CN113644650B - 一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法，包括以下步骤：步骤1、生成配电网静态安全域；步骤2、生成不满足静态安全约束的节点集合；步骤3、逐一对越限节点进行校正；步骤4、重新判断是否存在越限节点，如果存在，则返回步骤2，不存在，则结束，输出各节点注入功率。本发明可以通过电网可量测数据对城市电网运行状态进行快速评估，并且通过图形展示使得调度结果更加形象直观，从而提高电网的运行效率。

Description

一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法

技术领域

本发明属于城市配电网技术领域，涉及通过节点的注入功率评估城市配电网的安全裕度并通过图形展示的方法，尤其是一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法。

背景技术

分布式光伏等电源将大量接入城市配电网。风机、光伏等电源的出力具有间歇性、多变性和不确定性，且它们在配电网中的分布也很不均匀，大大增加了系统节点电压和支路潮流越限的概率，需要基于配电网静态安全约束对城市电网运行状态进行快速评估。

定量评价稳态下的电力系统静态安全裕度对保障大电网安全稳定运行具有重大意义。目前，对静态电压稳定裕度的评估方法主要有负荷裕度法、戴维南等值法、潮流法、人工智能法、域边界距离法5种方法。1)负荷裕度法，该方法将静态电压稳定性的评价归结为负荷侧稳定裕度的评估。该方法原理清晰、简明直观，但是实际系统负荷增长方向多变，负荷组合空间过于庞大使得进行大电网裕度评估时显得力不从心；2)戴维南等值法，该方法从顶层视角俯视，将大电网高度降维为两节点系统，具备一定的思想创新性；但是应用线性电路的戴维南等值原理是否能转移至众多元件相互耦合的非线性电力系统中以及戴维南参数精准辨识方法仍需要进一步讨论；3)潮流法，该方法直接利用潮流计算的雅可比矩阵信息，具备一定的理论创新性；但是电网的雅可比矩阵奇异值获取面临大量数值计算，且越接近边界，雅可比矩阵逐渐呈现病态，数值解法难以获得准确奇异值进而影响评估结果；4)人工智能法，该方法主要通过构建电网运行状态与稳定标签的映射关系定量评估稳定裕度。训练器一旦形成即可在线使用，具有一定借鉴价值，但是该方法于数据中挖掘所得的“知识”不明，难以为电力调度人员提供可解释性的“运行经验”，其实用性仍需进一步评估；5)域边界距离法，该方法主要是通过构建静态电压稳定域，通过当前运行点与边界的相对距离来衡量系统的稳定程度，该类方法评估稳定裕度主要受限于高维稳定域的形成，进而影响系统当前运行点至稳定边界的距离评价，难以为电压稳定评估提供可靠依据，因此对于调度部门而言，急需一种评估方法可以通过电网可量测数据对城市电网运行状态进行快速评估，并且通过图形展示使得调度结果更加形象直观，从而提高电网的运行效率。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法，可以通过电网可量测数据对城市电网运行状态进行快速评估，并且通过图形展示使得调度结果更加形象直观，从而提高电网的运行效率。

本发明解决其现实问题是采取以下技术方案实现的：

一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法，包括以下步骤：

步骤1、生成配电网静态安全域；

步骤2、生成不满足静态安全约束的节点集合；

步骤3、逐一对越限节点进行校正；

步骤4、重新判断是否存在越限节点，如果存在，则返回步骤2，不存在，则结束，输出各节点注入功率。

而且，所述步骤1的具体方法为：

对于含有N个节点的配电网，配电网节点电压上下限约束以及线路潮流约束可表示为：

V_i ^m≤V_i,t≤V_i ^M (1)

其中，V_i,t表示配电网第i个节点t时刻的节点电压幅值；V_i ^M和V_i ^m表示配电网第i个节点电压幅值的上下限；I_ij,t表示第i个节点和第j个节点之间的线路电流的幅值；第i个节点和第j个节点之间的线路电流的上限；

