CN112491034A - 一种基于交流潮流模型的电力信息物理系统建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于交流潮流模型的电力信息物理系统建模的方法，其特点是，包括：电力网建模、信息网建模、电力网与信息网的交互流程步骤，该方法考虑了电力网的潮流特性和信息网的监视与控制功能，实现电力信息物理系统的建模。本发明的方法与基于复杂网络理论的建模方法相比，更能反映电力网的动态特征，信息网所采用的最优经济调度算法，即满足电力系统的供需平衡，又考虑到了系统的经济运行，能够定量反映电力信息物理系统的各类参数变化对系统的影响，可广泛应用于电力信息物理系统的安全性分析、连锁故障传播过程和脆弱性评估等领域。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

Description

一种基于交流潮流模型的电力信息物理系统建模方法

技术领域

本发明属于电力信息物理系统安全领域，涉及一种基于交流潮流模型的电力信息物理系统建模方法。

背景技术

智能电网发展背景下，现代电力系统正演化为电力信息物理系统，电力网与信息网的交互日益复杂，多元设备和异构网络的多重不确定性和复杂性给电力系统的稳定性与可靠性带来双重挑战。因此，建立电力信息物理系统模型对与电力信息物理系统的安全性问题分析具有重要意义。电力信息物理系统主要由电力网和信息网组成，其中，电力网包括发电机、变压器、负荷、输电线他和断路器，完成电能的生产、传输和配用；信息网则包括广域测量系统、数据采集与控制系统、能量管理系统及信息传输网络，完成对电力网的监视与控制。信息网通过电力网远程终端单元(RTU)中的传感器采集电力网的状态运行信息及网架结构信息，优化决策后将控制指令传至RTU中的执行器，电力网执行控制指令进入新的运行状态。现有的电力信息物理模型主要有基于复杂网络理论和基于电力网潮流模型两个方面，存在的问题是：

(1)基于复杂网络理论建立的电力信息物理系统模型仅考虑到了电力信息物理系统的静态特性，忽略了其动态特性；

(2)基于直流潮流模型建立的电力信息物理模型，虽然有计算简便、速度快等优点，但与实际电力网的特性偏差较大；

(3)现有的电力信息物理系统模型信息网所采用的控制算法仅考虑了对电力网功率供需平衡的控制，未涉及到电力网的经济运行。

发明内容

本发明的目的是，对现有的电力信息物理系统模型进行实质性改进和创新，建立一种科学合理，实用性强，效果佳的基于交流潮流模型的电力信息物理系统建模方法。该方法能够更准确的反映电力信息物理系统的动态特征，信息网所选用的控制模型也考虑到了系统的经济运行，可以定量分析系统中各参数的变化对电力信息物理系统状态的影响，从而能够应用于电力信息物理系统的安全性分析等相关问题的研究。

本发明的目的是由以下技术方案来实现的：一种基于交流潮流模型的电力信息物理系统建模方法，其特征是，它包括：电力网建模、信息网建模和电力网与信息网的交互流程，具体内容为：

1)电力网建模

电力信息物理系统中，电力网的各母线及输电线路都配有传感器和执行器，能与信息网节点完成通信，所有母线和输电线路上的潮流信息均能被信息网监视，为反映实际电力系统的动态特征，考虑以各节点和输电线路上的潮流信息表征物理电网；采用牛顿－拉夫逊法求解交流潮流方程能够得到各母线的电压有效值、相角、平衡节点功率和线路传输功率，考虑到信息网多根据电力网的有功率信息完成调度和控制，因此，选取电力网的有功潮流信息表征电力网，定义矩阵P^physical∈R^N*N表示电力网的有功潮流信息，N为电力网的节点总数，其对角元素P_ii表示节点的注入功率，若其有功功率P_ii＞0为发电机节点，P_ii＝0为联络节点，P_ii＜0为负荷节点，非对角元素表示P_ij，P_ji表示输电线路上的传输功率，此外，定义邻接矩阵W∈R^N*N表征电力网的拓扑连接关系，矩阵的非对角元素W_ij表示节点i，j之间的连接关系，满足W_ij∈{0,1}，若W_ij＝W_ji＝1，则表示节点i，j之间线路连通，若W_ij＝W_ji＝0，则表示节点i，j之间是断开的；

