CN109546657A - 一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法及系统 - Google Patents

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CN109546657A CN201811428475.5A CN201811428475A CN109546657A CN 109546657 A CN109546657 A CN 109546657A CN 201811428475 A CN201811428475 A CN 201811428475A CN 109546657 A CN109546657 A CN 109546657A
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杜磊
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陈建华
黄华
金涛
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Abstract

本发明公开了一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法，包括，1)采用谱聚类方法对特高压直流近区电网节点进行谱聚类分区；2)在分区内筛选出不满足无功平衡的负荷节点，将不满足无功平衡的负荷节点位置作为约束，增广至谱聚类模型中，重新进行特高压直流近区电网节点谱聚类分区；3)迭代步骤2的过程，直到分区内的负荷节点均满足无功平衡。同时也公开了相应的系统。本发明在AVC系统中实现了特高压直流近区电压无功控制分区，能保证特高压直流近区控制分区内无功分区平衡。

Description

一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法及系统
技术领域
本发明涉及一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法及系统，属于电力系统运行与控制技术领域。
背景技术
围绕清洁能源开发布局，我国大力发展适应于远距离、大容量的特高压直流输电技术，截至2017年底特高压运行规模已经达到“八交十直”，合理控制电压水平是防止特高压连续换相失败、保证电网安全性的重要手段，然而直流的馈入恶化了系统电压调节能力，电压支撑能力下降，特别是当直流通道故障，受端极有可能面临直流连续换相失败或者电压崩溃风险。
分级电压控制目前广泛应用于国内外电力系统，二级电压控制是其核心环节，而控制分区划分是二级控制的前提，传统意义上，控制分区的划分采用“软分区”方式，自适应的反映网络的结构对控制的影响，分区内弱耦合、区间强耦合是静态约束，然而随着特高压直流规模的增加，控制分区的划分面临着诸多问题，尤其是分区内无功平衡困难，具体表现在以下方面：
受端电网内部机组出力需求减小，同时叠加受端电网调峰因素，大量本地火电机组关停，分区内运行方式呈现“强馈入弱开机”常态；
分区内受端电网电缆化率较高，充电功率大，年峰谷差及日峰谷差均较大；
换流站倒送大量无功，如上海电网2016年直流小方式下复奉、林枫、宜华注入上海电网的无功功率高达1208Mvar；
直流落点不均，受端不同分区无功盈余差别大，如上海电网西部地区由于没有电源接入，直流落点相对密集，容性和感性无功均存在较大的缺口；东部地区容性和感性无功基本平衡；北部和南部地区的容性与感性无功均存在一定盈余。
以“软分区”为代表的分区方法前提是分区内无功平衡性能得到保证，然而当前受端电网在拓扑上虽可形成弱耦合分区，但分区无功平衡困难，可控性差，整体协调性能和动态无功储备下降，且一旦直流输送功率变化将导致分区结构的变化。
电压无功控制分区是电力系统电压无功控制的重要环节，其目的是尽可能的保证无功就地平衡，提高计算效率。
经过检索，在国内尚没有在特高压直流近区的电压无功控制分区技术。
发明内容
本发明提供了一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法及系统，实现了特高压直流近区电压无功控制分区的划分。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法，包括，
1)采用谱聚类方法对特高压直流近区电网节点进行谱聚类分区；
2)在分区内筛选出不满足无功平衡的负荷节点，将不满足无功平衡的负荷节点位置作为约束，增广至谱聚类模型中，重新进行特高压直流近区电网节点谱聚类分区；
3)迭代步骤2的过程，直到分区内的负荷节点均满足无功平衡。
谱聚类分区采用的模型为，
min X′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2…xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重。
