CN110165667A - 计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本公开提出了一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法及系统，基于戴维南等值参数辨识分别求取输、配电网中负荷节点的静态电压稳定裕度，并且采用摄动法建立了静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系，考虑到在线无功优化的实时性要求，添加薄弱节点的静态电压稳定裕度约束。仿真结果表明，通过在无功优化模型中添加静态电压安全约束，使优化结果既降低了网损，又增大了薄弱节点的电压稳定裕度，使电网调控兼具经济性与安全性。

Description

计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法及系统

技术领域

本公开涉及相关技术领域，具体的说，是涉及一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，并不必然构成在先技术。

电力系统无功分布的合理与否直接影响着电力系统的安全和稳定,并与经济效益直接挂钩。无功不足将导致系统电压降低,用电设备不能充分利用,甚至会引发电压崩溃等一系列事故,无功过剩也会恶化系统电压,危害系统和设备的安全,而且多的无功备用又会浪费不必要的投资。合理的无功配置能有效的降低网损,保证电压质量、预防事故发生或防止事故的扩大,从而提高电力系统运行的经济性、安全性和稳定性。

发明人发现，现有的无功优化存在的问题是：

常规无功优化的模型中，目标函数一般是使网损最小，仅在约束条件中添加关于电压幅值的约束，无功优化模型求解之后会出现优化后个别母线电压接近合格范围的限值，部分母线电压安全水平下降的情况。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法及系统，采用摄动法建立了静态电压裕度关于调控量的灵敏度矩阵，为薄弱节点添加静态电压安全约束条件，使优化结果提高了薄弱节点的静态电压稳定裕度，同时降低了网损，使电网调控兼具经济性与安全性。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一个或多个实施例提供了一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法，包括如下步骤：

步骤1、求取输、配电网中负荷节点的静态电压稳定裕度；

步骤2、采用摄动法建立静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系,根据建立的映射关系和步骤1中求取的静态电压稳定裕度，获得静态电压稳定裕度关于调控量的灵敏度矩阵；

步骤3、根据灵敏度矩阵建立静态电压稳定裕度约束，为薄弱节点添加静态电压稳定裕度约束，建立输配电的协同无功优化模型；

步骤4、求解输配电的协同无功优化模型，得到调控变量值，并计算节点电压值与网损值。

一个或多个实施例提供了一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化系统，包括：

静态电压稳定裕度计算模块：用于求取输、配电网中负荷节点的静态电压稳定裕度；

灵敏度矩阵获得模块：用于采用摄动法建立静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系,根据建立的映射关系和步骤1中求取的静态电压稳定裕度，获得电压稳定裕度关于调控量的灵敏度矩阵；

输配电的协同无功优化模型建立模块：用于根据灵敏度矩阵建立静态电压稳定裕度约束，为薄弱节点添加静态电压稳定裕度约束，建立输配电的协同无功优化模型；

求解模块：求解输配电的协同无功优化模型，得到调控变量值,并计算节点电压值及网损值。

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成上述方法所述的步骤。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成上述方法所述的步骤。

本公开建立了静态电压稳定裕度关于调控量的灵敏度矩阵，为薄弱节点添加静态电压安全约束条件，使优化结果提高了薄弱节点的静态电压稳定裕度，同时降低了网损，使电网调控兼具经济性与安全性，并且迭代优化过程中采用灵敏度矩阵近似计算静态电压稳定裕度的时间极短，受系统规模增大的影响小，满足在线无功优化迭代计算的要求。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

(1)本公开采用摄动法建立了静态电压稳定裕度关于调控量的灵敏度矩阵，为薄弱节点添加静态电压稳定裕度约束。仿真验证，在无功优化模型中添加静态电压安全约束，使优化结果提高了薄弱节点的静态电压稳定裕度，电网调控兼具经济性与安全性。

(2)本公开在无功优化模型的求解过程中，仅在第一轮无功优化迭代时计算全部负荷节点的静态电压稳定裕度，从而确定薄弱节点。在之后优化迭代过程中，只计算薄弱节点静态电压稳定裕度，使得薄弱节点的静态电压稳定裕度满足静态电压稳定裕度约束。上述计算求解输配电的协同无功优化模型能够有效减少约束条件数目以及变量数目，能够满足在线无功优化的实时性要求，减少因了计及静态电压稳定裕度约束带来的计算时间。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的限定。

