CN113656941B - 一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法，包括：读取系统参数，建立综合能源系统的统一潮流模型；采用牛拉法计算潮流，获取系统潮流态和统一雅克比矩阵；根据电网模型参数和当前潮流态计算L指标；根据子系统类型和变量类型对统一雅克比矩阵进行分块，构造一种有关无功功率与电压关系的降阶雅克比矩阵，进而计算降阶雅克比矩阵的最小特征值指标；对L指标和最小特征值指标进行标准化处理；对标准化处理后的两个指标进行加权，得到综合电压稳定性指标。本发明综合考虑了节点电压稳定性和系统整体稳定裕度，计算方法简单，可以有效全面地评估综合能源系统的电压稳定性，为系统静态电压稳定性监测与控制提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源系统稳定性分析的技术领域，尤其是指一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法。
背景技术
随着能源枯竭和环境污染的日益加重，多种新的能源生产和消费方式不断涌现。近年来，关于集成电、气、热等多种能源载体的综合能源系统的关键技术研究已经成为能源革命的新热点。目前，国内外学者对综合能源系统的研究主要集中在建模、规划、运行优化等方面，对稳定性方面的研究较少。
随着经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，电、气、热、冷等的多种负荷的需求急剧增加，给综合能源系统的安全稳定运行带来了巨大压力。因此，对综合能源系统进行稳定性分析以及定量评估系统与临界状态的距离对于系统的安全稳定运行至关重要。
电力系统作为综合能源系统的关键能源网络，与天然气系统、热力系统等有着紧密联系，通过耦合元件实现能源网络的连接，在实现多种能源互补和优化的同时也加剧了安全问题。天然气系统或热力系统作为电力系统的源或负荷，对电力系统的潮流分布会产生一定的影响，进而不同程度地影响电压稳定性。在传统的电力系统中，常用于评估静态电压稳定性的指标有负荷裕度指标、灵敏度指标、雅克比矩阵的特征值或奇异值、L指标等。其中，负荷裕度指标的计算较为麻烦，需要指定负荷的增长方式；灵敏度指标是通过微分关系来反映电压稳定性，只能评估两个变量间的影响关系；基于雅克比矩阵的特征值或奇异值的指标只能定量评估系统最弱模式，无法反映节点的电压稳定性；L指标反映的是系统中各个节点的电压情况，评估的结果较为保守。因此，采用传统电力系统的静态电压稳定性指标无法实现综合能源系统电压稳定性的准确评估。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法，该方法同时考虑了各节点的电压稳定性和系统整体电压稳定裕度，可以通过对系统电压稳定性的全面评估来准确反映综合能源系统当前运行情况，能够解决现有技术中存在的缺陷。
为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法，包括以下步骤：
S1、读取综合能源系统的系统参数，建立系统稳态模型，进而建立统一潮流模型；
S2、基于建立的统一潮流模型，采用牛顿拉夫逊法和牛顿下山法进行潮流计算，获取系统当前运行点的潮流态和统一雅克比矩阵；
S3、基于所获取的潮流态，结合电网模型参数计算L指标；基于所获取的统一雅克比矩阵，根据子系统类型和变量类型对其进行分块，构造一种关于无功功率与电压关系的降阶雅克比矩阵，进而计算基于降阶雅克比矩阵的最小特征值指标；
S4、对L指标和降阶雅克比矩阵的最小特征值指标进行标准化处理；
S5、对标准化处理后的两个独立指标进行加权，得到综合能源系统的综合电压稳定性指标。
进一步，在步骤S1中，综合能源系统考虑的耦合元件是燃气轮机和热电联产机组(CHP)，其中燃气轮机的运行模式为以电定气，热电联产机组(CHP)有以电定热和以热定电两种运行模式；综合能源系统的统一潮流模型能够表示为一组非线性方程组ΔF(X)：
ΔF(X)＝0
式中，X表示系统状态变量；θ、V、m、ts、tr、π、H分别为电压相角、电压幅值、管道流量、节点供水温度、节点回水温度、节点电压和压缩机马力；ΔF表示系统控制变量的不平衡量，包括电力系统的有功功率、无功功率，热力系统的连接节点的节点流量、负荷节点热功率、热源热功率、节点供水温度、节点回水温度、水头损失，天然气系统的气流量这些变量的不平衡量。