特高压直流近区电网节点还包括机组节点，若某一负荷节点的无功需求大于所在分区内所有机组节点的无功之和，则该负荷节点不满足无功平衡。
先对分区内的负荷节点无功需求进行从大到小排序，然后筛选出不满足无功平衡的负荷节点。
增广后的谱聚类模型为，
min X′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2…xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重，Θ为不满足无功平衡的负荷节点集合，为谱聚类分区得到的最优解X0中对集合Θ中元素m取反的结果，为增广后的谱聚类模型中对求解变量X中m对应的值。
一种特高压直流近区电压无功控制分区确定系统，包括
谱聚类分区模块：采用谱聚类方法对特高压直流近区电网节点进行谱聚类分区；
子问题模块：在分区内筛选出不满足无功平衡的负荷节点，将不满足无功平衡的负荷节点位置作为约束，增广至谱聚类模型中，重新进行特高压直流近区电网节点谱聚类分区；
迭代模块：迭代子问题模块的过程，直到分区内的负荷节点均满足无功平衡。
谱聚类分区模块采用的谱聚类模型为，
min X′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2…xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重。
特高压直流近区电网节点还包括机组节点，子问题模块包括负荷节点筛选模块，
负荷节点筛选模块：若某一负荷节点的无功需求大于所在分区内所有机组节点的无功之和，则该负荷节点不满足无功平衡。
子问题模块包括排序模块，先对分区内的负荷节点无功需求进行从大到小排序，然后筛选出不满足无功平衡的负荷节点。
子问题模块中增广后的谱聚类模型为，
min X′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2…xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重，Θ为不满足无功平衡的负荷节点集合，为谱聚类分区得到的最优解X0中对集合Θ中元素m取反的结果，为增广后的谱聚类模型中对求解变量X中m对应的值。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行特高压直流近区电压无功控制分区确定方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行特高压直流近区电压无功控制分区确定方法的指令。
本发明所达到的有益效果：本发明在AVC系统中实现了特高压直流近区电压无功控制分区，能保证特高压直流近区控制分区内无功分区平衡。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法，过程如下：
1)将特高压直流近区的电网结构以及负荷、发电机无功出力输入AVC系统，采用谱聚类方法对特高压直流近区电网节点进行谱聚类分区；特高压直流近区电网节点包括负荷节点和机组节点。
2)在分区内筛选出不满足无功平衡的负荷节点，将不满足无功平衡的负荷节点位置作为约束，增广至谱聚类模型中，重新进行特高压直流近区电网节点分区。
3)迭代步骤2的过程，直到分区内的负荷节点均满足无功平衡。
详细的步骤如下：
步骤1，求特高压直流近区电网的电压-无功灵敏度，形成灵敏度矩阵S。
特高压直流近区电网节点包括负荷节点和机组节点，对于特高压直流近区电网的节点间的相似度用电压-无功灵敏度衡量(这里的灵敏度矩阵是全网的灵敏度，就是说机组无功-负荷电压，机组电压-负荷无功这两个都需要计算)，整个特高压直流近区电网的相似程度用灵敏度矩阵S表示，这里S∈RN×N，其中N为特高压直流近区电网的节点数,R为全体实数集。
步骤2，计算特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵；
L＝D-S
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，D为特高压直流近区电网的广义度矩阵，D是以S每行非对角元矩阵元素之和形成的对角阵。
步骤3，求解谱聚类模型(即求解谱聚类问题)，得到最优解X0。
电压无功控制分区的确定目的是将节点分为多个类，使得每一数据样本属于且仅属于某一类，类内节点强耦合，类间节点弱耦合。
在类内节点强耦合，类间节点弱耦合的要求可以通过如下形式描述：
min X′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2…xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重，设电网被分成了M＞0个分区，且节点第i个节点对应的xi属于第m个分区，则向量x中第i个节点对应行的值为1，即
由于xi＝{0,1}的存在，上述问题是一个0-1二次规划，求解困难，为了克服这个短缺，这里进一步松弛式上述连续优化问题，加快求解速度，得到谱聚类模型为：
