CN107069751A - 一种基于分布式控制的电力系统切负荷方法 - Google Patents

一种基于分布式控制的电力系统切负荷方法 Download PDF

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武小鹏
孙永辉
张博文
卫志农
孙国强
翟苏巍
王�义
王加强
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    • Y04S20/222—Demand response systems, e.g. load shedding, peak shaving

Abstract

本发明公开了一种基于分布式控制的电力系统切负荷方法，首先建立基于分布式控制的电力系统功率模型；接着根据节点之间的互联关系，参照节点互联之间所受到的约束条件，建立节点互联矩阵；然后给出当前时刻各节点功率初值，利用节点互联矩阵进行迭代，求得下一时刻功率值；最后考虑部分结点负荷突然减去时，重新计算各节点功率值。算例测试结果表示，本发明提出的方法计算效率高，并且满足约束条件，将为电力系统有功经济调度提供理论基础。

Description

一种基于分布式控制的电力系统切负荷方法
技术领域
发明涉及一种基于分布式控制的电力系统切负荷算法，属于电力系统电力负荷调度领域。
背景技术
分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，由多台计算机分别控制生产过程中多个控制回路，同时又可集中获取数据、集中管理和集中控制的自动控制系统。它具有高可靠性，开放性，灵活性，协调性且易于维护；与传统的集中式控制系统相比，分布式控制系统能改善控制的可靠性，不会由于计算机的故障而使整个系统失去控制；当管理级发生故障时，过程控制级仍具有独立控制能力，个别控制回路发生故障时也不致影响全局。与计算机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低，因而越来越得到广大学者认可，并代替集中式控制系统而被应用到越来越多的系统之中。
电力系统的稳定运行要求各节点功率稳定，电力负荷的增加或者切除，都会对电力系统稳定运行造成影响，严重时会造成电力事故，引起大范围内停电。在电力负荷突然切除时，如何保证各节点功率不会引起太大波动，也是电力工作者所研究的重要课题。当电力负荷变化时，如何运用分布式控制对负荷突然切除后仍保护各节点功率稳定，是一向具有挑战且鲜有研究的问题。
发明内容：
发明目的：针对传统集中式控制系统的不足，本发明提供一种基于分布式控制的电力系统切负荷方法
发明内容：本发明提供一种基于分布式控制的电力系统切负荷算法，包括如下步骤：
(1)建立电力系统功率模型：所述功率模型满足两个条件：
(a)对于连接节点i、j的支路l，其支路功率为：
式中，Pl与Ql分别为支路有功功率和无功功率；A与θ分别为节点电压幅值与相角，θij＝θi-θj；gij与bij分别为支路电导与电纳；gsh,i与bsh,i分别为对地电导与电纳；
(b)每个节点流入功率必须等于流出功率：
TGPG-TLPL＝AePl
TGQG-TLQL＝AeQl
式中，TG为电网节点-发电机关联矩阵，TL为电网节点-负荷关联矩阵，Ae为电网节点-支路关联矩阵，PG、QG为发电机注入有功功率、无功功率，PL、QL为负荷吸收的有功功率、无功功率。
(2)建立满足约束条件的节点互联矩阵:所述节点互联矩阵表示为：
式中，dij表示节点i和j之间的互联系数，满足以下约束条件：
式中，Ni和Nj分别表示与节点i和j有关联的节点总数。
(3)根据节点互联矩阵计算不同时刻各节点功率值:以节点i为例，对其当前时刻k进行数据更新为：
式中，表示节点i在第k时刻的数据值，n表示参与信息交流的节点数。建立列向量Xk：
则第k时刻数据更新可表示矩阵形式为：
Xk+1＝DXk。
(4)切去负荷，重新计算各节点功率值，计算方法为：
(5)判断其是否可以达到稳定状态，如果是，输出各节点功率值；否则返回步骤2，重新建立满足约束条件的互联矩阵，进行各节点数据更新。
有益效果：电力系统的稳定对于电网安全运行至关重要，电力负荷的增加或者切除都会影响到电网的稳定性，在现有技术中，当电力故障或者电力紧缺导致必须对电力负荷进行时，很难在技术上满足对整个电网不产生影响；电网频率的波动也会影响到用户用电情况。而本发明采用一致性算法，在电力负荷切除前后都会重新计算各节点之间的关联关系，重组关联矩阵，使得各节点值在短时间内达到一致，减少电网中的功率波动，保证用电安全性和可靠性。
附图说明
图1：本发明方法流程图；
图2：IEEE5节点系统图；
图3：正常情况下各节点功率图；
图4：切负荷后各节点功率图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
如图1所述，一种基于分布式控制的电力系统切负荷算法，包括如下步骤：
(1)电力系统功率模型：对于连接节点i、j的支路l，其支路功率可表示为：
式中，Pl与Ql分别为支路有功功率和无功功率；A与θ分别为节点电压幅值与相角，θij＝θi-θj；gij与bij分别为支路电导与电纳；gsh,i与bsh,i分别为对地电导与电纳。同时，每个节点流入功率必须等于流出功率：
TGPG-TLPL＝AePl
TGQG-TLQL＝AeQl
式中，TG为电网节点-发电机关联矩阵，TL为电网节点-负荷关联矩阵，Ae为电网节点-支路关联矩阵。PG、QG为发电机注入有功功率、无功功率，PL、QL为负荷吸收的有功功率、无功功率。
(2)在分布式控制系统中，每点节点只与它相邻的节点进行信息交换，而与它不直接相邻的节点无信息交换，以任意节点i为例，对其当前时刻k进行数据更新为：
式中，表示节点i在第k时刻的数据值，n表示参与信息交换的节点数，dij表示节点i与节点j之间的互联系数。如果节点i与节点j不直接相邻或者节点i与节点j为同一个节点，则dij＝0；否则0＜dij＜1。由于相邻节点i与j的信息交换是相互的，所以有dij＝dji。
(3)在对节点信息更新过程中，令
则以上信息更新可写成矩阵形式为：
Xk+1＝DXk
式中，
由矩阵D可以得出，其各行或各列加和为1；除此之外，矩阵D中每一个元素必须满足0≤dij＜1，为了进一步确定互联系数dij的取值范围，取Lyapunov函数Vk＝(Xk)TXk，可以看出Vk满足正定条件，进一步可得如下式子：
式中，n表示参与信息交流的节点总数，Ni和Nj分别表示与节点i和j直接相邻的节点数，要使得ΔV＜0，须满足所以
(4)在各节点功率达到稳定后，突然切去总分节点负荷，使得功率平衡被打破，运用本发明提出的算法，在满足约束条件前提下，重新计算各节点功率值，并使其达到稳定，具体分析见算例。
算例分析
本发明测试的算例由IEEE5节点构成，如图2所示。各节点相邻节点及初始值由下表给出：
IEEE5节点系统图中，节点4和节点5为发电机，节点1、节点2和节点3为负荷，各节点互联系数为d12＝1/3，d13＝1/3，d23＝1/3，d24＝1/2，d35＝1/2，根据本发明所提出的算法，当不进行切负荷控制时，各节点功率值如图3所示，可以看出，各节点功率很快达到平衡并保持稳定；当在第14次迭代时，把节点4上的负荷减去，所得到结果如图4所示，可以看出，各节点功率在第22次迭代时重新达到平衡，并保持稳定，由此可验证本发明所提算法有效性。

