CN103401249B - 一种基于无功设备可用资源的无功自动安排方法 - Google Patents

Abstract

本发明的方法在实际电网数据下开展无功自动安排的研究和尝试，提出了一种基于无功设备可用资源的无功自动安排方法。该方法针对已安排好网架结构及参数、发电出力和负荷大小的方式数据，自动安排并联电容电抗器的投入数量，保证电压合格，满足无功平衡。无功安排计算以直流潮流为基础，考虑到并联电容电抗器的实际装设情况，充分利用现有设备资源来实现无功的区域平衡。该方法通过对潮流数据进行无功平衡，能够提高电网方式安排的无功合理性，改善潮流数据的收敛性，有助于制定合理的无功配置，实现方式安排的自动化。

Description

一种基于无功设备可用资源的无功自动安排方法

技术领域

本发明属于电力系统方式安排与潮流调整领域，具体涉及一种基于无功设备可用资源的无功自动安排方法。

背景技术

方式安排对电网运行至关重要，是电网调度管理水平的重要体现，也是提高电网节能水平的前提。随着中电网建设的迅猛发展和电网规模的显著扩大，电网运行方式的计算量和调整内容也呈规模性地增长。

方式安排的一项重要工作就是调整潮流使之收敛并满足运行要求。潮流调整就是调整潮流中的发电机出力，无功补偿配置等控制变量，使潮流收敛且满足运行约束。在潮流调整中，无功调整是一个重要问题，也是工作量最大的部分。现阶段的无功调整主要依靠方式计算人员根据有功潮流分布和无功区域平衡原则，参照历史经验数据，反复计算，以满足运行电压要求。随着电网规模的扩大，潮流调整越发困难，潮流收敛性问题和运行约束难以满足的问题十分突出。面对这种情况，如果运行方式人员仅采用传统的人工方式调整潮流，调整过程将变得非常繁琐，且难以保证其正确性，往往需要通过多次的试探以及反复计算才能得到满足要求的潮流结果。这种低效率的工作模式已不能适应现代电网的发展，广大电力工作者和研究人员正在研究自动化、智能化的方式安排方法。所谓电网运行方式的自动调整技术，即是开发软件模拟人工调整运行方式的思路及过程，从而自动完成潮流调整的任务，快速有效地得到收敛且满足运行约束的方式安排。

目前方式安排与潮流调整方面的现有技术方案存在以下缺点：

(1)对方式计算人员的要求比较高；

在实际系统的方式计算工作中，工作人员一般凭借经验，不断尝试安排和调整运行方式并尝试进行潮流计算，而且不同电网、不同时期的运行方式也存在较大差别，调整的手段也不完全一致，因此需要方式计算人员具有较高的专业素质、较丰富的实际经验、对潮流数据有较高的熟悉程度和熟练的调整能力。

(2)方式安排速度慢，效率低，耗费大量人力；

在方式安排初期，由于潮流计算不容易收敛，没有潮流结果，工作人员得不到系统的状态信息，需要反复的对运行方式进行人工调整，完全依靠经验调整有一定的盲目性，且调整效率低。即使在潮流收敛之后，也需要不断调整运行方式，使得潮流符合电网实际、满足运行要求，在此过程依然需要反复地调整数据，调整方式数据的工作量比较大，计算时间比较长，效率比较低。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于无功设备可用资源的无功自动安排方法，基于已安排好网架结构与参数、发电出力和负荷数据的方式数据，自动安排并联电容电抗器的投入数量，以满足区域无功平衡。计算过程中考虑到并联电容电抗器的实际装设情况，算法充分利用现有设备来实现无功的区域平衡。

本发明提供一种基于无功设备可用资源的无功自动安排方法，其改进之处在于，所述方法包括以下步骤：

(1)数据准备；包括：

获取初始方式数据，包含电网拓扑结构及设备参数、发电出力和负荷数据；和获取电网中可用的无功补偿设备的类型、单组容量、最大组数以及安装点母线；

(2)进行直流潮流计算；

(3)根据直流潮流计算结果进行理想无功补偿计算；包括步骤有：

(3.1)计算每条线路的无功损耗ΔQ_L，包括串联电抗中的无功损耗ΔQ_Lx和并联电纳中的充电功率ΔQ_Lb；

(3.2)计算每个变压器支路的无功损耗ΔQ_T，包括激磁支路中的无功损耗ΔQ_Tx和绕组漏抗中的损耗ΔQ_Tb；

(3.3)计算节点补偿总量，将每条线路或变压器支路的无功功率分点设在支路的中点，支路的无功损耗分别在两侧节点等量补偿，并计及节点处的负荷无功大小，得到每个节点的理想无功补偿量；

