CN108376984B - 一种电力系统节点电压自动调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法，是一种循环过程，可以进行多次调整，通过求取PV节点对越限节点电压的灵敏度、求取无功补偿节点对越限节点电压的灵敏度，直到得到最优的PV节点电压调整量、无功补偿节点无功调整量。调整过程中，除给出各个越限节点的目标电压与电压允许偏差外，无需人工干预，解决了人工调整节点电压费时费力的问题，在进行电力系统潮流分析时，可大大节约工时，提高计算分析效率。而且，在求取上述两个灵敏度时，该自动调整方法主要采用矩阵求逆、矩阵分块、矩阵相乘等不存在收敛性问题的计算方法，整个方法的收敛性好，可以很好地保证自动调整能够完成。

Description

一种电力系统节点电压自动调整方法

技术领域

本发明属于电力系统自动化处理技术领域,具体涉及一种电力系统节点电压自动调整方法。

背景技术

电力系统是把很多的发电站、变电站、配电站、用户等由输电和配电线路连接起来形成的系统。电力系统在运行时，在电源电势激励作用下，电流或功率从电源通过系统各元件流入负荷，分布于电力网各处，称为电力潮流。电力系统调度、规划部门在进行调度、规则、电力系统研究时，一般会使用PSD-PBA、PSS/E、PSASP等电力系统分析软件对电力系统进行仿真分析。在仿真分析过程中，往往需要大规模调整系统潮流。电力(电能)是在发电站产生的，其中一部分在经过输配电线、变电站和配电站时损失掉，剩下的绝大部分最终被负荷所消耗。这样，从电的产生到被负荷消耗，流过哪一路输配电线，各节点电压是多少，这种计算就叫电力潮流计算。所以，在大规模调整潮流后，系统的各节点电压将会偏离期望值，需要调整。节点电压的调整手段包括增加或减小发电厂无功出力、投入或退出变电站无功补偿等。

目前，对于电力系统节点电压的调整为人工调整，针对不同的调整需求，选择对不同的节点电压进行调整。节点电压的调整是相互关联的，当调整一个节点电压后，其他节点的电压也会变化。

因此，当系统的电网规模很大时，需要调整的节点电压的个数可能就多，人工调整将消耗电网分析、研究人员大量时间与精力，调整效率较低。

发明内容

本发明提供了一种电力系统节点电压自动调整方法，以解决现有的人工方式调整电力系统节点电压存在的调整效率较低的问题。

该电力系统节点电压自动调整方法，包括以下步骤：

统计待调整电力系统中的所有节点总数量，且将所有节点从1开始到N连续编号；

根据节点电压调整的目的，在所有N个节点中，选择需要调整电压的节点，生成以节点编号为元素的集合N_R，记N_R＝{r₁ r₂ … r_K}，m＝1,2,3…,K；

根据节点电压调整的当前目地，获取集合N_R中各个节点的目标调整电压值

r_m∈N_R，令相量

获取集合N_R中各个节点电压的调整目标值

的允许调整偏差ε；

进行潮流计算，并从潮流计算结果中得到编号r_m的节点电压

令相量

r_m∈N_R，

为各节点的待调整初始电压；

提取所述集合N_R中，待调整初始电压

和调整目标电压

之间的差值大于允许调整偏差ε的节点，标记为越限节点，即

生成以越限节点编号为元素的集合N_B，记N_B＝{b₁ b₂ … b_H}，m＝1，2，3…H；

计算所有越限节点电压偏差

为各个越限节点的目标调整电压，

为各个越限节点的待调整初始电压；

逐个判断所有的越限节点中，是否存在通过变压器与PV节点相联的越限节点，若存在,则生成以所述PV节点编号为元素的集合N_V，记N_V＝{v₁ v₂ … v_K}，m＝1，2，3…I；PV节点是指保持有功功率和节点电压不变的节点；

逐个判断所有的越限节点中，是否存在通过变压器与无功补偿节点相联的越限节点，若存在，则生成以所述无功补偿节点编号为元素的集合N_C，记N_C＝{c₁ c₂ … c_K}，m＝1，2，3…J；

