一种特高压交流电网高压电抗器优化配置方法与流程

本发明涉及一种特高压交流电网高压电抗器优化配置方法，特别涉及一种基于最优补偿度的特高压交流电网的高压电抗器优化配置方法，属于电网规划、运行与控制领域。
背景技术：
：基于能源资源和负荷需求逆向分布的国情，国家电网公司提出了建设“发展特高压交流输电，建设坚强国家电网”的战略目标，特高压电网具有远距离、大规模、高效率等特点，促进大煤电、大水电、大核电、大可再生能源基地的开发，对实现全国范围内的资源优化配置具有重要意义。特高压交流输电线路电压等级高，单位长度的线路电容产生的容性充电功率显著增加，当线路末端空载或者轻再时，线路末端会产生电压升高现象。当线路故障后将产生过电压，同样会对设备或者系统的安全稳定带来危害。随着特高压输电工程建设不断增加，电网传输的电能将大大提高，同时电网传输的电量有可能随时会发生变化，对线路的无功功率平衡和电压的有效控制提出了更高的要求。为抑制特高压线路的容性无功，特高压输电线路一般都加装并联电抗器，进行无功补偿。在电力系统中，并联电抗器的主要作用为：补偿长线电容效应，限制工频电压升高，保护用电设备，降低线路有功损耗，防止谐振过电压，减少潜供电流，加速潜供电弧熄灭，抑制操作过电压等。在高压输电设备中其主要作用是补偿线路的容性无功，防止电网因容性功率过高而引起电压升高。特高压电网输电能力随着并联高抗补偿度的增加而减少，甚至限制了输电能力，降低了电网运行的经济效益。同时考虑无功窜动和输电能力的最优补偿度下的高压并联电抗器优化配置策略是实现无功补偿和保证输电能力的有效形式，也是实现电网安全稳定可靠运行的有效措施。目前，国内外对于特高压并联高抗补偿的研究主要集中在特高压并联电抗器调节基本原理及调节范围，补偿位置与补偿容量对稳态电压的影响，补偿容量对工频过电压的影响，高抗与低抗相配合的协调控制策略，无功补偿设备投切策略，svc、svg等新型无功补偿元器件的应用。对于同时考虑无功窜动和输电能力的最优补偿度下的高压并联电抗器优化配置策略的研究开展较少。目前特高压输电线路高抗配置只考虑了特高压输电线路的运行特性，一般只按满足于对特高压输电线路容性充电功率的补偿来设置补偿容量，并没有从电网的整体角度考虑，满足特高压输电线路工频过电压要求的输电线路补偿度与线路两端系统强度有关，一些研究集中在理论分析阶段，并没有给出一些量化的指标来确定无功补偿是否合理，应用具有较大的局限性，不有效指导电力系统安全稳定运行和系统的调度控制要求，实用性较差。解决问题的关键是如何在满足补偿输电线路容性充电功率的同时满足限制工频过电压和提高输电能力的要求，从而实现最优补偿度下的高压并联电抗器的优化配置。该优化配置策略的复杂性在于，一方面，优化配置策略要适应多种运行工况下的变动，如系统运行方式、特高压大区联网功率波动频繁等等，运行工况不同，要求补偿的高抗的补偿度也不同，而且其输电线路功率损耗、输电能力，系统稳定性等有关。另一方面满足限制工频过电压需要的高抗补偿度需考虑特高压输电线路两端系统的强度，如特高压线路参数，系统参数，特高压线路短路容量，潜供电流等。如何确定适应各种运行工况的高压并联电抗器最优补偿度是一个关键问题。本发明的目的在于解决现有技术上存在的上述问题，基于特高压电网机电电磁暂态混合仿真，实现在满足补偿输电线路容性充电功率的同时满足限制工频过电压和提高输电能力的要求，从而实现最优补偿度下的高压并联电抗器的优化配置。本发明采用的方法能够更有效和可靠地进行特高压交流电网并联高抗的配置，为特高压电网的安全稳定运行和系统调度控制提供技术依据和实用化方法。技术实现要素：本发明的目的在于解决现有技术上存在的上述问题，基于特高压电网机电电磁暂态混合仿真，实现在满足补偿输电线路容性充电功率的同时满足限制工频过电压和提高输电能力的要求，从而实现最优补偿度下的高压并联电抗器的优化配置。