CN108667027A - 含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，包括步骤：根据系统运行状态简化含柔性直流的交直流电网系统的拓扑；将系统结构进行预处理，所述预处理过程包括将系统拓扑结构抽象为一个图、将系统分区和根据支路电抗值对各区域每条边赋予权值形成各区域加权邻接矩阵；利用Floyd算法搜索前k条最短路径；应用分布系数法及等效发电量转移分布系数法分别分析交流线路断线及换流站功率变化时所搜索出的前k条最短路径中所含支路的潮流转移情况。本发明能够解决含柔性直流电网的交直流互联系统的潮流转移问题，能够离线搜索出电网某线路断线及换流站退出运行时的潮流转移路径，并对潮流转移进行量化分析。

Description

含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法

技术领域

本发明属于电力系统技术领域，特别是涉及含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法。

背景技术

随着电网规模扩大，世界各国的大停电事故时有发生，对引发大停电事故重要原因之一的潮流转移及其路径搜索方法的研究一再成为焦点。

当前新形势下，柔性直流输电向正在多端化和网络化发展，张北±500kV直流电网工程是直流输电网络化的一项标志性的工程。含柔性直流电网的交直流系统是未来电网发展的趋势。在这样一个背景下，如何分析交直流电网切除部分线路的潮流转移情况，甚至利用柔性直流输电技术快速响应的特点减少大电网的潮流转移范围和转移量，避免潮流大范围转移引发连锁跳闸，维持系统安全稳定运行，成为直流电网发展的重要研究课题之一。

目前，已有的潮流转移路径搜索方法都只针对交流系统，还没有学者提出针对交直流混合系统进行潮流转移搜索和分析的方法。现有技术无法解决含柔性直流电网的交直流互联系统的潮流转移问题，无法离线搜索出电网某线路断线及换流站退出运行时的潮流转移路径。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，能够解决含柔性直流电网的交直流互联系统的潮流转移问题，能够离线搜索出电网某线路断线及换流站退出运行时的潮流转移路径，并对潮流转移进行量化分析。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，包括步骤：

S100，根据系统运行状态简化含柔性直流的交直流电网系统的拓扑；

S200，将系统结构进行预处理，所述预处理过程包括将系统拓扑结构抽象为一个图、将系统分区和根据支路电抗值对各区域每条边赋予权值形成各区域加权邻接矩阵；

S300，利用Floyd算法搜索前k条最短路径；

S400，应用分布系数法及等效发电量转移分布系数法分别分析交流线路断线及换流站功率变化时所搜索出的前k条最短路径中所含支路的潮流转移分布情况。

进一步的是，在所述步骤S100中，根据系统运行状态简化含柔性直流的交直流电网系统的拓扑，包括步骤：

只计及稳态时，由于交流电网的拓扑和潮流变化对直流电网各端换流站的功率传输无影响，直流电网与交流电网间的交换功率由直流电网各端换流站控制方式决定；因此，在搜索线路N-1故障时的潮流转移路径和计算故障后的新潮流时，将柔性直流换流站当作恒功率负荷处理；在所述拓扑中删去直流换流站节点，同时形成导纳矩阵时无需考虑直流换流站节点和直流线路；

由于直流换流站功率完全可控，直流换流站控制方式及指令值的变化会引起交流系统潮流的转移；在直流电网换流站退出运行或进行功率控制引起的交流系统潮流转移时，将直流换流站等效为虚拟发电机。

进一步的是，在所述步骤S200中，将系统结构进行预处理，包括步骤：

S201，将含柔性直流的交直流电网系统的拓扑结构抽象为一个图：对于交流部分，将发电机或母线等效为顶点，线路或变压器等效为边，边的方向即为有功潮流的方向；直流电网等效为负荷，直流换流站节点不出现在图中；

S202，系统分区：采用回溯法及剪枝算法，删除图中无法构成回路的顶点并将寻找到的系统网络中的块作为分区；

S203，根据支路电抗值对各分区区域每条边赋予权值形成各区域加权邻接矩阵。

进一步的是，当系统中某支路开断后，其他支路受潮流转移的影响程度与相对开断支路的电气距离有关，电气距离较远的支路受影响很小；电气距离由回路阻抗值决定，回路阻抗越大时电气距离越远，线路受开断支路潮流转移影响也越小；因此，为提高潮流转移路径的搜索效率，只需考虑潮流转移分布系数较大的前k条最短路径；

