CN109449934A - 一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法 - Google Patents

一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法 Download PDF

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CN109449934A CN201811503747.3A CN201811503747A CN109449934A CN 109449934 A CN109449934 A CN 109449934A CN 201811503747 A CN201811503747 A CN 201811503747A CN 109449934 A CN109449934 A CN 109449934A
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刘友波
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朱承志
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State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,包括如下步骤:S1、采集城市高压配电网和输电网信息,并对交流节点进行编号;S2、构建上层输电网阻塞管控优化模型,并根据其获取各区域高压配电网最优转移容量;S3、将各区域高压配电网最优转移容量作为约束,构建下层区域高压配电网重构模型,并根据其获取各区域高压配电网最优拓扑状态;S4、根据各区域高压配电网最优拓扑状态,计算输电网中交流节点的有功负荷;S5、判断输电网是否还有阻塞状态,若是则返回步骤S2,否则结束方法;本发明解决了现有技术存在的传统决策方式难以在高维决策空间中找到切实有效的决策方案,导致城市电网的安全运行存在威胁的问题。

Description

一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法
技术领域
本发明属于电力系统自动化技术领域,具体涉及一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法。
背景技术
当今社会中,电能已成为现代生活中不可或缺的一部分。许多发展中国家均在电力行业投入大量的人力物力以提高国民生活水平。在我国,220kV输电网已逐渐深入到城市负荷中心并初具规模,形成城市电网的骨干网架,并由城市外围的500kV变电站供电,外来电比例占据较大的规模。此外,其下游网络110kV高压配电网,承担着连接输电网及中压配电网的作用,形成输电网—高压配电网—中压配电网的网架格局。然而随着近年来城市负荷的快速增长,特别是电动汽车等这类移动负荷的大量接入,导致负荷分布极度不均,运行期间极易造成输电网局部阻塞,影响电网运行安全。为解决输电阻塞问题,调度员通常利用高压配电网重构实现潮流的大范围转移,腾挪供电空间,尽量减少高峰期间的负荷损失。
高压配电网在网络拓扑、电气特性、元件设备等方面有着自身鲜明特点:一方面,城市高压配电网拥有大量类似于输电网的电气元件,如大容量变压器、远距离输电导线;另一方面,高压配电网的结构呈辐射状,但相较于中压配电网,负荷更聚集,骨干拓扑更清晰,但受制于电源节点(220kV变电站)、110kV主供、备用线路的切换以及变电站站内结构调整及站间多条备供路径,导致运行方式调整时(如负荷转供)组合控制方案极为多样化。
在面对规模日益增长的城市电网运行方式调整时,传统的依靠人为经验的决策方式难以在高维决策空间中找到切实有效的决策方案,甚至威胁到城市电网的安全运行。因此有必要构建城市高压配电网快速重构模型,帮助调度员在海量决策空间中找到最优转移路径,快速消除输电网阻塞。
发明内容
针对现有技术中的上述不足,本发明公开了一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,帮助调度员在海量决策空间中找到最优转移路径,快速消除输电网阻塞,用于解决现有技术存在的传统决策方式难以在高维决策空间中找到切实有效的决策方案,导致城市电网的安全运行存在威胁的问题。
为了达到上述发明目的,本发明采用的技术方案为:
一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,包括如下步骤:
S1:采集城市高压配电网和输电网的拓扑信息、交流节点信息、电力信息以及配电网的分区信息,并对高压配电网和输电网的交流节点进行编号;