(4)进行无功补偿转移计算；包括步骤有：

(4.1)对当前处理节点i，根据理想无功补偿量和无功设备可用资源情况，计算待转移无功量ΔQ_i，确定是否需要转移无功，若不需要则循环(4.1)处理下一节点，若需要则进行下一步；

(4.2)计算节点i到其它每个节点j的电气距离，按照电气距离由小极大的顺序组成序列Ω_i＝{j₁,j₂,...j_k,j_k+1...,j_n}；

(4.3)对于当前节点j_k（k∈(1,n)），判断与节点i到节点j_k的电气距离是否过大，若超过设定值则转入步骤(4.4)，否则根据节点j_k处的无功设备可用资源情况计算节点i到节点j_k的无功可转移范围[-Q_Lshunt-jk,Q_Cshunt-jk]；根据待转移无功量ΔQ_i及无功可转移范围[-Q_Lshunt-jk,Q_Cshunt-jk]进行节点i到节点j_k的无功转移计算并修正节点i的无功补偿出力Q_i，然后再次计算节点i的待转移无功量ΔQ_i，若不需要转移无功则返回步骤(4.1)处理下一节点，若需要转移则循环步骤(4.3)，处理节点j_k+1；

(4.4)对所有节点无功转移结束之后，每个节点的无功补偿量即为转移后的无功补偿结果；

(5)进行无功补偿离散化计算，将步骤（4）计算的无功补偿结果根据并联电容电抗器的单组容量进行离散化，得到无功补偿设备的投入类型、投入组数以及投入容量；

(6)输出自动安排无功后的方式数据；

(7)输出无功自动安排过程的警告及错误信息，结束。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

本发明为电力系统计算分析提供一种自动配置无功补偿的方法，对电力系统规划、设计和运行中的方式安排与潮流调整都有重要意义。无功配置是在电网拓扑结构、参数、电源和负荷确定以后，根据有功潮流分布，按照无功区域平衡的原则，确定无功补偿的地点和容量。无功配置是方式安排工作中的一个重要问题，也是工作量最大的部分。无功安排是否合理，直接关系到目标方式潮流的收敛性和合理性，也是下一步进行各种电气计算的前提。

本发明的直流潮流的理想无功补偿方法不依赖于收敛的潮流，通过直流潮流结果中的支路有功功率和节点额定电压来计算电网的无功损耗，采用全网补偿原理由电网各元件的无功就地平衡实现整个电网的无功就地平衡，因此理想无功补偿计算结果能很好地满足无功平衡，提高潮流收敛性。

本发明的无功补偿的转移计算考虑了补偿设备的配置及其运行条件对无功调整手段的限制，如母线是否配置了可供调整的无功设备、无功补偿装置的容量的可调范围等，将全网的理想无功补偿量分配到可用的无功设备上，实现了由理想无功补偿的无功就地平衡转化为更符合实际的无功就近平衡，即区域平衡。

实际电力系统中，并联电容电抗器通常是由若干组设备构成，只能成组投切，因此无功源的无功大小属于离散变量。本发明无功转移计算结束后，还需要根据待选无功设备的单组容量，对各节点无功补偿容量进行离散化，配置符合实际的无功补偿设备。

本方法在实际电网数据下开展无功自动安排的研究和尝试，提出了基于无功设备可用资源的无功自动安排方法。该方法基于已安排好网架结构、发电出力和负荷数据的方式数据，自动安排并联电容电抗器的投入数量，以满足无功平衡。计算过程中考虑到并联电容电抗器的实际装设情况，算法充分利用现有设备来实现无功的就地平衡。该方法通过对潮流数据进行无功调整，能够提高潮流数据的收敛性，有助于实现方式安排的自动化，提高电网方式安排的无功合理性。

由于本方法自动进行无功安排计算，不需要大量人力的参与，方式安排速度也明显提升，有效地解决了传统工作模式中需要大量人力、过于依靠方式编制人员经验、计算速度慢、效率较低的弊病。

