CN102664402A

CN102664402A - 基于潮流直接可解的船舶电力系统pmu优化配置方法

Info

Publication number: CN102664402A
Application number: CN2012101254294A
Authority: CN
Inventors: 夏立; 王家林; 卜乐平; 邵英; 王征
Original assignee: Naval University of Engineering PLA
Current assignee: Naval University of Engineering PLA
Priority date: 2012-04-26
Filing date: 2012-04-26
Publication date: 2012-09-12

Abstract

一种基于潮流直接可解的船舶电力系统PMU优化配置方法，包括a.)得到不同工况下潮流方程及节点关联矩阵；b.)用系统节点关联矩阵描述潮流方程的特点；c.)判断在船舶电力系统某一工况下的潮流方程，PMU配置方案是否满足潮流直接可解；d.)在c.)的基础上，判断PMU配置方案是否满足不同工况下潮流直接可解；e.)借鉴N-1量测冗余度分析原则对N-1电压相量可解冗余度作定义；f.)在最大运行工况下，在保证满足不同工况条件下潮流方程直接可解的基础上，PMU配置数目尽量少而N-1电压相量可解冗余节点最多；g.)采用量子遗传算法具有全局寻优的能力能在整个解空间内快速搜索多目标函数的Pareto最优解。

Description

基于潮流直接可解的船舶电力系统PMU优化配置方法

技术领域

本发明涉及独立电力系统系统分析领域，具体是一种基于潮流直接可解的船舶电力系统PMU优化配置方法。

背景技术

潮流计算用以分析船舶电力系统在某一时间断面，系统各状态变量值与系统内的功率分布情况，其计算结果为系统智能保护提供初始条件和判别依据。常规潮流计算方法如牛顿-拉夫逊法和快速解耦等方法不易收敛，但船舶电力系统与陆用电力系统配电网络类似，因此，可借鉴陆用配电网潮流计算方法来进行船舶电力系统潮流分析。可采用的方法有：回推-前推算法、Zbus法、回路阻抗法、改进牛顿法等。

其中回推-前推算法对于纯辐射型网络或弱环网络编程简单，求解速度快，但处理网孔能力较差，随着网孔数量的增加，算法收敛性变差，Zbus法处理PV节点的能力较弱，求解时间较长，算法效率低；回路阻抗法虽然处理网孔能力较强，但处理PV节点的能力依然较弱；改进牛顿法仍然对初值的选取敏感；改进回推/前推算法，解决了船舶电力系统潮流计算中弱环网运行状态和系统多源问题，但其计算处理复杂且适应性不强。而随着GPS(高精度全球卫星导航/定位系统)的全面民用化，近年来国内外许多学者在基于GPS的同步相量测量单元方面开展研究，尤其在硬件性能方面取得了很大进展，已经开始装备于陆地电力系统。

同步相量测量是应复杂电力系统实时动态监控的需要而兴起的一项技术--同步相量测量装置(Phasor Measurement Unit，PMU)，可以在安装地点对电力系统相应的各种参数进行同步的采集和实时的计算，并根据不同的电力系统监控模式，将检测数据传送给监控网络中数据需求节点。若PMU的测量精度足够高，则可以认为直接测得相应节点的电压幅值和相角，PMU高精度测量值使传统潮流计算的节点类型发生了很大变化：配置PMU的PQ节点变成了PQVΘ节点，配置PMU的PV节点变成了PVΘ节点，而平衡节点配置PMU正是系统中其它PMU的相角(时间)参考点。因此PMU的高精度测量值将对传统的潮流计算产生重大影响。基于此，已有研究提出了系统潮流方程直接可解的概念，应用PMU的测量值的潮流方程直接求解方法不需迭代计算，避免了其他潮流计算方法难以解决的问题，提高了潮流计算的速度和精度，有很强的适应性。

但目前的研究通常集中于实现陆地电网全网的潮流直接可解，不能适应船舶电力系统因使命任务不同而处于不同的运行工况时其网络结构和潮流方程发生改变的情况。而目前基于船舶电力系统特点的PMU最优配置方法鲜见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对船舶电力系统的特点提出一种基于潮流直接可解的船舶电力系统PMU优化配置方法。

本发明基于潮流直接可解的船舶电力系统PMU优化配置方法，包括如下步骤：

a.)根据船舶电力系统的特点，得到不同工况下潮流方程及节点关联矩阵；

b.)用系统节点关联矩阵描述潮流方程的特点；由系统节点导纳矩阵和节点关联矩阵的定义可知其矩阵维数相同且矩阵元素中非零元位置相同，因此可以用系统节点关联矩阵描述潮流方程的特点：关联矩阵中每一行对应一个潮流方程，每一列代表对应的节点电压向量，“1”表示潮流方程中未知节点电压向量；

