CN103457279A - 大规模电网的分区d-statcom综合优化配置方案的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大规模电网的分区D-STATCOM综合优化配置方案的确定方法。本发明首先从非解析复变电力系统的动态分析方法理论出发，建立电力系统非线性等值模型，快速准确计算研究区域负荷节点的系统综合动态等值阻抗和负荷静态等值阻抗得到极限裕度；然后以研究网络潮流计算分析结果以总负荷排名靠前的区域为薄弱区域，以薄弱区域内的调度分区为研究对象，比较各分区的电压稳定性强弱指标确定薄弱分区作为配置研究的对象，利用分区各子站阻抗模裕度的平均值为阀值确定无功补偿配置的待选点集，缩小配置点搜索范围，再综合利用轨迹灵敏度指标最大点确定配置点；最后以考虑电压暂降风险费用的最优模型定优化容量。

Description

大规模电网的分区D-STATCOM综合优化配置方案的确定方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，提出了大规模电网的分区D-STATCOM综合优化配置方案确定方法。

背景技术

随着我国电网500KV坚强网架的初步形成，大多数省份电网已经完成了220KV电压等级层面的电磁环网方式到分层分区方式运行的转变，而且各个分区网架结构相对稳定，这就给负荷侧的无功补偿规划带来了有利因素。目前理论上采用基于暂态或动态的分析方法确定动态无功补偿装置的安装地点更加合适，但此类方法还很难给出非常精确的极限边界值，大多都有研究的局限性和片面性，而且计算相对量大。因此动态无功补偿装置的配置方案得到生产部门认可的大多仍然采用静态分析方法，例如以VQ曲线无功储备的裕度、雅可比矩阵的最小特征值、节点电压非线性参与因子等静态参数得出的静态电压稳定裕度指标确定最薄弱环节为配置点；另外，以VQ灵敏度、电压-无功轨迹灵敏度、主导节点法、VQ改进轨迹灵敏度等配置前后补偿效应量化指标确定补偿方案。但是，无功补偿装置优化配置问题无论从上述两个方面的哪一个方面为单独的优化目标得到配置方案，都具有片面性，不是全局最优的结果。而且电力系统稳定本质上是个动态的问题，静态分析方法很难反映系统各元件动态的实际过程，所以有些学者提出采用追踪戴维兰等值参数的方法，类似动态的更新系统静态等值参数，一定程度上提高了分析的准确度，但仍然难以达到全面准确快速的优化目标。

发明内容

为更快速的确定电力系统分区的无功补偿装置配置方案，改进现有D-STATCOM优化配置方法的准确性。

本发明的目的通过如下方式实现的，一种大规模电网的分区D-STATCOM综合优化配置方案的确定方法，包括下列步骤：：

1)确定研究的非解析复变电力系统运行方式，利用电力系统综合分析软件BPA计算系统功率同步扰动下得到系统运行各时段的仿真结果数据；计算各PQ节点系统综合动态等值阻抗Z_iTHEV、负荷静态等值阻抗Z_iLD和阻抗模裕度μ；

2)确定配置的范围根据非解析复变电力系统电网的要求和投资额度确定，以网络潮流计算分析结果以总负荷排名前3的区域为薄弱区域，定义各分区的电压稳定性强弱指标为L_j，L_j值最小的5个分区定为薄弱分区，然后以薄弱区域内的调度分区为研究对象；

3)利用薄弱分区各子站阻抗模裕度的平均值

为阀值确定无功补偿配置的待选点集B_j(j＝1，2，...，m)，缩小配置点搜索范围。

4)基于非解析复变电力系统的运行方式，对系统进行时域扫描，确定威胁系统暂态电压稳定的关键故障集合A_i，分别在各个待选节点安装静止同步补偿装置，对关键故障A_i再次进行时域仿真，计算节点B_j的改进轨迹灵敏度指标TSI_j，根据TSI_j对待选安装节点进行排序，确定每轮搜索的TSI_j最大为配置点；

