基于无功-有功网损分区集合域的电压协调控制方法与流程

1.本发明属于电力系统分析、运行与控制技术领域。


背景技术：

2.随着电力工业的高速发展，我国电力网络已成为世界上规模最大、层次和特性最复杂的网络系统之一。研究电力网络的复杂分层分布结构及强耦合性，进而解决新形势下超大规模电网安全监护和优化控制问题，是当前电力系统研究的一个难点和热点。无功电压控制是电网安全控制的重要组成部分，对于保证系统运行的稳定性和经济性有重要意义。而随着电网规模的逐渐增加，利用无功的本地平衡特性，根据一定的规则对其进行无功分区也显得日益重要。
3.在现有研究中，解决无功缺额、节点电压越限问题，而不改变电网结构的主要方法有：调节变压器分接头、限制有功功率、安装电抗器等。但由于越来越多的分布广泛的新能源发电系统接入，使得系统中控制节点增多，如果继续采取上述方法，会导致有功网损变大，甚至影响控制方式的实时性。利用无功补偿就地平衡的特性，亟需对系统进行节点分区，缩小无功补偿装置的搜索范围，进行无功-电压精确调节。节点分区是基于分区的特点进行划分的，其特点是：区域内节点强耦合，区域外节点弱耦合。从而形成内部可以独立运行，外部相互协调的分区工作组。目前的分区方法有：1)由用户指定分区数目的基于聚类的k均值算法、利用社区网络挖掘法、利用配电网结构图论法等，这些方法都未考虑无功就地平衡问题。2)分区多目标算法如：上下层分区改进多目标优化算法、3阶段启发式优化算法对进线高压配电网分区优化等，这些算法并未涉及到系统内由于无功调节而导致增加的有功网损。


技术实现要素：

4.本发明的目的是根据模块度函数模型，对系统进行无功功率-电压灵敏度权重分区和有功网损-电压灵敏度权重分区，提出集合域的概念，再利用提出的无功支撑能力指标进行集合域分区合理性判断的基于无功-有功网损分区集合域的电压协调控制方法。
5.本发明步骤是：s1、无功功率-电压、有功网损-电压灵敏度的求取设节点总数为n，其中包含可以提供无功功率的无功节点集合{g}与负荷节点{l}，系统包含以上节点的控制模型为：式中h、n、j、l分别为控制矩阵中的元素，δqg为无功节点无功功率变化量，δq
l
为负荷节点无功功率变化量，δug为无功节点电压幅值变化量，δu
l
为负荷节点电压变化量；若节点既为无功节点，又为负荷节点，则式(1)为：[δqg]＝[h
gg l
ll
][δu
l
]
ꢀꢀꢀ
(2)
假定负荷节点的注入无功功率不变，即：δq
l
＝0，由式(1)消去无功节点电压变化量δug，得负荷i节点单位电压幅值与无功j节点无功变化量之间的灵敏度表达式为：节点电压幅值变化量表示为：δu＝s
qu,ij
δq
ꢀꢀꢀ
(4)在节点数为n的网络中，系统有功网损-电压关系表示为：利用微分表示全网有功网损对无功功率的灵敏度，改写成矩阵形式：系统网损对节点功率变化的灵敏度表达式为：由于无功功率改变直接影响电压改变，满足式(8)-(9)：(9)：根据式(7)、(9)得有功网损-电压灵敏度表达式为：s2、基于灵敏度的权重无功-电压灵敏度进行权重，得：w＝s
qu,ij
·qi,j
ꢀꢀꢀ
(11)其中：式中：s
qu,ij
为i节点与j节点之间的无功-电压灵敏度；q
i,j,1
表示从首端输入线路的无功功率，q
i,j,2
表示末端流出线路的无功功率，s
qu,ij
越小代表无功节点对负荷节点的电压影响越小，q
i,j
越小代表i节点与j节点之间传输的无功功率越小，二者具有相同权；采用阻抗电气矩阵，矩阵中元素d
ij
表达为：d
ij
＝z
ii
z
jj-z
ij-z
ji
ꢀꢀꢀ
(13)电气距离矩阵由节点阻抗矩阵简化求得：