S2:根据采集的拓扑信息、交流节点信息、电力信息、配电网的分区信息以及交流节点编号,构建上层输电网阻塞管控优化模型,并根据其获取各区域高压配电网最优转移容量;
S3:将各区域高压配电网最优转移容量作为约束,构建下层区域高压配电网重构模型,并根据其获取各区域高压配电网最优拓扑状态;
各区域高压配电网最优拓扑状态为下层区域高压配电网重构模型求得的交流节点构成的交流线路中的功率方向,为0-1的状态变量;
S4:根据各区域高压配电网最优拓扑状态,计算输电网中交流节点的有功负荷;
S5:根据步骤S4得到的输电网中交流节点的有功负荷,判断输电网是否还有阻塞状态,若是则返回步骤S2,否则结束方法。
进一步地,步骤S1中,拓扑信息包括高压配电网和输电网拓扑结构,以及交流节点组成的交流线路;交流节点信息包括交流节点与相邻交流节点连接关系,交流节点的相角及其相角上下限;电力信息包括交流线路的导纳和有功功率及其有功功率上下限,以及交流节点相连的发电机发出的有功功率。
进一步地,步骤S2中,上层输电网阻塞管控优化模型的目标函数为:
式中,F为上层输电网阻塞管控优化模型的目标函数;为交流节点i和k构成的交流线路i-k中有功功率的转移容量;cm为区域m高压配电网切负荷量;λ表示惩罚因子;i、k均为交流节点编号;为输电网交流节点编号集合;表示与节点i相连的高压配电网节点编号集合;m为配电网分区编号;NR为区域高压配电网的个数;
上层输电网阻塞管控优化模型,其约束条件包括区域高压配电网转移容量约束、切负荷约束、潮流约束以及线路有功功率及节点相角的上下限约束。
进一步地,区域高压配电网转移容量约束的公式为:
式中,为交流节点i和k构成的交流线路i-k中传输的有功功率;pi,k,min、pi,k,max为交流节点i和k构成的交流线路i-k中传输的有功功率上、下限;为与节点k相连的输电网节点编号集合;为第m个区域高压配电网节点编号集合;
切负荷约束的公式为:
0≤cm≤cm,max,m∈NR
式中,cm,max表示m区域高压配电网切负荷上限;
潮流约束的公式为:
式中,为输电网中交流节点i的有功功率;为与交流节点i相连的发电机发出的有功功率;pi,j为交流节点i和j构成的交流线路i-j中传输的有功功率;为与交流节点i相连的输电网交流节点编号集合;bi,j为交流节点i和j构成的交流线路i-j的导纳;θi、θj为交流节点i、j的相角;
线路有功功率及节点相角的上下限约束的公式为:
式中,pi,j,min、pi,j,max为交流节点i和j构成的交流线路i-j中传输的有功功率上、下限;θi,min、θi,max表示交流节点i相角的上、下限。
进一步地,步骤S4中,输电网中交流节点的有功功率的计算公式为:
式中,为与交流节点i相连的高压配电网节点编号集合。
进一步地,步骤S3中,下层区域高压配电网重构模型的目标函数为:
式中,fm为下层区域高压配电网重构模型的目标函数;为高压配电网中交流节点k有功负荷切除量;cm为上层输电网阻塞管控优化模型求解得到的区域m高压配电网切负荷量;为区域m高压配电网交流节点的编号集合;
下层区域高压配电网重构模型,其约束条件包括潮流约束、辐射状运行约束以及状态变量的上、下限约束。
进一步地,潮流约束的公式为:
式中,为高压配电网中交流节点k的有功负荷;分别为高压配电网中交流节点k的无功负荷和补偿量;pi,k、Ii,k、ri,k、qi,k、xi,k分别为交流节点i和k构成的交流线路i-k中的有功功率、电流幅值的平方、线路阻抗、无功功率以及线路电抗;pn,k、In,k、rn,k、qn,k、xn,k分别为交流节点n和k构成的交流线路n-k中的有功功率、电流幅值的平方、线路阻抗、无功功率以及线路电抗;为与交流节点k相连的高压配电网节点编号集合;pk,l、qk,l分别为交流节点n和l构成的交流线路n-l中的有功功率和无功功率;k、n、l均为高压配电网节点编号;i为输电网交流节点编号;
式中,vi、vk分别为节点i、k的电压幅值的平方;M为常数;zi,k为交流节点i和k构成的交流线路i-k中的功率方向;
式中,vn为节点n的电压幅值的平方;zn,k为交流节点n和k构成的交流线路n-k中的功率方向;
辐射状运行约束的计算公式为:
状态变量的上、下限约束的公式为:
式中,为上层输电网阻塞管控优化模型求解得到的交流线路i-k中有功功率的转移容量;为转移后交流线路i-k有功功率的最大值;pn,k,max、In,k,max为交流线路n-k有功功率最大值及电流幅值的平方最大值。
进一步地,步骤S5中,判断输电网是否还有阻塞状态,即判断输电网中交流节点的有功负荷是否属于线路有功功率约束范围内,即判断公式为:
