交直流混联受端电网的直流分群规划方法与流程

本公开涉及一种交直流混联受端电网的直流分群规划和管理方法。
背景技术：
：本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的
背景技术：
信息，不必然构成在先技术。随着经济高速发展，为满足受端地区日益增长的负荷需求，亟需实现能源资源的大范围优化配置。相比交流输电技术，高压直流输电在远距离、大容量电能传输方面具有特有的优势，在我国输电网络中发挥了重要的作用。大量电能从送端能源基地送至受端负荷中心，在缓解受端电网供电压力的同时，也形成了规模庞大、结构复杂的受端交直流混联格局，由此带来了诸多方面的挑战。首先，交直流混联受端电网中，交直流之间、多回直流之间存在着紧密的耦合联系，同时，多回高压直流系统各自的控制系统特性各异，在相互耦合的前提下进行调节控制时，有可能因矛盾的控制特性造成配合不协调问题。紧密耦合使包含多回直流的受端电网产生较大的运行安全风险。其次，随着风能、太阳能发电等在受端电网的供电比例逐步增加，清洁能源的强随机性使得受端电源可控性减弱，供电充裕度和可靠性问题有可能突显。最后，传统直流采用电网换相，需要受端交流电网提供换相电压支撑。多回相同类型直流的密集落点，使得受端电压支撑能力显得不足。电网运行实践表明，当同为传统类型的直流送入容量达到一定程度之后，交流电网将无法继续承载更多相同类型的直流电力送入，只能选择不同类型的输电手段以提高支撑能力或送入容量。以上不同问题的解决方案侧重点不同，解决原则各异。例如，多直流耦合过于紧密的问题宜通过适度解耦措施缓解，而经验表明，将不同品质特性的能源类型混合，并结合直流输电进行打捆，是平抑清洁能源的强随机性，解决供电电源可控性减弱问题的有效手段之一。综合分析以上因素，面临的挑战和不同的解决方案均与多条直流间的类型和特性差异有关，若在电网规划阶段，根据类型和特性，对多回直流实行分群，明晰不同直流群的特点，有利于降低后续计算分析复杂度，有针对性地制定不同策略和原则，以缓解交直流混联受端电网所面临的不同挑战。以此直流分群为规划管理的基础，可为逐渐发展更清晰、更完善的交直流混联电网网架结构奠定基础。据发明人了解，现有文献中多仅针对受端电网能源结构改善、交直流混联电网强度增强等某一领域开展研究，但仅限定在一个方面，具有比较大的局限性。技术实现要素：本公开为了解决上述问题，提出了一种交直流混联受端电网的直流分群规划方法，本公开综合考虑了受端电网能源结构优化和新能源消纳，受端电网支撑能力以及多直流强耦合风险，提出了直流分群的规划策略，为提高交直流混联受端电网的安全性，优化系统结构提供了技术支撑。根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：一种交直流混联受端电网的直流分群规划方法，考虑直流系统间的相互影响因素，设置与上述因素相应的、能够对每一项考虑因素进行定量评估的指标，并综合各项指标，构成各直流系统属性间的相关性矩阵，基于构建的相关性矩阵，利用聚类算法进行直流逻辑分群，得到趋向于群内能源结构尽量多样、电压支撑需求和能力尽量互补的直流分群方案。作为进一步的限定，所述直流系统间的相互影响因素具体包括直流间耦合程度、直流输送电力类型的多样性、柔直对传统直流的支撑以及直流受入多电压等级的多样性。作为一种可实施的方案，以电压相互影响关系为基础定义的多馈入直流相互作用因子作为反映各直流系统换流站间的相互影响关系的指标，该因子为另一回直流逆变站换流母线处的电压变化量响应值与施加电压阶跃变化的某一回直流、在换流母线处的电压变化量的比值。