CN113949099B - 一种基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法，1、采用拓展的MILP ICI算法实时确定要断开的传输线路的数量，寻找最佳孤岛划分方案，同时确保每个孤岛只包含相干发电机对***进行区域的划分；2、在控制中心进行线性状态估计，通过线性估计状态评估各岛屿边界母线的状态及其互相之间的同步性；3、若有任何岛屿是同步的，则重新闭合该岛屿边界的联络开关以重新连接，否则在通过状态估计评估边界状态的同时采取相应的校正措施，直至满足相邻岛屿之间的同步条件，对状态同步的岛屿进行重新连接；4、重复步骤3，直至所有的孤岛重新连接，电力***恢复正常状态。与现有技术相比，本发明具有节省人力，监控灵活等优点。

Description

一种基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法

技术领域

本发明涉及电力***配电网规划技术领域，尤其是涉及一种基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法。

背景技术

由于不断增长的电力需求，电力***正在接近其物理极限的状态下运行。同时可再生能源的高度渗透和电力公司遵循“智能电网”模式的趋势，电力***在结构和运行方面经历了前所未有的变化，这种情况使得电力***容易受到严重突发事件的影响。从这个意义上讲，电力***在发生严重扰动时应该具有弹性和鲁棒性，而电力***运营商应该能够迅速采取缓解措施来防止扰动的发展。目前为限制这些不良事件的纠正控制措施提出了有意控制孤岛(ICI)，也称******或受控***分离，在严重干扰后，当传统控制***无法将***保持在稳定裕度内时，作为防止停电的最后手段，在成功的******之后，***操作员应重新连接每个岛，以恢复整个***的完整性，因此，并联电力***(Parallel PowerSystem Restoration，PPSR)总是跟随ICI，在******几个小时之后发生。

对电力***的恢复包括几个复杂和耗时的阶段，主要挑战在于同步要求准确了解要连接岛屿的运行条件(即岛的频率以及边界母线的电压幅值和相角)。当代电力***恢复的主要缺点在于只有配有同步示波器的变电站才能用于同步，然而预先指定覆盖所有可能的***恢复场景的变电站是十分困难的。此外，重新关闭要求候选变电站现场中需要存在工作人员，以监控同步并执行重新关闭，这意味着***恢复的额外延迟，因为变电站对岛的频率和电压没有控制作用。现有的大多数工作都是将ICI建模为带约束的组合优化问题，但缺少PPSR规划阶段，因此为ICI和电力***恢复提供实时解决方案仍然是一个未探索的研究领域。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：采用拓展的MILP ICI算法实时确定要断开的传输线路的数量，寻找最佳孤岛划分方案，同时确保每个孤岛只包含相干发电机对***进行区域的划分。

拓展的MILP ICI算法的具体内容为：

将ICI算法基于MILP公式，在任何给定数量的岛屿上，以最小的功率流中断，同时保持每个岛的发电机一致性，以寻找一个岛上解决方案，其不包括任何不应断开的传输线；同时，通过在MILP公式中加入额外的恢复约束，使扩展的MILP-ICI算法创建PMU完全可观测的孤岛，每个孤岛内包括至少一个黑启动单元，并保证有足够的发电容量匹配每个岛内的负载消耗。

确保每个孤岛只包含相干发电机对***进行区域的划分的具体内容为：

基于拓展的MILP ICI算法，将无向量图划分为K个子图来表示孤岛，而最小化目标函数所描述的任何子集，即划分成本中不包含的边的权重，最小化目标函数所描述的任何子集，即划分成本的表达式为：

式中，ω_ij(i,j＝1,…,n)为集合W中的元素，集合W为一组代表与线路相关联的权重因子，即有功功率；无向量图的模型为G＝(ν,ε)，节点集ν＝{v₁,…,v_n}为总线，集合ε中的元素e_ij(i,j＝1,…,n)为传输线，(i,j)∈ε。变量Z_i,j,(i,j)∈E被定义为判定变量，其中如果边包含在任何子图中，则Z_i,j＝1，否则Z_i,j＝0。

