CN107994583B - 直流联络线在协调层建模的交直流系统分布式潮流算法 - Google Patents

直流联络线在协调层建模的交直流系统分布式潮流算法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了直流联络线在协调层建模的交直流系统分布式潮流算法，该算法包括以下步骤：(1)计算各子系统的外网等值参数，在外网等值参数的计算过程中不包括直流联络线；(2)各子系统根据交流边界节点阻抗矩阵对角元计算交流边界节点状态量合并参数，协调层进行直流系统的潮流初始化计算并将直流有功和无功功率发送给交流子系统，各子系统修正与换流站相连的交流母线的注入功率并进行子系统的潮流初始化计算；(3)交流子系统独立潮流计算，内层迭代和外层迭代交替进行，直到分布式潮流收敛。本发明在不改变交流子系统潮流计算方式和异步迭代方式的基础上，便于处理直流系统因运行条件改变造成的换流变变比调节和控制方式转换等问题。

Description

直流联络线在协调层建模的交直流系统分布式潮流算法
技术领域
本发明属于电力系统潮流计算技术领域，尤其涉及直流联络线在协调层建模的交直流系统分布式潮流算法。
背景技术
目前国内外进行交直流系统潮流计算的算法大致可分为统一法和交替法两类。统一法是在交流系统的潮流方程基础上补充直流系统的潮流方程，两者联合求解出交直流系统的全部状态变量。这种方法的收敛速度快，但对现有交流潮流计算程序的修改量大。交替法是指潮流计算过程中交流系统和直流系统交替迭代求解，交流系统计算时直流系统处理成换流站母线上的PQ负荷，而直流系统计算时换流站交流侧母线电压由交流潮流计算结果给出。交替法对交流潮流计算程序的改动小，且便于考虑直流系统的控制作用，但由于没有考虑交流系统和直流系统之间的耦合，所以收敛性较差。
分布式能量管理系统主要存在三种计算模式：实时等值模式、同步迭代模式和异步迭代模式。实时等值模式是在本地对外网做实时等值，不需要迭代，但是无法模拟外网扰动，计算存在误差。同步迭代模式要求参与分布式计算的各子系统在每一迭代步后完成等值信息交换，才能进入下一迭代步，所以对数据网的通讯可靠性和计算速度有很高的要求。异步迭代模式通常基于子系统在地理区域上的自然分解特性，子系统独立进行计算，通过边界信息的交换实现外网等值信息的更新，对数据交换的要求低且符合能量管理系统的建模特点。
发明内容
针对上述问题，本发明借鉴交流互联系统分布式潮流计算的方法，提出在含两端直流输电系统作为联络线的交直流互联系统的分布式潮流计算中，直流联络线在协调层建模的交直流系统分布式潮流算法，包括以下步骤：
步骤1)计算各子系统等值参数：各子系统计算内网等值参数并将内网等值参数发送给协调层，协调层在接收到内网等值参数后计算各子系统的外网等值参数并发送给各子系统，外网等值参数的计算过程中不包括直流联络线。
所述交流子系统等值的方法为：交流联络线在其两端子系统重复建模，而直流联络线在协调层建模，不参与子系统的外网等值参数计算，直流对交流子系统的影响与换流站相连的交流边界节点上的直流注入功率等效；各子系统的外网等值模型采用扩展WARD等值，所得子系统的外网等值模型包含交流联络线、与换流站相连的交流边界节点上的直流注入、外边界节点及连接外边界节点的等值支路。
步骤2)交直流系统初始化：交流子系统计算交流边界节点阻抗矩阵对角元并转发给协调层，协调层为各子系统转发其相邻子系统交流边界节点阻抗矩阵对角元，各子系统计算交流边界节点状态量合并参数。协调层进行直流系统的潮流初始化计算并将直流有功和无功功率发送给交流子系统，交流子系统修正与换流站相连的交流母线的注入功率并进行交流子系统的潮流初始化计算。
步骤3)交直流系统异步迭代计算：交流子系统独立潮流计算，根据潮流结果计算系统不平衡功率，并将交流边界节点电压相角和与换流站相连的交流母线电压发送给协调层。协调层接收各子系统计算的结果，修正直流系统中的换流站母线电压，进行直流潮流的计算，为各子系统转发直流功率和其相邻子系统的计算结果。子系统接收其他系统的计算结果，计算合并后的交流边界节点状态量，并修正外边界节点等值注入功率和与换流站相连的交流母线的注入功率。
