基于在线监测指标的低压切负荷控制方法与流程

1.本发明属于电力系统技术领域，具体涉及基于在线监测指标的低压切负荷控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着社会用电需求的增加和环境污染压力的增大，区域电网互联的规模逐渐扩大，区域电网的互联一方面大大提高了资源优化配置的能力，但同时也给系统的运行与控制带来了更多复杂的问题。国内外发生的多起电压崩溃事故给各国的经济和人民生活带来了重大的影响，由此开展电压稳定研究并寻找防止电压失稳的有效措施显得极其重要。
3.当系统发生的扰动或故障使得系统的电压下降到了某一无法接受的水平，就可以采用切负荷控制手段来提高系统的电压稳定性，其主要目标就是用最快的速度计算出能够保证系统安全稳定运行的最小切负荷量。基于此方面的研究成果目前已经很多：一是通过对各控制节点的贡献度进行排序来优化布点，以欠切风险与过切风险代价和最小为目标进行切负荷；二是以保证确定的电压恢复值为目标，以pv曲线为依据来确定切负荷方案，但该方法要利用连续潮流法求取负荷节点的pv曲线，稍显复杂，同时也无法确定出对节点电压改善最为明显的切负荷节点集；三是基于节点网络阻抗矩阵，提出基于解析灵敏度指标的低压切负荷控制方法。由于这些方法都是通过某种途径找到系统的薄弱节点，然后在薄弱节点进行切负荷，但并没有考虑薄弱节点可切负荷的多少。当薄弱节点可切负荷比较少时，可能将可切负荷全部切除后，该薄弱节点的电压可能仍然较低，因此如何找到其他较为合适的切负荷节点来使得最终总的切负荷量最少，对于切负荷的综合实用性显得极其重要。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种基于在线监测指标的低压切负荷控制方法，能够按照该最优切负荷点集实施切负荷，使得达到目标阻抗模时总的切负荷量最少，从而减少了工作量并提高了综合实用性。
5.本发明采用的技术方案为：基于在线监测指标的低压切负荷控制方法，包括以下步骤：
6.s1：根据综合动态等值分析方法确定电力系统达到极限传输功率的必要条件，同时提出衡量电力系统电压稳定程度的阻抗模指标；
7.s2：计算阻抗模指标对各节点功率的灵敏度大小，得到带有控制顺序的最优切负荷点集；
8.s3：按照最优切负荷点集实施切负荷，使达到目标阻抗模时总的切负荷量最少。
9.具体的，所述步骤s1具体为：
10.根据综合动态等值分析方法，确定电力系统达到极限传输功率的必要条件，表示如下：
11.|z
thev
|＝|z
ld
|
12.其中，z
thev
表示系统动态等值阻抗，z
ld
表示负荷静态等值阻抗：
13.电力系统潮流方程的直角坐标形式表示为：
[0014][0015]
其中，为注入节点功率，v＝[e1,f1…en-1
,f
n-1
]
t
为节点电压，为平衡节点电压，
[0016]
单个节点的功率：
[0017][0018]
对功率参变量λ求导得
[0019][0020]
其中，j即为系统潮流方程的雅克比矩阵，
[0021]
由上式得到节点电压对功率参变量λ的导数为：
[0022][0023]
又由于
[0024][0025]
其中，表示注入节点的复功率，符号^表示取共轭，则上式对λ求导即可计算出电流对功率参变量λ的导数，表示如下：
[0026][0027]
由系统动态等值阻抗的定义，得到系统动态等值阻抗为：
[0028][0029]
负荷静态等值阻抗为：
[0030][0031]
由此得到，动态等值下的阻抗模指标为：
[0032][0033]
具体的，所述步骤s2中，计算阻抗模指标对各节点功率的灵敏度大小的过程如下：
[0034]
将负荷的阻抗模指标近似表示为：
[0035][0036]
其中，z
llij
为节点i对j的转移阻抗，符号^表示取共轭，由于s
l
＝p
l
jq
l
，则上式表示为：
[0037][0038]
令负荷的功率因数角为则带入上式中得到：
[0039][0040]
则阻抗模指标对功率的灵敏度为：
[0041][0042]
其中，a
ij
表示在节点j处切负荷对节点i的电压控制灵敏度。
[0043]
具体的，所述步骤s2中，得到带有控制顺序的最优切负荷点集的方法为：利用动态等值下阻抗模指标来衡量系统的电压稳定性，找到系统中的电压最低点，然后计算出该节点阻抗模指标对其他负荷节点的灵敏度大小，并按照灵敏度从大到小的顺序确定最优切负荷点集。
[0044]