作为一种可实施的方案，考虑利用节点阻抗矩阵对多馈入直流相互作用因子进行解析，即多馈入直流相互作用因子为节点i、j之间的互阻抗与节点i自阻抗的比值的绝对值。作为进一步的限定，定义并构造相异度指标以表示不同直流系统间电力类型的多样性及对应的程度，从电力类型的角度以及各能源类型电力容量的差异性两方面描述两直流系统间的相异程度。作为进一步的限定，根据柔性直流系统与传统直流系统的换流母线在电压上的相互耦合关系和柔性直流系统的传输容量，得到柔直对传统直流的支撑相对应的因子。作为进一步的限定，考虑直流受端接入电压等级的衡量指标因子dij为：dij＝r·exp(-|pdi-pdj|)其中，r为指示第i直流与第j直流是否为接入同一电压等级的指示因子，当两直流接入同一电压等级时，r＝0，否则r＝1；exp为求指数函数的符号，pdi和pdj分别为第i直流与第j直流传输功率的容量。作为一种可实施的方案，将描述至直流间耦合程度、直流输送电力类型的多样性、柔直对传统直流的支撑以及直流受入多电压等级多样性的指标因子前均乘以相应的权重系数，多种指标因子的权重系数之和为1，构建描述直流系统间属性相关性的综合矩阵。作为一种可实施的方案，所述聚类算法为谱聚类算法。一种计算机可读存储介质，其中存储有多条指令，所述指令适于由终端设备的处理器加载并执行所述的交直流混联受端电网的直流分群规划方法。一种终端设备，包括处理器和计算机可读存储介质，处理器用于实现各指令；计算机可读存储介质用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行所述的交直流混联受端电网的直流分群规划方法。一种交直流混联受端电网的直流分群规划系统，所述系统被配置为考虑直流系统间的相互影响因素和特性，设置与上述因素相应的、能够对每一项考虑因素进行定量评估的指标，并综合各项指标，构成各直流系统属性间的相关性矩阵，基于构建的相关性矩阵，利用聚类算法进行直流逻辑分群，得到趋向于群内能源结构多样性高于预设值的、电压支撑能力总体互补的直流分群方案。与现有技术相比，本公开的有益效果为：直流分群的过程是将相互间联系关系较密切的直流进行聚类，所得到的逻辑群内直流相互之间的属性相关关系紧密程度高于不同逻辑群间的直流系统，不同直流逻辑群间的相关关系紧密程度较低。关联矩阵的构成综合了多直流间的电气距离、电力类型多样性、考虑柔直传统直流的支撑以及直流受入交流电网形式的因素。本公开还可针对某些特定要求，如人为规定需要归于相同分群的直流系统，基于关联矩阵，增加对应的修正矩阵灵活实现。本公开利用所设计的直流系统间的关联矩阵所得的分群结果中，同一群内直流更趋向于具有较紧密的电气关系、具有更加多样的直流电力类型、具有更高的受端电网支撑能力的综合效果。附图说明构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。图1是实施例中的直流系统分布示意图；图2是实施例中直流分群结果示意图；图3是实施例中miif矩阵示意图；图4是实施例中电力类型相异度指标矩阵示意图；图5是实施例中柔直支撑作用衡量指标矩阵示意图；图6是实施例中多电压等级接入的评估指标矩阵示意图；具体实施方式：下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属