则有功网损-电压灵敏度权重表达式为：w
ij
＝s
plossu,ij
·dij
ꢀꢀꢀ
(15)式中，s
ij
为有功网损-电压灵敏度，d
ij
为节点i与节点j之间的电气距离，其为电气距离矩阵中的元素，s
ij
越小代表有功网损与线路ij之间的联系越小，d
ij
越小代表节点i与节点j之间的电气距离越小，二者具有相同权；s3、建立模块度函数模型模块度函数公式定义如下：其中：a
ij
是i节点与j节点之间的连接线，若i节点与j节点有连接，则a
ij
＝1，否则a
ij
＝0，根据a
ij
的特点可知无相图的连接矩阵是沿主对角线的对称阵，即a
ij
＝a
ji
，如果节点i与节点j处于同一个分区，则δ函数为1，否则δ(i,j)＝0；m表示网络中所有权重之和：对模块度函数进行改进，改进后的模块度函数如下：其中，a
ij
为权重灵敏度数值，即a
ij
＝w
ij
，则ki表示与节点i相连的所有权重之和，即：利用权重指标计算出模块度函数，表征出不同节点之间的权重耦合程度，并把耦合程度不同的节点进行分区；s4、建立无功支撑能力指标无功支撑能力指标表示为：其中qi为分区内总无功补偿能力，既分区内所有无功补偿装置的最大无功输出能力之和，qq为分区内的无功负荷，考虑到分区内的最大负荷以及潮流，当k≥15％～20％时可以认为分区内无功充足，则分区是合适的，当k《15％时，认为分区内无功不充足；s5、对于含有n个节点的电力系统网络，利用改进的模块度函数模型进行分区步骤如下：
(1)初始化电力系统各节点，以每个节点作为单独的子分区，计算改进的模块度函数；(2)对节点i，从其相连的节点中随机选择节点j计算改进的模块度，选择计算值最大的组成新的分区，并更新改进的模块度；(3)对于新的分区，重复步骤2，直至遍历电力系统中的所有节点；(4)当没有新的分区进行划分或者改进的模块度计算值达到最大时，停止分区；(5)由上述步骤，分别划出无功-电压灵敏度分区与有功网损-电压灵敏度分区；s6、分区电压控制策略集合域内满足越限电压达标的最小无功调整量表示为：其中，式中u
i max
、u
i min
分别为节点电压的上下限，ui为i节点电压，s
i,i
为i节点处的自无功-电压灵敏度。
[0006]
本发明的优点是：本专利的主要优点有如下几点：1、采用无功功率-电压灵敏度和有功网损-电压灵敏度，在求取过程中只提取出电力系统无功节点和负荷节点。简化了求解步骤。2、基于两种灵敏度的权重分析，优点在于将权重作为判断标准，显示了无功补偿节点和负荷节点的重要性。更加准确客观。3、建立了模块度函数模型，利用求取的权重指标计算模块度函数，可以表征出不同节点之间的耦合程度，并把耦合程度不同的节点分区。分区内部更加紧密，外部更加独立。4、提出的集合域无功支撑能力指标，保证了分区内可调节无功补偿装置对负荷节点电压的调控能力。快速判断分区合理性。5、提出的分区电压控制策略，不仅考虑了无功补偿装置对节点无功的补偿能力，还考虑了由于电压改善而引起的有功网损增大问题。将调节电压和降低网损协同考虑。
附图说明
[0007]
图1是本发明集合域分区步骤示意图；附图2是本发明分区电压控制流程图；附图3是本发明系统图；附图4是本发明无功-电压灵敏度权重分区图；附图5是本发明有功网损-电压灵敏度权重分区图；附图6是本发明集合域分区图；附图7是本发明节点电压对比图。
具体实施方式
[0008]
本发明针对电力系统的电压稳定问题，研究了基于无功功率-电压灵敏度权重分
