高比例新能源电网多断面限额的人工智能计算与调控技术

四川大学高比例新能源电网多断面限额的人工智能计算与调控技术2025年7月25日新疆伊犁2CONTENTS11234研究背景研究背景SICHUANUNIVERSITY西部地区大规模清洁能源须经长距离跨省跨区输电通道外送转移至经济中心，输电断面西部地区大规模清洁能源须经长距离跨省跨区输电通道外送转移至经济中心，输电断面安全协同运行是保障清洁能源“送得出”前提，对此国家高度重视跨省跨区输电调度工作并出台相关政策措施。雅下装机容量预计达7000~8100万疆电外送中新能源外送电量达到2640.78亿干瓦时，占总外送电量的28.94%国家高度重视跨省跨区输电调度工作国家高度重视跨省跨区输电调度工作6月13日，国家发改委发布《跨省跨区电力应急调度管理办法(征求意见稿)》国家能源局研究制定了《2025年能源工作指导意见》提到6月13日，国家发改委发布《跨省跨区电力应急调度管理办法(征求意见稿)》研究背景研究背景外送制约因素本地消纳困难本地消纳困难部分区省内交流通道受阻功率达部分区省内交流通道受阻功率达170万千瓦整体提升断面1%的效能效率，则可提升至少10万千瓦的清洁能源外送电力研究背景研究背景关键断面输电极限是保安全、促消纳、市场化的重要安全边界。为了保证电网安全稳定，且避免向调度计算引入过高复杂度，方式部门习惯利用在多个极端场景下计算得到的多组断面极限输电容量(Totaltransfercapability,MaximizezT∈①,t∈(₀,tem)HYDLZHYDLZWBGDLZDTSDTS②TZ直流330千伏变电站750干伏变电站750千伏开关站XJ外送H)二H次H①①CDMTS③BYOY⑩BYOYHx外送wS态、暂态、N-k约束等)满足各类稳定约束(稳态、暂态、N-k约束等)与特定运行方式对应，具有时变属性与运行方式集对应，在特定季节或方式下为固数值从某方式起沿既定功率增长方向的断面最大功率电网运行的安全底线，低于此值的运行方式严格安全极限输电容量与断面限额的对比差异四川大学SICHUANUNIVERSITY模型驱动/传统机器学习/深度学习随运行方式变化的时变参数，调控须实时监测其变化，计算复杂度极高在既定源荷增长模式下断面功率高于TTC值必失稳，是断面最大潜力辅助制定断面限额、确定既定跨省区交易路径下可安全交易的上限(挖潜)对比角度技术实现固有属性使用目标断面限额模型驱动/数据驱动/工程经验在特定季度或方式下不随运行方式变化的静态参数断面功率低于限额值即能稳定运行，是运行阶段系统安全的硬约束保障限额边界内所有运行方式安全运行(兜底)TTCTTC是评估断面输电潜力的有效指标，但计算复杂度高不利于在线应用限额是保证系统稳定运行的关键边界，但过于保守不利于开发外送潜力TTC评估方法与应用壁垒通过调整运行方式增强受阻断面输电极限，从而降低通道受阻功率，增加新能源外送。模型驱动的方法基于Al的方法工程应用壁垒模型驱动的方法模型驱动的方法基基于Al的方法实际电网实际电网计算复杂度极高，潮流张成(源荷增长λ)也须根据稳定模式特别设计，数据准备代价太大，AI方案需要诸多经验加持才达较好效果，实用困难!研究背景工程实用需求文献[1]基于安全原则定义的易失稳机组调节次序，利用重复潮流计算断面极限输电能力。文献[2]结合快速时域仿真技术，利用连续潮流算法实现在线TTC计算。文献[3]构建了基于深度置信网络的系统稳态状态与TTC的精确非线性映射。献[4]构建了基于深度学习的TTC计算辅助代理模型文献[5]基于CPF的TTC计算断面限额基线值，并利用蒙特卡洛模拟更精细的限额规则。文献[6]提出了基于多个运行方式簇下的条件限额整定方法，并应用到经济调度模型中早期学术研究主流方向实际工程中调度部门关注的安全指标断面限额描述了断面割集下的最保守安全包络面断面限额描述了断面割集下的最保守安全包络面，是静态参数，工程实用性更好!