CN111371115B - 一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法及系统，包括：建立含VSC‑HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型；在所述潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算所述交直流混联系统的负荷裕度。本发明实施例提供的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法及系统，通过建立交直流混联系统的潮流计算模型，根据粒子群算法针对VSC控制参数进行了优化，并引入最优化连续潮流对构建的潮流模型进行了完善和求解，以实现交直流混联系统负荷裕度的评估，在有效的评估交直流混联系统的电压稳定性和带负载能力的同时，提供了优化交直流混联系统的负荷裕度的具体途径。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电力电网技术领域，尤其涉及一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法及系统。
背景技术
随着电网规模的不断扩大、电压水平的不断提高以及传输距离不断增加，电压稳定性问题对电力系统的影响越来越大。自十九世纪七十年代以来，世界范围内发生了许多重大电压事故，造成了巨大的经济损失，因此确保电压稳定性对于电网的安全稳定运行具有重要意义。基于电压源转换器的高压直流系统(VSC-HVDC)具有独立快速的有功和无功功率调整功能，可以为电网电压提供无功功率支持，并且不需要交流电网提供换向电压来连接弱电网和无源网络。这些优点使VSC-HVDC的应用能够有效的增强电力系统的电压稳定性。对含有VSC-HVDC的交直流混联系统的电压稳定性评估是当前研究的热门，其对于静态电压的稳定性分析至关重要。
目前，静态电压稳定性分析方法主要是基于潮流方程和扩展潮流方程的，交直流混联系统的静态电压稳定性分析的基础是建立交直流混联系统的模型以及对于交直流混联系统的潮流计算。例如：在《A unified power flow method of hybrid AC/DC powersystem with VSC-MTDC》所涉及的方案中，建立了VSC-HVDC的模型；在文献《Power FlowCalculation of AC/DC Hybrid Systems With VSC-HVDC》涉及的方案中，讨论了潮流算法；在文献《Inclusion of a high voltage DC-voltage source converter model in aNewton-Raphson power flow algorithm》所涉及的方案中，提出了适用于直接并入牛顿-拉夫逊潮流算法的VSC控制器模型；在文献《An improved power flow algorithm usingequation changing method for AC/DC power system with VSC-HVDC》所涉及的方案中，记载了基于方程改变方法，建立了一种改进的用于含VSC-HVDC的交直流混联系统统一潮流算法，当节点类型更改时，矩阵的元素和控制类型将相应更改，以保持雅可比矩阵维数不变，因此，提高了计算效率；另外，基于这些稳态模型和潮流算法，在文献《VSC-HVDC PowerControl Strategy for Improving Voltage Stability of AC-DC Power Grid》以及《Steady-State Voltage Stability Analysis of AC-DC Hybrid Power System withVSC-HVDC》所涉及的方案中，分析了交直流混联系统静态电压稳定性；在文献《VSC-HVDCPower Control Strategy for Improving Voltage Stability of AC-DC Power Grid》中同时提出了一种VSC-HVDC控制策略，可以提高交直流混联系统的电压稳定性；在文献《APSO solution for improved voltage stability of a hybrid ac-dc microgrid》所涉及的方案中，提出了一种粒子群方法，来优化各转换器之间的各种控制增益，以便在不同的干扰下快速恢复并稳定交流和直流部分的电压。
但是，经过对上述现有研究成果进行总结后可以发现，当前针对交直流混联系统负荷裕度的研究，仍存在以下问题和缺陷：
首先，在已有研究中，对交直流系统混联负荷裕度的研究较少。表现在：现有针对交直流混联系统负荷裕度的研究方案，往往集中在和纯交流系统的负荷裕度的比较上，极少涉及对交直流混联系统的负荷裕度进行深入研究。