本发明采用的方法能够更有效和可靠地进行特高压交流电网并联高抗的配置，为特高压电网的安全稳定运行和系统调度控制提供技术依据和实用化方法。本发明提出这种基于最优补偿度的特高压交流电网高压并联电抗器的优化配制方法的思想是：基于特高压交流电网机电电磁暂态混合仿真模型，考虑特高压交流电网各种运行条件，分析了特高压交流电网的运行特性。根据特高压输电线路的无功窜动、短路容量、输送功率与补偿度的关系建立了目标函数，寻求最优补偿度，从而较大的提高了特高压交流电网并联高抗配置的实用性和可靠性。本发明给出的技术方案是：在特高压电网中，由并联高压电抗器来平衡特高压交流输电线路的容性无功和限制过电压，同时考虑无功窜动和传输功率，进行特高压交流电网的并联高抗配置，通过寻求最优补偿度来确定特高压交流电网并联高抗的优化配置，从而实现特高压交流电网的安全、可靠、经济运行。其特点包括以下步骤：步骤1)确定特高压电网的目标网架结构；步骤2)获取特高压交流电网的各电气元件参数；步骤3)基于adpss建立特高压电网机电暂态和电磁暂态仿真模型；步骤4)编排系统运行方式；步骤5)未装设并联高压电抗器的特高压交流电网运行特性分析；(1)针对系统不同的运行方式，进行特高压交流电网机电-电磁暂态混合仿真；(2)分析不同运行方式下，获取特高压交流电网运行参数；(3)分析特高压交流输电线路及主变运行特性；(4)确定特高压交流电网的无功需求；步骤6)综合考虑高压电抗器的安装位置、补偿度的特高压电网运行特性仿真计算与分析；(1)针对某一特定运行方式，选定一条线路作为参考，高压电抗器安装在线路首端，根据补偿度取不同值0.7,0.8,0.9，进行特高压交流电网机电-电磁暂态混合仿真，获取特高压交流电网运行参数；(2)高压电抗器安装在线路末端，根据补偿度取不同值0.7,0.8,0.9，进行特高压交流电网机电-电磁暂态混合仿真，获取特高压交流电网运行参数；(3)高压电抗器按比例安装在线路首、末两端端，根据补偿度取不同值0.7,0.8,0.9，进行特高压交流电网机电-电磁暂态混合仿真，获取特高压交流电网运行参数；(4)根据仿真结果确定高压电抗器的安装位置以及补偿度。步骤7)特高压交流电网无功窜动最小水平指标；步骤8)根据特高压输电线路的无功窜动、输送功率与补偿度的关系建立目标函数；步骤9)最优补偿度确定；步骤10)最优补偿度下的特高压交流电网电抗器优化配置；步骤11)最优配置方案下的特高压交流电网安全稳定性校核。特高压交流电网是指骨干网架电压等级在1000kv及以上的电网。特高压交流电网的目标网架结构是指以1000kv交流输电网为骨干网架，超高压输电网和高压输电网以及特高压直流输电、高压直流输电和配电网构成的分层、分区、结构清晰的电网。获取特高压交流电网的电气元件参数是指特高压输电线路、主变压器、负荷参数，发电机参数；编排系统运行方式是指夏季大方式，夏季小方式，冬季大方式，冬季小方式。获取特高压交流电网运行参数是指特高压交流线路电压、电流、有功功率、无功功率、工频过电压、潜供电流等电网计算和控制所需要的参数。高压电抗器补偿度是指感性无功功率与容性无功功率的比值；kb＝qb/qc。其中，qb输电线路上所有并联电抗器的总容量，qc输电线路的容性无功功率。特高压交流电网无功窜动是指当线路出现故障时，电网潮流发生变化，本线路无功转移到其他线路，引起其他线路无功功率发生变化。特高压交流电网无功窜动最小水平指标是指特高压交流线路无功功率窜动大小与相应短路容量的比值。根据特高压输电线路的无功窜动、输送功率与补偿度的关系建立目标函数：minfi(k)＝min(fi1+fi2+fi3)+λifi4线性约束：非线性约束：其中，qci为无功补偿节点的无功补偿容量，和分别为其上下限值；ttj、和分别为可调变压器分接头及其上下限值；idk、udl、pdn分别为控制电流、电压、功率；和和和分别表示相应的上下限值。