使扩展的MILP-ICI算法创建PMU完全可观测的岛的过程中，通过PPSR确定***分离的最佳点，PPSR的约束包括：

1)形成的孤岛上配备足够的黑启动装置；

2)形成的孤岛具有满足负荷需求的发电能力；

3)岛屿内有保持电压稳定的电压控制能力；

4)所有岛屿的边界母线必须与其他岛屿的相邻边界母线同步；

5)每个岛屿具有数据收集功能。

在创建PMU完全可观测的孤岛后阶段，通过实时状态估计器进行实时监控，并向操作者提供电力***操作条件，一旦相邻孤岛满足同步条件，则实时同步连接岛屿，实现电力***恢复过程。

步骤2：在控制中心进行线性状态估计，通过线性估计状态评估各岛屿边界母线的状态及其互相之间的同步性。岛屿的同步性通过下列三个条件判断：

a)两个岛屿之间的断路器两侧的电压差不超过2-5％；

b)两个岛屿之间的频率差不超过0.1Hz；

c)两个岛屿之间的断路器两侧的电压相位角在±20°范围内。

步骤3：若有任何岛屿是同步的，则重新闭合该岛屿边界的联络开关以重新连接，否则在通过状态估计评估边界状态的同时采取相应的校正措施，直至满足相邻岛屿之间的同步条件，对状态同步的岛屿进行重新连接。

步骤4：重复步骤3，直至所有的孤岛重新连接，电力***恢复正常状态。

本发明提供的基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法，相较于现有技术至少包括如下有益效果：

在电力***受到严重干扰和故障情况下，本发明将有意控制孤岛(ICI)和电力***恢复(PPSR)在同一框架下结合，为电力***恢复提供实时解决方案，恢复方案的状态估计器仅使用PMU测量，不使用SCADA测量，与传统的测量不同，变电站中无需任何同步观测器和工作人员，通过PMU测量可以保证以同步的方式报告，使操作员能够灵活地在同一时间框架内监控孤岛的行为，从而实现重新同步和重新连接。

附图说明

图1为本发明基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。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，都应属于本发明保护的范围。

实施例

本发明涉及一种基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法，包括一种复杂的故意控制孤岛(Intentional Controlled Islanding，ICI)算法，考虑电力***恢复约束，如黑启动可用性、足够的发电容量和电压控制能力，作为一种有效的纠正控制措施，通过将电力***分为一组更小、稳定和可持续的子***，也称为孤岛，防止电力***出现永久性或完全性停电，其中主要的假设是电力***在***孤岛划分前后是通过PMU(PhasorMeasurement Unit)可观测的，在孤岛后阶段通过实时状态估计器进行实时监控，并向操作者提供电力***操作条件，一旦相邻孤岛满足同步条件，则实时同步连接岛屿，实现电力***恢复过程。同步测量技术的出现为电力***操作员在多种控制和监控应用中提供了极大的灵活性，PMU测量可以为电力***操作员提供***运行状况的实时广域可视化，从而使基于电力管理单元测量的实时状态估计器的操作变得可行。

具体地，本发明基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法包括如下步骤：

步骤一、使用拓展的MILP ICI算法实时确定要断开的传输线路的数量，寻找最佳孤岛划分方案，同时确保每个孤岛只包含相干发电机对***进行区域的划分。

步骤二、在控制中心进行线性状态估计，通过线性估计状态来评估各岛屿边界母线的状态及其互相之间的同步性。

步骤三、如果有任何岛屿是同步的，则重新闭合该岛屿边界的联络开关以重新连接，否则在通过状态估计评估边界状态的同时应采取相应的校正措施，直到满足相邻岛屿之间的同步条件，对状态同步的岛屿进行重新连接。

