计及双回线IPFC控制特性的电力系统潮流优化方法

计及双回线ipfc控制特性的电力系统潮流优化方法
技术领域
1.本发明涉及电力系统稳定及控制技术领域，具体是一种计及双回线ipfc控制特性的电力系统潮流优化方法。


背景技术：

2.线间潮流控制器(interline power flow controller，ipfc)是第三代facts器件的典型代表。ipfc串联于多条线路，可以解决负荷密集型受端电网输电廊道稀缺、潮流分布不均导致的断面输电能力受限等一系列输电难题。双回线的ipfc较之传统的单回线ipfc，在容错性方面有明显的提高。当传统的单回线ipfc所在串联线路发生n-1故障时，故障线路上的串联换流器很可能会失去对故障线路的控制，从而导致系统的潮流安全受到威胁；而对于双回线的ipfc，当ipfc所在串联线路发生n-1故障时，由于其双回并联结构，与故障线路并联的另一回线上的串联换流器仍可发挥其潮流调控作用，具有很好的容错型。
3.然而，目前关于含ipfc的潮流优化问题研究中，采用的ipfc模型均隐含假设ipfc注入电压在偶发事件前后保持不变，双回线ipfc也是如此。而在实际运行中，ipfc通常在毫秒级时间内快速调整注入电压，使受控线路潮流在突发事件发生后保持不变。模型假设与实际操作的不一致不可避免地会带来误差，导致控制决策不当。在某些情况下，这种控制决策甚至会威胁系统安全，如线路潮流越限。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供计及双回线ipfc控制特性的电力系统潮流优化模型及方法，优化模型的目标函数同时考虑了电网的经济性和静态安全性，约束条件除了常规的运行约束外，还将双回线ipfc控制特性的相关约束考虑进来，优化模型较为全面、严谨；考虑的ipfc的控制特性不同于已有研究中保持故障前后ipfc注入电压不变，而是尽量地保证故障前后ipfc所在输电断面的潮流不变；所考虑的ipfc控制特性更加贴合工程实际，准确地计及了ipfc的控制特性。
5.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
6.计及双回线ipfc控制特性的电力系统潮流优化方法，所述潮流优化方法包括优化模型以及优化模型的求解方法，优化模型的约束条件包括ipfc运行约束、系统运行约束以及双回线ipfc控制特性的等式约束和不等式约束。
7.进一步的，所述优化模型的目标函数包括经济性子函数和安全性子函数。
8.进一步的，所述双回线ipfc控制特性的约束中，ipfc及其所在串联线路正常工作时，ipfc的控制特性表示为：ipfc所在线路的有功和无功潮流目标值设置为给定的有功和无功值，即：
[0009][0010]
式中，p
mj
+jq
mj
表示线路mj的潮流，p
nj
+jq
nj
表示线路nj的潮流，p
pk
+jq
pk
表示线路pk
的潮流，p
qk
+jq
qk
表示线路qk的潮流；p
1ref
+jq
1ref
为受控线路1的目标潮流，p
2ref
+jq
2ref
为受控线路2的目标潮流。
[0011]
进一步的，所述双回线ipfc控制特性的约束中，ipfc所在串联线路发生n-1故障时，则该故障回线的串联换流器将失去控制作用，而与该故障回线并联的另一回线的串联换流器和非故障侧两回线的串联换流器发挥控制作用；对于故障侧，为保持故障前后ipfc所在的输电断面潮流变化最小，将与该故障回线并联的另一回线的有功和无功潮流目标值设为故障前的两倍，若设为两倍值导致该回线潮流越限，则将该回线的潮流设定为其最大额定容量；假设线路nj发生n-1故障，有：
[0012][0013]
p
pk(c)
+jq
pk(c)
＝p
qk(c)
+jq
qk(c)
＝p
2ref
+jq
2ref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0014]
式中，(
·
)
(c)
表示故障后的变量；s
mjmax
为线路mj的容量，为线路mj的功率因数；
[0015]
而对于非故障侧的两回线，保持其控制目标值和故障前的一致即：
[0016][0017]
进一步的，所述双回线ipfc为具有并联侧换流器的双回线ipfc，两组串联的换流器分别调控两条双回线线路，并联侧换流器维持ipfc内部有功交互平衡，并提供无功功率支撑。
[0018]
进一步的，建立双回线ipfc的稳态运行模型需要满足功率平衡约束；根据传统功率注入模型，ipfc串联侧附加虚拟节点m，n，p，q的注入功率表示为：
[0019][0020]
式中，记h∈{m，n，p，q}，p
hjt
表示节点m,n,p,q的有功注入功率，q
hjt
表示节点m,n,p,q的无功注入功率，vh表示节点m,n,p,q的电压幅值，θh表示节点m,n,p,q的电压相角，v
