CN107039984A - 一种无功电压分区方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无功电压分区方法，它包括：输入基本参数；确定电压中枢点数目；利用无功电压灵敏度计算和特征值排序，确定分区的个数m；选择电压中枢点，利用贪婪算法，计算目标函数；无功电压分区，利用核C‑均值聚类算法获得分区方案；无功储备校验和灵敏度指标校验，对于无功储备低于下限的对节点重新调整分区，将无功电压灵敏度参数S_ij高的节点设置为关键负荷节点，对关键负荷节点采取适当措施提高其无功电压控制；能够将电网按照无功平衡特性划分为若干个区域子电网；通过中枢点的判断、确定和选择，按照节点的无功区域平衡特性将其划分为多个群；每个群内的节点之间电气耦合程度不同，从而进行无功电压的调节。

Description

一种无功电压分区方法

技术领域

本发明涉及一种配电网自动化及控制技术领域，特别是一种无功电压分区方法。

背景技术

随着用电需求不断上升和用户侧的分布式能源渗透率上升，电网规模不断增大，各级电网之间相互连接，网架结构更加复杂。对电网进行分区，使得具有强耦合性质的节点作为同一区域，弱耦合节点分在不同区域，可以提高电压控制的性能。法国电力集团公司在上世纪提出的分级电压控制方案已经得到了广泛的英语，其基本思想就是将电网分成彼此电器距离较远，相互近似解耦的区域。目前部分电网采用的根据地域来划分电网区域，仅仅考虑了电网的自然特性，忽略了电气特性。合理的电压分区不仅对于电压稳定有所帮助，对于系统失稳概率的降低和安全稳定运行效率的提高都具有重要意义。

目前电网无功电压控制分区的主要方法是利用电气距离等相关信息，利用以聚类算法为代表的分区计算方法，但采用反应电压变化的灵敏度矩阵反应电气距离也具有计算复杂的特点。同时现有方法所采用的单一指标无功校验也难以确保分区方案的可行性，容易让优化结果陷入局部最优而非全局最优。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种无功电压分区方法，能够将电网按照无功平衡特性划分为若干个区域子电网。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种无功电压分区方法，它包括有：所述方法步骤如下：

S01：输入基本参数；

S02：确定电压中枢点数量；

S03：选择电压中枢点；

S04：无功电压分区；

S05：无功储备和灵敏度指标校检；

S06：判断指标是否合格，如果是，则结束；如果不是，则跳转步骤S04。

进一步，所述步骤S01中的基本参数包括有：电力系统的节点参数、线路参数和变压器参数；

所述节点参数包括节点总数n和节点类型；所述节点类型包括：平衡节点、控制节点个数g、PQ节点、PV节点、节点额定电压U_en、节点电压额定有功负荷P_en和节点电压额定无功负荷Q_en；

