CN106356872B - 特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法，包括得到待分析电网的潮流初始状态量；对全网交流线路首末端进行三相短路故障暂态稳定扫描得到故障集，求出第k个失稳故障的极限切除时间；对故障集进行判断；对静止同步补偿器在待分析的特高压直流弱受端电网中的安装位置和安装容量进行编码，并利用粒子群游算法求解，完成静止同步补偿器的配置。本发明方法针对特高压直流弱受端电网为分析目标，能够准确反映特高压直流弱受端电网在加装静止同步补偿器后电压支撑水平的提升情况，合理分析系统所需的动态无功分布情况，提升系统抵御交流故障的能力，保证电力系统的稳定运行以及最优成本运行，而且方法简单可靠，计算简便。

Description

特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法

技术领域

本发明属于电气自动化领域，具体涉及一种特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法。

背景技术

远距离大容量特高压直流输电是目前解决能源分布不均衡矛盾的重要手段。特高压直流输电能够将能源基地的电力直接送至负荷中心，有利于电能的直接消纳。大容量的直流电力输入需要受端电网拥有一定比例的无功电源作为支撑，但是当受端电网的网架结构较弱及负荷水平不高时，严重的交流系统故障容易引起直流换向失败，功率缺失使得交流系统的运行状态发生很大变化，导致交流系统电压失稳。

传统的动态无功补偿设备如发电机、调相机具有很好的动态无功调节性能，但是设备占地面积大，造价高，损耗较大，运行起来经济代价较大。近年来，以静止同步补偿器(static synchronous compensator)为代表的电力电子动态无功补偿装置在系统中应用越来越广泛，静止同步补偿器具有快速响应、灵活可控的特性，补偿的容量能够根据系统电压的变化速度连续可调，且在交流系统故障后短时间之内稳定地提供无功功率，支撑负荷节点的电压，有利于提高电力系统的电压稳定水平，减少因暂态电压崩溃而引起的大面积停电事故发生。在特高压直流馈入的弱受端电网装设静止同步补偿器能改善受端电网的电压稳定水平，从而提升电网的受电能力。对于一定数量的静止同步补偿器，其安装的容量不同、安装的位置不同，电压支撑效果也存在明显差异。

目前，静止同步补偿器的配置方法还处于人工模拟计算阶段，现有的静止同步补偿器配置方法均针对的是普通电网的通用配置方法。而特高压直流弱受端电网，由于其电网结构、特性与普通电网存在差异，因此现有的静止同步补偿器的配置方法不完全适用于特高压直流弱受端电网。

