一种电网区域划分方法及装置与流程
本申请涉及电网管理技术领域，尤其涉及以一种电网区域划分方法及装置。
背景技术：
随着用电需求不断上升和用户侧的分布式能源渗透率上升，电力系统的规模在不断扩大，而在电力系统中各级电网之间相互连接，使得电力系统中的电网结构更加复杂。复杂的电网结构导致电力系统的控制难度增大，即对电力系统的运行分析、调度管理以及负荷管理难度逐步加大。为了更好的实现对电力系统的控制，引入电网区域化管理。因此，电网区域化管理将具有十分重要的意义。
电网区域化管理通常是使具有强耦合性质的节点作为同一区域，弱耦合节点分在不同区域，以此来提高电力系统的控制。目前部分电网结构采用的是根据地域来划分电网区域，但是，根据地域进行电网区域划分仅仅考虑了电网结构的自然特性，忽略了电气特性，使得区域划分的应用具有局限性。
技术实现要素：
本申请是实施例公开了一种电网区域划分方法及装置，以解决现有技术中，根据地域进行电网区域划分仅仅考虑了电网结构的自然特性，忽略了电气特性，使得区域划分的应用具有局限性的问题。
第一方面，本申请实施例提供一种电网区域划分方法，所述方法包括：
获取电网的拓扑结构；
根据所述拓扑结构，确定电网中的节点；其中，所述节点包括：电压中枢点以及除电压中枢点以外的各节点；
根据所述节点构建导纳矩阵；
根据所述导纳矩阵和节点参数，确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离；
根据所述第一电气距离将电网划分为多个区域；
根据初始簇中心与聚类指标确定各区域的簇中心；其中，所述初始簇中心为最上游节点与电压中枢点的电气距离；
计算所述节点与所述簇中心之间的第二电气距离，根据所述第二电气距离与各区域内的最小方差调整各区域内的节点，完成电网区域划分。
结合第一方面，在一种实现方式中，根据所述导纳矩阵和节点参数，确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离，包括：
根据所述导纳矩阵的虚部和节点电压，采用如下公式计算无功对电压的灵敏度；
s＝[-b”]-1/u；
其中，s即为电压对无功的灵敏度矩阵，b”为导纳矩阵元素虚部矩阵，u为电压；
根据所述灵敏度计算第一电气距离，采用如下公式计算：
其中，σij为节点i至节点j电气距离，σji为节点j至节点i的电气距离，sij为节点i至节点j的无功对电压的灵敏度，sji为节点j至节点i的无功对电压的灵敏度。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述最上游节点为拓扑结构中的潮流功率始发节点。
结合第一方面，在一种实现方式中，所述根据初始簇中心与聚类指标确定各区域的簇中心，采用以下公式计算：
其中，m为节点，
结合第一方面，在一种实现方式中，根据所述第二电气距离与各区域内的最小方差调整各区域内的节点，完成电网区域划分，包括：
根据各区域内的电气距离与簇中心的误差平方和获得最小方差；
根据所述第二电气距离与所述最小方差，获得目标函数，根据所述目标函数对电网进行区域划分，采用以下公式计算电网区域划分目标函数：
f(σ,n)＝min∑|j(σ,n)|2；
其中，σi0表示第一电气距离，j(σ,n)为各子区域内误差平方和；f(σ,n)为目标函数。
第二方面，本申请实施例部分提供了一种电网区域划分装置，所述装置包括：
获取模块，用于获取电网的拓扑结构；
节点确定模块，用于根据所述拓扑结构，确定电网中的节点；其中，所述节点包括：电压中枢点以及除电压中枢点以外的各节点；
导纳矩阵构建模块，用于根据所述节点构建导纳矩阵；
第一电气距离确定模块，用于根据所述导纳矩阵和节点参数，确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离；
划分模块，用于根据所述第一电气距离将电网划分为多个区域；
簇中心确定模块，用于根据初始簇中心与聚类指标确定各区域的簇中心；其中，所述初始簇中心为最上游节点与电压中枢点的电气距离；
