移相变压器选址方法、装置、设备及存储介质与流程

1.本发明实施例涉及电力系统设备安装选址技术，尤其涉及一种移相变压器选址方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.随着我国经济工业化的逐步实现，对电力系统的需求也在不断增加。现在电力系统跟之前相比具有高压远距离输电、区域电网互联及新能源发电不断接入等特征，这也使得我国交流电网结构日趋复杂。
3.电力系统在实际运行的时候，由于会受到线路参数、架构方式等因素的影响，导致线路潮流分布不均匀的情况出现，使得对电力系统的控制更加困难。因此，需要提高系统安全性和电网输送容量。而在电力系统中增加移相变压器进行潮流调控，可在一定程度上提高系统安全性和电网输送容量。
4.但是现行的增加移相变压器方式中，对于移相变压器的选址问题研究的较少，且算法精度较低，计算复杂。


技术实现要素：

5.本发明提供一种移相变压器选址方法、装置、设备及存储介质，以实现对移相变压器的选址，保证移相变压器选址的系统稳定性和经济性。
6.第一方面，本发明实施例提供了一种移相变压器选址方法，包括：
7.获取电力系统的可用传输容量、系统网损数据、功率数据、移相变压器的费用数据；
8.基于所述可用传输容量、所述费用数据构建双层规划模型中的上层模型；
9.基于所述系统网损数据和所述功率数据构建所述双层规划模型中的下层模型；
10.对所述双层规划模型求解获得所述移相变压器的选址参考数据。
11.可选的，所述可用传输容量包括所述电力系统中受电区域的pq节点数量、所述pq节点的负荷增长比例、所述受电区域内各所述pq节点的当前有功负荷以及所述受电区域在基态下的基态有功负荷。
12.可选的，所述可用传输容量p
atc
可用以下公式进行计算：
[0013][0014]
其中，n
pq
为所述电力系统中受电区域的pq节点数量；λ
l
为所述pq节点的负荷增长比例；p
li
为受电区域中i节点的当前有功负荷；p0为所述受电区域在基态下的基态有功负荷。
[0015]
可选的，所述移相变压器的所述费用数据f
cost
可用以下公式进行计算：
[0016][0017]
其中，n
pst
为所述电力系统安装的所述移相变压器的数量；s
pst-i
为所述移相变压器i的容量；c
p
为所述移相变压器的单位容量投资费用，cy分别为所述移相变压器的年运行费用。
[0018]
可选的，所述上层模型可用以下公式进行构建：
[0019][0020]
其中，p
atc
为所述可用传输容量，p
atc.min
为所述电力系统的最小可用传输容量，f
cost
为所述移相变压器的所述费用数据，f
cost.max
为移相变压器的最大投资预算。
[0021]
可选的，所述系统网损数据f
loss
可用以下公式进行计算：
[0022][0023]
其中，n
l
为所述电力系统中所有支路的集合，g
ij
为支路ij的电导，θ
ij
为支路ij的电压相角差，ui为节点i的电压幅值。
[0024]
可选的，所述功率数据可用以下公式进行计算：
[0025][0026]
其中，n为系统总节点数，p
gi
为节点i的发电机有功功率，q
gi
为节点i的发电机无功功率，q
ci
为发电机的无功补偿容量，p
li
为节点i的有功负荷，q
li
为节点i的无功负荷，λ
gi
为送电区域发电机i的有功出力分配系数，λ
l
为受电区域的pq节点的负荷增长系数，p
δi
为所述移相变压器的支路节点i的附加注入的有功功率，q
δi
为所述移相变压器的支路节点i的附加注入的无功功率。
[0027]
可选的，所述下层模型可用以下公式进行构建：
[0028]
[0029]
其中，ui为节点i的电压幅值，uj为节点j的电压幅值，g
ij
为支路ij的电导，θ
ij
为支路ij的电压相角差。
[0030]
第二方面，本发明实施例还提供了一种移相变压器选址装置，其特征在于，包括：
[0031]
获取模块，用于获取电力系统的可用传输容量、系统网损数据、功率数据、移相变压器的费用数据；
[0032]
下层构建模块，用于上层构建模块，用于基于所述可用传输容量、所述费用数据构建双层规划模型中的上层模型；
[0033]
求解模块，用于基于所述系统网损数据和所述功率数据构建所述双层规划模型中的下层模型；
[0034]
对所述双层规划模型求解获得所述移相变压器的选址参考数据。
[0035]
第三方面，本发明实施例还提供了一种移相变压器选址设备，其特征在于，所述设备包括：
[0036]
一个或多个处理器；
[0037]
存储装置，用于存储一个或多个程序；