(1)若某一节点配置PMU，则潮流方程中该节点的电压向量已知，关联矩阵对应的列的元素全部置零；

(2)若矩阵中某一行只含一个“1”，则说明其对应的潮流方程只含有一个未知节点电压向量，方程可解，且该非零元所在列对应的节点的电压向量亦可知；

c.)在船舶电力系统某一工况下的潮流方程，PMU配置方案是否满足潮流直接可解的判断条件是：考查一种PMU配置方案，配置有PMU的节点电压相量成为已知，

(1)根据船舶电力系统某一工况下的拓扑结构和潮流方程组，形成得到电力系统关联矩阵，设定系统的平衡节点；

(2)将关联矩阵中已知电压相量的所在列的元素全部置零；

(3)若部分置零后的矩阵中某一行只含一个非零元，则将该非零元所在列全部置零；

(4)重复步骤(3)，若经变换处理后的矩阵为零秩矩阵，则该配置方案可使潮流方程直接可解，否则不直接可解。

d.)在c.)的基础上，考虑船舶电力系统不同工况条件下的潮流方程特点，PMU配置方案是否满足不同工况下潮流直接可解的判断条件是：

(1)根据船舶电力系统的不同运行工况形成得到各运行工况下关联矩阵；

(2)确定最大运行工况和从船舶电网中剔除在不同工况下发生拓扑改变的线路和节点形成的强壮子图及其包含的节点；

(3)采用c.)所述方法判断在强壮子图所属节点上配置PMU的配置方案是否满足最大运行工况下潮流方程直接可解条件；

(4)满足(3)，则该配置方案满足不同工况下潮流方程直接可解条件，反之则不满足。

e.)借鉴N-1量测冗余度分析原则对N-1电压相量可解冗余度作如下定义：当所配置的全部PMU中任意一个出现故障时，电压相量均能保持直接可解的节点，称为冗余可解节点；对于一个n节点电网，若采用某PMU配置方案可存在r个冗余可解节点，则该方案的N-1电压相量可解冗余度为：Dr＝r/n。

f.)着重考虑最大运行工况下PMU配置数目最少和N-1电压相量可解冗余度最高条件下的PMU最优配置问题。PMU优化配置目标是对于船舶电力系统最大运行工况下确定的n节点电网，在保证满足不同工况条件下潮流方程直接可解的基础上，PMU配置数目尽量少而N-1电压相量可解冗余节点最多，则多目标优化模型为

约束条件是PMU的配置方案满足最大运行工况下潮流方程直接可解条件。其中，

表示配置PMU总数，

g.)采用量子遗传算法具有全局寻优的能力能在整个解空间内快速搜索多目标函数的Pareto最优解，好的种群多样性使搜索到的Pareto最优解在前沿均匀分布的优点求解f.)中多目标优化模型。

本发明有以下有益效果：优化配置PMU实现船舶电力系统不同工况下的潮流方程直接可解可为船舶电力系统潮流计算提供有效途径。该方法具有表达简单，易于在编程中实现的优点，具有很高的合理性和灵活性，可根据实际需要选择最合适的配置方案，可为船舶电力系统配置PMU提供参考。

附图说明

图1为24节点典型船舶电力系统结构示意图；

图2为不同工况下船舶电力系统节点关联矩阵图；

图3为船舶电力系统强壮子图；

图4为Pareto前沿。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

船舶电力系统如图1所示，系统不同工况的节点关联矩阵如图2所示，图3为系统强壮子图。节点1为平衡节点，量子遗传算法的参数取为：种群规模为10，量子染色体长度为15，初始测量次数K取6，旋转调整角步长取0.01*π，交叉调整角步长取0.04*π，最大进化代数为600。目标函数和约束条件的模型依具体实施方案建立，采用量子遗传算法进行优化求解，可找到能综合实现PMU安装数尽量少和冗余可解节点数尽量多两目标的一系列Pareto最优解，表1中仅列出了部分PMU多目标优化配置方案，最终得到的Pareto前沿如图4所示。

表1 PMU多目标优化配置方案

通过判断可知得到的PMU多目标优化配置方案亦能满足其他工况下潮流方程直接可解条件。由表1可以看出，最少配置3个PMU可以使得不同工况下的潮流方程直接可解，但系统的N-1冗余可解节点r为零。在潮流方程直接可解的前提下，要提高N-1电压相量可解冗余度，必须以增加PMU为代价。当配置6个PMU时，N-1电压相量可解冗余度达到最高值1。若船舶空间设计允许，可配置6个PMU以增强PMU的量测能力，而配置的PMU数目也只有节点数的四分之一；同时亦可在对节点重要性评估的基础上合理选择PMU配置节点。

可见，本发明针对船舶电力系统的PMU优化配置方法具有很高的合理性和灵活性，可根据实际需要选择最合适的配置方案。

Claims

1.一种基于潮流直接可解的船舶电力系统PMU优化配置方法，其特征在于包括如下步骤：

b.)用系统节点关联矩阵描述潮流方程的特点：关联矩阵中每一行对应一个潮流方程，每一列代表对应的节点电压向量，“1”表示潮流方程中未知节点电压向量；其中

c.)判断在船舶电力系统某一工况下的潮流方程，PMU配置方案是否满足潮流直接可解，其判断条件是：考查一种PMU配置方案，配置有PMU的节点电压相量成为已知，具体的判断步骤为

(2)将关联矩阵中已知电压相量的所在列的元素全部置零；

(4)重复步骤(3)，若经变换处理后的矩阵为零秩矩阵，则该配置方案可使潮流方程直接可解，否则不直接可解；

d.)在c.)的基础上，考虑船舶电力系统不同工况条件下的潮流方程特点，判断PMU配置方案是否满足不同工况下潮流直接可解，其判断条件是：

(4)满足(3)，则该配置方案满足不同工况下潮流方程直接可解条件，反之则不满足；

e.)借鉴N-1量测冗余度分析原则对N-1电压相量可解冗余度作如下定义：当所配置的全部PMU中任意一个出现故障时，电压相量均能保持直接可解的节点，称为冗余可解节点；对于一个n节点电网，若采用某PMU配置方案可存在r个冗余可解节点，则该方案的N-1电压相量可解冗余度为：Dr＝r/n；

f.)在最大运行工况下，在保证满足不同工况条件下潮流方程直接可解的基础上，PMU配置数目尽量少而N-1电压相量可解冗余节点最多，多目标优化模型为

约束条件是PMU的配置方案满足最大运行工况下潮流方程直接可解条件，其中，

表示配置PMU总数，

i＝1，2，L n；

g.)采用量子遗传算法具有全局寻优的能力能在整个解空间内快速搜索多目标函数的Pareto最优解。