CN113555880B - 一种基于退役同步发电机组的无功补偿接入点筛选方法 - Google Patents

Abstract

一种基于退役同步发电机组的无功补偿接入点筛选方法，目的是在无功源地点固定的前提下筛选合适的无功补偿接入点，实现退役同步发电机组对系统的无功补偿。以系统节点阻抗为依据，计算节点间电气距离。以电气距离为基础，可构建节点特征矩阵。对节点特征矩阵进行层次聚类分析，实现节点的有效分区。节点分区可缩小退役同步机组作调相机运行时无功补偿接入点筛选范围；根据退役同步发电机组所处地理位置，确定其运行厂址所在的负荷节点分区为其应补偿分区；计算所补偿分区内节点重要度指标值，依此筛选合适的无功补偿接入点；可快速确定基于退役同步发电机组的无功补偿接入点，充分发挥退役同步发电机组的无功补偿能力，保障系统安全稳定运行。

Description

一种基于退役同步发电机组的无功补偿接入点筛选方法

技术领域

本发明涉及一种无功补偿接入点筛选方法，特别是基于退役同步发电机组的无功补偿接入点筛选方法。

背景技术

我国电气工业结构以火电为主，电力企业是能源消耗大户，一些小火电机组更是二氧化硫、氮氧化物等污染物的主要排放源。因此，电力企业成为节能降耗和污染减排的重点领域。随着能源结构的调整与可再生能源的大规模发展，煤电机组生存空间进一步被压缩，供给侧改革任务艰巨，一大批火电机组面临退役。如果直接将其报废更换，会造成大量的资产浪费，成本过高。因此，如何妥善处理退役火电、有效利用退役机组设备与厂址是能源与电力规划需要重点考虑的问题。

为了妥善处理退役火电，有效利用退役同步机组，将其改造成为同步调相机是一种可以考虑的方案。将退役火电机组作为动态无功补偿装置，不仅可以解决退役火电机组无法有效利用的问题，同时可为系统提供动态无功支撑，维持系统转动惯量，为系统稳定运行提供有效保障。退役同步发电机组改作调相机为系统提供动态无功补偿时，其运行地点保持原厂址不变。在同步调相机运行地点确定的前提下，为充分发挥同步调相机无功补偿能力，提高所补偿系统稳定性，需为其筛选一个合适的无功补偿接入点。

目前方法均先针对无功薄弱点进行筛选，再就地设立无功源进行补偿。本发明以无功源地点已固定为前提，为其在近区筛选合适的无功补偿节点，特别是基于退役同步发电机组的无功补偿接入点筛选。

发明内容

本发明的目的是在无功源地点固定的前提下筛选合适的无功补偿接入点，实现退役同步发电机组对系统的无功补偿。

本发明是一种基于退役同步发电机组的无功补偿接入点筛选方法，其步骤为：

步骤(1)根据所研究系统网络，计算节点等值阻抗Z_ij,equ；

在系统正常运行情况下，根据各节点阻抗可计算节点等值阻抗Z_ij,equ：

Z_ij,equ＝(Z_ii-Z_ij)-(Z_ij-Z_jj) (公式一)

其中，Z_ii，Z_jj分别为节点i、j的自阻抗；Z_ij为节点i与j间互阻抗；

Z_ij,equ表征i节点与j节点间的“电气距离”；电气距离越小表示i节点与j节点间的耦合性越强，当i节点发生扰动时，与之关联的j节点受其影响越大，发生连锁故障的概率越高；电气距离越大表示i节点与j节点间的耦合性越弱，当i节点发生扰动时，与之关联的j节点受其影响越小，发生连锁故障概率越低；

步骤(2)由步骤(1)所得节点间电气距离构建节点特征矩阵X_i×j；

在系统内，i节点与各负荷节点间的电气距离可构成集合x_i：

x_i＝{Z_i1,equ,Z_i2,equ,…,Z_ij,equ} (公式二)