附图说明

图1是依据本发明的方法的无功自动安排的流程图。

图2是依据本发明的方法的基于电气距离的无功转移计算流程图。

图3是依据本发明的方法进行无功自动安排的电网示意图。

具体实施方式

本发明的无功自动安排方法，先基于已安排好的电网结构与参数、发电出力和负荷数据进行直流潮流计算，然后根据直流潮流结果确定理想无功补偿方案，再经过无功转移计算和离散化计算，最终得到符合实际无功补偿设备可用资源情况的无功安排方案。

本实施例的无功自动安排方法的流程图如图1所示，具体包括如下步骤：

(1)数据准备；

(3)进行直流潮流计算；

(4)根据直流潮流计算结果进行理想无功补偿计算；

(5)进行无功补偿转移计算；

(6)进行无功补偿离散化计算，得到无功补偿设备的投入类型、投入组数以及投入容量；

(7)输出自动安排无功后的方式数据；

(8)输出无功自动安排过程的警告及错误信息，结束。

其中，本实施例以主要的两个部分重点说明，一个是根据直流潮流计算确定节点的理想无功补偿方案；另一个是根据无功补偿设备可用资源情况进行无功转移和离散化。

1、直流潮流计算与理想无功补偿计算；

直流潮流计算根据电网拓扑结构与支路参数、负荷有功数据和发电有功数据得到各支路的有功功率，进而通过支路有功功率和节点额定电压来计算电网的无功损耗。

理想无功补偿计算采用的是全网补偿原理，即电网的每个节点都参与到无功补偿计算中，同时根据无功分点在支路中点的运行方式时最优的运行方式这一基本原理，由电网各元件的无功就地平衡实现整个电网的无功就地平衡。理想化初始无功补偿要求对于电网输电线路无功损耗、变压器无功损耗进行补偿，负载的无功就地平衡，分别计算如下：

（1）线路无功损耗计算；

输电线路上的无功损耗分为两部分：串联电抗中的无功损耗ΔQ_Lx，并联电纳中的无功损耗ΔQ_Lb。串联电抗中的损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性；并联电纳中损耗又称充电功率，与线路的电压平方成正比，呈容性，如将其作感性处理应取负值，反之亦然。

根据直流潮流求出的各支路有功潮流，同时假设所有节点电压U＝1.0p.u.，则有功潮流产生的线路电抗无功功率损耗为：

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{Lij}-x}=\frac{P_{\mathrm{Lij}}^2}{U^2{\mathrm{\λ}}^2}{x}_{\mathrm{Lij}}=\frac{P_{\mathrm{Lij}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}{x}_{\mathrm{Lij}}$

式中ΔQ_Lij-x为节点i相连的线路支路L_ij的电抗无功损耗；P_Lij为线路L_ij的有功功率；x_Lij为线路L_ij的电抗；为负荷侧功率因数。

线路充电功率为：

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{Lij}-b}=\frac{1}{2}{U}^2{b}_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}{b}_{\mathrm{ij}}$

式中，ΔQ_Lij-b为线路L_ij的充电功率；b_ij为线路L_ij的对地电纳。

（2）变压器无功损耗计算；

变压器的无功损耗也包括两部分：激磁支路的损耗和绕组漏抗中损耗。直流潮流中，变压器支路有功潮流及无功损耗计算与普通线路等同考虑。需要注意的是形成导纳矩阵时，应将三绕组变压器处理成三条双绕组变压器支路。故

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{Tij}}=\frac{P_{\mathrm{Tij}}^2}{U^2{\mathrm{\λ}}^2}{x}_{\mathrm{Tij}}=\frac{P_{\mathrm{Tij}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}{x}_{\mathrm{Tij}}$

式中，ΔQ_Tij为与节点i相连的变压器支路T_ij的无功损耗；P_Tij为与节点i相连的变压器支路T_ij的有功损耗；x_Tij为变压器支路T_ij的激磁电抗。

（3）节点补偿总量的计算；

在考虑变压器等值支路后形成全电网导纳矩阵，通过潮流计算后，确定每条支路（包括所有的线路支路和变压器支路）的无功损耗。按最优无功补偿理论，将每条线路的无功功率分点设在线路的中点，线路的无功损耗（或过剩无功）分别在本线路两侧等量补偿，变压器的无功损耗当成线路一样考虑。将与节点i相关联的所有支路功率损耗汇总得到节点补偿无功总量。计及无功负荷的就地补偿，有：

${\mathrm{\ΔQ}}_i=\frac{1}{2}\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{Tij}}+\frac{1}{2}\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{Lij}-x}-{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{Lij}-b}+Q_{\mathrm{load}}$

