[发明专利]一种考虑恢复能力的保底电网骨干网架构建方法

权利要求书

1.一种考虑恢复能力的保底电网骨干网架构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：划分正常供能场景以及停电恢复场景，并设置正常供能场景下以及停电恢复场景下初始条件；

步骤2：在正常供能场景分别定义供电能力指标、安全裕度指标、输电通畅指标；

步骤3：根据供电能力指标、安全裕度指标、输电通畅指标，建立正常供能场景下保底电网骨干网架多目标优化模型，使用离散粒子群算法对正常供能场景下三个指标对应适应度函数值优化求解，得到综合考量供电能力指标、安全裕度指标、输电通畅指标的正常供能场景下Pareto非支配解集；

步骤4：在停电恢复场景下，定义恢复成功率以及恢复时间，构建优化骨干网架恢复的考虑指标；

步骤5：根据恢复成功率以及恢复时间构建综合恢复指标，建立停电恢复场景下基于恢复能力的网架构建再优化模型，基于综合恢复指标从正常供能场景下Pareto非支配解集选取出停电恢复场景下最优保底电网骨干网架；

步骤1所述正常供能场景下初始条件为网架中各线路及设备正常工作，步骤1所述停电恢复场景下初始条件为网架全黑；

步骤2所述供电能力指标，包括保底电网骨干网架中重要负荷保存率及电源保存率；

所述供电能力指标f₁可表示为：

f₁＝a₁+β₁a₂

式中，a₁为电源保存率；a₂为重要负荷保存率；β₁为重要负荷保存率a₂权重；

a₁、a₂做了标准化处理，处于同一数量级；当β₁＞1时，网架选取时相较保留电源更优先保留重要负荷；反之则更优先保留电源节点；根据电力平衡，这里取β₁＝1符合实际运行情况；

所述电源保存率为：

式中，b_g为网架中的发电节点总数；为网架中第k个发电节点的额定发电量；n_g为重构前网架中的发电节点总数；为重构前网架中第i个发电节点的额定发电量；

所述重要负荷保存率为：

式中，b_l为网架中的负荷节点总数；为网架中第k个负荷节点的用电量；α_k为网架中的负荷节点的权重，基于电力用户等级选取，从而区别用户重要级；n_l为重构前网架中的负荷节点总数；为重构前网架中第i个负荷节点的用电量；

步骤2所述安全裕度指标，包括节点电压裕度、发电节点功率裕度；

安全裕度指标f₂为：

f₂＝s₁+β₂s₂

式中，s₁为节点电压裕度；s₂为发电节点功率裕度；β₂为发电节点功率裕度s₂权重；

在计算节点电压裕度s₁、发电节点功率裕度s₂时，做了标准化处理，s₁与s₂都处于同一数量级；当β₂＞1时，相比节点电压裕度更注重保障发电节点功率裕度；反之则更侧重保障节点电压裕度，β₂视实际需求在0.5到1.5之间选取；

所述节点电压裕度s₁为：

式中，b为网架中的节点总数；为网架中第k个节点权重，由注入该节点有功功率决定为第k个节点的电压裕度；U_k为第k个节点的电压值；U_max,k为第k个节点的允许电压上限；U_min,k为第k个节点的允许电压下限；U_kN为第k个节点的额定电压值；

所述发电节点功率裕度s₂为：

式中，为网架中第i个发电节点的最大有功输出；为网架中第i个发电节点的额定发电量；b_g为网架中的发电节点总数；

步骤2所述输电通畅指标f₃为：

其中：

式中，n_path为网架中的保留线路数目；为网架中第k条线路所占权重；为网架中第k条线路有功传输极限；为正常供能场景下网架中第k条线路传输有功功率；

步骤3所述的正常供能场景下保底电网骨干网架多目标优化模型为：

F_normal＝max(f₁,f₂,f₃)

式中，F_normal为正常供能场景下的最优解；f₁为供电能力指标；f₂为安全裕度指标；f₃为输电通畅指标；

步骤3所述使用离散粒子群算法对正常供能场景下三个指标对应适应度函数值优化求解为：

步骤3.1：初始化粒子群X＝(X₁,X₂,…,X_n)，粒子群中每个个体位置坐标为X_i＝(x_i1,x_i2,…,x_id)，维数d与原始网架支路数相等，在离散粒子群算法中，所有粒子位置变量的每一维x_ik的取值限定为0或1；

步骤3.2：定义粒子i飞行速度V_i＝(v_i1，...，v_id)；

粒子i当前的个体历史最优位置为P_i＝(p_i1，...p_id)；

P_g＝(p_g1，..，p_gd)为粒子群体当前发现的种群历史最优位置；

粒子的速度与位置分别按下式进行更新：

式中，k为迭代次数；w为惯性系数，0.4＜w＜1.4；c₁、c₂为学习因子，学习因子的取值过小容易导致粒子远离目标区域，取值过大则粒子很可能飞过目标区域，取c₁＝c₂＝2.0；r₁与r₂是[0,1]区间上的两个随机数；

步骤3.3：对更新粒子进行有效性检测；因为这是一个图论问题所以必须对粒子位置对应的支路及节点集合的连通性进行判断；若连通则为有效粒子，进入步骤3.4；若不连通则为无效粒子，退回步骤3.2将无效粒子改造再进行后续步骤；

步骤3.4：根据粒子位置确定支路及节点集合，从而确定网架结构，进行潮流计算，得到节点电压及潮流分布，判断是否满足电力系统安全稳定运行的约束条件，若满足则进入步骤3.5；否则退回步骤3.2重新生成新粒子；

