含电压不可行节点的受端电网动态无功优化方法及装置与流程

本发明涉及一种含电压不可行节点的受端电网动态无功优化方法及装置。

背景技术：

在大型城市受端电网中，主网网架为220kV和110kV电网，网内主要电源点是500kV变电站。城市地区电网规模较大，用电负荷密度比较高，并且在迎峰度夏或者迎峰度冬期间，全网负荷长期处于高位运行。在实际运行中，220kV、110kV变电站主变过负荷问题会引起主变有载调压闭锁，再加上110kV站端无功补偿电容器检修或者配置容量不足，将直接导致多个110kV变电站10kV母线出现低电压问题，即出现电压不可行节点。由于系统出现电压不可行节点，将引起其节点的电压幅值安全约束无法满足，导致常规动态无功优化子模型失效。特别是当受端电网负荷较高且出现电压不可行的节点时，电压越下限问题有可能进一步恶化至静态电压失稳问题。由此，对含电压不可行节点开展动态无功优化子模型研究具有重要意义。

在现有的无功优化不可行问题研究中，主要是针对静态无功优化不可行问题，但还未见文献涉及动态无功优化不可行问题。因此，本文以受端电网为研究对象，在考虑受端电网重载或者无功补偿严重不足的情况下，建立含电压不可行节点的动态无功优化子模型，以有效减少电压越下限节点数和缓解越限程度，同时降低可行时区段内全网有功损耗电量，具备保障电网安全经济运行的能力。

技术实现要素：

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种含电压不可行节点的受端电网动态无功优化方法。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种含电压不可行节点的受端电网动态无功优化方法，包括以下步骤：

S1、获取受端电网中的无功补偿节点，受端电网的变电站没有接入负荷的母线作为系统无功补偿节点；

S2：以其中一时段是否出现电压约束不可行节点为依据，采用同伦内点法对每个时段进行循环性探测，获取全天多个不可行时段簇和可行时段簇；

S3：在不可行时段簇内，以无功补偿节点为依据，将受端电网分为电压控制区和非电压控制区，分别构建两者的动态无功优化子模型，其中，所述无功补偿节点所在的变电站为电压控制区；

S4：采用并行协同进化算法先对不可行时段簇的动态无功优化子模型进行求解，在不可行时段簇的结果基础上，采用不可行时段簇为中心的协调策略，再采用免疫遗传算法对可行时段簇求解常规动态无功优化子模型；将可行时段簇和不可行时段簇的动态无功优化结果组合，得出全天动态无功优化求解结果。

进一步的，在步骤S2中，具体包括：

以电压不可行节点出现的时段为临界时段，将全天所有时段划分为多个可行时段簇和不可行时段簇；其中，每个可行时段簇中任何时段均不会出现电压不可行节点，而每个不可行时段簇的所有时段均有电压不可行节点出现；在不可行时段簇内，以无功补偿节点为依据，将受端电网分为电压控制区和非电压控制区。

进一步的，所述电压控制区为系统无功补偿节点所在变电站，所述非电压控制区为其余接入负荷的变电站。

进一步的，所述电压控制区的动态无功优化子模型如下：

1)目标函数

在电压控制区内，使得不可行时段内电压越限总个数F₁尽可能少、电压控制区内的电压越限百分数之和F₂尽可能小、以及电压控制区内调压设备总共动作次数F₃最少；并使F₁优先于F₂，F₂优先于F₃；具体控制目标如下：

式中：M表示不可行时段的所有时段区间集合，N_s表示电压越限个数，N_s,t表示t时段内的越限个数，t表示M集合中的其中一个；C_m,t为第m个电容器开关t时段的状态，1为闭合，0为断开，为异或运算符；T_l,t为第l个有载调压主变的分接头t时段的档位值，S_t表示第t个时段的电压越限百分数，S_t公式如下：

S＝max{S₁,S₂} (6)