所述线路参数包括：线路总数k、线路端点、线路编号、线路电抗X_k、线路电纳G_k；

所述变压器参数包括：变压器变比K_T、变压器电阻R_T、变压器电抗X_T、变压器基准功率S_T。

进一步，所述步骤S02中确定电压中枢点数量的过程如下：

S021：计算无功电压灵敏度S_ij，计算特征值并按照从大到小的顺序排列，分别为排列后的第i个特征值及其所对应的特征向量；

S022：利用下述公式计算分区个数m；

其中，λ_i为样本相关矩阵R的特征值。

进一步，所述无功电压灵敏度S_ij的计算过程如下：

S0211：建立无潮流模型：

其中，Q_PQ为PQ节点的无功注入；Q_PV为PV节点的无功注入；V_PQ为PQ的电压幅值；V_PV为PV节点的电压幅值；

S0212：根据控制变量对依从变量的常规灵敏度定义，对于PQ节点无功注入直接参与控制，PQ节点对PQ节点无功电压灵敏度为：

S0213：PQ节点对PV节点无功电压灵敏度为：

S0214：对于PV节点通过电压调整来实现无功调整，PV节点对PQ节点无功电压灵敏度为：

S0215：PV节点对PV节点无功电压灵敏度为：

通过上述计算可以得到无功电压灵敏度S_ij。

进一步，所述步骤S03中选择电压中枢点的过程如下：

S031：计算灵敏度矩阵W为-(L-MH^-1N)，通过已知的电压中枢点个数m，定义中枢点矩阵C为m×n阶矩阵，元素c_ij满足：

元素c_ij表示若节点j为第i个中枢节点，则元素为1，否则为0；

S032：目标函数表达式为：

tr{[(I-L_LL ^-1L_LGHC)L_LL ^-1ΔQ_L]^T(I-L_LL ^-1L_LGHC)L_LL ^-1ΔQ_L}；

S033：利用贪婪算法，选取电压中枢点集合为空集，依次将第1至第n个节点放入电枢节点集合中；计算目标函数，选取最小的目标函数作为即将加入中枢点的集合；当中枢节点个数达到上限或者目标函数改进较小时算法停止搜索，从而得到m簇子群的中枢点。

进一步，所述步骤S04中的无功电压分压过程如下：

S041：计算节点j局部电压稳定性指标L_j，

其中，和为节点电压向量；S_j为系统对节点i的等值负荷；Z_ij为负荷节点i，j之间的等值互阻抗；上标*表示共轭；Y_ij为负荷节点之间互导纳；

S042：计算各个负荷节点到中枢点的电气距离d_ij：

d_ij＝-lg|ΔL_i/ΔL_j|＝-lg|(ΔL_i/ΔQ_i)/(ΔL_j/ΔQ_j)|；

其中，ΔL_j表示负荷有功注入恒定，负荷节点注入无功功率对局部电压稳定性指标L_j影响指标ΔL_j，表达式为：

S043：按照每个节点离中枢点的距离大小进行排序，利用核C-均值聚类算法获得分区方案。

进一步，所述步骤S05中无功储备和灵敏度指标校检过程如下：

无功储备裕度指标β计算公式为：

其中，Q_i为分区内任一负荷节点注入无功功率，Q_G为分区中发电机无功裕量；

无功储备系数下限为15％，低于此下限则对节点重新调整分区；对于无功电压灵敏度参数S_ij高的节点设置为关键负荷节点，对关键负荷节点采取适当措施提高其无功电压控制。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：能够将电网按照无功平衡特性划分为若干个区域子电网；通过中枢点的判断、确定和选择，按照节点的无功区域平衡特性将其划分为多个群；每个群内的节点之间电气耦合程度较高而区外耦合程度较低，从而将电网划分为若干个子区域进行电压无功的调节。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的总流程图。

图2为电压中枢点数量确定和选择的流程图。

图3为无功电压分区算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例：如图1至图3所示；一种无功电压分区方法，方法步骤如下：

S01：输入基本参数；

S02：确定电压中枢点数量；

S03：选择电压中枢点；

S04：无功电压分区；

S05：无功储备和灵敏度指标校检；

S06：判断指标是否合格，如果是，则结束；如果不是，则跳转步骤S04。

步骤S01中的基本参数包括有：电力系统的节点参数、线路参数和变压器参数；

节点参数包括节点总数n和节点类型；节点总数分别编号1～n；

节点类型包括：平衡节点、控制节点个数g、PQ节点、PV节点、节点额定电压U_en、节点电压额定有功负荷P_en和节点电压额定无功负荷Q_en；

线路参数包括：线路总数k、线路端点、线路编号、线路电抗X_k、线路电纳G_k；

变压器参数包括：变压器变比K_T、变压器电阻R_T、变压器电抗X_T、变压器基准功率S_T。

步骤S02中确定电压中枢点数量的过程如下：

S021：计算无功电压灵敏度S_ij，计算特征值并按照从大到小的顺序排列，分别为排列后的第i个特征值及其所对应的特征向量；

S0211：通过输入的参数，首先计算无功电压灵敏度S_ij，其定义为第i个负荷节点和第j个控制节点的节点间无功电压灵敏度。无功电压灵敏度S_ij的计算过程如下，建立无潮流模型：

其中，Q_PQ为PQ节点的无功注入；Q_PV为PV节点的无功注入；V_PQ为PQ的电压幅值；V_PV为PV节点的电压幅值；

S0212：根据控制变量对依从变量的常规灵敏度定义，有：对于PQ节点无功注入直接参与控制，PQ节点对PQ节点无功电压灵敏度为：

S0213：PQ节点对PV节点无功电压灵敏度为：

S0214：对于PV节点通过电压调整来实现无功调整，PV节点对PQ节点无功电压灵敏度为：

S0215：PV节点对PV节点无功电压灵敏度为：

通过上述计算可以得到无功电压灵敏度S_ij。

对无功电压灵敏度S_ij进行主成分分析，通过构成的无功源控制空间，计算样本矩阵X和样本相关矩阵R；在此基础上，计算R的特征值λ_i和对应的特征向量α_i以及中枢点个数m。其中，样本矩阵X和相关矩阵R有：