但问题在于，其通常过保守(精确底限难以获取)四川大学四川大学断面限额的计算痛点关键挑战传统断面限额计算过保守的内在原因传统断面限额计算过保守的内在原因断面1断面6断面5断面4过保守的断面限额边界!过保守的断面限额边界!断面1断面2断面6断面2断面1断面2断面6断面2断面3断面5断断面5断面3断面4断面4高比例新能源系统运行边界的不引入过高复杂度Al驱动的断面限额计算潜在方案TTCTTC数值输电断面限额边界智能辨识输电断面限额边界智能辨识600-断面2功率/MW四川大学0断面1功率/MW人工智能人工智能成为断面限额高效准确评估的潜在解决方案!关键挑战关键挑战应用场景及其优势四川大学依托依托Al高效的复杂系统全局特征处理和模式捕捉能力，已初步探索了AI驱动的多档位、多断面的精确限额条件映射规则生成技术，具备低复杂度、高可解释性特点，适用于多类大电网应用场景。稳定方式×失稳方式稳定方式×失稳方式合5m学suru30服优势2:高效、可信优势2:高效、可信、安全的电力调控优势1:随机运行方式下多断面耦合关系发现优势3:作为疏导跨省跨区电力市场中各市场主体利益分摊的“桥梁”CONTENTS123123学术研究关于断面极限传输能力和断面限额的思考断面极限传输能力和断面输电限额的含义?√断面输电限额是“低于此值即稳定”的限值，运行阶段系统安全的硬约束；TTC则是“高于此值即失稳”,某一功率增长模式下断面传输潜力>断面极限传输能力与输电限额使用场景有何差别?√断面TTC可用于计算输电限额、交易上限估计、真实传输潜力估计等，计算复杂度较高；输电限额可用于约束实际断面潮流，将复杂动态稳定边界降维投影到低复杂度的断面割平面，为市场出清、调度运行提供简单线性边界条件。SICHUANUNIVERSITY二是稳定与失稳运行断面极限传输能力和断面限额间的异同为何?√小系统下，断面割平面上稳定与失稳运行方式明确分离，断面极限传输能力和断面限额接近；大系统下，断面限额和单一方式下断面极限传输能力有较大差异稳定域指向O稳定域指向O单一TTCλ=[λ1,λ2,…,λn]TTC=[TTC₁,TTC₂,…,关于断面极限传输能力和断面限额的思考四川大学6.56554.5PG35activepower/p.u.—仅通过断面功率描述安全边界，忽略了形成当前功率水平的电源出力、负荷分布、一组完整运行特征单射于某个安全状态，但断面功率与之为一对多关系，易知断面功率与安全状态是一对多的，则在断面割集中无法像全特征空间下那样精准划分稳定-学术研究学术研究高比例新能源电网多断面限额混合计算亟待解决的问题工程上过保守的断面限额!技术路线运行方式增补关键特征辨识数据支撑无监督学习K-MeansMKKMGMM多个运行方式簇特征驱动保守原则断面限额条件映射规则强耦合断面对断面相关性分析失稳域边界搜索及过滤多断面耦合限额边界强耦合断面对断面相关性分析失稳域外包络网格剖分凸包算法外包络重构形态分析边界过滤基于无监督学习的多断面限额条件映射规则生成方法学术研究学术研究数据驱动对比评估经验调整数据驱动对比评估经验调整FmE所面保守限额PR=min(Pe,s,Pese),Vk∈KminPk(i)Pk,se=maxPk(i)Pk(i)≥0,Vk∈IKPk(i)≥0,Vk∈KSe(i)=Q,Vc∈CS.(i)=1,Vc∈C(Pk=max(Pk,is,Pk,se)),Vk∈KPk,is主iPk(i)PRse=minPk(i)Pk(i)<0Vk\∈K'Pk(i)<0,Vk∈KSc(i)=0,ceCS.(i)=1,Vc∈C学术研究学术研究2.基于无监督学习的断面限额条件映射规则生成口问题：断面割空间中稳定与失稳方式杂糅，若以最保守原则选择兜底电网安全运行的限额边界，将直接舍弃稳定与失稳方式混淆的运行域，可能压降通道外送能力√解决方法：将断面割空间划分为几个子空间，在各自子空间内则从而挖掘出更多可用的传输功率高且稳定的运行方式(Maximalinformationcoefficient,MIC)高质量运行方式数据库生成历历史数据增补数据机组出力拉丁超立方增补数据启停组合泊松分布采样合成少数极端场景类过采样运行方式样本数据库筛选对断面潮流与不统稳定性影响程度较大的特征MIC(X。