CN105514970B - 一种基于图论的upfc监控子站布点算法 - Google Patents

一种基于图论的upfc监控子站布点算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，将电网中的母线作为图的顶点，且顶点的权重为该母线所连的支路数；支路作为图的边，且边的权重为支路负载率的倒数。再形成图的最小生成树，最后根据最小生成树结合电网拓扑结构选取UPFC监控子站的推荐安装点，在满足所有支路可观测的前提下使得监控子站的安装数量最少。本发明中的最小生成树的引入体现了重载支路优先考虑的思想，本发明可为UPFC装置应用于实际电网的工程设计提供参考。

Description

一种基于图论的UPFC监控子站布点算法
技术领域
本发明属于柔性交流输电领域，涉及一种基于图论的UPFC监控子站布点算法。
背景技术
电力传输的柔性是指在电力传输系统变化或运行条件不同时系统的自适应能力及在变化下维持足够稳态和瞬态稳定裕量的能力。而统一潮流控制器(UPFC)装置是基于高速电力电子器件的一个典型柔性输电装置，能够通过吸收或发出有功、无功功率显著提高电网运行性能。UPFC的监控子站可以高速实时地采集母线电压、线路电流、线路开关状态等信息，并上传至UPFC控制主站(即UPFC安装点)，通过闭环控制策略实现UPFC的功率调节作用。
由于电网庞大的规模，在每条母线上均安装UPFC监控子站显然难以实现，为了在监控子站数量有限的情况下，通过合理的布点，扩大监控可观测的范围是工程上亟待解决的问题。目前实际工程中通常仅在N-1过载支路母线侧安装监控子站，全网的可观测性较低，导致UPFC的控制作用存在一定的局限性。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，将电网的拓扑连接关系抽象为一个图，利用图的最小生成树及电网的初始潮流数据，即可筛选出UPFC监控子站的推荐安装点，在满足所有支路具备可观测的前提下使得监控子站的安装数量最少。
为了解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：
一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据电网发电、负荷、网架结构、运行方式数据，计算电网初始潮流，设定UPFC安装于某一母线上，
步骤二：将电网中的连接关系抽象成一个图，母线作为图的顶点，顶点的权重为该母线所连支路数的归一化数值；支路作为边，边的权重为该支路负载率倒数的归一化数值；
步骤三：形成图的最小生成树；
步骤四：选取最小生成树中顶点权重最高的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点，当多个顶点的权重相同时，选取其中所含的不可观测的边最多的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点；
步骤五：更新支路可观测性列表，并重复步骤四至所有支路可被拟安装点观测，最终得出所有监控子站的安装推荐点。
前述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤二中，网架拓扑结构形成的带权连通图为G＝(V,E)，V为电网中母线的集合，即顶点的集合，V中每个顶点元素的权重为f(vi)，其计算方法为：
ni为顶点集合V中的元素vi对应的母线i所连的支路数，nj为顶点集合V中的元素vj对应的母线j所连的支路数，α为电网中母线的集合。
前述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤二中，网架拓扑结构形成的带权连通图为G＝(V,E)，E为电网中支路的集合，即边的集合，E中每个边元素的权重为g(ei)，其计算方法为：
ηi为边集合E中的元素ei对应的支路i的负载率的倒数，ηj为边集合E中的元素ej对应的支路j的负载率的倒数，β为电网中支路的集合。
前述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤四中，可观测支路包括如下类型：第1类可观测支路，与UPFC安装点直接相连的支路；第2类可观测支路，可通过节点功率守恒定律推算功率的支路；第3类可观测支路，与监控子站拟安装点直接相连的支路。
前述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤四中，选取其中所含的不可观测的边最多的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点，包括以下步骤：
(1)、UPFC安装于某一母线上，与该安装点相连接的支路作为第1类可观测支路；
(2)、利用节点功率守恒定律推导的支路为第2类可观测支路；
(3)、第1类可观测支路和第2类可观测支路以外的支路作为不可观测支路；
(4)、利用不可观测支路，确定权重相同的各顶点直接相连不可观测支路的个数；
(5)、不可观测的支路个数最多的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点。
前述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤五：其中重复步骤四至所有支路可被拟安装点观测过程中，与UPFC监控子站拟安装点直接相连的支路作为第3类可观测支路，第1类可观测支路、第2类可观测支路和第3类可观测支路以外的支路为不可观测支路。
本发明所达到的有益效果：本发明公开了一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，将电网的拓扑连接关系抽象成一个图，将母线和支路抽象为带权图的顶点和边，最后通过图的最小生成树及电网支路负载率信息综合选取UPFC监控子站的推荐安装点，从而达到利用有限数量的监控子站实现全网可观测的目的。本发明中的最小生成树的引入体现了重载支路优先考虑的思想，本发明可为UPFC装置应用于实际电网的工程设计提供参考。
附图说明
附图1是本发明实施例网架结构示意图。
附图2是本发明实施例抽象出的带权图。
附图3是本发明实施例带权图的最小生成树。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例为IEEE11节点系统，假定UPFC安装于母线bus_2，仿真计算采用电力系统分析程序BPA，系统结构及节点编号如图1(发电机节点未作编号)。
具体计算流程如下：
步骤一：根据电网发电、负荷、网架结构、运行方式数据，计算电网初始潮流，如下表所示：
步骤二：将电网中的连接关系抽象成一个图，母线作为图的顶点，支路作为边，如图2所示：
顶点的权重为该母线所连不可观测支路数的归一化数值，边的权重为该支路负载率倒数的归一化数值，分别如下表所示：
步骤三：形成图的最小生成树，此处可采用任何算法进行设计，只要能求得图的最小生成树即可，比较常用的有Kruskal算法，如图3所示(虚线标出的为最小生成树以外的边)。
