CN105048468B - 基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,包括以下步骤:步骤A、定义输电网、配电网负荷及发电增长方式;将输配电网全局电压稳定评估问题分解为独立的输电网、配电网计算子问题和公共连接点处信息交互三个部分;步骤B、由输电网采用切线预测方法进行连续潮流预测,计算输电网各节点状态变量、各公共连接点状态变量和负荷参数的预测值;判断P‑V曲线前后两点的切线斜率符号是否相反;步骤C、利用输电网和各配电网潮流的分布式交替迭代完成连续潮流校正环节计算;判断潮流是否满足分布式计算的收敛条件,如果满足则转步骤B,否则继续步骤C。实现全电网负荷裕度的分布式计算。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法。
背景技术
当前电力系统的电压稳定评估将输电网与配电网割裂开来进行,造成评估结果的准确性不高。随着配电网向含大量不同类型分布式电源的主动配电网转变,配电网变为有源网络,改变了输配电网间的潮流分布,配电网不再适于被简单等值为负荷功率,同时需要严格计及分布式电源的无功电压特性,因此,传统输电网电压稳定评估与配电网电压稳定评估相互孤立进行的方式不再有效,需要深入研究输配电网一体化电压稳定评估技术。
在现有电网调度控制体系中,输、配电网的管理、分析、调控和维护分属不同的上下级控制中心,此外,输配电网整体规模庞大,输、配电网在电压等级、网络结构和阻抗参数等方面存在较大差异,并且配电网的三相不平衡特征比较突出。为此,有必要研究适用于输配电网一体化分析的分布式计算方法。
文献一《发输配全局潮流计算—第一部分:数学模型与基本算法》(电网技术,1998年第22卷第12期第39页)首次提出了基于主从分裂迭代格式的输配电网分布式潮流计算方法,具有良好的应用前景。文献二《含分布式电源的主从联合系统扩展连续潮流计算》(电工技术学报,2012年第27卷第9期第93页)采用扩展连续潮流方法计算输配全局电网的最大输电能力,但该方法中输、配电网均采用正交参数化技术进行连续潮流计算,因此难以保证连续潮流计算过程中输配电网负荷增长的同步性,也难以保证可靠得到P-V曲线(P-V曲线横坐标表示“系统有功负荷变化量”,纵坐标表示“系统节点电压”,P-V曲线鼻点对应的横坐标表示“系统功率极限值”,鼻点对应的纵坐标表示“节点电压临界值”)的鼻点(即电压稳定临界点)。
本申请人2011年09月30日提交的申请号为201110294628.3的发明专利公开了一种基于分布式计算的互联电网中子网电压稳定评估方法,但其研究对象为大型互联输电网,各子网控制中心之间及各子网控制中心与上级电网控制中心之间信息互联,将其中进行电压稳定评估的子网定义为主子网,其他子网定义为从子网,如图1所示,定义主子网内部负荷及发电增长方式并进行连续潮流计算,各从子网不参与负荷及发电增长并进行普通潮流计算。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,通过输、配电网采用不同参数化策略来保证负荷增长的一致性和同步性,在校正环节中利用输、配边界节点电压、负荷增长系数和等值功率信息的交换实现全电网负荷裕度的分布式计算。
需说明的是,输电网与下级各配电网之间通过公共连接点连接,即PCC(Point ofCommon Coupling)点。
为实现上述技术目的,达到上述技术效果,本发明通过以下技术方案实现:
基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤A、定义输电网、配电网负荷及发电增长方式;根据分布式计算方法将输配电网全局电压稳定评估问题分解为独立的输电网、配电网计算子问题和公共连接点处信息交互三个部分;首先对输电网采用局部参数化方法进行连续潮流计算,然后对各配电网进行潮流计算来保证与输电网负荷增长的同步性;