发明内容

本发明的目的在于提供一种针对特高压直流弱受端电网的，能够提升特高压直流弱受端电网的暂态电压稳定水平的静止同步补偿器的配置方法。

本发明提供的这种特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法，包括如下步骤：

S1.对待分析的特高压直流弱受端电网系统进行交直流混合仿真计算，得到电网系统潮流初始状态量；

S2.根据步骤S1得到的初始状态，对全网交流线路首末端进行三相短路故障暂态稳定扫描，得到故障集，并通过仿真计算求出第k个失稳故障的极限切除时间，k为正整数；

S3.根据步骤S2得到的故障集，采用如下规则进行判断：

若步骤S2得到的故障集为空集，则表明该待分析的特高压直流弱受端电网系统在该运行方式下不需要加装静止同步补偿器，则静止同步补偿器的配置已完成；

若步骤S2得到的故障集为非空集合，则表明该待分析的特高压直流弱受端电网系统在该运行方式下需要加装静止同步补偿器；

S4.对需要加装静止同步补偿器的情况，对静止同步补偿器在待分析的特高压直流弱受端电网中的安装位置和安装容量进行编码；

S5.利用粒子群游算法对步骤S4所编码的安装位置和安装容量进行求解，完成对待分析的特高压直流弱受端电网系统的静止同步补偿器的配置。

步骤S4所述的安装位置为变压器的低压侧母线。

步骤S5所述的利用粒子群游算法对安装位置和安装容量进行求解，具体为采用如下步骤对安装位置和安装容量进行求解：

A.定义粒子群游目标函数为：

式中k为故障集中的故障数目，(t_lim)_k为第k个失稳故障的极限切除时间；

B.根据静止同步补偿器的安装数量N，确定安装位置的粒子代码和迭代次数，生成对应的安装位置序列；

C.通过安装位置选择部分，更新安装位置；

D.将静止同步补偿器的安装容量c转化为二进制数编码，对应2^a-1级容量，则安装容量选择部分的粒子为N*a维向量；

E.初始化安装容量选择粒子，随机产生N个粒子X₁,X₂,X₃…X_N，计算X_i的目标函数值，i≤N，将X_i的目标函数值作为初始的个体最优值S_i，将X_i保存为个体的局部最优向量Pbest_k，同时将S_i中的最小值的值赋给全局极小值T，保存对应的全局最优向量Gbest_k；

F.按下式更新第k次迭代过程中安装容量选择粒子的速度v_k+1和位置x_k+1，并重新计算更新后粒子的目标函数值：

S(v_k+1)＝1/(1+exp(-v_k+1))

其中，rand()是[0,1]区间内的随机数，S(v_k+1)是位置判断函数，ω、m₁、m₂是群体认知系数；

G.若第i个粒子的第k+1步迭代过程中目标函数值(S_i)_k+1小于此前的个体值(S_i)_k，则将其设为(S_i)_k+1，对应的个体局部最优向量为Pbest_k+1；若(S_i)_k+1的值小于此前的全局极小值T，则将其设为全局极小值T，并且保存对应的全局最优向量Gbest_k；

H.重复步骤E～步骤G，直至迭代次数达到安装容量设定的最大迭代次数；

I.确定当前步骤目标函数的值T及对应的全局最优向量Gbest_k：若当前步骤的目标函数值T小于此前的值，将其设为W，并保存该步骤的安装位置和安装容量；

J.重复步骤C～步骤I直至迭代次数达到安装位置选择部分的最大迭代次数；

K.步骤J的计算结果即为最优的静止同步补偿器的安装位置和最优的安装容量，并依据步骤J的计算结果完成静止同步补偿器的配置。

本发明提供的这种特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法，针对特高压直流弱受端电网为分析目标，以各故障的极限切除时间之和为目标函数，通过粒子群游优化算法对静止同步补偿器的安装位置和安装容量两个指标进行全局寻优，因此本发明方法能够较为准确地反映特高压直流弱受端电网在加装静止同步补偿器后电压支撑水平的提升情况，能够合理的分析系统所需的动态无功分布情况，提升系统抵御交流故障的能力，从而保证了电力系统的稳定运行以及最优成本运行，而且本发明方法简单可靠，计算简便，易于推广。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

如图1所示为本发明方法的流程图：本发明提供的这种特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法，包括如下步骤：

S1.对待分析的特高压直流弱受端电网系统进行交直流混合仿真计算，得到电网系统潮流初始状态量；

S2.根据步骤S1得到的初始状态，对全网交流线路首末端进行三相短路故障暂态稳定扫描，得到故障集，并通过仿真计算求出第k个失稳故障的极限切除时间，k为正整数；

S3.根据步骤S2得到的故障集，采用如下规则进行判断：

若步骤S2得到的故障集为空集，则表明该待分析的特高压直流弱受端电网系统在该运行方式下不需要加装静止同步补偿器，则静止同步补偿器的配置已完成；

若步骤S2得到的故障集为非空集合，则表明该待分析的特高压直流弱受端电网系统在该运行方式下需要加装静止同步补偿器；

S4.对需要加装静止同步补偿器的情况，对静止同步补偿器在待分析的特高压直流弱受端电网中的安装位置和安装容量进行编码，所述的安装位置为变压器的低压侧母线；

S5.利用粒子群游算法对步骤S4所编码的安装位置和安装容量进行求解，完成对待分析的特高压直流弱受端电网系统的静止同步补偿器的配置；具体则采用如下步骤对安装位置和安装容量进行求解：