seih
为四回线路串联换流器输出电压的幅值，θ
seih
为四回线路串联换流器输出电压的相角，x
seih
为线路串联耦合换流器等效阻抗；
[0021]
节点i的注入功率表示为：
[0022][0023]
式中，p
ijt
表示节点i的有功注入功率，q
ijt
表示节点i的无功注入功率，vi表示节点i的电压幅值，θi表示节点i的电压相角，v
sr
∠θ
sr
,x
sr
分别为并联侧换流器的输出电压和等效电抗；
[0024]
ipfc满足所有变流器有功守恒：
[0025][0026]
式中，分别为并联侧换流器流过的电压和电流相量，分别为四回线路串联换流器的输出电压相量和流过的电流相量。
[0027]
进一步的，计及双回线ipfc控制特性的电力系统潮流优化方法，所述优化模型的求解方法包括以下步骤：
[0028]
s1:输入网络数据和n-1故障集，初始化种群；
[0029]
s2：将粒子的值赋给控制变量，控制变量包括ipfc控制线路的潮流目标值、可调发电机出力、pv节点电压；
[0030]
s3：在系统正常运行情况下进行含ipfc的潮流计算；根据潮流计算结果判断是否满足不等式约束，若满足，转至s4；若不满足，在该粒子的适应度值上加上惩罚项，并转至s4；
[0031]
s4：进行n-1预想故障排序；
[0032]
s5：在第j个n-1故障下进行考虑双回线ipfc控制特性的潮流计算；首先判断n-1故障是否发生在ipfc串联侧，若是，将与该故障回线并联的另一回线的有功和无功潮流目标值设为故障前的两倍，若设为两倍值导致该回线潮流越限，则将该回线的潮流设定为其最大额定容量；而对于非故障侧的两回线，保持其控制目标值和故障前的一致；然后采用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算，根据潮流计算结果判断是否满足不等式约束，若满足，转至s6；若不满足，在该粒子的适应度值上加上惩罚项，转至s6；
[0033]
s6：判断n-1故障集是否已经遍历，若是，转至s7；若不是，转至s5；
[0034]
s7：计算各粒子的总适应度值，记录初始个体最优值和群体最优值；
[0035]
s8：判断是否达到迭代最小值；若没达到，转至s9；若达到，转至s10；
[0036]
s9:更新粒子速度和位置，转至s10；
[0037]
s10：输出最优潮流结果和最优控制方案。
[0038]
本发明的有益效果：
[0039]
1、本发明优化模型的目标函数同时考虑了电网的经济性和静态安全性，约束条件除了常规的运行约束外，还将双回线ipfc控制特性的相关约束考虑进来，优化模型较为全面、严谨；
[0040]
2、本发明考虑的ipfc的控制特性不同于已有研究中保持故障前后ipfc注入电压不变，而是尽量地保证故障前后ipfc所在输电断面的潮流不变；所考虑的ipfc控制特性更加贴合工程实际，准确地计及了ipfc的控制特性；
[0041]
3、本发明的研究对象是双回线ipfc，较之传统的单回线ipfc，在容错性方面有明显的优势，也更加贴合国内输电线路往往采用并联双回线路的工程现状；
[0042]
4、本发明优化方法采用的粒子群算法可以很好地求解该非线性优化模型，计算目标函数所必须进行的潮流计算、控制策略的选择都被完美地包容在该求解算法中，最优解的质量得以保障。
附图说明
[0043]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0044]
图1为本发明的双回线ipfc的等效电路图；
[0045]
图2为本发明的计及双回线ipfc控制特性的电力系统潮流优化模型求解方法流程图。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
实施例一：
[0048]
本实施例采用本发明的一种计及双回线ipfc控制特性的电力系统潮流优化方法。该优化方法包括目标函数和约束条件两个部分。
[0049]
(1)目标函数
[0050]
为兼顾系统的安全性与经济性，本发明方法设立目标函数如下：
[0051]
f＝λ1·
f1+λ2·
f2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0052]
式中，f1为安全性目标函数，f2为经济性目标函数。λ1、λ2分别为安全性目标函数和经济性目标函数对应的权重系数。
[0053]
为了使优化策略满足潮流的n-1安全约束，本发明引入发生n-1故障时重载线路的负载率之和来描述安全性目标函数。所以有：
[0054][0055]
式中，l是重载线路集，p
l
为重载线路l的有功潮流，p
l0
为线路l的有功容量(重载率取(p
l
/p
l0
)≥0.8)。