配电网静态安全域是从域的角度描述静态安全约束，配电网任一节点 i∈N对应的静态电压安全域的，可用下式表示：

式中，P_k和Q_k分别为节点k的有功功率和无功功率和/>分别为节点 k的有功功率和无功功率注入在电压静态安全域边界超平面表达式中对应的系数；对于既定的网络拓扑结构和V₀，/>和/>是常数。由于节点功率注入对应的超平面系数越大，其注入变化对电压幅度的影响越大，/>和/>为节点j电压下限所对应的安全域边界超平面表达式的参量；

配电网任一节点i∈N对应的静态热稳定安全域的解析表达式，可用下式表示：

式中和/>分别为节点k有功功率和无功功率注入在THSR边界超平面表达式中对应的系数；对于既定的网络拓扑和根节点电压V₀，/>和/>是常数；由于功率注入系数越大，功率注入的变化对电流幅度的影响越大；

鉴于线路l_ij电流的上、下限约束的幅值相等、符号相反，通过整理可得线路l_ij电流的上、下限约束所对应的热稳定安全域表达式为：

同时，由含功率可控设备的节点所确定的有功功率和无功功率容许范围可表示为：

在描述安全域时，以x_β＝(P^T,Q^T)∈R²ⁿ为节点功率注入向量，继而整个电网对应的静态电压安全域可表示为：

整个配电网对应的热稳定安全域可表示为：

同时，由可控设备定额所确定的有功功率和无功功率容许范围可表示为：

式中和/>是在n维功率注入空间上给定的超长方体；

节点功率注入空间上的配电网静态安全域可表示为：

考虑到Ω_V，Ω_T，和/>在2n维空间上均可由凸超多面体近似表示，继而可得，配电网静态安全域的每个边界面在工程实用范围内均可由超平面近似表示，亦即整个配电网静态安全域在功率注入空间上可由凸超多面体近似表示。

而且，所述步骤2的具体方法为：

由步骤1可得到配电网静态安全域的超平面表达式，将各个节点的注入功率逐一代入基于配电网静态安全域所表示的配电网静态安全约束，判断是否满足静态安全约束，得到不满足约束条件的节点集合B。

而且，所述步骤3的具体步骤包括：

(1)令i＝1，用n表示集合B中元素的个数；

(2)确定第i个节点不满足约束条件的超平面，将节点输入功率逐一代入配电网静态安全约束，当不满足约束条件时，执行(3)，满足时执行(10)；

(3)生成功率可控节点的节点集合C；

(4)对集合C中的元素根据越限超平面系数进行优先级排序；

(5)令j＝1,用m表示集合C中元素的个数；

(6)生成第j个节点与第j+1个节点输入功率的可行域；

(7)如果可行域不为空，则用图形化展示可控节点注入功率的可行域，否则，则令j＝j+1，返回(6)；

(8)计算可行域内的点对应的集合B中第i个节点距离越限超平面的距离，根据安全裕度指标得出可控节点的最佳调节量；

(9)继续判断B中第i个节点是否满足其他约束条件，如果都满足，则转至(10)，如果不满足转至(3)；

(10)令i＝i+1，判断i是否大于n，如果是，则越限节点全部校正结束，如果否，返回(2)。

而且，所述步骤3第(8)步的具体方法为：

可行域内的每一个点都满足静态安全约束，基于安全裕度确定可控节点的注入功率调节量；静态电压稳定裕度的大小表征电网在稳态情况下维持电压稳定运行的能力，此时，运行点距各个边界的距离用集合L表示，此时第 i个节点静态电压稳定裕度用下式计算，即为新的运行点至稳定边界的最小距离：

d(i)＝minL (12)

在二维平面中运行点至第x个约束条件的距离可用下式计算：

选择可行域中静态安全裕度最大的点为新的运行点，从而确定可控节点注入功率的最佳调节量。

本发明的优点和有益效果：

本发明在计及配电网中节点电压上下限约束以及线路传输功率约束的条件下，利用电网已获得的节点功率量测数据，对配电网运行状态进行快速判断，并且对于不满足静态安全约束的节点进行校正，可通过图形化展示可控节点注入功率的可行调节范围，供运行调度人员选择。首先，与逐点法不同，本发明利用的是配电网静态安全域解析式，可根据配电网拓扑快速生成静态安全域，更加适用于拓扑状态频繁变化的配电网；然后，基于配电网静态安全域的超平面表达式可实现对配电网运行状态的快速判稳；其次，基于配电网静态安全域的原理，按照超平面系数对可控节点的调节顺序予以排序，可以对不满足静态安全约束的节点进行快速校正；最后，通过图形展示节点功率的可行域，为调度人员决策提供有力支撑。