Claims (4)

1.一种基于分布式控制的电力系统切负荷算法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)建立电力系统功率模型；
(2)建立满足约束条件的节点互联矩阵；
(3)根据节点互联矩阵计算不同时刻各节点功率值；
(4)切去负荷，重新计算各节点功率值，判断其是否可以达到稳定状态，如果是，输出各节点功率值；否则返回步骤2，重新建立满足约束条件的互联矩阵，进行各节点数据更新。
2.根据权利要求1所述的基于分布式控制的电力系统切负荷算法，其特征在于，所述步骤1中功率模型满足两个条件：
(a)对于连接节点i、j的支路l，其支路功率为：
<mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>h</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>A</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>-</mo> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>cos&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>Q</mi> <mi>l</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>h</mi> <mo>,</mo> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>A</mi> <mi>i</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>cos&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>g</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> <msub> <mi>sin&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> <mo>&amp;ForAll;</mo> <mi>l</mi> <mo>&amp;Element;</mo> <msub> <mi>B</mi> <mi>e</mi> </msub> </mrow>
式中，Pl与Ql分别为支路有功功率和无功功率；A与θ分别为节点电压幅值与相角，θij＝θi-θj；gij与bij分别为支路电导与电纳；gsh,i与bsh,i分别为对地电导与电纳；
(b)每个节点流入功率必须等于流出功率：
TGPG-TLPL＝AePl
TGQG-TLQL＝AeQl
式中，TG为电网节点-发电机关联矩阵，TL为电网节点-负荷关联矩阵，Ae为电网节点-支路关联矩阵，PG、QG为发电机注入有功功率、无功功率，PL、QL为负荷吸收的有功功率、无功功率。
3.根据权利要求1所述的基于分布式控制的电力系统切负荷算法，其特征在于，所述步骤2中节点互联矩阵表示为：
<mrow> <mi>D</mi> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mn>1</mn> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>...</mn> </mtd> <mtd> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
式中，dij表示节点i和j之间的互联系数，满足以下约束条件：
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式中，Ni和Nj分别表示与节点i和j有关联的节点总数。
4.根据权利要求3所述的基于分布式控制的电力系统切负荷算法，其特征在于，所述步骤3中不同时刻各节点功率值的具体计算方法为：
以节点i为例，对其当前时刻k进行数据更新为：
<mrow> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mi>k</mi> </msubsup> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>j</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>j</mi> <mi>k</mi> </msubsup> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mi>k</mi> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> 1
式中，表示节点i在第k时刻的数据值，n表示参与信息交流的节点数；
建立列向量Xk：
<mrow> <msup> <mi>X</mi> <mi>k</mi> </msup> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>x</mi> <mn>1</mn> <mi>k</mi> </msubsup> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>...</mo> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>i</mi> <mi>k</mi> </msubsup> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mo>...</mo> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <msubsup> <mi>x</mi> <mi>n</mi> <mi>k</mi> </msubsup> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>T</mi> </msup> </mrow>
则第k时刻数据更新可表示矩阵形式为：
Xk+1＝DXk。
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