步骤四、重复步骤三，直至所有的孤岛重新连接，电力***恢复正常状态。

进一步地，本发明中，有意控制孤岛(ICI)问题建模的具体内容为：

在图论中，非向量图模型G＝(ν,ε)可以用来描述一个有m台发电机和n条母线的电力***。在该模型中，节点集ν＝{v₁,…,v_n}表示总线，集合ε中的元素e_ij(i,j＝1,…,n)表示传输线。集合ν^gen表示节点集合ν的子集，其中仅包含与发电机直接连接的母线。集合W中的元素ω_ij(i,j＝1,…,n)是一组代表与线路相关联的权重因子(有功功率)。为了适应网络损耗，ω_ij的计算如下：

其中，|P_ij|和|P_ji|分别表示从母线i到母线j和从母线j到母线i的线路有功功率。

割集是需要删除的集合，将集合G拆分为/>个子集定义为G_k＝(ν_k,ε_k)，其中k∈κ(κ＝{1,…,K})。对于K个孤岛而言，切割集ε_S内的边缘权重之和称为cut，其定义为：

在ICI问题中，为了最大程度地减小电流中断，ε_S由表示***中的传输线的边组成，这些边将被断开以创建孤岛。cut值对应于岛屿中的潮流中断。

形成的孤岛的过程中很可能造成***崩溃。在这种情况下，应恢复特定的孤岛，因为主要目标是完整的***恢复。这可以通过PPSR来实现。因此，在同一框架下研究ICI和PPSR是非常重要的。

在确定***分离的最佳点时，应考虑以下PPSR约束：

(1)形成的孤岛上应配备足够的黑启动(BS，black start)装置；

(2)形成的孤岛应具有足够的发电能力，以满足负荷需求；

(3)岛屿内有足够的电压控制能力，以保持电压稳定；

(4)所有岛屿的边界母线必须与其他岛屿的相邻边界母线同步；

(5)每个岛屿的数据收集应该是可行的；

本发明中，改进的MILP-ICI算法的具体内容为：

为了有效地解决电力***恢复时的ICI问题，提出了一种精确的ICI算法。该算法基于混合整数线性规划(MILP)公式。它能够直接找到一个岛上解决方案，在任何给定数量的岛屿上，以最小的功率流中断，同时保持每个岛的发电机一致性。此外，它不包括任何不应断开的传输线(例如，包含变压器的线路)，允许控制岛的大小并确保岛内的连通性。同时，上述算法保证了PPSR在任何情况下都是有计划的。这是通过在MILP公式中加入额外的恢复约束来实现的。更具体地说，假设在正常运行条件下电力***是完全可观测的，扩展的MILP-ICI算法创建了PMU也完全可观测的岛，每个岛内包括至少一个黑启动单元，并保证有足够的发电容量来匹配每个岛内的负载消耗。

1)MILP方法在解决ICI问题中的应用

考虑在无向量图模型G＝(ν,ε)和矩阵作为边权ω_ij，(i,j)∈ε，并且ω_ij＝ω_ji。其目的是将图划分为K个子图来表示孤岛，而最小化目标函数所描述的任何子集(划分成本)中不包含的边的权重：

变量Z_i,j,(i,j)∈E被定义为判定变量，其中如果边包含在任何子图中，则Z_i,j＝1，否则Z_i,j＝0。

2)控制子集的大小；

3)确保每个生成的子集是连接的。

本发明中，同步岛的具体内容为：

当受控***分离发生时，***操作员必须经常执行PPSR操作，以重新连接岛屿，并因此恢复整个电力***。这些岛屿越早相互连接，它们就能更好地抵御任何额外的干扰。连接岛屿的过程包括同步，必须满足几个条件才能同步两个岛，而这些条件是在重新连接时测量的。传统上，同步是在互连变电站和配有同步观测仪或同步继电器的发电厂变电站内进行的。在断路器(CB)处，孤岛将被同步，应考虑以下三个条件：

