CN103795068A - 一种高压配网动态无功补偿装置容量的优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压配网动态无功补偿装置容量的优化配置的方法。高压配网动态无功补偿装置优化配置容量的选择是在高压配网中，结合敏感负荷特性，引入电压暂降风险作为电压稳定的考虑对象。建立无功优化的单目标函数模型，将电压暂降损失、线路有功损耗、动态无功补偿装置费用经济量化相加。设定多组无功容量并求取相应的总支出费用。通过MATLAB软件对费用和容量进行曲线拟合，以计算最优容量。该方法考虑了高压配网电压敏感负荷目前正在持续增长的现代电网特征、电网发生电压暂降概率远远大于电压崩溃或电压失稳的概率和目前动态无功补偿装置配置费用相对较高等实际影响因素，从理论和工程角度上反映了其优越性。因此，该方法具有较好的实际指导意义。

Description

一种高压配网动态无功补偿装置容量的优化配置方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，提出了一种高压配网动态无功容量优化配置的方法。

背景技术

传统型负荷只考虑电压断电与否，而随着科技高速发展，敏感负荷越来越多，这对电压质量也提出了更高要求。电压暂降作为目前最受关注的动态电能质量问题之一，不仅发生频率高，而且对系统尤其是敏感负荷造成巨大的经济损失。基于大功率电力电子的柔性交流输电系统(Flexible ACTransmission System，FACTS)技术广泛应用于电力工业，对增强电力系统运行的稳定性和安全性、提高输电能力和用电效率、在节能及改善电能质量等方面都发挥越来越重要的作用。与传统无功补偿设备相比，以静止无功补偿器(static var compensator，SVC)和静止同步补偿器(static synchronouscompensator，STATCOM)为代表的动态无功补偿装置具有快速响应特性，可以有效提高系统的动态无功储备，改善系统的暂态电压稳定性，减少电压暂降对系统尤其是敏感负荷造成的巨大经济损失。在安装地点确定的情况下，动态无功容量的优化配置具有很重要的现实意义。

动态无功补偿装置(STATCOM、SVC)作为一种典型的FACTS装置，具有以下作用：①当系统发生故障或突增负荷时，动态地提供电压支撑，确保母线电压的稳定性，提高电力系统暂态稳定水平，减少低压释放负荷数量，并防止因暂态电压崩溃导致的大面积恶性停电事故；②动态地维持输电线路端电压，提高输电线路稳态传输功率极限(每kvar的输出约能提高0.5～0.7kW的暂态稳定极限值)，提高交直流远距离输电能力；③抑制系统过电压，改善系统电压稳定性；④阻尼电力系统功率振荡；⑤在负荷侧，抑制电压闪变、补偿负荷不平衡、提高功率因数、改善电能质量。

动态无功补偿可实时响应系统的无功需求，动态无功补偿装置最佳配置地点和配置容量随着场景(包括方式和扰动)不同而变化，而且装置的配置必须考虑对暂态过程的控制效果。动态无功补偿装置设备造价昂贵，但配置结论具有强烈的特定性，难以广泛、大容量采用。在配置点以确定的情况下如何确定最佳的配置容量是关键，因此提出一种高压配网动态无功容量优化配置的方法。

发明内容

本发明根据高压配网中存在的暂态电压安全风险，结合敏感负荷特性建立无功优化的单目标函数模型，将电压暂降损失、线路有功损耗、动态无功补偿装置费用经济量化相加。设定多组无功容量并求取相应的总支出费用。通过MATLAB软件对费用和容量进行曲线拟合，以计算最优容量。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的，该技术方案包括下列步骤：

1)在高压配网中，考虑对各节点电压的影响因素，建立包括线路故障类型，故障地点，故障持续时间等随机模型。

2)通过MATLAB软件进行大量仿真，列举所有故障地点，故障位置，并求取相应故障状态下负荷节点的电压暂降情况，得出暂降电压发生概率表。

3)定义年总支出费用作为系统研究的单目标函数。其组成部分包括年电压暂降损失费用，线路有功损耗费用和STATCOM投资装置费用。提出以年总支出费用最小为目标的优化模型。