[0038]
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现如第一方面所述的移相变压器选址方法。
[0039]
本发明通过获取电力系统的可用传输容量、系统网损数据、功率数据、移相变压器的费用数据，然后利用获取的可用传输容量、系统网损数据、功率数据、移相变压器的费用数据构建双层规划模型，最后对双层规划模型进行求解，为移相变压器的安装提供兼具保障电力系统稳定性和经济性要求的选址参考数据，采用双层规划模型对移相变压器的选址进行数据计算，有效的提高了移相变压器的选址计算速度和计算精度。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例一中的移相变压器选址方法的流程图；
[0041]
图2为本发明实施例二中的移相变压器选址装置的结构示意图；
[0042]
图3为本发明实施例三中的移相变压器选址设备的结构示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
[0044]
实施例一
[0045]
图1为本发明实施例一提供的移相变压器选址方法的流程图，本实施例可适用于对移相变压器的安装进行选址的情况，该方法可以由移相变压器选址装置来执行，该移相变压器选址装置可以由软件和/或硬件实现，可配置在计算机设备种，例如，服务器、工作站、个人电脑，等等，该方法具体包括如下步骤：
[0046]
步骤110、获取电力系统的可用传输容量、系统网损数据、功率数据、移相变压器的费用数据。
[0047]
电力系统是由发电厂、送变电线路、供配电所和用电等环节组成的电能生产与消
费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、优质的电能。
[0048]
电力系统的主体结构有电源(水电站、火电厂、核电站等发电厂)，变电所(升压变电所、负荷中心变电所等)，输电、配电线路和负荷中心。各电源点还互相联接以实现不同地区之间的电能交换和调节，从而提高供电的安全性和经济性。输电线路与变电所构成的网络通常称电力网络。电力系统的信息与控制系统由各种检测设备、通信设备、安全保护装置、自动控制装置以及监控自动化、调度自动化系统组成。电力系统的结构应保证在先进的技术装备和高经济效益的基础上，实现电能生产与消费的合理协调。
[0049]
其中，可用传输容量指的是系统可用输电能力(available transfer capability，atc)，具体指两区域在现有的传输功率基础上，在保障系统安全、稳定运行的情况下，电网剩余可传输的输电容量。系统网损数据，又称线损数据，主要指的是在电能传输过程中，以热能的形式而散发的功率损失。包括电阻或电导所消耗的有功功率和一部分由线路的电抗、变压器铁芯的感纳、变压器铜线绕制而成的电抗以磁能的形式消耗的无功功率。另外，线路对地支路的电纳为容性，其不但不消耗无功功率，而且还能为线路注入无功功率。在输电和配电的过程中，变压器和线路上损失的网损能量，称为系统网损数据。功率数据则包括电力系统在运行中的有功功率和无功功率，以及电力系统在运行过程中的有功负荷和无功负荷等。费用数据则可包括移相变压器本体设备、开关、建设费用及年运行费，其中移相变压器本体设备、开关、建设费用可综合计算成移相变压器单位容量投资费用。
[0050]
步骤120、基于可用传输容量、费用数据构建双层规划模型中的上层模型。
[0051]
步骤130、基于系统网损数据和功率数据构建双层规划模型中的下层模型。
[0052]
步骤140、对双层规划模型求解获得移相变压器的选址参考数据。
[0053]
双层规划是双层决策系统优化的数学模型，它是一种具有二层递阶结构的系统优化问题，上层决策者和下层决策者都有各自的目标，数和约束条件，上层先给定一个决策变量，下层各子系统以这个决策变量为参量，根据自己目标函数和约束条件，在可能的范围内求得一个最优值，并将自己的最佳反应反馈给上层，上层再在下层的最佳反应的基础上，在可能的范围内求得整体上的最优解。
[0054]
在本发明实施例中，分别以传输容量、费用数据和系统网损数据、功率数据构建双层规划模型的上层模型和下层模型，并最后对双层模型进行联合求解，以此获得符合经济性和网损要求的移相变压器的选址参考数据，为移相变压器的选址提供参考依据。
[0055]
