基于暂态分区和预测控制的动态无功储备协调优化方法

1.本发明涉及电力系统运行控制技术领域，具体涉及基于暂态分区和预测控制的动态无功储备协调优化方法。


背景技术：

2.对电网的电压稳定性进行准确评估，需要准确捕捉电网核心动态并且确定电网当前的电压稳定状态。在此基础上，还要求能够合理准确地预测电网状态在未来一段时间的变化，最后计算出电网安全运行的裕度或边界。其中，动态无功储备可有效反映系统的电压稳定程度，具有直观、计算简便的优点。
3.现有的无功优化仅以稳态电压分布为目标控制容抗器组和发电机，在故障情况下运行方式可能并不合理，一旦发生换相失败故障，容易因动态无功储备不足，导致电网安全存在重大隐患。为此，公开号为cn111030196b的中国专利公开了《一种基于动态灵敏度的受端电网动态无功储备优化方法》，首先建立交直流混联系统的微分代数方程，并求取系统的一阶动态灵敏度；然后针对当前状况，建立动态无功储备优化模型，并求解；求解完成后，各动态无功控制设备根据优化结果，进行稳态无功值的调整，如发电机需要在计算出动态无功储备结果后预留出相应的无功储备量。
4.上述现有方案的动态无功储备优化方法使得交直流混联电网受端发生换相失败时仍然能够安全运行，进而能够提高电网运行的可靠性。然而，由于故障发生的瞬时性，短期电压稳定评估必须在较短时间内给出安全评估结果，才能保证评估结果的时效性，但一味追求速度可能会导致计算结果的不准确，因此在系统建模和评估计算时，需要在准确性与快速性之间取得平衡。并且，由于系统遭遇大扰动的不确定性和随机性，需要采取合理有效的控制手段，进而在保证经济性的同时，最大限度减小电压失稳事故的发生，保证电力系统的正常运行。因此，如何设计一种能够以较快的速度和较小的控制代价减小故障或扰动的破坏程度的方法是亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于暂态分区和预测控制的动态无功储备协调优化方法，能够以较快的速度和较小的控制代价减小故障或扰动的破坏程度，进而保证整个系统的安全稳定运行，从而能够提高电力系统运行控制的稳定性。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
7.基于暂态分区和预测控制的动态无功储备协调优化方法，包括以下步骤：
8.s1：根据暂态母线电压特点建立对应的暂态电压稳定综合评定指标，即tvsi；
9.s2：基于tvsi评估故障严重程度，进而对电网进行故障分区；
10.s3：以故障分区的结果为基础，通过预想故障集的扫描、tvsi的灵敏度分析和无功储备优化对无功优化问题进行求解；
11.s4：对无功优化问题的求解结果进行优化，通过慢速动态无功补偿装置置换无功出力，生成动态无功备用优化的控制优化模型，实现对应设备的协调控制。
12.优选的，步骤s1中，暂态电压稳定综合评定指标包括低电压恢复分量指标、振荡程度分量指标和恢复稳态分量指标，分别用于从电压跌落的幅度和持续时间、电压振荡幅度和衰减速度以及电压恢复水平三个方面对故障的严重程度进行定量描述。
13.优选的，步骤s1中，通过如下步骤构建低电压恢复分量指标：
14.s101：通过时域仿真得出暂态电压波形曲线v(t)，确定故障清除后电压首次恢复到故障后稳定电压值的时刻t
tsvir
，确定故障发生时刻t
fault
、故障后的稳态电压值vs和故障前的稳态电压值v0；
15.s102：基于步骤s101中确定的变量，构建如下的低电压恢复分量指标tvsir：
[0016][0017][0018]
优选的，步骤s1中，通过如下步骤构建振荡程度分量指标：
[0019]
s111：通过暂态电压波形曲线v(t)计算故障清除时刻t
clear
和仿真结束时刻t
end
，然后计算包含电压波形中低频和非周期变化分量的暂态电压波形振荡中值线v
tvsio
(t)；
[0020]
s112：基于步骤s111中确定的变量，构建如下的振荡程度分量指标tvsi0：
[0021][0022]
优选的，步骤s1中，通过如下步骤构建恢复稳态分量指标：
[0023]