式中：S₁表示电压越上限的百分数；S₂表示电压越下线的百分数，S表示越上限和越下线百分数中最大的一个值；i为电压控制区内电压约束软化的无功补偿节点；V_violated,i为电压控制区内系统无功补偿节点i电压越限的幅值，V_max,i和V_min,i分别表示电压控制区内无功补偿节点i的电压安全上限和下限；

2)静态约束

静态约束包含了常规约束和电压幅值安全软化约束，常规约束包含全网的有功和无功潮流等式约束、全网电源端主变高压侧的功率因数上下限约束、电压控制区内未闭锁有载主变的变比约束、电压控制区内无功补偿约束以及发电机无功出力约束；电压幅值安全软化约束是考虑了改变了一些节点的电压限值后的电压幅值安全约束；在该电压控制区动态无功优化子模型中，将电压控制区内节点的电压幅值作为目标函数在进行控制，故电压幅值安全软化约束集中不包含电压控制区内的节点，仅包含非电压控制区的所有节点；因此电压幅值安全软化约束是非电压控制区的所有节点的电压幅值上下限约束；

3)动态约束

不可行时段簇的动态约束需满足常规动态无功优化的动态约束要求，即可投切并联电容器的总动作次数约束、有载主变分接头总动作次数约束和分接头动作相邻时段约束；

|T_l,t+1-T_l,t|≤K_kl (9)

式中：M_m为该电容器开关最大允许动作次数；K_l表示该分接头的最大允许动作次数；K_kl表示该分接头的相邻时段最大调节档位数；

电压控制区内的节点电压幅值V_j,m,min和V_j,m,max返回到非电压控制区子模型，作为电压控制区内的所有节点电压幅值的下限和上限值，其中j表示电压控制区内的变电站，m表示电压控制区节点电压限值标记。

进一步的，所述非电压控制区的动态无功优化子模型如下：

1)目标函数

对于非电压控制区的控制目标，不仅需要对电压控制区的越限电压节点进行辅助调节，即实现控制目标式(1)和式(2)，以及非电压控制区内的调压设备总共动作次数最少，还需要降低不可行时段簇内全网有功损耗电量，见式(10)：

式中：P_loss表示不可行时段t的全网有功网损；τ为每个时段的持续时间；

该非电压控制区的动态无功优化子模型仍在全网计算的基础上，需保持电压控制区内的越上限节点j电压幅值小于或等于V_j,m.max，或者越下限节点j大于或等于V_j,m.min；还需优化非电压控制区的控制变量，使全网有功损耗电量最小；

2)静态约束

该非电压控制区的动态无功优化子模型的静态约束包含了常规约束和电压幅值安全软化约束；在常规约束中，与电压控制区常规约束不同的是未闭锁有载主变的变比约束、电压控制区内无功补偿约束的范围变为非电压控制区；电压幅值安全软化约束是非电压控制区所有节点的电压幅值上下限约束和电压控制区内的电压限值协调约束；

电压限值协调约束是为保障电压控制区的系统无功补偿节点电压越限尽可能少，需要考虑从外部对其辅助调节，电压控制区内节点的电压限值协调约束建立如下：

①电压下限协调约束:

式中：N_vmin,s是电压控制区内存在电压越下限的变电站个数；

②电压上限协调约束

式中：N_vmax,s是电压控制区内存在电压越上限的变电站个数；

3)动态约束

该子模型的动态约束与电压控制区的动态电压控制子模型的动态约束相同。

进一步的，步骤S4中：

在具体处理不可行时段簇和可行时段簇之间的协调配合时，以不可行时段簇为中心的协调策略具体为：在不可行时段簇动态无功优化子模型求解基础上，根据不可行时段簇的边界时段的主变档位调节方案，结合分接头动作相邻时段的动态约束式(9)，向相邻可行时段簇扩展，形成新的主变变比档位上下限约束；并且，根据不可行时段簇的电容投切次数与主变档位调节次数限制，更新动态约束式(7)和式(8)，最后对可行时段簇采用常规动态无功优化子模型进行求解。