X_n×g＝{X_ij＝-log|S_ij|}_n×g；

在求出上述相关矩阵的基础上，计算特征值并按照从大到小的顺序排列，分别为排列后的第i个特征值及其所对应的特征向量。

S022：利用下述公式计算分区个数m；

其中，λ_i为样本相关矩阵R的特征值。该公式表示求得的最小值m满足前m个特征值之和占总特征值之和比例大于80％，且后i+1个特征值贡献小于前i个特征值累计贡献5％。

步骤S03中选择电压中枢点的过程如下：输入电压中枢点数目m，根据牛顿法的基本功率修正公式为：

在保持有功注入不变的情况下，可以得到△P和△U分别有：

ΔQ＝-(L-MH^-1N)ΔU；

S031：计算灵敏度矩阵W为-(L-MH^-1N)，通过已知的电压中枢点个数m，定义中枢点矩阵C为m×n阶矩阵，元素c_ij满足：

元素c_ij表示若节点j为第i个中枢节点，则元素为1，否则为0；

S032：目标函数表达式为：

tr{[(I-L_LL ^-1L_LGHC)L_LL ^-1ΔQ_L]^T(I-L_LL ^-1L_LGHC)L_LL ^-1ΔQ_L}；

S033：利用贪婪算法，选取电压中枢点集合为空集，依次将第1至第n个节点放入电枢节点集合中，计算目标函数，选取最小的目标函数作为即将加入中枢点的集合。在第一轮优化结束后计算所得到的中枢点基础上，再次将其他节点加入计算目标函数，若目标函数值小于当前值则该节点加入中枢节点，若大于则继续循环。当中枢节点个数达到上限或者目标函数改进较小时算法停止搜索，从而得到m簇子群的中枢点。

步骤S04中的无功电压分压过程如下：

S041：计算节点j局部电压稳定性指标L_j，

其中，和为节点电压向量；S_j为系统对节点i的等值负荷；Z_ij为负荷节点i，j之间的等值互阻抗；上标*表示共轭；Y_ij为负荷节点之间互导纳；

S042：利用所得到的电压中枢点集合，以中枢点为无功电分区的中心，通过优化的核C-均值聚类算法，将节点分为若干个子区域。再计算各个负荷节点到中枢点的电气距离d_ij，两节点之间的电气距离d_ij的表达式为：

d_ij＝-lg|ΔL_i/ΔL_j|＝-lg|(ΔL_i/ΔQ_i)/(ΔL_j/ΔQ_j)|；

其中，ΔL_j表示负荷有功注入恒定，负荷节点注入无功功率对局部电压稳定性指标L_j影响指标ΔL_j，表达式为：

S043：按照每个节点离中枢点的距离大小进行排序，利用核C-均值聚类算法获得分区方案。

步骤S05中无功储备和灵敏度指标校检过程如下：

定义的无功储备系数下限为15％所定义的无功储备裕度指标β计算公式为：

其中，Q_i为分区内任一负荷节点注入无功功率，Q_G为分区中发电机无功裕量；无功储备系数下限为15％，低于此下限则对节点重新调整分区。

对于无功电压灵敏度参数S_ij高的节点设置为关键负荷节点，对关键负荷节点采取适当措施提高其无功电压控制，对于无功储备低于下限的节点根据周边分区的无功储备，重新调整无功负荷较大节点的分区。

本发明具有的有益效果：能够将电网按照无功平衡特性划分为若干个区域子电网；通过中枢点的判断、确定和选择，按照节点的无功区域平衡特性将其划分为多个群；每个群内的节点之间电气耦合程度较高而区外耦合程度较低，从而将电网划分为若干个子区域进行电压无功的调节。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种无功电压分区方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