区域划分模块，用于计算所述节点与所述簇中心之间的第二电气距离，根据所述第二电气距离与各区域内的最小方差调整各区域内的节点，完成电网区域划分。
结合第二方面，在一种实现方式中，所述第一电气距离确定模块包括：
第一计算单元，用于根据所述导纳矩阵的虚部和节点电压，采用如下公式计算无功对电压的灵敏度；
s＝[-b”]-1/u；
其中，s即为电压对无功的灵敏度矩阵，b”为导纳矩阵元素虚部矩阵，u为电压；
第二计算单元，用于根据所述灵敏度计算第一电气距离，采用如下公式计算：
其中，σij为节点i至节点j电气距离，σji为节点j至节点i的电气距离，sij为节点i至节点j的无功对电压的灵敏度，sji为节点j至节点i的无功对电压的灵敏度。
结合第二方面，在一种实现方式中，所述簇中心确定模块包括：第三计算单元，用于根据初始簇中心与聚类指标采用以下公式计算，获得各区域的簇中心；
其中，m为节点，
结合第二方面，在一种实现方式中，所述区域划分模块包括：
最小方差获取单元，用于根据各区域内的电气距离与簇中心的误差平方和获得最小方差；
目标函数获取单元，用于根据所述第二电气距离与所述最小方差，获得目标函数；
区域划分单元，用于根据所述目标函数对电网进行区域划分；
其中，采用以下公式计算电网区域划分目标函数：
f(σ,n)＝min∑|j(σ,n)|2；
其中，σi0表示第一电气距离，j(σ,n)为各子区域内误差平方和；f(σ,n)为目标函数。
本申请实施例公开一种电网区域划分方法及装置，所述方法包括：首先获取电网的拓扑结构；然后根据所述拓扑结构，确定电网中的节点；其中，所述节点包括：电压中枢点以及除电压中枢点以外的各节点；根据所述节点构建导纳矩阵；根据所述导纳矩阵和节点参数，确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离；根据所述第一电气距离将电网划分为多个区域；根据初始簇中心与聚类指标确定各区域的簇中心；其中，所述初始簇中心为最上游节点与电压中枢点的电气距离；计算所述节点与所述簇中心之间的第二电气距离，根据所述第二电气距离与各区域内的最小方差调整各区域内的节点，完成电网区域划分。
由以上方案可知，本申请首先利用确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离电网进行初步的区域划分，得到多个子区域，然后根据层次聚类法和簇内误差平方和，对其做进一步的调整，以使电网区域划分更准确，可见，本申请利用了节点之间的电气特征，对电网进行区域划分，使得其适应范围更广。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种电网区域划分方法的流程示意图；
图2是本申请实施例提供的一种电网区域划分装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。
本申请是实施例公开了一种电网区域划分方法及装置，以解决现有技术中，根据地域进行电网区域划分仅仅考虑了电网结构的自然特性，忽略了电气特性，使得区域划分的应用具有局限性的问题。
参照图1，示出了一种电网区域划分方法，所述方法包括以下步骤：
步骤s1，获取电网的拓扑结构。
本步骤中，首先获取待划分电网的拓扑结构，以便于根据拓扑结构进行电网区域划分，至于具体如何获取以及拓扑结构的具体形式，可采用现有的方法以及结构，本申请不做具体限定。
步骤s2，根据所述拓扑结构，确定电网中的节点；其中，所述节点包括：电压中枢点以及除电压中枢点以外的各节点。
其中，电网中的节点通常分为pq节点、pv节点。负荷节点多为pq节点，而电压中枢点为pv节点。
电压中枢点旨在调控关键线路首(末)端电压，从而改善后续节点电压，选其作为参考节点，具有难以比拟的调控优势。
本步骤中，根据步骤s1中的拓扑结构中的拓扑关系，确定电压中枢点以及除所述电压中枢点以外的其他各节点。
步骤s3，根据所述节点构建导纳矩阵。
本步骤中，构建导纳矩阵的具体方法可采用现有的方法，本申请不做具体限定。