4)将敏感负荷等效为一个综合性的敏感负荷进行处理。根据暂降电压发生概率表设定当电压暂降值大于0.9时，敏感负荷正常运行，为正常区；当暂降值小于0.6时，敏感负荷全部脱扣，为故障区；当电压暂将值大于0.6小于0.9时，为不确定区。

5)对于不确定区，考虑到故障发生的严重程度与暂降时间和暂降电压值密切相关，定义故障严重程度，得出故障严重程度表，不同故障严重程度下，电压暂降引起的经济损失值不一样。采用质量工程理论中的质量损失函数对电压暂降经济损失进行评估。

6)定义年暂降总经济损失。电压暂降造成的年经济损失与暂降发生的年次数，暂降电压概率分布和对应的经济损失有关。

7)确定有功损耗费用与STATCOM装置投入费用。

8)设定安装不同STATCOM容量，进行仿真。

9)采用MATLAB(矩阵实验室)中的CFTOOL(曲线拟合工具箱)对第8步得到的数据进行拟合，求出年电压暂降费用与安装STATCOM容量的函数关系。

10)分别计算步骤8中配置不同STATCOM容量时对应的年总支出费用，列出年总支出费用与配置容量的函数关系，画出图形并求出年总支出费用最小下对应的STATCOM最优容量。

本发明公开了一种高压配网动态无功补偿装置容量的优化配置方法。基于高压配网的电压暂降风险建立了无功优化的单目标函数模型，将电压暂降损失、线路有功损耗、动态无功补偿装置费用经济量化相加，设定多组无功容量并求取相应的总支出费用，通过MATLAB软件对费用和容量进行曲线拟合，确定最优配置容量。该高压配网动态无功补偿装置的优化配置过程中，以考虑电压暂降风险的年总支出费用最小为依据确定最优配置容量，在经济运行的基础上提高电网安全稳定裕度。1、以年总支出费用包括电压暂降损失，系统有功损耗费用和STATCOM补偿装置投资最小为目标函数建立优化模型，实现了经济成本运行最小化下的最优容量配置。2、考虑了高压配网电压敏感负荷目前正在持续增长的现代电网特征、电网发生电压暂降概率远远大于电压崩溃或电压失稳的概率和目前动态无功补偿装置配置费用相对较高等实际影响因素，从理论和工程角度上反映了其优越性，而且该方法具有普遍适用性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是莞城片区高压配网地理接线图。

图2是本发明方法的流程图。

图3是不确定区域示意图。

图4是动态无功补偿装置安装容量与年运行费用的拟合曲线图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明方法进行详细描述。

图1莞城片区高压配网地理接线图，该区是以莞城500kV枢纽站点为中心的典型220kV片区，包含9个220kV的站点。

图2中步骤1描述的是确定故障类型，故障地点，故障持续时间随机模型。

在高压配网中以持续5个周波故障时间，确定

故障类型概率模型：

式中：x为随机选取的故障类型变量

故障地点概率模型：

$F_L=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}<y<p_l\\ 2,p_l\&le;y<{2p}_l\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ m,(m-1)p_l\&le;y<1.0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：m为线路总数；y为随机选取的故障地点变量，服从(0，1)之间的均匀分布；p_l=1/m，表示在误差允许情况下将各线路均看成一个故障节点，不考虑线路发生故障的具体位置，所有节点发生故障的可能性是均等的。

图2中步骤2描述的是确定通过大量仿真列举所有故障地点，故障位置，并求取相应故障状态下负荷节点的电压暂降情况，保存数据如表1。

表1莞城片区电压暂降概率表

图2中步骤3描述的是定义年总支出费用作为系统研究的单目标函数，如式(3)。提出以年总支出费用最小为目标的优化模型。

minF=R_C+R_L+R_S            (3)

