CN108233364A - 基于边界节点互连结构的电网等值建模方法 - Google Patents

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覃海
王向东
章熙
姬源
王平
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Abstract

本发明公开了一种基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，利用在边界节点处采集到的电压、电流信息，通过用简单的电路替代未知的外部网络，从而减小电网的规模；本方法采用了新的拓扑结构，即在等值网络中，边界节点两两之间通过虚拟线路互连，这样既能提高等值网络的精度，又能保证等值网络结构的足够简单；随后，通过和采样数据结合，等值网络的未知参数识别被转化为非线性规划问题；非线性规划中的目标函数是经过简化的，仅仅为联络线上电流的预测误差，这样做可以避免设置目标函数中的调整权重工作；最后，等值网络中的未知参数通过内点法一同识别，本方法构思巧妙，计算效率高，具备良好的推广应用价值。

Description

基于边界节点互连结构的电网等值建模方法
技术领域
本发明涉及电网安全分析技术领域，特别涉及一种基于边界节点互连结构的电网等值建模方法。
背景技术
随着电力事业的发展，为了提高电能质量、保证电能传输、分配的可靠性，现代电网已经被建设为大规模的互联系统。然而，大规模的互联电网也会对系统的分析带来新的挑战。例如，针对大电网的静态安全分析问题、无功优化问题的求解往往非常依赖于计算机的计算性能以及存储性能。因此，为了减小对计算机性能的依赖，可以对不需要详细分析或者无法取得其详细信息的部分电网进行等值，得到一个规模更小的电网模型，从而相应为静态安全分析问题、无功优化问题的简化提供模型支撑。
在本发明中，待等值的电网可以被分为：内网、边界节点、外网三个部分。为了提高等值网络的精度，对等值电网进行恰当的建模是十分重要的，也是十分困难的，因为外网的信息往往是很难获取的。即便如此，电网等值建模研究也在近些年取得了长足的发展。为了减小电网负荷区域的规模，提出了一种聚集负荷模型，在聚集负荷模型中，负荷区域不仅仅包括负荷母线，还包括传输线路以及变压器等。在此法中，模型的未知参数通过改进的遗传算法以及解耦策略分别识别。此外，改进粒子群算法也被用于识别聚集负荷模型的参数。但上述两个方法存在两方面的不足：1.均采用了具有虚拟母线的拓扑结构，然而，虚拟母线的电压多解性会造成等值模型的不确定性，降低等值精度；2.包括遗传算法和粒子群算法在内的进化算法的优化性能依赖于具体的参数设定，这无疑限制了它们在实际电网上的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于边界节点互连结构的电网等值建模方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：。
基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤101：获取到符合MATPOWER格式的.m电力系统数据文件，作为原始模型输入
步骤102：按照使用者意愿以及实际情况将电网分成三部分：内网，边界节点，外网；
步骤103：确定电网典型运行状态，在边界节点处采集节点电压，在连接边界节点的联络线上采集电流；
步骤104：令k＝1；
步骤105：基于等值网络的参数，得到计算电流值；
步骤106：根据采样电流与计算电流之间的差值计算目标函数；
步骤107：判断是否满足内点法的收敛条件，若是，则执行步骤110，否则执行步骤108；
步骤108：令k＝k+1；
步骤109：运用MATLAB内嵌的非线性原对偶内点法，基于前述的简化目标函数，计算参数的调整步长以及调整方向，并根据计算结果相应的更新等值模型的参数，随后执行步骤105；
步骤110：输出等值网络以及相应的参数。
进一步，所述步骤1中，原始模型的数据包括：基准功率、母线编号、母线类型、母线注入负荷的有功功率、无功功率、母线并联电导和电纳、母线电压基准值与实际值，电网断面号和分区号、发电机所接母线、发电机发出的有功功率和无功功率，发电机机端电压、发电机的功率基准、电力线路阻抗、变压器变比。
进一步，所述步骤103中，使用向量测量单元PMU实现电压电流的采集，枢纽变电站安装PMU，并通过通信网络和调度中心等机构相连，从而实现边界节点处节点电压以及联络线上的电流的采样。
进一步，所述步骤105中，如果等值网络对应的边界节点为两个及两个以上，可以通过下面的式子计算得到：
如果等值网络对应的边界节点仅有一个，可以通过下面的式子计算得到：
其中，i指当前的边界节点，l指边界节点集合中除i的其他边界节点，K指边界节点集合中边界节点的总数，j是当前系统所处的典型运行状态，J是系统所处的典型运行状态的总数，ril+jxil是连接边界节点i和边界节点l之间虚拟线路的阻抗，Pi eq是等值负荷消耗的有功功率，是等值负荷消耗的无功功率，是在典型运行状态j下内部网经边界节点i流入外部网的计算电流，是在典型运行状态j下边界节点i的采样电压。