根据潮流数据网络拓扑，生成包括所有N个节点的节点导纳矩阵Y，矩阵Y为N×N的对称方阵；矩阵Y可写为：

其中，Y_m,m为第m个节点的自导纳，Y_m,n(m≠n)为第m个节点与第n个节点的互导纳；

取出节点导纳矩阵Y的虚部，形成矩阵B，矩阵B可写为：

计算矩阵B的逆矩阵X，

从矩阵B中提取出下标为(b_x,v_z)的各元素，并形成H×I阶的各PV节点电压对越限节点电压的灵敏度系统矩阵矩阵B₁，其中b_x为节点集合N_B中各元素，v_z为节点集合N_V中各元素,B₁表示为：

从矩阵X中提取出下标为(b_x，c_y)的各元素，并形成H×J阶各无功补偿节点注入电流对越限节点电压的灵敏度系统矩阵矩阵X₁，其中b_x为节点集合N_B中各元素，c_y为节点集合N_c中各元素,X₁表示为：

将矩阵B₁与X₁合并为矩阵A，A＝[B₁ X₁]；

求解方程ΔU＝AΔX的解ΔX：

表示集合N_V中各PV节点电压调整量，m＝1，2，…I；

表示集合N_C中各无功补偿节点无法电流注入调整量，n＝1,2,…J；

计算各无功补偿节点的无功变化量

根据集合N_V中各PV节点电压变化

集合N_C中各无功补偿节点无功量变化

对应调整所有PV节点和无功补偿节点电压后，得到各个越限节点的当前电压，并将所有越限节点的待调整初始电压更新为当前电压；

当所述越限集合为空集时，结束调整，或者当经过一次调整后，所述越限集合中元素的个数与上次调整后相同时，结束调整。

优选的，在上述电力系统节点电压自动调整方法中，所述PV节点包括发电机节点。

可见，本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法，是一种循环过程，可以进行多次调整，通过求取PV节点对越限节点电压的灵敏度、求取无功补偿节点对越限节点电压的灵敏度，直到得到最优的PV节点电压调整量和无功补偿节点无功调整量，然后利用此最优的PV节点电压调整量和无功补偿节点无功调整量，直接调整各个PV节点和各个无功补偿节点和各个越限节点的电压值。调整过程中，除给出各个越限节点的目标电压与电压允许偏差外，无需人工干预，解决了人工调整节点电压费时费力的问题，在进行电力系统潮流分析时，可大大节约工时，提高计算分析效率。

而且，在求取上述两个灵敏度时，该自动调整方法主要采用矩阵求逆、矩阵分块、矩阵相乘等不存在收敛性问题的计算方法，整个方法的收敛性好，可以很好地保证自动调整能够完成。

附图说明

图1为本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法的一次调整过程的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的待调整电力系统单线图；

图3为图2中的待调整电力系统未使用本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法调整前的节点电压情况图；

图4为图2中的待调整电力系统使用本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法经过第一次调整后的节点电压情况图；

图5为图2中的待调整电力系统使用本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法经过第二次调整后的节点电压情况图。

具体实施方式

本发明提供了一种电力系统节点电压自动调整方法，解决了现有的人工方式调整电力系统节点电压存在的调整效率较低的问题。

以下将结合具体的实施例，结合附图1，说明本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法的一次调整过程。

一种电力系统节点电压自动调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，因为当进行一次电压调整时，各个节点电压均发生变化，为了全面掌握节点的位置关系，便于结合档次调整的目的，做出合理的调整。首先应该在步骤S1中，统计待调整电力系统中的所有节点总数量，且将所有节点从1开始到N连续编号。请结合附图2，该图示出了某个待调整电力系统单线图。可见图中有13个节点，分别编号为1号到13号。

然后，根据节点电压调整的目的，在所有13个节点中，在步骤S2中，选择需要调整电压的节点，生成以节点编号为元素的集合N_R，记N_R＝{r₁ r₂ … r_K}，m＝1,2,3…,K。假定，被选择的节点为1号到6号节点，则与图2相对应的集合N_R＝{1,2,3,4,5,6}。

根据节点电压调整的当前目地，在步骤S3中，获取集合N_R中各个节点的目标调整电压值

r_m∈N_R，令相量

此时，设定1号到6号的的目标体征电压为230.5kV、229.5kV、228.5kV、229.0kV、230.5kV、230.5kV。对应的标么值分别为：1.002PU、0.998PU、0.993PU、0.996PU、1.002PU、1.002PU。