2)信息网建模

信息网通过采集各站厂的潮流信息，监测电力网的运行状态，并依据某种控制准则生成各种操作指令，完成对电力网的控制，考虑电力系统的供需平衡与经济运行，选用最优经济调度为信息网的控制模型，其具体模型如下：

目标函数：

约束条件：

其中，E_i(P_Gi)表示第i个发电机的发电成本，E为电力网所有发电机的发电总成本，N为电力网的节点总数，M为发电机节点数量M≤N，P_Dj表示第j个节点的负荷需求，j＝1,2,…,N，P_Gi表示第i个发电机节点的有功输出功率，i＝1,2,…,M，

和

分别为发电机容量的上下限，另外，当电力网的输电线路过载时，输电线路上的断路器使过载线路暂时断开，信息网对节点功率优化调整后，对所有暂时断开的线路生成重新连通的指令，若依然有线路过载，则重合闸失败，线路永久故障；

当前电力信息网的拓扑结构没有特定的形态，大多是依据电网一次设备的地理位置进行相应的铺设，定义邻接矩阵Q∈R^n×n表征信息网的拓扑连接关系，这里n表示与电力网节点相对应的信息网节点，针对信息网的监测功能，定义

为信息网的数据接收矩阵，其中

储存电力网功率潮流信息P^physical，

储存接收到的电力网网架结构信息W；针对信息网的控制功能，定义

为信息网控制指令发送矩阵，

为对角阵，其对角元素表示对电力网节点的功率控制指令，u_ii>0为发电机节点增加出力指令或负荷节点切负荷指令，反之u_ii<0可类似定义；

为信息网对电力网支路开断的控制指令矩阵，u_ij＝1表示线路连通，u_ij＝0表示线路断开；

3)电力网与信息网的交互流程

电力网通过传感器经上行通信信道完成信息传输，信息网采集电力网的状态信息，各节点分享信息完成信息一致，根据优化调度算法生成优化调整指令经下行通信信道传输至电力网，电力网调整进入新运行状态，其具体过程为：

①电力网将运行状态信息及网架结构信息经上行通信信道传输至信息网：

②信息网节点分享其邻居节点信息，完成信息一致，分析判断是否启动优化调整，若需要调整，则基于最优经济调度模型生成功率调整指令及过载线路断路器断开指令，经下行通信信道传输至电力网：

其中，EDP表示最优经济调度算法，dec表示线路过载判断函数；

③电力网执行调整指令，调整各发电机的输出功率，更新导纳矩阵，进入新运行状态：

P^physical＝P'^physical (8)

W＝W' (9)

其中，P′^physical表示电力网进入新稳态时的有功潮流信息矩阵，W′表示电力网进入新稳态时的网架结构信息矩阵。

本发明针对现有电力信息物理系统建模问题，创造性的提出了一种基于交流潮流模型的电力信息物理系统建模方法，该方法考虑了电力网的潮流特性和信息网的监视与控制功能，实现电力信息物理系统的建模。本发明所提出的模型与传统的模型相比的优点体现在，更能反映电力网的动态特征，信息网所采用的最优经济调度算法，即满足电力系统的供需平衡，又考虑到了系统的经济运行，能够定量反映电力信息物理系统的各类参数变化对系统的影响，可广泛应用于电力信息物理系统的安全性分析、连锁故障传播过程和脆弱性评估等领域。具有方法科学合理，适用性强，效果佳等优点。

附图说明

图1为电力信息物理系统的简化示意图；

图2表示基于交流潮流模型的电力信息物理系统工作流程图。

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参照图1和图2，本发明的一种基于交流潮流模型的电力信息物理系统建模方法，它包括：电力网建模、信息网建模和电力网与信息网的交互流程，具体按以下步骤进行：