步骤B、由输电网采用切线预测方法进行连续潮流预测,计算输电网各节点状态变量、各公共连接点状态变量和负荷参数的预测值;判断P-V曲线前后两点的切线斜率符号是否相反,若符号相反表明穿过稳定临界点,则采用缩减步长方法计算稳定临界点,否则进行步骤C;
步骤C、利用输电网和各配电网潮流的分布式交替迭代完成连续潮流校正环节计算;判断潮流是否满足分布式计算的收敛条件,如果满足则转步骤B,否则继续步骤C。
本发明的有益效果是:
(1)输电网采用局部参数化方法进行连续潮流计算,配电网进行普通潮流计算参与协调,保证了输、配电网负荷增长的一致性和同步性;
(2)校正环节中通过PCC点处电气信息的交换即可实现全网负荷裕度的分布式计算,保持了输、配电网现有的独立计算模式;
(3)采用参数化方法转换策略与最优乘子技术处理配电网率先电压崩溃的情形,保证了方法的收敛性。
附图说明
图1是互联电网中子网电压稳定评估的示意图;
图2是本发明输配电网一体化全局电压稳定评估问题分解示意图;
图3是本发明输配电网分布式连续潮流算法示意图;
图4是最小特征根变化趋势图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述,以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施,但所举实施例不作为对本发明的限定。
基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,主要思路是:首先定义输、配电网负荷及发电增长方式,采用分布式计算方法将输配电网全局电压稳定评估问题分解为独立的输、配电网计算子问题和PCC点处信息交互三个部分组成,如图2所示,输电网采用局部参数化方法进行连续潮流计算,下级各配电网进行普通潮流计算参与协调;在校正环节中通过PCC点电压、负荷增长系数和等值功率信息的交换实现全网负荷裕度的分布式计算,同时考虑了校正环节中配电网率先发生电压崩溃的问题,并采用参数化方法转换策略与最优乘子技术进行处理。
具体步骤可参照图3进行理解:
步骤A、定义输电网、配电网负荷及发电增长方式;根据分布式计算方法将输配电网全局电压稳定评估问题分解为独立的输电网、配电网计算子问题和公共连接点处信息交互三个部分;首先对输电网采用局部参数化方法进行连续潮流计算,然后对各配电网进行潮流计算来保证与输电网负荷增长的同步性。
优选,步骤A具体包括以下步骤:
步骤A1、定义输、配电网负荷及发电增长方式,其中,输、配电网的负荷与发电增长总量应满足(即输电网中有功发电增长总量要等于各个配电网中有功负荷增长总量之和):
式中,nT,g为输电网中发电机数量,ΔPT,g,k为输电网中第k台发电机预定义的有功发电增长值,n为配电网数量,为第i个配电网中参与增长的负荷节点总数,为第i个配电网中负荷节点j预定义的有功负荷增长值。
步骤A2、采用分布式计算方法对输配电网全局电压稳定评估问题进行分解,如图2所示:
建立输电网独立计算的数学模型:
式中,第1、2个方程为不含PCC点的输电网参数化潮流方程,第3、4个方程为PCC点的潮流方程。其中,λ为负荷参数,xT为输电网中除公共连接点外的节点状态变量向量(节点电压幅值和相角),xpcc和分别为n维公共连接点状态变量向量和其中对应于第i个配电网的状态变量分量,ΔPT,g为预定义的输电网有功发电增长向量,与为第i个配电网公共连接点的等值有功和无功负荷功率,它们由配电网侧计算后传送给输电网,fT,p(xpcc,xT)为输电网有功潮流方程,fT,q(xpcc,xT)为输电网无功潮流方程,为公共连接点的有功潮流方程,为公共连接点的无功潮流方程;