A.定义粒子群游目标函数为：

式中k为故障集中的故障数目，(t_lim)_k为第k个失稳故障的极限切除时间；

B.根据静止同步补偿器的安装数量N，确定安装位置的粒子代码和迭代次数，生成对应的安装位置序列；

C.通过安装位置选择部分，更新安装位置；

D.将静止同步补偿器的安装容量c转化为二进制数编码，对应2a-1级容量，则安装容量选择部分的粒子为N*a维向量；

E.初始化安装容量选择粒子，随机产生N个粒子X₁,X₂,X₃…X_N，计算X_i的目标函数值，i≤N，将X_i的目标函数值作为初始的个体最优值S_i，将X_i保存为个体的局部最优向量Pbest_k，同时将S_i中的最小值的值赋给全局极小值T，保存对应的全局最优向量Gbest_k；

F.按下式更新第k次迭代过程中安装容量选择粒子的速度v_k+1和位置x_k+1，并重新计算更新后粒子的目标函数值：

S(v_k+1)＝1/(1+exp(-v_k+1))

其中，rand()是[0,1]区间内的随机数，S(v_k+1)是位置判断函数，ω、m₁、m₂是群体认知系数；

G.若第i个粒子的第k+1步迭代过程中目标函数值(S_i)_k+1小于此前的个体值(S_i)_k，则将其设为(S_i)_k+1，对应的个体局部最优向量为Pbest_k+1；若(S_i)_k+1的值小于此前的全局极小值T，则将其设为全局极小值T，并且保存对应的全局最优向量Gbest_k；

H.重复步骤E～步骤G，直至迭代次数达到安装容量设定的最大迭代次数；

I.确定当前步骤目标函数的值T及对应的全局最优向量Gbest_k：若当前步骤的目标函数值T小于此前的值，将其设为W，并保存该步骤的安装位置和安装容量；

J.重复步骤C～步骤I直至迭代次数达到安装位置选择部分的最大迭代次数；

K.步骤J的计算结果即为最优的静止同步补偿器的安装位置和最优的安装容量，并依据步骤J的计算结果完成静止同步补偿器的配置。

以下结合一个具体实施例对本发明方法进行进一步说明：

选取湖南电网2018年规划的交直流网架某运行方式作为计算网络。

A：利用电磁暂态仿真软件对该运行方式进行暂态稳定故障扫描，按步骤2得到故障集:鹤岭～湘潭换，鹤岭～艾家冲，鹤岭～云田线路首端故障，通过仿真计算得到三个故障的极限切除时间分别为0.167s，0.175s，0.188s；

B：确定静止同步补偿器的安装位置和安装容量，按照步骤3，湖南电网候选的安装站点500千伏变压器低压侧母线条数l＝36，由于湖南电网500千伏低压侧绕组容量的限制，静止同步补偿器的安装容量c不超过32万千乏；

C：确定安装位置粒子的维数，按照步骤5.2，本次需要安装的静止同步补偿器台数N＝2，由于候选位置有36个，故安装位置选择部分粒子个数为 个，故迭代次数为36×35次；

D：确定安装容量的维数，按照步骤5.3，每个安装位置对应有2^a-1种阻抗，取a＝5，即安装容量为1～31万千乏，共有31级，故粒子群游安装容量部分的粒子维数为2*5，设置安装容量部分的粒子数为2*36个，迭代次数为2*72次；

E：确定粒子的速度v_k+1和位置x_k+1的参数值：根据步骤5.6，取群体认知系数ω＝0.9、m₁＝m₂＝2，程序开始时，初始位置随机选择；

F：按照步骤5.5～5.11进行寻优计算，最终得到目标函数的全局极小值W＝0.498s，对应的位置粒子为18,21号母线，即紫霞500千伏变1号主变低压母线和苏耽2号主变低压母线，安装的容量分别为31万千乏、31万千乏。