其次，由于在交直流混联系统中引入了VSC后，VSC控制参数的设置会影响交直流混联系统的负荷裕度，进而影响交直流混联系统的带负载能力。而目前的研究中，很少有涉及VSC控制参数与交直流混联系统负荷裕度之间关系的研究，进而导致获取的交直流混联系统负荷裕度结果准确度不高。
近年来，VSC-HVDC发展迅猛，全世界范围内的柔性直流输电项目的数量和规模都在不断增加，VSC-HVDC可以提高直流系统的可靠性，有功功率分配的灵活性，抑制可再生能源出力的波动。同时，VSC-HVDC也使得电压稳定问题更加复杂，给电力系统的安全稳定运行带来了巨大的挑战。含有VSC-HVDC的交直流混联系统的电压稳定性分析，尤其是交直流混联系统的负荷裕度统计已经成为亟待研究的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法及系统，用以应对在柔性直流输电项目高速发展过程中，含有VSC-HVDC的交直流混联系统的电压稳定性分析的需要。
第一方面，本发明实施例提供一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，主要包括：建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型；在潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算交直流混联系统的负荷裕度。
作为可选地，上述建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型，具体包括：
构建含VSC-HVDC的交直流混联系统中交流节点的功率不平衡方程；在交流节点的功率不平衡方程的基础上，构建含VSC-HVDC的交直流混联系统中直流节点的功率不平衡方程；根据交流节点的功率不平衡方程与直流节点的功率不平衡方程，获取VSC的功率偏差方程和VSC的直流网络偏差方程。
作为可选地，上述交流节点的功率不平衡方程为：
上述直流节点的功率不平衡方程为：
上述VSC的功率偏差方程为：
上述VSC的直流网络偏差方程为：
其中，n为交直流混联系统中的节点总数；直流节点数与VSC个数相同，用m表示；na为交流节点数，na＝n-m；a表示交流节点，t表示直流节点；ΔPai和ΔQai分别为第i个交流节点的有功功率方程和发电机无功功率方程的不平衡量；Pais和Qais分别为第i个交流节点向交流母线注入的有功功率和无功功率；Gij和Bij分别为节点i-j的电导和电纳；Ui和θi分别为节点i的电压和相角，Uj和θj分别为节点j的电压和相角，节点i和节点j的相角差表示为θij＝θi-θj；Psi和Qsi分别为节点i向交流母线注入的有功功率和无功功率；μk、Mk、δk、αk、Yk分别为第k个VSC的直流电压利用率、调制度、交流侧电压与换流站侧交流电压相角差、换流电抗器等效电阻与等效电抗的反正切函数值、换流电抗器的等效导纳；Uti和Udi分别为第i个节点的交流侧电压和直流侧电压；Δdk1、Δdk2、Δdk3分别为第k个VSC的三相功率偏差；Δdk4为第k个VSC对直流网络的偏差；gdi为消去联络节点后直流网络节点导纳矩阵的元素，Idi为第i个节点的直流侧电流。
作为可选地，在上述潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算交直流混联系统的负荷裕度，具体包括：
S21：根据潮流计算模型，完成粒子群算法的初始化，包括：初始化作为随机粒子的VSC控制参数、目标函数的自变量数、随机粒子的速度以及所在搜索空间中的位置、粒子群大小；
S22：基于最优化连续潮流计算方法，定义适应度函数，以获取随机粒子的个体最优解，并根据个体最优解确定全局最优解，个体最优解为负荷裕度；
S23：利用全局最优解更新所述随机粒子的速度和位置；
S24：迭代执行步骤S21-S23，直至达到预设终止条件，获取当前随机粒子所对应的VSC控制参数以及当前交直流混联系统的负荷裕度。
作为可选地，上述确定作为随机粒子的VSC控制参数，包括：
基于牛顿-拉夫逊方法，获取所述潮流计算模型中所有变量的修正量；对于每个VSC，给定两个控制参数以消除所述所有变量中的两个变量，获取VSC控制参数；两个控制参数包括：直流电压和交流无功功率或者交流有功功率和交流无功功率。
作为可选地，上述利用全局最优解更新随机粒子的速度和位置，计算公式具体为：
Vid'＝ωVid+C1random(0，1)(Pid-Xid)+C2random(0，1)(Pgd-Xid)
Xid'＝Xid+Vid