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的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。为了进一步提升现有大型交直流混联电网规划策略的效果，本公开提供了一种优化受端电网能源结构、改善交流系统电压支撑能力、降低多直流密集落点于受端电网所带来风险的策略。本方法将直流系统间的相互影响关系、接入受端电网的直流系统传输电力类型与容量、受端交流电网的支撑能力等因素考虑在内，引用及设计相应指标对每一项考虑因素进行定量评估，并将各项指标综合起来构成各直流系统属性间的相关性矩阵，以此为基础，利用聚类算法进行直流逻辑分群，所得直流分群总体上趋向于群内能源结构多样性较高、受端交流电网电压支撑能力总体上互补增强，并指出了耦合关系较为紧密的直流系统，为后续有针对性的采取措施提供了指导，对交直流混联受端电网的结构优化具有一定的改善作用。实施过程包括：考虑受端电网多直流系统间的相互关系，引用或设计指标对每一项考虑因素进行量化，并将各项量化指标综合得到直流系统间属性相互关系矩阵，在此基础上，利用聚类算法形成直流逻辑分群方案，使直流分群更有利于解决直流系统强耦合关系问题、改善受端电网能源结构以及提高交流系统电压支撑能力。考虑的相互关系包括直流间耦合程度、直流输送电力类型的多样性、柔直对传统直流的支撑以及直流受入多电压等级的稳定性提高作用等。为实现均衡合理的直流逻辑分群，采取的分群算法为谱聚类算法，将直流系统间属性相互关系矩阵作为算法的数据，实现群内属性相关性强、群间属性相关性较弱的结果，以达到分群目的。方法所包含的具体内容为：用于直流分群策略的量化评估指标(1)直流系统间耦合程度量化指标直流密集落点于受端电网，导致直流系统间耦合关系十分紧密，由此将带来交直流混联受端电网运行的一系列风险，关注此问题是开展直流分群的重要目的之一。传统直流系统采用电网换相，且直流系统间通过交流电网相互联系，当一回直流近区交流系统受到扰动时，与该直流系统耦合关系较强的其他直流将会受到影响，引起该回直流安全稳定性降低，从而造成多直流的连锁运行风险。直流系统间相互影响的强弱与电压耦合关系正相关，本公开引用cigre组织以电压相互影响为基础定义的多馈入直流相互作用因子作为反映各直流系统换流站间相互影响关系的指标，并与本公开中其他定义的指标融合后，作为本公开中直流分群的综合指标。cigre中miif的定义如式(1)所示miifj,i＝δuj/δui(1)式中，δui是施加电压阶跃变化的某一回直流，在换流母线处的电压变化量(以百分数表示)，按要求约为1％；δuj是另一回直流逆变站换流母线处的电压变化量响应值(以百分数表示)。相互作用因子在定义上是由测量得到的，从形式上能够反映各直流逆变站间的相互耦合程度。miif越大，表示当节点i电压下降一定值时，节点j电压下降越多，节点j受节点i影响程度较大，即节点i与节点j之间电气耦合紧密，当节点i附近发生交流故障时，不仅以节点i为换流母线的直流系统会受到直接影响，以节点j为换流母线的直流系统也将受到故障的影响，严重时可能发生换相失败等问题，对受端电网具有较大的威胁。基于换流母线电压变化率的miif的定义，一般可通过仿真或实验进行计算得到，但是并未揭露多直流间相互作用的本质机理。因此，可根据定义考虑利用节点阻抗矩阵对miif进行解析计算，即利用基于节点阻抗矩阵的miif，如式(2)所示：其中，zii为节点i的自阻抗，zij为节点i与节点j的互阻抗。采用基于节点阻抗矩阵的多直流相互作用因子计算方法体现了电网系统本身所具有的特性，反映了直流间相互影响因子的客观影响因素，可用以评估直流间电气耦合程度。引入多直流系统间耦合程度作为分群指标的组成之一，为识别出具有较强耦合关系的直流系统提供了依据，对这类直流系统给予重点关注并设计采取相关的措施加以抑制，本方法通过聚类算法将这些具有较强耦合关系进行分群，指出了应采取后续措施的对象。(2)馈入电网的电力类型多样性利用直流输电将能源基地的电能送至负荷中心，在缓解受端电网能源压力的同时，需逐渐改变人类长期以来以化石能源为主的能源结构，以满足对环境的保护和可持续发展的要求。