其中，fi1，fi2，fi3，fi4无功窜动、输送功率变化、电压变化量、变压器低压侧低抗和低容配置容量，分别为fi1，fi2，fi3，fi4分别为将fi1，fi2，fi3，fi4归一化后的值。确定最优补偿度：(1)综合考虑特高压输电线路电压和无功的灵敏度，对特高压电网无功配置水平进行评估，确定需要首先优化高抗配置的节点。(2)计算各指标的值并进行归一化处理(3)利用多目标寻优的方法，确定最优补偿度。最优补偿度下的特高压交流电网电抗器优化配置：比较配置方案对不确定性因素的适应性，包括并网的风电、光伏等新能源发电不同的出力水平、未来电网结构的变动、特高压直流接入系统等情况。提出特高压交流电网并联高亢的优化配置方案。最优配置方案下的特高压交流电网安全稳定性校核：对新方案进行安全校核，包括高压电抗器并离网是否存在过电压、潜供电流以及是否存在谐振等问题。本发明的优点是：1.本发明提出这种基于最优补偿度的特高压交流电网高压并联电抗器的优化配制方法是基于特高压交流电网机电电磁暂态混合仿真模型，考虑特高压交流电网各种运行条件，分析了特高压交流电网的运行特性。根据特高压输电线路的无功窜动、短路容量、输送功率与补偿度的关系建立了目标函数，寻求最优补偿度，从而较大的提高了特高压交流电网并联高抗配置的实用性和可靠性。2.在特高压电网中，由并联高压电抗器来平衡特高压交流输电线路的容性无功和限制过电压，同时考虑无功窜动和传输功率，进行特高压交流电网的并联高抗配置，通过寻求最优补偿度来确定特高压交流电网并联高抗的优化配置，从而实现特高压交流电网的安全、可靠、经济运行。3.本方法便于修改和商业化开发。在优化配置过程中，通过编制的优化算法程序，进行高亢的优化配置，这些特点使得本方法便于商业化开发。附图说明图1特高压交流电网高压电抗器优化配置方法的总体流程图。图2是特高压交流电网分布参数等值电路。图3特高压交流电网线路受端装设并联电抗器的等值电路。图4特高压交流电网线路末端装设并联电抗器的等值电路。图5特高压交流电网线路两端装设并联电抗器的等值电路。图6特高压交流电网接线图。具体实施方式下面结合附图和算例对本发明的技术方案做进一步详细说明。如图1、图2、图3、图4、图5、图6所示，一种特高压交流电网高压电抗器优化配置方法包括以下步骤：步骤1)确定特高压电网的目标网架结构；步骤2)获取特高压交流电网的各电气元件参数；步骤3)基于adpss建立特高压电网机电暂态和电磁暂态仿真模型；(1)根据国内某电网2020年规划和方式数据，建立特高压电网机电暂态模型(2)根据变压器、高抗和线路的具体数据，需要分析的电磁暂态模型。步骤4)编排系统运行方式；步骤5)未装设并联高压电抗器的特高压交流电网运行特性分析；(1)针对系统不同的运行方式，进行特高压交流电网机电-电磁暂态混合仿真；(2)分析不同运行方式下，获取特高压交流电网运行参数；(3)分析特高压交流输电线路及主变运行特性；(4)根据各节点电压的具体情况，确定特高压交流电网的无功需求；步骤6)综合考虑高压电抗器的安装位置、补偿度的特高压电网运行特性仿真计算与分析；(1)针对某一特定运行方式，选定一条线路作为参考，高压电抗器安装在线路首端，根据补偿度取不同值0.7,0.8,0.9，进行特高压交流电网机电-电磁暂态混合仿真，获取特高压交流电网运行参数；(2)高压电抗器安装在线路末端，根据补偿度取不同值0.7,0.8,0.9，进行特高压交流电网机电-电磁暂态混合仿真，获取特高压交流电网运行参数；(3)高压电抗器按比例安装在线路首、末两端端，根据补偿度取不同值0.7,0.8,0.9，进行特高压交流电网机电-电磁暂态混合仿真，获取特高压交流电网运行参数；(4)根据仿真结果确定高压电抗器的安装位置以及补偿度。