该集合通过i节点与各负荷节点间的电气距离来反映i节点在整个系统中的耦合特性；

所有负荷节点的电气距离集合x_i可构成节点特征矩阵X_i×j：

节点特征矩阵可反映所有负荷节点在整个系统中的耦合特性；

步骤(3)对X_i×j进行聚类分析，实现节点分区；

应用层次聚类法对步骤2所构造节点特征矩阵进行分析；通过计算所有簇之间的特征距离来确定它们之间的相似度；距离越小，相似度越高，并将距离最近的簇或类别进行组合，实现节点分区，且簇数为分区个数；

计算簇间特征距离时，采用均值距离，即计算两个簇内的每个数据点与其他所有数据点的平均距离：

其中，ω_k和ω_l分别代表两个簇；x_n为簇ω_k内节点，x_m为簇ω_l内节点；d_nm表示x_n∈ω_k和x_m∈ω_l之间的欧式距离；n_k和n_l分别表示簇ω_k与ω_l内的样本点数；

步骤(4)确定退役同步发电机组所补偿分区；

确定退役同步发电机组所补偿分区时，应以无功补偿就地平衡为原则；

以退役同步发电机组所处地理位置为依据，确定其运行厂址所在的负荷节点分区为其应补偿分区。

步骤(5)计算所补偿分区内节点的重要度指标值，依此来筛选合适的无功补偿接入点；定义i节点重要度指标F_i为电气耦合度D_e,i与节点稳定系数W_i的乘积：

F_i＝W_i·D_e,i (公式五)

电气耦合度D_e,j为系统中某一节点与其余节点间电气距离之和的倒数：

D_e,i反映节点i与其余节点间耦合关系强弱；D_e,i值越大，表明节点i与系统其它节点之间耦合性越强，所处位置越关键；

节点稳定系数W_i采用局部电压稳定指标来表示，W_i值越大，节点稳定性越差，关键程度越高，具体表示如下：

其中，Z^* _LLij为负荷节点i与j之间的互阻抗的共轭；

为负荷节点j的电压相量；V_Li为负荷节点i的电压幅值；S_j为节点j的系统负荷功率，α_L为负荷节点的集合；

将退役同步发电机组所选择补偿分区内节点按重要度指标F_i大小进行排列，筛选重要度高的节点为分区内补偿节点。

本发明的有益之处在于：

(1)应用层次聚类法将系统负荷节点按内部耦合特性划分为不同的分区，可缩小退役同步机组作调相机运行时无功补偿接入点筛选范围；

(2)根据地理位置确定退役同步发电机组所补偿分区，并通过节点重要度指标筛选合适的无功补偿点；节点重要度指标可清晰地反映出节点在所处分区内的关键程度；

(3)退役同步发电机组做调相机运行时，接入上述确定的补偿节点，可有效发挥其无功补偿能力，保障区域电力网络安全稳定运行。

附图说明

图1是基于退役同步发电机组的无功补偿接入点筛选流程图；图2是IEEE-39节点系统网络拓扑结构；图3是IEEE-39节点系统聚类结果树状图；图4是负荷节点分区图。

具体实施方式

本发明的目的是在无功源地点固定的前提下筛选合适的无功补偿接入点，实现退役同步发电机组对系统的无功补偿。

本发明是一种基于退役同步发电机组的无功补偿接入点筛选方法，其步骤为：

步骤(1)根据所研究系统网络，计算节点等值阻抗Z_ij,equ；

在系统正常运行情况下，根据各节点阻抗可计算节点等值阻抗Z_ij,equ：

Z_ij,equ＝(Z_ii-Z_ij)-(Z_ij-Z_jj) (公式一)

其中，Z_ii，Z_jj分别为节点i、j的自阻抗；Z_ij为节点i与j间互阻抗。

Z_ij,equ表征i节点与j节点间的“电气距离”；电气距离越小表示i节点与j节点间的耦合性越强，当i节点发生扰动时，与之关联的j节点受其影响越大，发生连锁故障的概率越高；电气距离越大表示i节点与j节点间的耦合性越弱，当i节点发生扰动时，与之关联的j节点受其影响越小，发生连锁故障概率越低。

本发明以IEEE-39节点标准系统网络为分析对象，其拓扑结构如图2所示；其中节点1-29为系统负荷节点，30-39为系统发电机节点；计算负荷节点间电气距离，如表1所示：