其中，random(0,1)为区间[0,1]上的随机数；Pid为第i个粒子的位置的第d维；Pgd为全局最优解所在位置的第d维；ω为惯性系数，Vid和Xid分别为更新前第i个粒子的速度和第d维的位置，Vid'和Xid'分别为更新后第i个粒子的速度和第d维的位置。
作为可选地，上述直至达到预设终止条件，包括迭代的次数达到预设迭代总次数，或者相邻两次迭代之间所获取的负荷裕度的差值达到预设极值。
第二方面，本发明实施例提供一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估系统，主要包括潮流计算模型构建单元和负荷裕度迭代运算单元；潮流计算模型构建单元用于建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型；负荷裕度迭代运算单元用于在潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算交直流混联系统的负荷裕度。
第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其中，处理器执行所述程序时实现如第一方面任一所述的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法的步骤。
第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面任一所述的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法的步骤。
本发明实施例提供的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法及系统，通过建立交直流混联系统的潮流计算模型，根据粒子群算法针对VSC控制参数进行了优化，并引入最优化连续潮流对构建的潮流模型进行了完善和求解，以实现交直流混联系统负荷裕度的评估，在有效的评估交直流混联系统的电压稳定性和带负载能力的同时，提供了优化交直流混联系统的负荷裕度的具体途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种VSC直流输电稳态模型的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种交直流混联电力系统的负荷裕度的计算方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的一种修改后的IEEE57节点交流系统结构示意图；
图5为本发明实施例提供的原始IEEE 57节点交流系统和修改的IEEE 57节点交直流混联系统的负荷裕度比较示意图；
图6为本发明实施例提供的交直流混联系统的负荷裕度随迭代次数的变化的示意图；
图7为本发明实施例提供的一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估系统的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种电子设备的实体结构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例之前，首先对本发明实施例中所运用的相关技术特征作出如下说明：
基于电压源换流器的高压直流输电(Voltage Source Converter based HighVoltage Direct Current Transmission，简称VSC-HVDC)技术，其在结构上与高压直流输电类似，是由换流站(VSC)和直流输电线路(通常为直流电缆)构成，其最大的特点在于采用了可关断器件(通常为IGBT)和高频调制技术。其主要原理是：通过调节VSC出口电压的幅值和与系统电压之间的功角差，实现独立地控制输出的有功功率和无功功率。这样，通过对两端VSC的控制，就可以实现两个交流网络之间有功功率的相互传送，同时两端VSC还可以独立调节各自所吸收或发出的无功功率，从而对所联的交流系统给予无功支撑。
最优化连续潮流算法是指通过按一定方式增加系统负荷，使得工作点从初始稳定值沿着PV曲线移动，最终绘出完整的PV曲线。PV曲线由于反映了系统随着负荷的变化而引起的节点电压的变化状况，因此，可以被用来确定系统运行点至电压崩溃点的距离，或确定电压崩溃点。连续潮流法的基本思路就是从当前工作点出发，随负荷不断增加，不断用预测/校准算子来连续求解潮流(即系统的运行点)，直至求得电压崩溃点(SNB)，在获取整条PV曲线的同时，也获得负荷临界状态的潮流解(即稳定裕度)。
