专利名称：一种基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法
技术领域：
本发明属于大电网在线评估技术领域，更具体地，涉及一种基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法。
背景技术：
随着我国长距离、大容量输电的出现和逐步发展，输电距离长、供电范围大是我国大电网发展过程中的主要特点，这使得我国主干输电线的输送能力主要取决于线路的极限传输容量。在这种环境下，极限传输容量问题已经成为电力系统运行的重要评估指标之一。北美电力可靠性委员会在20世纪90年代提出了电网可用输电能力(Available TransferCapabiIity，ATC)的概念，定义ATC为在已有的协议基础上，在实际输电网中可用于进一步商业活动的剩余输电能力。而要计算ATC就必须先计算系统极限传输容量(Total TransferCapability, TTC)。显然，如何准确地计算TTC，是电力市场环境下电力系统分析中的一个基本任务，同时，如何快速地计算TTC，更是大电网环境下输电系统安全稳定运行环节中迫切需要解决的关键问题。目前求解TTC的方法主要是连续性潮流(Continuation Power Flow, CPF)计算方法，它通过在常规潮流方程中添加连续性参数，克服了常规潮流计算方法在潮流解曲线鞍型分叉点处由于常规雅可比(Jacobi)矩阵奇异而导致的计算困难，它考虑了系统的电压、无功及其他非线性安全因素影响，具有相当的准确性，非常适合极限传输容量的计算。自从连续潮流问题被提出以来，它在电力系统静态稳定性评估和系统极限传输容量计算等方面取得了广泛的应用。但是由于CPF方法需要从当前运行点开始逐渐增加负荷，逐步计算到系统的电压稳定临界点，计算通常是比较耗时的。而且在CPF计算过程中，步长的选择是影响计算效率的关键因素之一。步长过小将会使计算效率大大降低，步长过大则有可能影响计算的收敛性。此外，在CPF计算中，常会遇到计算失败的情况，即CPF的校正环节计算发散，具体表现为此时无论如何减小步长，校正计算都无法收敛。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法，旨在解决现有的CPF计算中会遇到计算失败的问题。为实现上述目的，本发明提供了一种基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法，包括下述步骤:Sll:根据在线用户负荷数据和发电机出力数据计算电力系统的初始潮流、预测步长以及电压崩溃指数；S12:令n=n+l ；n为推演次数；S13:判断潮流是否小于设定的安全阈值，若是，则进入步骤S14若否，则进入步骤S16 ；
S14:判断电压崩溃指数是否小于设定的指数阈值，若是，则进入步骤S16，若否，则进入步骤S15 ；S15:根据预测步长获得新的用户负荷数据和新的发电机出力数据，根据新的用户负荷数据和新的发电机出力数据计算电力系统的新潮流、新的预测步长和新的电压崩溃指数；并返回至步骤S12;S16:计算功率极限点的输电线路功率获得系统极限传输容量。更进一步地，在步骤Sll中，根据牛顿法最后一次迭代的雅可比矩阵计算初始潮流、预测步长以及电压崩溃指数。更进一步地，在步骤S13中，所述安全阈值是根据电力系统电压等级和线路截面积进行设定的。更进一步地，在步骤S14中，所述指数阈值的范围为0-0.02。本发明还提供了一种基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法，包括下述步骤:S21:根据在线用户负荷数据和发电机出力数据计算电力系统初始状态的预测步长和电压崩溃指数；S22:判断电压崩溃指数是否小于设定的指数阈值，若是，则进入步骤S24，若否，则进入步骤S23 ；S23:根据预测步长获得新的用户负荷数据和新的发电机出力数据，根据新的用户负荷数据和新的发电机出力数据计算电力系统的新的预测步长和新的电压崩溃指数；并返回至步骤S22 ；S24:计算功率极限点的输电线路功率获得系统极限传输容量。更进一步地，在步骤S21中，根据牛顿法第一次迭代的雅可比矩阵计算初始状态的预测步长以及电压崩溃指数。本发明根据雅可比矩阵信息计算相应的电压崩溃指数，该参数可以引导整个潮流推演过程，将系统负荷状态准确定位至功率极限点，同时，雅可比矩阵信息还可以自动选取合适的潮流推演步长，确保全网负荷变化能够快速、准确地向系统极限点逼近。此外，本发明略去了参数化方程，从而不会出现连续潮流扩展雅可比矩阵奇异造成CPF计算失败的现象。整个推演过程以雅可比矩阵为计算核心，不需要每步推演都有完整的牛顿迭代过程，从而能使算法总体计算速度大幅提升；从而避免连续潮流扩展雅可比矩阵奇异造成连续潮流法计算失败的问题，进而减少连续潮流计算过程中鲁棒性控制的时间成本，节约计算时间。