式中：F为年总支出费用；R_C为年电压暂降损失费用；R_L为线路年有功损耗费用；R_S为STATCOM装置的年投资费用。

图2中步骤4描述的是将敏感负荷等效为一个综合性的敏感负荷进行处理，建立正常区、故障区和不确定区，如图3，设定当电压暂降值大于Umax时，敏感负荷正常运行，当暂降值小于Umin时，敏感负荷全部脱扣。当持续时间小于Tmin，负荷不动作，当持续时间大于Tmax，敏感负荷脱扣。

图2中步骤5描述的是对于不确定区，根据表1按式(4)定义故障严重程度，采用质量工程理论中的质量损失函数(式(5))对电压暂降经济损失进行评估，

$Q_{\mathrm{ij}}=\frac{(U_{\max }-U_{\mathrm{ij}})(T_{\mathrm{ij}}-T_{\min })}{(U_{\max }-U_{\min })(T_{\max }-T_{\min })}---\left(4\right)$

式中：U_max＝0.9；U_min＝0.6；U_ij，T_ij分别对应表1中设定电压区间和时间区间的平均值。

$E_{\mathrm{ij}}=K\&times;[1-\exp (-\frac{Q_{\mathrm{ij}}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}^2})]---\left(5\right)$

式中：K为经济损失函数的最大损失值，σ²为敏感性参数，Q_ij即为电压暂降严重程度矩阵的元素。

图2中步骤6描述的是按式(6)定义电压暂降造成的年经济损失。

$R_C=N\&times;(\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{ij}}\&times;E_{\mathrm{ij}})---\left(6\right)$

式中：N为年发生电压暂降次数，P为电压暂降概率矩阵，E为电压暂降严重程度对应损失费用矩阵。

图2中步骤7描述的是确定按式(7)、(8)所提出的有功损耗费用与STATCOM装置投入费用。

R_L=R₁×T_E×C_L=P_M×T_M×C_L               (7)

式中：P₁为系统有功损耗；T_E为给定工况持续时间；C_L为系统的单位电价；P_M为系统最大损耗功率；T_M为最大损耗功率对应时间。

$R_S=\mathrm{\&rho;}\underset{i\&Element;U}{\mathrm{\&Sigma;}}(\mathrm{\&gamma;}{f}_i+\mathrm{\&delta;}{Q}_{\mathrm{Ci}})---\left(8\right)$

式中：U为系统动态无功补偿的候补安装节点集；Q_Ci为补偿装置的容量；δ为补偿补偿设备单价；γ=1表示节点安装动态无功补偿装置，否则该节点无增设；f_i为节点i的安装费用；ρ是投资回报率。

图2中步骤8描述的是设定STATCOM容量分别为±0Mvar，±30Mvar，+50Mvar，±100Mvar，按式(6)求取对应的年总电压暂降费用如表2。

表2电压暂降费用列表

容量QC(Mvar)	0	30	50	100
					暂降费用RC(万元)	2394.6	1306.8	1214.5	1038.4

图2中步骤9描述的是对第8步得到的数据进行拟合如附图4，求出年电压暂降费用与安装STATCOM容量的函数关系式，如式(9)。

R_c=976.3exp(-0.139Q_c)+1418exp(-0.003Q_c)          (9)

式中：Q_c为补偿装置的容量

图2中步骤10描述的是按式(3)分别计算步骤8中配置不同STATCOM容量时对应的年总支出费用，如表3所示；列出年总支出费用与配置容量的函数关系，如式(10)，画出图形并求出年总支出费用最小下对应的最优容量。

F=976.3exp(-0.139Q_c)+1418exp(-0.003Q_c)+0.3(20+45Q_c)+11.4*365*24*0.5*0.1    (10)

式中：Q_c为补偿装置的容量

表3年总支出费用列表

容量QC(Mvar)	0	30	50	100
					总费用F(万元)	7393.8	6711.0	6888.7	7384.7

Claims (1)

1.一种高压配网动态无功补偿装置容量的优化配置方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤1：确定故障类型，故障地点，故障持续时间随机模型，

