CN101800428A - 省地协调母线电压协调约束上下限值获得方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及省地协调母线电压协调约束上下限值获得方法，属于电力系统自动电压控制技术领域。该方法包括，基于准稳态灵敏度，构造二次规划模型，求解尽可能增加省调发电机无功出力，在满足发电机母线电压约束限值，协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功约束限值情况下，省地协调母线电压所能达到的上限值；尽可能减少省调发电机无功出力，在满足发电机母线电压约束限值，协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功约束限值情况下，省地协调母线电压所能达到的下限值。该方法可有效降低网损，提高电网的电压安全水平。

Description

省地协调母线电压协调约束上下限值获得方法

技术领域

本发明属于电力系统自动电压控制技术领域，特别涉省地协调电压控制中省地协调母线电压协调约束上下限值获得方法。

背景技术

自动电压控制(AVC，Automatic Voltage Control)系统是电力系统最重要的自动控制系统之一。中国互联电网规模庞大，其运行由分层分区的多级调度机构来负责管理，网调、省调和地调是其中比较有代表性的三个调度级别。传统的无功优化控制系统针对各级电网独立控制，相互之间缺乏有效协调。而事实上，由于各级电网之间互相影响，传统的独立控制方法存在很大局限性，比如如果各地调不能做好本地的无功补偿，将导致无功从高压到低压层层下送，无论网省调如何控制，网损下降都不会显著。此外，随着自动电压控制系统在各级电网中的普遍推广，由于各自动电压控制系统的控制目标不一致、控制信息不共享、控制操作不同步，从而引发控制系统之间的冲突和过调等问题，最终导致控制频繁动作，并显著降低控制品质。省级电网和地区电网的电压控制需要相互协调以实现协调无功电压优化控制，达到省调主网与地区电网之间合理的无功交换的目的。目前较为有效地研究成果为省地协调电压控制方法。省地协调边界为220kV变电站，选择220kV变电站变压器高压侧无功作为省调对地调的协调变量，选择220kV侧母线作为省地协调母线，其母线电压作为地调对省调的协调变量。省调和地调AVC系统分别向对方提出协调变量的期望约束，同时在控制中考虑对方提出的协调约束，实现双向互动，真正发挥协调控制的优势。但目前尚未发现在线实时计算省地协调母线电压协调约束上下限值并传送给地调的研究成果。

在获得省调的控制能力时，需要采用二次优化模型，模型的建立涉及到准稳态灵敏度的计算。孙宏斌，张伯明，相年德在《准稳态的灵敏度分析方法》(中国电机工程学报，1999年4月V19N4，pp.9-13)中提出了准稳态灵敏度方法，与常规的静态的灵敏度分析方法不同，准稳态灵敏度方法考虑了电力系统准稳态的物理响应，计及系统控制前后新旧稳态间的总变化，有效提高了灵敏度分析的精度。该方法基于电力系统的PQ解耦模型，当发电机安装有自动电压调节器(AVR)时，可认为该发电机节点为PV节点；而当发电机装有自动无功功率调节(AQR)或自动功率因数调节(APFR)时，可认为该发电机节点与普通负荷节点相同均为PQ节点。此外，将负荷电压静特性考虑成节点电压的一次或二次曲线。这样所建立的潮流模型就自然地将这些准稳态的物理响应加以考虑，从而基于潮流模型计算出的灵敏度即为准稳态的灵敏度。在潮流模型下，设PQ节点和PV节点个数分别为N_PQ和N_PV，状态量x是PQ节点的电压幅值

控制变量u＝[Q_PQ V_PV T_k]^T，其中

是PQ节点的无功注入，

是PV节点的电压幅值，

是变压器变比，重要的依从变量h＝[Q_b Q_PV]^T，其中Q_b∈R^b是支路无功潮流，

是PV节点的无功注入。这时，有无功潮流模型：

Q_PQ(V_PQ，V_PV，T_k)＝0                (1)

Q_b＝Q_b(V_PQ，V_PV，T_k)                (2)

Q_PV＝Q_PV(V_PQ，V_PV，T_k)              (3)