上述方程可简写为:
fT(xpcc,xT)+λΔST,g=0
式中,ΔST,g为输电网发电复功率增长向量,fT(xpcc,xT)为输电网的潮流方程组。
输电网连续潮流计算采用局部参数化方法,其扩展连续潮流方程组为:
式中,第2个方程为局部参数化方程,与分别为当前潮流解和前一个潮流解中节点m的电压幅值,Δx为步长;
步骤A3、配电网进行潮流计算来保证与输电网负荷增长的同步性,建立第i个配电网独立潮流计算的数学模型为:
上式为不含PCC点的配电网参数化方程,式中,为第i个配电网中除公共连接点外的节点状态变量向量,和为第i个配电网预定义的有功和无功负荷增长向量,与λ由输电网连续潮流计算后传送给配电网,为第i个配电网有功潮流方程,为第i个配电网无功潮流方程。
步骤B、由输电网采用切线预测方法进行连续潮流预测,计算输电网各节点状态变量、各公共连接点状态变量和负荷参数的预测值;判断P-V曲线前后两点的切线斜率符号是否相反,若符号相反表明穿过稳定临界点,则采用缩减步长方法计算稳定临界点,否则进行步骤C。
优选,步骤B具体包括以下步骤:
步骤B1、进行输电网连续潮流预测,本发明输电网连续潮流采用切线预测法:
计算预测切向量[dxpcc dxT dλ]T:
式中,为输电网连续潮流方程对状态变量和负荷参数的求导,ek表示第k个元素等于1但其它元素都等于零的行向量,“±1”中的正负号取决于切向量[dxpcc dxT dλ]T中第k个分量的正负,若第k个分量符号为正,则取“+1”,若第k个分量符号为负,则取“-1”;
解出切向量后,由下式计算预测解:
式中,与λ0为当前潮流解,与为预测解,σ为步长;
步骤B2、对于P-V曲线前后两点(xk,λk)与(xk+1,λk+1):
若满足:
则表明已穿过稳定临界点,采用缩减步长方法计算稳定临界点,为潮流解(xk,λk)处的切线斜率,为潮流解(xk+1,λk+1)处的切线斜率;
否则,进入步骤C。
步骤C、利用输电网和各配电网潮流的分布式交替迭代完成连续潮流校正环节计算;判断潮流是否满足分布式计算的收敛条件,如果满足则转步骤B,否则继续步骤C。
优选,步骤C具体包括以下步骤:
步骤C1、对于输电网,以步骤B1中的预测解为初值,采用牛顿法求解步骤A2中连续潮流的扩展方程组,可得修正方程式为:
式中,ΔfT为输电网功率不平衡向量,Δxpcc与ΔxT为状态变量修正量,Δλ为负荷参数修正量,解得状态变量xpcc和负荷参数λ后,将其传递给下级各配电网;
对于输电网潮流计算中发电机无功输出QT,g(xT,xpcc)的上下限不等式约束条件采用现有的PV-PQ节点类型双向转换逻辑进行处理,比如采用文献三《潮流计算中PV-PQ节点转换逻辑的研究》(中国电机工程学报,2005年第25卷第1期第53页)所述的PV-PQ节点类型双向转换逻辑进行处理。
步骤C2、各配电网收到输电网传递的信息后,对于第i个配电网(i=1,2,…,n),以为根节点状态变量,采用牛顿法求解步骤A3中的潮流方程,可得修正方程式简写为:
JDΔxD=ΔSD
式中,JD为配电网潮流的雅可比矩阵,ΔxD为配电网状态变量修正量向量,ΔSD为配电网功率不平衡量向量。
第i个配电网中各节点的状态变量进而可计算公共连接点的等值负荷功率与
式中,和分别为基态下第i个配电网节点j的有功和无功负荷值;与为第i个配电网的有功和无功网损,下级各配电网计算与后将其返回上级输电网;
对于含分布式电源(DG)的配电网,在潮流计算中还需考虑DG无功输出的上下限不等式约束条件为第i个配电网中分布式电源的无功输出),并采用节点类型转换技术进行处理,比如,文献四《含分布式电源的三相不平衡配电网连续潮流计算》(电力系统自动化,2015年第39卷第9期第48页)所述的节点类型转换技术进行处理