步骤7)特高压交流电网无功窜动最小水平指标；步骤8)根据特高压输电线路的无功窜动、输送功率与补偿度的关系建立目标函数；步骤9)最优补偿度确定；步骤10)最优补偿度下的特高压交流电网电抗器优化配置；步骤11)最优配置方案下的特高压交流电网安全稳定性校核。图1图是总体流程图，与上述计算步骤是一致的，值得说明的是从图中的流程可以看出，本方法是通过建立特高压电网机电暂态模型和电磁暂态模型，分析特高压输电线路高抗配置下的电磁暂态现象，计算了不同补偿度及高压电抗器不同安装位置下特高压交流母线的过电压，本方法提出了特高压交流电网无功窜动最小水平指标，并且通过建立特高压输电线路的无功窜动、输送功率与补偿度的关系建立目标函数，编制程序计算确定最优补偿度，这是与其他方法的本质所在。图2是特高压交流线路分布参数等值电路，本方法算例中考虑两回特高压输电线路以及四台高压变压器的等值，其中线路型号为lgj-630*8，具体线路参数及高压主变参数如下表所示。由于特高压交流线路较长，特高压交流线路在故障过程中，会产生过电压因此需要考虑特高压输电线路的波过程。图3～图5是特高压交流电网中高压电抗器安装在不同位置的接线图，特高压的容性无功可通过加装并联电抗器来抑制，而并联电抗器安装位置对特高压输电线路容性无功抑制作用效果不同，为了确定并联电抗器加装在何处对特高压输电线路稳态电压影响作用最大，以及确定最优补偿度，图3～图5给出了并联电抗器加装在特高压线路首端末端和两端三种情况，并且根据仿真平台计算了三种情况下补偿度与电压的关系。如图3所示，电抗器加装在s端，特高压m侧电压始终高于s侧，且随着补偿度的增加，并联电抗器对s侧的电压抑制较大，补偿度从0.7增加到0.9时，s端电压下降21kv，m端下降15，当补偿度为0.7时首端电压为1061kv，末端电压为1099kv，高于额定电压1050kv。如图4所示，电抗器加装在m末端，补偿度达到时0.4，首末端电压相等为1082kv。补偿度继续增大，则m侧电压低于s侧，且两端电压差不断增大。补偿度为0.7时，首末端电压差为13；补偿度为时0.9，首末端电压差为30，s端为1057kv，m端电压为1027kv。电如图5所示，抗器加装在两端，m端电压高于s端，但m端与s端的电压差值较小。随着补偿度增大，电压差逐渐减小，补偿度为0.7时，电压差为9kv，补偿度达到时0.9，电压差为5kv。补偿度为时0.8，s端电压为1051kv，m端电压1062kv。.为采取这种补偿方式时，线路上的电压分布更加均衡。图6是特高压交流电网接线图，图中给出了特高压电抗器的具体配置位置，以及低压电抗器和电容器的配置容量。并联电抗器对特高压输电线路两端电压都有抑制作用，在线路两端都加装电抗器时，线路两端的电压分布更加均衡。同时当并联电抗器补偿度取50％—90％时，工频过电压小于国家规定的特高压系统工频过电压水平(1.3p.u.)。本方法根据特高压输电线路的无功窜动、输送功率与补偿度的关系建立目标函数来确定最优补偿度的计算方法采用的是基本粒子群优化算法。采用的基本粒子群优化算法是一种模拟鸟群飞行觅食行为的算法。在基本粒子群优化算法中，每个粒子的位置都可以看作是问题空间中的一个可行解，粒子的状态主要通过其位置向量和速度向量进行描述。所有粒子根据自身的飞行经验以及同伴的飞行经验来调整自身的运行状态，进行全局搜索从而找到全局最优位置。假设一个种群中粒子的个数为n，搜索空间为d维。则第i个粒子的位置表示为xi＝(xi1,xi2,…xij…,xid)，速度表示为vi＝(vi1,vi2,…vij…,vid)，其中1≤i≤n，1≤j≤d，xij表示第i个粒子位置的第j维分量，vij表示第i个粒子速度的第j维分量。