可得准稳态无功类灵敏度的计算公式见表1。

表1准稳态的无功类灵敏度S_(x，h)n的计算公式

其中 $S_{V_{\mathrm{PQ}}{Q}_{\mathrm{PQ}}}=-{\left[\frac{\∂Q_{\mathrm{PQ}}}{\∂V_{\mathrm{PQ}}}\right]}^{-1},$ 上表中的所有量都可以直接对潮流模型(1)-(3)的雅可比矩阵求逆得到。

发明内容

本发明的目的是为弥补当前省地级电网AVC系统互动性不足的缺点，提出省地协调母线电压协调约束上下限值的获得方法。该方法采用准稳态灵敏度和二次规划模型，通过估算省级电网调度中心(以下简称省调)对省地协调母线电压的调节量，获得省地协调母线电压协调约束上下限值，从而有效降低网损，提高电网的电压安全水平。

本发明提出的一种省地协调母线电压协调约束上下限值获得方法；

该方法定义：省地协调边界220KV变电站220KV母线为省地协调母线；设省调侧包含有发电机s个，发电机母线s个，监视母线p个，省地协调母线有q个，s，p，q均为非负整数；其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在一个控制周期开始时，省调实时采集当前s个发电机母线电压矢量V_g；当前s个发电机无功矢量Q_g；p个监视母线电压矢量V_s；当前q个省地协调母线电压矢量V_c；

2)省调实时更新s个发电机母线电压约束限值矢量，其中约束下限为矢量V _g，约束上限为矢量V_g；实时更新s个发电机无功约束限值矢量，其中约束下限为矢量Q _g，约束上限为矢量Q_g；实时更新p个监视母线电压约束限值矢量，其中约束下限为矢量V _s，约束上限为矢量V_s；实时更新q个省地协调母线电压运行约束限值矢量，其中约束下限为矢量V _c，电压约束上限为矢量V_c；

3)根据步骤2)所有的约束限值，构造二次规划模型，通过二次规划模型计算出省地省地协调母线电压协调约束限值平方的最大值，及达到该最大值时，省调发电机无功出力矢量增量ΔQ_g；二次规划模型如式(1)所示：

$\underset{\mathrm{\Δ}{Q}_g}{\max }{\left|\right|V_c+C_{\mathrm{cg}}\mathrm{\Δ}{Q}_g\left|\right|}^2$

s.t.V _g≤V_g+C_ggΔQ_g≤V_g

V _s≤V_s+C_sgΔQ_g≤V_s      (1)

V _c≤V_c+C_cgΔQ_g≤V_c

Q _g≤Q_g+ΔQ_g≤Q_g

其中，C_gg为发电机无功出力对发电机母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_sg为发电机无功出力对监视母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_cg为发电机无功出力对省地协调母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵(采用已知方法得到)；

将求解二次规划模型得到的发电机无功出力矢量增量ΔQ_g优化值

代入

求解得到省地协调母线电压协调约束上限值矢量V_cmax；V_cmax为q维矢量，它的第i个分量代表了通过省调侧发电机对发出无功的调控，在满足发电机母线电压约束限值，省地协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功约束限值情况下，第i个协调母线电压所能达到最大值；

4)根据步骤2)所有的约束限值，构造二次规划模型，通过二次规划模型计算出省地协调母线电压协调约束值平方的最小值，及达到该最小值时，省调发电机无功出力矢量增量ΔQ_g；二次规划模型如式(2)所示：

$\underset{\mathrm{\Δ}{Q}_g}{\min }{\left|\right|V_c+C_{\mathrm{cg}}\mathrm{\Δ}{Q}_g\left|\right|}^2$

s.t.V _g≤V_g+C_ggΔQ_g≤V_g

V _s≤V_s+C_sgΔQ_g≤V_s        (2)

V _c≤V_c+C_cgΔQ_g≤V_c

Q _g≤Q_g+ΔQ_g≤Q_g

其中，C_gg为发电机无功出力对发电机母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_sg为发电机无功出力对监视母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_cg为发电机无功出力对省地协调母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵；

5)将求解二次规划模型得到的发电机无功出力矢量增量ΔQ_g优化值

代入

求解得到省地协调母线电压下限值矢量V_cmin；V_cmin为q维矢量，它的第i个分量代表了通过省调侧发电机对发出无功的调控，在满足发电机母线电压约束限值，省地协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功约束限值情况下，第i个协调母线电压所能达到最小值；