进一步的是，在所述步骤S300中，利用Floyd算法根据潮流转移分布系数搜取前k条最短路径，包括步骤：

确定潮流转移分布系数大的前k条最短路径的k值；

利用Floyd算法搜取前k条最短路径。

进一步的是，所述k值满足原则：

式中：r为某支路开断后潮流转移路径数，L₁为最短路径长度，L_j为第j条最短路径的长度，L_i为第i条最短路径的长度；t_y为设定的长度之比阈值，第i条最短路径的潮流一般不会超过1/t_y，取t_y＝4。

进一步的是，利用Floyd算法来搜取前k条最短路径，包括步骤：

预处理：输入所述拓扑结构图的权值矩阵W；并根据图中的割点对图进行分块得到子图的权值矩阵W1、W2至Wn；然后判断开断线路所属分块，在所属分块中搜索最短路和最短距离；

求最短路：采用Floyd算法求最短路和最短距离；

设目前已求得前j条最短路，针对这j条最短路，在每条路所通过的线路中各断开一条形成一个断开线路组合，设这j条最短路中任意的线路断开形成的断开线路组合有n个；在这n个组合中依次采用Floyd算法搜索最短路，并取最小的一个作为第j+1条最短路；然后求下一条最短路，直到最后求得前k条最短路。

进一步的是，在所述步骤S400中，基于分布系数法的线路进行有功潮流量化分析，包括步骤：

S401，确定分布系数为：

S402，根据分布系数，求得线路l_ij开断后的线路功率为：

S403，通过发电量转移分布系数，求得任一支路l_mn在某台发电机开断之后的支路潮流增量及其潮流值；

发电量转移分布系数：

根据实时网络结构相对应的A_mn-k，计算任一支路l_mn在某台发电机开断之后的支路潮流增量及其潮流值：P_mn＝P_mn0+ΔP_mn＝P_mn0+A_mn-kΔG_k；

S404，在一台发电机开断后，若还有发电机相继断开，则在一台发电机断开的基础上进一步计算新的潮流值；

由于发电量转移分布系数与网络拓扑结构有关，与开断的发电机台数无关系；当c台发电机同时开断时，潮流值为：

式中，c表示开断的发电机台数，下标r表示开断发电机的编号；

S405，将直流电网换流站等效为发电机后，发电量转移分布系数法应用于含直流电网的交直流系统中；根据发电量转移分布系数定量分析换流站退出运行或进行功率控制引起的交流潮流转移；考虑到直流换流站能够发出功率或吸收功率，定义VSC换流站向系统注入功率为正时，整流站等效为发出功率为负的发电机，逆变站等效为发出功率为正的发电机；

S406，当某个换流站退出运行时，将这个换流站的功率通过交流线路转移到VSC定电压站所连的交流节点。在分析换流站退出运行或参与功率控制引起的潮流转移时，也可以进行路径搜索，简化计算量。

采用本技术方案的有益效果：

本发明对含柔性直流的交直流电网进行等效，使其能适用于潮流转移路径搜索和量化分析，通过潮流转移最短路径搜索，可确定断线故障发生后潮流转移较大的线路，对该线路上的潮流转移情况进行针对性的量化分析；将直流节点等效为发电机节点，进行潮流转移分析，可分析直流换流站闭锁后系统潮流转移分布情况，同时也可分析了直流换流站的功率控制对系统潮流转移的影响。这使得在此基础上，通过实施控制策略控制柔性直流电网输出潮流从而间接控制交流电网的功率分布成为可能。

本发明能有效搜索潮流转移路径并对潮流转移进行量化分析；应用本发明所提方法计算出的潮流与实际结果误差小，适用于离线估算线路潮流转移规律，能满足潮流转移搜索对快速性和准确性的要求。

附图说明

图1为本发明的含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法的流程示意图；

图2为本发明实施例中Floyd算法流程图；

图3为本发明实施例中简化前的含柔性直流的交直流电网系统的拓扑图；

图4为本发明实施例中直流换流站等效为恒功率负荷的交直流系统的拓扑图；

图5为本发明实施例中直流换流站等效为虚拟发电机的交直流系统的拓扑图；

图6为本发明实施例中四端柔性直流电网的拓扑图；

图7为本发明实施例中加入直流电网之后系统网络拓扑分区的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。