若属于线路有功功率约束范围内,即输出输电网没有阻塞状态;
否则输出输电网存在阻塞状态。
本发明的有益效果为:
本发明提供了一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,帮助调度员在海量决策空间中找到最优转移路径,快速消除输电网阻塞,保证城市电网的安全运行,解决了现有技术存在的传统决策方式难以在高维决策空间中找到切实有效的决策方案,导致城市电网的安全运行存在威胁的问题。
附图说明
图1为基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法流程图;
图2为输电网简化拓扑示意图;
图3为区域高压配电网简化拓扑示意图;
图4为实施例城市高压配电网拓扑结构图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,如图1所示,包括如下步骤:
S1:采集城市高压配电网和输电网的拓扑信息、交流节点信息、电力信息以及配电网的分区信息,并对高压配电网和输电网的交流节点进行编号;
拓扑信息包括如图2和图3所示的高压配电网和输电网拓扑结构,以及交流节点组成的交流线路;交流节点信息包括交流节点与相邻交流节点连接关系,交流节点的相角及其相角上下限;电力信息包括交流线路的导纳和有功功率及其有功功率上下限,以及交流节点相连的发电机发出的有功功率;
S2:根据采集的拓扑信息、交流节点信息、电力信息、配电网的分区信息以及交流节点编号,构建上层输电网阻塞管控优化模型,并根据其获取各区域高压配电网最优转移容量;
上层输电网阻塞管控优化模型的目标函数为:
式中,F为上层输电网阻塞管控优化模型的目标函数;为交流节点i和k构成的交流线路i-k中有功功率的转移容量;cm为区域m高压配电网切负荷量;λ表示惩罚因子,避免过早切负荷,本实施例中取10000;i、k均为交流节点编号;为输电网交流节点编号集合, 表示与节点i相连的高压配电网节点编号集合,例如当i=T1,m为配电网分区编号;NR为区域高压配电网的个数,本实施例中NR=4;
上层输电网阻塞管控优化模型,其约束条件包括区域高压配电网转移容量约束、切负荷约束、潮流约束以及线路有功功率及节点相角的上下限约束;
区域高压配电网转移容量约束的公式为:
式中,为交流节点i和k构成的交流线路i-k中传输的有功功率;pi,k,min、pi,k,max为交流节点i和k构成的交流线路i-k中传输的有功功率上、下限;为与节点k相连的输电网节点编号集合;为第m个区域高压配电网节点编号集合,例如当m=1,k=H1、H2时,
切负荷约束的公式为:
0≤cm≤cm,max,m∈NR
式中,cm,max表示m区域高压配电网切负荷上限;
潮流约束的公式为:
式中,为输电网中交流节点i的有功功率;为与交流节点i相连的发电机发出的有功功率;pi,j为交流节点i和j构成的交流线路i-j中传输的有功功率;为与交流节点i相连的输电网交流节点编号集合,即当i=T1,bi,j为交流节点i和j构成的交流线路i-j的导纳;θi、θj为交流节点i、j的相角;
线路有功功率及节点相角的上下限约束的公式为:
式中,pi,j,min、pi,j,max为交流节点i和j构成的交流线路i-j中传输的有功功率上、下限;θi,min、θi,max表示交流节点i相角的上、下限;
本实施例中,采用商用优化软件CPLEX、GUROBI对上层输电网阻塞管控优化模型进行高效求解,得到各区域高压配电网最优转移容量以及切负荷量
S3:将各区域高压配电网最优转移容量作为约束,构建下层区域高压配电网重构模型,并根据其获取各区域高压配电网最优拓扑状态;
下层区域高压配电网重构模型的目标函数为:
式中,fm为下层区域高压配电网重构模型的目标函数;为高压配电网中交流节点k有功负荷切除量;cm为上层输电网阻塞管控优化模型求解得到的区域m高压配电网切负荷量;为区域m高压配电网交流节点的编号集合,以图2中区域1为例,有
下层区域高压配电网重构模型,其约束条件包括潮流约束、辐射状运行约束以及状态变量的上、下限约束;
潮流约束的公式为:
式中,为高压配电网中交流节点k的有功负荷;分别为高压配电网中交流节点k的无功负荷和补偿量;pi,k、Ii,k、ri,k、qi,k、xi,k分别为交流节点i和k构成的交流线路i-k中的有功功率、电流幅值的平方、线路阻抗、无功功率以及线路电抗;pn,k、In,k、rn,k、qn,k、xn,k分别为交流节点n和k构成的交流线路n-k中的有功功率、电流幅值的平方、线路阻抗、无功功率以及线路电抗;为与交流节点k相连的高压配电网节点编号集合,以图2所示区域1为例,当k=H1,m=1时,有pk,l、qk,l分别为交流节点n和l构成的交流线路n-l中的有功功率和无功功率;k、n、l均为高压配电网节点编号;i为输电网交流节点编号;