进一步，所述步骤106中，通过改变构造目标函数的策略，把内部网通过边界节点流入外部网的采样电流与等值网络的计算电流之间的差值作为目标函数，简化的目标函数如下式所示：
其中，和分别是在典型运行状态j下内部网经边界节点i流入外部网的计算电流以及采样电流，i指当前的边界节点，K指边界节点集合中边界节点的总数，j是当前系统所处的典型运行状态，J是系统所处的典型运行状态的总数R是虚拟线路电阻集合，X是虚拟线路电抗集合。
进一步，所述步骤107中，收敛条件设为对偶间隙为10-6，目标函数最大计算次数为10000次，迭代最大次数为200次，目标函数期望值为10-8。
进一步，所述步骤110中，等值电网模型数据包括：基准功率、母线编号、母线类型、母线注入负荷的有功功率、无功功率、母线并联电导和电纳、母线电压基准值与实际值，电网断面号和分区号、发电机所接母线、发电机发出的有功功率和无功功率，发电机机端电压，电力线路阻抗、变压器变比、新增的虚拟线路阻抗、新增的等值负荷的有功、无功的恒功率、恒电流、恒阻抗系数。
本发明的有益效果是：
本发明提供了一种基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，利用在边界节点处采集到的电压、电流信息，通过用简单的电路替代未知的外部网络，从而减小电网的规模；本方法采用了新的拓扑结构，即在等值网络中，边界节点两两之间通过虚拟线路互连，这样既能提高等值网络的精度，又能保证等值网络结构的足够简单；随后，通过和采样数据结合，等值网络的未知参数识别被转化为非线性规划问题；非线性规划中的目标函数是经过简化的，仅仅为联络线上电流的预测误差，这样做可以避免设置目标函数中的调整权重工作；最后，等值网络中的未知参数通过内点法一同识别，本方法构思巧妙，计算效率高，具备良好的推广应用价值。
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说明书和权利要求书来实现和获得。
具体实施方式
以下将对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
本发明的基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，包括以下步骤：
步骤101：获取到符合MATPOWER格式的.m电力系统数据文件，作为原始模型输入；原始模型的数据包括：基准功率、母线编号、母线类型、母线注入负荷的有功功率、无功功率、母线并联电导和电纳、母线电压基准值与实际值，电网断面号和分区号、发电机所接母线、发电机发出的有功功率和无功功率，发电机机端电压、发电机的功率基准、电力线路阻抗、变压器变比。
步骤102：按照使用者意愿以及实际情况将电网分成三部分：内网，边界节点和外网；
步骤103：确定电网典型运行状态，在边界节点处采集节点电压，在连接边界节点的联络线上采集电流；本实施例中，使用向量测量单元PMU实现电压电流的采集，枢纽变电站安装PMU，并通过通信网络和调度中心等机构相连，从而实现边界节点处节点电压以及联络线上的电流的采样。
步骤104：令k＝1；
步骤105：基于等值网络的参数，得到计算电流值；实际应用中，如果等值网络对应的边界节点为两个及两个以上，可以通过下面的式子计算得到：
如果等值网络对应的边界节点仅有一个，可以通过下面的式子计算得到：
其中，i指当前的边界节点，l指边界节点集合中除i的其他边界节点，K指边界节点集合中边界节点的总数，j是当前系统所处的典型运行状态，J是系统所处的典型运行状态的总数，ril+jxil是连接边界节点i和边界节点l之间虚拟线路的阻抗，Pi eq是等值负荷消耗的有功功率，是等值负荷消耗的无功功率，是在典型运行状态j下内部网经边界节点i流入外部网的计算电流，是在典型运行状态j下边界节点i的采样电压。
步骤106：根据采样电流与计算电流之间的差值计算目标函数；本实施例中，通过改变构造目标函数的策略，把内部网通过边界节点流入外部网的采样电流与等值网络的计算电流之间的差值作为目标函数，简化的目标函数如下式所示：
其中，和分别是在典型运行状态j下内部网经边界节点i流入外部网的计算电流以及采样电流，i指当前的边界节点，K指边界节点集合中边界节点的总数，j是当前系统所处的典型运行状态，J是系统所处的典型运行状态的总数R是虚拟线路电阻集合，X是虚拟线路电抗集合；
步骤107：判断是否满足内点法的收敛条件，若是，则执行步骤110，否则执行步骤108；本实施例中，收敛条件设为对偶间隙为10-6，目标函数最大计算次数为10000次，迭代最大次数为200次，目标函数期望值为10-8；
步骤108：令k＝k+1；
步骤109：运用MATLAB内嵌的非线性原对偶内点法，基于前述的简化目标函数，计算参数的调整步长以及调整方向，并根据计算结果相应的更新等值模型的参数，随后执行步骤105；
步骤110：输出等值网络以及相应的参数，等值电网模型数据包括：基准功率、母线编号、母线类型、母线注入负荷的有功功率、无功功率、母线并联电导和电纳、母线电压基准值与实际值，电网断面号和分区号、发电机所接母线、发电机发出的有功功率和无功功率，发电机机端电压，电力线路阻抗、变压器变比、新增的虚拟线路阻抗、新增的等值负荷的有功、无功的恒功率、恒电流、恒阻抗系数。