则第i个粒子的历史最佳位置可以表示为pbest＝(pbesti1,pbesti2,…pbestij…,pbestid)，其中1≤i≤n，1≤j≤d，pbestij表示第i个粒子的最佳位置的第j维分量。令f(x)为种群的适应度函数，则种群的最佳位置表示为：gbest＝(gbest1,gbest2,…gbestk…,gbestd)＝min{f(pbest1),f(pbest2),…f(pbesti)…f(pbestn)}其中gbestk表示种群最优位置的第k维分量，1≤k≤d，f(pbesti)表示第i个粒子的历史最佳位置所对应的适应度函数值，1≤i≤n。设第i个粒子在t+1次迭代时的速度和位置的第d维分量分别为vid(t+1)和xid(t+1)，则其更新方程为：vid(t+1)＝w*vid(t)+c1*rand()*[pbestid(t)-xid(t)]+c2*rand()*[gbestid(t)-xid(t)]xid(t+1)＝xid(t)+vid(t+1)w表示权重因子，vid(t)表示第i个粒子在第t次迭代时速度的第d维分量，c1和c2表示学习因子，rand()表示[0,1]之间的随机数，gbestd(t)，表示第t次迭代时种群最优位置的第d维分量。vid(t+1)＝w*vid(t)+c1*rand()*[pbestid(t)-xid(t)]+c2*rand()*[gbestid(t)-xid(t)]中第一部分表示粒子的惯性速度，第二部分表示粒子的位置与该粒子历史个体最佳位置之间的关系，体现了粒子本身的认知能力，第三部分表示粒子的位置与种群最佳位置之间的关系，体现了粒子间的信息交互和相互协作的能力。粒子群优化算法具体流程：①设置粒子群算法的参数主要包括最大迭代次数m,种群规模n,学习因子c1和c2，权重因子w，问题空间的维数d。②在问题空间中对每个粒子的速度以及位置进行随机初始化，此时粒子的位置即为该粒子当前的最佳位置。计算出所有粒子的适应度函数值，适应度函数值最小的粒子对应的位置；即为种群最优位置。③根据表达式去更新粒子的速度和位置。④计算出当前粒子的适应度函数值，如果粒子i的的适应度函数值f(xi)优于个体极值f(pbesti)则用当前该粒子的位置xi对pbesti进行更新。⑤如果粒子i的的适应度函数值f(xi)优于个体极值f(gbesti)则用当前该粒子的位置xi对gbesti进行更新。⑥判断是否已经达到最大迭代次数，若已经到最大迭代次数则输出种群最优位置及其对应的适应度函数值。否则转到第③步继续进行迭代。当考虑特高压线路无功窜动、输送功率、线路工频过电压以及安全稳定性校验，根据以上流程编写程序进行计算，补偿度为0.883时，fi(k)最小，最小值为0.203。所以此补偿度为最优补偿度。计算结果表明此方法能有效地进行特高压交流电网高压电抗器的优化配置。高抗优化配置结果如下表3。表1lgj-630*8导线参数r(ω/km)l(ω/km)c(μf/km)0.00820.260.014表2高压主变参数高压侧额定容量(mva)3000中压侧额定容量(mva)3000低压侧额定容量(mva)1000高、中侧短路电压百分比(％)19中、低侧短路电压百分比(％)40低、高侧短路电压百分比(％)63抽头位置中压测调压级差(％)1.25调压范围(％)±5表3高压电抗器配置结果位置配置容量sd-eh-k1960mvarsd-eh-k2840mvaryk-eh-k1960mvaryk-eh-k2840mvarsd-eh-112*210mvar低容+4*240mvarsd-eh-122*210mvar低容+4*240mvaryk-eh-113*210mvar低容+4*240mvaryk-eh-123*210mvar低容+4*240mvar当前第1页12