6)在下一次控制周期到来时，返回步骤1)。

本发明的特点和效果

本发明从系统全局控制的角度出发，以省地协调母线电压最大向上(向下)可调量为优化目标，构造二次规划模型，求解出省地协调母线电压协调约束的上限(下限)。此方法为建立省地联合优化模型的一个重要步骤，通过考虑省、地调设备运行约束和通过调控，得到全系统最优(或次优)的运行状态，以此作为省地协调的控制目标，以达到省调主网与地区电网之间合理的无功交换的目的。本发明提出的方法可保证省地协调电压控制正常运行，该方法可集成在现场运行的自动电压控制系统中，将目前孤立在省级电网控制中心和地区电网控制中心的AVC系统协调起来，实现省级电网和地区电网之间的相互支撑，在全局范围内实现最优的无功电压分布，从而有效降低网损，提高电网的电压安全水平。

具体实施方式

本发明提出的省地协调母线电压协调约束上下限值获得方法结合实施例详细说明如下：

本方法中事先确定控制周期，一般省地协调控制的周期为5分钟到15分钟不等，此周期可根据实际情况和需求人工设定。

首先定义：省地协调边界220KV变电站220KV母线为省地协调母线；设省调侧包含有发电机s个，发电机母线s个，监视母线(由人工指定的需要监视电压限值的母线)p个，省地协调母线有q个(s，p，q均为非负整数)；

本方法包括以下步骤：

1)在一个控制周期开始时，省调(以下简称省调)实时采集当前s个发电机母线电压矢量V_g(s维矢量)，单位(KV)；当前s个发电机无功矢量Q_g(s维矢量)，单位(MVAR)；p个监视母线电压矢量V_s(p维矢量)，单位(KV)；当前q个省地协调母线电压矢量V_c(q维矢量)，单位(KV)；

2)省调实时更新s个发电机母线电压约束限值矢量(s维矢量)，单位(KV)，其中约束下限为矢量V _g，约束上限为矢量V_g；实时更新s个发电机无功约束限值矢量(s维矢量)，单位(MVAR)，其中约束下限为矢量Q _g，约束上限为矢量Q_g；实时更新p个监视母线电压约束限值矢量(p维矢量)，单位(KV)，其中约束下限为矢量V _s，约束上限为矢量V_s；实时更新q个省地协调母线电压运行约束限值矢量(q维矢量)，单位(KV)，其中约束下限为矢量V _c，电压约束上限为矢量V_c；上述约束限值由省调通过电网遥测遥信数据通道实时获取；

3)根据步骤2)所有的约束限值，构造二次规划模型，通过二次规划模型计算出省地协调母线电压协调约束值平方的最大值，及达到该最大值时，省调发电机无功出力矢量增量ΔQ_g；二次规划模型如式(1)所示：

$\underset{\mathrm{\Δ}{Q}_g}{\max }{\left|\right|V_c+C_{\mathrm{cg}}\mathrm{\Δ}{Q}_g\left|\right|}^2$

s.t.V _g≤V_g+C_ggΔQ_g≤V_g

V _s≤V_s+C_sgΔQ_g≤V_s       (1)

V _c≤V_c+C_cgΔQ_g≤V_c

Q _g≤Q_g+ΔQ_g≤Q_g

其中，C_gg为发电机无功出力对发电机母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_sg为发电机无功出力对监视母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_cg为发电机无功出力对省地协调母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵(采用背景技术介绍的已知方法得到)；

将求解二次规划模型得到的发电机无功出力矢量增量ΔQ_g优化值代入

求解得到省地协调母线电压协调约束上限值矢量V_cmax；V_cmax为q维矢量，它的第i个分量代表了通过省调侧发电机对发出无功的调控，在满足发电机母线电压约束限值，省地协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功约束限值情况下，第i个协调母线电压所能达到最大值；

4)根据步骤2)所有的约束限值，构造二次规划模型，通过二次规划模型计算出省地协调母线电压协调约束值平方的最小值，及达到该最小值时，省调发电机无功出力矢量增量ΔQ_g；二次规划模型如式(2)所示：

$\underset{\mathrm{\Δ}{Q}_g}{\min }{\left|\right|V_c+C_{\mathrm{cg}}\mathrm{\Δ}{Q}_g\left|\right|}^2$

s.t.V _g≤V_g+C_ggΔQ_g≤V_g

V _s≤V_s+C_sgΔQ_g≤V_s        (2)