步骤四：选取最小生成树中顶点权重最高的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点，当多个顶点的权重相同时，选取其中所含的不可观测的边最多的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点；
由于bus_2为UPFC安装点，即控制主站，所以支路bus_1～bus_2、bus_3～bus_2、bus_4～bus_2与监控站直接相连，为第1类可观测支路；bus_3～bus_5、bus_4～bus_5、bus_8～bus_9、bus_10～bus_11的功率可由节点功率守恒定律推导，为第2类可观测支路。
图中bus_4和bus_8的顶点权重均为最大值0.153846，而最小生成树中与bus_8直接相连的不可观测边为3条：bus_6～bus_8、bus_7～bus_8、bus_8～bus_10，与bus_4直接相连的不可观测边1条：bus_4～bus_6。这样bus_8直接相连的不可观测边条数大于与bus_4直接相连的不可观测边条数，因此，选取bus_8为UPFC监控子站拟安装点。
步骤五：更新支路可观测性列表，并重复步骤四至所有支路可观测，最终得出所有监控子站的安装推荐点。
此时，bus_6～bus_8、bus_7～bus_8、bus_10～bus_8为新增的第3类可观测支路；bus_4～bus_6、bus_4～bus_7、bus_7～bus_10为新增的第2类可观测支路。
综上可知，bus_8为UPFC监控子站的推荐安装点，结合bus_2的UPFC安装点监控主站，全网13条支路均可观测。
本发明公开了将电网的拓扑连接关系抽象成一个图，将母线和支路抽象为带权图的顶点和边，最后通过图的最小生成树及电网支路负载率信息综合选取UPFC监控子站的推荐安装点，从而达到利用有限数量的监控子站实现全网可观测的目的。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：根据电网发电、负荷、网架结构、运行方式数据，计算电网初始潮流，设定UPFC安装于某一母线上，
步骤二：将电网中的连接关系抽象成一个图，母线作为图的顶点，顶点的权重为该母线所连支路数的归一化数值；支路作为边，边的权重为该支路负载率倒数的归一化数值；
步骤三：形成图的最小生成树；
步骤四：选取最小生成树中顶点权重最高的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点，当多个顶点的权重相同时，选取其中所含的不可观测的边最多的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点，所述不可观测的边为既不与UPFC安装点或已有监控子站拟安装点直接相连、也无法通过节点功率守恒定律推算功率的支路；
步骤五：更新支路可观测性列表，并重复步骤四选取下一个拟安装点，直至所有支路可被拟安装点观测，最终得出所有监控子站的安装推荐点。
2.根据权利要求1所述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤二中，网架拓扑结构形成的带权连通图为G＝(V,E)，V为电网中母线的集合，即顶点的集合，V中每个顶点元素的权重为f(vi)，其计算方法为：
<mrow> <mi>f</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>/</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>&amp;alpha;</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>n</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>v</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>V</mi> </mrow>
ni为顶点集合V中的元素vi对应的母线i所连的支路数，nj为顶点集合V中的元素vj对应的母线j所连的支路数，α为电网中母线的集合。
3.根据权利要求2所述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤二中，网架拓扑结构形成的带权连通图为G＝(V,E)，E为电网中支路的集合，即边的集合，E中每个边元素的权重为g(ei)，其计算方法为：
<mrow> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>/</mo> <munder> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>&amp;beta;</mi> </mrow> </munder> <msub> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>e</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>&amp;Element;</mo> <mi>E</mi> </mrow>
ηi为边集合E中的元素ei对应的支路i的负载率的倒数，ηj为边集合E中的元素ej对应的支路j的负载率的倒数，β为电网中支路的集合。
4.根据权利要求3所述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤四中，可观测支路包括如下类型：第1类可观测支路，与UPFC安装点直接相连的支路；第2类可观测支路，可通过节点功率守恒定律推算功率的支路；第3类可观测支路，与监控子站拟安装点直接相连的支路。
5.根据权利要求4所述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤四中，选取其中所含的不可观测的边最多的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点，包括以下步骤：
(1)、UPFC安装于某一母线上，与该安装点相连接的支路作为第1类可观测支路；
(2)、利用节点功率守恒定律推导的支路为第2类可观测支路；
(3)、第1类可观测支路和第2类可观测支路以外的支路作为不可观测支路；
(4)、利用不可观测支路，确定权重相同的各顶点直接相连不可观测支路的个数；
(5)、不可观测的支路个数最多的顶点作为UPFC监控子站的拟安装点。
6.根据权利要求5所述的一种基于图论的UPFC监控子站布点算法，其特征在于，步骤五：其中重复步骤四至所有支路可被拟安装点观测过程中，与UPFC监控子站拟安装点直接相连的支路作为第3类可观测支路，第1类可观测支路、第2类可观测支路和第3类可观测支路以外的支路为不可观测支路。
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