CN105470976B - 一种稳态条件下svc和tcsc的协调配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种稳态条件下提高系统运行经济性的SVC和TCSC协调配置方法。本发明基于SVC和TCSC的物理等效模型，通过初始潮流计算选择SVC和TCSC的配置地点，建立稳态运行条件下满足系统运行经济性指标的优化数学模型和优化算法模型，最后通过计算优化前后的网损确定了优化后的配置方案。本发明可运用于电力系统的理论和仿真分析，给出稳态条件下适用于任一电网的SVC和TCSC的协调配置方法，利于电力系统运行分析人员合理安排SVC和TCSC的运行参数，充分发挥FACTS设备改善系统潮流、提高提高电力系统运行经济性的特点。

Description

一种稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方法

技术领域

本发明涉及一种电力系统领域的配置方法，具体涉及一种稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方法。

背景技术

电力系统正迈入大系统、超高压远距离输电、跨区域联网的新时代，社会经济的发展促使电网运行和管理发生变革，安全、稳定、灵活运行需要新的调节手段以提高其可控性。传统的控制手段是通过机械开关来实现，存在速度慢、不能在短时间内频繁动作等等问题，制约了潮流控制的灵活性和系统稳定性的提高，不能满足电网的发展需求。随着科学技术的发展，控制理论、大功率电力电子、计算机信息处理等技术日益完善，为输电控制手段的改善和发展提供了新的可能。在这种情形下，FACTS应运而生。当前关于FACTS及相关技术的研究正在世界范围内蓬勃展开，先后提出了大量的FACTS装置。静止无功补偿器(SVC)是用于无功补偿的FACTS控制装置，将电力电子元件引入传统的静止并联无功补偿装置，从而实现了补偿的快速和连续平滑调节。可控串联补偿器(TCSC)可以灵活平滑地调整线路阻抗，不但能补偿线路电抗，提高传输能力，还能抑制低频振荡和次同步谐振，提高系统的静态和暂态稳定性。

在未来智能电网复杂多变的运行方式下，改善潮流分布、降低网络损耗等等都需要更加灵活可靠的控制方式。FACTS设备具有快速可靠的调节特性，单个FACTS设备可以快速改善局部电网的运行状态。将多个FACTS设备结合起来协调控制，则可以对整个电网或电网中一个区域的运行状态进行快速控制，从而达到控制目标全局/局部优化，控制效果大幅提升的目的。

发明内容

为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方法，基于SVC和TCSC的物理等效模型，通过初始潮流计算选择SVC和TCSC的配置地点，建立稳态运行条件下满足系统运行经济性指标的优化数学模型和优化算法模型，最后通过计算优化前后的网损确定了优化后的配置方案。

本发明的目的是采用下述技术方案实现的：

本发明提供一种稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方法，其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：

步骤A：设定被研究电力系统的SVC和TCSC设备配置方案，计算电力系统的初始潮流选择配置地点；

步骤B：建立多个SVC和TCSC设备协调配置的数学模型；以电力系统的网损最小为控制目标，选择SVC和TCSC设备控制器需要优化的参数，SVC选择设备参考电压，TCSC选择可调节电抗值为优化参数，将一组参数作为数学模型的可行解；

步骤C：根据数学模型对参数进行优化，并计算优化前后电力系统的运行经济性指标，得到稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方案。

进一步地，所述步骤A包括下述步骤：

A-1、在被研究电网进行初始潮流计算，确定节点电压和网络潮流及配置数量。

A-2、在电网中电压低的节点加装静止无功补偿器SVC，在潮流重的线路上装设可控串联补偿器TCSC，视具体电网和所投设备的数量；

所述静止无功补偿器SVC是通过提高节点的电压来改变输电线路的传输能力，所述可控串联补偿器TCSC是直接参与补偿线路串联电抗来提高线路传输功率；把二者结合起来，并入到电力系统的节点导纳矩阵为：