进一步，在步骤S2中，基于牛顿拉夫逊法对步骤S1所建立的统一潮流模型进行求解，步骤S1中非线性方程组在稳定运行点的一阶Taylor展开即为更新状态变量的潮流修正方程：
ΔF＝J(X)ΔX
Jge＝[Jfθ JfV]；Jgg＝[Jfπ JfH]
式中，ΔX表示系统状态变量的变化量，包括电压相角的变化量Δθ、电压幅值的变化量ΔV，管道流量的变化量Δm，供水温度的变化量Δts，回水温度的变化量Δtr，节点气压的变化量Δπ和压缩机马力的变化量ΔH；系统控制变量的不平衡量ΔF，包括有功功率的不平衡量ΔP，无功功率的不平衡量ΔQ，热力系统连接节点的节点流量的不平衡量Δmq,c，负荷节点热功率的不平衡量Δφd，热源热功率的不平衡量Δφs，节点供水温度的不平衡量Δφs，节点回水温度的不平衡量ΔTr，回路水头损失的不平衡量Δp，节点气流量的不平衡量Δf；J(X)表示统一雅克比矩阵，包括电、气、热子系统自身变量间的雅克比矩阵块Jee、Jhh、Jgg和子系统间变量相互作用的雅克比矩阵块Jeh、Jeg、Jhe、Jhg、Jge、Jgh，下标e、h和g分别表示电力系统、热力系统和天然气系统；系统控制变量的不平衡量ΔF，包括有功功率的不平衡量ΔP，无功功率的不平衡量ΔQ，热力系统连接节点的节点流量的不平衡量Δmq,c，负荷节点热功率的不平衡量Δφd，热源热功率的不平衡量Δφs，节点供水温度的不平衡量Δφs，节点回水温度的不平衡量ΔTr，回路水头损失的不平衡量Δp，节点气流量的不平衡量Δf；JPθ、JPV、JPm、分别表示有功功率P的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr的偏微分关系；JQθ和JQV分别表示无功功率Q的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V的偏微分关系；/>表示节点流量mq的不平衡量与管道流量m的偏微分关系；/>和/>分别表示负荷节点热功率φd的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/> 分别表示热源节点热功率φs的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m和节点回水温度tr的偏微分关系；/>表示节点供水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/>表示节点回水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度tr的偏微分关系；Jpm表示压头损失与管道流量m的偏微分关系；Jfθ、JfV、Jfm、/>Jfπ和JfH分别表示节点气流量的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr、节点气压π和压缩机马力的偏微分关系；
考虑到潮流计算中天然气系统的初值敏感性，采用牛顿下山法对气网状态变量进行更新，系统状态变量的更新公式为：
式中，分别为电力系统、热力系统和天然气系统第k次迭代时的状态变量，/>分别为电力系统、热力系统和天然气系统第k+1次迭代时的状态变量；/>分别为电力系统、热力系统和天然气系统第k次迭代计算得到的状态变量的变化量；λ(k)为天然气系统状态变量的步长修正因子。
进一步，在步骤S3中，基于所获取的潮流态，结合电网模型参数计算L指标，其过程如下：
S3011、根据节点类型对电力系统节点进行分类，列写多节点系统的节点方程：
式中，下标G和L分别表示发电机节点和负荷节点，Y、/>分别表示电力系统的节点注入电流、节点导纳矩阵和节点电压相量；YGG、YLL分别表示发电机和负荷的自导纳矩阵块；YGL和YLG表示互导纳矩阵块；
S3012、基于步骤S301中的节点导纳矩阵，计算F矩阵FLG：
S3013、计算节点的L指标：
式中，Lj表示节点j的L指标；TG为发电机节点集合；V为电压幅值；i和j表示节点编号；Fji表示发电机节点i对负荷节点j的F矩阵元素；
S3014、计算系统的L指标：
式中，IL表示系统的L指标；TL为发电机节点集合。
进一步，在步骤S3中，基于所获取的统一雅克比矩阵，根据子系统类型和变量类型对其进行分块，构造一种关于无功功率与电压关系的降阶雅克比矩阵，进而计算基于降阶雅克比矩阵的最小特征值指标，其过程如下：
