CN110829436B - 一种电力系统运行潮流样本的生成方法及平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统运行分析与计算领域，涉及一种电力系统运行潮流样本生成方法，包括：S1、获取潮流样本生成需求；S2、基于电压初值生成环节，生成节点电压初值；S3、根据节点电压初值，利用潮流生成方法，求得节点注入功率，所有节点电压和节点注入功率合起来成为一个潮流样本；S4、基于电压初值修正环节，检查已生成的潮流样本，若不符合需求，则通过修正节点电压初值的方式，将潮流样本调整至所需状态。本发明潮流样本生成速度与现有技术相比有大幅度的提升；根据给定节点电压直接求得节点注入功率，无需迭代求解，解决了现有潮流样本生成方法中需要迭代法求解潮流的问题。本发明还提供一种电力系统运行潮流样本生成平台。

Description

一种电力系统运行潮流样本的生成方法及平台

技术领域

本发明属于电力系统运行分析与计算领域，涉及一种电力系统运行潮流样本生成方法及平台。

背景技术

样本是数据驱动方法中的基本数据对象，数据驱动方法应用于研究电力系统运行问题，最基本的问题是生成大规模的潮流样本数据集。数据驱动方法对样本需求量大，而且需要样本集能充分反映问题空间的需求。由于实际运行数据存在数据偏置，无法反映运行空间的全貌，因此需要生成样本进行补充，这一问题称为潮流样本生成问题。该问题需要样本生成方法能够快速生成大量样本，且样本具有良好的数据分布。

现有样本生成方法有计划潮流法和连续潮流法，仅能做到生成出来样本，但生成效率和数据集分布不能满足需求，存在的关键问题为：现有方法依赖于迭代法潮流计算，面临病态问题和潮流不收敛的问题。

计划潮流法通过给定潮流计算的定解条件求解潮流，其算法流程如图1所示，首先根据检修计划、发电计划和负荷预测结果确定潮流计算的定解条件，计算交流潮流解。如果潮流无解，则调整定解条件，重新求解。如果潮流有解，再进一步根据各物理量的约束校核潮流样本。若样本不符合约束则调整定解条件，重新求解；若样本符合约束，则输出计划潮流。

计划潮流法面临潮流收敛性、合理性和可行性这三个主要问题，导致计划潮流法生成潮流样本难度大、耗时很长。对于大规模电网、重负荷情况，潮流计算的已知量较难合理给出，导致初始给定条件下潮流不收敛；当潮流收敛时，进一步校核无功、电压、功率因数等运行约束，往往需要根据校核结果调整潮流定解条件。反复调整迭代的过程缺乏完善的理论指导，往往只能由有经验的人员花费大量的时间和精力进行人工调整。

计划潮流法的缺点是面临潮流不收敛问题和病态问题时，对运行方式计划人员的经验要求极为苛刻且工作量巨大，需要花费大量时间才能生成一个样本。

连续潮流法需要给定一个已有的潮流样本(下称基态潮流)，应用于求取状况连续变化到静态稳定边界的潮流样本。方法连续变化定解条件直到潮流不收敛的过程中，可以确保每一次都得到一个样本。值得注意的是，连续潮流法一次连续变化所得到的样本无论多少个，都位于该变化方向的同一条PV曲线上，反映的是单一的变化曲线，而非电力系统运行空间的形态。

连续潮流法的缺点是生成的样本位于同一变化趋势上，改变了样本分布，将对数据驱动方法产生模型偏差。

因此，目前的样本生成方法的生成效率远不能满足应用需求，数据驱动方法研究的大部分时间被样本生成方法占用，严重限制了解决电力系统问题的数据驱动方法的发现、调整和实证。