式中ΔQ_i即为节点i需要补偿的理想初始无功补偿量，ΔQ_Tij为与节点i相连的变压器支路T_ij的无功损耗，ΔQ_Lij-x为节点i相连的线路支路L_ij的电抗无功损耗，ΔQ_Lij-b为线路L_ij的充电功率，Q_load节点i处的无功负荷。

2、基于电气距离的无功转移计算和离散化处理；

基于直流潮流和全网补偿原理算出的各节点无功补偿量只是理想状态，还需要进一步考虑补偿设备的配置及其运行条件对无功调整手段的限制，如母线是否配置了可供调整的无功设备、无功补偿装置的容量的可调范围等，需要将全网的理想无功补偿量分配到可用的无功设备上，即无功转移，最终实现无功区域平衡。无功转移的思路如下：

(1)优先考虑各无功补偿节点的就地平衡：基于理想状况下全网补偿的原理，结合实际电网无功补偿装置的容量限额，首先尽量实现每个无功补偿点的就地平衡，不能就地平衡的再考虑转移问题；

(2)不能就地平衡的考虑区域平衡：对于补偿容量越限的无功补偿节点，将其补偿值设为其限值，并将其越限的容量转移给周围有充足容量的无功电源上，区域平衡最理想的状态就是各点就地平衡；

(3)转移：根据无功功率区域平衡的要求，将每个节点需转移的无功容量，按一定的转移原则分配给周围的无功源，使它们能根据分配的不平衡量调整自身的无功功率，逐步减小该节点的无功不平衡量，使所有节点的无功功率实现区域平衡基础上的合理分布。

选择周围无功源的主要依据是节点间的电气距离，即节点i与j间的互阻抗Z_ij＝R_ij+jX_ij，可进一步简化为两节点间的电抗X_ij。无功补偿转移计算的流程图如图2所示，具体包括如下步骤：

1）对当前处理节点i，根据理想无功补偿量和无功设备可用资源情况，计算待转移无功量ΔQ_i，如果ΔQ_i不为零就需要转移无功，如果不需要转移无功则重复步骤1）处理下一节点，如需要则进行下列步骤；

2）计算节点i到其它每个节点j的电气距离，按照电气距离由小极大的顺序组成序列Ω_i＝{j₁,j₂,...j_k,j_k+1...,j_n}；

3）按照k由小到大的顺序，判断与节点i到节点j_k的电气距离是否过大（通常用电气距离超过标幺值1.0为电气距离过大的标准），如超过设定值则转步骤4），否则根据节点j_k处的无功设备可用资源情况计算节点i到节点j_k的无功可转移范围[-Q_Lshunt-jk,Q_Cshunt-jk]。根据ΔQ_i及[-Q_Lshunt-jk,Q_Cshunt-jk]进行i到j_k的无功转移计算并修正节点i的无功补偿出力Qi，即按照节点i到节点j_k能转移无功的最大值进行转移，并在Q_i中减去该部分的无功转移量。之后再次计算节点i的待转移无功量ΔQ_i，如果ΔQ_i为零即不需要转移无功则转至步骤1）处理下一节点，如需要转移则重复步骤3），处理节点j_k+1。

4）对所有节点无功转移结束之后，每个节点的无功补偿量即为转移后的无功补偿结果。

实际电力系统中，并联电容电抗器通常是由若干组设备构成，只能成组投切，因此无功源的无功大小属于离散变量。无功转移计算结束后，还需要根据待选无功设备的单组容量，对各节点无功补偿容量进行离散化，配置符合实际的无功补偿设备。在电力系统无功优化中，对并联电容器组、变压器变比等离散变量的处理方法主要有就地规整法、惩罚因子法、分支定界法等。本实施例采用就地规整法，也称为离散变量的一次就近锁定。根据电容电抗器的单组容量，将各节点转移计算后的无功补偿容量值归整为单位容量的整数倍，约束条件为归整后的结果不能超过各点无功设备的总容量。

本实施例在某区域电网方的式安排中得到应用，该电网规模较大，网络复杂，图3为该电网的简化示意图。

首先，获取该电网的已安排好网架结构及参数、发电出力和负荷大小的一套方式数据，该方式数据的无功配置不合理；再获取该电网的无功设备可用资源数据，包括无功补偿设备的类型、单组容量、最大组数以及安装点母线。利用本实施例的方法进行无功自动安排，根据得到的结果生成潮流数据并进行潮流计算，计算结果收敛，电压在0.95至1.05之间节点占总节点数量的88.4%。对同样的方式数据由人工安排无功并生成潮流数据，潮流计算结果中电压在0.95至1.05之间节点占总节点数量的79.6%。这说明利用本发明的方法产生的潮流结果电压更加合理，进而证明自动安排的无功更加合理。本技术方案在该实际电网中的应用取得了预期效果。