交直流系统通过协调层进行异步迭代格式，具体操作如下：
交流子系统：负责本子系统的潮流计算，转发交流边界节点电压相角和与换流站相连的交流母线电压至协调层；
协调层：负责直流系统的潮流计算，接收交流子系统计算的结果，为各交流子系统转发相邻子系统的结果及直流功率。
上述过程交替迭代进行，直到分布式计算满足收敛条件，结束计算。
所述边界节点状态量的迭代方法为：
本算法中，所有子系统的交流边界节点可以按是否连接换流站分为纯交流节点和公共耦合节点。
对于纯交流节点，边界状态量通过合并相邻子系统的同一节点计算结果而得，计算方法见下式：
Figure BDA0001467814790000031
式中，
Figure BDA0001467814790000032
为子系统k计算的边界节点i的状态量，
Figure BDA0001467814790000033
为子系统k在边界节点i处的戴维南等值阻抗，ξi(k)为对应子系统k中边界节点i的合并参数，满足
Figure BDA0001467814790000034
并且ξi(k)>0。已知本子系统和相邻子系统的交流边界节点阻抗矩阵对角元，则交流边界节点状态量合并参数的计算方法为：
Figure BDA0001467814790000035
式中，假设节点i有s个子系统相连，为子系统j在节点i的阻抗矩阵对角元。
外边界节点等值注入功率的计算方法为：
Figure BDA0001467814790000036
式中，节点电压相量用极坐标表示，即
Figure BDA0001467814790000037
θij＝θi-θj表示两节点的相角差；gij+jbij为与外边界节点i相连的联络线或等值支路的支路导纳；gi0+jbi0为与节点i相连的支路在i侧的对地支路导纳。
对于公共耦合节点，边界状态量的更新是通过子系统的潮流计算实现的。
在整个异步迭代的过程中，通过直流潮流的计算、交流潮流的计算以及交流边界节点状态量和直流注入的更新，逐步实现全系统潮流收敛(相邻子系统计算的交流边界节点状态量在误差允许范围内相等)。
所述与换流站相连的交流母线的注入功率的修正方法为：
与换流站相连的交流母线的注入有功功率为：
Pi＝PGi-PLi-Pdi
与换流站相连的交流母线的注入无功功率为：
Qi＝QGi-QLi-Qdi
其中，PGi、QGi分别为与节点i相连的发电机注入功率，PLi、QLi为节点i上的负荷功率，Pdi、Qdi为与节点i相连的换流站的直流功率，整流站的Pdi、Qdi取正，逆变站的Pdi取负、Qdi取正。
所述外边界节点等值注入功率的修正方法为基于子系统自身计算的不平衡功率和应该分配的不平衡功率之间的差额修正，修正系数根据节点的注入功率变化系数等值求出：
每个子系统的不平衡功率为
Figure BDA0001467814790000041
式中，PGi为节点i上的发电机注入功率，PDi为节点i上的负荷功率，Gij、Bij为与节点i相连的支路的导纳，Pdi为节点i上的直流注入功率，且对于纯交流节点，上式中Pdi为0。
假设有s个子系统，则全系统的不平衡功率为
Figure BDA0001467814790000042
不平衡功率在子系统中的分配比例为
Figure BDA0001467814790000043
βi为给定的每个节点的分配比例。
外边界节点的等值注入功率按下式修正
Figure BDA0001467814790000044
式中，μBE.i即子系统自身计算的不平衡功率和应该分配的不平衡功率之间的差额在外边界节点i上的分配比例。
系统中每个节点的注入功率变化系数为
Figure BDA0001467814790000051