S3021、构造无功功率与系统状态变量的影响关系式：
式中，ΔQ表示无功功率的不平衡量；J表示统一雅可比矩阵；Δθ、ΔV、Δm、Δtr、Δts、Δπ和ΔH分别表示电压相角、电压幅值，热力系统的管道流量、节点供水温度、节点回水温度，节点电压和压缩机马力的变化量；
S3022、推导无功功率与电压幅值的关系式，获取降阶雅克比矩阵JR：
ΔQ＝JRΔV
JF6＝JPθ-JF5JF4Jφθ
JF7＝JPV-JF5JF4JφV
式中，JPθ、JPV、JPm、分别表示有功功率P的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr的偏微分关系；JQθ和JQV分别表示无功功率Q的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V的偏微分关系；/>表示节点流量mq的不平衡量与管道流量m的偏微分关系；/>和/>分别表示负荷节点热功率φd的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/>分别表示热源节点热功率φs的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m和节点回水温度tr的偏微分关系；/>表示节点供水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/> 表示节点回水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度tr的偏微分关系；Jpm表示压头损失与管道流量m的偏微分关系；Jfθ、JfV、Jfm、/>Jfπ和JfH分别表示节点气流量的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr、节点气压π和压缩机马力H的偏微分关系；JF1、JF2、JF3、JF4、JF5、JF6、JF7均为中间变量，JF4由/>中对应非平衡热源节点的列组成；
S3023、对降阶雅克比矩阵进行特征值分解，选取特征值模的最小值作为系统的最小特征值指标：
Ieigen＝min(|μi|)
式中，Ieigen表示系统的最小特征值指标；μi为降阶雅克比矩阵特征值分解后的第i个特征值。
进一步，在步骤S4中，为了使L指标和最小特征值指标的变化趋势和数量级一致，对其进行标准化处理的公式为：
式中，和/>分别表示预处理后的L指标和最小特征值指标；IL、IL,1和IL,cr分别表示系统当前状态、初始状态和临界状态的L指标；Ieigen、Ieigen,1和Ieigen,cr分别表示系统当前状态、初始状态和临界状态的最小特征值指标。
进一步，在步骤S5中，L指标和最小特征值指标的权重分别为ω1和ω2，两个权重的取值根据实际情况而定，表征了对节点电压稳定性和系统电压稳定裕度的不同重视程度，两个权重的和为1，综合电压稳定性指标为：
式中，CVSI表示综合电压稳定性指标；和/>分别表示预处理后的L指标和最小特征值指标。
本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：
1、本发明是一种科学且易行的静态电压稳定性指标计算方法，不仅能评估各节点的电压稳定性，而且能评估系统整体电压稳定裕度，工程实用价值显著，应用前景广泛。
2、本发明构造了一种关于系统无功功率和电压关系的降阶雅克比矩阵，其最小特征值可以体现系统的整体电压稳定裕度。
3、本发明通过标准化处理保证两个独立指标的变化方向和范围一致，通过加权处理实现系统最脆弱节点和整体稳定裕度的全面监测，加权系数反映运营人员对节点电压稳定程度和系统整体电压稳定裕度的不同重视程度，可以对加权系数进行灵活调整，从而为运行调度和安全分析等提供参考。
附图说明
图1是本发明具体实施例的结构示意图。
图2是本发明实施流程图。
图3是本发明的电负荷水平变化时的指标计算结果图。
图4是本发明的热负荷水平变化时的指标计算结果图。
图5是本发明的电和热负荷水平同时变化时的指标计算结果图。
图6是本发明的电和热负荷水平同时变化时的指标灵敏度分析结果图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