步骤3.5：根据潮流计算结果及基础数据，以正常供能场景下优化目标函数涉及指标f＝f₁+f₂+f₃描绘适应度，从而更新粒子最优位置及粒子群最优位置；

其中f₁为供电能力指标，f₂为安全裕度指标，f₃为输电通畅指标；

步骤3.6：若达到迭代次数，迭代终止，输出正常供能场景下网架优化得到的Pareto非支配解集X＝(X₁,X₂,…,X_n)，解集中每一元素X_i＝(x_i1,x_i2,…,x_id)中x_ik的取值为1时对应线路保留，为0时不保留，从而得到对应的一种网架结构，依据网架结构计算供电能力指标、安全裕度指标、输电通畅指标，所有X_i＝(x_i1,x_i2,…,x_id)依据供电能力指标、安全裕度指标、输电通畅指标，建立的三维坐标以定义Pareto非支配解集；若未达到迭代次数，则跳转至步骤3.2继续执行粒子更新；

步骤4所述的优化骨干网架恢复的考虑指标，包括恢复成功率和恢复时间；

步骤4所述恢复成功率为：

式中，f_able为恢复成功率，由于多台机组分别通过多条路径启动，而恢复成功需要所有路径及机组启动成功，故f_able为路径全集Φ中最难恢复路径的恢复成功率；L_i是第i台待恢复发电机组最优恢复路径；T_k是路径L_i包含的变压器；是变压器指数；

线路指数为：

式中，X_Cj为路径L_i中支路j的等值容抗，对空载线路充电可能会导致线路过电压和发电机组自励磁问题发生，且电压倍数及自励磁主要受线路容抗影响；X_Cmax为所有线路中最大容抗值；L_i是第i台待恢复发电机组最优恢复路径；n为路径包含支路数；

所述变压器指数

式中，φ_satk、φ_resk、φ_ssk分别为变压器T_k的饱和磁通、剩余磁通和稳态磁通；

步骤4所述恢复时间为：

T＝T₁+T₂

式中，T₁为恢复第一阶段所需时间；T₂为恢复第二阶段所需时间；

T₁恢复第一阶段所需时间主要由启动机组时间决定；由于多台机组分别通过多条路径启动，故选路径集合Φ中恢复耗时最长路径所耗费的时间为T₁的值：

式中，L_i为由黑启动机组启动其他机组经过的路径；Φ为启动所有机组所涉及路径L_i的集合；为路径L_i包含的第j条线路充电时间；为路径L_i包含的第k个电站启动耗时；t_black为黑启动机组启动耗时；

式中，T₂为恢复第二阶段所需时间，主要由恢复剩余节点时间决定；L_max为未恢复节点与已恢复节点连接最长路径；P_k^G为第k个发电节点爬坡率；m为网架内所有启动发电节点总数；为路径L_i包含的第j条线路充电时间；为网架中第k个发电节点的额定发电量；

步骤5所述综合恢复指标f_rec可表示为：

f_rec＝f_able-β₃T

式中，T为恢复时间；f_able为恢复成功率；β₃为恢复时间T权重，权重β₃可依据运行经验取值；

步骤5所述停电恢复场景下基于恢复能力的网架构建再优化模型为：

将正常供能场景下Pareto非支配解集X＝(X₁,X₂,…,X_n)，通过计算各个解对应网架结构的综合恢复指标，进行停电恢复场景下优化，其目标函数如下：

F_black＝min f_rec

式中，F_black为停电恢复场景下的最优解；f_rec为综合恢复指标；

采用迪杰斯特拉算法优化求解恢复时间、恢复成功率指标：

通过改进后迪杰斯特拉算法搜寻恢复成功率最高路径与恢复时间最长路径，线路长度选为：

式中，q_i为线路i的等效长度；X_Cj为路径L_i中支路j的等值容抗；X_Cmax为所有线路中最大容抗值；在此基础上迪杰斯特拉算法得出黑启动电源所在节点与待恢复机组节点最远路径即是恢复成功率最高路径；

采用迪杰斯特拉算法求解停电恢复场景下最优恢复方案流程步骤如下：

步骤5.1，提取正常场景下Pareto非支配解集X＝(X₁,X₂,…,X_n)中任意一元素X_i＝(x_i1,x_i2,…,x_id)，依据x_im，m∈[1,d]，的取值为1时对应线路保留，为0时不保留的原则，得到对应的一种网架网络拓扑图，将线路两端的变压器指数W_Ti的对数与线路本身的容抗标幺值对数之和赋值为线路长度：

再用迪杰斯特拉算法求取最短路径，根据路径计算f_able与T₁；f_able为路径全集Φ中最难恢复路径的恢复成功率，T₁为恢复第一阶段所需时间；

步骤5.2，确认最优路径所涉及的节点与线路，等效为初始节点，将线路及线路两端设备恢复时间之和赋值为线路长度，迪杰斯特拉算法求取最远路径，计算T₂；T₂为恢复第二阶段所需时间，主要由恢复剩余节点时间决定；

步骤5.3，计算网架的综合恢复指标f_rec，与已经搜索计算过的网架综合恢复指标进行比较，若该网架的综合恢复指标f_rec更大，则将最优解更新为当前网架对应的X_i＝(x_i1,x_i2,…,x_id)，更小则不更新；判断是否对Pareto非支配解集中所有网架进行分析，若是，则输出最优网架结构；否则跳转至步骤5.1，继续搜索。