区和有功网损-电压灵敏度权重分区的电压协调控制策略。该控制策略以控制系统越限节点电压稳定为目标，首先根据模块度函数模型，对系统进行无功功率-电压灵敏度权重分区和有功网损-电压灵敏度权重分区，提出集合域的概念；然后，利用提出的无功支撑能力指标进行集合域分区合理性判断，并提出分区电压控制策略，利用集合域中的节点为电压控制点提供无功支撑，最终实现对电压越限点的最优合理控制。
[0009]
当控制变量发生变化时，系统的输出变量会随着控制变量的改变而发生变化，用控制变量与输出变量的微分形式来表达这种变化，就称为灵敏度。
[0010]
电力系统中，根据电力系统潮流计算的雅可比矩阵对电力系统进行灵敏度分区时，考虑无功与电压强相关，而往往不会考虑有功变化对于电压的影响。只对电力系统进行无功电压控制。但由于传输线路的长度原因，在进行无功补偿改善电压大小时，全网消耗的有功功率不能被忽略。所以下面从电力系统的灵敏度角度出发，对无功-电压灵敏度权重与有功网损-电压灵敏度权重进行计算，并依据模块度函数模型进行系统分区。
[0011]
步骤一：无功功率-电压、有功网损-电压灵敏度的求取。基于电力系统潮流计算模型提出本文的系统控制模型如下所述。由于电压幅值变化与无功功率耦合度较高且与有功功率耦合度较低，设节点总数为n，其中包含可以提供无功功率的无功节点集合{g}与负荷节点{l}，系统包含以上节点的控制模型为：式中h、n、j、l分别为控制矩阵中的元素，δqg为无功节点无功功率变化量，δq
l
为负荷节点无功功率变化量，δug为无功节点电压幅值变化量，δu
l
为负荷节点电压变化量。
[0012]
特殊情况，若节点既为无功节点，又为负荷节点，则式(1)可变为：[δqg]＝[h
gg l
ll
][δu
l
]
ꢀꢀꢀ
(2)
[0013]
假定负荷节点的注入无功功率不变，即：δq
l
＝0。由式(1)消去无功节点电压变化量δug，可得负荷i节点单位电压幅值与无功j节点无功变化量之间的灵敏度表达式为：
[0014]
节点电压幅值变化量可表示为：δu＝s
qu,ij
δq
ꢀꢀꢀ
(4)
[0015]
为了反应有功网损随负荷的变化指标，求解有功网损-电压灵敏度。在节点数为n的网络中，系统有功网损-电压关系可表示为：
[0016]
利用微分表示全网有功网损对无功功率的灵敏度，改写成矩阵形式：
[0017]
根据牛顿-拉夫逊法潮流计算公式及雅可比矩阵计算公式，得到系统网损对节点
功率变化的灵敏度表达式为：
[0018]
由于无功功率改变可直接影响电压改变，满足式(8)-(9)：(9)：
[0019]
根据式(7)、(9)可得有功网损-电压灵敏度表达式为：
[0020]
步骤二：基于灵敏度的权重分析电力系统稳态运行时，节点电压受系统无功功率的影响较大。而无功补偿节点的灵敏度大小代表了对电压越限节点的调节能力，权重表示了指标的相对重要性。所以将其权重作为判断标准更加客观的显示了补偿节点的重要性，即节点权重越大，重要性越大。
[0021]
对上文的无功-电压灵敏度进行权重分析，得：w＝s
qu,ij
·qi,j
ꢀꢀꢀ
(11)其中：式中：s
qu,ij
为i节点与j节点之间的无功-电压灵敏度；q
i,j,1
表示从首端输入线路的无功功率，q
i,j,2
表示末端流出线路的无功功率。s
qu,ij
越小代表无功节点对负荷节点的电压影响越小，q
i,j
越小代表i节点与j节点之间传输的无功功率越小，二者具有相同权。
[0022]
对有功网损-电压灵敏度进行分析，为了更好的反应有功网损与线路之间的关系，采用阻抗电气矩阵，矩阵中元素d
ij
表达为：d
ij
＝z
ii
z
jj-z
ij-z
ji
ꢀꢀꢀ
(13)
[0023]
电气距离矩阵可由节点阻抗矩阵简化求得：
[0024]