粒子群算法(Particle Swarm optimization，简称PSO)，是受生物种群行为的启发，用于解决优化问题的工具。其中，粒子用于模拟鸟类的单个个体，每个粒子都可以视为N维搜索空间中的搜索个体。粒子的当前位置是对应于优化问题的候选解决方案，粒子的飞行过程是单个搜索过程。可以根据粒子历史的最佳位置和种群历史的最佳位置来动态调整粒子的飞行速度。粒子只有两个属性：速度和位置。速度代表运动的速度，位置代表运动的方向。每个粒子单独搜索的最优解称为个体极值，而粒子群中的最优个体极值被视为当前的全局最优解。通过不断的迭代，更新粒子的速度和位置，最终获得满足终止条件的最佳解决方案。
在当前针对交直流混联系统负荷裕度的研究中，由于很少有涉及VSC控制参数与交直流混联系统负荷裕度之间关系的研究，进而导致现有的技术手段所获取的交直流混联系统负荷裕度计算结果的准确度不高。为了填补上述技术空白，本发明实施例提供一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，如图1所示，包括但不限于以下步骤：
步骤S1：建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型；
步骤S2：在潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算交直流混联系统的负荷裕度。
为了便于理解，本发明实施例先对直流系统模型作出介绍。图2为本发明实施例提供的一种VSC直流输电稳态模型的结构示意图，如图2所示，VSC包括换流变压器、相电抗器和滤波器等装置。将其中的换流桥简化为理想的比例放大器，用电阻R等效其损耗，Xl为换流电抗器等效电抗。Us∠θs为交流侧电压相量；Uc∠θc为换流站侧交流电压相量；Ic为交流电流；Pd、Ud、和Id分别为直流侧功率、直流电压和直流电流。
则在第i个VSC中：
其中，Yi为第i个换流电抗器的等效导纳，αi为第i个换流电抗器等效电阻与等效电抗的反正切函数值。
结合图2可以获知：在直流系统模型中，第i个VSC的潮流方程为：
其中，Pci和Qci分别为第i个VSC的直流侧有功功率和无功功率；Usi为第i个VSC的交流侧电压；Uci为第i个VSC的直流侧电压；θi为第i个VSC的相角；Psi和Qsi分别为第i个VSC的交流侧有功功率和无功功率，此处VSC相当于电力系统的一个节点。
在直流系统模型中，VSC相当于一个可控电压源，其通过调节Uc和θc，可以调节VSC和交流系统之间传输的有功功率和无功功率
在上述对直流系统模型的研究基础上，作为一种可选实施例，本发明实施例提供一种含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型的构建方法：包括但不限于以下步骤：
第一步，构建含VSC-HVDC的交直流混联系统中交流节点的功率不平衡方程。
第二步，在交流节点的功率不平衡方程的基础上，构建含VSC-HVDC的交直流混联系统中直流节点的功率不平衡方程；
第三步，根据交流节点的功率不平衡方程与直流节点的功率不平衡方程，获取VSC的功率偏差方程和VSC的直流网络偏差方程。
具体地，在含有VSC的交直流混联系统中，将与VSC直接连接的节点定义为直流节点，将不与VSC直接连接的节点定义为交流节点。设交直流混联系统中节点总数为n，VSC个数为m，则交流节点数na＝n-m，直流节点数为m。为表述方便起见，将交流节点记为前na个节点，用a表示交流节点，用t表示直流节点。
对于含VSC的交直流混联系统中的交流节点，其功率不平衡方程与交流系统完全相同，即交流节点的功率不平衡方程可以是：
进一步地，对于直流节点，其功率不平衡方程与交流节点相比，需要增加VSC向交流母线注入的有功功率Ps或者无功功率Qs这一项。故直流节点的功率不平衡方程可以是：
其中，第i个VSC向交流母线注入的有功功率Ps和无功功率Qs分别为：
由上述交、直流节点的功率不平衡方程，则可以获取到第i个VSC的功率偏差方程为：
第k个VSC的直流网络偏差方程为：
其中，各参数的定义如下：n为交直流混联系统中的节点总数；直流节点数与VSC个数相同，用m表示；na为交流节点数，na＝n-m；a表示交流节点，t表示直流节点；ΔPai和ΔQai分别为第i个交流节点的有功功率方程和发电机无功功率方程的不平衡量；Pais和Qais分别为第i个交流节点向交流母线注入的有功功率和无功功率；Gij和Bij分别为节点i-j的电导和电纳；Ui和θi分别为节点i的电压和相角，Uj和θj分别为节点j的电压和相角，节点i和节点j的相角差表示为θij＝θi-θj；Psi和Qsi分别为节点i向交流母线注入的有功功率和无功功率；μk、Mk、δk、αk、Yk分别为第k个VSC的直流电压利用率、调制度、交流侧电压与换流站侧交流电压相角差、换流电抗器等效电阻与等效电抗的反正切函数值、换流电抗器的等效导纳；Uti和Udi分别为第i个节点的交流侧电压和直流侧电压；Δdk1、Δdk2、Δdk3分别为第k个VSC的三相功率偏差；Δdk4为第k个VSC对直流网络的偏差；gdi为消去联络节点后直流网络节点导纳矩阵的元素，Idi为第i个节点的直流侧电流。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，步骤S2具体可以包括以下步骤：