在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，包括步骤：

S100，根据系统运行状态简化含柔性直流的交直流电网系统的拓扑；

S200，将系统结构进行预处理，所述预处理过程包括将系统拓扑结构抽象为一个图、将系统分区和根据支路电抗值对各区域每条边赋予权值形成各区域加权邻接矩阵；

S300，利用Floyd算法搜索前k条最短路径；

S400，应用分布系数法及等效发电量转移分布系数法分别分析交流线路断线及换流站功率变化时所搜索出的前k条最短路径中所含支路的潮流转移分布情况。

作为上述实施例的优化方案，在所述步骤S100中，根据系统运行状态简化含柔性直流的交直流电网系统的拓扑，包括步骤：

只计及稳态时，由于交流电网的拓扑和潮流变化对直流电网各端换流站的功率传输无影响，直流电网与交流电网间的交换功率由直流电网各端换流站控制方式决定；因此，在搜索线路N-1故障时的潮流转移路径和计算故障后的新潮流时，将柔性直流换流站当作恒功率负荷处理；在所述拓扑中删去直流换流站节点，同时形成导纳矩阵时无需考虑直流换流站节点和直流线路；图3所示的交直流系统简化为图4所示含恒功率负荷的纯交流系统。

由于直流换流站功率完全可控，直流换流站控制方式及指令值的变化会引起交流系统潮流的转移；在直流电网换流站退出运行或进行功率控制引起的交流系统潮流转移时，将直流换流站等效为虚拟发电机。此时，图3所示的交直流系统简化为图5所示含2台常规发电机和3台虚拟发电机的纯交流系统。

作为上述实施例的优化方案，在所述步骤S200中，将系统结构进行预处理，包括步骤：

S201，将含柔性直流的交直流电网系统的拓扑结构抽象为一个图：对于交流部分，将发电机或母线等效为顶点，线路或变压器等效为边，边的方向即为有功潮流的方向；直流电网等效为负荷，直流换流站节点不出现在图中；

S202，系统分区：采用回溯法及剪枝算法，删除图中无法构成回路的顶点并将寻找到的系统网络中的块作为分区；

S203，根据支路电抗值对各分区区域每条边赋予权值形成各区域加权邻接矩阵。

当系统中某支路开断后，其他支路受潮流转移的影响程度与相对开断支路的电气距离有关，电气距离较远的支路受影响很小；电气距离由回路阻抗值决定，回路阻抗越大时电气距离越远，线路受开断支路潮流转移影响也越小；因此，为提高潮流转移路径的搜索效率，只需考虑潮流转移分布系数较大的前k条最短路径；

作为上述实施例的优化方案，在所述步骤S300中，利用Floyd算法根据潮流转移分布系数搜取前k条最短路径，包括步骤：

确定潮流转移分布系数大的前k条最短路径的k值；

利用Floyd算法搜取前k条最短路径。

所述k值满足原则：

式中：r为某支路开断后潮流转移路径数，L₁为最短路径长度，L_j为第j条最短路径的长度，L_i为第i条最短路径的长度；t_y为设定的长度之比阈值，第i条最短路径的潮流一般不会超过1/t_y，取t_y＝4。

利用Floyd算法来搜取前k条最短路径，包括步骤：

预处理：输入所述拓扑结构图的权值矩阵W；并根据图中的割点对图进行分块得到子图的权值矩阵W1、W2至Wn；然后判断开断线路所属分块，在所属分块中搜索最短路和最短距离；

求最短路：采用Floyd算法求最短路和最短距离，如图2所示；

设目前已求得前j条最短路，针对这j条最短路，在每条路所通过的线路中各断开一条形成一个断开线路组合，设这j条最短路中任意的线路断开形成的断开线路组合有n个；在这n个组合中依次采用Floyd算法搜索最短路，并取最小的一个作为第j+1条最短路；然后求下一条最短路，直到最后求得前k条最短路。

作为上述实施例的优化方案，在所述步骤S400中，基于分布系数法的线路进行有功潮流量化分析，包括步骤：

S401，确定分布系数为：

S402，根据分布系数，求得线路l_ij开断后的线路功率为：

S403，通过发电量转移分布系数，求得任一支路l_mn在某台发电机开断之后的支路潮流增量及其潮流值；

发电量转移分布系数：

根据实时网络结构相对应的A_mn-k，计算任一支路l_mn在某台发电机开断之后的支路潮流增量及其潮流值：P_mn＝P_mn0+ΔP_mn＝P_mn0+A_mn-kΔG_k；