清洁能源如风能、太阳能等具有很强的随机性，其出力不确定性较高，需利用火电、水电等可控性较高的能源平抑其间歇性，以保证足够的供电可靠性。因此，送入受端电网的电能结构应具有多样性，使可控性较高的火电、水电能源与清洁能源相配合，既促进了清洁能源的消纳，也保证了一定的供电可靠性，同时，具有多种能源类型直流的馈入也丰富了电能峰谷的调节方式。考虑到这些因素，从直流电力类型的角度出发，本公开构造了描述电能类型多样性的相异性指标，其构造思路及表达式如下所示：构造相异度指标以表示不同直流系统间电力类型的多样性及对应的程度，本节所定义的指标从两个角度描述了直流系统间的相异程度：一是从电力类型的角度，这是电力类型多样性的前提，只有不同类型的电力能源种类才具有相异性；二是各能源类型电力容量的差异性，考虑电力多样性的分群目的是实现能源之间的互补互助，促进新能源的消纳，同时又应以一定的可控能源用来平抑新能源出力的强随机性，而过大的容量差距将弱化此期望效果，因此期望直流间不同类型电力能源容量差异较小。设计的用于直流输送电力类型评估的相异性指标如下所示：在实际运行中，直流系统所输送电力往往由多种成分构成，直流送端电网将多类型能源汇集打捆的形式向受端输送，这种情况下，两条直流i、j之间的相异度指标定义为cij＝exp(-σ*(|pdi1-pdj2|,…|pdim-pdjn|…))(3)式中，σ为求标准差的符号；pdim为第i直流系统中第m种电力类型的容量，同理，pdjn为第j直流系统中第n种电力类型的容量，主要考虑电力类型为火电、水电以及新能源，仅对不同直流不同成分进行比较，因此所求标准差为6项元素的标准差，对应着两条直流不同种类型能源差的绝对值，并定义σii＝0。在实际计算时，需要对所求标准差矩阵进行归一化处理，即(3)柔性直流输电的无功支撑作用利用柔性直流输电有功无功可独立控制的特点，可发挥柔直对电网和常规传统直流的电压支撑作用。柔性直流系统传输容量越大，所能发出无功功率越多，对受端电网的无功支撑能力也越强，进而提高对传统直流的支撑能力，考虑柔直因素的指标构造思路及表达式如下：柔性直流系统对传统直流系统的支撑作用，需考虑二者换流母线在电压上的相互耦合关系，并结合柔直的传输容量，设计对应的指标为：其中，δuj为当i节点产生δui变化时，j节点的电压变化量，si为柔直传输容量，与直流电力类型多样性类似，考虑柔直的情况下也需要对各项元素进行归一化处理，采取的方法为：(4)考虑直流受端接入电压等级的衡量指标当直流系统采用特高压分层接入模式接入受端电网时，相比接入单一电压等级的直流系统而言，具有更高的稳定性。因此，设计对应指标，使同一直流群内所含直流趋向于接入多电压等级，以使直流分群总体上具有更高的稳定性。dij＝r·exp(-|pdi-pdj|)(7)式中，r为指示第i直流与第j直流是否为接入同一电压等级的指示因子，当两直流接入同一电压等级时，r＝0，否则，r＝1；exp为求指数函数的符号，pdi和pdj分别为第i直流与第j直流传输功率的容量。与电源类型相异性指标类似，对|pdi-pdj|也应进行类似式(4)的归一化处理。在建立了上述描述直流系统间相互关系的指标体系后，本公开中描述直流系统间属性相关性的矩阵构建如下：wl＝α·wmiif+β·c+γ·h+θ·d(8)式中，wmiif、c、h、d分别对应着本公开所考虑的miif指标、直流输电电力类型相异度指标、柔直支撑能力补偿指标以及考虑直流受入系统电压等级多样性的描述指标。α、β、γ、θ对应着四种类型指标的系数，且有α+β+γ+θ＝1。接着，以相关性矩阵作为依据，利用聚类算法进行直流分群，得到直流逻辑分群结果。