发明内容

针对现有潮流样本生成方法存在的样本生成速度过慢、面临病态潮流、面临潮流不收敛问题，本发明提供一种电力系统运行潮流数据样本生成方法。

本发明还提供一种电力系统运行潮流数据样本生成平台。

本发明电力系统运行潮流样本生成方法采用如下技术方案实现：

一种电力系统运行潮流样本生成方法，包括：

S1、获取潮流样本生成需求；

S2、基于电压初值生成环节，生成节点电压初值；

S3、根据节点电压初值，利用潮流生成方法，求得节点注入功率，所有节点电压和节点注入功率合起来成为一个潮流样本；

S4、基于电压初值修正环节，检查已生成的潮流样本，若不符合需求，则通过修正节点电压初值的方式，将潮流样本调整至所需状态。

进一步地，潮流生成方法中，节点注入功率是由节点的电压幅值、节点的电压相角完全确定的唯一解。

优选地，潮流样本定义为某稳态下电力系统的一个运行点，即电力系统处于稳态时所有节点注入功率和节点电压的组合，其表达式为：

{{P_i,Q_i,V_i,θ_i}|i＝0,1,…,N}

或复数形式：

其中：P_i为节点i的注入有功功率，Q_i为节点i的注入无功功率，V_i为节点i的电压幅值，θ_i为节点i的电压相角，复功率S_i＝P_i+jQ_i，电压相量

优选地，P_i、Q_i计算公式为：

其中，P_i为节点i的注入有功功率，Q_i为节点i的注入无功功率，V_i为节点i的电压幅值，δ_ij为节点i超前节点j的电压相角，G_ij和B_ij分别为节点i和节点j的互导纳的实部和虚部，i 为节点编号，默认0号节点为平衡节点，n为节点总数。

优选地，电压初值生成环节的数学模型表述为：

u⁽⁰⁾＝f_A(D_u0)

s.t.C_u(u⁽⁰⁾)≥0

其中：D_u0为样本生成需求；f_A(·)为将输入转换为电压初值u⁽⁰⁾的函数；C_u(u⁽⁰⁾)≥0为电压初值u⁽⁰⁾的物理约束。

优选地，一个运行点包含的所有状态信息均由对应的潮流样本计算得到。

本发明的电力系统运行潮流样本生成平台采用如下技术方案实现：

一种电力系统运行潮流样本生成平台，搭载有电力系统运行潮流样本生成方法。

优选地，潮流样本生成平台基于JAVA实现，潮流样本生成方法中各个步骤抽象为接口。

优选地，电力系统运行潮流样本生成平台的基本方法包括：构造方法、初始化方法init()、执行方法boom()和潮流样本生成成功的反应方法successGenReaction()，其中：

构造方法用于对类进行初始化；

初始化方法init()，用于生成电压初值、搭载潮流生成方法、进行初值修正；

执行方法boom()是平台批量生成潮流样本的入口，定义批量生成潮流样本的过程、基本的生成报告及文件IO；

潮流样本生成成功的反应方法successGenReaction()是潮流样本生成平台预设的入口，潮流样本生成平台将生成的每一个潮流样本以参数形式输入successGenReaction()， successGenReaction()对潮流样本进行筛选、进一步处理或保存操作。

优选地，电力系统运行潮流样本生成平台的接口包括：

ILoadFlowCaseGenerator，用于指定潮流样本平台的接口和公共方法；

IVoltageGenerator，用于指定电压初值生成环节的输入和输出；

ILoadFlowGenerator，用于指定潮流生成方法的输入和输出；

ISpecialBusChecker IQChecker，用于指定电压初值修正环节的输入和输出；

IVgcBuilder，用于控制电压初值生成环节的生成结果；

ISatistics，用于统计各步骤的调用次数和调用时间。

与现有技术相比，本发明包括如下技术优点及有益效果：

1、提出一种潮流样本生成新方法，生成速度与现有技术相比有大幅度的提升；提供的电力系统节点注入功率的求解方法可根据给定节点电压直接求得节点注入功率，无需迭代求解，解决了现有潮流样本生成方法中需要迭代法求解潮流的问题，因此没有病态潮流问题和潮流不收敛问题。