本发明提供了一种基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，利用在边界节点处采集到的电压、电流信息，通过用简单的电路替代未知的外部网络，从而减小电网的规模，本方法采用了新的拓扑结构，即在等值网络中，边界节点两两之间通过虚拟线路互连，这样既能提高等值网络的精度，又能保证等值网络结构的足够简单。随后，通过和采样数据结合，等值网络的未知参数识别被转化为非线性规划问题。非线性规划中的目标函数是经过简化的，仅仅为联络线上电流的预测误差，这样做可以避免设置目标函数中的调整权重工作。最后，等值网络中的未知参数通过内点法一同识别。
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.基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤101：获取到符合MATPOWER格式的.m电力系统数据文件，作为原始模型输入
步骤102：按照使用者意愿以及实际情况将电网分成三部分：内网，边界节点，外网；
步骤103：确定电网典型运行状态，在边界节点处采集节点电压，在连接边界节点的联络线上采集电流；
步骤104：令k＝1；
步骤105：基于等值网络的参数，得到计算电流值；
步骤106：根据采样电流与计算电流之间的差值计算目标函数；
步骤107：判断是否满足内点法的收敛条件，若是，则执行步骤110，否则执行步骤108；
步骤108：令k＝k+1；
步骤109：运用MATLAB内嵌的非线性原对偶内点法，基于前述的简化目标函数，计算参数的调整步长以及调整方向，并根据计算结果相应的更新等值模型的参数，随后执行步骤105；
步骤110：输出等值网络以及相应的参数。
2.根据权利要求1所述的基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，其特征在于：所述步骤1中，原始模型的数据包括：基准功率、母线编号、母线类型、母线注入负荷的有功功率、无功功率、母线并联电导和电纳、母线电压基准值与实际值，电网断面号和分区号、发电机所接母线、发电机发出的有功功率和无功功率，发电机机端电压、发电机的功率基准、电力线路阻抗、变压器变比。
3.根据权利要求1所述的基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，其特征在于：所述步骤103中，使用向量测量单元PMU实现电压电流的采集，枢纽变电站安装PMU，并通过通信网络和调度中心等机构相连，从而实现边界节点处节点电压以及联络线上的电流的采样。
4.根据权利要求1所述的基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，其特征在于：所述步骤105中，如果等值网络对应的边界节点为两个及两个以上，可以通过下面的式子计算得到：
如果等值网络对应的边界节点仅有一个，可以通过下面的式子计算得到：
其中，i指当前的边界节点，l指边界节点集合中除i的其他边界节点，K指边界节点集合中边界节点的总数，j是当前系统所处的典型运行状态，J是系统所处的典型运行状态的总数，ril+jxil是连接边界节点i和边界节点l之间虚拟线路的阻抗，是等值负荷消耗的有功功率，是等值负荷消耗的无功功率，是在典型运行状态j下内部网经边界节点i流入外部网的计算电流，是在典型运行状态j下边界节点i的采样电压。
5.根据权利要求1所述的基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，其特征在于：所述步骤106中，通过改变构造目标函数的策略，把内部网通过边界节点流入外部网的采样电流与等值网络的计算电流之间的差值作为目标函数，简化的目标函数如下式所示：
其中，和分别是在典型运行状态j下内部网经边界节点i流入外部网的计算电流以及采样电流，i指当前的边界节点，K指边界节点集合中边界节点的总数，j是当前系统所处的典型运行状态，J是系统所处的典型运行状态的总数R是虚拟线路电阻集合，X是虚拟线路电抗集合。
6.根据权利要求1所述的基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，其特征在于：所述步骤107中，收敛条件设为对偶间隙为10-6，目标函数最大计算次数为10000次，迭代最大次数为200次，目标函数期望值为10-8。
7.根据权利要求1所述的基于边界节点互连结构的电网等值建模方法，其特征在于：所述步骤110中，等值电网模型数据包括：基准功率、母线编号、母线类型、母线注入负荷的有功功率、无功功率、母线并联电导和电纳、母线电压基准值与实际值，电网断面号和分区号、发电机所接母线、发电机发出的有功功率和无功功率，发电机机端电压，电力线路阻抗、变压器变比、新增的虚拟线路阻抗、新增的等值负荷的有功、无功的恒功率、恒电流、恒阻抗系数。
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