1)断路器两侧的电压幅度应尽可能接近，理论上闭合断路器时，两个岛之间的电压差不得超过2-5％；

2)两个岛的频率必须接近相同，在异常情况下，***可以容忍高达0.1Hz的频率差；

3)断路器两侧之间的电压相位角必须在允许的公差范围内，由***工程师针对同步发生的特定区域(通常为±20°)进行定义。

在电力***受到严重干扰和故障情况下，本发明将有意控制孤岛(ICI)和电力***恢复(PPSR)在同一框架下结合，为电力***恢复提供实时解决方案，恢复方案的状态估计器仅使用PMU测量，不使用SCADA测量，与传统的测量不同，变电站中无需任何同步观测器和工作人员，通过PMU测量可以保证以同步的方式报告，使操作员能够灵活地在同一时间框架内监控孤岛的行为，从而实现重新同步和重新连接。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1：采用拓展的MILP ICI算法实时确定要断开的传输线路的数量，寻找最佳孤岛划分方案，同时确保每个孤岛只包含相干发电机对***进行区域的划分；

S2：在控制中心进行线性状态估计，通过线性估计状态评估各岛屿边界母线的状态及其互相之间的同步性；

S3：若有任何岛屿是同步的，则重新闭合该岛屿边界的联络开关以重新连接，否则在通过状态估计评估边界状态的同时采取相应的校正措施，直至满足相邻岛屿之间的同步条件，对状态同步的岛屿进行重新连接；

S4：重复S3，直至所有的孤岛重新连接，电力***恢复正常状态；

拓展的MILPICI算法的具体内容为：

将ICI算法基于MILP公式，在任何给定数量的岛屿上，以最小的功率流中断，同时保持每个岛的发电机一致性，以寻找一个岛上解决方案，其不包括任何不应断开的传输线；同时，通过在MILP公式中加入额外的恢复约束，使扩展的MILP-ICI算法创建PMU完全可观测的孤岛，每个孤岛内包括至少一个黑启动单元，并保证有足够的发电容量匹配每个岛内的负载消耗；

使扩展的MILP-ICI算法创建PMU完全可观测的岛的过程中，通过PPSR确定***分离的最佳点，PPSR的约束包括：

1)形成的孤岛上配备足够的黑启动装置；

2)形成的孤岛具有满足负荷需求的发电能力；

3)岛屿内有保持电压稳定的电压控制能力；

4)所有岛屿的边界母线必须与其他岛屿的相邻边界母线同步；

5)每个岛屿具有数据收集功能。

2.根据权利要求1所述的基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法，其特征在于，确保每个孤岛只包含相干发电机对***进行区域的划分的具体内容为：

基于拓展的MILPICI算法，将无向量图划分为K个子图来表示孤岛，而最小化目标函数所描述的任何子集，即划分成本中不包含的边的权重，最小化目标函数所描述的任何子集，即划分成本的表达式为：

式中，ω_ij(i,j＝1,…,n)为集合W中的元素，集合W为一组代表与线路相关联的权重因子，即有功功率；无向量图的模型为G＝(ν,ε)，节点集ν＝{v₁,…,v_n}为总线，集合ε中的元素e_ij(i,j＝1,…,n)为传输线，(i,j)∈ε，变量Z_i,j,(i,j)∈E被定义为判定变量，其中如果边包含在任何子图中，则Z_i,j＝1，否则Z_i,j＝0。

3.根据权利要求1所述的基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法，其特征在于，S2中，岛屿的同步性通过下列三个条件判断：

a)两个岛屿之间的断路器两侧的电压差不超过2-5％；

b)两个岛屿之间的频率差不超过0.1Hz；

c)两个岛屿之间的断路器两侧的电压相位角在±20°范围内。

4.根据权利要求1所述的基于状态估计的实时受控孤岛检测和恢复方法，其特征在于，在创建PMU完全可观测的孤岛后阶段，通过实时状态估计器进行实时监控，并向操作者提供电力***操作条件，一旦相邻孤岛满足同步条件，则实时同步连接岛屿，实现电力***恢复过程。