P)≥r,feF,i=1,…1关键特征选择基于无监督学习的运行方式簇生成限额条件映射聚类算法5特征选择后的运行方式数据集运行方式簇数据驱动的限额计算模型每个运行方式簇内分别计算限额映射ns(t)_Pys(t)-Lus(t)≤-计及聚类方式信息的限额提升潜力计及聚类方式信息的限额提升潜力2.基于无监督学习的断面限额条件映射规则生成□算例验证一限额)对比DispatchwitheuttransferlimitruleDispachitransceliikHoars/b——Trasferpowerthroughinter-corridots-----ThecorTespondingtransferlimits条件断面限额规则下断面运行状态档位编号：■0■#1□#2□+3□#4□#5□#6□#7■#8■#9保守限额2分档□5分档10分档0100200300400500600700800断面限额/MW相较传统方法计算的保守限额，2、5、10三种分档数下最大可挖掘断面外送Hours/h条件断面限额规则下弃新能源情况所提断面限额条件映射规则可有效挖掘输电潜力!3.计及多断面耦合效应的限额边界辨识方法四川大学00Inter-corridor#2powertrancorelation:0.654oStable×Unstable2536Inter-corridor#2powertransfer/p.u.0L0Pearson①相关系数法提取强耦合断面对，确定断面耦合的正反关系②比较单断面投影上失稳-稳定运行方式功率大小，确定稳定-失稳域相对位置③利用具有可解释性的网格剖分/凸包法构建多断面耦合限额边界④在聚类所得的运行方式簇间遍历①~③,形成多断面耦合的条件限额规则所提方法能准确辨识限额边界，进一步释放输电潜力，相较于不考虑断面相关性方法，基于网格剖分算法和凸包算法的多断面输电潜力挖掘能力提升分别可达57.86%、48.16%3.计及多断面耦合效应的限额边界辨识方法口问题：如何利用多断面耦合的条件限额规则实现断面功率的分档切换联调，以最大化断面利用率?难点在于性能较稳定的无监督聚类算法的类归属判定不直接兼容求解器，限制了应用拓展。√针对基于K-means算法族的条件映射规则嵌入机组组合的兼容问题，提出基于KKT松弛及罚函数法的解决思路。j=argminl(x()-c,lP₅(t)≤T₅(t)=min运行成本函数条件断面限额约束弛法/罚函数法——将将下层模型整数变量松弛为连续变量，利用KKT条件将下层模型嵌入上层上层模型电网运行下层模型学术研究学术研究□算例验证·IEEE39节点测试系统·10档位规则·与传统保守限额(无聚类、单一限额)、独立断面限额(聚类、多限额、不考虑断面相关性)对比00500·Gurobi求解器、运行方式数据集利用Python调用PSASP自动仿真生成，样本条数为5000条，00500四川大学四川大学□断面限额—断面潮流—A3的限额—A2的限额—A1的限额一A0的限额A3的断面潮流■A2的断面潮流◆000多500000、025(b)独立断面限额条件映射0510152时间/h(a)保守限额约束模型5000200400600800100025断面2有功功率/MW20交00520交0时间/hW时间/h时间/h(c)凸包限额模型(d)多断面耦合限额条件映射模型(e)13:00(c)凸包限额模型(d)多断面耦合限额条件映射模型限额结果输电潜力提升效果最大可达57.86%。22CONTENTS不确定性下多断面限额人工智能可信调控12不确定性下多断面限额人工智能可信调控1234四川大学技术路线亟待解决的问题1.如何考虑新能源的不确定性?2.如何利用多断面耦合的条件限额规则实现断面功率的分档切换联调，是否存在普适性的限额规则与求解器可解释兼容策略?3.