图1是本公开实施例1的方法流程图；

图2是本公开实施例1的进行戴维南等值后的等效输配电系统；

图3是本公开实施例1算例中优化前节点配网负荷节点静态电压稳定裕度图；

图4是本公开实施例1算例中输配电网无功优化结果功率损耗图；

图5本公开实施例1算例中输配电网优化前后负荷节点静态电压稳定裕度对比图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的各个实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合附图对实施例进行详细描述。

在一个或多个实施方式中公开的技术方案中，如图1所示，一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法，包括如下步骤：

步骤1、求取输、配电网中负荷节点的静态电压稳定裕度；

步骤2、采用摄动法建立静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系,根据建立的映射关系和步骤1中求取的静态电压稳定裕度，获得静态电压稳定裕度关于调控量的灵敏度矩阵；本专利中电压稳定裕度均是静态电压稳定裕度。

步骤3、根据灵敏度矩阵建立静态电压稳定裕度约束，为薄弱节点添加静态电压稳定裕度约束，建立输配电的协同无功优化模型；

步骤4、求解输配电网协同无功优化模型，得到调控变量值,并计算状态量 (即节点电压值)及网损值。

下面对上述步骤进行具体说明。

步骤1中，求取输、配电网中负荷节点的静态电压稳定裕度采用基于戴维南等值参数辨识方法。对于负荷节点以外系统进行戴维南等值后的两节点系统，可以如图2所示，在广域量测条件下，利用电力系统单个断面的潮流信息即可计算PQ节点的戴维南等值参数。从负荷侧将系统分解为若干无穷大系统经系统阻抗给负荷供电的两节点系统。负荷节点L的静态电压稳定裕度为：

λ_L＝(P_max-P_L)/P_max (1)

P_L为负荷节点的有功功率，P_max为进行戴维南等值后的两节点系统的有功功率极限值。只要戴维南等值参数辨识方法准确，就能根据运行状态给出静态电压稳定裕度。

步骤2中可以采用摄动法建立静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系,基于潮流断面可以求得负荷节点处的戴维南等值参数，即可求得各个负荷节点的初始电压稳定裕度矩阵λ_cr ⁽⁰⁾。在此运行工况附近，将调控变量以微小增量Δu调整，求得新断面下电压稳定裕度λ_cr ⁽¹⁾，电压稳定裕度的变化跟随调控变量的变化，把输配电系统看作是受到调控变量摄动而形成的受扰系统，电压稳定裕度是表征输配电系统变化的相应的指标，从而建立静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系。

设调控量为u，若系统中有n个调控量，有l个负荷节点，则u为n维列向量，当第m(m∈[1,n])个调控量以微小增量Δu_m调整时，负荷节点i(i∈[1,l])处的电压稳定裕度变化量为Δλ_cr，i，那么即为节点i负荷裕度关于第m个调控量的灵敏度。定义矩阵S_λ为PQ节点负荷裕度关于调控列向量u的灵敏度矩阵。

静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性关系具体如下：

Δλ_cr＝S_λ×Δu (2)

上式中，若有n个调控量，有l个负荷节点，S_λ为l×n的矩阵，l代表负荷节点的个数，n代表调控量个数，Δλ_cr为l维的列向量,Δλ_cr为负荷节点静态电压稳定裕度变化列向量。S_λ中元素S_λi,m为负荷节点i的静态电压稳定裕度关于第m个调控量的灵敏度；u为调控量，Δu为n维的调控变化量列向量。

上文所得等值参数和稳定裕度均基于某一状态断面所得，根据上述稳定裕度定义，结合系统运行状态断面信息，只要准确辨识负荷节点的戴维南等值参数，就能计算该状态断面下的静态稳定裕度。当负荷和电源出力发生变化，稳定裕度会相应改变，当越过一定的门槛值，需要采取预防性控制防范失稳风险。

所述步骤3，建立静态电压稳定裕度约束，为薄弱节点添加静态电压稳定裕度约束，所述静态电压安全稳定约束包括配电网侧静态电压稳定裕度约束和输电网侧静态电压稳定裕度约束。

所述输电网侧静态电压稳定裕度约束可以为：

[ε_min-ε_T0]≤S_Tλ·ΔV_g(T) (3)

其中，ε为相应负荷节点静态电压稳定裕度列向量，下标T代表输电网(下同)，ε_min为相应负荷节点电压稳定裕度的门槛值列向量，ε_T0为优化前输电网相应负荷节点电压稳定裕度列向量，列向量V_g为参与调控的发电机节点的机端电压幅值向量，S_Tλ为输电网中负荷节点的静态电压稳定裕度关于调控量ΔV_g的灵敏度矩阵。

