基于VSC与高压配电网拓扑重构的输电网阻塞管控方法与流程

本发明属于电力系统自动化技术领域，具体涉及一种基于vsc与高压配电网拓扑重构的输电网阻塞管控方法的设计。

背景技术：

随着城市化进程加快，以居民、商业、高端制造为代表的城镇负荷近年发展迅猛,以220kv为主要代表的传统输电网越来越多地在城市负荷中心落地。由于城镇电力负荷的高速发展，特别是电动汽车及分布式电源的大规模接入带来负荷空间分布的多样性，容易造成220kv输电网局部阻塞，致使继电保护误动作，引发连锁故障。由于城市土地资源有限，输电网的升级改造投资巨大，在实际工程运行中，调度员通过重新调整发电机出力，移相变压器抽头，以及在最万不得已的情况下削减负荷来改善负荷分布，消除阻塞。然而在某些地区，电能的供给来源于上一级变电站，网络中缺少足够的调控手段引导潮流走向，从而造成某些局部地区阻塞状况愈加频繁。

近年来，随着直流输电技术的不断发展和日趋完善，在更多的交流电力系统中出现了直流输电线路。与传统直流输电技术相比，以电压源换流器(voltagesourcedconverter，vsc)为核心部件、脉宽调制(pulsewidthmodulation，pwm)控制为理论基础的新一代直流输电技术具有不存在换相失败风险、可实现有功无功快速解耦控制、输出电压电流谐波含量低等诸多优点。由于灵活的潮流控制能力，针对vsc的研究受到越来越多学者的重视。

高压配电网一般呈现多环放射性结构，是以220kv变电站(电源节点)为圆心的“花瓣型”辐射，路径不深，向广度发展，站间联络丰富，主备供路径组合极多，以确保供电可靠性。因此某个110kv变电站至少存在一条以上路径连至其他220kv电源点，使得网络中存在大量的“220kv-110kv-220kv”环，拓扑结构呈现多环态。其灵活的接线模式为潮流大范围转移提供良好的物理基础，配合vsc灵活的潮流控制能力，形成动态潮流转移路径，为解决城市电网输电阻塞提供了有力手段。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决日益严重的城市220kv输电阻塞问题，提出了一种基于vsc与高压配电网拓扑重构的输电网阻塞管控方法。

本发明的技术方案为：基于vsc与高压配电网拓扑重构的输电网阻塞管控方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、构建包含vsc的高压配电网简化拓扑模型。

s2、对高压配电网简化拓扑模型进行数学描述，构建输电网阻塞管控模型。

输电网阻塞管控模型包括线路状态控制模型、vsc控制模型以及切负荷模型。

线路状态控制模型为：

ziv+zvi＝uiv

其中uiv为表示高压配电网简化拓扑模型中线路iv的连接状态的二进制变量，uiv＝1表示线路连通，uiv＝0表示线路断开，ziv和zvi均为表示线路iv潮流方向的二进制变量，ziv+zvi≤1；i、v均表示高压配电网简化拓扑模型中的交流节点，i＝1,2,...,n，v＝1,2,...,n，i≠v，n为高压配电网简化拓扑模型中的交流节点总数。

vsc控制模型为：

ffac-efbc-qf＝0

其中表示高压配电网简化拓扑模型中直流节点j的电压幅值，表示高压配电网简化拓扑模型中直流节点j的电流幅值，p^d表示高压配电网简化拓扑模型中直流侧有功功率，j＝1,2,...,n，n为高压配电网简化拓扑模型中的直流节点总数；ef、ff分别为高压配电网简化拓扑模型中滤波器母线电压vf的实部和虚部，ac、bc分别为高压配电网简化拓扑模型中注入电流ic的实部和虚部，qf为高压配电网简化拓扑模型中交流侧滤波器母线指定无功功率。

切负荷模型为：

pi＝pi^pre-hi

其中hi表示交流节点i的负荷削减量，pi^pre表示削减前交流节点i的有功功率，pi表示削减后交流节点i的有功功率。

s3、采用烟花优化算法求解输电网阻塞管控模型，得到vsc控制参数及输电网线路状态。

步骤s3具体包括以下分步骤：

s31、初始化烟花优化算法的参数，包括烟花燃放个数、最大迭代次数、爆炸半径常数火花决定常数m以及搜索空间上下限(yr中各变量的取值范围)。

s32、计算初始烟花的位置yr，计算公式为：

yr＝[u,h,s]

其中yr表示第r个初始烟花的位置，u＝{uiv|i＝1,2,...,n；v＝1,2,...,n；i≠v}表示线路状态向量，h＝{hi|i＝1,2,...,n}表示切负荷向量，s＝{p^d,qf}表示vsc控制向量。

s33、根据yr计算初始烟花的适应度函数f(yr)，计算公式为：

其中f(yr)为第r个初始烟花的适应度函数。

s34、根据yr和f(yr)释放烟花，获得爆炸烟花

对于第r个初始烟花，其爆炸半径ar和爆炸数目sr分别为：

其中为用于调整爆炸半径大小的常数，ymin表示最小适应度烟花的位置，ε表示机器最小量，用于避免除零操作，ymax表示最大适应度烟花的位置，m为用于控制爆炸数目的常数，nr为初始烟花总数。