步骤C3、输电网收到各公共连接点的等值负荷功率信息后,重复步骤C1与C2进行分布式交替迭代计算,直至满足如下收敛条件:
式中,ε为收敛精度,为公共连接点的电压幅值。最终通过校正环节中输、配电网间PCC点处电气量的交换实现全电网负荷裕度的分布式计算。
对于给定的负荷增长方式,配电网可能先于输电网发生电压崩溃,由于配电网进行普通潮流计算,当接近崩溃点时,其潮流收敛速度变慢甚至发散。如遇到这种情形,可转换输配电网的参数化方法进行连续潮流计算,由输电网采用自然参数化方法进行潮流计算:
配电网采用局部几何参数化方法进行连续潮流计算:
式中,为输电网的潮流方程,为为输电网发电复功率增长向量,为第i个配电网中节点m的电压幅值,为第i个配电网的潮流方程,为第i个配电网的负荷复功率增长向量,β为几何参数,为在λ-V平面上选择的参考点。
若切换参数化方法后潮流仍无法收敛,则采用最优乘子技术处理潮流临近病态或病态的情况。当潮流良态时,乘子最终稳定在1.0附近;当潮流病态时,乘子最后趋近于零,此时可将步长减半,返回之前的预测步中重新计算,直至逼近电压稳定临界点。
与本申请人2011年09月30日提交的申请号为201110294628.3的发明专利(一种基于分布式计算的互联电网中子网电压稳定评估方法)相比:
一、之前专利的研究对象为互联电网(即大型输电网);本专利的研究对象为输配全局电网。
二、之前专利只适用于互联电网中主子网负荷及发电增长模式下的电压稳定评估,不考虑其他从子网的负荷及发电增长;而本专利中输、配电网均可定义负荷及发电增长。
三、在连续潮流校正环节的分布式计算中,之前专利需要建立各子网的外网等值模型,具体步骤包括交换各子网间边界节点阻抗矩阵对角元、形成电压修正系数、联络线在各子网重复建模等;而本专利无需建立外网等值模型,只需简单交换边界连接节点处的电气信息即可。
为了测试本发明所提方法的有效性,采用IEEE30节点系统和IEEE33节点三相不平衡配电系统构造全局系统算例,将IEEE33节点三相不平衡配电系统作为IEEE30节点输电网中26号负荷节点(PCC点)下属的配电网,将输电网中其他负荷节点下属的配电系统等值为负荷功率。
令配电网各节点负荷与输电网除PCC点外其他节点负荷恒功率因数增长,其中输电网以初始负荷为增长基数,对于不同的配电网负荷增量定义了三种负荷增长方式,如表1所示。为了测试配电网率先电压崩溃的情形,令方式2和方式3中配电网负荷增量分别为方式1的2倍和4倍,全网负荷增量由输电网各发电机按当前出力比例分担。
表1三种方式中负荷增量
方式 | 输电网负荷增量/MVA | 配电网负荷增量/MVA |
1 | 136+j62.2 | 1.863+j1.16 |
2 | 136+j62.2 | 2×(1.863+j1.16) |
3 | 136+j62.2 | 4×(1.863+j1.16) |
在三种方式下采用本发明方法进行分布式连续潮流计算,将负荷裕度计算值与全网统一连续潮流计算得到的准确值进行对比,结果如表2所示。
表2三种方式下负荷裕度计算结果
对于方式1,由于配电网负荷增量相对较小,在分布式连续潮流计算中未遇到配电网潮流发散的情况,采用常规参数化策略得到了较为准确的负荷裕度,表明本专利方法具有良好的计算鲁棒性。
对于方式2,若采用常规参数化策略,在第50次校正步中出现了配电网潮流发散的情况,采用参数化方法转换策略后,同样出现了输电网潮流难以收敛的问题,此时仍由输电网采用局部参数化方法并采用最优乘子技术对配电网潮流计算进行处理,连续潮流计算过程中配电网潮流雅可比矩阵最小特征根的变化趋势如图4所示,由图4可看出,随着最小特征根趋近于零,表明最终的运行点与临界点非常接近。从表2可看出,计算得到的负荷裕度近似结果与全局解之间误差较小,在工程可接受的范围内。
