含风电并网的直流互联电网分散协调调度方法_周明
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基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFB0900105)。 Project Supported by National Key Research and Development Program (2016YFB0900105).
0 引言
我国的风电累计装机容量已连续几年位居世 界第一位。由于风资源分布的特点，我国大规模风 电基地大多远离负荷中心，就地消纳困难，大部分 风电通过特高压输电远距离送到负荷中心，以实现 风电的跨区消纳。 特高压直流(UHVDC)输电由于其 在大容量远距离传输和联网方面的优势，已在几个 10GW 级风电基地送出工程中得到应用。风电通过 直流送出、跨区消纳的模式给电网调度运行带来了 新的挑战。 我国电力系统实行分级调度，以国家电网调度 体系的国调、分部、省调、地调 4 级调度组成为例 中，机组调度计划主要由分部调度中心和省级调控 中心制定[1]。各分部、省调在确定辖区内机组出力 计划时，往往只考虑本电网运行的经济性，对于整 个互联电网而言可能不是经济最优的；同时，国调 在制定区域间直流联络线功率传输计划时，往往根 据事先商定的输电量协议，将每日直流输送模式简 单地设为几段运行，在每段内输送功率固定。这种 直流联络线输电计划往往是根据受端负荷变化编 制的，极少协调考虑新能源出力波动和外送的需 要。本质上直流联络线具有灵活的调节和控制能
第 41 卷 第 5 期 2017 年 5 月 文章编号：1000-3673（2017）05-1428-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 73 文献标志码：A 学科代码：470·40
Vol. 41 No. 5 May 2017
含风电并网的直流互联电网分散协调调度方法
1 区域分解准则及分散调度的框架
1.1 区域分解准则 将互联系统分解为区域子系统的关键是找到 合适的区域耦合约束，考虑到直流联络线功率不适 合采用节点相角差的方法分析，因此本文采用支路 切割法直接切割直流联络线，将直流联络线功率直 接作为区域间的协调变量，避免了边界节点相角差 分析法难以处理直流线路潮流的弊端，且无需传递 边界节点相角信息，每个区域电网可独立设置平衡 节点。直流联络线被切割后，即将互联区域分解为 2 个孤立区域，然后在每个孤立区域的直流联络线 边界节点处分别接入一个代表直流联络线运行特 性的等效发电机。区域分解准则如图 1 所示。
第 41 卷 第 5 期
电
网
技
术
1429
力，在大规模新能源接入的互联电网中，协调优化 机组出力和直流联络线送出方式，可提高整个系统 运行的经济性，促进新能源在更大范围内消纳。 目前，对于直流联络线灵活运行特性在互联电 网经济运行中的作用已逐渐受到重视。 文献[2]将直 流联络线功率分为Ｎ挡，借鉴机组组合的思想模拟 直流联络线的阶梯化运行特性。 文献[3]提出了直流 联络线功率的多单元协调建模方法，将直流联络线 功率分为多个输电单元功率之和。文献 [4] 采用 Benders 分解法研究了交直流互联电网安全约束经 济调度问题，提出了时空协调、主子迭代的日内滚 动调度模式。 文献[5]提出了考虑跨区直流互动调峰 的新能源与常规能源协调优化的两阶段日前发电 计划编制方法。上述文献虽考虑了直流联络线的灵 活运行特性，但本质上仍属于单一区域、集中式发 电调度方法。考虑到我国电网分层分区调度的特 点，对于经直流联网含风电的互联电力系统如何协 调优化各区域内的机组出力计划及直流联络线潮 流，充分发挥各区域电源和负荷的互补效益，是一 个值得深入研究的课题。 当考虑同时优化直流联络线潮流时，常规的集 中式调度算法[6-7]在计算复杂度上面临困难， 分散协 调优化是解决这一问题的有效手段，既可以保持各 区域电网独立自治运行，又可减少数据通信量且降 低计算规模。目前应用较为广泛的分散调度算法有 拉格朗日松弛法(Lagrangian relaxation，LR)[8-9]和增 广拉格朗日松弛法(augmented Lagrangian relaxation，ALR)[10-11]等。LR 算法在耦合约束较多时，大 量的拉格朗日乘子容易产生振荡，收敛性较差；而 ALR 算法将耦合约束以二次项的形式引入到目标 函数中，不能直接进行分解计算，需要通过辅助问 题原理解决 ALR 算法的不可分问题[12]，并采用对 偶梯度法更新拉格朗日乘子 ，但对收敛性影响较 大的罚参数和步长参数不易确定[13]。基于 LR 算法 原理的最优条件分解法 [14-15] 也被应用在跨区经济 调度以及跨区最优潮流的计算中。此外，文献[16] 将广义 Benders 分解法应用在厂/网双层分解协调经 济调度中。文献[17]基于目标级联分析法(analytical target cascading，ATC)技术，提出了分布式安全约 束机组组合(security-constrained unit commitment， SCUC)算法，加快了算法收敛速度，以求解大规模 SCUC 问题。文献[18]同样基于 ATC 方法，研究了 多区互联电力系统的分散协调风险调度问题，但其 研究仅针对一个静态时间断面下的直流最优潮流 问题，没有考虑多个时段间的动态耦合。
1