本发明的有益效果：
[0045]
1、本发明通过综合动态等值分析方法证明了电力系统达到极限传输功率的必要条件，同时提出了衡量系统电压稳定的阻抗模指标，该指标综合考虑了系统的非线性和时变性，具有计算快速且准确度高的优点。
[0046]
2、本发明通过计算阻抗模指标对各节点功率的灵敏度大小，能够确定出带有控制顺序的最优切负荷点集，并按照该最优切负荷点集实施切负荷，能够使得达到目标阻抗模时总的切负荷量最少，从而减少了工作量并提高了综合实用性。
附图说明
[0047]
图1为本发明的步骤流程图；
[0048]
图2为现有简单非线性系统从pq节点看进去的等值电路示意图；
[0049]
图3为节点14阻抗模对功率的灵敏度的仿真结果示意图；
[0050]
图4为依次在节点14、9和节点10处切负荷的阻抗模指标效果对比图；
[0051]
图5为节点13阻抗模对功率的灵敏度的仿真结果示意图。
具体实施方式
[0052]
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，以下结合实施例具体说明。
[0053]
如图1所示，本发明包括以下步骤：
[0054]
s1：根据综合动态等值分析方法确定电力系统达到极限传输功率的必要条件，同时提出衡量电力系统电压稳定程度的阻抗模指标，具体过程如下：
[0055]
图2所示为简单非线性系统从pq节点看进去的等值电路，定义系统的动态等值阻抗为：
[0056][0057]
v与i分别为节点的电压相量与电流相量，z
thev
为系统的动态等值阻抗，r
thev
与x
thev
分别为系统动态等值阻抗的实部与虚部。系统的动态等值阻抗反应了节点电压与节点电流在系统受到扰动时的动态变化情况，能够更加清楚的跟踪系统的负荷变化。
[0058]
根据综合动态等值分析方法，确定电力系统达到极限传输功率的必要条件，表示如下：
[0059]
|z
thev
|＝|z
ld
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0060]
其中，z
thev
表示系统动态等值阻抗，z
ld
表示负荷静态等值阻抗：
[0061]
电力系统潮流方程的直角坐标形式表示为：
[0062][0063]
其中，为注入节点功率，v＝[e1,f1…en-1
,f
n-1
]
t
为节点电压，为平衡节点电压，
[0064]
单个节点的功率：
[0065][0066]
对功率参变量λ求导得
[0067][0068]
其中，j即为系统潮流方程的雅克比矩阵，
[0069]
由式(5)得到节点电压对功率参变量λ的导数为：
[0070][0071]
又由于
[0072][0073]
其中，表示注入节点的复功率，符号^表示取共轭，则式(7)对λ求导即可计算出电流对功率参变量λ的导数，表示如下：
[0074][0075]
由系统动态等值阻抗的定义，得到系统动态等值阻抗为：
[0076][0077]
负荷静态等值阻抗为：
[0078][0079]
由此得到，动态等值下的阻抗模指标为：
[0080][0081]
s2：计算阻抗模指标对各节点功率的灵敏度大小，得到带有控制顺序的最优切负荷点集，具体过程如下：
[0082]
为了将阻抗模指标与各节点的功率联系起来，各节点的阻抗模指标在现有技术文献“电力系统戴维南等值参数解析及电压薄弱性研究”的基础上近似表示为：
[0083][0084]
其中，z
llij
为节点i对j的转移阻抗，符号^表示取共轭，由于s
l
＝p
l
jq
l
，则上式表示为：
[0085][0086]
令负荷的功率因数角为则带入上式中得到：
[0087][0088]
则阻抗模指标对功率的灵敏度为：
[0089][0090]
其中，a
ij
表示在节点j处切负荷对节点i的电压控制灵敏度，综合了节点间的耦合关系与各节点负荷的功率因数，因为节点电压与无功功率密切相关，因此功率因数越小，该灵敏度越大，而z
llij
表征了节点i与节点j之间的耦合紧密程度，z
llij
越大，两节点之间的耦
合程度越紧密，相互影响的程度就越大，z
llij
作为切负荷灵敏度a
ij
的影响因素且呈现出的网络特性，充分说明了切负荷控制具有区域性质，同时也解释了在低电压节点附近切负荷对该节点电压改善作用最为明显的原因，需要说明的是：电力系统的电压薄弱区域内的负荷节点的电压和功率因数一般相差不大，所以z
llij
是影响切负荷灵敏度a