s121：结合暂态电压波形曲线v(t)确定电压达到稳态的时刻ts和故障后的稳态电压vs；
[0024]
s122：基于步骤s121中确定的变量，构建如下的恢复稳态分量指标tvsis：
[0025]
tvsis＝(v
0-vs)
×
(t
s-t
clear
)；
[0026]
式中：t
clear
表示故障清除时刻；v0表示故障前的稳态电压值。
[0027]
优选的，步骤s2中，具体包括以下步骤：
[0028]
s201：定义能够连续量化的评估故障对母线电压影响的指标stvsi，用以评估故障的严重程度；
[0029]
s202：基于数值仿真分析各预想故障下电力系统的暂态电压稳定性，筛选出预想故障集中的严重故障，计算各严重故障的作用范围并选择母线的代表性严重故障；
[0030]
s203：对各母线对应的代表性严重故障进行标记，结合轨迹灵敏度分析方法定义度量电压轨迹对动态无功设备出力的灵敏度指标，并构建对应代表性严重故障和动态无功储备的动态响应的母线距离矩阵；
[0031]
s204：通过母线距离矩阵构建二维数据点来对数据点进行聚类，以实现电网故障的分区。
[0032]
优选的，步骤s201中，通过如下公式表示指标stvsi：
[0033]
[0034][0035]
式中：stvsi为t
span,max
与t
th
的比值，取值范围是[0, ∞)；t
span,max
表示v(t)电压持续低于v
th
的最长时间；s
tspan
表示基于公式确定的母线电压持续低于v
th
的时间区间；v(t)表示t时刻对应的电压。
[0036]
优选的，步骤s203中，先对电压轨迹变化的表达式进行量化表达，再基于对应表达式计算量化动态无功储备对电压轨迹的灵敏度，进而构建能够充分描述母线之间相似性的距离矩阵，以实现动态无功储备对母线电压轨迹影响的量化表达；
[0037]
其中，距离矩阵的公式如下：
[0038][0039][0040]
式中：是对应于代表性严重故障fltp和动态无功varq的距离矩阵；是对应于代表性严重故障fltp和动态无功varq时母线i和母线j之间的距离；是对应于代表性严重故障fltp和动态无功varq的母线i的vqtsi指标。
[0041]
本发明的动态无功储备协调优化方法与现有技术相比，具有如下有益效果：
[0042]
本发明根据暂态母线电压特点建立对应的暂态电压稳定综合评定指标，进而通过综合评定指标有效地对暂态电压稳定程度进行衡量，能够解决已有暂态电压评估指标无法有效评估电网短期电压稳定水平的问题；同时，基于暂态电压稳定综合评定指标结合动态无功响应分区的相关理论，提出了面向预想故障集的动态无功响应分区方法，从母线维、故障维和动态无功维三维进行关键信息提取，将原始的大规模无功优化问题进行简化处理，将其压缩成一个较小的问题，从而能够在保证计算精度的同时极大的提高求解速度；然后综合考虑经济性和安全性相互博弈的特点，提出基于分段线性无功电压灵敏度的无功储备优化算法，对无功储备优化前后母线电压的变化进行了检测；最后针分散自治而导致动态无功备用不够优化的问题，将模型预测控制理论应用到考虑动态无功备用的协调二级电压控制(drpr-csvc)模型和考虑动态无功备用的优化控制(drpr-oc)模型中，构建出自治-协调的暂态电压安全评估与预防控制体系。综上所述，本发明通过暂态分区法和模型预测控制的技术，建立了动态无功储备优化模型，能够以较快的速度和较小的控制代价减小故障或扰动的破坏程度，进而保证整个系统的安全稳定运行，从而能够提高电力系统运行控制的稳定性。
附图说明
[0043]
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
[0044]
图1为基于暂态分区和预测控制的动态无功储备协调优化方法的逻辑框图。
具体实施方式
[0045]
下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
[0046]
实施例：
[0047]
本实施例中公开了一种基于暂态分区和预测控制的动态无功储备协调优化方法。
[0048]
如图1所示，基于暂态分区和预测控制的动态无功储备协调优化方法，包括以下步骤：