附图说明

图1为本发明的处理流程图；

图2为本发明的可控节点注入功率所对应的可行域示意图；

图3为本发明的新的运行点所对应的安全裕度示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例作进一步详述：

本发明提出一种城市配电网静态安全快速评估、校正与图形展示方法，①不同于已有研究利用逐点法生成配电网安全域，本发明通过配电网安全域的解析表达式，可快速生成配电网静态安全域，包括配电网静态电压安全域和配电网热稳定域；②本发明基于构建的配电网静态安全域，利用电网容易获得的节点注入功率对电网运行状态进行快速评估；③基于配电网静态安全域的原理，可以对越限节点进行快速校正，并且通过图形展示可控节点注入功率的可行域；④根据提出的安全裕度指标，对可行域内的点进行筛选，确定最佳的注入功率调节量。

一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤1、生成配电网静态安全域；

配电网静态安全域是从域的角度描述静态安全约束，配电网静态安全约束包括节点电压上下限约束、线路电流上限约束以及节点注入功率上下限约束，配电网静态电压安全域和热稳定安全域可利用解析式快速生成，所有约束条件的交集即为配电网静态安全域。

在本实施例中，所述步骤1的具体方法为：

对于含有N个节点的配电网，配电网节点电压上下限约束以及线路潮流约束可表示为

V_i ^m≤V_i,t≤V_i ^M (1)

其中，V_i,t表示配电网第i个节点t时刻的节点电压幅值；V_i ^M和V_i ^m表示配电网第i个节点电压幅值的上下限；I_ij,t表示第i个节点和第j个节点之间的线路电流的幅值；第i个节点和第j个节点之间的线路电流的上限。为了计算t时刻的节点电压和线路电流，必须进行潮流计算，由于线路潮流的非线性，使得求解线路潮流比较困难。

配电网静态安全域是从域的角度描述静态安全约束，配电网任一节点 i∈N对应的静态电压安全域的，可用下式表示：

式中，P_k和Q_k分别为节点k的有功功率和无功功率和/>分别为节点k的有功功率和无功功率注入在电压静态安全域边界超平面表达式中对应的系数。对于既定的网络拓扑结构和V₀，/>和/>是常数。由于节点功率注入对应的超平面系数越大，其注入变化对电压幅度的影响越大，/>和/>为节点j电压下限所对应的安全域边界超平面表达式的参量。

配电网任一节点i∈N对应的静态热稳定安全域的解析表达式，可用下式表示：

式中和/>分别为节点k有功功率和无功功率注入在THSR边界超平面表达式中对应的系数。对于既定的网络拓扑和根节点电压V₀，/>和/>是常数。由于功率注入系数越大，功率注入的变化对电流幅度的影响越大。

鉴于线路l_ij电流的上、下限约束的幅值相等、符号(方向)相反，通过整理可得线路l_ij电流的上、下限约束所对应的热稳定安全域表达式为：

同时，由含功率可控设备的节点所确定的有功功率和无功功率容许范围可表示为：

在描述安全域时，以x_β＝(P^T,Q^T)∈R²ⁿ为节点功率注入向量，继而整个电网对应的静态电压安全域可表示为：

整个配电网对应的热稳定安全域可表示为：

同时，由可控设备定额所确定的有功功率和无功功率容许范围可表示为：

式中和/>是在n维功率注入空间上给定的超长方体；

节点功率注入空间上的配电网静态安全域可表示为：

考虑到Ω_V，Ω_T，和/>在2n维空间上均可由凸超多面体近似表示，继而可得，配电网静态安全域的每个边界面在工程实用范围内均可由超平面近似表示，亦即整个配电网静态安全域在功率注入空间上可由凸超多面体近似表示。