Claims (3)

1.一种特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法，包括如下步骤：

S1.对待分析的特高压直流弱受端电网系统进行交直流混合仿真计算，得到电网系统潮流初始状态量；

S2.根据步骤S1得到的初始状态量，对全网交流线路首末端进行三相短路故障暂态稳定扫描，得到故障集，并通过仿真计算求出第j个失稳故障的极限切除时间，j＝1,2,...,m，m为正整数，m为故障集中的故障数目；

S3.根据步骤S2得到的故障集，采用如下规则进行判断：

若步骤S2得到的故障集为空集，则表明该待分析的特高压直流弱受端电网系统在该运行方式下不需要加装静止同步补偿器，则静止同步补偿器的配置已完成；

若步骤S2得到的故障集为非空集合，则表明该待分析的特高压直流弱受端电网系统在该运行方式下需要加装静止同步补偿器；

S4.对需要加装静止同步补偿器的情况，对静止同步补偿器在待分析的特高压直流弱受端电网中的安装位置和安装容量进行编码；

S5.利用粒子群优化算法对步骤S4所编码的安装位置和安装容量进行求解，完成对待分析的特高压直流弱受端电网系统的静止同步补偿器的配置。

2.根据权利要求1所述的特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法，其特征在于步骤S4所述的安装位置为变压器的低压侧母线。

3.根据权利要求1或2所述的特高压直流弱受端电网的静止同步补偿器的配置方法，其特征在于步骤S5所述的利用粒子群优化算法对步骤S4所编码的安装位置和安装容量进行求解，具体为采用如下步骤对安装位置和安装容量进行求解：

A.定义粒子群优化目标函数为：

式中m为故障集中的故障数目，(t_lim)_j为第j个失稳故障的极限切除时间；

B.根据静止同步补偿器的安装数量N，确定安装位置的粒子代码和迭代次数，生成对应的安装位置序列；

C.通过安装位置选择部分，更新安装位置；

D.将静止同步补偿器的安装容量c转化为二进制数编码，对应2^a-1级容量，则安装容量选择部分的粒子为N*a维向量；

E.初始化安装容量选择部分的粒子，随机产生N个粒子X₁,X₂,X₃…X_N，计算X_i的目标函数值，i≤N，将X_i的目标函数值作为初始的个体最优值S_i，将X_i保存为个体的局部最优向量Pbest_k，同时将S_i中的最小值的值赋给全局极小值T，保存对应的全局最优向量Gbest_k；

F.按下式更新第k次迭代过程中安装容量选择部分的粒子的速度v_k+1和位置x_k+1，并重新计算更新后粒子的目标函数值：

S(v_k+1)＝1/(1+exp(-v_k+1))

其中，rand()是[0,1]区间内的随机数，S(v_k+1)是位置判断函数，ω、m₁、m₂是群体认知系数；

G.若第i个粒子的第k+1步迭代过程中目标函数值(S_i)_k+1小于此前的个体值(S_i)_k，则将其设为(S_i)_k+1，对应的个体局部最优向量为Pbest_k+1；若(S_i)_k+1的值小于此前的全局极小值T，则将其设为全局极小值T，并且保存对应的全局最优向量Gbest_k；

H.重复步骤E～步骤G，直至迭代次数达到安装容量设定的最大迭代次数；

I.确定当前步骤目标函数的值TT及对应的全局最优向量Gbest_k：若当前步骤的目标函数值TT小于此前的值，将其设为W，并保存该步骤的安装位置和安装容量；

J.重复步骤C～步骤I直至迭代次数达到安装位置选择部分的最大迭代次数；

K.步骤J的计算结果即为最优的静止同步补偿器的安装位置和最优的安装容量，并依据步骤J的计算结果完成静止同步补偿器的配置。