本方法在实际电网数据下开展无功自动安排的研究和尝试，提出了一种基于无功设备可用资源的无功自动安排方法。该方法针对已安排好网架结构及参数、发电出力和负荷大小的方式数据，自动安排并联电容电抗器的投入数量，以满足无功平衡。无功安排计算以直流潮流为基础，考虑到并联电容电抗器的实际装设情况，充分利用现有设备资源来实现无功的区域平衡。该方法有助于实现方式安排的自动化，提高电网方式安排的无功合理性，通过对潮流数据进行无功优化，能够提高潮流数据的收敛性。该方法自动进行无功安排计算，不需要大量人力的参与，方式安排速度也明显提升，有效地解决了传统工作模式中需要大量人力、过于依靠方式编制人员经验、计算速度慢、效率较低的弊病，对电力系统规划、设计和运行中的方式安排与潮流调整都有重要意义，具有广泛的推广应用前景。

已经根据优选的实施例描述了本发明。显然，在阅读和理解了上述详细说明书后能做出多种修正和替换。本发明意欲的是本申请构建成包括了落入附属的权利要求书或其等同物的范围之内的所有这些修正和替换。

Claims (4)

1.一种基于无功设备可用资源的无功自动安排方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)数据准备；

(2)进行直流潮流计算；

(3)根据直流潮流计算结果进行理想无功补偿计算；

(4)进行无功补偿转移计算；

(5)进行无功补偿离散化计算，得到无功补偿设备的投入类型、投入组数以及投入容量；

(6)输出自动安排无功后的方式数据；

(7)输出无功自动安排过程的警告及错误信息，结束；

所述步骤(4)进行无功补偿转移计算，包括如下步骤：

(4.1)对当前处理节点i，根据理想无功补偿量和无功设备可用资源情况，计算待转移无功量ΔQ_i，确定是否需要转移无功，若不需要则循环(4.1)处理下一节点，若需要则进行下一步；

(4.2)计算节点i到其它每个节点j的电气距离，按照电气距离由小及大的顺序组成序列Ω_i＝{j₁,j₂,...j_k,j_k+1...,j_n}；

(4.3)对于当前节点j_k，判断与节点i到节点j_k的电气距离是否过大，若超过设定值则转入步骤(4.4)，否则根据节点j_k处的无功设备可用资源情况计算节点i到节点j_k的无功可转移范围[-Q_Lshunt-jk,Q_Cshunt-jk]；根据待转移无功量ΔQ_i及无功可转移范围[-Q_Lshunt-jk,Q_Cshunt-jk]进行节点i到节点j_k的无功转移计算并修正节点i的无功补偿出力Q_i，然后再次计算节点i的待转移无功量ΔQ_i，若不需要转移无功则返回步骤(4.1)处理下一节点，若需要转移则循环步骤(4.3)，处理节点j_k+1；

(4.4)对所有节点无功转移结束之后，每个节点的无功补偿量即为转移后的无功补偿结果。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)数据准备包括：

获取初始方式数据，包含电网拓扑结构及设备参数、发电出力和负荷数据；和获取电网中可用的无功补偿设备的类型、单组容量、最大组数以及安装点母线。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)根据直流潮流结果进行理想无功补偿计算，包括如下步骤：

(3.1)计算每条线路的无功损耗ΔQ_L，包括串联电抗中的无功损耗ΔQ_Lx和并联电纳中的充电功率ΔQ_Lb；

(3.2)计算每个变压器支路的无功损耗ΔQ_T，包括激磁支路中的无功损耗ΔQ_Tx和绕组漏抗中的损耗ΔQ_Tb；

(3.3)计算节点补偿总量，将每条线路或变压器支路的无功功率分点设在支路的中点，支路的无功损耗分别在两侧节点等量补偿，并计及节点处的负荷无功大小，得到每个节点的理想无功补偿量。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)进行无功补偿离散化计算时，将步骤(4)计算的无功补偿结果根据并联电容电抗器的单组容量进行离散化，得到无功补偿设备的投入类型、投入组数以及投入容量。