进一步的，所建受端电网动态无功优化子模型的整个求解算法的具体步骤如下：

1)对于第J个不可行时段簇中时段i，采用放宽动态约束，采取逐个时段反复求解静态无功优化的求解步骤，具体如下：

①将全网分为电压控制区和非电压控制区；

②采用IPCCD-EA算法计算时，对代表电压控制区种群优先进行寻优计算，获取电压控制区内3个目标函数综合最优的电压控制区控制方案；

③在电压控制区内所有节点满足电压限值协调约束的基础上，对代表非电压控制区种群进行寻优计算，获取非电压控制区内的有功网损最低、电压控制区的电压效益最大时对应的非电压控制区控制方案；

④当IPCCD-EA算法迭代到最大进化代数，算法收敛，时段i的静态无功优化子模型的求解结束；

2)直到完成第J个不可行时段簇所有时段的求解，得出第J个不可行时段簇动态无功优化子模型的求解结果；

3)重复以上步骤1)～2)，直到完成所有不可行时段簇的动态无功优化子模型求解；

4)采用不可行时段簇为中心的协调策略，更新动态约束的电容器开关最大允许动作次数、有载调压主变分接头的最大允许动作次数以及可行边界时段的最大调节档位数；

5)对全天不连续的多个可行时段簇进行合并，形成一个可行时段簇，再采用免疫遗传算法对可行时段簇求解常规动态无功优化子模型；

6)将可行时段簇和不可行时段簇的动态无功优化结果组合，得出全天全部调压设备的动作方案。

为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：提供一种含电压不可行节点的受端电网动态无功优化装置，包括：

第一获取模块，用于获取受端电网中的无功补偿节点；

第二获取模块，用于以其中一时段是否出现电压约束不可行节点为依据，对每个时段进行循环性探测，获取全天多个不可行时段簇和可行时段簇；

动态无功优化子模型构建模块，用于在不可行时段簇内，以无功补偿节点为依据，将受端电网分为电压控制区和非电压控制区，分别构建电压控制区和非电压控制区的动态无功优化子模型；

动态无功优化求解模块，用于采用并行协同进化算法先对不可行时段簇的动态无功优化子模型进行求解，在不可行时段簇的结果基础上，采用不可行时段簇为中心的协调策略，再采用免疫遗传算法对可行时段簇求解常规动态无功优化子模型；将可行时段簇和不可行时段簇的动态无功优化结果组合，得出全天动态无功优化求解结果。

本发明含电压不可行节点的受端电网动态无功优化方法及装置，能有效解决受端电网在含电压不可行节点时传统动态无功优化失效的问题，为解决受端电网重载或者无功补偿严重不足的情况下，存在的低电压问题提供了有效的解决途径，能够有效进行不同时区段的电容器和主变档位动作的协调。该方法能优先保证不可行时段簇的电容和主变档位有足够的调节次数，保证高峰负荷电压尽可能在合格范围之内。在可行时段簇内，该方法能较好将剩下允许动作的总次数合理分配在“早高峰”之前、“晚高峰”之后和早晚高峰之间，这有效降低了设备动作的总次数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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是本发明含电压不可行节点的受端电网动态无功优化方法一实施例的流程图。

图2是全天总负荷曲线及不可行时段的探测结果

图3是以不考虑动态约束的可行时段连续静态无功优化作为对比方法与本文提出的方法在不可行时段12的各节点电压幅值对比图。

图4是本发明含电压不可行节点的受端电网动态无功优化装置的方框图。

具体实施方式

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。

请参见图1至图3，本实施例以网架220kV和110kV电网，对接入10kV负荷系统为具体实施例对本发明的含电压不可行节点的受端电网动态无功优化方法进行详细阐述，可理解的，在其他的实施例中，本发明含电压不可行节点的受端电网动态无功优化方法的方法不限于220kV和110kV电网、10kV负荷系统。

本实施例的含电压不可行节点的受端电网动态无功优化方法，包括以下步骤：

S1：获取受端电网中的无功补偿节点，受端电网的变电站没有接入负荷的母线作为系统无功补偿节点；

本步骤中，针对受端电网中变电站实际运行特点得到无功补偿节点，获得无功补偿节点后能够据此分析出与后续产生的电压不可行节点的关系，从而能够利用无功补偿节点对电压不可行节点进行补偿。