S404，在一台发电机开断后，若还有发电机相继断开，则在一台发电机断开的基础上进一步计算新的潮流值；

由于发电量转移分布系数与网络拓扑结构有关，与开断的发电机台数无关系；当c台发电机同时开断时，潮流值为：

式中，c表示开断的发电机台数，下标r表示开断发电机的编号；

S405，将直流电网换流站等效为发电机后，发电量转移分布系数法应用于含直流电网的交直流系统中；根据发电量转移分布系数定量分析换流站退出运行或进行功率控制引起的交流潮流转移；考虑到直流换流站能够发出功率或吸收功率，定义VSC换流站向系统注入功率为正时，整流站等效为发出功率为负的发电机，逆变站等效为发出功率为正的发电机；

S406，当某个换流站退出运行时，将这个换流站的功率通过交流线路转移到VSC定电压站所连的交流节点。在分析换流站退出运行或参与功率控制引起的潮流转移时，也可以进行路径搜索，简化计算量。

具体实施例：采用嵌入四端柔性直流电网的IEEE39节点交直流系统进行验证，如图6所示。

在原系统中去掉交流线路4-5,5-6,4-14，在节点4,5,6,14处接入换流站，其余系统参数不变，保持系统潮流基本不变。VSC1、VSC2、VSC3、VSC4分别与母线4、5、6、14相连，四端柔性直流电网拓扑结构如图7所示；直流电网参数如表1所示。

表1直流电网参数

按照本发明方法，将直流换流站等效为恒功率负荷，并依据图论进行预处理分区之后的系统模型如图7所示；图中虚线三角区域表示直流电网的连接情况，不参与路径搜索。

(1)交流线路断开时潮流转移搜索：

线路3-18开断之后，搜索潮流转移路径，并计算相应线路的潮流转移分布系数如表2所示。

表2线路3-18开断时潮流转移路径搜索结果

通过表2中的潮流转移分布系数求得的计算潮流与PSASP软件仿真得到的实际潮流的对比情况如表3所示。

表3线路3-18开断时潮流分布情况

从表2的结果可以看出，搜索出的潮流转移最短路径上线路的潮流转移分布系数明显大于次最短路径上线路的潮流转移分布系数，线路3-18断开引起的潮流转移主要通过最短路径上的线路承担。从表3可以看出，采用本文潮流转移量化分析方法求得的新潮流和实际新潮流数值上非常接近，说明本文基于分布系数法的断线潮流转移量化分析算法在交直流电网快速潮流分析中有较高的可信度。

(2)换流站退出运行时潮流转移搜索：

以换流站VSC1退出运行为例对换流站退出引起的潮流转移进行量化分析。换流站VSC1退出运行，相当于需要将通过换流站VSC3到VSC1间的直流线路传输的功率通过交流通道进行转移。以换流站VSC1所连的4号交流节点为始节点，以换流站VSC3所连的6号交流节点为末节点，进行潮流转移前2条最短路径搜索的结果如表4所示。

表4换流站VSC1退出运行时潮流转移路径

根据搜索路径采用等效发电量转移分布系数法计算出换流站VSC1退出运行时前两条最短路径上线路的潮流分布情况，并与PSASP中仿真结果对比，具体数据如表5所示。

表5换流站1退出运行时潮流分布情况

从上表结果可以看出，将VSC换流站等效为发电机进行开断模拟能反应出VSC换流站退出运行时系统的潮流转移情况。计算结果和实际值误差非常小，本发明基于等效发电量转移分布系数法的直流电网潮流转移量化分析方法是可行的。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，其特征在于，包括步骤：

S100，根据系统运行状态简化含柔性直流的交直流电网系统的拓扑；

S200，将系统结构进行预处理，所述预处理过程包括将系统拓扑结构抽象为一个图、将系统分区和根据支路电抗值对各区域每条边赋予权值形成各区域加权邻接矩阵；

S300，利用Floyd算法搜索前k条最短路径；

S400，应用分布系数法及等效发电量转移分布系数法分别分析交流线路断线及换流站功率变化时所搜索出的前k条最短路径中所含支路的潮流转移分布情况。

2.根据权利要求1所述的含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，其特征在于，在所述步骤S100中，根据系统运行状态简化含柔性直流的交直流电网系统的拓扑，包括步骤：

