新型电力系统N-1安全约束下8760小时潮流生成方法(N-1 Security-Constrained 8760-Hour Power Flow Generation Method for New-Type Power Systems)

《Energies》：N-1 Security-Constrained 8760-Hour Power Flow Generation Method for New-Type Power Systems

　　

可再生能源高渗透给电力系统运行工况带来强不确定性，致使常规规划方法难以有效满足N-1安全校验要求。为此，研究人员提出了一种N-1安全约束下8760小时潮流生成方法（N-1-SC-8760-PFGM），建模为混合整数非线性规划（Mixed-Integer Nonlinear Programming, MINLP）问题。为克服直接求解的计算困难，研究人员基于目标一致性和求解路径协调，开发了能量-功率-无功功率协同优化方法。该方法通过一致性导向的目标函数、预嵌入N-1约束机制及"校验–增广–重优化（verification–augmentation–re-optimization）"求解策略，克服了传统序贯优化中阶段目标独立、N-1约束协调不足及运行状态调整缺乏迭代重优化机制的局限。在修改的IEEE 39节点和IEEE 300节点系统上的案例研究表明，所提方法相较传统基于分解的方法具有更优的收敛性与计算效率，可高效生成满足N-1安全约束的全年时序潮流断面。

面向新型电力系统的N-1安全约束下8760小时潮流生成方法研究解读

本文发表于《Energies》。随着高比例可再生能源接入新型电力系统，源荷强不确定性与大幅波动使运行场景高度复杂，传统基于典型或抽样场景的规划方法无法充分满足N-1安全校验要求，导致规划方案安全裕度不足、实际运行中弃风弃光严重。为从规划层面根本解决该问题，需生成全年逐时满足N-1安全约束的可行潮流时间序列，即N-1安全约束下8760小时潮流生成问题（N-1 Security-Constrained 8760-Hour Power Flow Generation Method, N-1-SC-8760-PFGM）。该问题本质为大尺度混合整数非线性规划（Mixed-Integer Nonlinear Programming, MINLP），直接求解不可行，而现有简化整体优化和多阶段序贯分解法分别存在模型精度损失与阶段目标不一致、N-1约束滞后、无闭环迭代等缺陷。针对以上不足，研究人员提出一种基于目标一致性与求解协调的N-1-SC-8760-PFGM协同优化方法，并在修改的IEEE 39节点与300节点系统中验证其有效性。研究表明，所提方法可在全时段满足N-1安全约束前提下高效生成全年8760小时潮流序列，显著优于传统序贯分解法，对精细化电力系统规划评估具有重要工程价值。

研究人员采用的主要关键技术方法如下：将N-1-SC-8760-PFGM问题分解为能量平衡（Energy Balance, EB）、含预嵌直流N-1约束的有功功率平衡（Power Balance, PB）及含预嵌交流N-1约束的一致性导向无功功率优化（Reactive Power Optimization, RPO）三阶段序贯求解框架；设计各子阶段目标函数与全局目标一致（RPO阶段加入有功转移量及电压偏差惩罚项）；在PB阶段线性近似嵌入输电线路N-1直流潮流约束，在RPO阶段嵌入N-1交流潮流约束；采用"校验（N1V-DC/N1V-AC）–增广（动态加入违反的N-1约束）–重优化（PB或RPO重求解）"双闭环迭代策略；EB和PB采用Gurobi求解混合整数线性规划（MILP），RPO及N-1调整采用内点法求解非线性规划（NLP）；测试系统基于修改的IEEE 39节点（含风/光/储能）及IEEE 300节点系统，输入为8760小时可再生出力与负荷时序数据。

2. Materials and Methods

研究人员建立了N-1-SC-8760-PFGM的完整数学模型。目标函数为最小化同步机组启停成本、发电煤耗成本及弃可再生能源惩罚成本。约束涵盖：节点有功和无功功率平衡、机组有功/无功出力上下限与爬坡率、机组启停（最小开停机时间）及二进制状态变量、输电线路正常及N-1故障下的有功/无功传输热稳定极限、节点电压幅值范围、变压器变比与可调并联无功补偿设备限制、储能荷电状态（State of Charge, SOC）耦合与时序约束。N-1准则采用输电线路N-1事故集（排除导致非计划孤岛的线路），要求任一线路开断后剩余元件不越限。该MINLP模型即为待求解的原始问题。

