CN103887793B - 电力网络软分区的条件聚类方法 - Google Patents

Abstract

一种电力网络软分区的条件聚类方法，属于电力网络自动电压控制技术领域。其特征在于：将带条件约束的聚类思想引入到二级电压控制的聚类分区过程中，在分区之前，根据电网实际情况和实际工程要求设定分区后各子分区必须满足的边界条件，在分区时，每次找到不满足要求的子分区，进行区域划分。直到所有分区均满足要求，分区结束。分区后，对于分区结果进行进一步校正，对于每个被控节点，找到对其控制能力最强的无功源控制节点及其所在分区，将该被控节点划分到该分区中。本发明的效果和益处是通过合理的设定分区边界条件，使分区过程能够适应电网的实际情况和自动电压控制的实际工程要求，使得分区结果更能够满足不同电网对无功电压控制的要求。

Description

电力网络软分区的条件聚类方法

技术领域

本发明属于电力网络自动电压控制技术领域，涉及到二级电压控制中分区控制的方法，特别涉及电力网络软分区的条件聚类方法在省级规模输电网中的应用。

背景技术

随着我国电力工业以及电力系统的迅速发展，电网规模不断扩大，建立全局无功电压优化系统，已成为保证电网安全经济运行的关键问题之一。无功电压控制问题对于电力系统的安全性和经济性的提高起到了重要作用，得到研究人员和运行人员的关注。在各种解决无功电压控制问题方案中，法国EDF提出分级电压控制方案在法国、西班牙、意大利、比利时等国家的电网中实现了应用，并且取得了较好的效果。国内一些区域电网在实现自动电压控制策略时，采用基于“软分区”的三层/两层电压控制模式，取得了较好的控制效果。

将电网在无功电压层面上划分成彼此联系较小、解耦松散的区域是实现分级电压控制的关键。目前，在定义了等效电气距离的基础上，基于无功源控制空间聚类分析的分区方法，从无功源的控制能力和母线电压等受控对象之间的关系入手，定义无功源控制空间，每个无功源控制节点作为空间的一维，建立被控节点与无功源控制节点之间的联系，利用聚类分析方法进行分区。该方法已经在电网中实现了应用。

但是，该种分区方法的聚类分区过程实际上属于传统的凝聚层次聚类方法，是一种无约束的聚类方法。无约束的聚类方法由于无法考虑实际工程应用中的特定要求，所以存在一定的“盲目性”。在实际应用过程中，对于实际情况不尽相同的电网，在分区过程中有可能会出现如下问题：1、在分区个数逐渐减小的过程中，合并距离并不一定会出现一个明显的平台期，这意味着在电网分区过程中并不一定能得到一个有说服力的分区个数值；2、如果根据分区合并距离曲线人为确定一个分区个数后，会出现若干独立节点作为单独子分区的情况。如果减少人为确定的分区个数，但独立节点作为分区的现象消失时，则有可能出现个别子分区过大的情况。这对于分区的无功电压的控制是不利的。因此，利用现有方法对于省级规模的电网进行分区，并不能保证对于自动电压控制提供一个有效地分区结果。

近年来，为了解决传统聚类方法的“盲目性”，提出了带约束条件的聚类思想。将约束条件融入到聚类算法中，通过修改传统聚类算法的过程来限制聚类的搜索过程，从而使得聚类算法能够适应实际工程的特定要求，提高效率和聚类质量。

如果将上述带有约束条件的聚类思想与现有的无功源控制空间概念相结合，通过设定能够满足自动电压控制要求的边界条件，并通过分区质量评估来验证条件的合理性，可以有效地减少原有方法因“盲目性”所带来的弊端，最后再通过校正的方式进一步完善分区结果，使分区结果能够更好的满足自动电压分区控制的要求，从而提高分区方法的有效性与实用性。

发明内容

本发明目的是在自动电压控制的电网分区过程中，提供一种合理有效、能够满足控制要求的条件聚类软分区方法，根据具体电网的实际情况与实际工程要求适当合理的设定分区边界条件，利用条件聚类的方法对电网进行合理分区，使分区结果更能够满足不同电网对于无功电压控制的要求，为实现电网的自动电压控制打下良好基础。