综上，本公开提出了一种考虑多种因素的直流分群方法，并设计了相应的指标进行量化评估，使直流分群具有合理性，在指出具有强耦合关系的直流群同时，使直流分群趋向于更有利于受端电网的规划和管理，从规划层面为优化交直流受端电网的能源结构、支撑强度与运行安全性提供了支撑建议。具体实施例：以某交直流混联受端电网为例，共包含14条直流系统(a1-a9、b1、c1-c4)，其中4条直流(a1、a2、a3、a6)采用特高压分层接入方式馈入受端电网。各回直流的分布如图1所示。(一)直流分群方案制定(1)基于节点阻抗矩阵计算得到的直流系统间多馈入相互作用因子如图3所示，计算过程中有两点应注意。①特高压直流分层接入时，高端换流器和低端换流器分别接入500千伏和1000千伏两不同电压等级交流换流母线，计算miif时，高端和低端换流母线应分别计算，因此最终所得多回直流系统的miif矩阵为18*18阶矩阵②由于多馈入相互作用因子矩阵一般为非对称矩阵，而谱聚类算法要求输入矩阵为对称矩阵，因此做以下处理使其满足要求：miifij＝miifji＝max(miif′ij,miif′ji)miif′为基于节点阻抗计算方法得到的实际矩阵，miif为最终采用的矩阵，计算结果如图3所示。考虑到指标体系中c、h、d均进行了归一化处理，虽然miif指标本身数值取值范围为0-1，但其一般较小，相比c、h、d矩阵将会被遮盖信息，因此计算中对miif矩阵也采取归一化处理，其方法如下所示：(2)直流系统传输电能多样性的相异度指标计算各回直流输送电力类型如表1所示：表1直流系统电力传输信息依据指标计算方法，所得电力类型相异度指标矩阵计算结果如图4所示(3)考虑柔直的支撑作用各回直流系统的类型如表2所示：表2直流系统类型直流系统直流系统类型直流系统直流系统类型a1(500)传统直流a5传统直流a1(1000)传统直流a6(500)传统直流a2(500)传统直流a6(1000)传统直流a2(1000)传统直流c2传统直流b1传统直流c3传统直流a3(500)传统直流a7传统直流a3(1000)传统直流c4传统直流a4柔性直流a8柔性直流c1传统直流a9传统直流依据指标计算方法，所得柔直支撑作用衡量指标矩阵如图5所示。(4)考虑直流受端接入电压等级的衡量指标各回直流系统受端换流母线电压等级如表3所示：表3各直流系统逆变侧接入电压等级依据指标计算方法，所得多电压等级接入的评估指标矩阵如图6所示。2.形成直流系统间属性相关性矩阵进行聚类分群本实施例中，将四项指标视作具有相同的重要程度，直流系统间属性相互关系矩阵如下所示：w＝0.25·miif+0.25·c+0.25·h+0.25·d式中，miif为多直流交互作用矩阵，c为考虑直流系统传输电能多样性的相异度指标，h为考虑柔直的支撑作用指标，d为考虑直流受入电压等级的差异性指标。利用谱聚类算法所得到的直流分群结果与示意图分别如表4和图2所示。表4直流分群结果直流分群1直流a1、直流a2、直流b1直流分群2直流a3、直流a4、直流a5、直流a6、直流c1直流分群3直流a7、直流a8、直流a9、直流c2、直流c3、直流c4从直流分群结果来看，各直流群相对较为均衡，每一直流群内含至少3条及以上直流系统，群内直流相互耦合关系总体上高于不同直流群间，且各直流群内含多种电力类型的特点，分群结果符合预期目标，可依据直流分群结果对不同直流群进行后续的分析，有重点、有针对性地开展各群直流的优化，为提高交直流混联受端电网的规划和管理水平提供了一定的建议和优化方向。本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。当前第1页12