S21：根据潮流计算模型，完成粒子群算法的初始化，包括：初始化作为随机粒子的VSC控制参数、目标函数的自变量数、随机粒子的速度以及所在搜索空间中的位置、粒子群大小；
S22：基于最优化连续潮流计算方法，定义适应度函数，以获取随机粒子的个体最优解，并根据个体最优解确定全局最优解，个体最优解为负荷裕度；
S23：利用全局最优解更新所述随机粒子的速度和位置；
S24：迭代执行步骤S21-S23，直至达到预设终止条件，获取当前随机粒子所对应的VSC控制参数以及当前交直流混联系统的负荷裕度。
具体地，在本发明实施例中所提供的交直流混联系统最优化潮流计算方法，包括：
在预先建立的含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型中，根据牛顿-拉夫逊方法，确定所述潮流计算模型中所有变量的修正量，其中，各变量构成的矩阵表示为：
ΔD＝[ΔPa,ΔQa,ΔPt,ΔQt,…,Δdk1,Δdk2,Δdk3,Δdk4,…]T，a代表交流节点，t代表直流节点，ΔD为各变量构成的矩阵，ΔPa,ΔQa,ΔPt,ΔQt分别是交流节点有功功率偏差方程、交流节点无功功率偏差方程、直流节点交流侧有功功率偏差方程、直流节点交流侧无功功率偏差方程；Δdk1，Δdk2，Δdk3，Δdk4是第k个换流器(节点)的偏差方程，k＝1,2,...,m。
其中，牛顿-拉夫逊方法的求解过程可以分为以下几个步骤：
(1)形成节点导纳矩阵；
(2)将各节点电压设初值；
(3)将节点初值代入相关功率方程式，求出修正方程式的常数项向量；
(4)将节点电压初值代入求式，求出雅可比矩阵元素；
(5)求解修正方程，求修正向量；
(6)求取节点电压的新值；
(7)检查是否收敛，如不收敛，则以各节点电压的新值作为初值自第3步重新开始进行狭义次迭代，否则转入下一步；
(8)计算支路功率分布，PV节点无功功率和平衡节点注入功率。
在本发明实施例中，由于m个VSC的偏差方程有4m个(即Δdk1,Δdk2,Δdk3,Δdk4的总数)，而变量有6m个(即ΔUdi,ΔIdi,Δδi,ΔMi,ΔPsi,ΔQsi的总数)，故对于每一个VSC而言，可以给定两个控制参数来消除两个变量。
进一步地，在上述实施例的基础上，在本发明实施例中的所提供的雅可比矩阵J的维数为2pq+pv+4m×2pq+pv+6m，其中，pq为PQ节点个数，pv为PV节点个数，需要根据换流器的控制方式删去2m列，则雅可比矩阵J可以表示为：
其中，Haa,、Hat、Hta、Htt分别是交流节点有功偏差量对交流节点电压相角偏差量求偏导的矩阵、交流节点有功偏差量对直流节点交流侧电压相角偏差量求偏导的矩阵、直流节点交流侧有功偏差量对交流节点电压相角偏差量求偏导的矩阵、直流节点交流侧有功偏差量对直流节点交流侧电压相角偏差量求偏导的矩阵；Naa,、Nat、Nta、Ntt分别是交流节点有功偏差量对交流节点电压幅值偏差量求偏导的矩阵、交流节点有功偏差量对直流节点交流侧电压幅值偏差量求偏导的矩阵、直流节点交流侧有功偏差量对交流节点电压幅值偏差量求偏导的矩阵、直流节点交流侧有功偏差量对直流节点交流侧电压幅值偏差量求偏导的矩阵；Jaa,、Jat、Jta、Jtt分别是交流节点无功偏差量对交流节点电压相角偏差量求偏导的矩阵、交流节点无功偏差量对直流节点交流侧电压相角偏差量求偏导的矩阵、直流节点交流侧无功偏差量对交流节点电压相角偏差量求偏导的矩阵、直流节点交流侧无功偏差量对直流节点交流侧电压相角偏差量求偏导的矩阵；Laa,、Lat、Lta、Ltt分别是交流节点无功偏差量对交流节点电压幅值偏差量求偏导的矩阵、交流节点无功偏差量对直流节点交流侧电压幅值偏差量求偏导的矩阵、直流节点交流侧无功偏差量对交流节点电压幅值偏差量求偏导的矩阵、直流节点交流侧无功偏差量对直流节点交流侧电压幅值偏差量求偏导的矩阵；
分别是直流节点交流侧有功偏差量对VSC变量求偏导的矩阵、直流节点交流侧无功偏差量对VSC变量求偏导的矩阵、VSC的偏差方程对交流节点电压幅值求偏导的矩阵、VSC的偏差方程对直流节点交流侧电压幅值求偏导的矩阵、VSC的偏差方程对VSC变量求偏导的矩阵。
图3为本发明实施例提供的一种交直流混联电力系统的负荷裕度的计算方法流程示意图，如图3所示，整个流程主要包括以下步骤：
首先，随机初始化粒子群，包括随机初始化VSC控制参数；然后，计算每一个粒子的适应度值，即每一组VSC控制参数下系统的负荷裕度；然后，基于适应度值更新每个粒子的速度和位置，即基于适应度值优化VSC控制参数；最后，迭代执行上述步骤，直至达到预设的迭代次数(或输出结果收敛)，则可以获取到理想的交直流混联电力系统的负荷裕度。