式中,vi、vk分别为节点i、k的电压幅值的平方;M为常数,本实施例中取999999999;zi,k为交流节点i和k构成的交流线路i-k中的功率方向,若功率从节点i流向节点k,则有zi,k=1,否则zi,k=0;
式中,vn为节点n的电压幅值的平方;zn,k为交流节点n和k构成的交流线路n-k中的功率方向;
辐射状运行约束的计算公式为:
状态变量的上、下限约束的公式为:
式中,为上层输电网阻塞管控优化模型求解得到的交流线路i-k中有功功率的转移容量;为转移后交流线路i-k有功功率的最大值;pn,k,max、In,k,max为交流线路n-k有功功率最大值及电流幅值的平方最大值;
各区域高压配电网最优拓扑状态为下层区域高压配电网重构模型求得的交流节点构成的交流线路中的功率方向,为0-1的状态变量,包括zi,k和zn,k
zi,k为交流节点i和k构成的交流线路i-k中的功率方向,若功率从节点i流向节点k,则有zi,k=1,否则zi,k=0;
zn,k为交流节点n和k构成的交流线路n-k中的功率方向;若功率从节点n流向节点k,则有zn,k=1,否则zn,k=0;
S4:根据各区域高压配电网最优拓扑状态,计算输电网中交流节点的有功负荷;
输电网中交流节点的有功功率的计算公式为:
式中,为与交流节点i相连的高压配电网节点编号集合;为上层输电网阻塞管控优化模型求解得到的交流线路i-k中有功功率的转移容量,由各区域高压配电网最优拓扑状态决定;
S5:根据步骤S4得到的输电网中交流节点的有功负荷,判断输电网是否还有阻塞状态,若是则返回步骤S2,否则结束方法;
判断输电网是否还有阻塞状态,即判断输电网中交流节点的有功负荷是否属于线路有功功率约束范围内,即判断公式为:
若属于线路有功功率约束范围内,即输出输电网没有阻塞状态;
否则输出输电网存在阻塞状态。
实验数据分析:以某城市高压配电网为例,其拓扑结构如图4所示;
图中Bi(i=1,2,…,29)表示输电网中的变电站,SUj,k(j=1,2,…,86;k=1,2,…,44),表示高压配电网变电站,第一个角标表示变电站的编号,第二个角标表示该变电站所在的区域,其中输电网的初始状态如表3所示:
表3
由表中数据可知在初始工况下,线路B1-B2,B8-B15,B10-B11,B11-B14,B13-B16负载率大于90%,线路发生阻塞,利用本文所述方法进行区域高压配电网负荷转移,将线路负载率控制在90%以下,得到优化后的输电线路负载率如表4所示:
表4
由表中计算结果可知经过高压配电网负荷转供之后,所有的输电线路负载率均控制在90%以内,负荷损失为0MW,总的计算时间为14.1099s,满足在线计算的要求。
本发明的有益效果为:
本发明提供了一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,帮助调度员在海量决策空间中找到最优转移路径,快速消除输电网阻塞,保证城市电网的安全运行,解决了现有技术存在的传统决策方式难以在高维决策空间中找到切实有效的决策方案,导致城市电网的安全运行存在威胁的问题。

Claims (8)

1.一种基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1:采集城市高压配电网和输电网的拓扑信息、交流节点信息、电力信息以及配电网的分区信息,并对高压配电网和输电网的交流节点进行编号;
S2:根据采集的拓扑信息、交流节点信息、电力信息、配电网的分区信息以及交流节点编号,构建上层输电网阻塞管控优化模型,并根据其获取各区域高压配电网最优转移容量;
S3:将各区域高压配电网最优转移容量作为约束,构建下层区域高压配电网重构模型,并根据其获取各区域高压配电网最优拓扑状态;
所述各区域高压配电网最优拓扑状态为下层区域高压配电网重构模型求得的交流节点构成的交流线路中的功率方向,为0-1的状态变量;
S4:根据各区域高压配电网最优拓扑状态,计算输电网中交流节点的有功负荷;
S5:根据步骤S4得到的输电网中交流节点的有功负荷,判断输电网是否还有阻塞状态,若是则返回步骤S2,否则结束方法。
2.根据权利要求1所述的基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,其特征在于,所述步骤S1中,所述拓扑信息包括高压配电网和输电网拓扑结构,以及交流节点组成的交流线路;所述交流节点信息包括交流节点与相邻交流节点连接关系,交流节点的相角及其相角上下限;所述电力信息包括交流线路的导纳和有功功率及其有功功率上下限,以及交流节点相连的发电机发出的有功功率。