其中，等号右边第一项为每个节点的功率扰动系数，由给定的有功扰动除以全系统扰动之和得到，
Figure BDA0001467814790000057
为给定的节点i上的有功扰动，如负荷增减、发电机开断等。
在等值阶段，经过内外网等值，即
Figure BDA0001467814790000052
得到外边界节点不平衡功率分配比例向量
Figure BDA0001467814790000053
式中，下标BI表示内边界节点的集合，BI.I表示内边界节点和内网节点的集合，I.I表示内网节点的集合，BE表示外边界节点的集合，BE.E表示外边界节点和外网节点的集合，E.E表示外网节点的集合，B’为相应节点的潮流计算矩阵。
Figure BDA0001467814790000054
在子系统内经归一化可得最终每个外边界节点的不平衡功率分配比例:
Figure BDA0001467814790000055
为防止迭代后期边界状态量合并与外边界节点等值注入功率修正相互影响，降低潮流的收敛速度，在子系统不平衡功率满足
Figure BDA0001467814790000056
时，停止用不平衡功率差额修正外边界节点等值注入，ξ可取一小值，如0.05。
本发明的有益效果在于：
本发明将直流联络线在协调层建模，并由协调层进行直流潮流的计算，在不改变交流子系统潮流计算方式和异步迭代方式的基础上，可以更方便处理直流系统因运行条件改变而造成的换流变比调节和控制方式转换等问题。此外，所述边界节点注入功率的修正方法也适用于纯交流系统，可以提高互联系统基于异步迭代的分布式潮流算法的收敛性。
附图说明
附图1为本发明所述算法的流程图；
附图2为本发明交直流互联系统示例图；
附图3为本发明交流子系统外网等值模型图；
附图4为本发明直流系统的潮流计算模型图；
附图5为本发明边界节点最大电压幅值差随迭代变化曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
附图1为基于直流联络线在协调层建模的交直流互联系统异步迭代分布式潮流算法的流程图，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤一：计算交流系统等值参数：通过子系统的内网等值和协调层的等值计算，得到各交流子系统的外网等值参数，直流联络线不参与等值计算。同时，各子系统计算外边界节点不平衡功率分配比例。
步骤二：交直流系统初始化：各子系统通过本子系统和相邻子系统交流边界节点阻抗矩阵对角元计算边界状态量的合并参数。协调层初始化直流系统，包括直流线路的参数、初始换流变变比、初始控制方式和换流站交流母线电压等。协调层进行直流潮流初次计算，发送直流功率给相连交流子系统。交流子系统读入直流功率，修改与换流站相连的交流母线注入，进行交流系统潮流的初始化计算。
步骤三：交直流系统异步迭代计算：可以分为内层迭代阶段和外层迭代阶段。内层迭代阶段，各子系统进行交流潮流计算，发送边界节点状态量、子系统不平衡功率以及与换流站相连的交流母线电压给协调层。外层迭代阶段，协调层根据更新的与换流站相连的交流母线电压重新计算直流系统潮流，统计全系统不平衡功率，发送直流功率、全系统不平衡功率以及相邻子系统计算的交流边界节点状态量给子系统；子系统计算合并后的交流边界节点状态量，修正外边界节点注入功率以及与换流站相连的交流母线注入。内层迭代和外层迭代交替进行，直到分布式潮流收敛。
附图2为交直流系统互联的示例图。该示例由IEEE-118节点系统修改而成，全系统被分成三个子系统，子系统1和子系统2之间的联络线30-38以及子系统1和子系统3之间的联络线81-68为直流线路，其余为交流线路。
因为直流联络线在协调层建模，经等值后子系统潮流计算的模型如附图3所示。在外边界节点j、t处，外网等值为等值注入功率
Figure BDA0001467814790000071
和连接外边界节点的等值线路。与换流站相连的交流母线m处，直流线路等效为母线上的注入功率Pd、Qd。直流系统潮流计算的模型如附图4所示。