具体地，在本实施例中，对于接有10kV负荷的变电站，这些变电站无功补偿电容器的作用仅仅体现为就地补偿。对于未接入10kV负荷的常规220kV变电站和空载110kV变电站而言，其10kV母线接入的无功补偿能够对电网输送或者返送无功，其作用体现为对系统的无功支撑。由于这些变电站10kV母线没有接入负荷，即使10kV母线出现电压越限，并不会对用户侧电压质量产生较大影响。基于以上两点原因，将未接入10kV负荷的常规220kV变电站及空载110kV变电站10kV母线作为系统无功补偿节点，允许其10kV母线出现电压越限；而其他220kV、110kV站10kV侧接入负荷的节点需严格满足电压安全的约束。

在实际运行中，电压不可行节点往往出现在重载、主变有载调压闭锁或者无功补偿严重不足的110kV、220kV变电站的10kV母线中。因此实际系统出现的电压不可行节点一般都不是系统无功补偿节点，可以通过调节手段将系统无功补偿节点转变为电压不可行节点，以消除原有的电压不可行节点。

S2：以某时段是否出现电压约束不可行节点为依据，采用同伦内点法对每个时段进行循环性探测，获取全天多个不可行时段簇和可行时段簇；

本实施例以电压不可行节点出现的时段为临界时段，将全天所有时段划分为多个可行时段簇和不可行时段簇。每个可行时段簇中任何时段均不会出现电压不可行节点；而每个不可行时段簇的所有时段均有电压不可行节点出现。可行时段簇的动态无功优化模型与常规动态无功优化模型基本一致；在不可行时段簇内，可将受端电网分为电压控制区和非电压控制区。电压控制区为系统无功补偿节点所在220kV和未接入负荷的110kV变电站，而非电压控制区为接入负荷的110kV变电站。

S3：在不可行时段簇内，以无功补偿节点为依据，将受端电网分为电压控制区和非电压控制区，分别构建两者的动态无功优化子模型，其中，所述无功补偿节点所在的变电站为电压控制区；

所述电压控制区为系统无功补偿节点所在变电站，所述非电压控制区为其余接入负荷的变电站。在本实例中，电压控制区为无功补偿节点所在的220KV和空载110KV变电站；非电压控制区为接入10kV负荷的110KV变电站。

所述电压控制区的动态无功优化模型：

1)目标函数

在电压控制区内，使得不可行时段内10kV系统电压越限总个数F₁尽可能少、无功补偿节点的电压越限百分数之和F₂尽可能小、以及电压控制区内调压设备总共动作次数F₃最少。F₁与F₂相比，10kV电压越限个数涉及到省公司对地市公司的考核指标；F₂与F₃相比，电压越限程度关系到电网运行安全，故F₁优先于F₂，F₂优先于F₃。具体控制目标如下：

式中：M表示不可行时段的所有时段区间集合，N_s表示电压越限个数，N_s,t表示t时段内的越限个数，t表示M集合中的其中一个；S_t表示第t个时段的电压越限百分数，具体定义见下式；C_m,t为第m个电容器开关t时段的状态，1为闭合，0为断开，为异或运算符；T_l,t为第l个有载调压主变的分接头t时段的档位值。

S＝max{S₁,S₂} (6)

式中：S₁表示电压越上限的百分数；S₂表示电压越下线的百分数，S表示越上限和越下线百分数中最大的一个值；i为电压控制区内电压约束软化的10kV系统无功补偿节点；V_violated,i为电压控制区内系统无功补偿节点i电压越限的幅值，V_max,i和V_min,i分别表示电压控制区内10kV系统无功补偿节点i的电压安全上限和下限。