5)满足安装容量选择范围的原则：容量选择在不改变已有或规划配置固定无功补充容量的情况下，以主变1／3容量与低压配置无功总量的差值作为STATCOM选择容量的上限；为充分发挥动态无功补偿装置的性能，实现动／静态无功补偿无差调节以配置电容的单个组块容量±10Mvar为最小配置容量，从而将待选节点配置容量按照生产规格分为A1=±10Mvar、A2＝±20Mvar、A3=±30Mvar的3种配置容量，首先从最大的A3配置，校对配置后仿真计算是否符合设定的暂态目标()，暂态目标根据各调度中心已调度分区电网规划目标要求确定；

6)如不满足则跳至第4步，在确定了本轮配置点和配置容量的情况下重新进行新状态下的优化配置点搜索；如满足则减小一个配置容量等级An-1，直至找到满足暂态目标的最小容量；得出研究电力系统的分区D-STATCOM综合优化配置方案。

本发明首先从非解析复变电力系统的动态分析方法理论出发，建立电力系统非线性等值模型，快速准确计算研究区域负荷节点的系统综合动态等值阻抗和负荷静态等值阻抗得到极限裕度；然后以研究网络潮流计算分析结果以总负荷排名靠前的区域为薄弱区域，以薄弱区域内的调度分区为研究对象，比较各分区的电压稳定性强弱指标确定薄弱分区作为配置研究的对象，利用分区各子站阻抗模裕度的平均值为阀值确定无功补偿配置的待选点集，缩小配置点搜索范围，再综合利用轨迹灵敏度指标最大点确定配置点；最后以考虑电压暂降风险费用的最优模型定优化容量。本发明的数学模型不仅详细考虑了D-STATCOM装置的实际特性，而且实现了区域电网电压稳定强度和动态电压支撑量化指标综合分析确定配置方案，更能充分的发挥动态无功补偿装置作用。

附图说明

图1是电力系统PQ节点的非线性动态等值电路；

图2是本发明方法的流程图；

具体实施方式

本发明根据研究网络潮流计算分析结果以总负荷排名靠前的区域为薄弱区域，然后以薄弱区域内的调度分区中电压稳定性指标较小的分区为研究对象；结合时域仿真计算数据求出分区内各点的阻抗模裕度指标排出系统电压薄弱节点顺序，再综合反映暂态支撑效果的轨迹灵敏度指标，确定动态无功补偿装置布点；最后以满足暂态目标的最小容量建立补偿容量的优化算法，求出最优配置容量，确定分区的配置方案。

下面参照附图，对本发明方法进行详细描述。

大规模电网的分区D-STATCOM综合优化配置方案确定方法流程图如图2所示。

1)非解析复变电力系统电压稳定的动态分析方法，以某个仅带恒功率负荷节点往系统看，将系统简化为如图1(a)所示的2节点等值系统。图1(a)所示简单非线性系统，假定电流正方向是从电源流向负荷，系统线性化动态等值电路见图1(b)。图1(b)中所示电力系统综合动态等值电路，易知动态等值电势为：

${\stackrel{\·}{E}}_{\mathrm{iTHEV}}={\stackrel{\·}{V}}_i+Z_{\mathrm{iTHEV}}({\hat{S}}_i/{\hat{V}}_i)---\left(1\right)$

其中电力系统综合动态等值阻抗定义为：

$Z_{\mathrm{iTHEV}}=-\frac{d{\stackrel{\·}{V}}_i}{d{\stackrel{\·}{I}}_i}---\left(2\right)$

其中

分别为负荷节点电压、电流变化量。

负荷电压与电流在非解析关系条件下负荷有功功率取极大值的必要条件是负荷静态等值阻抗模等于系统动态等值阻抗模，即满足：

Z_iTHEV=Z_iLD     (3)

利用电力系统综合分析软件计算分区系统功率同步扰动，得到一定时间段内电力系统运行的动态仿真数据，计算区内PQ节点的阻抗模裕度；

于是定义的负荷阻抗模裕度为：

${\mathrm{\μ}}_i=\frac{\left|Z_{\mathrm{iLD}}\right|-\left|Z_{\mathrm{iTHEV}}\right|}{\left|Z_{\mathrm{iLD}}\right|}---\left(4\right)$