所述配电网侧静态电压稳定裕度约束可以为：

[ε_min-ε_d0]≤S_dλ·ΔQ_c(d) (4)

其中，ε相应负荷节点静态电压稳定裕度列向量，下标d代表配电网，ε_d0为优化前配电网相应负荷节点电压稳定裕度列向量；ΔQ_c表示参与调控的补偿节点的无功补偿量，S_dλ是配网中相应负荷节点静态电压稳定裕度关于调控量ΔQ_c的灵敏度矩阵。

根据上述静态电压稳定裕度约束建立计及静态电压安全约束的输配电的协同无功优化模型。具体可以如下：

对于一个有l条支路、n个节点的输电系统，第i(i∈l)条支路的首、末节点编号分别为j、k(j、k∈n)，网损为输电网中各个支路的有功损耗之和，在计及静态电压安全约束后，那么输电网优化模型可描述为如下的非线性规划问题：

式(5)为输电系统中节点j的电压相量.R_jk+jX_jk为线路i的线路阻抗(j、k分别为线路i的首末节点)，下标T代表输电网，各个支路的累加有功损耗Ploss_(T)即为输电网总网损；下标min和max分别表示约束条件的上下限(下同),其中列向量V_g为参与调控的发电机节点的机端电压幅值向量，约束条件中第一个约束表示参与调控的各发电机节点调节能力的上下限约束；V为除平衡节点外输电网全部节点的电压幅值向量，第二个约束表示输电网节点电压幅值的上下限约束，包括发电机端电压幅值以及PQ节点电压幅值的上下限约束。

对于配电网侧调控措施选择补偿电容器投切为例，对于一个有l条支路、n个节点的配电系统，第i条支路首、末节点编号为j、k，配电网的优化模型可表示为如下非线性规划问题：

公式(6)中，下标d表示配网系统；列向量ΔQ_c表示参与调控的补偿电容节点的无功补偿量，第一个约束表示补偿电容器设备无功出力的上下限约束；第二个约束为配网中除平衡节点外PQ节点电压幅值的上下限约束。

上述公式(5)-(6)作为输配电的协同无功优化模型，每个公式中的第四个约束条件作为系统中薄弱节点的优化约束条件。通过在无功优化模型中添加静态电压安全约束，使优化结果既降低了网损，又增大了薄弱节点的电压稳定裕度，使电网调控兼具经济性与安全性。

步骤4、求解输配电的协同无功优化模型，是生成电网调控的调整量的过程，可以通过无功优化迭代算法实现，同时计算状态量(即节点电压值)及网损值。求解过程可以具体为：

确定薄弱节点：在第一轮无功优化迭代时计算全部负荷节点的静态电压稳定裕度，选取裕度低于门槛值的负荷节点为薄弱节点。

在之后优化迭代过程中，计算薄弱节点静态电压稳定裕度，使得薄弱节点的静态电压稳定裕度满足静态电压稳定裕度约束。

上述计算求解输配电的协同无功优化模型能够有效减少约束条件数目以及变量数目，能够满足在线无功优化的实时性要求，尽可能减少因计及静态电压安全约束带来的计算时间。

下面以具体的算例进行仿真说明本实施例方法的效果。

以IEEE 30节点输电网搭接6个IEEE33节点配网为例，输电网发电机电压的调节范围为额定电压的±5％，要求优化后输电网全部节点的(除平衡节点) 的电压幅值为额定值的80～120％，优化后配网全部节点的(除平衡节点)的电压幅值为额定值的70～130％。其中30节点输电网的电压等级是135kV。选取输电网的节点3、4、7、8、12、17搭接配网。

将各个配网25号节点负荷水平提高为原来的99倍。10、17号节点负荷水平提高为原来的76倍，其余负荷节点水平提高为原来的2倍求取配网1各负荷节点的静态电压稳定裕度。取静态电压稳定裕度的门槛值为0.5，由图3可知，节点10、25的稳定裕度低于门槛值0.5，为薄弱节点。

图4以及图5分别为30节点输电网搭接6个配网的无功优化结果和优化前后静态电压稳定裕度的对比结果，仿真表明在计及静态电压稳定裕度约束以后，不仅全局的总网损得到了降低，各个节点的稳定裕度都有所提高，并且薄弱节点的静态电压稳定裕度都提升至门槛值以上。