图1是PV曲线(功率-电压曲线)示意图；图2是本发明一种实施例提供的基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法实现流程示意图；图3是本发明另一种实施例提供的基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法实现流程示意图；图4是本发明实施例提供的基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法的效果图；其中，图4 (a)表示电压崩溃指数IC随同负荷/发电机运行水平增长模式量化参数入的变化曲线，图4 (b)表示功率-电压曲线(PV曲线)；图5是本发明实施例提供的基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法与传统算法的效果对比图。
具体实施例方式为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明实施例提供的基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法在保证计算结果准确性的前提下，具有极高计算速度的大电网极限传输容量计算模型和实用化算法。基于电压崩溃指数的极限传输容量实用计算方法描述如下:连续潮流法被应用于电力系统从功率稳定平衡状态到功率稳定极限状态的推演过程，它的计算模型如下:f(x, A) =0(1);其中，x表示系统状态变量，它包括电力系统母线节点电压、支路功率。入表示系统参数，它主要用于表征系统状态的动态转变。一般来说，X可以由用户负荷/发电机运行水平等系统参数量化而成。在连续潮流计算过程中，常常会遇到计算失败的情况，即CPF在校正环节计算发散，具体表现为此时无论如何减小步长，校正计算都无法收敛，这一现象在计算穿越临界点前后都可能遇到。如果当计算穿越临界点后，在计算曲线的下半分支遇到计算发散，这时只是无法得到完整的PV曲线(功率-电压曲线)，而并不影响极限传输容量的计算和精确临界点的求取。但如果在曲线的上半分支上计算发散，将无法得到确切的极限传输容量及其临界点。由于造成CPF计算失败的原因是扩展雅可比矩阵奇异，而决定扩展雅可比矩阵性态的关键因素是CPF所采用的参数化方法。针对这个问题，本实用计算方法在状态推演中将略去参数化方程，从而避免 连续潮流扩展雅可比矩阵奇异造成CPF计算失败的问题，进而减少连续潮流计算过程中鲁棒性控制的时间成本，节约计算时间。在状态推演过程中，牛顿潮流方程可以转化为:=[/]" ^ P);将负荷增长模
式量化为\，A即是每步状态推演的预测步长A A之和，因此，推演状态的节点注入有功、无功相量如下计算:P = PQ(1+X ) (3) ；Q = Q0(l+A ) (4);其中，PQ、Qtl分别表示基态节点注入有功、无功相量。由⑶和⑷可推得有功、无功增量方程如下:AP = P-P0 = P0^ (5)；
"Ml
AQ = Q-Q0 = Q0A (6);因此，状态推演的正切相量TV定义如下JV= ^ =[/]-' ^ (7)洞
-丁J
时，状态推演的预测步长采用如下形式:A入=k/| TV| I (8);其中，I I I I表示欧几里德范数，k为一个加速或减速步长推演的加速比标量。由于状态推演过程需要由当前运行点开始逐渐增加负荷，逐步计算到系统的电压稳定临界点，计算通常是比较耗时的，而且在计算过程中，步长的选择是影响计算效率的关键因素之一，步长过小将会使计算效率大大降低，步长过大则有可能影响计算的收敛性。本文所采用的状态推演步长(8)有自动调节的功能，即在距离稳定临界点较远的系统状态下步长较大，而在距离临界点较近的系统状态下步长较小。随着PV曲线临近临界点，雅可比矩阵J将出现主特征值为O的现象，根据(7)可知，此时正切相量TV的欧几里德范数I ItvI理论上将趋近无穷大，也就是说，当系统状态临近临界点时，预测步长△ \将逐渐减小直至为O。因此，该步长推演同时兼顾了计算的时间效率和准确性。根据(7)、⑶可知，在功率极限点附近，预测步长较小，此时则可能出现在功率极限点附近状态推演次数过多的现象。因此，为了更好的反映PV曲线逼近临界点的趋势，同时，也是为了减少在功率极限点附近状态推演次数，减小(7)、(8)中求解[J]—1和I TV| I的计算量，需要设计一个参数来引导整个状态推演过程准确、快速的向功率极限点推进。实际上，系统极限传输容量是反映大电网环境下输电系统安全稳定的重要指标，由它可以直观地反映当前系统运行状态与稳定极限的距离。求解系统极限传输容量并不需要计算出完整的PV曲线。在求解过程中，当系统薄弱环节到达电压拐点(即功率极限点)时，整个计算的任务就完成了，通过对此时系统状态的评价即可求得系统的极限传输容量，因此，PV曲线的上半支曲线才是有意义的。如图1所示，当曲线到达临界点的时候，整个状态推演和潮流计算的任务就完成了，通过对此时系统状态(节点电压及功角)进行分析，即可以求得系统极限传输容量。因此，如何准确、快速的将整个状态推演过程及系统负荷(和发电)状态准确引导并定位至功率极限点(临界点)是至关重要的。当PV曲线接近临界点时，用于评价雅可比矩阵主特征值的电压崩溃指数IC将趋近为O。其中电压崩溃指数IC定义如下:IC = TVt*J*TV(9);式中，TV表示状态推演的正切相量，上标t表示相量的转置，J为雅可比矩阵。