在高压配网中以持续5个周波故障时间，确定

1)故障类型概率模型：

式中：x为随机选取的故障类型变量；

2)故障地点概率模型：

$F_L=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{1,0}<y<p_l\\ 2,p_l\&le;y<{2p}_l\\ \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\\ m,(m-1)p_l\&le;y<1.0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中：m为线路总数；y为随机选取的故障地点变量，服从(0，1)之间的均匀分布；p_l=1/m；

步骤2：通过MATLAB(矩阵实验室)软件进行仿真，列举所有故障地点，故障位置，并求取相应故障状态下负荷节点的电压暂降情况，得出暂降电压发生概率表；

步骤3：定义年总支出费用作为系统研究的单目标函数；

minF=R_C+P_L+R_S               (3)

式中：F为年总支出费用；R_C为年电压暂降损失费用；R_L为线路年有功损耗费用；R_S为动态无功补偿装置(STATCOM)的年投资费用；

步骤4：将敏感负荷等效为一个综合性的敏感负荷进行处理，根据暂降电压发生概率表设定当电压暂降值大于0.9时，为正常区；当暂降值小于0.6时，为故障区；当电压暂将值大于0.6小于0.9时，为不确定区；

步骤5：对于不确定区，

1)定义故障严重程度，

$Q_{\mathrm{ij}}=\frac{(U_{\max }-U_{\mathrm{ij}})(T_{\mathrm{ij}}-T_{\min })}{(U_{\max }-U_{\min })(T_{\max }-T_{\min })}---\left(4\right)$

式中：U_max=0.9；U_min=0.6；U_ij，T_ij分别对应表1中设定电压区间和时间区间的平均值，

2)采用质量工程理论中的质量损失函数对电压暂降经济损失进行评估，

$E_{\mathrm{ij}}=K\&times;[1-\exp (-\frac{Q_{\mathrm{ij}}^2}{{2\mathrm{\&sigma;}}^2})]---\left(5\right)$

式中：K为经济损失函数的最大损失值，σ²为敏感性参数，Q_ij即为电压暂降严重程度矩阵的元素；

步骤6：定义电压暂降造成的年经济损失；

$R_C=N\&times;(\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{ij}}\&times;E_{\mathrm{ij}})---\left(6\right)$

式中：N为年发生电；

步骤7：

1)确定有功损耗费用：

R_L=P₁×T_E×C_L=P_M×T_M×C_L            (7)

式中：P₁为系统有功损耗；T_E为给定工况持续时间；C_L为系统的单位电价；P_M为系统最大损耗功率；T_M为最大损耗功率对应时间，

2)确定动态无功补偿装置(STATCOM)的投入费用：

$R_S=\mathrm{\&rho;}\underset{i\&Element;U}{\mathrm{\&Sigma;}}(\mathrm{\&gamma;}{f}_i+\mathrm{\&delta;}{Q}_{\mathrm{Ci}})---\left(8\right)$

式中：U为系统动态无功补偿的候补安装节点集；Q_Ci为补偿装置的容量；δ为补偿补偿设备单价；γ=1表示节点安装动态无功补偿装置，否则该节点无增设；f_i为节点i的安装费用；ρ是投资回报率；

步骤8：设定安装不同容量的STATCOM，求取对应的年总电压暂降费用；

$R_C=N\&times;(\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{4}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{ij}}\&times;E_{\mathrm{ij}});$

步骤9：采用MATLAB(矩阵实验室)中的CFTOOL(曲线拟合工具箱)对安装不同容量的STATCOM的年总电压暂降费用进行拟合，求出年电压暂降费用与安装不同容量的STATCOM容量的函数关系；

R_c=976.3exp(-0.139Q_c)+1418exp(-0.003Q_c)            (9)

式中：Q_c为补偿装置的容量

步骤10：分别计算配置不同容量的STATCOM时对应的年总支出费用：

F=R_C+R_L+R_S

列出年总支出费用与配置STATCOM容量的函数关系：

F=976.3exp(-0.139Q_c)+1418exp(-0.003Q_c)+0.3(20+45Q_c)+11.4*365*24*0.5*0.1    (10)

式中：Q_c为补偿装置的容量

求出年总支出费用最小下对应的STATCOM最优容量。

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