本实施例的技术方案，通过获取电力系统的可用传输容量、系统网损数据、功率数据、移相变压器的费用数据，然后利用获取的可用传输容量、系统网损数据、功率数据、移相变压器的费用数据构建双层规划模型，最后对双层规划模型进行求解，为移相变压器的安装提供兼具保障电力系统稳定性和经济性要求的选址参考数据，采用双层规划模型对移相变压器的选址进行数据计算，有效的提高了移相变压器的选址计算速度和计算精度。
[0056]
在具体实现中，可用传输容量可包括电力系统中受电区域的pq节点数量、pq节点的负荷增长比例、受电区域内各pq节点的当前有功负荷以及受电区域在基态下的基态有功
负荷。以及安装的移相变压器的数量、移相变压器的容量、移相变压器的单位容量投资费用、移相变压器的年运行费用等。
[0057]
其中，电力系统的可用传输容量(available transfer capability，atc)可用以下等式进行表示：
[0058]
p
atc
＝p
ttc-p
trm-p
cbm-p
etc
[0059]
式中，p
ttc
为电力系统的最大输电能力，p
trm
为输电可靠性裕度，p
cbm
为容量效益裕度，p
etc
为现存输电协议量。
[0060]
在一个可选的实施例中，在安装移相变压器后，电力系统的可用传输容量p
atc
可用以下公式进行计算：
[0061][0062]
其中，n
pq
为电力系统中受电区域的pq节点数量；λ
l
为pq节点的负荷增长比例；p
li
为受电区域中i节点的当前有功负荷；p0为受电区域在基态下的基态有功负荷。
[0063]
在具体实现中，对于移相变压器的费用数据f
cost
可用以下公式进行计算：
[0064][0065]
其中，n
pst
为电力系统安装的移相变压器的数量；s
pst-i
为移相变压器i的容量；c
p
为移相变压器的单位容量投资费用，cy分别为移相变压器的年运行费用。
[0066]
综上，双层规划模型中的上层模型的多目标函数可表示为：
[0067]
f＝min(-f
atc
,f
cost
)
[0068]
进一步的，上层模型约束主要为atc和投资预算约束，要求atc高于国标要求，投资预算总额在其预算之内，即上层模型为：
[0069][0070]
其中，p
atc
为可用传输容量，p
atc.min
为电力系统的最小可用传输容量，f
cost
为移相变压器的费用数据，f
cost.max
为移相变压器的最大投资预算。
[0071]
在本发明实施例中，下层模型的主体为多节点输电网，以系统有功网损最小为目标函数。在加入移相变压器之后，电力系统的系统网损数据应该控制在合理的范围之内。所以系统网损数据f
loss
可用以下公式进行计算：
[0072][0073]
其中，n
l
为电力系统中所有支路的集合，g
ij
为支路ij的电导，θ
ij
为支路ij的电压相角差，ui为节点i的电压幅值。
[0074]
下层模型的等式约束条件为安装移相变压器之后的电力系统有功功率、无功功率平衡约束。功率数据可用以下公式进行计算：
[0075][0076]
其中，n为系统总节点数，p
gi
为节点i的发电机有功功率，q
gi
为节点i的发电机无功功率，q
ci
为发电机的无功补偿容量，p
li
为节点i的有功负荷，q
li
为节点i的无功负荷，λ
gi
为送电区域发电机i的有功出力分配系数，即发电机i额外承担受电区域的总增加负荷的百分比，在受电区域中λ
gi
＝0，λ
l
为受电区域的pq节点的负荷增长系数，在发电区域中λ
l
＝0，p
δi
为移相变压器的支路节点i的附加注入的有功功率，q
δi
为移相变压器的支路节点i的附加注入的无功功率，对于不含移相变压器支路，则忽略p
δi
、q
δi
两项。
[0077]
则下层模型可用以下公式进行构建：
[0078][0079]
其中，ui为节点i的电压幅值，uj为节点j的电压幅值，g
ij
为支路ij的电导，θ
ij
为支路ij的电压相角差。
[0080]
进一步的，在本发明实施例中，节点电压约束函数可表示为：
[0081][0082]
式中，分别为i节点所允许的最低电压和最大电压。
[0083]
发电机无功出力约束函数可表示为：
[0084][0085]
式中，分别为发电机i的最小及最大无功出力，ng为系统发电机数量。
[0086]
支路传输功率约束函数可表示为：
[0087][0088]
式中，s
ij
、分别为线路或变压器支路ij的传输功率和功率上限；n
l
为系统的支路数。
[0089]
n-1静态安全约束函数可表示为：
[0090][0091]
式中，为支路mn断开后，支路ij的传输功率。
[0092]
发电机有功出力约束函数可表示为：
[0093][0094]
式中，分别为发电机i的最小及最大有功出力，n
sg
为系统发电机数量。