3. Reformulation Methods

研究人员首先分析了传统EB–PB–RPO–N1V–N1A序贯分解法的缺陷：EB和PB阶段忽略N-1约束，RPO以网损最小为目标与全局经济运行目标脱节，N1A无闭环反馈仅单次调整，导致安全裕度不足且难收敛。随后提出改进方法：PB阶段将直流N-1线路约束式(10)预嵌入，目标沿用全局成本最小化式(11)；RPO阶段重新设计一致性目标函数式(12)，在最小化运行成本基础上加入有功转移量惩罚(λ_P|P_G,i,t?P_G,i,t^PB|)与电压偏差惩罚(λ_V|V_i,t?V_i,t^ref|)，并预嵌入交流N-1约束。求解路径为EB→PB初解→N1V-DC直流N-1校验，若违规则追加约束回代PB用式(11)重优化→RPO初解→N1V-AC交流N-1校验，若违规则追加约束回代RPO用式(12)重优化→输出或判不可行。理论分析表明：PB/RPO阶段增广N-1约束数有确定上界；该动态增广策略类同Benders分解可行割但不需求对偶，属确定性动态约束增广分解法；若算法因无违规终止，所得解满足原始MINLP全部N-1安全约束，具原问题可行性。

4. Case Studies

案例基于修改IEEE 39节点系统（5台火电、风电接入32/33号母线、光伏接入30/36号母线、储能接入34/23号母线，8760小时典型年负荷与可再生出力时序）和修改IEEE 300节点系统（69台同步机、279条候选N-1线路）。算例对比传统序贯法与所提方法，均采用相同初始条件与收敛判据，MILP用Gurobi，NLP用内点法。

4.2节IEEE 39节点系统结果表明：传统方法在200次内点迭代下计算171分钟，N-1通过率仅56.21%，交流潮流收敛率62.36%；即使迭代上限提至1000次耗时339分钟，N-1通过率仍仅90.94%。所提方法200次迭代仅需28分钟，N-1通过率和交流潮流收敛率均为100%，PB阶段新增N-1约束数由传统4059条降至约8条（降幅99.804%）。经济性方面，所提方法年生产运行成本1,740,912,873元较传统1,738,566,856元仅增约0.13%，储能利用率达52.02%。最大支路负载率78.34%，平均24.49%，最小电压稳定裕度0.055，运行点远离电压稳定边界。不同Monte-Carlo生成的5组8760小时场景均成功求解，固定输入下20次独立测试收敛至同一解（精度0.001），证明算法适应性与数值稳定性。节点出力与电压时序图显示火电预留足够旋转备用、风光波动被储能在时域平滑、各节点电压全程在0.95~1.10 p.u.安全范围内。

4.3节IEEE 300节点系统结果表明：所提方法对279个N-1事故全部通过校验，成功生成全年8760小时N-1合规潮流；典型机组（同步机、风、光、储能）出力符合经济调度原则，电压幅值各节点处于安全限内（个别高峰轻微超弛豫允许范围但仍可接受），验证了方法在大规模系统中的适用性。

5. Conclusions（结论译文）

本研究针对规划评估中全年8760小时N-1安全约束潮流生成这一关键难题，提出保证目标一致性且具有高度协调求解路径的方法，有效求解了N-1-SC-8760-PFGM问题。基于理论分析与案例研究，主要结论如下：(1)一致性保障——通过子阶段目标函数设计实现一致性，RPO阶段在最小化运行成本同时引入有功调整量与电压越限惩罚，避免传统序贯法目标漂移，确保子问题解对齐原问题全局目标。(2)协调性增强——两阶段闭环"校验–增广–重优化"机制实现N-1安全约束前移与动态增广；直流N-1约束提前纳入有功平衡阶段为后续无功优化预留调节裕度，交流N-1约束前置至RPO阶段缓解校验不可行问题。(3)计算可行性——IEEE 39节点与300节点系统案例表明，所提方法能高效可靠地生成满足N-1安全约束的8760小时潮流断面，较传统方法显著缩短计算时间并提高解的可行性。当前方法仅考虑输电线路N-1开断，未来可扩展至发电机与变压器N-1、引入交流最优潮流凸松弛技术提升RPO效率，并针对实际大电网规模与拓扑差异进一步研究工程适用性。