表1负荷节点电气距离

步骤(2)由步骤1所得节点间电气距离构建节点特征矩阵X_i×j；

在系统内，i节点与各负荷节点间的电气距离可构成集合x_i：

x_i＝{Z_i1,equ,Z_i2,equ,…,Z_ij,equ} (公式二)

该集合通过i节点与各负荷节点间的电气距离来反映i节点在整个系统中的耦合特性；

所有负荷节点的电气距离集合x_i可构成节点特征矩阵X_i×j：

节点特征矩阵可反映所有负荷节点在整个系统中的耦合特性；

步骤(3)对X_i×j进行聚类分析，实现节点分区；

应用层次聚类法对步骤2所构造节点特征矩阵进行分析；通过计算所有簇之间的特征距离来确定它们之间的相似度；距离越小，相似度越高，并将距离最近的簇或类别进行合并，实现节点分区，且簇数为分区个数；合并过程如图3所示；

计算簇间特征距离时，采用均值距离，即计算两个簇内的每个数据点与其他所有数据点的平均距离：

其中，ω_k和ω_l分别代表两个簇；x_n为簇ω_k内节点，x_m为簇ω_l内节点；d_nm表示x_n∈ω_k和x_m∈ω_l之间的欧式距离；n_k和n_l分别表示簇ω_k与ω_l内的样本点数；

根据步骤(2)所构建节点特征矩阵X_i×j，对其进行层次聚类，具体步骤如下：

第一步：将每一个负荷节点当成一个初始簇，簇数为N；

第二步：计算每个簇之间的均值距离，并将距离最近的两个簇进行合并；合并后，簇数为N-1；

第三步：针对上一步合并后所产生的N-1个簇，再次计算每个簇之间的欧式距离，并将距离最近的两个簇进行合并；合并后，簇数为N-2；

第四步：重复第三步工作，直到达到定义的簇的数目。

负荷节点分区结果如表2所示：

表2负荷节点分区结果

其中节点20为孤立节点，可将其按地理位置划入区域3；节点地理位置分布及分区如图4所示；

最终，各个分区内部的节点耦合性强，而不同分区间的节点耦合性弱；在针对单个分区进行补偿时，可有效保证该分区内的动态无功配置，保障系统的安全稳定性运行；而分区内的节点受其它分区无功补偿影响较小，可有效避免无功补偿在各分区间产生交互影响。

步骤(4)确定退役同步发电机组所补偿分区；

确定退役同步发电机组所补偿分区时，应以无功补偿就地平衡为原则；

对退役同步发电机组所处地理位置进行分析，确定其运行厂址所在的负荷节点分区为其应补偿分区。

A、B两处退役火电厂址所处地理位置如图3标注所示；根据其所在地理位置，选择所处分区为其无功补偿区域，即A厂针对分区2进行无功补偿，B厂针对分区3进行无功补偿；

步骤(5)计算所补偿分区内节点的重要度指标值，依此来筛选合适的无功补偿接入点；本发明定义i节点重要度指标F_i为电气耦合度D_e,i与节点稳定系数W_i的乘积：

F_i＝W_i·D_e,i (公式五)

电气耦合度D_e,j为系统中某一节点与其余节点间电气距离之和的倒数：

D_e,i可以反映节点i与其余节点间耦合关系强弱；D_e,i值越大，表明节点i与系统其它节点之间耦合性越强，所处位置越关键；

节点稳定系数W_i采用局部电压稳定指标来表示，W_i值越大，节点稳定性越差，关键程度越高，具体表示如下：

其中，Z^* _LLij为负荷节点i与j之间的互阻抗的共轭；

为负荷节点j的电压相量；V_Li为负荷节点i的电压幅值；S_j为节点j的系统负荷功率，α_L为负荷节点的集合；

相比电气耦合度D_e,i，节点重要度指标F_i在电气耦合度D_e,i的基础上，为其乘以合适的稳定系数W_i，可以更加清晰地反映系统网络中某一节点的重要程度；

计算分区2、3内节点重要度指标，如下表3、4所示：

表3分区2节点重要度指标F_i

表4分区3节点重要度指标F_i

将退役同步发电机组所选择补偿分区内节点按重要度指标F_i大小进行排列，筛选重要度高的节点为分区内补偿节点。

节点14为分区2内重要度最高的节点，且与退役同步发电机组A距离较近，选取其作为分区2的无功补偿接入点。节点19为分区3内重要度最高的节点，但其距离退役同步发电机组B距离较远；综合考虑补偿线路基建费用及无功线路损耗等因素，选取次重要节点23作为无功补偿接入点；退役同步发电机组接入筛选后的补偿节点，可为系统提供无功支撑，提高系统运行稳定性。

