CN106505575B - 一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法，该方法内容包括：1，建立经济调度模型，包括其目标函数和约束条件；2，将电网进行分层粒化；3，网络化简，采用Ward等值法简化网络，有效减少网络节点；4，采用粒计算方法优化网络潮流。本发明的有益效果：考虑因素全面，提高了计算精度；提出分层粒化求解的策略，能降低求解时间，提高求解效率；对于大规模电力网络，如果采用合理的分层粒计算方法，可以解决收敛困难的问题，还能提高计算速度。

Description

一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法

技术领域

本发明涉及电力系统经济调度技术领域，特别涉及一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法。

背景技术

经济调度以全网的供电成本或能耗最低为目标函数，按照等微增率法和协调方程式进行调度，是实现电力系统经济运行的重要工具，是运行环节中的一种科学方法，也是迄今为止世界各个国家所普遍采用的一种调度原则。目前，对于大电网的在线经济调度研究主要遇到的问题是数据量大，采集运算的时间周期长，难以实时反映电网运行情况从而使实现经济调度变得困难。电力系统经济调度是一个高维、非凸、非线性的有约束优化问题，因此对该问题的求解尤其是相互耦合约束条件的处理十分困难。我国电力系统长期坚持集中调度。集中调度将使电力系统经济调度的求解更加困难，亟需找出一种大电网经济调度求解的有效方法。所以，对大电网经济调度的求解问题的研究具有重要意义。

粒计算作为一种新的处理信息的算法，发展迅速，引起了广泛的研究。用粒计算思想将大电网粒化成不同粒度的粒子,通过快速选择合适的粒度来寻找一种较好的潮流优化方案,从而降低问题求解的复杂度。对电网的粒化要结合网络的拓扑结构，进行等值化简，这样能加快计算速度。

发明内容

本发明提供一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法，该方法提高了潮流计算的精度和计算效率。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法，该方法内容包括如下步骤：

步骤1，建立经济调度模型，包括其目标函数和约束条件；

步骤2，将电网进行分层粒化；

步骤3，网络化简，采用Ward等值法简化网络，有效减少网络节点；

步骤4，采用粒计算方法优化网络潮流。

进一步的，在步骤1中，所述建立经济调度模型，其具体过程如下：

a、建立目标函数

在满足约束条件的情况下，以发电机的总发电成本最低为目标函数，其数学表达式具体如下：

(1)式中，P_G，i是第i台机组的输出功率；a_i，b_i，c_i是第i台机组的成本系数；N是机组的总台数；

b、设置模型的约束条件，约束条件包括系统功率平衡约束、常规机组出力上下限和线路潮流约束；

具体约束条件为：

1)系统功率平衡约束

(2)式中，P_D为总负荷需求，P_LOSS为网络损失；

2)常规机组出力上下限

(3)式中，分别为机组i的最小、最大出力；

3)线路潮流约束

(4)式中，是线l的最大极限功率。

进一步的，在步骤2中，所述将电网进行分层粒化的具体过程如下：

通常，在解决复杂问题的时候，可以先忽略一些细节条件，从一个相对抽象的角度着手解决问题，然后逐步细化，不断深入分析。这种从粗到细分析问题的方法称为层次分析法。

根据层次分析法，把电力网络在各个层次上进行粒化，最上层为一个粗粒子，直到最后一层，粒子逐渐细化，每个粒子包含一部分的网络结构，粒子之间由连接线连接；然后由上至下计算不同层次上的粒子中的潮流，最终得到所有连接线上的潮流功率。

在对每个粒子经行计算的时候要对粒子所包含的网络结构经行等值化简，本发明中采用Ward等值法进行化简；

网络等值法可以有效减少网络节点数量，每片区域中的节点可分为两种，一种是保留节点，一种是消除节点。在典型的Ward等值法中，保留节点只包含连接线上的边界节点，但在本发明中，为了提高计算精度，还保留了PV节点。对每一片区域的等值方法都是一样的，所以只对一个区域进行等值化简。

