)度較為保守,可將最大可容忍風(fēng)險(xiǎn)值設(shè)定在較低的水平,以降低事故后潮流過(guò)載程度。若適當(dāng)放寬風(fēng)險(xiǎn)容忍水平,則可提高整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)各區(qū)域電網(wǎng)最大可容忍風(fēng)險(xiǎn)值設(shè)定為3.5或以上時(shí),CDRD模型中的風(fēng)險(xiǎn)約束不等式(18)失效,CDRD將退化為CDSD,并獲得與CDSD一致的發(fā)電成本。5cdrd的基本原理面向具有多級(jí)電力調(diào)度中心的多區(qū)互聯(lián)電力系統(tǒng),本文提出一種分散協(xié)調(diào)的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度CDRD方法,介紹了其分散協(xié)調(diào)調(diào)度架構(gòu)和區(qū)域分解機(jī)制,并給出了CDRD的優(yōu)化模型和算法。得出CDRD具有以下優(yōu)勢(shì):1)相較傳統(tǒng)的分散式CDED與CDSD方法,CDRD既可保障安全性需求,又可將運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)控制在可容忍范圍以內(nèi),實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)、安全與風(fēng)險(xiǎn)的協(xié)調(diào);2)在分散協(xié)調(diào)調(diào)度架構(gòu)下,一方面,各下級(jí)調(diào)度中心可相互獨(dú)立運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的自治調(diào)控;另一方面,上級(jí)調(diào)度中心可對(duì)聯(lián)絡(luò)功率進(jìn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化以保證整個(gè)互聯(lián)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。相較集中式的風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度,降低了計(jì)算規(guī)模和數(shù)據(jù)通信負(fù)擔(dān)。應(yīng)當(dāng)指出,本文所提出分散協(xié)調(diào)風(fēng)險(xiǎn)調(diào)度的優(yōu)化模型和算法尚需進(jìn)一步在實(shí)際大規(guī)模分層分區(qū)系統(tǒng)(如國(guó)調(diào)/網(wǎng)調(diào)/省調(diào))上開展工程測(cè)試和驗(yàn)證,并結(jié)合我國(guó)電力調(diào)度體制的實(shí)際情況對(duì)優(yōu)