对于方式3,在第27次校正步中出现了配电网潮流发散的情况,采用参数化方法转换策略处理后,得到了较为准确的负荷裕度计算结果。
当前电力系统的电压稳定评估将输电网与配电网割裂开来进行,造成评估结果的准确性不高,本专利结合分布式计算方法和连续潮流技术对输配电网组成的全局电力系统进行电压稳定评估,具有如下有益效果:
(1)输电网采用局部参数化方法进行连续潮流计算,配电网进行普通潮流计算参与协调,保证了输、配电网负荷增长的一致性和同步性;
(2)校正环节中通过PCC点处电气信息的交换即可实现全网负荷裕度的分布式计算,保持了输、配电网现有的独立计算模式;
(3)采用参数化方法转换策略与最优乘子技术处理配电网率先电压崩溃的情形,保证了方法的收敛性。
以上仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或者等效流程变换,或者直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤A、定义输电网、配电网负荷及发电增长方式;根据分布式计算方法将输配电网全局电压稳定评估问题分解为独立的输电网、配电网计算子问题和公共连接点处信息交互三个部分;首先对输电网采用局部参数化方法进行连续潮流计算,然后对各配电网进行潮流计算来保证与输电网负荷增长的同步性;
步骤B、由输电网采用切线预测方法进行连续潮流预测,计算输电网各节点状态变量、各公共连接点状态变量和负荷参数的预测值;判断P-V曲线前后两点的切线斜率符号是否相反,若符号相反表明穿过稳定临界点,则采用缩减步长方法计算稳定临界点,否则进行步骤C;
步骤C、利用输电网和各配电网潮流的分布式交替迭代完成连续潮流校正环节计算;判断潮流是否满足分布式计算的收敛条件,如果满足则转步骤B,否则继续步骤C。
2.根据权利要求1所述的基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,其特征在于,所述步骤A具体包括以下步骤:
步骤A1、定义输、配电网负荷及发电增长方式,其中,输、配电网的负荷与发电增长总量应满足:
式中,nT,g为输电网中发电机数量,ΔPT,g,k为输电网中第k台发电机预定义的有功发电增长值,n为配电网数量,为第i个配电网中参与增长的负荷节点总数,为第i个配电网中负荷节点j预定义的有功负荷增长值;
步骤A2、建立输电网独立计算的数学模型:
式中,λ为负荷参数,xT为输电网中除公共连接点外的节点状态变量向量,xpcc和分别为n维公共连接点状态变量向量和其中对应于第i个配电网的状态变量分量,ΔPT,g为预定义的输电网有功发电增长向量,与为第i个配电网公共连接点的等值有功和无功负荷功率,它们由配电网侧计算后传送给输电网,fT,p(xpcc,xT)为输电网有功潮流方程,fT,q(xpcc,xT)为输电网无功潮流方程,为公共连接点的有功潮流方程,为公共连接点的无功潮流方程;
上述方程可简写为:
fT(xpcc,xT)+λΔST,g=0
式中,ΔST,g为输电网发电复功率增长向量,fT(xpcc,xT)为输电网的潮流方程组;
建立输电网连续潮流计算的扩展方程组:
式中,第2个方程为局部参数化方程,与分别为当前潮流解和前一个潮流解中节点m的电压幅值,Δx为步长;
步骤A3、配电网进行潮流计算来保证与输电网负荷增长的同步性,建立第i个配电网独立潮流计算的数学模型为:
式中,为第i个配电网中除公共连接点外的节点状态变量向量,和为第i个配电网预定义的有功和无功负荷增长向量,与λ由输电网连续潮流计算后传送给配电网,为第i个配电网有功潮流方程,为第i个配电网无功潮流方程。