min X′LX
s.t.||X||2≤N
该模型中变量含义同上。
步骤4，对X0进行聚类，即可得到谱聚类分区结果。
上述步骤1～4为具体的谱聚类分区过程，谱聚类分区只是从网络连接结构上确定了分区组成，但特高压直流近区电网无功源和负荷分布不均，无功平衡困难，需要使无功平衡成为硬约束，目前的无功平衡多指典型运行方式下无功源与负荷无功之间的平衡度，但对特高压受端电网，大量受入外来电力，内部机组出力需求减小，许多机组甚至关停，可见不考虑机组有功出力的无功平衡评估无法反映受端机组出力直流馈入功率的变化情况。
除此之外，直流馈入功率变化时，上下层电网无功潮流呈现完成不同的态势，不同馈入功率，机组出力情况大不一样，无功的平衡程度也是动态变化的。为此，这里可用长时间尺度的平均功率因数来评价受端无功平衡程度。受端无功平衡主要考虑以下两部分：a、受端机组无功出力QG；b、交直流换流站无功交换值QC。
在上述基础上可以得到受端电网机组长时间尺度的平均功率因数即：
其中，PG为机组有功出力，为均值算子。
在0.9(迟相)～0.98(迟相)时，表明系统在长时间尺度上无功平衡情况较好,即使特高压直流功率发生变化，向上、向下调整的裕度都较大，运行控制灵活方便。
需要注意的是，上述无功平衡评估忽略了SVC以及容抗器等无功源，这隐含着受端电网不需要大范围、远距离地通过SVC以及容抗器进行无功平衡。
而在无功平衡评估中考虑机组有功出力PG，直接反映了特高压馈入功率变化时，受端源-荷平衡以及调峰等因素。
为了保证无功平衡特性，分区内功率因数需要满足在后面重新分区需要考虑该约束，由于特高压近区电网无功源不足，为此，首先固定谱聚类分区确定的分区内的机组节点，并通过调整负荷节点的分组保证分区内电压无功平衡，具体如步骤5～8。
步骤5，对分区内的负荷节点无功需求进行从大到小排序。
谱聚类分区后，如分区i′的结果为其中，gi′1,gi′2,…,gi′G为G个机组节点，ni′1,ni′2,…,ni′K为K个负荷节点。
固定G个机组节点，对K个负荷节点的无功需求进行从大到小排序。
步骤6，在分区内筛选出不满足无功平衡的负荷节点。
若某一负荷节点的无功大于所在分区内所有机组节点的无功之和，则该负荷节点不满足无功平衡。
步骤7，将不满足无功平衡的负荷节点位置作为约束，形成无功平衡子约束，增广至谱聚类模型中，重新进行特高压直流近区电网节点分区。
增广后的谱聚类模型为，
min X′LX
s.t.||X||2≤N
其中，Θ为不满足无功平衡的负荷节点集合，为谱聚类分区得到的最优解X0中对集合Θ中元素m取反的结果，为增广后的谱聚类模型中对求解变量X中m对应的值。
步骤8，重复步骤5～7，直到分区内的负荷节点均满足无功平衡，此时，则特高压直流近区的控制分区即为最终分区结果。
一种特高压直流近区电压无功控制分区确定系统，包括：
谱聚类分区模块：采用谱聚类方法对特高压直流近区电网节点进行谱聚类分区；特高压直流近区电网节点包括负荷节点和机组节点。
谱聚类分区模块采用的谱聚类模型为，
min X′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2…xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重。
子问题模块：在分区内筛选出不满足无功平衡的负荷节点，将不满足无功平衡的负荷节点位置作为约束，增广至谱聚类模型中，重新进行特高压直流近区电网节点谱聚类分区。
子问题模块包括负荷节点筛选模块，负荷节点筛选模块：若某一负荷节点的无功需求大于所在分区内所有机组节点的无功之和，则该负荷节点不满足无功平衡。
子问题模块包括排序模块，先对分区内的负荷节点无功需求进行从大到小排序，然后筛选出不满足无功平衡的负荷节点。
子问题模块中增广后的谱聚类模型为：
min X′LX
s.t.||X||2≤N
其中，Θ为不满足无功平衡的负荷节点集合，为谱聚类分区得到的最优解X0中对集合Θ中元素m取反的结果，为增广后的谱聚类模型中对求解变量X中m对应的值。
迭代模块：迭代子问题模块的过程，直到分区内的负荷节点均满足无功平衡。
本发明可方便嵌入至电网调度中心的自动电压控制系(AVC)中(由于AVC系统是现有成熟技术，此处不再赘述)，将特高压直流近区的电网的拓扑图以及负荷、发电机节点的无功信息输入AVC系统，通过分区方法将特高压近区分成若干个控制分区，这些分区内部强耦合，分区间弱耦合，同时分区满足无功平衡的约束，从而实现了特高压直流近区电压无功控制分区的划分。
一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行特高压直流近区电压无功控制分区确定方法。
一种计算设备，包括一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行特高压直流近区电压无功控制分区确定方法的指令。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。