1)电力网建模

电力信息物理系统中，电力网的各母线及输电线路都配有传感器和执行器，能与信息网节点完成通信，所有母线和输电线路上的潮流信息均能被信息网监视，为反映实际电力系统的动态特征，考虑以各节点和输电线路上的潮流信息表征物理电网；采用牛顿－拉夫逊法求解交流潮流方程可以得到各母线的电压有效值、相角、平衡节点功率和线路传输功率，考虑到信息网多根据电力网的有功率信息完成调度和控制，因此，选取电力网的有功潮流信息表征电力网，定义矩阵P^physical∈R^N*N表示电力网的有功潮流信息，N为电力网的节点总数，其对角元素P_ii表示节点的注入功率，若其有功功率P_ii＞0为发电机节点，P_ii＝0为联络节点，P_ii＜0为负荷节点，非对角元素表示P_ij、P_ji表示输电线路上的传输功率，此外，定义邻接矩阵W∈R^N*N表征电力网的拓扑连接关系，矩阵的非对角元素W_ij表示节点i，j之间的连接关系，满足W_ij∈{0,1}，若W_ij＝W_ji＝1，则表示节点i，j之间线路连通，若W_ij＝W_ji＝0，则表示节点i，j之间是断开的；

2)信息网建模

信息网通过采集各站厂的潮流信息，监测电力网的运行状态，并依据某种控制准则生成各种操作指令，完成对电力网的控制，考虑电力系统的供需平衡与经济运行，选用最优经济调度为信息网的控制模型，其具体模型如下：

目标函数：

约束条件：

其中，E_i(P_Gi)表示第i个发电机的发电成本，E为电力网所有发电机的发电总成本，N为电力网的节点总数，M为发电机节点数量M≤N，P_Dj表示第j个节点的负荷需求，j＝1,2,…,N，P_Gi表示第i个发电机节点的有功输出功率，i＝1,2,…,M，

和

分别为发电机容量的上下限，另外，当电力网的输电线路过载时，输电线路上的断路器使过载线路暂时断开，信息网对节点功率优化调整后，对所有暂时断开的线路生成重新连通的指令，若依然有线路过载，则重合闸失败，线路永久故障；

当前电力信息网的拓扑结构没有特定的形态，大多是依据电网一次设备的地理位置进行相应的铺设，定义邻接矩阵Q∈R^n×n表征信息网的拓扑连接关系，这里n表示与电力网节点相对应的信息网节点，针对信息网的监测功能，定义

为信息网的数据接收矩阵，其中，

储存电力网功率潮流信息P^physical，

储存接收到的电力网网架结构信息W；针对信息网的控制功能，定义

为信息网控制指令发送矩阵，

为对角阵，其对角元素表示对电力网节点的功率控制指令，u_ii>0为发电机节点增加出力指令或负荷节点切负荷指令，反之u_ii<0可类似定义；

为信息网对电力网支路开断的控制指令矩阵，u_ij＝1表示线路连通，u_ij＝0表示线路断开；

3)电力网与信息网的交互流程

电力网通过传感器经上行通信信道完成信息传输，信息网采集电力网的状态信息，各节点分享信息完成信息一致，根据优化调度算法生成优化调整指令经下行通信信道传输至电力网，电力网调整进入新运行状态，其具体过程为：

①电力网将运行状态信息及网架结构信息经上行通信信道传输至信息网：

②信息网节点分享其邻居节点信息，完成信息一致，分析判断是否启动优化调整，若需要调整，则基于最优经济调度模型生成功率调整指令及过载线路断路器断开指令，经下行通信信道传输至电力网：

其中，EDP表示最优经济调度算法，dec表示线路过载判断函数；

③电力网执行调整指令，调整各发电机的输出功率，更新导纳矩阵，进入新运行状态：

P^physical＝P'^physical (8)

W＝W' (9)

其中，P′^physical表示电力网进入新稳态时的有功潮流信息矩阵，W′表示电力网进入新稳态时的网架结构信息矩阵。

本发明的软件程序依据自动化、网络和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。

本发明具体实施方式并非穷举，并不构成对权利要求保护范围的限定，本领域技术人员根据本发明实施例获得的启示，不经过创造性劳动就能够想到其它实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (1)