步骤s4，根据所述导纳矩阵和节点参数，确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离。
其中，所述节点参数可包括节点电压和功率。
电力系统上两个节点之间的联系阻抗定义为电气距离，该电气距离的物理意义是表示这两个点之间电气联系是否紧密，也就是说，电气距离是反映节点间电气联系程度的重要指标，例如，节点i和节点j间的电气距离可用节点i电压变化幅值δui对节点j处功率注入变化量的灵敏度，电气距离的大小表征节点之间电气联系的强弱。
本实施例中，节点潮流公式矩阵形式如下：
(δp/u＝-b'uδσ)t×t(1)；
(δq/u＝-b”δu)t×t(2)；
其中，δp为负荷节点注入有功变化量，δq为负荷节点注入无功变化量；δσ为负荷节点电压相角变化量，δu为负荷节点电压幅值变化量；u为初始电压；b',b”分别为对应元素的导纳矩阵虚部；t为矩阵阶数。
步骤s5，根据所述第一电气距离将电网划分为多个区域。
本实施例，将步骤s4中得到的第一电气距离按数值大小对电网进行初步的区域划分，得到多个子区域。
步骤s6，根据初始簇中心与聚类指标确定各区域的簇中心；其中，所述初始簇中心为最上游节点与电压中枢点的电气距离。
可选地，所述最上游节点为拓扑结构中的潮流功率始发节点。
本步骤中，首先将最上游节点与电压中枢点的电气距离作为层次聚类法的初始簇中心，然后根据所述初始簇中心和聚类指标确定步骤s5中划分的各区域的簇中心，其中所述聚类指标根据电网或负荷管理需要的精度来设置。
步骤s7，计算所述节点与所述簇中心之间的第二电气距离，根据所述第二电气距离与各区域内的最小方差调整各区域内的节点，完成电网区域划分。
本步骤中，首先计算步骤s2中的各节点与步骤s6中得到的各区域的簇中心之间的第二电气距离，将所述第二电气距离与对比各区域内的最小方差，如果所述第二电气距离小于最小方差，则该节点并入该区域内，否则，不做调整。
步骤s6-s7是采用层次聚类法和簇内误差平方和，对步骤s5初步划分的区域做进一步的调整，以使电网区域划分更准确，适应范围更广。
本申请实施例公开一种电网区域划分方法及装置，所述方法包括：首先获取电网的拓扑结构；然后根据所述拓扑结构，确定电网中的节点；其中，所述节点包括：电压中枢点以及除电压中枢点以外的各节点；根据所述节点构建导纳矩阵；根据所述导纳矩阵和节点参数，确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离；根据所述第一电气距离将电网划分为多个区域；根据初始簇中心与聚类指标确定各区域的簇中心；其中，所述初始簇中心为最上游节点与电压中枢点的电气距离；计算所述节点与所述簇中心之间的第二电气距离，根据所述第二电气距离与各区域内的最小方差调整各区域内的节点，完成电网区域划分。
由以上方案可知，本申请首先利用确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离电网进行初步的区域划分，得到多个子区域，然后根据层次聚类法和簇内误差平方和，对其做进一步的调整，以使电网区域划分更准确，可见，本申请利用了节点之间的电气特征，对电网进行区域划分，使得其适应范围更广。
可选地，根据所述导纳矩阵和节点参数，确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离，可通过以下步骤实现：
根据所述导纳矩阵的虚部和节点电压，采用如下公式计算无功对电压的灵敏度；
s＝[-b”]-1/u(3)；
其中，s即为电压对无功的灵敏度矩阵，b”为导纳矩阵元素虚部矩阵，u为电压；
根据所述灵敏度计算第一电气距离，采用如下公式计算：
其中，σij为节点i至节点j电气距离，σji为节点j至节点i的电气距离，sij为节点i至节点j的无功对电压的灵敏度，sji为节点j至节点i的无功对电压的灵敏度。
可选地，所述根据初始簇中心与聚类指标确定各区域的簇中心，采用以下公式计算：
其中，m为节点，