步骤2、生成不满足静态安全约束的节点集合；

所述步骤2的具体方法为：

由步骤1可得到配电网静态安全域的超平面表达式，将各个节点的注入功率逐一代入基于配电网静态安全域所表示的配电网静态安全约束，判断是否满足静态安全约束，得到不满足约束条件的节点集合B；

步骤3、逐一对越限节点进行校正；

所述步骤3的具体步骤包括：

(1)令i＝1，用n表示集合B中元素的个数；

(2)确定第i个节点不满足约束条件的超平面，将节点输入功率逐一代入配电网静态安全约束，当不满足约束条件时，执行(3)，满足时执行(10)；

(3)生成功率可控节点的节点集合C；

在本实施例中，对于负荷节点，如果不考虑需求侧响应，其功率属于不可控，这里功率可控节点主要指的是含储能或者无功补偿设备的节点，或者含分布式电源的节点；

(4)对集合C中的元素根据越限超平面系数进行优先级排序；

在本实施例中，由于功率注入系数越大，功率注入的变化对电流幅度或者节点电压幅值的影响越大。因而可以以此对率可空节点进行排序，需要注意的是，功率可控节点也可以设定由含储能或者无功补偿设备的节点优先出力，从而最大化保证可再生能源的消纳；

(5)令j＝1,用m表示集合C中元素的个数；

(6)生成第j个节点与第j+1个节点输入功率的可行域；

在本实施例中，灵活调整第j个节点与第j+1个节点输入功率时，其余节点功率保持恒定，节点第j个节点与第j+1个节点注入功率可行的变化范围用一系列约束条件表示；

(7)如果可行域不为空，则用图形化展示可控节点注入功率的可行域，否则，则令j＝j+1，返回(6)；

将(6)中所有的不等式约束在二维平面进行展示；此时可行域如图2区域A所示，运行点为o点，当通过调节节点的第j个节点与第j+1个节点输入功率使得运行点由o点变为可行域内的某一点时，则运行点满足静态安全约束，通过图形化展示，可看出调节量的确实存在多解性，调度人员可根据一定的原则比如最大化消纳可再生能源或者经济性等原则进行选取，本发明提出一种基于安全裕度的选取方式；

(8)计算可行域内的点对应的集合B中第i个节点距离越限超平面的距离，根据安全裕度指标得出可控节点的最佳调节量；

所述步骤3第(8)步的具体方法为：

可行域内的每一个点都满足静态安全约束，需要基于本发明提出的安全裕度确定可控节点的注入功率调节量；静态电压稳定裕度的大小表征电网在稳态情况下维持电压稳定运行的能力，新的运行点为图3中的O’，此时，运行点距各个边界的距离用集合L表示，此时第i个节点静态电压稳定裕度用下式计算，即为新的运行点至稳定边界的最小距离：

d(i)＝minL (12)

在二维平面中运行点至第x个约束条件的距离可用下式计算：

选择可行域中静态安全裕度最大的点为新的运行点，从而确定可控节点注入功率的最佳调节量。

(9)继续判断B中第i个节点是否满足其他约束条件，如果都满足，则转至(10)，如果不满足转至(3)；

(10)令i＝i+1，判断i是否大于n，如果是，则越限节点全部校正结束，如果否，返回(2)；

步骤4、重新判断是否存在越限节点

判断是否存在越限节点，如果存在，则返回步骤2，不存在，则结束，输出各节点注入功率。

需要强调的是，本发明所述实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1、生成配电网静态安全域；

步骤2、生成不满足静态安全约束的节点集合；

步骤3、逐一对越限节点进行校正；

步骤4、重新判断是否存在越限节点，如果存在，则返回步骤2，不存在，则结束，输出各节点注入功率；

所述步骤1的具体方法为：

对于含有N个节点的配电网，配电网节点电压上下限约束以及线路潮流约束可表示为：

V_i ^m≤V_i,t≤V_i ^M (1)