对于第r个初始烟花的第t维位置yrt，若yrt为连续变量，则其爆炸烟花位置偏移量为：

其中u(-1,1)表示[-1,1]之间均匀分布的随机数。

若yrt为离散变量，则其爆炸烟花位置偏移量为：

将合并即得到第r个爆炸烟花的位置u(0,1)表示[0,1]间均匀分布的随机数。

s35、根据yr计算高斯变异火花

对于第r个初始烟花的第t维位置yrt，其高斯变异火花偏移量为：

其中e表示满足期望和方差都为1的高斯分布的随机数；将合并即得到第r个高斯变异火花的位置

s36、计算爆炸烟花和高斯变异火花的适应度函数及计算公式为：

其中为第r个爆炸烟花的适应度函数，为第r个高斯变异火花的适应度函数。

s37、选择适应度最好的爆炸烟花或高斯变异火花作为下一代烟花。

s38、判断是否满足算法终止条件(适应度函数及的最小值连续迭代10次均没有发生变化，或者达到最大迭代次数)，若是则进入步骤s39，否则返回步骤s34进行下一次迭代。

s39、输出爆炸烟花或高斯变异火花及其适应度函数作为优化结果。

本发明的有益效果是：本发明利用高压配电网拓扑重构为vsc构建潮流调整路径，利用vsc功率调节能力调整潮流分布，以控制代价、负荷损失最小为优化目标采用烟花优化算法求解输电网阻塞管控模型，保障连续时间下城市输电网安全稳定运行。

附图说明

图1所示为本发明实施例提供的基于vsc与高压配电网拓扑重构的输电网阻塞管控方法流程图。

图2所示为本发明实施例提供的高压配电网简化拓扑示意图。

图3所示为本发明实施例提供的vsc简化拓扑示意图。

图4所示为本发明实施例提供的包含vsc的高压配电网简化拓扑模型示意图。

图5所示为本发明实施例提供的步骤s3的分步骤流程图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明实施例提供了一种基于vsc与高压配电网拓扑重构的输电网阻塞管控方法，如图1所示，包括以下步骤s1-s3：

s1、构建包含vsc的高压配电网简化拓扑模型。

高压配电网存在大量可操作设备，为降低模型维度，提高计算效率，需对网络元件进行适度聚合，突出主要矛盾。根据拓扑调整过程中高压配电网不同设备的动作频次对网络元件进行缩聚，定义变电单元。由于高压侧线路联络状态及vsc控制参数决定输电网的潮流分布，故保留高压侧线路状态表达变电单元邻接关系，进而构建高压配电网简化拓扑，如图2所示。

图2中，vsc换流站与交流系统的等效电路连接示意图如图3所示。图3中，交流网络通过一台变压器，一台接地连接的滤波器和一个相电抗器与换流器相连。f表示滤波器母线，c表示换流器母线，rc、xc为等效电阻电抗；j表示直流母线。vsc可选择的控制方式有以下几种：(1)定直流电压、定无功功率控制；(2)定直流电压、定交流电压控制；(3)定有功功率、定无功功率控制；(4)定有功功率、定交流电压控制。

最终构建包含vsc的高压配电网简化拓扑模型如图4所示。

s2、对高压配电网简化拓扑模型进行数学描述，构建输电网阻塞管控模型。

对于图4中的每一个交流节点i，其节点功率方程为：

其中，i、v均表示高压配电网简化拓扑模型中的交流节点，i＝1,2,...,n，v＝1,2,...,n，i≠v，n为交流节点总数。giv、biv分别表示交流节点i、v间的电导和电纳，ev、fv分别表示节点v电压的实部和虚部，ai、bi分别表示节点i注入电流的实部和虚部，pi、qi分别表示节点i注入有功功率和无功功率。

网络中支路功率、节点电压应在限定范围内，因此还应满足如下不等式约束：

其中分别表示支路功率最小值和支路功率最大值，vi^min、vi^max分别表示电压幅值最小值和电压幅值最大值。

对于图3所示vsc模型，其滤波器母线f电压vf＝ef+jff，换流器母线c的电压vc＝ec+jfc，注入电流为ic＝ac+jbc，vsc两侧的电压关系如公式(5)：

其中mk表示第k个vsc的调制比，表示直流节点j的电压幅值，j＝1,2,...,n，n为直流节点总数。将公式(5)左右两边同时取平方，得到vsc电压关联方程如公式(6)所示：

根据上述对高压配电网简化拓扑模型的数学描述，构建包括线路状态控制模型、vsc控制模型以及切负荷模型在内的输电网阻塞管控模型。

其中，线路状态控制模型为：

ziv+zvi＝uiv(7)

ziv+zvi≤1(8)