2、在生成潮流样本的速度上，本发明方法大大快于现有技术，可应用于电力系统运行数据的数据挖掘、深度学习等领域。

3、本发明提出的潮流生成方法本质上是函数代入求值，对于同一个初值，对应的解只有一个，没有现有方法的潮流多解性问题，避免了在此问题上进行的额外投入。

附图说明

图1为计划潮流法流程图；

图2为本发明一个实施例中电力系统运行潮流样本生成方法流程图；

图3为本发明一个实施例中电力系统运行潮流样本生成平台的类图；

图4为本发明一个实施例中电力系统运行潮流样本生成平台的数据流图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细地描述，但本发明的实施方式并不限于此。

现有潮流样本生成方法根据注入有功功率水平直接求出对应的电压水平，速度慢，耗时久。本发明首先根据注入有功功率快速算出大致对应的电压水平，然后根据求出的电压水平快速求出对应的实际功率水平，速度快，效率高。

一种电力系统运行潮流样本生成方法，如图2所示，包括：

S1、获取潮流样本生成需求；

潮流样本生成需求可以是电力系统各节点的注入有功功率水平，这是电力系统最为关注的指标之一。本实施例中，将电力系统各节点的注入有功功率水平作为潮流样本生成系统的输入，与电力生产中潮流计算过程的输入保持一致。

S2、基于电压初值生成环节，生成节点电压初值；

一个样本包含n个节点，每个节点都有对应的一个节点电压初值，也就是说，一个样本由n个节点的电压初值组成。在本申请中，这个步骤也可以批量生成多个样本，但对于每个样本而言，其包含的电压初值都是具体的数值。

电压初值生成环节根据输入的样本生成需求，输出节点电压初值给潮流生成环节使用。电压初值生成环节的数学模型如表1中所示。对于不同的科研或生产任务，对应的电压初值生成环节不同，可以采用现有的电压初值生成方法求得节点电压初值。

本实施例中，根据步骤S1得到的电力系统各节点的注入有功功率水平，通过近似计算的方法得到此功率水平大致对应的电压水平，相比传统的潮流计算方法，速度加快很多。

表1潮流样本生成方法中各步骤数学模型

S3、根据节点电压初值，利用潮流生成方法，求得节点注入功率，所有节点电压和注入功率合起来成为一个潮流样本。

本发明创新性地提出一种潮流生成方法，是一种电力系统节点注入功率的求解方法，其思路是选定电压幅值和相角为潮流定解条件，代入潮流方程求解节点注入功率相量。受功率平衡方程启发，潮流方程中对于用电压相量求解节点注入功率相量时，具有解析表达式，仅需要代入求解。用本方法替代传统潮流计算方法，求解潮流状态的过程将消除潮流不收敛问题和病态潮流问题，大幅度提升潮流样本生成速度。

本发明潮流生成方法原理表示如下：

P+jQ＝f^-1(V,θ) (1)

f^-1展开如下：

其中，P_i为节点i的注入有功功率，Q_i为节点i的注入无功功率，V_i为节点i的电压幅值，δ_ij为节点i超前节点j的电压相角，G_ij和B_ij分别为节点i和节点j的互导纳的实部和虚部，i 为节点编号，默认0号节点为平衡节点，n为节点总数。

注意到上式与传统潮流计算所用的功率平衡方程相比，多了一组计算平衡节点功率的方程。对于给定的所有节点的电压幅值V和角度θ，本发明潮流生成方法将唯一确定对应的一组节点注入有功功率P和无功功率Q。