本实施例所提供的一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法，包括以下步骤：
S1、读取综合能源系统的系统参数，建立系统稳态模型，进而建立统一潮流模型，具体如下：
综合能源系统考虑的耦合元件是燃气轮机和热电联产机组(CHP)，其中燃气轮机的运行模式为以电定气，热电联产机组(CHP)有以电定热和以热定电两种运行模式；综合能源系统的统一潮流模型能够表示为一组非线性方程组ΔF(X)：
ΔF(X)＝0
式中，X表示系统状态变量；θ、V、m、ts、tr、π、H分别为电压相角、电压幅值、管道流量、节点供水温度、节点回水温度、节点电压和压缩机马力；ΔF表示系统控制变量的不平衡量，包括电力系统的有功功率、无功功率，热力系统的连接节点的节点流量、负荷节点热功率、热源热功率、节点供水温度、节点回水温度、水头损失，天然气系统的气流量这些变量的不平衡量。
S2、基于建立的统一潮流模型，采用牛顿拉夫逊法和牛顿下山法进行潮流计算，获取系统当前运行点的潮流态和统一雅克比矩阵，具体如下：
基于牛顿拉夫逊法对步骤S1所建立的统一潮流模型进行求解，步骤S1中非线性方程组在稳定运行点的一阶Taylor展开即为更新状态变量的潮流修正方程：
ΔF＝J(X)ΔX
Jge＝[Jfθ JfV]；Jgg＝[Jfπ JfH]
式中，ΔX表示系统状态变量的变化量，包括电压相角的变化量Δθ、电压幅值的变化量ΔV，管道流量的变化量Δm，供水温度的变化量Δts，回水温度的变化量Δtr，节点气压的变化量Δπ和压缩机马力的变化量ΔH；系统控制变量的不平衡量ΔF，包括有功功率的不平衡量ΔP，无功功率的不平衡量ΔQ，热力系统连接节点的节点流量的不平衡量Δmq,c，负荷节点热功率的不平衡量Δφd，热源热功率的不平衡量Δφs，节点供水温度的不平衡量Δφs，节点回水温度的不平衡量ΔTr，回路水头损失的不平衡量Δp，节点气流量的不平衡量Δf；J(X)表示统一雅克比矩阵，包括电、气、热子系统自身变量间的雅克比矩阵块Jee、Jhh、Jgg和子系统间变量相互作用的雅克比矩阵块Jeh、Jeg、Jhe、Jhg、Jge、Jgh，下标e、h和g分别表示电力系统、热力系统和天然气系统；系统控制变量的不平衡量ΔF，包括有功功率的不平衡量ΔP，无功功率的不平衡量ΔQ，热力系统连接节点的节点流量的不平衡量Δmq,c，负荷节点热功率的不平衡量Δφd，热源热功率的不平衡量Δφs，节点供水温度的不平衡量Δφs，节点回水温度的不平衡量ΔTr，回路水头损失的不平衡量Δp，节点气流量的不平衡量Δf；JPθ、JPV、JPm、分别表示有功功率P的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr的偏微分关系；JQθ和JQV分别表示无功功率Q的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V的偏微分关系；/>表示节点流量mq的不平衡量与管道流量m的偏微分关系；/>和/>分别表示负荷节点热功率φd的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/> 分别表示热源节点热功率φs的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m和节点回水温度tr的偏微分关系；/>表示节点供水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/>表示节点回水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度tr的偏微分关系；Jpm表示压头损失与管道流量m的偏微分关系；Jfθ、JfV、Jfm、/>Jfπ和JfH分别表示节点气流量的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr、节点气压π和压缩机马力的偏微分关系；
考虑到潮流计算中天然气系统的初值敏感性，采用牛顿下山法对气网状态变量进行更新，系统状态变量的更新公式为：
式中，分别为电力系统、热力系统和天然气系统第k次迭代时的状态变量；/>分别为电力系统、热力系统和天然气系统第k+1次迭代时的状态变量；/>分别为电力系统、热力系统和天然气系统第k次迭代计算得到的状态变量的变化量；λ(k)为天然气系统状态变量的步长修正因子。