[0049]
s1：根据暂态母线电压特点建立对应的暂态电压稳定综合评定指标，即tvsi；本实施例中，针对传统暂态电压稳定指标只能定性判断故障后电压稳定与否，难以具体说明故障后电压跌落及恢复的程度等缺点，建立了tvsi。
[0050]
s2：基于tvsi评估故障严重程度，进而对电网进行故障分区；本实施例中，对初始故障集进行了初步化简，为对规模过大、难以求解的全电网无功优化问题进行进一步化简，建立了面向预想故障集的动态无功响应分区方法，包括严重故障的筛选，把电网按照对故障的响应做粗分区，再按照电网对动态无功源的响应做进一步精细化的分区。
[0051]
s3：以故障分区的结果为基础，通过预想故障集的扫描、tvsi的灵敏度分析和无功储备优化对无功优化问题进行求解；本实施例中，针对现有方法考虑暂态电压安全问题时未计及多重多种时间尺度的协调，未考虑经济性与安全性博弈的缺陷，建立了综合考虑经济性与安全性并计及多时间尺度的无功储备优化算法，通过预想故障集的扫描、tvsi的灵敏度分析和无功储备优化对无功优化问题进行求解。
[0052]
s4：对无功优化问题的求解结果进行优化，通过慢速动态无功补偿装置置换无功出力，生成动态无功备用优化的控制优化模型，实现对应设备的协调控制。本实施例中，针对svc、svg的动态无功备用无法保证总体安全性最优的问题，建立了利用慢速动态无功补偿装置发电机置换快速动态无功补偿装置svc、svg的无功出力，从而形成动态无功备用优化的控制优化模型的方法，实现对于分散自治的设备的协调控制。
[0053]
本发明根据暂态母线电压特点建立对应的暂态电压稳定综合评定指标，进而通过综合评定指标有效地对暂态电压稳定程度进行衡量，能够解决已有暂态电压评估指标无法有效评估电网短期电压稳定水平的问题；同时，基于暂态电压稳定综合评定指标结合动态无功响应分区的相关理论，提出了面向预想故障集的动态无功响应分区方法，从母线维、故障维和动态无功维三维进行关键信息提取，将原始的大规模无功优化问题进行简化处理，将其压缩成一个较小的问题，从而能够在保证计算精度的同时极大的提高求解速度；然后综合考虑经济性和安全性相互博弈的特点，提出基于分段线性无功电压灵敏度的无功储备优化算法，对无功储备优化前后母线电压的变化进行了检测；最后针分散自治而导致动态无功备用不够优化的问题，将模型预测控制理论应用到考虑动态无功备用的协调二级电压控制(drpr-csvc)模型和考虑动态无功备用的优化控制(drpr-oc)模型中，构建出自治-协调的暂态电压安全评估与预防控制体系。综上所述，本发明通过暂态分区法和模型预测控
制的技术，建立了动态无功储备优化模型，能够以较快的速度和较小的控制代价减小故障或扰动的破坏程度，进而保证整个系统的安全稳定运行，从而能够提高电力系统运行控制的稳定性。
[0054]
具体实施过程中，暂态电压稳定综合评定指标包括低电压恢复分量指标、振荡程度分量指标和恢复稳态分量指标，分别用于从电压跌落的幅度和持续时间、电压振荡幅度和衰减速度以及电压恢复水平三个方面对故障的严重程度进行定量描述。本实施例中，需要考虑能够量化评价短期电压稳定性的指标，要保证在电力系统的各种运行方式下，都能够可靠且有效地对电网的短期电压稳定综合指标进行评价。
[0055]
其中，低电压恢复分量指标表现了同步发电机、动态无功设备的无功注入以及动态负荷、hvdc无功消耗的影响，充分反映了母线的低电压恢复能力，该值越小表明母线的低电压恢复能力越好。
[0056]
振荡程度分量指标表现了电压振荡幅度和衰减速度，受高增益快速励磁装置、动态负荷、电网弱互联、发电机调速系统等因素影响，充分反映了电压在暂态过程中的振荡，该值越小，则表明电压在暂态过程中的振荡程度越小。
[0057]
恢复稳态分量指标取决于故障发生前后的电网拓扑结构和运行方式影响，充分反映了电压波形恢复稳态的能力，该值越小，则表明电压波形恢复稳态的能力越强。
[0058]
通过如下步骤构建低电压恢复分量指标：
[0059]
s101：通过时域仿真得出暂态电压波形曲线v(t)，确定故障清除后电压首次恢复到故障后稳定电压值的时刻t
tsvir