其中：Y、Y′分别为引入SVC和TCSC前后网络的节点导纳阵，i、j表示安装SVC和TCSC装置相关节点(在潮流方程中雅克比矩阵的阶数不会发生改变，因此只需要修改安装有SVC和TCSC节点和支路的对应节点导纳即可)；

引入SVC和TCSC装置后节点功率平衡方程为

式中：P_Gi，Q_Gi，P_Li，Q_Li——发电机i的有功、无功功率和各支路ij上的有功、无功功率；

V_i，θ_i——节点i的电压幅值和相角；

G_ij，B_ij——引入FACTS装置后系统节点导纳矩阵Y的对应元素；

N——节点总数。

进一步地，所述步骤B包括下述步骤：

B-1、以电力系统的网损最小为控制目标，即minf(u)，f(u)为电力系统的网损，u为控制量，即SVC和TCSC控制器需要优化的参数，SVC选择设备参考电压，TCSC选择可调节电抗值为优化参数，将一组参数作为数学模型的可行解；

B-2、将多个SVC和TCSC设备协调配置的控制量为设备的参考量，不改变设备的运行参数；

设电力系统中有n个静止无功补偿器SVC，控制量为多个节点静止无功补偿器SVC的参考电压，m个TCSC，控制量为多台可控串联补偿器TCSC的电抗值，数学模型如下所示：

式中，u为控制向量，U_s(u)为控制量的容许集，包括SVC的参考电压约束和TCSC的补偿电抗值约束；

约束条件包括：1)公式(2)和(3)的等式约束，表示控制后电力系统运行在可行域内，满足潮流约束；

2)

x为状态向量，U_m(x)为状态量的容许集，包括发电机出力的约束、线路有功和无功功率约束、节点电压幅值和相角的约束；

控制的性能指标为：

式中，S_u为SVC对监测点的灵敏度，R为控制量加权对角矩阵；J(u)为控制的性能指标，能够反映出不同控制点和控制量的控制效果；

结合控制目标和性能指标，形成控制策略的增广函数：

稳态条件下以提高电力系统运行经济性为目标的潮流优化的目的是通过求解一组最优解满足增广函数的要求。

进一步地，所述步骤C包括下述步骤：

C-1、采用粒子群优化算法对参数进行优化，式S＝{X₁，X₂，…，X_i，…，X_k}，X₁，X₂，…，X_i，…，X_k表粒子群，其中k表示组优化算法的解，粒子群即是k个解组成的解空间，寻优计算从初始的粒子群开始；

其中：X_i＝(x_i1，x_i2，…，x_iD)为一组解；将X_i代入目标函数，计算适应值；用P_i＝(p_i1，p_i2，…，p_iD)表示第i个粒子自身搜索到的最优位置，用p_besti表示；g_best表种群搜索到的最优值；每个粒子速度变量用式v_i＝(v_i1，v_i2，…，v_iD)表，其中v_i1，v_i2，…，v_iD表示第i个粒子的速度；

按下式对粒子群的位置进行更新优化：

v_id(t+1)＝ω×v_id(t)+c₁×r₁×(p_id(t)-x_id(t))+c₂×r₂×(p_gd(t)-x_id(t)) (4)

x_id(t+1)＝x_id(t)+v_id(t+1) (5)

式中，c₁、c₂为两个加速常量，取值为2；r₁、r₂为均匀分布在[0，1]之间的两个随机数；ω为惯性因子，取值决定解空间的搜索范围；

C-2、计算得到的个体最优粒子即为最优解，每次迭代后得到一组最优解，通过计算该组解的网损，得到网损最低的一组解，即SVC和TCSC的一组控制量，结合步骤A中SVC和TCSC的配置地点和数量，得到稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方案。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：

本发明基于SVC和TCSC的物理等效模型，通过初始潮流计算选择SVC和TCSC的配置地点，建立稳态运行条件下满足系统运行经济性指标的优化数学模型和优化算法模型，最后通过计算优化前后的网损确定了优化后的配置方案。本发明可运用于电力系统的理论和仿真分析，给出稳态条件下适用于任一电网的SVC和TCSC的协调配置方法，利于电力系统运行分析人员合理安排SVC和TCSC的运行参数，充分发挥FACTS设备改善系统潮流、提高提高电力系统运行经济性的特点。