3.根据权利要求2所述的基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,其特征在于,所述步骤S2中,上层输电网阻塞管控优化模型的目标函数为:
式中,F为上层输电网阻塞管控优化模型的目标函数;为交流节点i和k构成的交流线路i-k中有功功率的转移容量;cm为区域m高压配电网切负荷量;λ表示惩罚因子;i、k均为交流节点编号;为输电网交流节点编号集合;表示与节点i相连的高压配电网节点编号集合;m为配电网分区编号;NR为区域高压配电网的个数;
上层输电网阻塞管控优化模型,其约束条件包括区域高压配电网转移容量约束、切负荷约束、潮流约束以及线路有功功率及节点相角的上下限约束。
4.根据权利要求3所述的基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,其特征在于,区域高压配电网转移容量约束的公式为:
式中,为交流节点i和k构成的交流线路i-k中传输的有功功率;pi,k,min、pi,k,max为交流节点i和k构成的交流线路i-k中传输的有功功率上、下限;为与节点k相连的输电网节点编号集合;为第m个区域高压配电网节点编号集合;
切负荷约束的公式为:
0≤cm≤cm,max,m∈NR
式中,cm,max表示m区域高压配电网切负荷上限;
潮流约束的公式为:
式中,为输电网中交流节点i的有功功率;为与交流节点i相连的发电机发出的有功功率;pi,j为交流节点i和j构成的交流线路i-j中传输的有功功率;为与交流节点i相连的输电网交流节点编号集合;bi,j为交流节点i和j构成的交流线路i-j的导纳;θi、θj为交流节点i、j的相角;
线路有功功率及节点相角的上下限约束的公式为:
式中,pi,j,min、pi,j,max为交流节点i和j构成的交流线路i-j中传输的有功功率上、下限;θi,min、θi,max表示交流节点i相角的上、下限。
5.根据权利要求4所述的基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,其特征在于,所述步骤S4中,输电网中交流节点的有功功率的计算公式为:
式中,为与交流节点i相连的高压配电网节点编号集合。
6.根据权利要求5所述的基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,其特征在于,所述步骤S3中,下层区域高压配电网重构模型的目标函数为:
式中,fm为下层区域高压配电网重构模型的目标函数;为高压配电网中交流节点k有功负荷切除量;cm为上层输电网阻塞管控优化模型求解得到的区域m高压配电网切负荷量;为区域m高压配电网交流节点的编号集合;
下层区域高压配电网重构模型,其约束条件包括潮流约束、辐射状运行约束以及状态变量的上、下限约束。
7.根据权利要求6所述的基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,其特征在于,潮流约束的公式为:
式中,为高压配电网中交流节点k的有功负荷;分别为高压配电网中交流节点k的无功负荷和补偿量;pi,k、Ii,k、ri,k、qi,k、xi,k分别为交流节点i和k构成的交流线路i-k中的有功功率、电流幅值的平方、线路阻抗、无功功率以及线路电抗;pn,k、In,k、rn,k、qn,k、xn,k分别为交流节点n和k构成的交流线路n-k中的有功功率、电流幅值的平方、线路阻抗、无功功率以及线路电抗;为与交流节点k相连的高压配电网节点编号集合;pk,l、qk,l分别为交流节点n和l构成的交流线路n-l中的有功功率和无功功率;k、n、l均为高压配电网节点编号;i为输电网交流节点编号;
式中,vi、vk分别为节点i、k的电压幅值的平方;M为常数;zi,k为交流节点i和k构成的交流线路i-k中的功率方向;
式中,vn为节点n的电压幅值的平方;zn,k为交流节点n和k构成的交流线路n-k中的功率方向;
辐射状运行约束的计算公式为:
状态变量的上、下限约束的公式为:
式中,为上层输电网阻塞管控优化模型求解得到的交流线路i-k中有功功率的转移容量;为转移后交流线路i-k有功功率的最大值;pn,k,max、In,k,max为交流线路n-k有功功率最大值及电流幅值的平方最大值。
8.根据权利要求7所述的基于高压配电网分区重构的输电网阻塞管控方法,其特征在于,所述步骤S5中,判断输电网是否还有阻塞状态,即判断输电网中交流节点的有功负荷是否属于线路有功功率约束范围内,即判断公式为:
若属于线路有功功率约束范围内,即输出输电网没有阻塞状态;
否则输出输电网存在阻塞状态。
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