则有功网损-电压灵敏度权重表达式为：w
ij
＝s
plossu,ij
·dij
ꢀꢀꢀ
(15)式中，s
ij
为有功网损-电压灵敏度，d
ij
为节点i与节点j之间的电气距离，其为电气距离矩阵中的元素。s
ij
越小代表有功网损与线路ij之间的联系越小，d
ij
越小代表节点i与节点j之间的电气距离越小，二者具有相同权。
[0025]
当系统的运行方式发生改变，线路权重也会随之改变，需重新计算无功-电压灵敏度权重和有功网损-电压灵敏度权重。
[0026]
步骤三：建立模块度函数模型为了解决复杂网络的分区问题，直接形成最佳分区结果，引入模块度函数模型，模块度函数公式定义如下：其中:a
ij
是i节点与j节点之间的连接线，若i节点与j节点有连接，则a
ij
＝1，否则a
ij
＝0。根据a
ij
的特点可知无相图的连接矩阵是沿主对角线的对称阵，即a
ij
＝a
ji
。如果节点i与节点j处于同一个分区，则δ函数为1，否则δ(i,j)＝0。
[0027]ki
表示所有与i节点相连的权重之和:
[0028]
m表示网络中所有权重之和:
[0029]
根据上文的权重分析，对模块度函数进行改进，改进后的模块度函数如下：其中，a
ij
为权重灵敏度数值，即a
ij
＝w
ij
。则ki表示与节点i相连的所有权重之和，即：
[0030]
利用权重指标计算出模块度函数，可以表征出不同节点之间的权重耦合程度，并把耦合程度不同的节点进行分区。
[0031]
步骤四：建立无功支撑能力指标。对于改进后的模块度函数进行分区的电力网络，可以通过网络结构表征不同节点之间的耦合程度。为了保证分区内可调节无功补偿装置对负荷节点电压的调控能力，避免出现区内无功功率不足或过剩的情况。根据工程上经常采用的功率裕度系数(有功裕度系数)，提出一种分区内无功支撑能力指标以满足分区内装置的无功调节能力。无功支撑能力指标可表示为：其中qi为分区内总无功补偿能力，既分区内所有无功补偿装置的最大无功输出能力之和。qq为分区内的无功负荷。考虑到分区内的最大负荷以及潮流，当k≥15％～20％时可以认为分区内无功充足，则分区是合适的。当k《15％时，认为分区内无功不充足。
[0032]
步骤五：基于模块度的权重分区实现。对于含有n个节点的电力系统网络，利用改进的模块度函数模型进行分区步骤如下：(1)初始化电力系统各节点，以每个节点作为单独的子分区，计算改进的模块度函数；
(2)对节点i，从其相连的节点中随机选择节点j计算改进的模块度，选择计算值最大的组成新的分区，并更新改进的模块度；(3)对于新的分区，重复步骤2。直至遍历电力系统中的所有节点；(4)当没有新的分区进行划分或者改进的模块度计算值达到最大时，停止分区；(5)由上述步骤，分别划出无功-电压灵敏度分区与有功网损-电压灵敏度分区。
[0033]
步骤六：分区电压控制策略在本发明专利中，由上文的定义与改进的模块度函数模型可得无功-电压灵敏度权重分区与有功网损-电压灵敏度权重分区结果。在本专利的无功控制策略中，为了最大化的进行无功补偿设备的利用，采用无功电压分区与有功网损电压分区的协同考虑策略。定义两分区交集处为集合域。利用集合域内的无功调节设备进行电压调节，既可以满足电压要求，也可以满足有功网损最小化的要求。集合域分区步骤如附图1所示。附图1中无功-电压灵敏度权重分区用实线表示，有功网损-电压灵敏度权重分区用虚线表示。
[0034]
由于每个集合域之间具有弱耦合的特性，调节越限节点所在的集合域时，会相应的对相邻的集合域产生微弱的影响。因此在每个子分区域内，对不同灵敏度的无功补偿装置按照其无功补偿能力依次参与电压调节，既可以减少由于无功补偿装置频繁动作所引起的损耗，也可以利用最少的无功使电压波动调节到合理范围内。这样比采取传统的对无功补偿装置进行集中式控制更加有效。
