基于时段划分的日前母线运行方式优化方法

1.基于时段划分的日前母线运行方式优化方法，属于电力系统的电压稳定增强控制技术领域。


背景技术：

2.电力系统静态电压稳定是系统安全稳定运行的重要指标之一，随着负荷需求的增长和电力市场改革的推进，以及电力系统自身运行条件的情况，可能导致负荷损失、电压崩溃和系统解列等严重后果。因此，根据一天内负荷的变化，制定有效的控制措施，确保电力系统在日前各负荷水平下维持静态电压稳定，对于电力系统的安全稳定运行具有重要意义。
3.增强电力系统电压稳定性的常规措施为切负荷、增加无功补偿装置和调整控制变压器分接头等。大量研究还表明，电网拓扑结构不合理也是制约电力系统正常稳定运行的重要因素。利用系统的开关操作(如输电线路投切、母联的投入或退出和倒闸操作等，优化电网拓扑结构)，有利于提高电力系统的稳定性和安全性。目前电网拓扑优化措施已广泛应用到缓解系统过负荷、缓解电压越限和限制短路电流等领域。电网拓扑结构优化方法可分为静态优化和动态优化：静态优化主要针对电力系统某一时间断面的数据以及约束条件，求解有效的控制措施；动态优化则计及各时段的负荷波动等因素，因而更具有实际研究意义。
4.近年来，国内外已有多位学者对电力系统的动态优化方法展开研究。有学者提出一种基于网络损耗和电压偏差的综合性指标，根据该指标划分时段，通过预先设定最大标准差确定重构时段，从而提升配电网运行的经济性和分布式电源的利用率；或者通过引入功率矩的概念，设置功率矩不平衡度的最大极差和最大标准差进行重构时段动态划分，该方法可以控制最大重构次数以降低配电网的开关操作费用和网损。但是上述两种方法都需提前设置分段指标的阈值，存在一定的主观性。也有学者提出等效负荷概率的信息熵分段方法，该方法可直接确定最优分段方案进行配电网的动态重构从而降低日损失费用，但是该方法所采用的分段数据仅限于总的日负荷曲线，不能准确反应负荷水平变化时各节点运行状态。此外，也有研究人员提出多代理协调优化方法降低配电网的有功损耗，该方法无需设置阈值，但要逐小时求解重构方案，然后通过相邻工作代理之间的学习更新解集合，以获得满足开关操作次数约束的解，计算量大。有专利提出电网静态电压稳定负荷裕度的分析方法，采用熵模型获取负荷裕度的概率密度分布，以提升负荷裕度分析结果的准确性，该方法构建了基于负荷增长随机性和网架结构的连续潮流模型，将网架结构作为影响潮流计算结果的因素之一，在分析网架结构时，主要考虑线路的正常运行概率。
5.《电力系统及其自动化学报》第2017年第29卷第4期公开了采用改进细菌觅食算法的含分布式电源配电网动态重构[j]，作者为唐浩、周步祥、彭章刚、等，其根据系统运行综合性指标的时段划分方法需要预先设定该指标的最大标准差。
[0006]
《电网技术》第2012年第36卷第2期公开了采用时段动态划分和分层优化策略的配
电网重构[j]，作者为江东林、刘天琪、李樊，其功率矩不平衡度的时段划分方法需要设定功率矩不平衡度的最大极差和最大标准差，且阈值的设定需要满足操作次数的约束，因此，该分段方法存在主观性，难以取到合理的阈值。
[0007]
《电网技术》第2017年第41卷第2期公开了基于信息熵时段划分的主动配电网动态重构[j]，作者为赵静翔、牛焕娜、王钰竹，其所提方法根据等效日负荷曲线计算信息熵进行时段划分，但总的负荷曲线不能准确反映各节点负荷变化情况。
[0008]
《中国电机工程学报》第2008年第34期公开了配电网动态重构的多代理协调优化方法[j]，作者为李振坤、陈星莺、赵波等，其所提多代理的方法仍需要逐个求解每小时的解，计算量较大。


技术实现要素：

[0009]
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种通过最少次数的母线运行方式优化，提高电力系统的静态电压稳定性，电力系统满足安全运行约束和潮流平衡约束的基于时段划分的日前母线运行方式优化方法。
[0010]