S3、基于所获取的潮流态，结合电网模型参数计算L指标，其过程如下：
S3011、根据节点类型对电力系统节点进行分类，列写多节点系统的节点方程：
式中，下标G和L分别表示发电机节点和负荷节点，Y、/>分别表示电力系统的节点注入电流、节点导纳矩阵和节点电压相量；YGG、YLL分别表示发电机和负荷的自导纳矩阵块；YGL和YLG表示互导纳矩阵块；
S3012、基于步骤S301中的节点导纳矩阵，计算F矩阵FLG：
S3013、计算节点的L指标：
式中，Lj表示节点j的L指标；TG为发电机节点集合；V为电压幅值；i和j表示节点编号；Fji表示发电机节点i对负荷节点j的F矩阵元素；
S3014、计算系统的L指标：
式中，IL表示系统的L指标；TL为发电机节点集合。
基于所获取的统一雅克比矩阵，根据子系统类型和变量类型对其进行分块，构造一种关于无功功率与电压关系的降阶雅克比矩阵，进而计算基于降阶雅克比矩阵的最小特征值指标，其过程如下：
S3021、构造无功功率与系统状态变量的影响关系式：
式中，ΔQ表示无功功率的不平衡量；J表示统一雅可比矩阵；Δθ、ΔV、Δm、Δtr、Δts、Δπ和ΔH分别表示电压相角、电压幅值，热力系统的管道流量、节点供水温度、节点回水温度，节点电压和压缩机马力的变化量；
S3022、推导无功功率与电压幅值的关系式，获取降阶雅克比矩阵JR：
ΔQ＝JRΔV
JF6＝JPθ-JF5JF4Jφθ
JF7＝JPV-JF5JF4JφV
式中，JPθ、JPV、JPm、分别表示有功功率P的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr的偏微分关系；JQθ和JQV分别表示无功功率Q的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V的偏微分关系；/>表示节点流量mq的不平衡量与管道流量m的偏微分关系；/>和/>分别表示负荷节点热功率φd的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/>分别表示热源节点热功率φs的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m和节点回水温度tr的偏微分关系；/>表示节点供水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/> 表示节点回水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度tr的偏微分关系；Jpm表示压头损失与管道流量m的偏微分关系；Jfθ、JfV、Jfm、/>Jfπ和JfH分别表示节点气流量的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr、节点气压π和压缩机马力H的偏微分关系；JF1、JF2、JF3、JF4、JF5、JF6、JF7均为中间变量，JF4由/>中对应非平衡热源节点的列组成；
S3023、对降阶雅克比矩阵进行特征值分解，选取特征值模的最小值作为系统的最小特征值指标：
Ieigen＝min(|μi|)
式中，Ieigen表示系统的最小特征值指标；μi为降阶雅克比矩阵特征值分解后的第i个特征值。
S4、对L指标和降阶雅克比矩阵的最小特征值指标进行标准化处理，具体如下：
为了使L指标和最小特征值指标的变化趋势和数量级一致，对其进行标准化处理的公式为：
式中，和/>分别表示预处理后的L指标和最小特征值指标；IL、IL,1和IL,cr分别表示系统当前状态、初始状态和临界状态的L指标；Ieigen、Ieigen,1和Ieigen,cr分别表示系统当前状态、初始状态和临界状态的最小特征值指标。
S5、对标准化处理后的两个独立指标进行加权，得到综合能源系统的综合电压稳定性指标，具体如下：
L指标和最小特征值指标的权重分别为ω1和ω2，两个权重的取值根据实际情况而定，表征了对节点电压稳定性和系统电压稳定裕度的不同重视程度，两个权重的和为1，综合电压稳定性指标为：
式中，CVSI表示综合电压稳定性指标；和/>分别表示预处理后的L指标和最小特征值指标。