其中，V_i,t表示配电网第i个节点t时刻的节点电压幅值；V_i ^M和V_i ^m表示配电网第i个节点电压幅值的上下限；I_ij,t表示第i个节点和第j个节点之间的线路电流的幅值；第i个节点和第j个节点之间的线路电流的上限；

配电网静态安全域是从域的角度描述静态安全约束，配电网任一节点i∈N对应的静态电压安全域的，可用下式表示：

式中，P_k和Q_k分别为节点k的有功功率和无功功率和/>分别为节点k的有功功率和无功功率注入在电压静态安全域边界超平面表达式中对应的系数；对于既定的网络拓扑结构和V₀，/>和/>是常数；由于节点功率注入对应的超平面系数越大，其注入变化对电压幅度的影响越大，/>和/>为节点j电压下限所对应的安全域边界超平面表达式的参量；

配电网任一节点i∈N对应的静态热稳定安全域的解析表达式，可用下式表示：

式中和/>分别为节点k有功功率和无功功率注入在THSR边界超平面表达式中对应的系数；对于既定的网络拓扑和根节点电压V₀，/>和/>是常数；由于功率注入系数越大，功率注入的变化对电流幅度的影响越大；

鉴于线路l_ij电流的上、下限约束的幅值相等、符号相反，通过整理可得线路l_ij电流的上、下限约束所对应的热稳定安全域表达式为：

同时，由含功率可控设备的节点所确定的有功功率和无功功率容许范围可表示为：

在描述安全域时，以x_β＝(P^T,Q^T)∈R²ⁿ为节点功率注入向量，继而整个电网对应的静态电压安全域可表示为：

整个配电网对应的热稳定安全域可表示为：

同时，由可控设备定额所确定的有功功率和无功功率容许范围可表示为：

式中和/>是在n维功率注入空间上给定的超长方体；

节点功率注入空间上的配电网静态安全域可表示为：

考虑到Ω_V，Ω_T，和/>在2n维空间上均可由凸超多面体近似表示，继而可得，配电网静态安全域的每个边界面在工程实用范围内均可由超平面近似表示，亦即整个配电网静态安全域在功率注入空间上可由凸超多面体近似表示。

2.根据权利要求1所述的一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：

由步骤1可得到配电网静态安全域的超平面表达式，将各个节点的注入功率逐一代入基于配电网静态安全域所表示的配电网静态安全约束，判断是否满足静态安全约束，得到不满足约束条件的节点集合B。

3.根据权利要求1所述的一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤包括：

(1)令i＝1，用n表示集合B中元素的个数；

(2)确定第i个节点不满足约束条件的超平面，将节点注入功率逐一代入配电网静态安全约束，当不满足约束条件时，执行(3)，满足时执行(10)；

(3)生成功率可控节点的节点集合C；

(4)对集合C中的元素根据越限超平面系数进行优先级排序；

(5)令j＝1,用m表示集合C中元素的个数；

(6)生成第j个节点与第j+1个节点注入功率的可行域；

(7)如果可行域不为空，则用图形化展示可控节点注入功率的可行域，否则，则令j＝j+1，返回(6)；

(8)计算可行域内的点对应的集合B中第i个节点距离越限超平面的距离，根据安全裕度指标得出可控节点的最佳调节量；

(9)继续判断B中第i个节点是否满足其他约束条件，如果都满足，则转至(10)，如果不满足转至(3)；

(10)令i＝i+1，判断i是否大于n，如果是，则越限节点全部校正结束，如果否，返回(2)。

4.根据权利要求3所述的一种城市配电网静态评估、校正与图形展示方法，其特征在于：所述步骤3第(8)步的具体方法为：

可行域内的每一个点都满足静态安全约束，基于安全裕度确定可控节点的注入功率调节量；静态电压稳定裕度的大小表征电网在稳态情况下维持电压稳定运行的能力，此时，运行点距各个边界的距离用集合L表示，此时第i个节点静态电压稳定裕度用下式计算，即为新的运行点至稳定边界的最小距离：

d(i)＝minL (12)

在二维平面中运行点至第x个约束条件的距离可用下式计算：

选择可行域中静态安全裕度最大的点为新的运行点，从而确定可控节点注入功率的最佳调节量。