本实施例中，首先将第一电气距离形成的集合排序，然后再计算各区域的簇中心，假设电压中枢点的编号为0，根据公式(4)可求解各负荷节点i至中枢点的电气距离σi0，得节点电气距离集合a如下：
a＝[σi0]t(6)；
依据数值大小对集合a做排序，得新集合β如下：
β＝[bm]t(7)；
其中，
根据公式(7)逐个确定各区域的簇中心，直至所有的区域均确认完毕则停止计算。接着根据排序后的集合β，采用公式(5)计算得到各区域的簇中心。
可选地，根据所述第二电气距离与各区域内的最小方差调整各区域内的节点，完成电网区域划分，可通过以下步骤实现：
根据各区域内的电气距离与簇中心的误差平方和获得最小方差；
根据所述第二电气距离与所述最小方差，获得目标函数，根据所述目标函数对电网进行区域划分，采用以下公式计算电网区域划分目标函数：
f(σ,n)＝min∑|j(σ,n)|2(9)；
其中，σi0表示第一电气距离，j(σ,n)为各子区域内误差平方和；f(σ,n)为目标函数。
本实施例是将除簇中心外的节点根据簇内误差平方和公式，分配给与其最相似的区域，并循环选择得最优解，逐步迭代，使得划分精度进一步提高，适用范围更广。
参照图2，示出了一种电网区域划分装置，所述装置包括：
获取模块10，用于获取电网的拓扑结构；
节点确定模块20，用于根据所述拓扑结构，确定电网中的节点；其中，所述节点包括：电压中枢点以及除电压中枢点以外的各节点；
导纳矩阵构建模块30，用于根据所述节点构建导纳矩阵；
第一电气距离确定模块40，用于根据所述导纳矩阵和节点参数，确定各节点与电压中枢点之间的第一电气距离；
划分模块50，用于根据所述第一电气距离将电网划分为多个区域；
簇中心确定模块60，用于根据初始簇中心与聚类指标确定各区域的簇中心；其中，所述初始簇中心为最上游节点与电压中枢点的电气距离；
区域划分模块70，用于计算所述节点与所述簇中心之间的第二电气距离，根据所述第二电气距离与各区域内的最小方差调整各区域内的节点，完成电网区域划分。
可选地，所述第一电气距离确定模块包括：
第一计算单元，用于根据所述导纳矩阵的虚部和节点电压，采用如下公式计算无功对电压的灵敏度；
s＝[-b”]-1/u(10)；
其中，s即为电压对无功的灵敏度矩阵，b”为导纳矩阵元素虚部矩阵，u为电压；
第二计算单元，用于根据所述灵敏度计算第一电气距离，采用如下公式计算：
其中，σij为节点i至节点j电气距离，σji为节点j至节点i的电气距离，sij为节点i至节点j的无功对电压的灵敏度，sji为节点j至节点i的无功对电压的灵敏度。
可选地，所述簇中心确定模块包括：第三计算单元，用于根据初始簇中心与聚类指标采用以下公式计算，获得各区域的簇中心；
其中，m为节点，
可选地，所述区域划分模块包括：
最小方差获取单元，用于根据各区域内的电气距离与簇中心的误差平方和获得最小方差；
目标函数获取单元，用于根据所述第二电气距离与所述最小方差，获得目标函数；
区域划分单元，用于根据所述目标函数对电网进行区域划分；
其中，采用以下公式计算电网区域划分目标函数：
f(σ,n)＝min∑|j(σ,n)|2(14)；
其中，σi0表示第一电气距离，j(σ,n)为各子区域内误差平方和；f(σ,n)为目标函数。
本申请实施例公开的一种电网区域划分方法及装置可实现电力系统区域划分管理，主要用于电力系统分析、调度管理、电能质量监督、负荷管理等技术领域。
本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本申请进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本申请的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本申请精神和范围的情况下，可以对本申请技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本申请的范围内。本申请的保护范围以所附权利要求为准。
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