进一步的，在步骤3中，所述采用Ward等值法简化网络，有效减少网络节点，其化简过程如下：

网络的节点导纳矩阵表示如下：

节点导纳矩阵只包含通过高斯消去法得到的保留节点；

(7)式中，是保留节点上的注入电流，可以用视在功率和电压表示如下：

在潮流计算中，等效注入功率通常表示为：

在(8)式和(9)式中，S_B,S_E,和是基本案例的潮流数据，可以通过数据采集获得；

在潮流计算中，在不考虑网络结构发生变化的情况下，采用Ward等值法，节点导纳矩阵不需要更新；等效注入功率的更新表达式如下：

(10)式中，S_BW是机组组合变化后的新的注入功率。

进一步的，在步骤4中，所述采用粒计算方法优化网络潮流的具体过程如下：

粒计算的目的是计算出电网络的线路潮流；牛顿-拉夫逊法用于计算每个粒子中的交流潮流，由于牛顿-拉夫逊法需要平衡节点，所以每个粒子中至少要含有一个PV节点，用于设置平衡节点的电压幅度；粒计算的步骤具体如下：

1)更新发电机功率

更新的发电机功率必须满足系统功率平衡约束条件(2)式和常规机组出力上下限条件(3)式；由于网络损失是未知的，所以初始化更新采用了基本案例中的总发电机功率；(2)式修正为(11)式，总发电机功率在第三步进行修正；

(11)式中，P_B是基本案例中的总发电机功率；

2)计算顶层粒子中的潮流

在顶层粒子中，等效注入功率按照方程(10)式更新，因为初始发电机功率中存在小的数据误差，在进行潮流计算之后，平衡节点的有功功率会与计算之前产生偏差，产生的功率偏差应该分配到各个发电机上；

3)把平衡节点上的有功功率偏差分配到各发电机

根据费用灵敏度分配有功偏差：

(12)式中，H₀是费用灵敏度；发动机功率改变后，电力潮流需要重新计算；

4)把连接线上的有功功率和无功功率分配到下一层的相关粒子上

粒计算之后，可以得到连接线上的有功功率和无功功率，下一层的粒子需要这些数据来计算潮流；

5)计算下一层粒子中的电力潮流

得到上一层连接线上的有功功率和无功功率后，就能计算本层粒子中的潮流了，如果这是最后一层中的粒子，那么粒计算过程结束，否则回到步骤(4)；

当粒计算过程全部完成时，可以得到所有线路上的潮流。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法，与现有技术相比具有这样的有益效果：

1、考虑因素全面，提高了计算精度；

2、提出分层粒化求解的策略，能降低求解时间，提高求解效率；

3、对于大规模电力网络，如果采用合理的分层粒计算方法，可以解决收敛困难的问题，还能提高计算速度。

附图说明

图1是本发明方法的模拟电网图；

图2是本发明方法的模拟电网的三层分层图；

图3是本发明方法的互联电力系统网络图；

图4是本发明方法的第一层网络的化简图；

图5是本发明方法的粒计算流程图；

图6是本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法，该方法的流程图如图6所示，该方法内容包括如下步骤：

步骤1，建立经济调度模型，包括其目标函数和约束条件；

步骤1中，建立经济调度模型的具体过程如下：

a、建立目标函数

在满足约束条件的情况下，以发电机的总发电成本最低为目标函数，其数学表达式具体如下：

(1)式中，P_G，i是第i台机组的输出功率；a_i，b_i，c_i是第i台机组的成本系数；N是机组的总台数；

b、设置模型的约束条件，约束条件包括系统功率平衡约束、机组出力上下限、线路潮流约束；

具体约束条件为：

1)系统功率平衡约束

(2)式中，P_D为总负荷需求，P_Loss为网络损失；

2)常规机组出力上下限

(3)式中，分别为机组i的最小、最大出力；

3)线路潮流约束

(4)式中，是线l的最大极限功率。

步骤2，将电网进行分层粒化；

将电网进行分层粒化的具体过程如下：

通常，在解决复杂问题的时候，可以先忽略一些细节条件，从一个相对抽象的角度着手解决问题，然后逐步细化，不断深入分析。这种从粗到细分析问题的方法称为层次分析法。为了更好的理解分层方法，下面用一个具体例子来进行阐述，如图1、2所示。

图1是一个模拟电网图，G₀，G₁，G₂，G₃为发电机。假设这片电网能被分成四个区域，如图1中所示的四个圆圈包含的区域，分别计算这四个区域的线路潮流；每个区域包含一到两条联络线，层次化分析法的目的就是获得所有联络线上的潮流。可以将这片模拟电网络分成三层，如图2所示。每一层的特点具体如下：