基于上述实施例的内容，本发明实施例还提供一种基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算交直流混联系统的负荷裕度的方法，主要包括：
1、粒子群算法的初始化，包括：首先，设置最大迭代次数，目标函数的自变量数(即VSC控制参数的数量)，粒子的最大速度，整个搜索空间的位置信息，随机初始化每个粒子的速度以及所在搜索空间中的位置，设置粒子群大小。
2、求解个体极值和全局最优解，包括：定义适应度函数，其中单个极值是每个粒子找到的个体最优解，并从这些个体最优解中确定出一个全局最优解，并使用全局最优解来更新粒子的速度和位置。
3、更新速度和位置。用于更新速度和位置的公式分别是以下公式(16)和公式(17)。其中ω称为惯性因子，其值是非负的，当ω较大时，总体优化能力较强，局部优化能力较弱；当ω较小时，整体优化能力较弱，局部优化能力较强。通过调整ω的大小，可以调整全局最优化性能和局部最优化性能。其中，C1和C2称为加速度常数，C1是每个粒子的个体学习因素，C2是每个粒子的社会学习因素，当C1和C2恒定时，可以获得很好的优化结果。在本发明实施例中，采用C1＝C2∈[0,4]。
进一步地，所述利用所述全局最优解更新所述随机粒子的速度和位置，计算公式具体为：
Vid'＝ωVid+C1random(0，1)(Pid-Xid)+C2random(0，1)(Pgd-Xid) 公式16
Xid'＝Xid+Vid 公式17
其中，random(0,1)为区间[0,1]上的随机数；Pid为第i个粒子的位置的第d维；Pgd为全局最优解所在位置的第d维；ω为惯性系数，Vid和Xid分别为更新前第i个粒子的速度和第d维的位置，Vid'和Xid'分别为更新后第i个粒子的速度和第d维的位置。
4、终止条件判断，包括：判断迭代的次数是否达到预设迭代总次数，或者相邻两次迭代之间所获取的负荷裕度的差值是否达到预设极值。
为了更清楚的展示本发明实施例所提供的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，将修改后的IEEE57节点系统作为测试系统，验证该负荷裕度评估方法在评估含VSC-HVDC的交直流混联系统的负荷裕度时的有效性。
其中，该修改后的IEEE57节点系统的基准容量为100MVA，直流系统的基准电压为110kV，需要说明的是，本实施例总的数据均采用标幺值来简化计算。其中，将图4中的节点13和节点14之间的线路用VSC连接的直流线路代替，节点13和节点14之间的直流线路电阻为0.03，用于替换的VSC的等效电阻和等效电抗分别为0.08和0.2，连接在节点13上的VSC采用恒定的直流电压(Ud1＝2.0)和恒定的交流无功功率(Qs1＝0.4)控制，与节点14相连的VSC采用恒定交流有功功率(Ps2＝2.0)和恒定交流无功功率(Qs2＝1.0)控制。为便于描述，将连接到节点13的VSC表示为VSC 1，将连接到节点14的VSC表示为VSC2，设直流电压利用率μ为1。
图5比较了原始IEEE 57节点交流系统和修改的IEEE 57节点交直流混联系统的负荷裕度。其中，VSC 1的控制模式为恒定的直流电压(设为：Ud1＝2.0)、恒定的交流无功功率(设定为Qs1＝1.5)控制；VSC2控制模式为恒定交流有功功率(设定为：Ps2＝0.5)，恒定交流无功功率(设定为Qs2＝1.5)控制。
利用本发明实施例提供的负荷裕度评估方法可以计算到：交直流混联系统的负荷裕度为0.935，而相应的纯交流系统的负荷裕度为0.89。综上所述，可以获知：在纯交流系统中添加直流线路后，由于直流线路的VSC可以向交流系统注入无功功率，因此系统中的电压幅值可以提高，并且系统的负荷裕度可以增加。
进一步地，本发明实施例提供的基于粒子群算法的负荷裕度计算方法，通过寻找VSC的最优控制模式，从而可以使得系统的负荷裕度达到最大。系统负荷的有功功率和无功功率根据等功率因数增加。当负荷增长因子分别等于0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0时，通过粒子群优化算法更新VSC的控制参数。本发明实施例采用恒定直流电压Ud1，恒定有功功率Ps2或恒定无功功率Qs1，Qs2来控制，通过优化VSC的控制参数使得系统的负荷裕度达到最大。
具体地，交直流混联系统的负荷裕度随迭代次数的变化如图6所示，可以获知：修改后的IEEE57节点系统，经粒子群算法寻优后的最大负荷裕度λ最大可以为1。其中，VSC控制参数值如表1所示。
表1 VSC控制参数值列表