[0035]
集合域内满足越限电压达标的最小无功调整量可以表示为：其中，式中u
imax
、u
imin
分别为节点电压的上下限。ui为i节点电压，s
i,i
为i节点处的自无功-电压灵敏度。其具体流程图附图2所示。首先确定节点电压是否越限，若节点电压越限，则基于上文提出的模块度函数模型，对线路进行无功-电压灵敏度权重和有功网损-电压灵敏度权重分区。并划分出集合域，计算集合域内无功支撑能力，若集合域内无功支撑能力大于15％，则选择集合域内无功补偿装置进行无功补偿，否则先在无功分区内满足无功需求。
[0036]
仿真分析为了更好的说明本发明专利，采用仿真分析的方法进一步介绍。在改进的ieee33节点算例中进行逐步分析。算例接线图如附图3所示。算例中包含发电机节点共33个节点，其中无功补偿装置设置在9、15、17、20、23、29节点处。
[0037]
算例补偿节点无功补偿容量如下表1所示
[0038]
算例进行无功-电压灵敏度权重分区与有功网损-电压灵敏度权重分区。由于1节点为平衡节点，不参与分区步骤，按照本发明所提的两种灵敏度权重分区方法，对算例进行分区，结果分别如附图4、5所示。附图4为无功-电压灵敏度权重分区结果，共有5个分区。附图5为有功网损-电压灵敏度权重分区结果，共有4个分区。
[0039]
根据分区结果，划分出ieee33节点算例集合域分区如附图6所示。图6中共有7个集合域。表2给出了各集合域内无功支撑能力指标。算例共分为7个集合域分区，其中集合域3和集合域5内，无功支撑能力k为0。若集合域3和集合域5内有电压越限点，则首先为满足无功需求，由无功-电压灵敏度分区进行调整，集合域3划分到由4，5，6，7，8，9节点组成的无功分区进行调整，集合域5划分到由10、11、12、13、14、15、16、17、18节点组成的无功分区进行调整，而无需考虑有功网损-电压灵敏度分区。
[0040]
表2改进的ieee33节点算例集合域分区及集合域内无功支撑能力
[0041]
对算例中首个电压越限点7，进行电压调整。各节点的补偿结果如表3所示
[0042]
表3各节点对7节点补偿情况
[0043]
由表3可知，处于同一个集合域分区内的节点9对电压越限点7的调节能力最好。节点9处的无功补偿装置对电压抬升最大，且有功网损较小。
[0044]
采用本发明的控制策略，对电压越限点进行分区无功补偿后，各节点电压如附图7所示。附图7还给出了调整前与调整后的各节点电压差值。
[0045]
由附图7可以看出利用本发明的分区控制，可以很好的改善算例相应各节点电压。节点19、20处于线路首端，且所处集合域分区内并无节点电压越限，根据集合域分区之间弱耦合的特性，节点19与节点20电压并无变化，符合分区要求。
[0046]
为了说明本发明所提控制方法的经济性，采用对算例不分区集中控制的方法，对以上两种控制方法进行对比。
[0047]
在不分区集中控制的方法中，算例中的所有无功补偿装置均参与电压调节，认为所有的节点均处于一个分区内，对两种控制方法中7节点的电压与有功网损进行对比，结果如表4所示。
[0048]
表4两种控制方法结果对比
[0049]
由表4可知，分区控制方式相较于集中控制方式，7节点电压改善了0.01p.u.，有功网损减少了0.044mw，分区控制方式相对较好。这是由于分区控制方式只对区内电压越限点进行优化调节，具有针对性。而集中控制方式是对全部的无功调节装置进行优化控制，属于全局优化控制。