本发明潮流生成方法得以实施的技术依据在于：

①、潮流样本生成问题是生成某一态势下的潮流运行点集合，更关心潮流样本总体的分布，不关心某个潮流样本是否精确地对应某个特定的运行点。态势指电力系统运行的某些宏观特征，典型运行方式可以视为一种态势，某一稳定指标的区间亦可视为一种态势，在相同态势下，并不关心是否存在一个潮流样本精确地符合某个特定的潮流状态，而只关心潮流样本整体是否能充分反映该态势。比如，若研究冬小运行方式，某电厂计划有功为100MW，潮流样本的输送功率在99MW到101MW之间分布，则认为潮流样本能够充分反映此有功水平。

②、潮流计算的结果是形成所有节点状态量{P_i，Q_i，V_i，θ_i}的数据集，而本潮流生成方法也可以生成包含所有节点状态量的数据集，从数据集的角度来看没有差异。并且，传统解潮流方法由于非线性映射存在多解性问题，还需进一步讨论解的物理意义加以筛选，而本潮流生成方法是确定性的代入过程，不存在多解性，也不需要讨论解的合理性问题，节点注入功率P+jQ是由给定的V、θ完全确定了的唯一解。

本发明潮流生成方法的输出为潮流样本，强调潮流样本的原因是，现有的计划潮流法和连续潮流法生成潮流样本存在很多问题，并且这两个方法最初不是提出来解决潮流样本生成问题的。而本发明的潮流生成方法是针对潮流样本生成问题提出，克服了上述两种方法的缺点的同时，更好地适应潮流样本生成。潮流样本具体指的是：潮流样本是需要潮流结果的数据科学研究的基本数据单位，定义为某稳态下电力系统的一个运行点，即电力系统处于稳态时所有节点功率和电压的组合，其表达式为：

{{P_i,Q_i,V_i,θ_i}|i＝0,1,…,N}

或复数形式：

其中：P_i为节点i的注入有功功率，Q_i为节点i的注入无功功率，V_i为节点i的电压幅值，θ_i为节点i的电压相角，复功率S_i＝P_i+jQ_i，电压相量

/>

以上变量之间的关系由一组非线性的潮流方程(式(2))给出。一个运行点包含的所有状态信息均可由对应的潮流样本计算得到，故从数据科学的角度，将其称为潮流样本。

在传统潮流计算中，u是节点注入功率(复功率)，v是节点电压相量，求解f(u)＝0得v的过程即为潮流计算过程，依赖迭代手段求解，耗时久。在本实施例中，v是节点电压相量，u 是节点注入功率，求解f(u)＝0得v的过程是直接代入表达式求值的过程，计算迅速，没有收敛性问题。

S4、基于电压初值修正环节，检查已生成的潮流样本，若不符合需求，则通过修正节点电压初值的方式，将潮流样本调整至所需状态。

电压初值修正环节是检查潮流生成方法所生成的功率水平是否符合需求，不符合则通过修正电压初值的方式修正潮流样本。电压初值修正环节的数学模型见表1，对相同的科研或生产任务，所需要的初值修正方法多种多样，但实施初值修正的目的不变，可以采用现有的电压初值修正方法进行电压初值修正。

一种电力系统运行潮流样本生成平台，将上述电力系统运行潮流样本方法在JAVA平台加以实现，各个步骤抽象为接口，用以搭载不同的优化方法。

潮流样本生成平台的类图如图3所示。潮流样本生成平台包括四个基本方法：构造方法、初始化方法init()、执行方法boom()和潮流样本生成成功的反应方法successGenReaction()。

初始化方法init()是平台对外的“插座”，用于生成电压初值、搭载潮流生成方法、进行初值修正。对于不同的数据驱动研究内容，可定制不同的电压初值生成方法来对电压取值空间进行塑形、定制不同的初值修正方法。用户可通过重写init()方法实现搭载各类方法的不同实现。

执行方法boom()是平台批量生成潮流样本的入口，此处定义了生成批量潮流样本的过程、基本的生成报告及文件IO。用户可通过重写boom()方法来定义批量生成的模式。

潮流样本生成成功的反应方法successGenReaction()是平台预设的入口，平台将生成的每一个可行潮流样本对象以参数形式输入此方法，用户可通过重写来定义对生成潮流样本的筛选、进一步处理或保存操作。