在步骤S3中，获取集合N_R中各个节点电压的调整目标值

的允许调整偏差ε，针对图2，设置电压调整允许偏差ε＝0.001PU。

至此，我们完成了节点电压调整前的预调过程，下面进入调整过程。

首先，在步骤S4中，对图2中的电网进行潮流计算，并从潮流计算结果中得到编号r_m的节点电压

令相量

r_m∈N_R，

为各节点的待调整初始电压。1号到6号节点的初始电压，如图2所示，分别为：232.2kV、227.5kV、224.3kV、225.8kV、231.5kV、231.8kV，对应的标么值分别为：1.010PU、0.989PU、0.975PU、0.982PU、1.007PU、1.008PU。

其次，在步骤S5中，提取所述集合N_R中，待调整初始电压

和调整目标电压

之间的差值大于允许调整偏差ε的节点，标记为越限节点，

生成以越限节点编号为元素的集合N_B，记N_B＝{b₁ b₂ … b_H}，m＝1，2，3…H。结合与图2对应的集合N_R＝{1,2,3,4,5,6}，计算1号到6号节点的待调整初始电压

和调整目标电压

之间的差值分别为0.007PU、0.009PU、0.018PU、0.014PU、0.004PU、0.006PU，可见图2对应的集合N_R＝{1,2,3,4,5,6}中的节点均为越限节点，与图2相对应的N_B＝{1，2，3，4，5，6}。

计算所有越限节点电压偏差

为各个越限节点的目标调整电压，

为各个越限节点的待调整初始电压。也就是说调整的目标是使得1号到6号节点的电压在误差范围内，最大程度的接近各自的目标电压。二为了达到这个目标，本发明是通过直接调整和1号至6号节点相关联的节点的电压，来达到间接调整1号到6号节点电压的目标。具体的间接调整过程如下：

首先，选择直接调整节点的类型和个数的过程。具体涉及两类节点。第一类：在步骤S6中，逐个判断所有的越限节点中，是否存在通过变压器与PV节点相联的越限节点，若存在,则在步骤S7中，生成以所述PV节点编号为元素的集合N_V，记N_V＝{v₁ v₂ … v_K}，m＝1，2，3…I；PV节点是指保持有功功率和节点电压不变的节点。结合图2，也就是判断在1号至6号越限节点中，是否存在通过变压器与PV节点连接的越限节点。PV节点在图2中为发动机。从图2中可见，节点7,11和12为发动机节点。节点1,5和6通过变压器分别于节点7,1112相联。那么与图2对应的集合N_V＝{1,5,6}。第二类：在步骤S8中，逐个判断所有的越限节点中，是否存在通过变压器与无功补偿节点相联的越限节点，若存在，则在步骤S9中，生成以所述无功补偿节点编号为元素的集合N_C，记N_C＝{c₁ c₂ … c_K}，m＝1，2，3…J。结合图2，也就是判断在1号至6号越限节点中，是否存在通过变压器与无功补偿节点连接的越限节点。从图2中可见，节点8,9和10为无功补偿节点节点。节点2,3和4通过变压器分别于节点8,9和10相联。那么与图2对应的集合N_C＝{2,2,4}。

再次，是利用上述两类节点的集合N_V和N_C的过程。

在步骤S10中，根据潮流数据网络拓扑，生成包括所有6个节点的节点导纳矩阵Y，矩阵Y为6×6的对称方阵；矩阵Y可写为：

其中，Y_m,m为第m个节点的自导纳，Y_m,n(m≠n)为第m个节点与第n个节点的互导纳。结合图2中的电网，导纳矩阵为6×6阶。

取出节点导纳矩阵Y的虚部，形成矩阵B，矩阵B可写为：

计算矩阵B的逆矩阵X，

在步骤S11中，从矩阵B中提取出下标为(b_x,v_z)的各元素，对应于图2，下标为(1/2/3/4/5/6,1)、(1/2/3/4/5/6,5)、(1/2/3/4/5/6,6)。并形成6×3阶的各PV节点电压对越限节点电压的灵敏度系统矩阵B₁，其中b_x为节点集合N_B中各元素，v_z为节点集合N_V中各元素,B₁表示为：