附图说明

图1是本发明提供的优化算法流程图；

图2是本发明提供的仿真算例中特高压等值电网图；

图3是本发明提供的稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

具体的本发明提供了一种稳态条件下提高系统运行经济性的SVC和TCSC协调配置建模方法，其流程图如图3所示，该方法包括以下步骤：

步骤A：首先设定被研究系统的SVC和TCSC设备配置方案。提高系统运行经济性为目的的配置方案，除了考虑配置数量之外，还要考虑潮流的均衡性，减少输电线路的拥堵，减少无功功率的传输。通过计算系统的初始潮流选择配置地点。

步骤B：在步骤A的基础上，建立多个SVC和TCSC设备协调配置的数学模型。提高系统运行经济性为目的的控制目标可以设定为降低被研究电网的网损。选择FACTS控制器需要优化的参数，将一组参数作为数学模型的可行解。

步骤C：根据步骤B的模型对参数进行优化，并计算优化计算前后系统的运行经济性指标，得到FACTS配置的最优方案。

其中，在所述步骤A中所述设备配置方案首先需要在被研究电网进行初始潮流计算，确定节点电压和网络潮流及配置数量。其次，考虑提高系统运行经济性的FACTS控制器主要有静止无功补偿器(Static Var Compensator，SVC)和晶闸管控制串联电容器(Thyristor Controlled Series Capacitor，TCSC)，SVC可以在一定范围内对电压进行控制，TCSC的容抗值在其容性最小值和容性最大值之间可调，因此步骤A所述配置方案的原则是：提高系统运行经济性的SVC配置主要考虑到在电网中电压偏低的节点加装SVC。在稳态过程中，可调节TCSC容抗值使系统的潮流得以合理分布、降低网损，可选在潮流较重的线路上装设TCSC。

在步骤B所述多个SVC和TCSC设备协调配置的数学模型考虑系统稳态条件下提高系统运行经济性的控制目标，因此控制目标设为系统的网损最小，即minf(u)。其次，多个SVC和TCSC设备协调配置的控制量为设备的参考量，不改变设备的运行参数。

设系统中有n个SVC，控制量为多个节点SVC的参考电压，m个TCSC，控制量为多台TCSC的电抗值，数学模型为：

式中，u为控制向量，U_s(u)为控制量的容许集。

优化约束条件：1)X'_s(u)∈Ω_f表示控制后系统运行在可行域内，满足潮流约束；2)

x为状态向量，U_m(x)为状态量的容许集。

控制的性能指标为：

式中，S_u为SVC对监测点的灵敏度，R为控制量加权对角矩阵。考虑控制目标和性能指标，形成控制策略的增广函数：

稳态条件下以提高系统运行经济性为目标的潮流优化的目的就是通过求解一组最优解满足增广函数的要求。

在步骤C所述对参数进行优化采取了粒子群优化算法(PSO)，PSO算法中，目标搜索空间中的每一个粒子都是一个优化问题的解，k个粒子组成一个群体。每个粒子性能的优劣程度取决于待优化问题目标函数确定的适应值，每个粒子由一个速度决定其飞行的方向和速率的大小，粒子群追随当前的最优粒子在解空间中进行搜索。为了考虑各个节点的控制量不等式约束，随机初始化和寻优过程中，粒子的数值取值始终受到该节点的控制量约束。

设粒子群为S＝{X₁，X₂，…，X_i，…，X_k}，其中X_i＝(x_i1，x_i2，…，x_iD)为一组解。将X_i代入目标函数，即可计算出相应的适应值。用P_i＝(p_i1，p_i2，…，p_iD)记录第i个粒子自身搜索到的最优位置，即适应值最好，记为p_besti。种群搜索到的最优值记为g_best。此外，每个粒子还有一个速度变量，可以用v_i＝(v_i1，v_i2，…，v_iD)表示第i个粒子的速度。