由图5并结合表1可以获知：将最优化连续潮流计算方法与粒子群算法相结合可以，以通过不断调整VSC控制参数实现调整系统的负载裕度。其中，利用粒子群算法的优化能力，可以找到最佳的VSC控制参数，使系统的负荷裕量达到最大。若不使用最佳控制策略，则无法充分利用VSC的优势来增加系统的带负载能力，使得系统的经济性和安全性不足。
综上所述，本发明实施例提供的负载裕度计算方法能够有效的提高系统经济性和安全性。
本发明实施例提供一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估系统，如图7所示，主要包括：潮流计算模型构建单元1和负荷裕度迭代运算单元2。其中，潮流计算模型构建单元1主要用于建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型；负荷裕度迭代运算单元2主要用于在潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算所述交直流混联系统的负荷裕度。
需要说明的是，本发明实施例提供的交直流混联电力系统的负荷裕度评估系统，在具体运行时，可用于执行上述任一实施例中所述的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，再次不作一一赘述。
本发明实施例提供的交直流混联电力系统的负荷裕度评估系统，通过建立交直流混联系统的潮流计算模型，根据粒子群算法针对VSC控制参数进行了优化，并引入最优化连续潮流对构建的潮流模型进行了完善和求解，以实现交直流混联系统负荷裕度的评估，在有效的评估交直流混联系统的电压稳定性和带负载能力的同时，提供了优化交直流混联系统的负荷裕度的具体途径。
图8示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图8所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(Communications Interface)320、存储器(memory)330和通信总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过通信总线340完成相互间的通信。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行如下方法：建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型；在所述潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算所述交直流混联系统的负荷裕度。
此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明实施例还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各实施例提供的传输方法，例如包括：建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型；在所述潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算所述交直流混联系统的负荷裕度。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，其特征在于，包括：
建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型；
在所述潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算所述交直流混联系统的负荷裕度，具体包括：
S21：根据所述潮流计算模型，完成粒子群算法的初始化，包括：初始化作为随机粒子的VSC控制参数、目标函数的自变量数、所述随机粒子的速度以及所在搜索空间中的位置、粒子群大小；
S22：基于最优化连续潮流计算方法，定义适应度函数，以获取所述随机粒子的个体最优解，并根据所述个体最优解确定全局最优解，所述个体最优解为负荷裕度；
S23：利用所述全局最优解更新所述随机粒子的速度和位置；
S24：迭代执行步骤S21-S23，直至达到预设终止条件，获取当前随机粒子所对应的VSC控制参数以及当前交直流混联系统的负荷裕度。
2.根据权利要求1所述的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，其特征在于，所述建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型，包括：
构建所述含VSC-HVDC的交直流混联系统中交流节点的功率不平衡方程；