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该基于时段划分的日前母线运行方式优化方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0011]
评估阶段，应用连续潮流方法评估日前电力系统的各小时的电压稳定性，计算各负荷水平下电力系统的负荷裕度、从初始运行点到鞍结点分岔点的节点电压相对变化量；
[0012]
时段划分阶段，分别计算各时段划分方案的信息熵，确定日前负荷曲线的最佳时段划分方案；
[0013]
有效母线运行方案求解阶段，求解每一时段中最危险的负荷水平下的有效母线运行方案，将所求的运行方案对后续负荷水平进行校验，执行局部时段调整，并重复执行该步骤，直至获得电力系统全部时段的有效解；
[0014]
输出阶段，输出时段划分方案、各时段的有效解、母线运行方式优化后日前电力系统的负荷裕度。
[0015]
优选的，所述评估阶段包括如下步骤：
[0016]
步骤1001，获取当前电力系统的在线数据、日负荷预测数据、日前发电计划、日前维修计划、待优选的母线集及对应的母线运行方案；
[0017]
步骤1002，应用连续潮流方法计算电力系统在日前各负荷水平下的负荷裕度、雅可比矩阵零特征根的左特征向量、snb点的电压幅值和各支路功率。
[0018]
优选的，所述的时段划分阶段包括如下步骤：
[0019]
步骤2001，计算电力系统在各时段负荷水平下从初始运行点到鞍结点分岔点的电压幅值变化等效概率；
[0020]
步骤2002，执行时段合并，分别计算各时段划分方案的信息熵，确定日前负荷曲线的最佳时段划分方案。
[0021]
优选的，根据步骤2001中从初始运行点到鞍结点分岔点的电压幅值，计算各时段的节点电压幅值相对变化量δvj：
[0022]
δvj＝(v
j，0-v
j，snb
)/v
j，0
，
[0023]
zi＝[δv1，δv2，...δvj，...δvn]，
[0024]
其中，v
j，0
为节点j初始运行点的电压幅值；v
j，snb
为节点j在鞍结点分岔点的电压幅值；zi为第i个时段的电压幅值变化向量。
[0025]
各时段节点电压幅值变化等效概率ps(xi)为：
[0026][0027]
xi＝||zi||，其中，xi为第i个时段的电压幅值变化向量zi的模；s为时段总数，n为节点数。
[0028]
优选的，步骤2002中划分时段数为s时的信息熵es为：
[0029][0030]
优选的，将任意两个相邻的时段合并为一个新的时段，完成所述时段划分。
[0031]
优选的，所述的有效母线运行方案求解阶段包括如下步骤：
[0032]
步骤3001，求解时段ti的最危险负荷水平下电力系统的有效母线运行方案；
[0033]
步骤3002，将所求母线运行方案对时段ti的其他负荷水平进行校验；
[0034]
步骤3003，判断各负荷水平下系统的负荷裕度是否都满足阈值约束，如是则执行步骤3005，如否则执行步骤3004；
[0035]
步骤3004，从解集合中剔除该母线运行方案；
[0036]
步骤3005，判断所有解是否都校验完毕，如是则执行步骤3006，如否则再次执行步骤3002；
[0037]
步骤3006，执行时段ti划分的局部调整；
[0038]
步骤3007，判断所有时段是否都求解完毕，如是则有效母线运行方案求解完毕，如否则执行步骤3001。
[0039]
优选的，步骤3003中计算时段ti的负荷水平下全部母线运行方案中的负荷裕度变化量
[0040][0041]
其中，为电力系统在母线运行方案bsk下的负荷裕度的变化量；n
l
是原始网络拓扑结构n的支路数；δλ
ij
为由于母线运行方式改变造成支路i-j参数变化导致的负荷裕度变化量，δθ
ij
的计算方法如下：
[0042][0043]
其中，δpi、δpi和δqi、δqj分别对应母线i、j的有功功率和无功功率平衡方程；ω为雅可比矩阵零特征根对应的左特征向量，和为向量中对