[0056]
除了ipfc参与调节外，还可选择一些发电机参与最优潮流调节。本发明将发电机出力成本作为考察系统经济性的指标f2，于是有：
[0057][0058]
式中，ω
2i
，ω
1i
，ω
0i
为第i台发电机的发电成本系数，p
gi
为第i台发电机的有功出力，ng为系统参与优化调节的发电机总数。
[0059]
(2)约束条件
[0060]
图1为本发明涉及的双回线ipfc的等效电路图，双回线ipfc为具有并联侧换流器的双回线ipfc，两组串联的换流器分别调控两条双回线线路，并联侧换流器维持ipfc内部有功交互平衡，并提供无功功率支撑，为方便后续模型推导，添加m，n，p，q作为附加虚拟节点，记h∈{m，n，p，q}。ipfc所在的受控线路1和受控线路2均为双回线线路，受控线路1对应线路im，in，受控线路2对应线路ip，iq。v
seih
为四回线路串联换流器输出电压的幅值，θ
seih
为四回线路串联换流器输出电压的相角，为四回线路串联换流器流过的电流相量，i
sr
∠θ
sr
为并联侧换流器流过的电流相量；x
seih
为线路串联耦合换流器等效阻抗；g
mj
,g
nj b
mj
,b
nj
分别为线路mj,nj的等效电导、电纳，g
pk
,g
qk
,b
pk
,b
qk
分别为线路pk,qk的等效电导、电纳。v
sr
∠θ
sr
,x
sr
分别为并联侧换流器的输出电压和等效电抗。并联侧等效电压源向节点i注入有功功率以满足ipfc自身的有功功率平衡，向节点i注入无功功率以维持该节点的电压稳定。因此对含ipfc系统进行潮流计算时，可将节点m，n，p，q设置为pq节点，节点i设置为pv节点。
[0061]
双回线ipfc运行需要满足一定的功率平衡约束。根据传统功率注入模型，ipfc串联侧附加虚拟节点m，n，p，q的注入功率表示为：
[0062][0063]
节点i的注入功率可表示为：
[0064][0065]
忽略自身损耗，ipfc满足所有变流器有功守恒：
[0066][0067]
式中，分别为并联侧换流器流过的电压和电流相量，为四回线路串联换流器的输出电压相量。
[0068]
在系统的运行约束方面，需满足潮流平衡方程：
[0069][0070]
定义n为系统所有节点集合(含附加注入节点)，n为节点总个数，i，j∈n。p
gi
和q
gi
为并联于节点i的可调发电机有功和无功出力，若发电机不参与调节，则处理方式与负荷节点类似；p
li
，q
li
分别为节点i的有功和无功负荷；g
ij
，b
ij
为线路ij的导纳；θ
ij
表示节点i，j之间的相角差。
[0071]
当i为与ipfc注入功率有关的节点(公共节点和附加虚拟节点)时，p
ijt
，q
ijt
为相应的注入功率值；当i为系统中其他节点时，p
ijt
＝0,q
ijt
＝0。
[0072]
需要满足的不等式约束包括：
[0073][0074]nl
表示系统所有线路的集合。ng表示系统所有发电机节点的集合。s
ci
表示该线路
能够承受的热稳定极限容量。v
imin
,v
imax
分别为节点电压的下限值和上限值，p
gimin
,p
gimax
分别为发电机出力的下限值和上限值。p
dcmax
,v
seihmax
,i
ihmax
分别为变流器交互有功功率最大值、输出电压幅值、电流幅值的上限值。
[0075][0076]
当i为与ipfc注入功率有关的节点(公共节点和附加虚拟节点)时，p
ijt
,q
ijt
为相应的注入功率值；当i为系统中其他节点时，p
ijt
＝0,q
ijt
＝0。
[0077]
本发明研究预防控制，n-1故障前后发电机控制策略不变，需满足如下等式约束：
[0078][0079]
需要满足的不等式约束包括：
[0080][0081]
除了常规的ipfc运行约束和系统运行约束外，本发明还考虑了双回线ipfc控制特性的等式约束和不等式约束。
[0082]
本发明将ipfc固定在定功率控制模式。当ipfc正常工作时，其控制特性可以表示为：
[0083][0084]
式中，p
mj
+jq
mj
表示线路mj的潮流，p
nj
+jq
nj
表示线路nj的潮流，p
pk
+jq
pk
表示线路pk的潮流，p
qk
+jq
qk
表示线路qk的潮流。p
1ref
+jq
1ref
为受控线路1的目标潮流，p
2ref
+jq
2ref
为受控线路2的目标潮流。
[0085]
当发生n-1故障时，设置如下的ipfc控制策略。分两种情况：
[0086]
1)当ipfc所在串联线路发生n-1故障时，则该故障回线的串联换流器将失去控制作用，而与该故障回线并联的另一回线的串联换流器和非故障侧两回线的串联换流器仍可发挥控制作用。对于故障侧，为保持故障前后的变化最小，将与该故障回线并联的另一回线的有功和无功潮流目标值设为故障前的两倍，若设为两倍值导致该回线潮流越限，则将该回线的潮流设定为其最大额定容量；而对于非故障侧的两回线，保持其控制目标值和故障