1)第一层：第一层只包含一个粒子V₀，负责粗粒度计算，计算前要简化其拓扑结构，简化后的网络结构只包含四个发电机节点、联络线节点(节点a和b)和相关线路，如图4所示。通过粒计算能够获得联络线a-b上的潮流，然后将其分配到第二层的粒子中；

2)第二层：第二层包含两个粒子V₁和V₂，同样，两个粒子中的拓扑结构被简化了，通过粒计算得到了联络线c-g，d-h，e-j和f-k上的潮流，然后分配到下一层的相关粒子中；

3)第三层：第三层包含四个粒子，分别为V₃，V₄，V₅和V₆；这一层的粒子负责细粒度计算，在这一层经过粒计算后，能够得到所有线路上的潮流分布。

根据层次分析法，把电力网络在各个层次上进行粒化，最上层为一个粗粒子，直到最后一层，粒子逐渐细化，每个粒子包含一部分的网络结构，粒子之间由连络线连接；然后由上至下计算不同层次上的粒子中的潮流，最终得到所有连络线上的潮流功率。

在对每个粒子经行计算的时候要对粒子所包含的网络结构经行等值化简，本发明中采用Ward等值法进行化简。

步骤3，网络化简，采用Ward等值法简化网络，有效减少网络节点；

采用Ward等值法简化网络，有效减少网络节点的具体过程如下：

网络等值法可以有效减少网络节点数量，每片区域中的节点可分为两种，一种是保留节点(B)，一种是消除节点(E)，如图3所示。在典型的Ward等值法中，保留节点只包含连接线上的边界节点，但在本发明中，为了提高计算精度，还保留了PV节点。对每一片区域的等值方法都是一样的，以下只对第一层的粒子进行化简，其化简后的拓扑结构如图4所示。其化简过程如下：

网络的节点导纳矩阵表示如下：

节点导纳矩阵只包含通过高斯消去法得到的保留节点；

(7)式中，是保留节点上的注入电流，可以用视在功率和电压表示如下：

在潮流计算中，等效注入功率通常表示为：

在(8)式和(9)式中，S_B,S_E,和是基本案例的潮流数据，可以通过数据采集获得；

在潮流计算中，在不考虑网络结构发生变化的情况下，采用Ward等值法，节点导纳矩阵不需要更新；等效注入功率的更新表达式如下：

(10)式中，S_BW是机组组合变化后的新的注入功率。

步骤4，采用粒计算方法优化网络潮流，粒计算过程如图5所示，

其具体过程如下：

粒计算的目的是计算出电网络的线路潮流。牛顿-拉夫逊法用于计算每个粒子中的交流潮流；由于牛顿-拉夫逊法需要平衡节点，所以每个粒子中至少要含有一个PV节点，用于设置平衡节点的电压幅度；粒计算的步骤具体如下：

1)更新发电机功率

更新的发电机功率必须满足系统功率平衡约束条件，(2)式和常规机组出力上下限条件(3)式；由于网络损失是未知的，所以初始化更新采用了基本案例中的总发电机功率；(2)式修正为(11)式，总发电机功率在第三步进行修正；

(11)式中，P_B是基本案例中的总发电机功率；

2)计算顶层粒子中的潮流

在顶层粒子中，等效注入功率按照方程(10)式更新，因为初始发电机功率中存在小的数据误差，在进行潮流计算之后，平衡节点的有功功率会与计算之前产生偏差，产生的功率偏差应该分配到各个发电机上；

3)把平衡节点上的有功功率偏差分配到各发电机

根据费用灵敏度分配有功偏差：

(12)式中，H₀是费用灵敏度；发动机功率改变后，电力潮流需要重新计算；

4)把连接线上的有功和无功分配到下一层的相关粒子上

粒计算之后，可以得到连接线上的有功和无功，下一层的粒子需要这些数据来计算潮流；

5)计算下一层粒子中的电力潮流

得到上一层连接线上的有功和无功后，就能计算本层粒子中的潮流了，如果这是最后一层中的粒子，那么粒计算过程结束，否则回到步骤(4)；

当粒计算过程全部完成时，可以得到所有线路上的潮流。

为了更加全面的验证本发明的有效性，本发明的案例仿真采用IEEE 118节点19机组系统，并根据粒计算的粒子划分方法的不同分化出两个层数不同的案例。在案例1.1中，系统被分为两层；在案例1.2中，系统被分为三层。再将两个案例的结果同时与传统的潮流计算结果进行对比验证，其结果如表1。