Claims (12)

1.一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法，其特征在于：包括，
1)采用谱聚类方法对特高压直流近区电网节点进行谱聚类分区；
2)在分区内筛选出不满足无功平衡的负荷节点，将不满足无功平衡的负荷节点位置作为约束，增广至谱聚类模型中，重新进行特高压直流近区电网节点谱聚类分区；
3)迭代步骤2的过程，直到分区内的负荷节点均满足无功平衡。
2.根据权利要求1所述的一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法，其特征在于：谱聚类分区采用的模型为，
minX′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2 … xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重。
3.根据权利要求1所述的一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法，其特征在于：特高压直流近区电网节点还包括机组节点，若某一负荷节点的无功需求大于所在分区内所有机组节点的无功之和，则该负荷节点不满足无功平衡。
4.根据权利要求1所述的一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法，其特征在于：先对分区内的负荷节点无功需求进行从大到小排序，然后筛选出不满足无功平衡的负荷节点。
5.根据权利要求1所述的一种特高压直流近区电压无功控制分区确定方法，其特征在于：增广后的谱聚类模型为，
minX′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2 … xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重，Θ为不满足无功平衡的负荷节点集合，为谱聚类分区得到的最优解X0中对集合Θ中元素m取反的结果，为增广后的谱聚类模型中对求解变量X中m对应的值。
6.一种特高压直流近区电压无功控制分区确定系统，其特征在于：包括
谱聚类分区模块：采用谱聚类方法对特高压直流近区电网节点进行谱聚类分区；
子问题模块：在分区内筛选出不满足无功平衡的负荷节点，将不满足无功平衡的负荷节点位置作为约束，增广至谱聚类模型中，重新进行特高压直流近区电网节点谱聚类分区；
迭代模块：迭代子问题模块的过程，直到分区内的负荷节点均满足无功平衡。
7.根据权利要求6所述的一种特高压直流近区电压无功控制分区确定系统，其特征在于：谱聚类分区模块采用的谱聚类模型为，
minX′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2 … xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重。
8.根据权利要求6所述的一种特高压直流近区电压无功控制分区确定系统，其特征在于：特高压直流近区电网节点还包括机组节点，子问题模块包括负荷节点筛选模块，
负荷节点筛选模块：若某一负荷节点的无功需求大于所在分区内所有机组节点的无功之和，则该负荷节点不满足无功平衡。
9.根据权利要求6所述的一种特高压直流近区电压无功控制分区确定系统，其特征在于：子问题模块包括排序模块，先对分区内的负荷节点无功需求进行从大到小排序，然后筛选出不满足无功平衡的负荷节点。
10.根据权利要求6所述的一种特高压直流近区电压无功控制分区确定系统，其特征在于：子问题模块中增广后的谱聚类模型为，
minX′LX
s.t.||X||2≤N
其中，L为特高压直流近区电网的拉普拉斯矩阵，X∈RN×1为决策向量，R为全体实数集，N为特高压直流近区电网的节点数，X＝[x1 x2 … xN]′，xi为第i个节点所在分属分区的权重，Θ为不满足无功平衡的负荷节点集合，为谱聚类分区得到的最优解X0中对集合Θ中元素m取反的结果，为增广后的谱聚类模型中对求解变量X中m对应的值。
11.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于：所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法。
12.一种计算设备，其特征在于：包括，
一个或多个处理器、存储器以及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行根据权利要求1至5所述的方法中的任一方法的指令。
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肖李明: "基于PCA谱聚类分析的无功分区方法研究", 《陕西电力》 *
赵金利: "输电网网架结构的谱聚类分析算法", 《电力系统及其自动化学报》 *

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