各接口的与潮流样本方法框架的对应关系，接口详情如表2所示：

表2潮流样本生成平台的接口详情

涉及到的数据对象总结归纳为三类，详见表3。数据对象在平台的类与类之间传递。潮流样本生成平台的数据流如图4所示。

表3潮流样本生成平台包含的数据对象

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电力系统运行潮流样本生成方法，其特征在于，包括：

S1、获取潮流样本生成需求；

S2、基于电压初值生成环节，生成节点电压初值；

S3、根据节点电压初值，利用潮流生成方法，求得节点注入功率，所有节点电压和节点注入功率合起来成为一个潮流样本；

S4、基于电压初值修正环节，检查已生成的潮流样本，若不符合需求，则通过修正节点电压初值的方式，将潮流样本调整至所需状态；

潮流生成方法中，节点注入功率是由节点的电压幅值、节点的电压相角完全确定的唯一解；

潮流样本定义为某稳态下电力系统的一个运行点，即电力系统处于稳态时所有节点注入功率和节点电压的组合，其表达式为：

{{P_i,Q_i,V_i,θ_i}|i＝0,1,…,N}

或复数形式：

其中：P_i为节点i的注入有功功率，Q_i为节点i的注入无功功率，V_i为节点i的电压幅值，θ_i为节点i的电压相角，复功率S_i＝P_i+Q_i，电压相量

j为虚数单位；

P_i、Q_i计算公式为：

其中，δ_ij为节点i超前节点j的电压相角，G_ij和B_ij分别为节点i和节点j的互导纳的实部和虚部，i为节点编号，默认0号节点为平衡节点，n为节点总数；

电压初值生成环节的数学模型表述为：

u⁽⁰⁾＝f_A(D_u0)

s.t.C_u(u⁽⁰⁾)≥0

其中：D_u0为样本生成需求；f_A(·)为将输入转换为电压初值u⁽⁰⁾的函数；C_u(u⁽⁰⁾)≥0为电压初值u⁽⁰⁾的物理约束；

一个运行点包含的所有状态信息均由对应的潮流样本计算得到。

2.一种电力系统运行潮流样本生成平台，其特征在于，搭载有权利要求1所述的电力系统运行潮流样本生成方法。

3.根据权利要求2所述的电力系统运行潮流样本生成平台，其特征在于，潮流样本生成平台基于JAVA实现，潮流样本生成方法中各个步骤抽象为接口。

4.根据权利要求2所述的电力系统运行潮流样本生成平台，其特征在于，电力系统运行潮流样本生成平台的基本方法包括：构造方法、初始化方法init()、执行方法boom()和潮流样本生成成功的反应方法successGenReaction()，其中：

构造方法用于对类进行初始化；

初始化方法init()，用于生成电压初值、搭载潮流生成方法、进行初值修正；

执行方法boom()是平台批量生成潮流样本的入口，定义批量生成潮流样本的过程、基本的生成报告及文件IO；

潮流样本生成成功的反应方法successGenReaction()是潮流样本生成平台预设的入口，潮流样本生成平台将生成的每一个潮流样本以参数形式输入successGenReaction()，successGenReaction()对潮流样本进行筛选、进一步处理或保存操作。

5.根据权利要求2所述的电力系统运行潮流样本生成平台，其特征在于，电力系统运行潮流样本生成平台的接口包括：

ILoadFlowCaseGenerator，用于指定潮流样本平台的接口和公共方法；

IVoltageGenerator，用于指定电压初值生成环节的输入和输出；

ILoadFlowGenerator，用于指定潮流生成方法的输入和输出；

ISpecialBusChecker IQChecker，用于指定电压初值修正环节的输入和输出；

IVgcBuilder，用于控制电压初值生成环节的生成结果；

ISatistics，用于统计各步骤的调用次数和调用时间。

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