[0095]
移相变压器台数约束函数可表示为：
[0096]npst
≤n
max
[0097]
式中，n
pst
为系统中实际安装的移相变压器数量；n
max
变压器最大数量。
[0098]
移相变压器档位约束函数可表示为：
[0099][0100]
式中，ti为第i台移相变压器档位；分别为第i台移相变压器档位上下限。
[0101]
综上，上层移相变压器规划模型为：
[0102][0103]
下层多节点输电网规划模型为：
[0104][0105]
而在实际实现中，针对上述所建立的非线性双层多目标规划模型，启发式算法求
解精度和效率均无法得到保证。为了降低模型计算的复杂度，采用卡罗需-库恩-塔克kkt(karojan-kuhn-tucker)最优性条件对模型进行转化，将下层规划模型转化至上层，最终将模型转换为完全线性可解的单层多目标规划模型。
[0106]
针对下层模型构造拉格朗日函数l(x)：
[0107][0108]
其中，x＝[x1,x2,
…
,xn]，n为下层各决策变量数量；fi(x)，gj(x)分别为下层模型的第i个不等式约束和第j个等式约束；i、e分别为下层模型的不等式约束编号集合和等式约束编号集合；λi、hj分别为下层模型第i个不等式约束和第j个等式约束对应的拉格朗日乘子；f(x)为下层模型目标函数。
[0109]
则下层模型可转化为以下kkt条件：
[0110]
原始可行域：
[0111][0112]
对偶可行域：
[0113]
λi≥0 i∈i
[0114]
互补松弛条件：
[0115]
λ
ifi
(x)＝0 i∈i
[0116]
稳定性条件：
[0117][0118]
在完成下层模型kkt转化后，整体规划模型可表示为：
[0119][0120]
其中，分别为转换后的模型等式约束与不等式约束。
[0121]
接着，对上述模型进行求解，获得pareto前沿，并最终获得最优的移相变压器选址参考数据。
[0122]
实施例二
[0123]
图2为本发明实施例二提供的一种移相变压器选址装置的结构图。该装置包括：获取模块21、上层构建模块22、下层构建模块23和求解模块24。其中：
[0124]
获取模块21，用于获取电力系统的可用传输容量、系统网损数据、功率数据、移相变压器的费用数据；
[0125]
上层构建模块22，用于基于可用传输容量、费用数据构建双层规划模型中的上层模型；
[0126]
下层构建模块23，用于基于系统网损数据和功率数据构建双层规划模型中的下层模型；
[0127]
求解模块24，用于对双层规划模型求解获得移相变压器的选址参考数据。
[0128]
示例性的，在本发明实施例中，可用传输容量包括电力系统中受电区域的pq节点数量、pq节点的负荷增长比例、受电区域内各pq节点的当前有功负荷以及受电区域在基态下的基态有功负荷。
[0129]
在本发明实施例中，可用传输容量p
atc
可用以下公式进行计算：
[0130][0131]
其中，n
pq
为电力系统中受电区域的pq节点数量；λ
l
为pq节点的负荷增长比例；p
li
为受电区域中i节点的当前有功负荷；p0为受电区域在基态下的基态有功负荷。
[0132]
在本发明实施例中，移相变压器的费用数据f
cost
可用以下公式进行计算：
[0133][0134]
其中，n
pst
为电力系统安装的移相变压器的数量；s
pst-i
为移相变压器i的容量；c
p
为移相变压器的单位容量投资费用，cy分别为移相变压器的年运行费用。
[0135]
上层构建模块22包括：
[0136]
上层构建单元，可用以下公式进行构建：
[0137][0138]
其中，p
atc
为可用传输容量，p
atc.min
为电力系统的最小可用传输容量，f
cost
为移相变压器的费用数据，f
cost.max
为移相变压器的最大投资预算。
[0139]
在本发明实施例中，系统网损数据f
loss
可用以下公式进行计算：
[0140][0141]
其中，n
l
为电力系统中所有支路的集合，g
ij
为支路ij的电导，θ
ij
为支路ij的电压相角差，ui为节点i的电压幅值。
[0142]
在本发明实施例中，功率数据可用以下公式进行计算：
[0143][0144]
其中，n为系统总节点数，p
gi
为节点i的发电机有功功率，q
gi
为节点i的发电机无功
功率，q
ci
为发电机的无功补偿容量，p
li
为节点i的有功负荷，q
li
为节点i的无功负荷，λ
gi
为送电区域发电机i的有功出力分配系数，λ
l
为受电区域的pq节点的负荷增长系数，p
δi
为移相变压器的支路节点i的附加注入的有功功率，q