阻抗模裕度反映了系统当前运行状态离极限传输状态的距离，其最大值为1，最小值为0。当μ取得最小值0时，系统运行在电压稳定临界点，因此μ能有效地反映电压稳定的裕度，也是电压稳定性分析最直观的指标。根据阻抗模裕度大小，对系统节点电压稳定性强弱排序，可以确定系统电压稳定性相对薄弱的节点。

2)电力系统已经是超大规模的复杂网络，而系统的稳定控制措施一般需要针对系统薄弱环节进行控制来减轻对电网的影响。以研究网络潮流计算分析结果以总负荷排名靠前的区域为薄弱区域，然后以薄弱区域内的调度分区为研究对象，定义各区域的电压稳定性强弱指标为：

$G_i=\underset{j\∈i,j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{L}_j---\left(5\right)$

定义各分区的电压稳定性强弱指标为：

$L_j=W_{\mathrm{aj}}{W}_{\mathrm{bj}}\frac{\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i}{N}---\left(6\right)$

其中，j为分区编号，i为j分区内节点编号；W_aj为分区负荷比重权重，W_bj为分区其它因素权重。

$W_{\mathrm{aj}}=\frac{W_A}{W_j}---\left(7\right)$

其中：W_A研究系统的总负荷；W_j为j区域的负荷总量。

W_bj为系统其它综合因素的权重，可以由专家系统综合分区的负荷特征、无功补偿、电源分布等情况给出。

确定配置的范围可以根据各级电网规划部门的要求和投资确定。本次方法取研究系统薄弱区域排名前3的范围内的L_j排名前5的分区为薄弱分区，进行无功补偿装置优化配置研究。

3)逐一以实际电网薄弱调度分区为研究对象，将分区内各个节点的μ由小至大排序，应用系统负荷阻抗模裕度平均值作为阈值来确定系统安装D-STATCOM的待选点集，即时纳入系统待选的D-STATCOM安装点集B={B1，B2，B3，...}；

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\μ}}=\frac{\underset{i\∈n}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_i}{n}---\left(8\right)$

4)对系统进行N-1，N-2或其他故障形式的时域扫描，故障扫描中引起薄弱区域电压失稳和故障期间区域内节点电压降幅总和排名前3的故障归入关键故障，确定威胁系统暂态电压稳定影响较大的关键故障集合{F1，F2，...，FN}；

5)在实际电网薄弱调度分区配置点确定下来后，依据安装容量选择范围的原则：容量选择在不改变已有或规划配置低压固定无功补充容量的情况下，以主变1／3容量与低压配置无功总量的差值作为STATCOM选择容量的上限；为充分发挥动态无功补偿装置的性能，实现动／静态无功补偿无差调节以配置电容的单个组块容量为最小配置容量；并结合目前STATCOM的制造水平确定{A1，A2，A3，A4......An}。选定满足配置原则范围要求的待选节点配置容量An为配置容量，分别在各个待选节点安装STATCOM，对关键故障再次进行时域仿真；

6)由上一步仿真结果，根据式(8)计算节点B_i(i＝1，2，...，m)的TSI_i，根据TSI_i对待选安装节点进行排序，指标值最大者即为本轮最优安装节点；通过电压-无功轨迹灵敏度指标(TSI)确定动态无功补偿设备安装地点的方法。TSI定义为：

${\mathrm{TSI}}_i=\frac{\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{\mathrm{bj}}\underset{k=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}{W}_k[V_i(Q_{i0}+\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{iSTATCOM}},t_k)-V_i(Q_{i0},t_k)]}{\underset{k=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{Q}_{\mathrm{STATCOM}}\left(t_k\right)}---\left(9\right)$

式中：n代表系统的节点总数；N_K代表采样点总数；W_bi为节点i的权重；W_k为t＝t_k时刻的权重；TSI_i为节点i的改进轨迹灵敏度；V_j(Q_i0+ΔQ_iSTATCOM，t_k)为节点i安装了额定容量的STATCOM后节点i在t＝t_k时的电压值；为安装在节点i的STATCOM在t＝t_k时注入节点i的无功功率，它随节点i的电压变化而变化；ΔQ_STATCOM(t_k)为时间内安装在节点i的STATCOM对系统注入的实际无功功率在t=t_k时的值。