本发明的技术方案是：

1.建立无功源控制空间

无功源控制空间在研究电压控制问题有：

ΔQ＝L·ΔV       （1）

在正常运行方式下，L可逆，于是可得到：

ΔV＝S_QV·ΔQ         （2）

在此基础上，定义系统中任意两节点间的等效电气距离如下：

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}=\left|\frac{\mathrm{\Δ}{V}_i}{\mathrm{\Δ}{Q}_i}\right|/\left|\frac{\mathrm{\Δ}{V}_j}{\mathrm{\Δ}{Q}_j}\right|=\left|\frac{\mathrm{\Δ}{V}_i}{\mathrm{\Δ}{V}_j}\right|\≈\left|S_{\mathrm{ij}}\right|/\left|S_{\mathrm{jj}}\right|$

d_ij＝-lg(α_ij·α_ji)        （3）

在此基础上，建立无功源控制空间。设系统中存在g个无功源控制节点，构成集合Δ_PV；存在l个被控节点，构成集合Δ_PQ。将每个无功源控制节点的无功控制能力作为空间的一维，对于i∈Δ_PQ，用一组g维的向量(d_i1,d_i2,…,d_ig)作为节点i在空间中的坐标。对于任意两个被控节点m和n，应用欧几里得公式可直接求出两点之间的空间电气距离：

$D_{\mathrm{mn}}=\sqrt{{(d_{m1}-d_{n1})}^2+...+{(d_{\mathrm{mg}}-d_{\mathrm{ng}})}^2}---\left(4\right)$

显然，该距离反映了各个被控节点之间，对于无功源变化的响应趋势的相似程度，从概念上满足了聚类分析的理论要求。

2.基于条件聚类的软分区方法

为了解决原有的电网分区方法中由于“盲目性”所带来的弊端，本方法将无功源控制空间与带约束条件的聚类思想相结合，提出了基于条件聚类的软分区方法。该方法分为预分区与结果校正两个环节。

（1）基于条件聚类的预分区方法

带约束条件的聚类方法的方法如下：

给定一个包含n对象的数集D和一个相似度度量函数df，以及约束集C，要求将该数集D划分成k个簇，使得划分成的k个簇满足：同一簇内各元素之间具有较大的相似度，不同簇之间的对象具有较小的相似度，并且所有的簇都满足约束集C。

根据约束条件施加对象的范围可将约束条件分为如下四类：

1、聚类对象约束：限制参与的对象，选择满足条件的对象进行聚类分析。该约束条件在聚类之前的预处理阶段进行。

2、障碍约束：数据对象之间存在一定的障碍，使得对象间的距离产生变化，如城市中的河流、高山、铁路等，在对城市中的对象按照空间距离聚类时必须考虑这些约束。通过对对象间的距离度量函数进行重新定义来满足这类约束。

3、参数约束：某些约束条件可以通过参数的形式出现在聚类算法中，如簇的数目等。这类约束处理简单，仅作为一个参数。

4、簇约束：要求聚类结果中的簇满足一定的条件，如同一簇内相似度的偏差或簇内包含的对象总数在某个范围内等。

结合上述带约束条件的聚类思想，在无功源控制空间的基础上，提出基于条件聚类的分区方法。该方法基本原理是：在分区之前，并不确定分区个数，而是根据电网实际情况和实际工程要求设定分区后各子分区必须满足的边界条件。在分区时，每次找到不满足要求的子分区，进行区域划分。直到所有分区均满足要求，分区结束。

（2）分区结果校正

分区后，整体上已经基本满足了分区要求，但仍存在个别节点所在子分区并不合理，需要进行分区结果校正，保证每一个被控节点都能够与对其控制能力最强的无功源控制节点划分到同一子分区中。进行校正的基本原理是保持预分区后各无功源控制节点的分区结果不变，而对于各被控节点进行重新划分。划分依据为：对于每个被控节点，找到对其控制能力最强的无功源控制节点及其所在分区，将该被控节点划分到该分区中。

本发明的效果和益处是：本发明提供了一种基于条件聚类的软分区方法，通过合理的设定分区边界条件，使得分区过程能够适应电网的电网规模、节点拓扑关系与分布状况等实际情况，以及自动电压控制的实际工程要求，从而使得分区结果更能够满足不同电网对于无功电压控制的要求。

附图说明

图1是辽宁电网220kV子系统结果示意图。

图2是基于条件聚类的预分区方法流程图。

图3是校正环节流程图。

图4是辽宁电网220kV系统分区结果地理位置示意图。

具体实施方式

以下以辽宁电网220kV输电系统冬季大负荷运行方式为例，结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1所示，由于辽宁电网已经完成电磁环网的解环，根据分层分区原则，将电网500kV系统和220kV系统在无功层面上进行分层。分层后，根据各节点之间的连通关系，220kV系统可以分成三个彼此互不相干的子系统。对于3个子系统分别进行进一步进行区域划分。以子系统2为例，在冬大运行模式下，整个子系统共有233个节点，其中无功源控制节点39个，被控节点194个。