只计及稳态时，交流电网的拓扑和潮流变化对直流电网各端换流站的功率传输无影响，直流电网与交流电网间的交换功率由直流电网各端换流站控制方式决定；在搜索线路N-1故障时的潮流转移路径和计算故障后的新潮流时，将柔性直流换流站当作恒功率负荷处理；在所述拓扑中删去直流换流站节点，同时形成导纳矩阵时无需考虑直流换流站节点和直流线路；

由于直流换流站功率完全可控，直流换流站控制方式及指令值的变化会引起交流系统潮流的转移；在直流电网换流站退出运行或进行功率控制引起的交流系统潮流转移时，将直流换流站等效为虚拟发电机。

3.根据权利要求2所述的含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，其特征在于，在所述步骤S200中，将系统结构进行预处理，包括步骤：

S201，将含柔性直流的交直流电网系统的拓扑结构抽象为一个图：对于交流部分，将发电机或母线等效为顶点，线路或变压器等效为边，边的方向即为有功潮流的方向；直流电网等效为负荷，直流换流站节点不出现在图中；

S202，系统分区：采用回溯法及剪枝算法，删除图中无法构成回路的顶点并将寻找到的系统网络中的块作为分区；

S203，根据支路电抗值对各分区区域每条边赋予权值形成各区域加权邻接矩阵。

4.根据权利要求3所述的含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，其特征在于，在所述步骤S300中，利用Floyd算法根据潮流转移分布系数搜取前k条最短路径，包括步骤：

确定潮流转移分布系数大的前k条最短路径的k值；

利用Floyd算法搜取前k条最短路径。

5.根据权利要求4所述的含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，其特征在于，所述k值满足原则：

式中：r为某支路开断后潮流转移路径数，L₁为最短路径长度，L_j为第j条最短路径的长度，L_i为第i条最短路径的长度；t_y为设定的长度之比阈值，第i条最短路径的潮流一般不会超过1/t_y，取t_y＝4。

6.根据权利要求5所述的含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，其特征在于，利用Floyd算法来搜取前k条最短路径，包括步骤：

预处理：输入所述拓扑结构图的权值矩阵W；并根据图中的割点对图进行分块得到子图的权值矩阵W1、W2至Wn；然后判断开断线路所属分块，在所属分块中搜索最短路和最短距离；

求最短路：采用Floyd算法求最短路和最短距离；

设目前已求得前j条最短路，针对这j条最短路，在每条路所通过的线路中各断开一条形成一个断开线路组合，设这j条最短路中任意的线路断开形成的断开线路组合有n个；在这n个组合中依次采用Floyd算法搜索最短路，并取最小的一个作为第j+1条最短路；然后求下一条最短路，直到最后求得前k条最短路。

7.根据权利要求6所述的含柔性直流的交直流系统潮流转移搜索与量化分析方法，其特征在于，在所述步骤S400中，基于分布系数法的线路进行有功潮流量化分析，包括步骤：

S401，确定分布系数为：

S402，根据分布系数，求得线路l_ij开断后的线路功率为：

S403，通过发电量转移分布系数，求得任一支路l_mn在某台发电机开断之后的支路潮流增量及其潮流值；

发电量转移分布系数：

根据实时网络结构相对应的A_mn-k，计算任一支路l_mn在某台发电机开断之后的支路潮流增量及其潮流值：P_mn＝P_mn0+ΔP_mn＝P_mn0+A_mn-kΔG_k；

S404，在一台发电机开断后，若还有发电机相继断开，则在一台发电机断开的基础上进一步计算新的潮流值；

当c台发电机同时开断时，潮流值为：

式中，c表示开断的发电机台数，下标r表示开断发电机的编号；

S405，将直流电网换流站等效为发电机后，发电量转移分布系数法应用于含直流电网的交直流系统中；根据发电量转移分布系数定量分析换流站退出运行或进行功率控制引起的交流潮流转移；考虑到直流换流站能够发出功率或吸收功率，定义VSC换流站向系统注入功率为正时，整流站等效为发出功率为负的发电机，逆变站等效为发出功率为正的发电机；

S406，当某个换流站退出运行时，将这个换流站的功率通过交流线路转移到VSC定电压站所连的交流节点。