应母线i和母线j的有功功率和无功功率平衡方程的元素；为母线运行方式改变的支路i-j导纳参数的变化量；g
ij
+jb
ij
和分别为母线运行方式改变前后支路i-j的导纳参数。
[0044]
优选的，时段ti的备选母线运行方案解集合为：
[0045][0046][0047]
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果是：
[0048]
本发明基于时段划分的日前母线运行方式优化方法无需预先设定分段数或分段临界指标，通过计算时段合并方案的信息熵，绘制熵函数曲线可直接确定最佳分段数和最佳分段方案，不受主观因素的影响；将获取的日负荷波动状况反映为各负荷水平下电力系统节点电压幅值的变化，可有效克服总的负荷波动较小而各节点变化较大时，日负荷曲线不能准确反映电力系统状态的问题；先对每个时段中最危险的负荷水平求解有效母线运行方案，然后再对该时段里其他负荷情况进行校验，从而确定该时段的有效母线运行方案，不必对全部负荷下电力系统逐个求解。求解速度快，计算量小，效率高。
[0049]
本发明是一种动态运行方案求解方法，该方法对后一时段求解时，是基于前一时段母线运行方式改变后的网络拓扑结构进行的，可减少开关操作次数，经济性好；根据所求的有效解对时段划分方案进行局部调整，可有效减小母线运行方式变化次数，减少开关操作次数；此外，本发明所用的控制措施仅对网络拓扑结构做合理的调整，无需增加额外投资。
附图说明
[0050]
图1为基于时段划分的日前母线运行方式优化方法的流程图。
[0051]
图2是电力系统的最佳分段数示意图。
[0052]
图3是电力系统的日前负荷水平示意图。
[0053]
图4是45号母线运行方案示意图。
[0054]
图5是母线运行方式优化前后日前电力系统的负荷裕度对比图。
具体实施方式
[0055]
图1～5是本发明的最佳实施例，下面结合附图1～5对本发明做进一步说明。
[0056]
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，然而熟悉本领域的人们应当了解，在这里结合附图给出的详细说明是为了更好的解释，本发明的结构必然超出了有限的这些实施例，而对于一些等同替换方案或常见手段，本文不再做详细叙述，但仍属于本技术的保护范围。
[0057]
如图1～5所示：基于时段划分的日前母线运行方式优化方法，包括如下步骤：
[0058]
步骤1，评估阶段，应用连续潮流方法评估日前电力系统的各小时的电压稳定性，
计算各负荷水平下电力系统的负荷裕度、从初始运行点到鞍结点分岔点的节点电压相对变化量。
[0059]
基于原始网络拓扑结构，根据从能量管理系统和scada系统获取的系统在线数据和给定的日负荷数据，应用连续潮流方法评估日前电力系统的各小时的电压稳定性，计算各负荷水平下电力系统的负荷裕度、从初始运行点到鞍结点分岔点的节点电压相对变化量。
[0060]
基于时段划分的日前静态电压稳定增强控制的数学模型为：
[0061][0062]
母线运行方式改变后电力系统的连续潮流平衡方程为：
[0063][0064]
母线运行方式改变后电力系统的负荷裕度阈值为：
[0065]
λ
t
≥λ
th
，t＝1，2，3，...，24；
[0066]
母线运行方式改变后电力系统的安全运行约束为：
[0067][0068][0069]
其中：n
t
为t时刻的网络拓扑结构；(n
t-n
t-1
)映射为t时刻和t-1时刻网络拓扑结构的变化情况，若结构相同，则(n
t-n
t-1
)＝0，否则(n
t-n
t-1
)＝1；λ
t
为t时刻系统的负荷裕度，λ
th
是由运行人员预先设置的负荷裕度阈值；其中，x
t
为第t小时电力系统的状态变量；bs为可改变运行方式的母线集合，bsk为母线k的一种运行方式，k∈bs；vi、v
i，max
和v