其中uiv为表示高压配电网简化拓扑模型中线路iv的连接状态的二进制变量，uiv＝1表示线路连通，uiv＝0表示线路断开，ziv和zvi均为表示线路iv潮流方向的二进制变量。

由于vsc的主要作用是调整潮流分布，因此控制模式采用定有功功率、定无功功率控制，则vsc控制模型为：

ffac-efbc-qf＝0(10)

其中表示直流节点j的电压幅值，表示直流节点j的电流幅值，p^d表示直流侧有功功率。ef、ff分别为滤波器母线电压vf的实部和虚部，ac、bc分别为注入电流ic的实部和虚部，qf为交流侧滤波器母线指定无功功率。p^d、qf满足约束如下：

p^dmin≤p^d≤p^dmax(11)

其中p^dmin、p^dmax分别表示直流侧有功功率最小值和直流侧有功功率最大值，分别表示交流侧滤波器母线指定无功功率最小值和最大值。

为保证系统安全，在必要的时候需采取切负荷措施。对于任意交流节点i，以hi表示该节点的负荷削减量，则对于公式(2)中pi，有如下关系：

pi＝pi^pre-hi(13)

其中pi^pre表示削减前交流节点i的有功功率。

s3、采用烟花优化算法求解输电网阻塞管控模型，得到vsc控制参数及输电网线路状态。

烟花优化算法(fireworksalgorithm，fa)是在2010年由tan和zhu根据对于烟花爆炸产生火花这一自然现象的观察提出的算法。烟花优化算法中，烟花被看作为最优化问题的解空间中一个可行解，烟花爆炸产生一定数量火花的过程即为其搜索邻域的过程。

如图5所示，步骤s3具体包括以下分步骤：

s31、初始化烟花优化算法的参数，包括烟花燃放个数、最大迭代次数、爆炸半径常数火花决定常数m以及搜索空间上下限(yr中各变量的取值范围)。

s32、计算初始烟花的位置yr，计算公式为：

yr＝[u,h,s](14)

其中yr表示第r个初始烟花的位置，u＝{uiv|i＝1,2,...,n；v＝1,2,...,n；i≠v}表示线路状态向量，h＝{hi|i＝1,2,...,n}表示切负荷向量，s＝{p^d,qf}表示vsc控制向量。

s33、根据yr计算初始烟花的适应度函数f(yr)，本发明实施例中，以负荷损失最小化的优化目标为适应度函数，计算公式为：

其中f(yr)为第r个初始烟花的适应度函数。

s34、根据yr和f(yr)释放烟花，获得爆炸烟花

为了达到烟花差异化的目的，即开采性和勘探性兼顾的目标，在烟花优化算法中，每个烟花的爆炸半径和爆炸产生的火花数目是根据其相对于烟花种群中其他烟花适应度值计算得到的。对于第r个初始烟花，其爆炸半径ar和爆炸数目sr分别为：

其中为用于调整爆炸半径大小的常数，ymin表示最小适应度烟花的位置，ε表示机器最小量，用于避免除零操作，ymax表示最大适应度烟花的位置，m为用于控制爆炸数目的常数，nr为初始烟花总数。

对于第r个初始烟花的第t维位置yrt，若yrt为连续变量(向量h、s中的变量)，则其爆炸烟花位置偏移量为：

其中u(-1,1)表示[-1,1]之间均匀分布的随机数。

若yrt为离散变量(向量u中的变量)，则其爆炸烟花位置偏移量为：

将合并即得到第r个爆炸烟花的位置u(0,1)表示[0,1]间均匀分布的随机数。

s35、根据yr计算高斯变异火花

为了增加爆炸火花种群的多样性，烟花优化算法引入了变异算子用于产生变异火花，即高斯变异火花。高斯变异火花产生的过程如下：首先在烟花种群中随机选择一个烟花yr，然后对该烟花随机选择一定数量的维度进行高斯变异操作。对于第r个初始烟花的第t维位置yrt，其高斯变异火花偏移量为：

其中e表示满足期望和方差都为1的高斯分布的随机数，如公式(21)所示：

e～n(1,1)(21)

将合并即得到第r个高斯变异火花的位置

s36、计算爆炸烟花和高斯变异火花的适应度函数及本发明实施例中，以负荷损失最小化的优化目标为适应度函数，计算公式为：

其中为第r个爆炸烟花的适应度函数，为第r个高斯变异火花的适应度函数。

s37、选择适应度最好(适应度函数值最小)的爆炸烟花或高斯变异火花作为下一代烟花。

s38、判断是否满足算法终止条件，若是则进入步骤s39，否则返回步骤s34进行下一次迭代。本发明实施例中，算法终止条件为：适应度函数及的最小值连续迭代10次均没有发生变化，或者达到最大迭代次数。

s39、输出爆炸烟花或高斯变异火花及其适应度函数或作为优化结果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。