S01：输入基本参数；

S02：确定电压中枢点数量；

S03：选择电压中枢点；

S04：无功电压分区；

S05：无功储备和灵敏度指标校检；

S06：判断指标是否合格，如果是，则结束；如果不是，则跳转步骤S04。

2.如权利要求1所述的无功电压分区方法，其特征在于：所述步骤S01中的基本参数包括有：电力系统的节点参数、线路参数和变压器参数；

所述节点参数包括节点总数n和节点类型；所述节点类型包括：平衡节点、控制节点个数g、PQ节点、PV节点、节点额定电压U_en、节点电压额定有功负荷P_en和节点电压额定无功负荷Q_en；

所述线路参数包括：线路总数k、线路端点、线路编号、线路电抗X_k、线路电纳G_k；

所述变压器参数包括：变压器变比K_T、变压器电阻R_T、变压器电抗X_T、变压器基准功率S_T。

3.如权利要求2所述的无功电压分区方法，其特征在于：所述步骤S02中确定电压中枢点数量的过程如下：

S021：计算无功电压灵敏度S_ij，计算特征值并按照从大到小的顺序排列，分别为排列后的第i个特征值及其所对应的特征向量；

S022：利用下述公式计算分区个数m；

其中，λ_i为样本相关矩阵R的特征值。

4.如权利要求3所述的无功电压分区方法，其特征在于：所述无功电压灵敏度S_ij的计算过程如下：

S0211：建立无潮流模型：

其中，Q_PQ为PQ节点的无功注入；Q_PV为PV节点的无功注入；V_PQ为PQ的电压幅值；V_PV为PV节点的电压幅值；

S0212：根据控制变量对依从变量的常规灵敏度定义，对于PQ节点无功注入直接参与控制，PQ节点对PQ节点无功电压灵敏度为：

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S0213：PQ节点对PV节点无功电压灵敏度为：

S0214：对于PV节点通过电压调整来实现无功调整，PV节点对PQ节点无功电压灵敏度为：

S0215：PV节点对PV节点无功电压灵敏度为：

通过上述计算可以得到无功电压灵敏度S_ij。

5.如权利要求4所述的无功电压分区方法，其特征在于：所述步骤S03中选择电压中枢点的过程如下：

S031：计算灵敏度矩阵W为-(L-MH^-1N)，通过已知的电压中枢点个数m，定义中枢点矩阵C为m×n阶矩阵，元素c_ij满足：

元素c_ij表示若节点j为第i个中枢节点，则元素为1，否则为0；

S032：目标函数表达式为：

tr{[(I-L_LL ^-1L_LGHC)L_LL ^-1ΔQ_L]^T(I-L_LL ^-1L_LGHC)L_LL ^-1ΔQ_L}；

S033：利用贪婪算法，选取电压中枢点集合为空集，依次将第1至第n个节点放入电枢节点集合中；计算目标函数，选取最小的目标函数作为即将加入中枢点的集合；当中枢节点个数达到上限或者目标函数改进较小时算法停止搜索，从而得到m簇子群的中枢点。

6.如权利要求5所述的无功电压分区方法，其特征在于：所述步骤S04中的无功电压分压过程如下：

S041：计算节点j局部电压稳定性指标L_j，

其中，和为节点电压向量；S_j为系统对节点i的等值负荷；Z_ij为负荷节点i，j之间的等值互阻抗；上标*表示共轭；Y_ij为负荷节点之间互导纳；

S042：计算各个负荷节点到中枢点的电气距离d_ij：

d_ij＝-lg|ΔL_i/ΔL_j|＝-lg|(ΔL_i/ΔQ_i)/(ΔL_j/ΔQ_j)|；

其中，ΔL_j表示负荷有功注入恒定，负荷节点注入无功功率对局部电压稳定性指标L_j影响指标ΔL_j，表达式为：

S043：按照每个节点离中枢点的距离大小进行排序，利用核C-均值聚类算法获得分区方案。

7.如权利要求6所述的无功电压分区方法，其特征在于：所述步骤S05中无功储备和灵敏度指标校检过程如下：

无功储备裕度指标β计算公式为：

其中，Q_i为分区内任一负荷节点注入无功功率，Q_G为分区中发电机无功裕量；

无功储备系数下限为15％，低于此下限则对节点重新调整分区；对于无功电压灵敏度参数S_ij高的节点设置为关键负荷节点，对关键负荷节点采取适当措施提高其无功电压控制。