如何控制限额联调的保守性，以满足实际中对安全保守性的能调需求离线阶段限额条件映射规则生成运行方式样本数据关键特征提取多核UL学习(MKKM)cizster+1cluster+2cleser#A-1chusterk米基于α-shape的多断面限额安全域1多断面限额安1多断面限额安全域条件映射QAPTRQPTRΩAPIRQAPTRCSDT学习框架CSDT限额条件映射切换器分支节点参数a,b叶节点确定2新能源场景直流计划值运行特征负荷曲线w控制变量CSDTBigMCSDT主问题LB添加约束NaB-LBKNa求解范式SDRO模型oΩ^PTR子间题UB鲁棒的、可解释的多断面限额提升调度策略学术研究1、考虑新能源不确定性的分布鲁棒机组组合模型大学大学问题一：利用条件断面限额提升新能源外送消纳，势必要考虑新能源的不确定性因素；解决方法：结合条件断面限额与分布鲁棒优化，形成多断面限额的分布鲁棒切换联调策略一8预测功率一8不确定性建模√采用有限的离散场景表征不确定性参数无穷多场景min_c---maxsceSCP.minC3纳入考量多断面限额条件映射约束2、兼容混合整数规划求解器的可解释求解范式断面限额条件映射规则的应用框架无监督学习算法海量运行方式运行方式条件运行方式簇#1运行方式簇#2运行方式簇#j非线性类归属判据调归属判据调控对象基于欧氏距离的断面限额条件映射规则凌策T(t)=f(x(t)):断面分档限额强相强相簇#j簇#j限额切换机组启停机组出力弃风弃光变量松弛与罚函数方法影响结果的最优性，且可能难以收敛；距离判据缺乏可解释性，难以形成非K-means族无监督学习算法类归属判据高度非线性，不兼容求解器运行条件从属判定，本质是分类问题，而决策树具备较好的可解释性、符合调度员决策思维、支持混合整数规划模型表征学术研究2、兼容混合整数规划求解器的可解释求解范式四川大学解决方法：构造基于决策树的自监督学习策略，通过决策树的MILP决策机制解释运行方式类归属，实现求解器与限额规则双向兼容基于决策树的可解释调度求解范式基于决策树的可解释调度求解范式决策树训练预先定义好树结构，建模为MILP模型，全局优化分类结果，混合整数建模minLm=Nm-max{N,限额切换器MILP嵌入机制可解释的断面限额提升决策!可解释的断面限额提升决策!3、保守性调度引导的代价敏感学习策问题三：前述方法无法主动控制限额联调的保守性，难以满足实际工程中安全保守性需求；守性的能调问题用JAPTR计算的网格网格一致性参号点打包嵌入打包嵌入L(21×(0).2(n)=mnc(21x⁰),9C(0)更新策略更新场景概率学术研究学术研究不确定性下多断面限额人工智能可信调控四川大学算例测试——IEEE39节点测试系统800400Expandedfeasibilityregion2005101520DynamictransferPowerflowofA3-十Time/h调度结果计及新能源不确定场景的调度结果计及新能源不确定场景的调度结果所提方法调度结果断面平均输电功率提升47.8%,断面限额平均提升41.2%A3-embeddedmodelA2-cmbcddedmodelAl-embeddedmodelA415时：所提方法逼近无限额约束下的理论机组组合成本对比模型无限额约束传统保守限额独立限额规则所提限额规则总成本/万元2.876e63.052e62.885e62.879e6所提模型决策的断面输电限额最高，外送功率也最所提模型决策的断面输电限额最高，外送功率也最备经济性优势SY断面分档限额规则展示断面输电能力提升效果展示当前方式断面潮流分档断面限额传统断面限额断面分档限额/p.u.SY断面分档限额规则展示断面输电能力提升效果展示当前方式断面潮流分档断面限额传统断面限额断面分档限额/p.u.分档断面限额传统断面限额--当前方式断面潮流断面分档限额/pu.