图2为对于子系统2进行条件聚类分区的流程图，其具体步骤为：

步骤1：根据实际要求设定分区后所有子分区必须满足的边界条件，根据实际情况与现场工作人员讨论后，设定各子分区满足的边界条件为：（1）子分区必须具备具有无功调节能力的无功源控制节点；（2）子分区中节点数不少于10条；

步骤2：电力网络被控节点集合为Δ_PQ，节点总数为194；初始时将每一个节点作为一个子分区Ω_i，其中，i=1，2，3……，194，电力网络分区个数Ngroup=194，将各被控节点在无功源控制空间中的距离D_ij作为相应子分区Ω_i、Ω_j之间的距离；

步骤3：根据最小连通性原则，将各无功源控制节点与其等效电气距离d_ij最小的被控节点合并，作为一个子分区；

步骤4：找到所有不满足设定边界条件的子分区Ω_m，其中m≤Ngroup，得到与每个不满足边界条件的子分区距离最小的子分区Ω_n，其中n≤Ngroup；Ω_m与Ω_n的距离D_mn；

步骤5：找到所有D_mn中最小的一个，将Ω_m与Ω_n合并为一个新的子分区记为Ω_p，重新计算新的子分区Ω_p与除Ω_m和Ω_n以外的其它所有子分区Ω_q的距离，其中q≤Ngroup、q≠m且q≠n；D_pq=min(D_mp，D_mq），去掉子分区Ω_m与Ω_n，Ngroup=Ngroup-1；

步骤6：判断是否存在不满足设定要求的子分区，若不存在，分区结束，若存在，返回步骤4；

步骤7：对于分区结果进行进一步校正。

在上述条件聚类分区过程中，最后一步校正环节是为了保证每一个被控节点都能够与对其控制能力最强的无功源控制节点划分到同一子分区中。图3为对于分区结果进行进一步校正的流程图，其具体步骤为：

步骤1：将分区结果中各子分区的无功源控制节点保留，而将所有被控节点全部去除，形成新的子分区Ω_i，其中，i=1，2，3……，194；

步骤2：对于被控节点i，找到所有无功源控制节点中，与其电气距离d_ij最小的节点j，其中i∈Δ_PQ，j∈Δ_PV。

步骤3：找到节点j所在的子分区Ω_m，将节点i划分到分区Ω_m中。

步骤4：重复步骤2、3，直到所有被控节点全部重新划分到各子分区中停止。

下表给出了对于整个辽宁省省级电网220kV系统三个子系统最后的分区结果，图4给出了其地理位置的示意图。

辽宁电网220kV系统分区结果表

Claims (1)

1.一种电力网络软分区的条件聚类方法，其特征在于：将带条件约束的聚类方法引入到二级电压控制的聚类分区过程中，在分区之前，根据电网实际情况和实际工程要求设定分区后各子分区必须满足的边界条件，在分区时，每次找到不满足要求的子分区，进行区域划分，直到所有分区均满足要求，分区结束，分区后，对于分区结果进行进一步校正，对于每个被控节点，找到对其控制能力最强的无功源控制节点及其所在分区，将该被控节点划分到该分区中，其具体步骤为：

步骤1：根据实际要求设定分区后所有子分区必须满足的边界条件；

步骤2：电力网络被控节点集合为Δ_PQ，节点总数为N；初始时将每一个节点作为一个子分区Ω_i，其中，i=1，2，3……，N，电力网络分区个数Ngroup=N，将各被控节点在无功源控制空间中的距离D_ij作为相应子分区Ω_i、Ω_j之间的距离；

步骤3：根据最小连通性原则，将各无功源控制节点与其等效电气距离d_ij最小的被控节点合并，作为一个子分区；

步骤4：找到所有不满足设定边界条件的子分区Ω_m，其中m≤Ngroup，得到与每个不满足边界条件的子分区距离最小的子分区Ω_n，其中n≤Ngroup；Ω_m与Ω_n的距离为D_mn；

步骤5：找到所有D_mn中最小的一个，将Ω_m与Ω_n合并为一个新的子分区记为Ω_p，重新计算新的子分区Ω_p与除Ω_m和Ω_n以外的其它所有子分区Ω_q的距离，其中q≤Ngroup、q≠m且q≠n；D_pq=min(D_mp，D_mq），去掉子分区Ω_m与Ω_n，Ngroup=Ngroup-1；

步骤6：判断是否存在不满足设定要求的子分区，若不存在，分区结束，若存在，返回步骤4；

步骤7：对于分区结果进行进一步校正。