背靠背VSC-HVDC复合装置的落点选择方法

背靠背vsc-hvdc复合装置的落点选择方法
技术领域
1.本发明属于电力系统关键脆弱线路辨识技术领域，涉及一种背靠背vsc-hvdc复合装置的落点选择方法。


背景技术：

2.随着电力系统规模的不断扩大，电网结构也越来越复杂，局部故障引发的大面积停电事故在世界范围内层出不穷。研究表明，系统某处发生严重初始故障，由于电网的互联可能进一步引起连锁故障，最终不断发展扩大造成大面积停电事故，在这个过程中，极端脆弱线路大大促进了连锁故障的传播。因此，为保证电网的安全稳定运行，辨别出关键脆弱线路并提前采取防御措施，可以有效增加电网可靠性，减少停电事故的发生概率，提高系统整体的稳定性。
3.基于背靠背vsc-hvdc的复合装置可根据电网实际运行状况的需要，可通过倒闸操作改变其电路拓扑结构，以实现电网间同期并列、统一潮流控制器、参与系统解列之后的功率支援等功能。但该装置造价相对较高，不可能在多处加装该装置，为使其在电网中发挥最大效能，利用率达到最大化，则通过熵权法确定系统关键脆弱线路，并以此处作为背靠背vsc-hvdc复合装置的落点，对此薄弱处进行支撑及功率调整控制具有的明显的优势。
4.基于背靠背vsc-hvdc的复合装置安装于同一变电站，一侧与变电站a的母线m相连，另一侧通过交流线路l与变电站b的母线n相连。根据电网实际的运行状态，该复合装置可通过倒闸操作及切换控制策略实现电网间同期并列、upfc等功能。背靠背vsc-hvdc复合装置实现多种功能的总电路拓扑如图2所示，实现电网间功率交换的电路拓扑如图3所示，实现upfc功能的拓扑如图4所示。以往电力系统拓扑结构分析都是考虑电力器件的特点及其在电网中的相互关系建立数学模型，然后，通过对方程的计算仿真，以及对数学模型分析，实现对系统结构获知。然而，当前以上方法不再完全适用，不能为背靠背vsc-hvdc复合装置落点选择提供有效参考，其主要原因是：
5.1)电网网络结构具有动态性，即网络中的分布式电源、微电网等电源，电动汽车、储能等负荷以及它们之间的连接是动态的，较难用一组固定不变的网络方程和数学模型表征；
6.2)庞大而复杂的网络动态数学模型，计算分析极其困难，且计算性能要求高，难以满足实时要求，其通常做法是对系统进行一些简化，但是大大降低了结果精度。