δi
为移相变压器的支路节点i的附加注入的无功功率。
[0145]
下层构建模块23包括：
[0146]
下层构建单元，可用以下公式进行构建：
[0147][0148]
其中，ui为节点i的电压幅值，uj为节点j的电压幅值，g
ij
为支路ij的电导，θ
ij
为支路ij的电压相角差。
[0149]
本实施例提供的一种移相变压器选址装置可用于执行上述实施例提供的一种移相变压器选址方法，具有相应的功能和有益效果。
[0150]
实施例三
[0151]
图3为本发明实施例三提供的一种移相变压器选址设备的结构示意图，如图c所示，该设备包括处理器30、存储器31、通信模块32、输入装置33和输出装置34；设备中处理器30的数量可以是一个或多个，图3中以一个处理器30为例；设备中的处理器30、存储器31、通信模块32、输入装置33和输出装置34可以通过总线或其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。
[0152]
存储器31作为一种计算机可读存储介质，可用于存储软件程序、计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的移相变压器选址方法对应的模块(例如，移相变压器选址装置中的获取模块21、上层构建模块22、下层构建模块23和求解模块24)。处理器30通过运行存储在存储器31中的软件程序、指令以及模块，从而执行设备的各种功能应用以及数据处理，即实现上述的移相变压器选址方法。
[0153]
存储器31可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序；存储数据区可存储根据终端的使用所创建的数据等。此外，存储器31可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实例中，存储器31可进一步包括相对于处理器30远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至设备/终端/服务器。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
[0154]
通信模块32，用于与显示屏建立连接，并实现与显示屏的数据交互。输入装置33可用于接收输入的数字或字符信息，以及产生与电子设备的用户设置以及功能控制有关的键信号输入，输出装置34可包括显示屏等显示设备。
[0155]
本实施例提供的一种设备，可执行本发明任一实施例提供的移相变压器选址方
法，具体相应的功能和有益效果。
[0156]
实施例四
[0157]
本发明实施例四还提供一种包含计算机可执行指令的存储介质，所述计算机可执行指令在由计算机处理器执行时用于执行一种移相变压器选址方法，该方法包括：
[0158]
获取电力系统的可用传输容量、系统网损数据、功率数据、移相变压器的费用数据；
[0159]
基于可用传输容量、费用数据构建双层规划模型中的上层模型；
[0160]
基于系统网损数据和功率数据构建双层规划模型中的下层模型；
[0161]
对双层规划模型求解获得移相变压器的选址参考数据。
[0162]
当然,本发明实施例所提供的一种包含计算机可执行指令的存储介质,其计算机可执行指令不限于如上所述的方法操作,还可以执行本发明任意实施例所提供的移相变压器选址方法中的相关操作.
[0163]
通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。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，如计算机的软盘、只读存储器(read-only memory,rom)、随机存取存储器(random access memory,ram)、闪存(flash)、硬盘或光盘等，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)执行本发明各个实施例所述的方法。
[0164]
值得注意的是，上述搜索装置的实施例中，所包括的各个单元和模块只是按照功能逻辑进行划分的，但并不局限于上述的划分，只要能够实现相应的功能即可；另外，各功能单元的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本发明的保护范围。
[0165]
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。