本发明关注的是其它子系统对电力系统的影响，考虑的耦合设备主要有热电联产机组和燃气轮机。所以电力系统和热力系统间存在强耦合关系，以热定电的热电联产机组会将热力系统中的扰动传递到电力系统。因此，以IEEE30节点电力系统和32节点热力系统组成的电-热综合能源系统为例，结合技术方案和附图进一步详细说明本发明的具体实施。
如图1所示，实施例包括电力系统、热力系统和热电联产机组。其中，热力系统节点1为热平衡节点，源1为以热定电的热电联产机组，源2和3为以电定热的热电联产机组。
为了说明本发明静态电压稳定性指标计算方法的有效性，设定以下3种场景：
场景1：单独增加电力系统负荷；
场景2：单独增加热力系统负荷；
场景3：以相同负荷增长因子同时增加电力系统和热力系统负荷。
为了进一步说明综合电压稳定性指标评估的灵活性，选取场景3对指标权重进行灵敏度分析，指标权重设置如表1所示。
表1综合灵敏度指标权重设置
| 组数 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| 指标权重w1 | 0.9 | 0.7 | 0.5 | 0.3 | 0.1 |
| 指标权重w2 | 0.1 | 0.3 | 0.5 | 0.7 | 0.9 |
本发明实施流程如图2所示
步骤S1、读取综合能源系统的系统参数，建立统一潮流模型；
步骤S2、确定负荷增长因子，计算负荷水平，进行潮流计算，获取潮流收敛后的运行状态变量和统一雅克比矩阵；
步骤S3、根据电网模型参数和当前潮流态计算电力系统的L指标；
步骤S4、基于统一雅克比矩阵，推导降阶雅克比矩阵JR，对JR进行特征值分解，对获取的特征值取模，再选取最小值作为最小特征值指标；
步骤S5、对L指标和最小特征值指标进行标准化处理；
步骤S6、确定权重系数，对L指标和最小特征值指标进行加权，获取综合电压稳定性指标。
三个场景下指标计算结果分别如图3、图4、图5所示。本发明所构建的降阶雅克比矩阵能很好地评估综合能源系统的整体电压稳定裕度。本发明的综合电压稳定性指标随着负荷水平的增加而不断减小，当系统不稳定时变为负，能同时表征节点电压稳定性和系统整体电压稳定裕度，以及定量评估系统的电压稳定裕度。在三个场景中，场景1和3是由电压不稳定引起的系统不稳定问题，而场景2没有出现电压不稳定问题，说明电压对电负荷变化更为敏感。从图6中综合电压稳定性指标的灵敏度分析结果可知，综合电压稳定性指标对指标权重较敏感，可以通过改变权重来体现系统运行人员对节点电压稳定性和系统整体电压稳定裕度的不同重视程度，从而实现系统不同运行状态下的电压稳定监测。
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)
1.一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、读取综合能源系统的系统参数，建立系统稳态模型，进而建立统一潮流模型；
S2、基于建立的统一潮流模型，采用牛顿拉夫逊法和牛顿下山法进行潮流计算，获取系统当前运行点的潮流态和统一雅克比矩阵，具体如下：
基于牛顿拉夫逊法对步骤S1所建立的统一潮流模型进行求解，步骤S1中非线性方程组在稳定运行点的一阶Taylor展开即为更新状态变量的潮流修正方程：
ΔF＝J(X)ΔX
ΔX＝[Δθ ΔV|Δm Δts Δtr|Δπ ΔH]T
ΔF＝[ΔP ΔQ|Δmq，c Δφld Δφs ΔTs ΔTr Δp|Δf]T
Jeg＝0；
Jhg＝0；
Jge＝[Jfθ JfV]；Jgg＝[Jfπ JfH]
式中，ΔX表示系统状态变量的变化量，包括电压相角的变化量Δθ、电压幅值的变化量ΔV，管道流量的变化量Δm，供水温度的变化量Δts，回水温度的变化量Δtr，节点气压的变化量Δπ和压缩机马力的变化量ΔH；系统控制变量的不平衡量ΔF，包括有功功率的不平衡量ΔP，无功功率的不平衡量ΔQ，热力系统连接节点的节点流量的不平衡量Δmq，c，负荷节点热功率的不平衡量Δφd，热源热功率的不平衡量Δφs，节点供水温度的不平衡量Δφs，节点回水温度的不平衡量ΔTr，回路水头损失的不平衡量Δp，节点气流量的不平衡量Δf；J(X)表示统一雅克比矩阵，包括电、气、热子系统自身变量间的雅克比矩阵块Jee、Jhh、Jgg和子系统间变量相互作用的雅克比矩阵块Jeh、Jeg、Jhe、Jhg、Jge、Jgh，下标e、h和g分别表示电力系统、热力系统和天然气系统；系统控制变量的不平衡量ΔF，包括有功功率的不平衡量ΔP，无功功率的