技术实现要素：

7.本发明提出一种背靠背vsc-hvdc复合装置的落点选择方法，该方法可以有效的解决背靠背vsc-hvdc复合装置落点选择问题，为后续更好地发挥复合装置的优势提供思路。
8.本发明所采用的技术方案是：
9.背靠背vsc-hvdc复合装置的落点选择方法，包括以下步骤：
10.步骤1：根据电力系统的全局拓扑结构进行潮流计算；
11.步骤2：根据潮流计算的结果，计算全局性指标和局部变化量指标；
12.步骤3：根据全局性指标和局部变化量指标构建评价指标的初始矩阵；
13.步骤4：对初始矩阵进行归一化处理后分为正指标和逆指标；
14.步骤5：根据归一化的结果，利用熵权法计算评价指标集中各指标的权重；
15.步骤6：基于步骤5所得的各指标的权重，计算相关线路或节点的评价指标向量与正指标或者逆指标的偏移度，根据偏离程度的大小，并从大到小对其进行排序；
16.步骤7：将偏离程度最大的线路作为关键脆弱线路，并以此输电线路所在的位置作为背靠背vsc-hvdc复合装置落点。
17.本发明的特点还在于：
18.步骤2中全局性指标包括：电气介数、功率系数及负载偏移率，局部变化量指标包括：节点电压变化量和局部无功变化量；
19.其中步骤2中计算各条线路的电气介数be，公式如下：
[0020][0021]
式中：i
ij
(m,n)为在“发电-负荷”节点对(i,j)间加上单位注入电流后，利用基尔霍夫定律求出线路(m,n)上引起的电流变化量；g和l分别为发电机和负荷节点的集合；wi和wj分别为对应g和l的权重，取值为发电机实际出力和节点负荷；电气介数表征了电源和负荷水平分布变化在电网拓扑结构方面的脆弱度；
[0022]
计算各条线路的功率系数mi，计算公式如下：
[0023][0024]
式中：p
i0
为支路i初始传输功率，l为输电线路的集合，p
j0
为支路j初始传输的功率，δp
ji
为支路i断开后引起其它支路传输有功功率的变化量；
[0025]
计算电网中每条线路依次开断情况下的其它线路的负载偏移率，计算负载偏移率eu的公式为：
[0026]eu
＝∑|μ
l-μ
l0
|
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0027]
式中：μ
l0
和μ
l
分别为故障前后线路l的负载率，
[0028]
计算各条线路的节点电压变化量du，计算公式如下：
[0029][0030]
式中：us和u
s0
分别为故障前后负荷节点s的电压标幺值；
[0031]
计算各条线路反映局部无功变化量dq，计算公式如下：
[0032][0033]
式中：qg和q
g0
分别为故障后和故障前发电机g的无功出力；q
gmax
为发电机g的无功容量；g(l)为受线路l故障影响显著的发电机节点集合。
[0034]
步骤4中正指标和逆指标分别按式(9)和式(10)进行正向归一化处理，当r
ij
为正指标时，用式(9)进行处理，当r
ij
为逆指标时，用式(10)进行处理；
[0035][0036][0037]
式中：r
ij
为线路i的第j个指标值；maxr
ij
和minr
ij
分别为线路i故障后该指标的最大值与最小值。
[0038]
步骤5中权重的计算方式为：
[0039]
假定有m条线路和n个指标，把r
ij
′
转化为比重形式η
ij
：
[0040][0041]
计算熵hj的公式为：
[0042][0043]
第j个指标权重α
ij
的计算公式如下：
[0044][0045]
本发明的有益效果是：
[0046]
本方法可从全局和局部、有功和无功两方面综合衡量输电线路的脆弱度，进而提出电气介数、功率系数、负载偏移率、节点电压变化量和局部无功变化量评估指标，辨识出电力系统的关键脆弱线路，并将脆弱度最高的线路所在位置作为背靠背vsc-hvdc复合装置落点。该方法可以有效的解决背靠背vsc-hvdc复合装置落点选择问题，为后续更好地发挥复合装置的优势提供思路。
附图说明
[0047]
图1为本发明所述的一种背靠背vsc-hvdc复合装置的落点选择方法的流程示意图；
[0048]
图2为背靠背vsc-hvdc复合装置实现多种功能的总电路拓扑；
[0049]
图3为实现电网间功率交换的电路拓扑；
[0050]
图4为实现upfc功能的电路拓扑；
[0051]
图5为ieee39节点标准系统接线图。
具体实施方式
[0052]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0053]
如图1，本发明背靠背vsc-hvdc复合装置的落点选择方法，包括以下步骤：
[0054]
步骤1：采集电力系统的全局拓扑结构的相关信息，并进行潮流计算；
[0055]
步骤2：根据步骤1潮流计算的结果，计算全局性指标和局部变化量指标，其中，全局性指标包括：电气介数、功率系数及负载偏移率，局部变化量指标包括：节点电压变化量和局部无功变化量；
[0056]
步骤3：根据全局性指标和局部变化量指标构建评价指标的初始矩阵；
[0057]
步骤4：对初始矩阵进行归一化处理，以便不同类型和数量级的指标能够相互比较，分为数据越大越好的正指标和数据越小越好的逆指标；
[0058]
步骤5：根据步骤4归一化的结果，利用熵权法计算评价指标集中各指标的权重；
[0059]
步骤6：基于步骤5所得的各指标的权重，计算相关线路或节点的评价指标向量与正指标或者逆指标的偏移度，根据偏离程度的大小，并从大到小对其进行排序；
[0060]
步骤7：将偏离程度最大的线路作为关键脆弱线路，并以此输电线路所在的位置作为背靠背vsc-hvdc复合装置落点。
[0061]
其中步骤2中全局性指标和局部变化量指标的计算方式为：
[0062]
①
计算各条线路的电气介数be，计算公式如下：
[0063][0064]
式中：i
ij