(若故障清除后电压不能达到稳态，则t
tsvir
定为仿真结束时刻)，确定故障发生时刻t
fault
、故障后的稳态电压值vs(若仿真结束时没有进入稳态，则用振荡中值近似)和故障前的稳态电压值v0；
[0060]
s102：基于步骤s101中确定的变量，构建如下的低电压恢复分量指标tvsir：
[0061][0062][0063]
通过如下步骤构建振荡程度分量指标：
[0064]
s111：通过暂态电压波形曲线v(t)计算故障清除时刻t
clear
和仿真结束时刻t
end
，为反映小干扰稳定研究范围内的振荡，计算包含电压波形中低频和非周期变化分量的暂态电压波形振荡中值线v
tvsio
(t)，包含电压波形中低频和非周期变化的分量。
[0065]
s112：基于步骤s111中确定的变量，构建如下的振荡程度分量指标tvsi0：
[0066][0067]
通过如下步骤构建恢复稳态分量指标：
[0068]
s121：结合暂态电压波形曲线v(t)确定电压达到稳态的时刻ts(若仿真结束时没有进入稳态，则定为仿真结束时刻)和故障后的稳态电压vs；
[0069]
s122：基于步骤s121中确定的变量，构建如下的恢复稳态分量指标tvsis：
[0070]
tvsis＝(v
0-vs)
×
(t
s-t
clear
)；
[0071]
式中：t
clear
表示故障清除时刻；v0表示故障前的稳态电压值。
[0072]
本发明为了解决已有暂态电压评估指标无法有效评估电网短期电压稳定水平的
问题，提出了充分考虑电压相对稳定程度的短期电压稳定综合指标，并且针对母线电压在暂态过程中的响应特性，分别建立了低电压恢复分量指标、振荡程度分量指标和恢复稳态分量指标三个评估指标，通过综合评定指标有效地对暂态电压稳定程度进行衡量，从而能够以较快的速度和较小的控制代价减小故障或扰动的破坏程度。
[0073]
步骤s2中，具体包括以下步骤：
[0074]
s201：定义能够连续量化的评估故障对母线电压影响的指标stvsi，用以评估故障的严重程度；
[0075]
s202：基于数值仿真分析各预想故障下电力系统的暂态电压稳定性，筛选出预想故障集中的严重故障，计算各严重故障的作用范围并选择母线的代表性严重故障；
[0076]
s203：对各母线对应的代表性严重故障进行标记，结合轨迹灵敏度分析方法定义度量电压轨迹对动态无功设备出力的灵敏度指标，并构建对应代表性严重故障和动态无功储备的动态响应的母线距离矩阵；
[0077]
s204：通过母线距离矩阵构建二维数据点来对数据点进行聚类，以实现电网故障的分区。
[0078]
通过如下公式表示指标stvsi：
[0079][0080][0081]
式中：stvsi为t
span,max
与t
th
的比值，取值范围是[0, ∞)；t
span,max
表示v(t)电压持续低于v
th
的最长时间，stvsi的值越大，表示故障越严重，如果stvsi等于1，则表示故障后的电力系统是临界稳定的；s
tspan
表示基于公式确定的母线电压持续低于v
th
的时间区间；v(t)表示t时刻对应的电压。
[0082]
步骤s203中，先对电压轨迹变化的表达式进行量化表达，再基于对应表达式计算量化动态无功储备对电压轨迹的灵敏度，进而构建能够充分描述母线之间相似性的距离矩阵，以实现动态无功储备对母线电压轨迹影响的量化表达；
[0083]
其中，距离矩阵的公式如下：
[0084][0085][0086]
式中：是对应于代表性严重故障fltp和动态无功varq的距离矩阵；是对应于代表性严重故障fltp和动态无功varq时母线i和母线j之间的距离；
是对应于代表性严重故障fltp和动态无功varq的母线i的vqtsi指标。
[0087]
本发明通过上述步骤提出了面向预想故障集的动态无功响应分区方法，使得能够从母线维、故障维和动态无功维三维进行关键信息提取，将原始的大规模无功优化问题进行简化处理，将其压缩成一个较小的问题，从而能够在保证计算精度的同时极大的提高求解速度。
[0088]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。