定义状态推演结束判据如下:IC ( ICset(IO);式中，ICsrt为电压崩溃指数门槛值，当电压崩溃指数IC持续下降并小于该门槛值时，表明当前系统状态可以近似为临界点状态，整个状态推演过程即可结束。设置该判据可以避免因在临界点附近预测步长较小而出现状态推演次数过多的现象，同时，也可以改善因为推演次数过多而造成的求解 [Jr1和I |tv|的低时间效率问题。图2示出了本发明一种实施例提供的基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法实现流程；现结合图2详述其流程步骤如下:基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法，包括下述步骤:Sll:根据在线用户负荷数据和发电机出力数据计算电力系统的初始潮流、预测步长以及电压崩溃指数；S12:令n=n+l ；n为推演次数；S13:判断潮流是否小于设定的安全阈值，若是，则进入步骤S14若否，则进入步骤S16 ；S14:判断电压崩溃指数是否小于设定的指数阈值，若是，则进入步骤S16，若否，则进入步骤S15 ；S15:根据预测步长获得新的用户负荷数据和新的发电机出力数据，根据新的用户负荷数据和新的发电机出力数据计算电力系统的新潮流、新的预测步长和新的电压崩溃指数；并返回至步骤S12;S16:计算功率极限点的输电线路功率获得系统极限传输容量。在本发明实施例中，在步骤Sll中，可以根据牛顿法最后一次迭代的雅可比矩阵计算初始潮流、预测步长以及电压崩溃指数。其中雅可比矩阵均实用牛顿最后一次迭代的雅可比矩阵。该雅可比矩阵可由牛顿法公式
权利要求
1.种基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法，其特征在于，包括下述步骤: 511:根据在线用户负荷数据和发电机出力数据计算电力系统的初始潮流、预测步长以及电压崩溃指数； 512:令n=n+l ；n为推演次数； S13:判断潮流是否小于设定的安全阈值，若是，则进入步骤S14若否，则进入步骤S16 ； S14:判断电压崩溃指数是否小于设定的指数阈值，若是，则进入步骤S16，若否，则进入步骤S15 ； S15:根据预测步长获得新的用户负荷数据和新的发电机出力数据，根据新的用户负荷数据和新的发电机出力数据计算电力系统的新潮流、新的预测步长和新的电压崩溃指数；并返回至步骤S12; S16:计算功率极限点的输电线路功率获得系统极限传输容量。
2.权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤Sll中，根据牛顿法最后一次迭代的雅可比矩阵计算初始潮流、预测步长以及电压崩溃指数。
3.权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S13中，所述安全阈值是根据电力系统电压等级和线路截面积进行设定的。
4.权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S14中，所述指数阈值的范围为O-0.02 o
5.种基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法，其特征在于，包括下述步骤: S21:根据在线用户负荷数据和发电机出力数据计算电力系统初始状态的预测步长和电压崩溃指数； S22:判断电压崩溃指数是否小于设定的指数阈值，若是，则进入步骤S24，若否，则进入步骤S23 ； 523:根据预测步长获得新的用户负荷数据和新的发电机出力数据，根据新的用户负荷数据和新的发电机出力数据计算电力系统的新的预测步长和新的电压崩溃指数；并返回至步骤S22 ； 524:计算功率极限点的输电线路功率获得系统极限传输容量。
6.权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤S21中，根据牛顿法第一次迭代的雅可比矩阵计算初始状态的预测步长以及电压崩溃指数。
全文摘要
本发明公开了一种基于电压崩溃指数的极限传输容量计算方法，该方法根据雅可比矩阵信息计算相应的电压崩溃指数，该参数可以引导整个潮流推演过程，将系统负荷状态准确定位至功率极限点，雅可比矩阵信息还可以自动选取合适的潮流推演步长，确保全网负荷变化能够快速、准确地向系统极限点逼近。此外，本发明略去了参数化方程，从而不会出现连续潮流扩展雅可比矩阵奇异造成CPF计算失败的现象。整个推演过程以雅可比矩阵为计算核心，不需要每步推演都有完整的牛顿迭代过程，从而能使算法总体计算速度大幅提升；从而避免连续潮流扩展雅可比矩阵奇异造成连续潮流法计算失败的问题，进而减少连续潮流计算过程中鲁棒性控制的时间成本，节约计算时间。
文档编号G01R31/00GK103091581SQ201310010988
公开日2013年5月8日 申请日期2013年1月11日 优先权日2013年1月11日
发明者姜臻, 苗世洪, 侯俊贤, 于之虹, 尚亚男, 马帅 申请人:华中科技大学, 中国电力科学研究院