2)静态约束

静态约束包含了常规约束和电压幅值安全软化约束。常规约束包含全网的有功和无功潮流等式约束、全网电源端主变高压侧的功率因数上下限约束、电压控制区内未闭锁有载主变的变比约束、电压控制区内无功补偿约束以及发电机无功出力约束。电压幅值安全软化约束是考虑了改变了某些节点的电压限值后的电压幅值安全约束。为了与常规电压幅值安全约束有所区别，在本文称之为电压幅值安全软化约束。在该子模型中，将电压控制区内节点的电压幅值作为目标函数在进行控制，故电压软化约束集中不包含电压控制区内的节点，仅包含非电压控制区的所有节点。所以，电压幅值安全软化约束是非电压控制区的所有节点的电压幅值上下限约束。

3)动态约束

不可行时段簇的动态约束仍需满足常规动态无功优化的动态约束要求，即可投切并联电容器的总动作次数约束、有载主变分接头总动作次数约束和分接头动作相邻时段约束。

|T_l,t+1-T_l,t|≤K_kl (9)

式中：M_m为该电容器开关最大允许动作次数；K_l表示该分接头的最大允许动作次数；K_kl表示该分接头的相邻时段最大调节档位数。

电压控制区内的节点电压幅值V_j,m,min和V_j,m,max返回到非电压控制区子模型，作为电压控制区内的所有节点电压幅值的下限和上限值，其中j表示电压控制区内的变电站，m表示电压控制区节点电压限值标记。

所述非电压控制区的动态无功优化模型：

1)目标函数

对于非电压控制区的控制目标，不仅需要对电压控制区的越限电压节点进行辅助调节，即实现控制目标式(1)和式(2)，以及非电压控制区内的调压设备总共动作次数最少，还需要降低不可行时段簇内全网有功损耗电量，见式(10)。但是，鉴于动态无功优化本质上是追求电网经济运行和设备使用寿命之间的博弈。为此，在非电压控制区的控制目标优先考虑降低损耗电量至最低，其次才是其他控制目标。

式中：P_loss表示不可行时段t的全网有功网损；τ为每个时段的持续时间。

该模型仍在全网计算的基础上，需保持电压控制区内的越上限节点j电压幅值小于或等于V_j,m.max，或者越下限节点j大于或等于V_j,m.min；还需优化非电压控制区的控制变量，使全网有功损耗电量最小。

2)静态约束

该子模型的静态约束与电压控制区模型的静态约束类似，包含了常规约束和电压幅值安全软化约束。在常规约束中，与电压控制区常规约束不同的是未闭锁有载主变的变比约束、电压控制区内无功补偿约束的范围变为非电压控制区。电压幅值安全软化约束是非电压控制区所有节点的电压幅值上下限约束和电压控制区内的电压限值协调约束。

电压限值协调约束是为保障电压控制区的系统无功补偿节点电压越限尽可能少，需要考虑从外部对其辅助调节，电压控制区内节点的电压限值协调约束建立如下：

③电压下限协调约束:

式中：N_vmin,s是电压控制区内存在电压越下限的变电站个数。

④电压上限协调约束

式中：N_vmax,s是电压控制区内存在电压越上限的变电站个数。

3)动态约束

该模型的动态约束与电压控制区的动态电压控制模型的动态约束相同。

S4：采用并行协同进化算法先对不可行时段簇的动态无功优化模型进行求解，在不可行时段簇的结果基础上，采用不可行时段簇为中心的协调策略，再采用免疫遗传算法对可行时段簇求解常规动态无功优化模型；将可行时段簇和不可行时段簇的动态无功优化结果组合，得出全天动态无功优化求解结果，即得到全天受端电网的全部调压设备的调压方案。根据该求解结果能够得到系统中的调压设备在全天的哪些时段进行动作。

本步骤中，在具体处理不可行时段簇和可行时段簇之间的协调配合时，提出一种以不可行时段簇为中心的协调策略，具体为：在不可行时段簇动态无功优化模型求解基础上，根据不可行时段簇的边界时段的主变档位调节方案，结合分接头动作相邻时段的动态约束式(9)，向相邻可行时段簇扩展，形成新的主变变比档位上下限约束。并且，根据不可行时段簇的电容投切次数与主变档位调节次数限制，更新动态约束式(7)和式(8)，最后对可行时段簇采用常规动态无功优化模型进行求解。