PSO通过以下公式对粒子的位置进行更新：

v_id(t+1)＝ω×v_id(t)+c₁×r₁×(p_id(t)-x_id(t))+c₂×r₂×(p_gd(t)-x_id(t)) (2)

x_id(t+1)＝x_id(t)+v_id(t+1) (3)

式中，c₁、c₂为两个加速常量，一般取值为2；r₁、r₂为均匀分布在[0，1]之间的两个随机数。ω为惯性因子，取值决定了解空间的搜索范围。

粒子群算法的整个流程图如图1所示。

最后计算得到的最优解为公式(1)的一组可行解，通过计算该组解的系统网损，可知优化后系统的网损降低，有效提高系统的运行经济性。

实施例

本实施例以华北-华中等值电网互联电网仿真算例进行说明。

本发明的实施例在特高压等值电网上进行，500kV及以上电压等级网架结构如图2所示，对特高压电网进行了等值，保留晋长治、豫南阳、豫豫北和豫驻马四个特高压站点，重点考虑河南电网主网架。以特高压等值电网稳态条件下SVC和TCSC的配置为本发明的示例，通过证明SVC和TCSC配置后系统网损得到了有效降低，验证本发明的合理性。

第一步：SVC可以在一定范围内对电压进行控制，提高系统运行经济性的SVC配置主要考虑到在电网中电压偏低的节点加装SVC。TCSC的容抗值在其容性最小值和容性最大值之间可调，在稳态过程中，可调节容抗值使系统的潮流得以合理分布、降低网损，选在潮流较重的线路上装设TCSC。根据配置原则，SVC预计配置五台，TCSC配置七台。初步选择两套方案如下：

1)SVC：豫嘉和、豫牡丹、豫陕州、豫郑州、豫官渡

TCSC：豫北-洹安，香山-邵陵，获嘉-塔铺，郑州-嘉和，香山-白河，牡丹-陕州

2)SVC：豫金岱、豫栾川、豫寥城、豫潢川、豫官渡

TCSC：豫北-洹安，香山-邵陵，获嘉-塔铺，郑州-嘉和，香山-白河，牡丹-陕州

通过仿真对比两套方案，方案1)使得初始潮流系统的网损达到723MW，潮流收敛特性变差；方案2)中初始潮流系统网损为640MW，因此选择方案2)作为参数优化的配置方案。

第二步：在豫金岱、豫栾川、豫寥城、豫潢川、豫官渡分别装设一台SVC。分别在500kV线路豫北-洹安(两回)，香山-邵陵，获嘉-塔铺，郑州-嘉和，香山-白河，牡丹-陕州加装七台TCSC。

通过协调控制SVC的输出电压和TCSC的电抗值对该网络下潮流进行优化计算。优化前后SVC参考电压为：

表1优化前后SVC参考电压

电压/p.u.	豫金岱	豫栾川	豫寥城	豫潢川	豫官渡
						优化前	0.983	1.023	1.029	0.972	1.004
优化后	1.019	1.102	1.103	1.102	1.023

表2优化前后TCSC电抗

第三步：计算优化前后的系统经济性指标，即系统网损，优化计算后的网损明显降低，经济性得到提高。

表3优化前后特高压等值电网网损

优化前网损	优化后网损
		640MW	626MW

从以上算例可以得到结论，通过协调配置多个SVC和TCSC设备可以改善系统潮流，提高稳态运行时系统的经济性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

步骤A：设定被研究电力系统的SVC和TCSC设备配置方案，计算电力系统的初始潮流选择配置地点；

步骤B：建立多个SVC和TCSC设备协调配置的数学模型；以电力系统的网损最小为控制目标，选择SVC和TCSC设备控制器需要优化的参数，SVC选择设备参考电压，TCSC选择可调节电抗值为优化参数，将一组参数作为数学模型的可行解；

步骤C：根据数学模型对参数进行优化，并计算优化前后电力系统的运行经济性指标，得到稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方案；