该算例中交直流系统采用同一功率基准值，电压基值采用系统额定电压。整流器触发角范围为5°～25°，逆变器熄弧角范围为10°～25°。整流侧和逆变侧的换流变压器分接头档数为±10，每档调节1％。正常运行时，整流侧TCC控制触发角在18±1.5°范围内，逆变侧TCC控制直流线路电压。直流输电系统参数见下表：
表1两端直流输电系统参数
Figure BDA0001467814790000072
设置线路16-17断开，并且母线20增加负荷50MW，在异步迭代的情况下经四次外层迭代收敛。与全网计算时的结果对比，交流子系统边界节点最大电压幅值差随迭代变化的曲线见附图5。
以直流线路30-38为例，直流系统的潮流计算结果见下表。从计算结果可以看出，本算法可以实现异步迭代计算时与全网计算一致的收敛效果。
表2直流系统的潮流计算结果(联络线30-38)
Figure BDA0001467814790000081
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.直流联络线在协调层建模的交直流系统分布式潮流算法，其特征在于，所述算法包括以下步骤：
步骤1)计算各子系统等值参数，各子系统计算内网等值参数并将内网等值参数发送给协调层，协调层在接收到内网等值参数后计算各子系统的外网等值参数并发送给各子系统，外网等值参数的计算过程中不包括直流联络线；
步骤2)交直流系统初始化，交流子系统计算交流边界节点阻抗矩阵对角元并转发给协调层，协调层为各子系统转发其相邻子系统交流边界节点阻抗矩阵对角元，各子系统计算交流边界节点状态量合并参数；协调层进行直流系统的潮流初始化计算并将直流有功和无功功率发送给交流子系统，交流子系统修正与换流站相连的交流母线的注入功率并进行交流子系统的潮流初始化计算；
步骤3)交直流系统异步迭代计算，交流子系统独立潮流计算，根据潮流结果计算系统不平衡功率，并将交流边界节点电压相角和与换流站相连的交流母线电压发送给协调层，协调层接收各子系统计算的结果，修正直流系统中的换流站母线电压，进行直流潮流的计算，为各子系统转发直流功率和其相邻子系统的计算结果，子系统接收其他系统的计算结果，计算合并后的交流边界节点状态量，并修正外边界节点等值注入功率和与换流站相连的交流母线的注入功率，上述过程交替迭代进行，直到分布式计算满足收敛条件，结束计算。
2.如权利要求1所述的算法，其特征在于，步骤1)中交流联络线在其两端子系统重复建模，而直流联络线在协调层建模，不参与子系统的外网等值参数计算，直流对交流子系统的影响与换流站相连的交流边界节点上的直流注入功率等效；各子系统的外网等值模型采用扩展WARD等值，所得子系统的外网等值模型包含交流联络线、与换流站相连的交流边界节点上的直流注入、外边界节点及连接外边界节点的等值支路。
3.如权利要求1所述的算法，其特征在于，步骤3)中交直流系统通过协调层进行异步迭代计算，具体操作如下：
交流子系统：负责本子系统的潮流计算，转发交流边界节点电压相角和与换流站相连的交流母线电压至协调层；
协调层：负责直流系统的潮流计算，接收交流子系统计算的结果，为各交流子系统转发相邻子系统的结果及直流功率。
4.如权利要求1所述的算法，其特征在于，步骤3)中对于交流边界节点，根据相邻子系统对同一节点的计算结果合并节点状态量，由合并后节点状态量计算外边界节点等值注入，交流子系统的潮流计算结果由外边界节点等值注入和与换流站相连的交流母线上的直流注入决定；交流边界节点状态量的合并方法为：
Figure FDA0002393344980000021
式中，
Figure FDA0002393344980000022
为子系统k计算的边界节点i的状态量，
Figure FDA0002393344980000023
为子系统k在边界节点i处的戴维南等值阻抗，ξi(k)为对应子系统k中边界节点i的合并参数，满足