V _c≤V_c+C_cgΔQ_g≤V_c

Q _g≤Q_g+ΔQ_g≤Q_g

其中，C_gg为发电机无功出力对发电机母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_sg为发电机无功出力对监视母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_cg为发电机无功出力对省地协调母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵；

5)将求解二次规划模型得到的发电机无功出力矢量增量ΔQ_g优化值

代入

求解得到省地协调母线电压下限值矢量V_cmin；V_cmin为q维矢量，它的第i个分量代表了通过省调侧发电机对发出无功的调控，在满足发电机母线电压约束限值，省地协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功约束限值情况下，第i个协调母线电压所能达到最小值；

6)在下一次控制周期到来时，返回步骤1)。

以下用一个实施例进一步说明本发明的方法：

本实施例设置控制周期可设定为5分钟；设省调侧包含有发电机s个，发电机母线s个，监视母线有p个，省地协调母线有q个(s，p，q均为非负整数)；本实施例具体包括以下步骤：

1)在一个控制周期开始时，实时采集当前s个发电机母线电压矢量V_g(s维矢量)，例如

当前s个发电机无功矢量Q_g(s维矢量)，例如

p个厂站母线监视电压矢量V_s(p维矢量)，例如

q个省地协调母线电压矢量V_c(q维矢量)，例如

2)省调实时更新s个发电机母线电压约束限值矢量(s维矢量)，其中约束下限为矢量V _g，例如

约束上限为矢量V_g，例如

实时更新s个发电机无功约束限值矢量(s维矢量)，其中约束下限为矢量Q _g，例如

约束上限为矢量Q_g，例如实时更新p个监视母线电压约束限值矢量(p维矢量)，其中约束下限为矢量V _s，例如

约束上限为矢量V_s，例如

实时更新q个省地协调母线电压运行约束限值矢量(q维矢量)，其中约束下限为矢量V _c，例如

电压约束上限为矢量V_c，例如

上述约束限值由省调AVC系统通过电网遥测遥信数据通道实时获取。

3)根据步骤2)所有的约束限值，构造二次规划模型，通过二次规划模型计算出省地协调母线电压协调约束值平方的最大值，及达到该最大值时，省调发电机无功出力矢量增量ΔQ_g；二次规划模型如式(1)所示：

$\underset{\mathrm{\Δ}{Q}_g}{\max }{\left|\right|V_c+C_{\mathrm{cg}}\mathrm{\Δ}{Q}_g\left|\right|}^2$

s.t.V _g≤V_g+C_ggΔQ_g≤V_g

V _s≤V_s+C_sgΔQ_g≤V_s     (1)

V _c≤V_c+C_cgΔQ_g≤V_c

Q _g≤Q_g+ΔQ_g≤Q_g

其中，C_gg为发电机无功出力对发电机母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_sg为发电机无功出力对需要监视母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_cg为发电机无功出力对协调关口节点电压的准稳态灵敏度矩阵。

将求解二次规划模型得到的发电机无功出力矢量增量优化值

例如

将其代入

求解得到省调关口电压运行上限值矢量V_cmax；V_cmax为q维矢量，例如其中第i个协调母线电压上限为230KV，代表经省级电网对发出无功的调控，在满足发电机母线电压约束限值，省地协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功出力约束限值情况下，第i个协调母线所能达到的电压最大值为230KV。

4)根据步骤2)所有的约束限值，构造二次规划模型，通过二次规划模型计算出省地协调母线电压协调约束值平方的最小值，及达到该最小值时，省调发电机无功出力矢量增量

二次规划模型如式(2)所示：

$\underset{\mathrm{\Δ}{Q}_g}{\min }{\left|\right|V_c+C_{\mathrm{cg}}\mathrm{\Δ}{Q}_g\left|\right|}^2$

s.t.V _g≤V_g+C_ggΔQ_g≤V_g

V _s≤V_s+C_sgΔQ_g≤V_s        (2)

V _c≤V_c+C_cgΔQ_g≤V_c

Q _g≤Q_g+ΔQ_g≤Q_g

其中，C_gg为发电机无功出力对发电机母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_sg为发电机无功出力对需要监视母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_cg为发电机无功出力对协调关口节点电压的准稳态灵敏度矩阵；