所述步骤A包括下述步骤：

A-1、根据计算的电网进行初始潮流确定节点电压和网络潮流及配置数量；

A-2、在电网中电压低的节点加装静止无功补偿器SVC，在潮流重的线路上装设可控串联补偿器TCSC，视具体电网和所投设备的数量；

所述静止无功补偿器SVC是通过提高节点的电压来改变输电线路的传输能力，所述可控串联补偿器TCSC是直接参与补偿线路串联电抗来提高线路传输功率；把二者结合起来，并入到电力系统的节点导纳矩阵为：

其中：Y、Y′分别为引入SVC和TCSC前后网络的节点导纳阵，i、j表示安装SVC和TCSC装置相关节点；

引入SVC和TCSC装置后节点功率平衡方程为

式中：P_Gi，Q_Gi，P_Li，Q_Li——发电机i的有功、无功功率和各支路ij上的有功、无功功率；

V_i，θ_i——节点i的电压幅值和相角；

G_ij，B_ij——引入FACTS装置后系统节点导纳矩阵Y的对应元素；

N——节点总数；

所述步骤B包括下述步骤：

B-1、以电力系统的网损最小为控制目标，即min f(u)，f(u)为电力系统的网损，u为控制量，即SVC和TCSC控制器需要优化的参数，SVC选择设备参考电压，TCSC选择可调节电抗值为优化参数，将一组参数作为数学模型的可行解；

B-2、将多个SVC和TCSC设备协调配置的控制量为设备的参考量，不改变设备的运行参数；

设电力系统中有n个静止无功补偿器SVC，控制量为多个节点静止无功补偿器SVC的参考电压，m个TCSC，控制量为多台可控串联补偿器TCSC的电抗值，数学模型如下所示：

式中，u为控制向量，U_s(u)为控制量的容许集，包括SVC的参考电压约束和TCSC的补偿电抗值约束；

约束条件包括：1)公式(2)和(3)的等式约束，表示控制后电力系统运行在可行域内，满足潮流约束；

2)

x为状态向量，U_m(x)为状态量的容许集，包括发电机出力的约束、线路有功和无功功率约束、节点电压幅值和相角的约束；

控制的性能指标为：

式中，S_u为SVC对监测点的灵敏度，R为控制量加权对角矩阵；J(u)为控制的性能指标，能够反映出不同控制点和控制量的控制效果；

结合控制目标和性能指标，形成控制策略的增广函数：

稳态条件下以提高电力系统运行经济性为目标的潮流优化的目的是通过求解一组最优解满足增广函数的要求；

所述步骤C包括下述步骤：

C-1、采用粒子群优化算法对参数进行优化，式S＝{X₁，X₂，…，X_i，…，X_k}，X₁，X₂，…，X_i，…，X_k表粒子群，其中k表示组优化算法的解，粒子群即是k个解组成的解空间，寻优计算从初始的粒子群开始；

其中：X_i＝(x_i1，x_i2，…，x_iD)为一组解；将X_i代入目标函数，计算适应值；用P_i＝(p_i1，p_i2，…，p_iD)表示第i个粒子自身搜索到的最优位置，用p_besti表示；g_best表种群搜索到的最优值；每个粒子速度变量用式v_i＝(v_i1，v_i2，…，v_iD)表，其中v_i1，v_i2，…，v_iD表示第i个粒子的速度；

按下式对粒子群的位置进行更新优化：

v_id(t+1)＝ω×v_id(t)+c₁×r₁×(p_id(t)-x_id(t))+c₂×r₂×(p_gd(t)-x_id(t)) (4)

x_id(t+1)＝x_id(t)+v_id(t+1) (5)

式中，c₁、c₂为两个加速常量，取值为2；r₁、r₂为均匀分布在[0，1]之间的两个随机数；ω为惯性因子，取值决定解空间的搜索范围；

C-2、计算得到的个体最优粒子即为最优解，每次迭代后得到一组最优解，通过计算该组解的网损，得到网损最低的一组解，即SVC和TCSC的一组控制量，结合步骤A中SVC和TCSC的配置地点和数量，得到稳态条件下SVC和TCSC的协调配置方案。

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