新能源消纳情况分析结果节点传统限顿模型新能源出力/MW分档限额模型新能源出力/MWXB电网新能源总消体捉升率DH29.03%MG22032203JQ7383169HX496496档位DY断面限额/MWGYL断面限额/MWQYL断面限频/MWHY断面限额/MW档位16209453539426641档位25406401146747700档位35935495745537340………档位1204882320656798452断面限额调整结果断面潮流/MW面限额/MW面潮流/MW面限额/MW限额提升率DY4503540052095015-7.1%GY54005172-4.2%QY2267560029736491+15.9%HY3216790035938375+6%30CONTENTS1大电网断面限额计算与困境3不确定性下多断面限额人工智能可信调控4未来研究工作 高价值密度运行方式集智能生成多断面限额有限时间计算理论及智能增强方法0ZhongY,QiuG*,LiuJ,LiuT,LiuY,WeiW.An8限额搜索轨迹样口参数迁移策略限额搜索轨迹样口主主0限额计算结果对比部分相关文献[1]邱高，刘俊勇，刘友波*,等，“风电外送通道极限传输能力的自适应向量机估计，”电工技术学报，33(14):3342-3352,2018.[2]YouboLiu,et.al.,“OnlineTTCEstimationUsingNonparametricAnalyticsConsideringWindPowerIntegration,”IEEETransactionsonPowerSystems,vol.34,no.1,pp.494-505,Jan.2019[3]李康文，邱高*,等，“基于可迁移强化学习的断面输电极限计算方法，”电网技术，47(12):5147-5158,2023.[4]GaoQiu,YouboLiu*,et.al.,"AnalyticDeepLearning-basedSurrogateModelforOperationalPlanningwithDynamicTTCConstraints,"IEEETransactionsonPowerSystems,vol.36,no.4,pp.3507-3519,July2021.[5]Ji'angLiu,YouboLiu,GaoQiu,et.al.,"Cooperativedispatchofdemandresponseandstabilityconstrainedtransfercapabilityforinter-connectedpowersystems:Ahybridlearning-aidedmethod,"AppliedEnergy,vol.381,p.125139,2025.[6]GaoQiu,et.al.,"Surrogate-assistedOptimalRe-DispatchControlforRisk-awareRegulationofDynamicTotalTransferCapability,"IETGeneration,Transmission&Distribution,vol.15,no.13,pp.1949-1961,2021.[7]邱高，刘友波，等，“基于深度确定性策略梯度的电网断面极限传输能力动态趋优控制，”中国电机工程学报，41(15):5128-5139,2021.[8]Gao.Qiu,et.al.,"HybridDeepLearningforDynamicTotalTransferCapabilityControl,"IEEETransactionsonPowerSystems,vol.36,no.3,pp.2733-2736,May2021.[9]LidongYi,MaoshengDing,JiliWang,GaoQiu*,etal.,“ABandingMethodforPowerTransferLimitsofCriticalInter-co