5)将求解二次规划模型得到的发电机无功出力矢量增量优化值

如

将其代入

求解得到省调关口电压运行上限值矢量V_cmin；V_cmin为q维矢量，例如

其中第i个协调母线电压上限为212KV，代表经省级电网对发出无功的调控，在满足发电机母线电压约束限值，协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功出力约束限值情况下，第i个协调母线所能达到的电压最大值为212KV；

6)在下一次控制周期到来时，返回步骤1)。

Claims (1)

1.一种省地协调母线电压协调约束上下限值获得方法；

该方法定义：省地协调边界220KV变电站220KV母线为省地协调母线；设省调侧包含有发电机s个，发电机母线s个，监视母线p个，省地协调母线有q个，s，p，q均为非负整数；其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)在一个控制周期开始时，省调实时采集当前s个发电机母线电压矢量V_g；当前s个发电机无功矢量Q_g；p个监视母线电压矢量V_s；当前q个省地协调母线电压矢量V_c；

2)省调实时更新s个发电机母线电压约束限值矢量，其中约束下限为矢量V _g，约束上限为矢量V_g；实时更新s个发电机无功约束限值矢量，其中约束下限为矢量Q _g，约束上限为矢量Q_g；实时更新p个监视母线电压约束限值矢量，其中约束下限为矢量V _s，约束上限为矢量V_s；实时更新q个省地协调母线电压运行约束限值矢量，其中约束下限为矢量V _c，电压约束上限为矢量V_c；

3)根据步骤2)所有的约束限值，构造二次规划模型，通过二次规划模型计算出省地协调母线电压协调约束值平方的最大值，及达到该最大值时，省调发电机无功出力矢量增量ΔQ_g；二次规划模型如式(1)所示：

$\underset{\mathrm{\Δ}{Q}_g}{\max }{\left|\right|V_c+C_{\mathrm{cg}}\mathrm{\Δ}{Q}_g\left|\right|}^2$

s.t.V _g≤V_g+C_ggΔQ_g≤V_g

V _s≤V_s+C_sgΔQ_g≤V_s             (1)

V _c≤V_c+C_cgΔQ_g≤V_c

Q _g≤Q_g+ΔQ_g≤Q_g

其中，C_gg为发电机无功出力对发电机母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_sg为发电机无功出力对监视母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_cg为发电机无功出力对省地协调母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵(采用已知方法得到)；

将求解二次规划模型得到的发电机无功出力矢量增量ΔQ_g优化值代入

求解得到省地协调母线电压协调约束上限值矢量V_cmax；V_cmax为q维矢量，它的第i个分量代表了通过省调侧发电机对发出无功的调控，在满足发电机母线电压约束限值，省地协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功约束限值情况下，第i个协调母线电压所能达到最大值；

4)根据步骤2)所有的约束限值，构造二次规划模型，通过二次规划模型计算出省地协调母线电压协调约束值平方的最小值，及达到该最小值时，省调发电机无功出力矢量增量ΔQ_g；二次规划模型如式(2)所示：

$\underset{\mathrm{\Δ}{Q}_g}{\min }{\left|\right|V_c+C_{\mathrm{cg}}\mathrm{\Δ}{Q}_g\left|\right|}^2$

s.t.V _g≤V_g+C_ggΔQ_g≤V_g

V _s≤V_s+C_sgΔQ_g≤V_s           (2)

V _c≤V_c+C_cgΔQ_g≤V_c

Q _g≤Q_g+ΔQ_g≤Q_g

其中，C_gg为发电机无功出力对发电机母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_sg为发电机无功出力对监视母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵，C_cg为发电机无功出力对省地协调母线节点电压的准稳态灵敏度矩阵；

5)将求解二次规划模型得到的发电机无功出力矢量增量ΔQ_g优化值

代入

求解得到省地协调母线电压下限值矢量V_cmin；V_cmin为q维矢量，它的第i个分量代表了通过省调侧发电机对发出无功的调控，在满足发电机母线电压约束限值，省地协调母线电压运行约束限值，监视母线电压约束限值，发电机无功约束限值情况下，第i个协调母线电压所能达到最小值；

6)在下一次控制周期到来时，返回步骤1)。