不平衡量ΔQ，热力系统连接节点的节点流量的不平衡量Δmq，c，负荷节点热功率的不平衡量Δφd，热源热功率的不平衡量Δφs，节点供水温度的不平衡量Δφs，节点回水温度的不平衡量ΔTr，回路水头损失的不平衡量Δp，节点气流量的不平衡量Δf；JPθ、JPV、JPm、分别表示有功功率P的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr的偏微分关系；JQθ和JQV分别表示无功功率Q的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V的偏微分关系；/>表示节点流量mq的不平衡量与管道流量m的偏微分关系；/>和/>分别表示负荷节点热功率φd的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/> 分别表示热源节点热功率φs的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m和节点回水温度tr的偏微分关系；/>表示节点供水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/>表示节点回水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度tr的偏微分关系；Jpm表示压头损失与管道流量m的偏微分关系；Jfθ、JfV、Jfm、/>Jfπ和JfH分别表示节点气流量的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr、节点气压π和压缩机马力的偏微分关系；
考虑到潮流计算中天然气系统的初值敏感性，采用牛顿下山法对气网状态变量进行更新，系统状态变量的更新公式为：
式中，分别为电力系统、热力系统和天然气系统第k次迭代时的状态变量；/>分别为电力系统、热力系统和天然气系统第k+1次迭代时的状态变量；/>分别为电力系统、热力系统和天然气系统第k次迭代计算得到的状态变量的变化量；λ(k)为天然气系统状态变量的步长修正因子；
S3、基于所获取的潮流态，结合电网模型参数计算L指标；基于所获取的统一雅克比矩阵，根据子系统类型和变量类型对其进行分块，构造一种关于无功功率与电压关系的降阶雅克比矩阵，进而计算基于降阶雅克比矩阵的最小特征值指标；
基于所获取的统一雅克比矩阵，根据子系统类型和变量类型对其进行分块，构造一种关于无功功率与电压关系的降阶雅克比矩阵，进而计算基于降阶雅克比矩阵的最小特征值指标，其过程如下：
S3021、构造无功功率与系统状态变量的影响关系式：
[0 ΔQ|0 0 0 0 0 0|0]T＝J[Δθ ΔV|Δm Δtr Δts|Δπ ΔH]
式中，ΔQ表示无功功率的不平衡量；J表示统一雅可比矩阵；Δθ、ΔV、Δm、Δtr、Δts、Δπ和ΔH分别表示电压相角、电压幅值，热力系统的管道流量、节点供水温度、节点回水温度，节点电压和压缩机马力的变化量；
S3022、推导无功功率与电压幅值的关系式，获取降阶雅克比矩阵JR：
ΔQ＝JPΔV
JF6＝JPθ-JF5JF4Jφθ
JF7＝JPV-JF5JF4JφV
式中，JPθ、JPV、JPm、分别表示有功功率P的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr的偏微分关系；JQθ和JQV分别表示无功功率Q的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V的偏微分关系；/>表示节点流量mq的不平衡量与管道流量m的偏微分关系；/>和/>分别表示负荷节点热功率φd的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/>分别表示热源节点热功率φs的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m和节点回水温度tr的偏微分关系；/>表示节点供水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度ts的偏微分关系；/> 表示节点回水温度的不平衡量与管道流量m、节点供水温度tr的偏微分关系；Jpm表示压头损失与管道流量m的偏微分关系；Jfθ、JfV、Jfm、/>Jfπ和JfH分别表示节点气流量的不平衡量与节点电压相角θ、节点电压幅值V、管道流量m、节点回水温度tr、节点气压π和压缩机马力H的偏微分关系；JF1、JF2、JF3、JF4、JF5、JF6、JF7均为中间变量，JF4由/>中对应非平衡热源节点的列组成；