TSI指标越大说明在节点B_i配置Q_i的动态无功补偿实时补充无功功率对系统各节点的电压提升越大、补偿效果越好。根据上述方法计算TSI_i时，式(8)中采用的时间间隔Δt为常量，采用时刻和节点电压权重W_bi和W_k均取1。

7)满足配置原则范围要求的待选节点配置容量按照生产上常用的生产规格分为Smin≤A1，A2，A3，A4......An≤Smax，首先从最大的An配置，校对配置后仿真计算是否符合设定的暂态目标(例如各节点电压值恢复在故障断开后5个周波内恢复到1.0)，暂态目标可根据规划目标要求确定；

8)如不满足则跳至第3步，在确定了本轮配置点和配置容量的情况下重新进行新状态下的优化配置点搜索；如满足则减小一个配置容量等级An-1直至找到满足暂态目标的最小容量；得出优化配置方案。

本发明在理论方面成果在于非线性电力系统中负荷节点，其负荷阻抗模裕度能准确反映节点的电压稳定性强弱；综合利用轨迹灵敏度指标建立动态无功补偿装置优化配置模型，考虑了显著改善电压薄弱环节稳定性的同时兼顾了整体补偿效果，给出更准确的配置方案。本方面在实际应用方面优势在于方法不但在模型建立上减少了计算存在的误差，而且通过提出的应用系统负荷阻抗模裕度平均值作为阈值来确定系统安装D-STATCOM的待选点集，再结合轨迹灵敏度评价补偿效果的方法，快速准确地搜索到满足暂态目标的优化配置方案，仿真计算时间减少了将近一半的时间。方法的实用性更强，且易于实现。本方面推广实际价值方面在于方法能够依据分区规划暂态目标确定多点配置方案，配置后明显改善了分区的电压稳定性，而且随着“五级”调度机构的逐步建立，调度分区更为细致准确，该方法在省调、区调、地调甚至县调级分区中都可以应用。

Claims (1)

1.一种大规模电网的分区D-STATCOM综合优化配置方案的确定方法，包括下列步骤：

1)确定研究的非解析复变电力系统运行方式，利用电力系统综合分析软件BPA计算系统功率同步扰动下得到系统运行各时段的仿真结果数据；计算各PQ节点系统综合动态等值阻抗Z_iTHEV、负荷静态等值阻抗Z_iLD和阻抗模裕度μ；

2)以网络潮流计算分析非解析复变电力系统电网的总负荷，以总负荷排名前3的区域为薄弱区域，定义薄弱区域各分区的电压稳定性强弱指标为L_j，L_j值最小的5个分区定为薄弱分区，然后以薄弱区域内的调度分区为研究对象；

3)利用薄弱分区各子站阻抗模裕度的平均值为阀值确定无功补偿配置的待选点集B_j(j=1，2，...，m)，缩小配置点搜索范围。

4)基于非解析复变电力系统的运行方式，对系统进行时域扫描，确定威胁系统暂态电压稳定的关键故障集合A_i，分别在各个待选节点安装静止同步补偿装置，对关键故障A_i再次进行时域仿真，计算节点B_j的改进轨迹灵敏度指标TSI_j，根据TSI_j对待选安装节点进行排序，确定每轮搜索的TSI_j最大为配置点；

5)满足安装容量选择范围的原则：容量选择在不改变已有或规划配置固定无功补充容量的情况下，以主变1／3容量与低压配置无功总量的差值作为STATCOM选择容量的上限；为充分发挥动态无功补偿装置的性能，实现动／静态无功补偿无差调节以配置电容的单个组块容量±10Mvar为最小配置容量，从而将待选节点配置容量按照生产规格分为A1=±10Mvar、A2=±20Mvar、A3=±30Mvar的3种配置容量，首先从最大的A3配置，校对配置后仿真计算是否符合设定的暂态目标()，暂态目标根据各调度中心已调度分区电网规划目标要求确定；

6)如不满足则跳至第4步，在确定了本轮配置点和配置容量的情况下重新进行新状态下的优化配置点搜索；如满足则减小一个配置容量等级An-1，直至找到满足暂态目标的最小容量；得出研究电力系统的分区D-STATCOM综合优化配置方案。

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