ij
值大小的关键因素。
[0091]
利用动态等值下阻抗模指标来衡量系统的电压稳定性，找到系统中的电压最低点，然后计算出该节点阻抗模指标对其他负荷节点的灵敏度大小，并按照灵敏度从大到小的顺序确定最优切负荷点集。灵敏度越大，说明改变单位阻抗模指标需要切除的负荷功率越小，当灵敏度最大的切负荷节点可切负荷全部切除后，电压最低点的阻抗模指标仍然没有达到期望值，则可以在灵敏度值大小排在第二的负荷节点进行切负荷，以此类推，直到达到期望阻抗模指标为止。
[0092]
s3：按照最优切负荷点集实施切负荷，使达到目标阻抗模时总的切负荷量最少。
[0093]
由于上述现有技术文献所提阻抗模指标在求取过程中无法计及系统的非线性因素，此外大量仿真表明，该阻抗模指标在电压稳定临界点处存在超过1的情况，而本发明阻抗模指标在电压稳定临界点处基本都接近于1，说明本发明理论的正确性，ieee14节点系统部分仿真结果如表1所示。从表1容易看出，引用现有技术文献的阻抗模指标与本发明的阻抗模指标大小排序完全一致，二者都在节点14最大，在节点11最小。关于该文献的阻抗模指标，研究发现：该阻抗模指标在衡量电压稳定性方面不够精确的主要原因在于没有考虑系统的非线性因素以及在负荷增大过程中假设等值电势的角度不发生变化，显然这与实际情况不符，本发明在其基础上采用动态分析方法来对其进行改进。需要说明的是：由于本发明是要找到最优的切负荷节点集，此外两种阻抗模指标的大小排序完全一致，因此通过将动态等值下的阻抗模指标近似表示为式(12)来达到这一目的仍然是可行的，最后求出的式(15)从理论上讲也是正确的。
[0094]
表1本发明阻抗模与上述文献阻抗模对比结果
[0095][0096]
综上，根据式(15)确定的带有控制顺序的最优切负荷点集，充分考虑了负荷的功率因数和各负荷节点间的耦合关系，并且便于在线应用，因此按照最优切负荷点集实施切负荷控制，将使得达到目标阻抗模值时总的切负荷量最少，同时计算效率也大大提高。
[0097]
以下通过仿真结果对本发明的效果进行分析和验证：
[0098]
由于系统在实际情况中会遭受到各种各样的扰动，本发明为验证切负荷实施方案的正确性和有效性，以ieee14节点系统为例，选取系统同步功率扰动重负荷和n-1断线两种情况，切负荷仿真结果与分析如下所述。
[0099]
(1)、同步功率扰动重负荷时
[0100]
由于ieee14节点系统的最大功率参变量λ
max
＝1.783，则当λ＝1.7时，将有部分节点的电压过低。根据本发明所提的阻抗模指标来确定同步负荷功率扰动下的电压稳定情况，通过仿真，结果如表2所示。
[0101]
表2部分pq节点的阻抗模指标
[0102][0103]
分析表2可知，各pq节点的电压值与对应的阻抗模指标排序基本一致，充分说明了基于动态等值的阻抗模指标的正确性和有效性。显然，节点14的阻抗模指标最大，对应的电压最低；节点11的阻抗模指标最小，对应的电压最高。
[0104]
由于本发明负荷采用恒功率模型，且负荷的增加是成倍递增的，因此各pq节点的功率因数不发生变化。为简单起见，先对电压最低的节点14进行切负荷优化控制。为确定针对节点14的最优切负荷点集，同时为说明初步切负荷点集确定的正确性，假设各负荷节点所连负荷的重要性一致，对所有节点计算a
14，j
，j∈α(pq)，按照其大小来决定切负荷点的优先顺序，具体仿真结果如图3所示。
[0105]
图3给出了当前状态下所有负荷节点阻抗模指标对负荷节点14的切负荷灵敏度指标。由图3确定最优切负荷节点集为(14、9、10)，这也说明了在电压最危险节点处切负荷效果最好，其次是在最危险节点附近的节点处进行切负荷。为说明上述理论，在节点14、9与节点10处分别切掉10mw的负荷，切掉无功的大小满足初始数据中无功与有功的比值关系，则三个节点的阻抗模指标改善情况如图4所示。
[0106]
由图4并结合标准的ieee14节点图知，在节点14进行切负荷时，节点14的阻抗模指标下降的最多，同时节点10与节点9的阻抗模指标也有所下降，说明在危险节点处进行切负荷对自身电压的改善效果最好，同时与其临近的电压也有所改善。但在节点10实施切负荷后节点9阻抗模指标的下降程度却大于节点9自身切负荷后的下降程度，这主要是由于节点10的功率因数较大导致的。关于这一情况的解释，可以从阻抗模指标对负荷功率的灵敏度公式中得到答案。因此，在确定其他较为合适的切负荷节点时，不能忽略功率因数造成的影响。