表1案例中的潮流计算时间比较

Table.1 Thepower flow computing time comparison for cases

很明显，采用分层粒计算的方法要比传统的潮流算法的时间少很多，而且分为三层的案例1.2比分为两层的案例1.1更省时，随着网络规模的扩大，粒计算的优越性会越明显。以上结果验证了本发明的优越性。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法，其特征在于，所述方法的步骤如下：

步骤1，建立经济调度模型，包括其目标函数和约束条件；具体地，建立经济调度模型的具体过程如下：

a、建立目标函数

在满足约束条件的情况下，以发电机的总发电成本最低为目标函数，其数学表达式具体如下：

(1)式中，P_G，i是第i台机组的输出功率；a_i，b_i，c_i是第i台机组的成本系数；N是机组的总台数；

b、设置模型的约束条件，约束条件包括系统功率平衡约束、常规机组出力上下限和线路潮流约束；

具体约束条件为：

1)系统功率平衡约束

(2)式中，P_D为总负荷需求，P_Loss为网络损失；

2)常规机组出力上下限

(3)式中，分别为机组i的最小、最大出力；

3)线路潮流约束

(4)式中，是线l的最大极限功率；

步骤2，将电网进行分层粒化；

步骤3，网络化简，采用Ward等值法简化网络，可以有效减少网络节点；具体地，其具体过程如下：

网络的节点导纳矩阵表示如下：

其中，Y_EE，Y_BB分别表示外部节点、边界节点和内部节点的自导纳矩阵；Y_EB＝Y_BE，Y_EE和Y_BB分别表示外部节点和边界节点的互导纳矩阵；分别表示外部节点、边界节点的注入电流相量；

节点导纳矩阵只包含通过高斯消去法得到的保留节点；

(7)式中，是保留节点上的注入电流，可以用视在功率和电压表示如下：

在潮流计算中，等效注入功率通常表示为：

在(8)式和(9)式中，S_B,S_E,和是基本案例的潮流数据，可以通过数据采集获得；其中，基本案例是指IEEE118节点19机组系统；

在潮流计算中，在不考虑网络结构发生变化的情况下，采用Ward等值法，节点导纳矩阵不需要更新；等效注入功率的更新表达式如下：

(10)式中，S_BW是机组组合变化后的新的注入功率；

步骤4，采用粒计算方法优化网络潮流；其中，粒计算的步骤具体如下：

step1：更新发电机功率，更新的发电机功率必须满足系统功率平衡约束条件(2)式和常规机组出力上下限条件(3)式；由于网络损失是未知的，所以初始化更新采用了基本案例中的总发电机功率；(2)式修正为(11)式，总发电机功率在第三步进行修正；

(11)式中，P_B是基本案例中的总发电机功率；

step2：计算顶层粒子中的潮流，在顶层粒子中，等效注入功率按照方程(10)式更新，因为初始发电机功率中存在小的数据误差，在进行潮流计算之后，平衡节点的有功功率会与计算之前产生偏差，产生的功率偏差应该分配到各个发电机上；

step3：把平衡节点上的有功功率偏差分配到各发电机，根据费用灵敏度分配有功偏差：

(12)式中，H₀是费用灵敏度；P＝P_G，i；发动机功率改变后，电力潮流需要重新计算；

step4：把连接线上的有功功率和无功功率分配到下一层的相关粒子上，粒计算之后，可以得到连接线上的有功功率和无功功率，下一层的粒子需要这些数据来计算潮流；

step5：计算下一层粒子中的电力潮流，得到上一层连接线上的有功功率和无功功率后，就能计算本层粒子中的潮流了，如果这是最后一层中的粒子，那么粒计算过程结束，否则回到step4；当粒计算过程全部完成时，可以得到所有线路上的潮流。

2.根据权利要求1所述的一种基于粒计算的线路潮流经济调度方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：

根据层次分析法，把电力网络在各个层次上进行粒化，最上层为一个粗粒子，直到最后一层，粒子逐渐细化，每个粒子包含一部分的网络结构，粒子之间由连接线连接；然后由上至下计算不同层次上的粒子中的潮流，最终得到所有连接线上的潮流功率。