1)对于不可行时段簇的动态无功优化，由于不可行时段数通常较少，不会对动态约束中总动作次数的造成太大影响，所以采用松弛动态约束，重复求解单个时段静态无功优化方法，获取不可行时段簇的动态无功优化结果。其中，静态无功优化考虑了电压控制区和非电压控制区子模型需要协同优化的特点，采用并行协同的进化算法进行求解。

2)对于可行时段簇的动态无功优化，需要在不可行时段簇的结果基础上，采用不可行时段簇为中心的协调策略，更新动态约束后采用免疫遗传算法对所有可行时段簇求解常规动态无功优化模型。最后将可行时段簇和不可行时段簇的动态无功优化结果进行组合，即为最终求解方案。

具体结合实例，所建受端电网动态无功优化模型的整个求解算法的具体步骤如下：

1)对于第J个不可行时段簇中时段i，采用放宽动态约束，采取逐个时段反复求解静态无功优化的求解步骤。

①以无功补偿节点为依据，将全网分为电压控制区和非电压控制区；

②采用IPCCD-EA算法计算时，对代表电压控制区种群优先进行寻优计算，获取电压控制区内3个目标函数综合最优的电压控制区控制方案。

③在电压控制区内所有节点满足电压限值协调约束的基础上，对代表非电压控制区种群进行寻优计算，获取非电压控制区内的有功网损最低、电压控制区的电压效益最大时对应的非电压控制区控制方案。

④当IPCCD-EA算法迭代到最大进化代数，算法收敛，时段i的静态无功优化模型的求解结束。

2)直到完成第J个不可行时段簇所有时段的求解，得出第J个不可行时段簇动态无功优化模型的求解结果。

3)重复以上步骤1)～2)，直到完成所有不可行时段簇的动态无功优化模型求解。

4)采用不可行时段簇为中心的协调策略，更新动态约束的电容器开关最大允许动作次数、有载调压主变分接头的最大允许动作次数以及可行边界时段的最大调节档位数。

5)对全天不连续的多个可行时段簇进行合并，形成1个可行时段簇，再采用免疫遗传算法对可行时段簇求解常规动态无功优化模型。

6)将可行时段簇和不可行时段簇的动态无功优化结果组合，得出全天全部调压设备的动作方案。

本发明实施方式，能有效解决受端电网在含电压不可行节点时传统动态无功优化失效的问题，为解决受端电网重载或者无功补偿严重不足的情况下，存在的低电压问题提供了有效的解决途径，能够有效进行不同时区段的电容器和主变档位动作的协调。该方法能优先保证不可行时段簇的电容和主变档位有足够的调节次数，保证高峰负荷电压尽可能在合格范围之内。在可行时段簇内，该方法能较好将剩下允许动作的总次数合理分配在“早高峰”之前、“晚高峰”之后和早晚高峰之间，这有效降低了设备动作的总次数。

请参见图4，本发明还公开了一种含电压不可行节点的受端电网动态无功优化装置，包括：

第一获取模块，用于获取受端电网中的无功补偿节点；

第二获取模块，用于以其中一时段是否出现电压约束不可行节点为依据，对每个时段进行循环性探测，获取全天多个不可行时段簇和可行时段簇；

动态无功优化子模型构建模块，用于在不可行时段簇内，以无功补偿节点为依据，将受端电网分为电压控制区和非电压控制区，分别构建电压控制区和非电压控制区的动态无功优化子模型；

动态无功优化求解模块，用于采用并行协同进化算法先对不可行时段簇的动态无功优化子模型进行求解，在不可行时段簇的结果基础上，采用不可行时段簇为中心的协调策略，再采用免疫遗传算法对可行时段簇求解常规动态无功优化子模型；将可行时段簇和不可行时段簇的动态无功优化结果组合，得出全天动态无功优化求解结果。

本实施例装置中的各个模块的原理与上述方法实施例对应部分的原理相同或相似，此处便不再一一赘述。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。