从矩阵X中提取出下标为(b_x,c_y)的各元素，对应于图2，下标为(1/2/3/4/5/6,2)、(1/2/3/4/5/6,3)、(1/2/3/4/5/6,4)。并形成6×3阶各无功补偿节点注入电流对越限节点电压的灵敏度系统矩阵X₁，其中b_x为节点集合N_B中各元素，c_y为节点集合N_c中各元素,X₁表示为：

将矩阵B₁与X₁合并为矩阵A，A＝[B₁ X₁]；

至此，可以将调整电网电压转化为求解方程ΔU＝AΔX的解ΔX，ΔX代表发电机机端节点电压调整量和无功补偿节点注入无功电流调整量。也就说当求解出ΔX后，可以通过直接调整发电机机端节点电压和无功补偿节点无功电流注入量，来实现越限节点1号到6号节点的电压。

在步骤S12中，通过求解方程ΔU＝AΔX的解ΔX，得到：

表示集合N_V中各PV节点电压调整量，m＝1，2，…I；

表示集合N_C中各无功补偿节点无法电流注入调整量，n＝1,2,…J；

计算各无功补偿节点的无功变化量

根据集合N_V中各PV节点电压变化

集合N_C中各无功补偿节点无功量变化

对应调整所有PV节点和无功补偿节点电压后，得到各个越限节点的当前电压。当前电压是经过再次潮流计算得出的。并将所有越限节点1号到6号节点的待调整初始电压更新为当前电压，至此，完成了一次越限节点的电压调整。

此后，可以按照上述过程多次循环，不断地通过调整所有PV节点和无功补偿节点电压，得到各个越限节点的当前电压。而且，在求取上述两个灵敏度时，本发明提供的自动调整方法主要采用矩阵求逆、矩阵分块、矩阵相乘等不存在收敛性问题的计算方法，整个方法的收敛性好，可以很好地保证自动调整能够完成。循环完成的条件是：当满足所述越限集合为空集时，结束调整，或者当经过一次调整后，所述越限集合中元素的个数与上次调整后相同时，结束调整。也就是说所有的关注的节点的电压均在误差允许范围内，最接各自的目标电压时，或者进行再次循环，也不能将关注的节点中的某些节点的电压调整至误差允许范围内时，均代表最后一次循环获得为最优的发电机机端电压调整量和最优的无功补偿节点无功调整量。按照这两个最优量对应调整后，电力系统的所有关注的节点电压为最能满足当前调整目的的电压。

以下，按照上述技术方案，利用仿真软件，对图2中的电网节点7，11，12进行了两次调整，直到用最优的发电机机端电压调整直接调整。对电网节点8，9，10进行了两次调整，直到用最优的无功补偿节点无功调整。并通过对比到6号节点的每次调整后的电压变化，验证本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法的可行性。

验证过程如图3至图5所示，验证的方式为对比节点1号到6号的电压的变化趋势。图3为图2中的待调整电力系统未使用本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法调整前的节点电压情况图。图3中示出了节点1号到6号的未调整前标电压和目标电压的对比情况。图3中的横坐标代表节点编号。

经过计算后，节点7、11、12的电压调整量为：-0.0154PU、-0.0135PU、-0.0134PU，节点8、9、10的无功补偿调整量为：21.27MVar、14.32MVar、14.32MVar。调整后重新计算潮流得到节点1～6的电压为：230.7kV、229.9kV、229.0kV、229.2kV、230.6kV、230.7kV，第1次调整后电压与目标电压对比如图4所示。所有节点电压偏差分别为0.0009PU、0.0017PU、0.0022PU、0.0009PU、0.0004PU、0.0009PU。如图4所示，仍有节点2、3电压偏差大于设定值0.001，即1号到6号中还存在越限节点，不满足结束调整的条件的任一种，还应该进行上述技术方案的再一次循环，经过第二次修正后得到节点7、11、12的电压调整量为：-0.0004PU、-0.0002PU、-0.0005PU，节点8、9、10的无功补偿调整量为：-1.3MVar、-1.76MVar、0.87MVar。调整后重新计算潮流得到节点1～6的电压为：230.5kV、229.4kV、228.5kV、229.1kV、230.5kV、230.4kV。第2次调整后电压与目标电压对比如图5所示。再次调整后所有节点电压偏差分别为0.0000PU、0.0004PU、0.0000PU、0.0004PU、0.0000PU、0.0004PU，可见均小于设定值0.001PU。即满足结束节点电压调整的条件之一，即越限节点的集合为空集，可以结束本轮节点电压调整过程。