前的一致即可。以线路nj发生n-1故障为例进行说明，数学表达为：
[0087][0088]
p
pk(c)
+jq
pk(c)
＝p
qk(c)
+jq
qk(c)
＝p
2ref
+jq
2ref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(14)
[0089]
式中，(
·
)
(c)
表示故障后的变量。s
mjmax
为线路mj的容量，为线路mj的功率因数。
[0090]
2)n-1故障发生在非ipfc串联侧。此时，故障前后ipfc所控线路潮流保持不变。数学表达为：
[0091][0092]
ipfc并联侧采用恒定电压调节方式，保持故障前后并联侧母线电压不变且等于其电压目标值，则有：
[0093]vi
＝v
i(c)
＝v
iref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0094]
式中，vi为公共节点i的电压，v
iref
为公共节点i电压的目标值。
[0095]
实施例二：
[0096]
本实施例采用本发明的一种计及双回线ipfc控制特性的电力系统潮流优化模型的求解方法。
[0097]
由于计及双回线ipfc控制特性的电力系统潮流优化模型的非线性，本发明设计了基于粒子群算法的计算结构并实现了模型的求解。在该计算结构中，用罚函数处理不等式约束(8)、(11)，以潮流计算保证等式约束(7)、(9)。
[0098]
在本发明设计的基于粒子群算法的计算结构中，设粒子为一多维向量x，x＝[p
g1
,
…
,p
gng
,q
g1
,
…
,q
gng
,v
g1
,
…
,v
gnpv
,p
1ref
,q
1ref
,p
2ref
,q
2ref
,v
iref
]。其中，n
pv
为参与优化调节的pv节点个数。x的分量p
1ref
,q
1ref
,p
2ref
,q
2ref
,v
iref
即为ipfc的控制目标。
[0099]
具体的用粒子群算法的求解步骤如下：
[0100]
s1:输入网络数据和n-1故障集，初始化种群；
[0101]
s2：将粒子的值赋给控制变量，控制变量包括ipfc控制线路的潮流目标值(p
1ref
,q
1ref
,p
2ref
,q
2ref
,v
iref
)、可调发电机出力(p
g1
,
…
,p
gng
,q
g1
,
…
,q
gng
)、pv节点电压(v
g1
,
…
,v
gnpv
)；
[0102]
s3：在系统正常运行情况下进行含ipfc的潮流计算。根据潮流计算结果判断是否满足不等式约束(8)、(11)，若满足，转至s4；若不满足，在该粒子的适应度值上加上惩罚项，并转至s4；
[0103]
s4：进行n-1预想故障排序；
[0104]
s5：在第j个n-1故障下进行考虑双回线ipfc控制特性的潮流计算。在进行潮流计算前，首先判断n-1故障是否发生在ipfc串联侧，若是(假设n-1故障发生在线路nj)，将与该故障回线并联的另一回线的有功和无功潮流目标值设为故障前的两倍；若设为两倍值后导致该回线的潮流越限，则将该回线的潮流设定为其最大额定容量，即式(13)-(14)。
[0105]
而对于非故障侧的两回线，保持其控制目标值和故障前的一致即可，即式(15)。
[0106]
设置好受控线路的目标值后采用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算，根据潮流计算结果判断是否满足不等式约束(8)、(11)，若满足，转至s6；若不满足，在该粒子的适应度值上加上惩罚项，转至s6；
[0107]
s6：判断n-1故障是否已经遍历，若是，转至s7；若不是，转至s5；
[0108]
s7：计算各粒子的总适应度值，记录初始个体最优值和群体最优值；
[0109]
s8：判断是否达到迭代最小值。若没达到，转至s9；若达到，转至s10；
[0110]
s9:更新粒子速度和位置，转至s10；
[0111]
s10：输出最优潮流结果和最优控制方案。
[0112]
综上，本发明通过牛顿-拉夫逊迭代方法保证粒子满足潮流方程(7)和(9)成立，通过在目标函数中增加罚函数处理不等式约束(8)和(11)，从而可得到一组粒子对应的总适应度值。不断更新粒子的速度和位置，经过多次迭代后可求得最优解，即最优控制方案。
[0113]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0114]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。