commitment (SCUC) of interconnected power grid via HVDC tie-line with wind power, a decentralized coordinated dispatch model based on analytical target cascading (ATC) is proposed. In order to make full use of flexible adjustment ability of HVDC tie-line to promote trans-regional accommodation capacity of wind power, refined modeling of complex operating characteristics of HVDC tie-line is performed in this paper. On this basis, HVDC tie-line transmission power and generator output are coordinated and optimized. Day-ahead power generation problem is decomposed into master optimization problem of the upper-level dispatch center and sub optimization problems of the lower-level dispatch centers. The upper-level dispatch center is responsible for coordinating tie-line power flow of the interconnected power grid, and the lower-level dispatch centers solve their own SCUC problem in a parallel manner. A 12-bus 2-area interconnected test system and a 2-area interconnected test system via HVDC tie-line modified from New England 39-bus system are utilized to illustrate effectiveness of the approach. Results indicate that the proposed method is in accordance with hierarchical and partitioned scheduling mode in China and helps to improve wind power accommodation ability. KEY WORDS: HVDC transmission plan; wind power accommodation; decentralized coordinated dispatch; analytical target cascading; parallel calculation 摘要： 对于含风电并网的直流跨区互联电网的日前安全约束 机组组合问题， 提出了基于目标级联分析法的分散协调调度 模型。 为充分利用直流联络线的灵活调整能力以提高风电的 跨区消纳能力， 对直流联络线的灵活运行特性进行了精细化 建模， 在此基础上， 将直流联络线输送功率和发电机出力协 调优化， 将日前发电计划问题分解为上级调度中心负责互联
m
n
dc Tmt
dc Tnt
m
n
Fig. 1
图 1 区域分解准则 Regional decomposition criterion
此外，在分散优化过程中需满足如下的区域耦 合约束。
dc dc Tmt Tnt 0 dc mt dc nt
(1)
式中 T ， T 分别是区域 A 和区域 B 的直流联络 线边界节点处的等效发电机 m 和 n 的有功出力值。 1.2 分散调度的框架 本文基于 ATC 技术搭建分散调度框架， 如图 2 所示。 ATC 技术主要用于解决多层级结构的协调优 化问题，它允许上层结构对上层优化问题自主决
周明，翟俊义，任建文，李庚银
（新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206）
Hale Waihona Puke Baidu
A Decentralized Coordinated Dispatch Approach for Interconnected Power Grid With Wind Power via HVDC Tie-Line
[8]
针对含风电并网的直流跨区互联电网日前有 功调度问题，本文在对直流联络线的灵活运行特性 精细化建模的基础上， 基于 ATC 技术， 建立了针对 直流跨区互联电网 SCUC 问题的分散调度模型， 将 日前发电优化问题分解为上级调度优化主问题和 下级调度优化子问题。上级调度中心负责互联区域 间直流联络线潮流的协调处理，各下级调度中心以 并行的方式独立求解各区域电网的 SCUC 问题。 通 过 2 区域 12 节点和 2 区域 78 节点算例验证，结果 表明所提方法通过分解协调优化能够实现直流跨 区互联电网的分散自治及风电资源的跨区消纳，提 高了互联电网的运行经济性。
ZHOU Ming, ZHAI Junyi, REN Jianwen, LI Gengyin
(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China) ABSTRACT: For day-ahead security-constrained unit 区域间直流联络线潮流的协调优化主问题， 以及下级调度中 心以并行的方式独立优化各区域电网发电计划的子问题。 以 2 区域 12 节点直流互联系统和由新英格兰 39 节点系统修改 的 2 区域直流互联系统为例， 验证了方法的有效性。 结果表 明所提方法符合我国电网分层分区的调度模式， 并有助于提 高风电的消纳能力。 关键词：HVDC 传输计划；风电消纳；分散协调调度；目 标级联分析；并行计算 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2017.0143