3.根据权利要求1所述的基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,其特征在于,所述步骤B具体包括以下步骤:
步骤B1、进行输电网连续潮流预测:
计算预测切向量[dxpcc dxT dλ]T:
式中,为输电网连续潮流方程对状态变量和负荷参数的求导,ek表示第k个元素等于1但其它元素都等于零的行向量,“±1”中的正负号取决于切向量[dxpcc dxTdλ]T中第k个分量的正负,若第k个分量符号为正,则取“+1”,若第k个分量符号为负,则取“-1”,xpcc为n维公共连接点状态变量向量,xT为输电网中除公共连接点外的节点状态变量向量,λ为负荷参数;
解出切向量后,由下式计算预测解:
式中,与λ0为当前潮流解,与为预测解,σ为步长;
步骤B2、对于P-V曲线前后两点(xk,λk)与(xk+1,λk+1):
若满足:
则表明已穿过稳定临界点,采用缩减步长方法计算稳定临界点,为潮流解(xk,λk)处的切线斜率,为潮流解(xk+1,λk+1)处的切线斜率;
否则,进入步骤C。
4.根据权利要求2或3所述的基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,其特征在于,所述步骤C具体包括以下步骤:
步骤C1、对于输电网,以步骤B1中的预测解为初值,采用牛顿法求解步骤A2中连续潮流的扩展方程组,可得修正方程式为:
式中,ΔfT为输电网功率不平衡向量,Δxpcc与ΔxT为状态变量修正量,Δλ为负荷参数修正量,解得状态变量xpcc和负荷参数λ后,将其传递给下级各配电网;
对于输电网潮流计算中发电机无功输出的上下限不等式约束条件采用现有的PV-PQ节点类型双向转换逻辑进行处理;
步骤C2、各配电网收到输电网传递的信息后,对于第i个配电网(i=1,2,…,n),以为根节点状态变量,采用牛顿法求解步骤A3中的潮流方程,可得第i个配电网中各节点的状态变量进而可计算公共连接点的等值负荷功率与
式中,和分别为基态下第i个配电网节点j的有功和无功负荷值;与为第i个配电网的有功和无功网损,下级各配电网计算与后将其返回上级输电网,与分别为第i个配电网节点j的有功和无功负荷增长量;
对于含分布式电源的配电网,在潮流计算中还需考虑分布式电源无功输出的上下限不等式约束条件其中,为第i个配电网中分布式电源的无功输出,并采用节点类型转换技术进行处理;
步骤C3、输电网收到各公共连接点的等值负荷功率信息后,重复步骤C1与C2进行分布式交替迭代计算,直至满足如下收敛条件:
式中,ε为收敛精度,为公共连接点的电压幅值。
5.根据权利要求4所述的基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,其特征在于,步骤C2中,若配电网先于输电网发生电压崩溃导致潮流发散,则通过转换输配电网的参数化方法进行处理:
由输电网采用自然参数化方法进行潮流计算:
配电网采用局部几何参数化方法进行连续潮流计算:
式中,为输电网的潮流方程,为为输电网发电复功率增长向量,为第i个配电网中节点m的电压幅值,为第i个配电网的潮流方程,为第i个配电网的负荷复功率增长向量,β为几何参数,为在λ-V平面上选择的参考点。
6.根据权利要求5所述的基于分布式计算的输配电网一体化电压稳定评估方法,其特征在于,若通过转换输配电网的参数化方法无法解决配电网潮流发散的问题,则将配电网的潮流计算方法转换为最优乘子潮流方法继续计算,并结合步长减半技术逼近电压稳定临界点。
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