[0107]
为了确定14节点达到期望阻抗模指标时所需要的最小切负荷量，假设节点14的可切负荷功率为无穷大，节点14的目标阻抗模指标为0.76，则按照阻抗模指标对负荷节点功率的灵敏度a
ij
值的大小，优先在节点14切除负荷，则所需切负荷量的仿真结果如表3所示。
[0108]
表3在节点14执行切负荷的效果
[0109][0110]
为进一步对比说明所提理论的正确性，假设节点14的最大可切负荷功率为10mw，节点14的目标阻抗模值依然为0.76，则按照阻抗模指标对负荷节点功率的灵敏度a
ij
值的大小，优先在节点14切除负荷，其次在节点9处切负荷，则所需切负荷量的仿真结果如表4所
示。需要说明的是如果把节点9的可切负荷全部切除掉后仍然无法达到目标阻抗模值，则在节点10处继续进行切负荷。
[0111]
表4在节点14与节点9执行切负荷的效果
[0112][0113]
根据表3与表4可知，为将节点14的阻抗模指标由之前的0.7714改善到目标期望值0.76，则如果只在节点14切，则只需要切除11 j3.69mva。而如果限制节点14的最大可切负荷功率10mw，则仅仅在节点14切负荷无法达到0.76的目标值，还需要在灵敏度值排在第二的节点9处切负荷。通过仿真需要在负荷节点14切掉10 j3.356mva的负荷，还需在节点9处切掉3.5 j1.976mva的负荷，共计13.5 j5.326mva的负荷，需要在两个节点切除才能达到目标值。
[0114]
(2)、n-1断线时
[0115]
当系统网络发生n-1断线时，部分节点可能由于失去输送功率的通道，导致节点功率差额急剧增大，从而电压也迅速降低到期望值以下。切负荷作为防止电压失稳的重要举措之一，对于该种情况电压质量的改善仍具有重要作用。
[0116]
上述λ＝1.7时，14节点的阻抗模最大，达到0.7714，,相应节点的电压已经很低，那么当λ＝1.6且节点6与节点13之间发生断线时，各节点的阻抗模以及相应的电压如表5所示。
[0117]
表5断线后部分pq节点的阻抗模指标
[0118][0119]
由上表可知，虽然系统的整体负荷水平小于λ＝1.7时的负荷水平，但由于发生了断线，系统中节点13的电压已经低于λ＝1.7时的电压，此时系统中电压最低的节点已经不再是节点14，而是节点13。根据ieee14系统图可知，当节点6与节点13之间的线路断开时，节点13将不能通过该条线路吸收功率，从而导致该节点的功率差额大于节点14的功率差额，因此该节点的电压必将最低，那么此时计算该节点阻抗模对功率的灵敏度a
13，j
如图5所示。
[0120]
由图5所得结论与前述同步功率扰动下所得结论一致，即节点自身阻抗模对功率的灵敏度最大，虽然该灵敏度是一个动态的灵敏度值，但其大小排序并不会发生变化，因此根据该灵敏度的大小即可确定对危险节点13改善作用最为明显的切负荷节点集(13、14、12)。
[0121]
为确定节点13达到期望阻抗模指标时所需的最小切负荷量，假设节点13的可切负荷量为无穷大，节点13的期望阻抗模指标为0.76，则按照阻抗模指标对负荷节点功率的灵敏度a
ij
的大小，优先在节点13切除负荷，其次在节点14处切负荷，则所需切负荷量为(9 3.87)mva，切除后各节点的阻抗模指标如表6。
[0122]
表6在节点13执行切负荷的效果
[0123][0124]
由上表可知，在节点13处切负荷后，其他节点的阻抗模指标也有所改善，其中节点14的阻抗模指标也降到了0.76以下。如果节点13的最大可切负荷为5mw，可以在灵敏度值排在第二的14节点进行切负荷，这样达到阻抗模期望值需要在节点13切掉(5 2.15)mva负荷，在节点14切掉(8.5 2.85)mva负荷，共需切除(13.5 5)mva负荷，切除后各节点的阻抗模指标如表7所示。
[0125]
表7在节点13和节点14执行切负荷的效果
[0126][0127]
由上表可知，为使节点13达到目标阻抗模，在两节点同时切负荷所需要切除的负荷量大于仅在节点13切负荷所需要切除的负荷量，这与灵敏度公式和实际情况保持一致。因此根据确定的最优切负荷点集，可以解决本发明开始提出的问题。需要说明的是：如果负荷节点14的可切负荷小于8.5mw时，可以在节点12继续进行切负荷，这样必然使得总的切负荷量最少。
[0128]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。