0 引言
我国的风电累计装机容量已连续几年位居世 界第一位。由于风资源分布的特点，我国大规模风 电基地大多远离负荷中心，就地消纳困难，大部分 风电通过特高压输电远距离送到负荷中心，以实现 风电的跨区消纳。 特高压直流(UHVDC)输电由于其 在大容量远距离传输和联网方面的优势，已在几个 10GW 级风电基地送出工程中得到应用。风电通过 直流送出、跨区消纳的模式给电网调度运行带来了 新的挑战。 我国电力系统实行分级调度，以国家电网调度 体系的国调、分部、省调、地调 4 级调度组成为例 中，机组调度计划主要由分部调度中心和省级调控 中心制定[1]。各分部、省调在确定辖区内机组出力 计划时，往往只考虑本电网运行的经济性，对于整 个互联电网而言可能不是经济最优的；同时，国调 在制定区域间直流联络线功率传输计划时，往往根 据事先商定的输电量协议，将每日直流输送模式简 单地设为几段运行，在每段内输送功率固定。这种 直流联络线输电计划往往是根据受端负荷变化编 制的，极少协调考虑新能源出力波动和外送的需 要。本质上直流联络线具有灵活的调节和控制能
第 41 卷 第 5 期 2017 年 5 月 文章编号：1000-3673（2017）05-1428-07
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 73 文献标志码：A 学科代码：470·40
Vol. 41 No. 5 May 2017
含风电并网的直流互联电网分散协调调度方法
1 区域分解准则及分散调度的框架
1.1 区域分解准则 将互联系统分解为区域子系统的关键是找到 合适的区域耦合约束，考虑到直流联络线功率不适 合采用节点相角差的方法分析，因此本文采用支路 切割法直接切割直流联络线，将直流联络线功率直 接作为区域间的协调变量，避免了边界节点相角差 分析法难以处理直流线路潮流的弊端，且无需传递 边界节点相角信息，每个区域电网可独立设置平衡 节点。直流联络线被切割后，即将互联区域分解为 2 个孤立区域，然后在每个孤立区域的直流联络线 边界节点处分别接入一个代表直流联络线运行特 性的等效发电机。区域分解准则如图 1 所示。
第 41 卷 第 5 期
电
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力，在大规模新能源接入的互联电网中，协调优化 机组出力和直流联络线送出方式，可提高整个系统 运行的经济性，促进新能源在更大范围内消纳。 目前，对于直流联络线灵活运行特性在互联电 网经济运行中的作用已逐渐受到重视。 文献[2]将直 流联络线功率分为Ｎ挡，借鉴机组组合的思想模拟 直流联络线的阶梯化运行特性。 文献[3]提出了直流 联络线功率的多单元协调建模方法，将直流联络线 功率分为多个输电单元功率之和。文献 [4] 采用 Benders 分解法研究了交直流互联电网安全约束经 济调度问题，提出了时空协调、主子迭代的日内滚 动调度模式。 文献[5]提出了考虑跨区直流互动调峰 的新能源与常规能源协调优化的两阶段日前发电 计划编制方法。上述文献虽考虑了直流联络线的灵 活运行特性，但本质上仍属于单一区域、集中式发 电调度方法。考虑到我国电网分层分区调度的特 点，对于经直流联网含风电的互联电力系统如何协 调优化各区域内的机组出力计划及直流联络线潮 流，充分发挥各区域电源和负荷的互补效益，是一 个值得深入研究的课题。 当考虑同时优化直流联络线潮流时，常规的集 中式调度算法[6-7]在计算复杂度上面临困难， 分散协 调优化是解决这一问题的有效手段，既可以保持各 区域电网独立自治运行，又可减少数据通信量且降 低计算规模。目前应用较为广泛的分散调度算法有 拉格朗日松弛法(Lagrangian relaxation，LR)[8-9]和增 广拉格朗日松弛法(augmented Lagrangian relaxation，ALR)[10-11]等。LR 算法在耦合约束较多时，大 量的拉格朗日乘子容易产生振荡，收敛性较差；而 ALR 算法将耦合约束以二次项的形式引入到目标 函数中，不能直接进行分解计算，需要通过辅助问 题原理解决 ALR 算法的不可分问题[12]，并采用对 偶梯度法更新拉格朗日乘子 ，但对收敛性影响较 大的罚参数和步长参数不易确定[13]。基于 LR 算法 原理的最优条件分解法 [14-15] 也被应用在跨区经济 调度以及跨区最优潮流的计算中。此外，文献[16] 将广义 Benders 分解法应用在厂/网双层分解协调经 济调度中。文献[17]基于目标级联分析法(analytical target cascading，ATC)技术，提出了分布式安全约 束机组组合(security-constrained unit commitment， SCUC)算法，加快了算法收敛速度，以求解大规模 SCUC 问题。文献[18]同样基于 ATC 方法，研究了 多区互联电力系统的分散协调风险调度问题，但其 研究仅针对一个静态时间断面下的直流最优潮流 问题，没有考虑多个时段间的动态耦合。
1
commitment (SCUC) of interconnected power grid via HVDC tie-line with wind power, a decentralized coordinated dispatch model based on analytical target cascading (ATC) is proposed. In order to make full use of flexible adjustment ability of HVDC tie-line to promote trans-regional accommodation capacity of wind power, refined modeling of complex operating characteristics of HVDC tie-line