在所述交流节点的功率不平衡方程的基础上，构建所述含VSC-HVDC的交直流混联系统中直流节点的功率不平衡方程；
根据所述交流节点的功率不平衡方程与所述直流节点的功率不平衡方程，获取VSC的功率偏差方程和VSC的直流网络偏差方程。
3.根据权利要求2所述的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，其特征在于，
所述交流节点的功率不平衡方程为：
所述直流节点的功率不平衡方程为：
所述VSC的功率偏差方程为：
所述VSC的直流网络偏差方程为：
其中，n为交直流混联系统中的节点总数；直流节点数与VSC个数相同，用m表示；na为交流节点数，na＝n-m；a表示交流节点，t表示直流节点；ΔPai和ΔQai分别为第i个交流节点的有功功率方程和发电机无功功率方程的不平衡量；Pais和Qais分别为第i个交流节点向交流母线注入的有功功率和无功功率；Gij和Bij分别为节点i-j的电导和电纳；Ui和θi分别为节点i的电压和相角，Uj和θj分别为节点j的电压和相角，节点i和节点j的相角差表示为θij＝θi-θj；Psi和Qsi分别为节点i向交流母线注入的有功功率和无功功率；μk、Mk、δk、αk、Yk分别为第k个VSC的直流电压利用率、调制度、交流侧电压与换流站侧交流电压相角差、换流电抗器等效电阻与等效电抗的反正切函数值、换流电抗器的等效导纳；Uti和Udi分别为第i个节点的交流侧电压和直流侧电压；Δdk1、Δdk2、Δdk3分别为第k个VSC的三相功率偏差；Δdk4为第k个VSC对直流网络的偏差；gdi为消去联络节点后直流网络节点导纳矩阵的元素，Idi为第i个节点的直流侧电流。
4.根据权利要求1所述的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，其特征在于，所述确定作为随机粒子的VSC控制参数，包括：
基于牛顿-拉夫逊方法，获取所述潮流计算模型中所有变量的修正量；
对于每个VSC，给定两个控制参数以消除所述所有变量中的两个变量，获取所述VSC控制参数；所述两个控制参数包括：直流电压和交流无功功率或者交流有功功率和交流无功功率。
5.根据权利要求1所述的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，其特征在于，所述利用所述全局最优解更新所述随机粒子的速度和位置，计算公式具体为：
Vid'＝ωVid+C1random(0,1)(Pid-Xid)+C2random(0,1)(Pgd-Xid)
Xid'＝Xid+Vid
其中，random(0,1)为区间[0,1]上的随机数；Pid为第i个粒子的位置的第d维；Pgd为全局最优解所在位置的第d维；ω为惯性系数，Vid和Xid分别为更新前第i个粒子的速度和第d维的位置，Vid'和Xid'分别为更新后第i个粒子的速度和第d维的位置；C1和C2称为加速度常数，C1是每个粒子的个体学习因素，C2是每个粒子的社会学习因素。
6.根据权利要求1所述的交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法，其特征在于，所述直至达到预设终止条件，包括迭代的次数达到预设迭代总次数，或者相邻两次迭代之间所获取的负荷裕度的差值达到预设极值。
7.一种交直流混联电力系统的负荷裕度评估系统，其特征在于，包括：潮流计算模型构建单元和负荷裕度迭代运算单元；
所述潮流计算模型构建单元，用于建立含VSC-HVDC的交直流混联系统的潮流计算模型；
所述负荷裕度迭代运算单元，用于在所述潮流计算模型中，基于粒子群算法对VSC控制参数进行寻优，以基于最优化连续潮流计算方法，计算所述交直流混联系统的负荷裕度；
所述负荷裕度迭代运算单元，具体用于：
S21：根据所述潮流计算模型，完成粒子群算法的初始化，包括：初始化作为随机粒子的VSC控制参数、目标函数的自变量数、所述随机粒子的速度以及所在搜索空间中的位置、粒子群大小；
S22：基于最优化连续潮流计算方法，定义适应度函数，以获取所述随机粒子的个体最优解，并根据所述个体最优解确定全局最优解，所述个体最优解为负荷裕度；
S23：利用所述全局最优解更新所述随机粒子的速度和位置；
S24：迭代执行步骤S21-S23，直至达到预设终止条件，获取当前随机粒子所对应的VSC控制参数以及当前交直流混联系统的负荷裕度。
8.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1至6任一项所述交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至6任一项所述交直流混联电力系统的负荷裕度评估方法的步骤。
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