(m,n)为在“发电-负荷”节点对(i,j)间加上单位注入电流后，利用基尔霍夫定律求出线路(m,n)上引起的电流变化量。g和l分别为发电机和负荷节点的集合；wi和wj分别为对应g和l的权重，取值为发电机实际出力和节点负荷。电气介数表征了电源和负荷水平分布变化在电网拓扑结构方面的脆弱度。
[0065]
②
计算各条线路的功率系数mi，计算公式如下：
[0066][0067]
式中：p
i0
为支路i初始传输功率，l为输电线路的集合，p
j0
为支路j初始传输的功率，δp
ji
为支路i断开后引起其它支路传输有功功率的变化量。功率系数考虑移除电网中任一线路后的系统功率的变化情况。当某一支路开断后，必将引起全局系统有功功率的重新分布。
[0068]
功率系数定量描述了系统中某条线路的开断对电网潮流的影响。当某一线路因故障断开后，必将该线路的功率转移到其他线路上，引起全网潮流的重新分布，在这个过程中，由于潮流分布不均衡，有可能造成某些线路过载从而引发连锁故障。功率系数正是基于线路之间的相互作用来评估其脆弱度。
[0069]
③
计算电网中每条线路依次开断情况下的其它线路的负载偏移率，计算负载偏移率eu的公式为：
[0070]eu
＝∑|μ
l-μ
l0
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0071]
式中：μ
l0
和μ
l
分别为故障前后线路l的负载率，定义负载率μ
l
的计算公式为：
[0072][0073]
式中：持续极限输送容量s
max
的计算公式为：
[0074][0075]
式中：s
max
为按容许发热条件所确定的持续极限输送功率；u为线路额定电压；i为导线容许发热电流；ξ为温度修正系数，线路载流量在不同环境温度下的修正系数见表1。
[0076]
表1线路载流量在不同环境温度下的综合修正系数
[0077]
温度(℃) 20 25 30 35 40 45修正系数1.051.000.940.880.810.74
[0078]
如果某线路故障使得容量低的线路承受较大的功率变化量，容量高的线路反而承担很小的功率变化量，造成系统的潮流分布不合理。由此，造成负载偏移率大的故障线路的脆弱性相对较高。
[0079]
④
计算各条线路的节点电压变化量du，计算公式如下：
[0080][0081]
式中：us和u
s0
分别为故障前后负荷节点s的电压标幺值。线路l故障后，负荷节点s的电压下降量超过0.02，则认为此负荷节点受到严重影响，s(l)为该类负荷节点的集合，如式(7)所示：
[0082]
s(l)＝{s|u
s-u
s0
＞0.02}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0083]
节点电压变化量指标定量表征了故障线路对系统节点电压的影响，如果某条线路遭到破坏使得全网的节点电压大幅增加或减小，表示系统局部无功平衡遭到剧烈破坏。因此，电压变化量指标可用于评估输电线路的实时运行状态。
[0084]
⑤
计算各条线路反映局部无功变化量dq，计算公式如下：
[0085][0086]
式中：qg和q
g0
分别为故障后和故障前发电机g的无功出力；q
gmax
为发电机g的无功容量；g(l)为受线路l故障影响显著的发电机节点集合。
[0087]
如果线路l故障后发电机g无功出力增加量超过其无功容量的0.1倍，则认为此发电机节点受到显著影响,即
[0088]
采用du指标和dq指标衡量故障线路附近的负荷节点和发电机节点受影响的程度。如果故障导致du指标或dq指标大幅增加,说明故障导致附近的负荷节点电压大幅下降或发电机节点无功大幅增加，从而严重破坏了局部的无功平衡。
[0089]
步骤4中正指标和逆指标分别按式(9)和式(10)进行正向归一化处理，当r
ij
为正指标时，用式(9)进行处理，当r
ij
为逆指标时，用式(10)进行处理；
[0090][0091][0092]
式中：r
ij
为线路i的第j个指标值；maxr
ij
和minr
ij
分别为线路i故障后该指标的最大值与最小值。
[0093]
步骤5中指标权重的计算方式为：
[0094]
假定有m条线路和n个指标，把r
ij
′
转化为比重形式η
ij
：
[0095][0096]
计算熵hj的公式为：
[0097][0098]
第j个指标权重α
ij
的计算公式如下：
[0099][0100]
实施例1
[0101]
本实施例为验证本发明所提方法的有效性，利用ieee39节点标准系统作为测试系统，采用本发明方法进行背靠背vsc-hvdc复合装置的落点选择，从电网的运行状态和电网结构两方面提出五个线路脆弱性评估指标进行算例分析。首先介绍该系统信息如下：ieee39节点系统也称新英格兰系统，其包含39个节点，10台发电机，34条线路和12条变压器支路。该系统代表美国新英格兰州的一个345kv电力系统，其中39号母线上连接的发电机是一个利用等效原理模拟的等值机，用以代表与这个系统相连的加拿大部分的电力网络。系统基准功率为100mva，基准电压为345kv。系统接线图如图5所示。读取ieee39节点标准系统的网架结构和网络原始数据，基于熵权法利用matlab编程计算34条线路(不考虑变压器支路)的各项指标的客观权重，如表2所示。将所得结果脆弱度高的前10条线路依次从大到小排列如表3所示，实现电网局部故障脆弱性的定量分析。
[0102]
表2各指标的熵权法权重
[0103][0104]
表3脆弱线路排序
[0105][0106]
辨识出电网的关键脆弱线路，并以此线路的位置，即线路16-19处作为背靠背vsc-hvdc复合装置落点，对电网的薄弱处进行良好的动态支撑及潮流控制，增加电网可靠性，减少停电事故的发生概率，提高系统整体的稳定性。
[0107]
本发明方法解决了背靠背vsc-hvdc复合装置落点选择问题，在电网的运行调控时可使该装置的功能作用最大化的地发挥，不造成该装置的闲置浪费问题。