S3023、对降阶雅克比矩阵进行特征值分解，选取特征值模的最小值作为系统的最小特征值指标：
Ieigen＝min(|μi|)
式中，Ieigen表示系统的最小特征值指标；μi为降阶雅克比矩阵特征值分解后的第i个特征值；
S4、对L指标和降阶雅克比矩阵的最小特征值指标进行标准化处理；
S5、对标准化处理后的两个独立指标进行加权，得到综合能源系统的综合电压稳定性指标。
2.根据权利要求1所述的一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法，其特征在于，在步骤S1中，综合能源系统考虑的耦合元件是燃气轮机和热电联产机组，其中燃气轮机的运行模式为以电定气，热电联产机组有以电定热和以热定电两种运行模式；综合能源系统的统一潮流模型能够表示为一组非线性方程组ΔF(X)：
ΔF(X)＝0
式中，X表示系统状态变量；X＝[θ V|m ts tr|π H]T，θ、V、m、ts、tr、π、H分别为电压相角、电压幅值、管道流量、节点供水温度、节点回水温度、节点电压和压缩机马力；ΔF表示系统控制变量的不平衡量，包括电力系统的有功功率、无功功率，热力系统的连接节点的节点流量、负荷节点热功率、热源热功率、节点供水温度、节点回水温度、水头损失，天然气系统的气流量这些变量的不平衡量。
3.根据权利要求1所述的一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法，其特征在于，在步骤S3中，基于所获取的潮流态，结合电网模型参数计算L指标，其过程如下：
S3011、根据节点类型对电力系统节点进行分类，列写多节点系统的节点方程：
式中，下标G和L分别表示发电机节点和负荷节点，Y、/>分别表示电力系统的节点注入电流、节点导纳矩阵和节点电压相量；YGG、YLL分别表示发电机和负荷的自导纳矩阵块；YGL和YLG表示互导纳矩阵块；
S3012、基于步骤S301中的节点导纳矩阵，计算F矩阵FLG：
S3013、计算节点的L指标：
式中，Lj表示节点j的L指标；TG为发电机节点集合；V为电压幅值；i和j表示节点编号；Fji表示发电机节点i对负荷节点j的F矩阵元素；
S3014、计算系统的L指标：
式中，IL表示系统的L指标；TL为发电机节点集合。
4.根据权利要求1所述的一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法，其特征在于，在步骤S4中，为了使L指标和最小特征值指标的变化趋势和数量级一致，对其进行标准化处理的公式为：
式中，和/>分别表示预处理后的L指标和最小特征值指标；IL、IL，1和IL，cr分别表示系统当前状态、初始状态和临界状态的L指标；Ieigen、Ieigen，1和Ieigen，cr分别表示系统当前状态、初始状态和临界状态的最小特征值指标。
5.根据权利要求1所述的一种面向综合能源系统的静态电压稳定性指标计算方法，其特征在于，在步骤S5中，L指标和最小特征值指标的权重分别为ω1和ω2，两个权重的取值根据实际情况而定，表征了对节点电压稳定性和系统电压稳定裕度的不同重视程度，两个权重的和为1，综合电压稳定性指标为：
式中，CVSI表示综合电压稳定性指标；和/>分别表示预处理后的L指标和最小特征值指标。/>
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| CN109038550A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-12-18 | 贵州电网有限责任公司 | 基于电压静态稳定性的电力系统自复性指标计算方法 |
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| 一种基于电压静态稳定性的电力系统自复性指标;章熙等;《电测与仪表》;20181110;第55卷(第21期);9-13 * |
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