在以图2中的电网为例，对本发明提供的电力系统节点电压自动调整方法进行验证的过程中，除给出各个越限节点的目标电压与电压允许偏差外，无人工干预，解决了人工调整节点电压效率较低的问题。而且，该自动调整方法收敛性好，结合电力系统潮流计算，可以很好地保证自动调整能够完成。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (2)

1.一种电力系统节点电压自动调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

统计待调整电力系统中的所有节点总数量，且将所有节点从1开始到N连续编号；

根据节点电压调整的目的，在所有N个节点中，选择需要调整电压的节点，生成以节点编号为元素的集合N_R，记N_R＝{r₁，r₂，...，r_K}，m＝1,2,3…,K；

根据节点电压调整的当前目地，获取集合N_R中各个节点的目标调整电压值

令相量

获取集合N_R中各个节点电压的调整目标值

的允许调整偏差ε；

进行潮流计算，并从潮流计算结果中得到编号r_m的节点电压

令相量

r_m∈N_R，

为各节点的待调整初始电压；

提取所述集合N_R中，待调整初始电压

和调整目标电压

之间的差值大于允许调整偏差ε的节点，标记为越限节点，即

生成以越限节点编号为元素的集合N_B，记N_B＝{b₁，b₂，...，b_H}，m＝1，2，3…H；

计算所有越限节点电压偏差

为各个越限节点的目标调整电压，

为各个越限节点的待调整初始电压；

逐个判断所有的越限节点中，是否存在通过变压器与PV节点相联的越限节点，若存在,则生成以所述PV节点编号为元素的集合N_V，记N_V＝{v₁，v₂，...，v_K}，m＝1，2，3…I；PV节点是指保持有功功率和节点电压不变的节点；

逐个判断所有的越限节点中，是否存在通过变压器与无功补偿节点相联的越限节点，若存在，则生成以所述无功补偿节点编号为元素的集合N_C，记N_C＝{c₁，c₂，...，c_K}，m＝1，2，3…J；

根据潮流数据网络拓扑，生成包括所有N个节点的节点导纳矩阵Y，矩阵Y为N×N的对称方阵；矩阵Y可写为：

其中，Y_m,m为第m个节点的自导纳，Y_m,n(m≠n)为第m个节点与第n个节点的互导纳；

取出节点导纳矩阵Y的虚部，形成矩阵B，矩阵B可写为：

计算矩阵B的逆矩阵X，

从矩阵B中提取出下标为(b_x,v_z)的各元素，并形成H×I阶的各PV节点电压对越限节点电压的灵敏度系统矩阵矩阵B₁，其中b_x为节点集合N_B中各元素，v_z为节点集合N_V中各元素,B₁表示为：

从矩阵X中提取出下标为(b_x,c_y)的各元素，并形成H×J阶各无功补偿节点注入电流对越限节点电压的灵敏度系统矩阵矩阵X₁，其中b_x为节点集合N_B中各元素，c_y为节点集合N_c中各元素,X₁表示为：

将矩阵B₁与X₁合并为矩阵A，A＝[B₁ X₁]；

求解方程ΔU＝AΔX的解ΔX：

表示集合N_V中各PV节点电压调整量，m＝1，2，…I；

表示集合N_C中各无功补偿节点无法电流注入调整量，n＝1,2,…J；

计算各无功补偿节点的无功变化量

根据集合N_V中各PV节点电压变化

集合N_C中各无功补偿节点无功量变化

对应调整所有PV节点和无功补偿节点电压后，得到各个越限节点的当前电压，并将所有越限节点的待调整初始电压更新为当前电压；

当所述集合N_B为空集时，结束调整，或者当经过一次调整后，所述集合N_B中元素的个数与上次调整后相同时，结束调整。

2.根据权利要求1所述的电力系统节点电压自动调整方法，其特征在于，所述PV节点包括发电机节点。

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