1.一种基于交流潮流模型的电力信息物理系统建模方法，其特征是，它包括：电力网建模、信息网建模和电力网与信息网的交互流程，具体内容为：

1)电力网建模

电力信息物理系统中，电力网的各母线及输电线路都配有传感器和执行器，能与信息网节点完成通信，所有母线和输电线路上的潮流信息均能被信息网监视，为反映实际电力系统的动态特征，考虑以各节点和输电线路上的潮流信息表征物理电网；采用牛顿－拉夫逊法求解交流潮流方程能够得到各母线的电压有效值、相角、平衡节点功率和线路传输功率，考虑到信息网多根据电力网的有功率信息完成调度和控制，因此，选取电力网的有功潮流信息表征电力网，定义矩阵P^physical∈R^N*N表示电力网的有功潮流信息，N为电力网的节点总数，其对角元素P_ii表示节点的注入功率，若其有功功率P_ii＞0为发电机节点，P_ii＝0为联络节点，P_ii＜0为负荷节点，非对角元素表示P_ij，P_ji表示输电线路上的传输功率，此外，定义邻接矩阵W∈R^N*N表征电力网的拓扑连接关系，矩阵的非对角元素W_ij表示节点i，j之间的连接关系，满足W_ij∈{0,1}，若W_ij＝W_ji＝1，则表示节点i，j之间线路连通，若W_ij＝W_ji＝0，则表示节点i，j之间是断开的；

2)信息网建模

信息网通过采集各站厂的潮流信息，监测电力网的运行状态，并依据某种控制准则生成各种操作指令，完成对电力网的控制，考虑电力系统的供需平衡与经济运行，选用最优经济调度为信息网的控制模型，其具体模型如下：

目标函数：

约束条件：

其中，E_i(P_Gi)表示第i个发电机的发电成本，M为电力网所有发电机的发电总成本，N为电力网的节点总数，M为发电机节点数量M≤N，P_Dj表示第j个节点的负荷需求，j＝1,2,…,N，P_Gi表示第i个发电机节点的有功输出功率，i＝1,2,…,M，

和

分别为发电机容量的上下限，另外，当电力网的输电线路过载时，输电线路上的断路器使过载线路暂时断开，信息网对节点功率优化调整后，对所有暂时断开的线路生成重新连通的指令，若依然有线路过载，则重合闸失败，线路永久故障；

当前电力信息网的拓扑结构没有特定的形态，大多是依据电网一次设备的地理位置进行相应的铺设，定义邻接矩阵Q∈R^n*n表征信息网的拓扑连接关系，这里n表示与电力网节点相对应的信息网节点，针对信息网的监测功能，定义

为信息网的数据接收矩阵，其中

储存电力网功率潮流信息P^physical，

储存接收到的电力网网架结构信息W；针对信息网的控制功能，定义

为信息网控制指令发送矩阵，

为对角阵，其对角元素表示对电力网节点的功率控制指令，u_ii＞0为发电机节点增加出力指令或负荷节点切负荷指令，反之u_ii＜0可类似定义；

为信息网对电力网支路开断的控制指令矩阵，u_ii＝1表示线路连通，u_ii＝0表示线路断开；

3)电力网与信息网的交互流程

电力网通过传感器经上行通信信道完成信息传输，信息网采集电力网的状态信息，各节点分享信息完成信息一致，根据优化调度算法生成优化调整指令经下行通信信道传输至电力网，电力网调整进入新运行状态，其具体过程为：

①电力网将运行状态信息及网架结构信息经上行通信信道传输至信息网：

②信息网节点分享其邻居节点信息，完成信息一致，分析判断是否启动优化调整，若需要调整，则基于最优经济调度模型生成功率调整指令及过载线路断路器断开指令，经下行通信信道传输至电力网：

其中，EDP表示最优经济调度算法，dec表示线路过载判断函数；

③电力网执行调整指令，调整各发电机的输出功率，更新导纳矩阵，进入新运行状态：

P^physical＝P'^physical (8)

W＝W' (9)

其中，P′^physical表示电力网进入新稳态时的有功潮流信息矩阵，W′表示电力网进入新稳态时的网架结构信息矩阵。

Images