Claims (1)

1.一种是基于退役同步发电机组的无功补偿接入点筛选方法，其特征在于，其步骤为：

步骤(1)根据所研究系统网络，计算节点等值阻抗Z_ij,equ；

在系统正常运行情况下，根据各节点阻抗可计算节点等值阻抗Z_ij,equ：

Z_ij,equ＝(Z_ii-Z_ij)-(Z_ij-Z_jj) (公式一)

其中，Z_ii，Z_jj分别为节点i、j的自阻抗；Z_ij为节点i与j间互阻抗；

Z_ij,equ表征i节点与j节点间的“电气距离”；电气距离越小表示i节点与j节点间的耦合性越强，当i节点发生扰动时，与之关联的j节点受其影响越大，发生连锁故障的概率越高；电气距离越大表示i节点与j节点间的耦合性越弱，当i节点发生扰动时，与之关联的j节点受其影响越小，发生连锁故障概率越低；

步骤(2)由步骤(1)所得节点间电气距离构建节点特征矩阵X_i×j；

在系统内，i节点与各负荷节点间的电气距离可构成集合x_i：

x_i＝{Z_i1,equ,Z_i2,equ,…,Z_ij,equ} (公式二)

该集合通过i节点与各负荷节点间的电气距离来反映i节点在整个系统中的耦合特性；

所有负荷节点的电气距离集合x_i可构成节点特征矩阵X_i×j：

节点特征矩阵可反映所有负荷节点在整个系统中的耦合特性；

步骤(3)对X_i×j进行聚类分析，实现节点分区；

应用层次聚类法对步骤(2)所构造节点特征矩阵进行分析；通过计算所有簇之间的特征距离来确定它们之间的相似度；距离越小，相似度越高，并将距离最近的簇或类别进行组合，实现节点分区，且簇数为分区个数；

计算簇间特征距离时，采用均值距离，即计算两个簇内的每个数据点与其他所有数据点的平均距离：

其中，ω_k和ω_l分别代表两个簇；x_n为簇ω_k内节点，x_m为簇ω_l内节点；d_nm表示x_n∈ω_k和x_m∈ω_l之间的欧式距离；n_k和n_l分别表示簇ω_k与ω_l内的样本点数；

步骤(4)确定退役同步发电机组所补偿分区；

确定退役同步发电机组所补偿分区时，应以无功补偿就地平衡为原则；

以退役同步发电机组所处地理位置为依据，确定其运行厂址所在的负荷节点分区为其应补偿分区；

步骤(5)计算所补偿分区内节点的重要度指标值，依此来筛选合适的无功补偿接入点；

定义i节点重要度指标F_i为电气耦合度D_e,i与节点稳定系数W_i的乘积：

F_i＝W_i·D_e,i (公式五)

电气耦合度D_e,j为系统中某一节点与其余节点间电气距离之和的倒数：

D_e,i反映节点i与其余节点间耦合关系强弱；D_e,i值越大，表明节点i与系统其它节点之间耦合性越强，所处位置越关键；

节点稳定系数W_i采用局部电压稳定指标来表示，W_i值越大，节点稳定性越差，关键程度越高，具体表示如下：

其中，Z^* _LLij为负荷节点i与j之间的互阻抗的共轭；

为负荷节点j的电压相量；V_Li为负荷节点i的电压幅值；S_j为节点j的系统负荷功率，α_L为负荷节点的集合；

将退役同步发电机组所选择补偿分区内节点按重要度指标F_i大小进行排列，筛选重要度高的节点为分区内补偿节点。

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