i，min
分别为母线i的电压幅值、电压上限值、电压下限值；s
(i，j)
和s
(i，j)，max
分别为线路i-j当前流通的功率和允许功率限值；m为电力系统的全部节点集合；λ
t
＝0表示当前电力系统，λ
t
＝1表示预期电力系统。
[0070]
评估阶段具体包括如下步骤：
[0071]
步骤1001，输入从能量管理系统和scada系统获取的当前系统的实时数据、日负荷预测数据、发电计划和维修计划；
[0072]
步骤1002，置s＝24，i＝1；
[0073]
步骤1003，应用连续潮流方法计算电力系统在日前各负荷水平下的负荷裕度、雅可比矩阵零特征根的左特征向量、snb点的电压幅值及各支路功率。
[0074]
步骤2，时段划分阶段；分别计算各时段划分方案的信息熵，确定日前负荷曲线的最佳时段划分方案。
[0075]
以不同负荷水平作为一小时，计算各小时节点电压变化的信息熵。未划分前，时段数为24，信息熵值最大。将任意两个相邻的时间段合并为一个新时段并计算信息熵，选择各时段合并方案中信息熵最大的为该分段数下的最佳分段方案。直到分段数减少为1，此时的信息熵为0。绘制熵值-时段数函数曲线，用直线连接熵函数曲线的首尾两端，曲线上距离直
线最远的点达到了信息熵减小与分段数之间的平衡，该点对应的分段数和分段方案即为时段划分的最佳方案。
[0076]
获得分段个数分别为s＝1，2，3，...24时的信息熵es，然后绘制熵值-分段数函数曲线，用直线l连接曲线的首尾两端，熵函数曲线上距离直线l最远的一点是熵函数曲线斜率大于直线斜率的临界点，对应的分段数和分段方案即为日前电力系统时段划分的最佳方案。最后将所得最佳分段划分方案送入有效母线运行方案求解阶段。
[0077]
时段划分阶段具体包括如下步骤：
[0078]
步骤2001，计算电力系统在各时段负荷水平下从初始运行点到鞍结点分岔点的电压幅值变化等效概率；
[0079]
执行基于信息熵的电力系统日负荷曲线的时段划分：
[0080]
根据评估阶段计算的鞍结点分岔点的电压幅值，各时段的节点电压幅值相对变化量δvj为：
[0081]
δvj＝(v
j，0-v
j，snb
)/v
j，0
，
[0082]
zi＝[δv1，δv2，...δvj，...δvn]，
[0083]
其中，v
j，0
为节点j初始运行点的电压幅值；v
j，snb
为节点j在snb点的电压幅值zi为第i个时段的电压幅值变化向量。
[0084]
各时段节点电压幅值变化等效概率ps(xi)为：
[0085][0086]
xi＝||zi||，
[0087]
其中，xi为第i个时段的电压幅值变化向量zi的模；s为时段总数，未进行时段分段划分前s＝24，n为节点数。
[0088]
计算划分时段数为s时的信息熵es为：
[0089][0090]
当s＝24时，信息熵es取到最大值，当s＝1时，es＝0。
[0091]
步骤2002，执行时段合并，分别计算各时段划分方案的信息熵，确定日前负荷曲线的最佳时段划分方案。
[0092]
将任意两个相邻的时间段合并为一个新时段，s＝s-1，并分别计算每种时段合并方案的信息熵e
s-1
，识别信息熵减最小的分段方案。
[0093]
步骤2003，若s＝1，如是则执行步骤2004，如否则返回执行步骤2002；
[0094]
步骤2004，确定日前负荷水平下的电力系统最佳时段划分方案：如图2所示，熵函数曲线上距直线l垂直距离最远的一点v0对应的s0即为最佳分段数。
[0095]
步骤3，有效母线运行方案求解阶段，求解每一时段中最危险的负荷水平下的有效母线运行方案，将所求的运行方案对后续负荷水平进行校验，执行局部时段调整，并重复执行该步骤，直至获得电力系统全部时段的有效解。
[0096]
有效母线运行方案求解阶段包括如下步骤：
[0097]
步骤3001，求解时段ti的最危险负荷水平下电力系统的有效母线运行方案：
[0098]