实施例2

本实施例提供一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化系统，包括：

静态电压稳定裕度计算模块：用于求取输、配电网中负荷节点的静态电压稳定裕度；

灵敏度矩阵获得模块：用于采用摄动法建立静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系,根据建立的映射关系和步骤1中求取的静态电压稳定裕度，获得电压稳定裕度关于调控量的灵敏度矩阵；

输配电的协同无功优化模型建立模块：用于根据灵敏度矩阵建立静态电压稳定裕度约束，为薄弱节点添加静态电压稳定裕度约束，建立输配电的协同无功优化模型；

求解模块：求解输配电的协同无功优化模型，得到调控变量值,并计算状态量(即节点电压值)及网损的值。

实施例3

本实施例提供了一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一个实施例中方法的步骤。

实施例4

本实施例提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一个实施例中方法的步骤。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1、求取输、配电网中负荷节点的静态电压稳定裕度；

步骤2、采用摄动法建立静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系，根据建立的映射关系和步骤1中求取的静态电压稳定裕度，获得静态电压稳定裕度关于调控量的灵敏度矩阵；

步骤3、根据灵敏度矩阵建立静态电压稳定裕度约束，为薄弱节点添加静态电压稳定裕度约束，建立输配电的协同无功优化模型；

步骤4、求解输配电的协同无功优化模型，得到调控变量值，并计算节点电压值与网损值。

2.如权利要求1所述的一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法，其特征是，所述步骤4、求解输配电的协同无功优化模型，根据灵敏度矩阵更新静态电压稳定裕度的方法，具体为：

在第一轮无功优化迭代时计算全部负荷节点的静态电压稳定裕度，选取裕度低于门槛值的负荷节点为薄弱节点，在之后优化迭代过程中，计算薄弱节点静态电压稳定裕度，使得薄弱节点的静态电压稳定裕度满足静态电压稳定裕度约束。

3.如权利要求1所述的一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法，其特征是：求取输、配电网中负荷节点的静态电压稳定裕度采用基于戴维南等值参数辨识方法。

4.如权利要求1所述的一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法，其特征是，静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系为：

Δλ_cr＝S_λ×Δu

上式中，Δλ_cr为负荷节点静态电压稳定裕度变化列向量，S_λ为l×n的矩阵，l为负荷节点的个数，n为调控量个数，S_λ中元素为负荷节点i的负荷裕度关于第m个调控量的灵敏度；u为调控量，Δu为n维的调控变化量列向量。

5.如权利要求1所述的一种计及静态电压稳定裕度约束的输配协同无功优化方法，其特征是，静态电压稳定裕度约束包括配电网侧静态电压稳定裕度约束和输电网侧静态电压稳定裕度约束。

6.如权利要求5所述的一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法，其特征是，所述输电网侧静态电压稳定裕度约束为：

[ε_min-ε_T0]≤S_Tλ·ΔV_g(T)

其中，ε_min为相应负荷节点电压稳定裕度的门槛值列向量，ε_T0为优化前输电网相应负荷节点电压稳定裕度列向量，列向量V_g为参与调控的发电机节点的机端电压幅值向量，S_Tλ为输电网中负荷节点的静态电压稳定裕度关于调控量ΔV_g的灵敏度矩阵。

7.如权利要求5所述的一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化方法，其特征是，所述配电网侧静态电压稳定裕度约束为：

[ε_min-ε_d0]≤S_dλ·ΔQ_c(d)

其中，ε_min为相应负荷节点电压稳定裕度的门槛值列向量，ε_d0为优化前配网网相应负荷节点电压稳定裕度列向量；ΔQ_c表示参与调控的补偿节点的无功补偿量，S_dλ是配网中相应负荷节点静态电压稳定裕度关于调控量ΔQ_c的灵敏度矩阵。

8.一种计及静态电压安全约束的输配协同无功优化系统，其特征是，包括：

静态电压稳定裕度计算模块：用于求取输、配电网中负荷节点的静态电压稳定裕度；

灵敏度矩阵获得模块：用于采用摄动法建立静态电压稳定裕度与调控量之间的近似线性映射关系，根据建立的映射关系和步骤1中求取的静态电压稳定裕度，获得电压稳定裕度关于调控量的灵敏度矩阵；

输配电的协同无功优化模型建立模块：用于根据灵敏度矩阵建立静态电压稳定裕度约束，为薄弱节点添加静态电压稳定裕度约束，建立输配电的协同无功优化模型；

求解模块：求解输配电的协同无功优化模型，得到调控变量值，并计算节点电压值及网损值。

9.一种电子设备，其特征是，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-7任一项方法所述的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其特征是，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-7任一项方法所述的步骤。