is performed in this paper. On this basis, HVDC tie-line transmission power and generator output are coordinated and optimized. Day-ahead power generation problem is decomposed into master optimization problem of the upper-level dispatch center and sub optimization problems of the lower-level dispatch centers. The upper-level dispatch center is responsible for coordinating tie-line power flow of the interconnected power grid, and the lower-level dispatch centers solve their own SCUC problem in a parallel manner. A 12-bus 2-area interconnected test system and a 2-area interconnected test system via HVDC tie-line modified from New England 39-bus system are utilized to illustrate effectiveness of the approach. Results indicate that the proposed method is in accordance with hierarchical and partitioned scheduling mode in China and helps to improve wind power accommodation ability. KEY WORDS: HVDC transmission plan; wind power accommodation; decentralized coordinated dispatch; analytical target cascading; parallel calculation 摘要： 对于含风电并网的直流跨区互联电网的日前安全约束 机组组合问题， 提出了基于目标级联分析法的分散协调调度 模型。 为充分利用直流联络线的灵活调整能力以提高风电的 跨区消纳能力， 对直流联络线的灵活运行特性进行了精细化 建模， 在此基础上， 将直流联络线输送功率和发电机出力协 调优化， 将日前发电计划问题分解为上级调度中心负责互联
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图 1 区域分解准则 Regional decomposition criterion
此外，在分散优化过程中需满足如下的区域耦 合约束。
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(1)
式中 T ， T 分别是区域 A 和区域 B 的直流联络 线边界节点处的等效发电机 m 和 n 的有功出力值。 1.2 分散调度的框架 本文基于 ATC 技术搭建分散调度框架， 如图 2 所示。 ATC 技术主要用于解决多层级结构的协调优 化问题，它允许上层结构对上层优化问题自主决
周明，翟俊义，任建文，李庚银
（新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京市 昌平区 102206）
Hale Waihona Puke Baidu
A Decentralized Coordinated Dispatch Approach for Interconnected Power Grid With Wind Power via HVDC Tie-Line
[8]
针对含风电并网的直流跨区互联电网日前有 功调度问题，本文在对直流联络线的灵活运行特性 精细化建模的基础上， 基于 ATC 技术， 建立了针对 直流跨区互联电网 SCUC 问题的分散调度模型， 将 日前发电优化问题分解为上级调度优化主问题和 下级调度优化子问题。上级调度中心负责互联区域 间直流联络线潮流的协调处理，各下级调度中心以 并行的方式独立求解各区域电网的 SCUC 问题。 通 过 2 区域 12 节点和 2 区域 78 节点算例验证，结果 表明所提方法通过分解协调优化能够实现直流跨 区互联电网的分散自治及风电资源的跨区消纳，提 高了互联电网的运行经济性。
ZHOU Ming, ZHAI Junyi, REN Jianwen, LI Gengyin
(State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System With Renewable Energy Sources (North China Electric Power University), Changping District, Beijing 102206, China) ABSTRACT: For day-ahead security-constrained unit 区域间直流联络线潮流的协调优化主问题， 以及下级调度中 心以并行的方式独立优化各区域电网发电计划的子问题。 以 2 区域 12 节点直流互联系统和由新英格兰 39 节点系统修改 的 2 区域直流互联系统为例， 验证了方法的有效性。 结果表 明所提方法符合我国电网分层分区的调度模式， 并有助于提 高风电的消纳能力。 关键词：HVDC 传输计划；风电消纳；分散协调调度；目 标级联分析；并行计算 DOI：10.13335/j.1000-3673.pst.2017.0143