应用灵敏度方法，快速筛选出可用于提升电力系统在时段ti负荷裕度的母线运行方案，剔除无效的母线运行方案；
[0099]
采用look-ahead裕度估算方法计算时段ti中最危险的负荷水平下各母线运行方案的负荷裕度。
[0100]
运行方案快速筛选，对于划分的时段ti，在该时段的各负荷水平下采用灵敏度的方法快速从全部母线运行方案中筛选出可提升电力系统负荷裕度的解：
[0101][0102]
其中，为电力系统在母线运行方案bsk下的负荷裕度的变化量；n
l
是原始网络拓扑结构n的支路数；δλ
ij
为由于母线运行方式改变造成支路i-j参数变化导致的负荷裕度变化量，δλ
ij
的计算方法如下：
[0103][0104]
其中，δpi、δpj和δqi、δqj分别对应母线i、j的有功功率和无功功率平衡方程；ω为雅可比矩阵零特征根对应的左特征向量，和为向量中对应母线i和母线j的有功功率和无功功率平衡方程的元素；为母线运行方式改变的支路i-j导纳参数的变化量；g
ij
+jb
ij
和分别为母线运行方式改变前后支路i-j的导纳参数。
[0105]
时段ti的备选母线运行方案解集合为：
[0106][0107][0108]
对集合中的母线运行方案，应用look-ahead裕度估算方法计算时段ti中最危险的负荷水平下各母线运行方案的负荷裕度：
[0109][0110]
其中，为look-ahead方法估算的负荷裕度；ε为一个小于1的实数，以确保不误删有效解。保留满足look-ahead方法估算的负荷裕度的指标要求的母线运行方案。
[0111]
步骤3002，将所求母线运行方案对时段ti的其他负荷水平进行校验；
[0112]
应用连续潮流方法，对于步骤3001的母线运行方案，准确计算时段ti的各负荷水
平下电力系统的负荷裕度。剔除不满足阈值约束的母线运行方案，负荷裕度高于阈值的母线运行方案即为时段ti的有效解。
[0113]
步骤3003，判断负荷水平下系统的负荷裕度是否都满足阈值要求，如是则执行步骤3005，如否则执行步骤3004；
[0114]
步骤3004，从解集合众提出该母线运行方案；
[0115]
步骤3005，判断所有解是否都检验完毕，如是则执行步骤3006，如否则执行步骤3002；
[0116]
步骤3006，执行时段ti划分的局部调整；
[0117]
步骤3007，判断所有时段是否都求解完毕，如是则有效母线运行方案求解完毕，如否则i＝i+1，并执行步骤3001。
[0118]
输出阶段，输出时段划分方案、各时段的有效母线运行方式解、母线运行方式优化后日前电力系统的负荷裕度。
[0119]
本发明方法采用ieee 118节点系统算例仿真验证，该测试系统共有186条支路，69号节点为平衡节点，可优化运行方式的母线有21个，共产生292个母线运行方案。设置负荷裕度阈值λ
th
＝3，日前负荷水平如图3所示，采用本发明提出的基于时段划分的日前母线运行方式优化方法，在该日前负荷水平下时段划分方案和各时段的有效母线运行方案见表1。
[0120]
表1 118节点电力系统的时段划分方案和有效解
[0121][0122]
基于118节点系统的仿真结果如表1所示，采用信息熵时段划分的方法将日前负荷曲线分为7个时段，局部时段调整后，可将其调整为4个时段，有效减少了时段划分数量，进而减少了母线运行优化次数。调整后时段i持续时间为1:00-8:00，有效母线运行方案如表1所示。其中45号方案为该时段的最佳方案，其运行方式优化前后的局部电气接线图如图4所示。基于时段i优化后的最佳拓扑结构，时段ii的有效运行方案为142号。应用本发明提出的求解方法，对各时段逐一求解，母线运行方式优化前后日前电力系统的负荷裕度对比如图5所示。仿真结果表明，本发明所提出的基于时段划分的日前母线运行方式优化方法能够有效提高日前电力系统的负荷裕度。
[0123]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。