Figure FDA0002393344980000024
并且ξi(k)>0；已知本子系统和相邻子系统的交流边界节点阻抗矩阵对角元，则交流边界节点状态量合并参数的计算方法为：
Figure FDA0002393344980000025
式中，假设节点i有s个子系统相连，
Figure FDA0002393344980000026
为子系统j在节点i的阻抗矩阵对角元；
外边界节点等值注入功率的计算方法为：
Figure FDA0002393344980000027
式中，节点电压相量用极坐标表示，即
Figure FDA0002393344980000028
θij＝θi-θj表示两节点的相角差；gij+jbij为与外边界节点i相连的联络线或等值支路的支路导纳；gi0+jbi0为与节点i相连的支路在i侧的对地支路导纳。
5.如权利要求1所述的算法，其特征在于，步骤3)中所述外边界节点等值注入功率的修正方法为基于子系统自身计算的不平衡功率和应该分配的不平衡功率之间的差额修正，修正系数根据节点的注入功率变化系数等值求出；
每个子系统的不平衡功率为
Figure FDA0002393344980000031
式中，PGi为节点i上的发电机注入功率，PDi为节点i上的负荷功率，Gij、Bij为与节点i相连的支路的导纳，Pdi为节点i上的直流注入功率，且对于纯交流节点，上式中Pdi为0；
假设有s个子系统，则全系统的不平衡功率为
Figure FDA0002393344980000032
不平衡功率在子系统中的分配比例为
Figure FDA0002393344980000033
式中，βi为给定的每个节点的分配比例；
外边界节点的等值注入功率按下式修正
Figure FDA0002393344980000034
式中，μBE.i即子系统自身计算的不平衡功率和应该分配的不平衡功率之间的差额在外边界节点i上的分配比例；
系统中每个节点的注入功率变化系数为
Figure FDA0002393344980000035
其中，等号右边第一项为每个节点的功率扰动系数，由给定的有功扰动除以全系统扰动之和得到，
Figure FDA0002393344980000036
为给定的节点i上的有功扰动，包括负荷增减、发电机开断；
在等值阶段，经过内外网等值，即
Figure FDA0002393344980000037
得到外边界节点不平衡功率差额分配比例向量
Figure FDA0002393344980000041
式中，下标BI表示内边界节点的集合，BI.I表示内边界节点和内网节点的集合，I.I表示内网节点的集合，BE表示外边界节点的集合，BE.E表示外边界节点和外网节点的集合，E.E表示外网节点的集合，B’为相应节点的潮流计算矩阵；
Figure FDA0002393344980000042
在子系统内经归一化可得最终每个外边界节点的不平衡功率差额分配比例:
Figure FDA0002393344980000043
为防止迭代后期边界状态量合并与外边界节点等值注入功率修正相互影响，降低潮流的收敛速度，在子系统不平衡功率满足
Figure FDA0002393344980000044
时，停止用不平衡功率差额修正外边界节点等值注入，ξ取值0.05。
6.如权利要求1所述的算法，其特征在于，步骤3)中所述与换流站相连的交流母线的注入功率的修正方法为：
与换流站相连的交流母线的注入有功功率为：
Pi＝PGi-PLi-Pdi
与换流站相连的交流母线的注入无功功率为：
Qi＝QGi-QLi-Qdi
其中，PGi、QGi分别为与节点i相连的发电机注入功率，PLi、QLi为节点i上的负荷功率，Pdi、Qdi为与节点i相连的换流站的直流功率，整流站的Pdi、Qdi取正，逆变站的Pdi取负、Qdi取正。
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