基于数据驱动的交直流混联电网动态无功储备评估方法

1.本发明涉及电力系统运行控制技术领域，具体涉及基于数据驱动的交直流混联电网动态无功储备评估方法。


背景技术：

2.目前，以风能和光伏发电为代表性的新能源主要分布在中国的西部地区，而负载主要分布在中国的东南部地区。其中，以换流器为基础的高压直流输电系统作为一种重要的能源传输通道，它可以显著地提高新能源的利用效率和新能源的消纳水平。在中国的东部和东南部地区，多馈入高压直流输电系统的电网结构已经形成。但是，由于受端电网具有较高的负荷密度，直流落点之间的电气距离较近，因此电力系统的稳定性受到极大的挑战。
3.作为换流的关键设备，晶闸管没有自关断能力，当受端交流电网发生故障时，高压直流输电系统经常会发生换相失败。三次连续的换相失败发生后，就会触发直流闭锁，引起大规模的功率转移，导致更为严重的危害。因此，合理地评估动态无功设备应该预留多少动态无功储备，保证故障发生时的电压稳定性是极为重要的问题。例如，公开号为cn109038636a的中国专利就公开了《一种数据驱动的直流受端电网动态无功储备需求评估方法》，其利用一种指标来量化评估直流逆变换流站近区的暂态电压稳定性，基于数值仿真迭代计算出直流逆变换流站近区的动态无功储备需求，把计算结果和特征量存储到离线样本库。
4.上述现有方案中的动态无功储备(需求)评估方法从电网在线的读取运行方式数据，然后提取在线系统的特征量，进而利用数据挖掘模型在线快速的评估动态无功储备需求。申请人发现，现有的动态无功储备评估问题可以抽象为tscopf(transient stability constraints optimal power flow，电力系统暂态稳定约束最优潮流)问题。但是，现有技术对于tscopf问题的求解时间较长，而电力系统规划调度的时间仅为5-15分钟，即动态无功储备的评估效率很低，导致现有方案难以满足电力系统运行控制稳定性的需求。因此，如何设计一种能够兼顾提高动态无功储备评估的计算精度和求解效率的方法是亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种基于数据驱动的交直流混联电网动态无功储备评估方法，以能够兼顾提高动态无功储备评估的计算精度和求解效率，从而能够辅助提高电力系统运行控制的稳定性。
6.为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
7.基于数据驱动的交直流混联电网动态无功储备评估方法，包括以下步骤：
8.s1：基于同步调相机的原理和调节特性分析多馈入高压直流输电系统的电压稳定性，生成对应的暂态电压曲线；
9.s2：通过数据驱动的方式对暂态电压曲线进行平滑处理，生成对应的预处理电压
曲线；
10.s3：通过增加同步调相机的无功输出，计算对应的轨迹灵敏度系数；
11.s4：对多馈入高压直流输电系统故障的严重程度进行定量分析；然后将预处理电压曲线与对应的轨迹灵敏度系数相结合；最后通过步进搜索算法计算满足电压安全约束的动态无功储备容量。
12.优选的，步骤s1中，具体包括以下步骤：
13.s101：基于交直流混联电网的实际情况搭建对应的多馈入高压直流输电系统模型；
14.s102：设置多馈入高压直流输电系统模型的相关参数；
15.s103：对同步调相机的原理与调节特性进行研究，基于同步调相机能够连续调节无功的特性模拟多馈入高压直流输电系统模型的故障，以分析多馈入高压直流输电系统的电压稳定性，进而生成对应的暂态电压曲线。
16.优选的，步骤s102中，多馈入高压直流输电系统模型的整流侧采用定电流控制和最小触发角控制，逆变侧采用定电流控制和定熄弧角控制。
17.优选的，步骤s103中，通过电磁暂态仿真软件对多馈入高压直流输电系统模型故障后的电压波形进行仿真，生成对应的暂态电压曲线。
18.优选的，步骤s2中，基于改进powell算法的数据拟合法对暂态电压曲线进行平滑处理。
19.优选的，步骤s2中，在预处理电压曲线的基础上，将交直流混联电网中换流站的关断角与相关电气参数之间的关系近似为对应的高项多项式。
20.优选的，步骤s3中，通过如下公式计算轨迹灵敏度系数：
21.k＝δu/δq；
22.式中：k表示轨迹灵敏度系数；δu表示母线电压变化量；δq表示同步调相机无功出力变化量。
23.优选的，步骤s4中，基于预处理电压曲线设计一种基于电压跌落面积定义的故障严重程度计算指标，用以定量分析不同故障的严重程度。
24.优选的，综合故障发生时的电压跌落面积和故障后的电压恢复水平定义故障的严重程度，然后通过短路比和受端之间的电气距离与故障严重程度之间的具体关系实现故障严重程度进行定量分析。
25.优选的，步骤s4中，电压安全约束的公式如下：
26.u0 k*δq≥0.85p.u.；
27.式中：u0表示当前情况下的母线电压初值；δq表示同步调相机无功出力变化量；k表示同步调相机无功出力对母线电压影响的轨迹灵敏度；p.u表示标幺值。
28.本发明中的交直流混联电网动态无功储备评估方法，具有如下有益效果：
29.本发明通过同步调相机的原理和调节特性分析多馈入高压直流输电系统的电压稳定性并生成暂态电压曲线，然后通过增加同步调相机的无功输出计算对应的轨迹灵敏度系数，使得能够通过灵敏度分析(轨迹灵敏度系数)和步进搜索算法来准确的计算满足电压安全约束的动态无功储备容量，即实现tscopf问题的求解，灵敏度分析能够将无功和电压的关系近似线性化，步进搜索算法能够解决tscopf问题求解时非线性程度高、约束条件多、
求解难度大和求解时间长等问题，相比与现有tscopf问题求解方式，本发明能够极大的加快求解速度，能够兼顾提高动态无功储备评估的计算精度和求解效率，从而能够辅助提高电力系统运行控制的稳定性。
30.本发明通过数据驱动的方式对暂态电压曲线进行平滑处理生成预处理电压曲线，能够在误差允许的范围内对暂态电压曲线进行简化，使得能够基于更平滑的预处理电压曲线来计算动态无功储备容量，从而能够进一步提高动态无功储备评估时的精度和求解效率。
31.本发明通过对多馈入高压直流输电系统故障的严重程度进行定量分析，能够将故障的严重程度进行量化表达，从而能够辅助动态无功储备容量的计算，即更好的实现tscopf问题的求解。
附图说明
32.为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
33.图1为基于数据驱动的交直流混联电网动态无功储备评估方法的逻辑框图；
34.图2是为搭建的多馈入高压直流输电系统模型
35.图3为定义暂态电压稳定性指标的示意图；
36.图4为无功电压灵敏度的示意图；
37.图5为动态无功优化前后的熄弧角曲线对比；
38.图6为动态无功优化前后的电压曲线对比(单相接地故障)；
39.图7为动态无功优化前后的电压曲线对比(三相接地故障)。
具体实施方式
40.下面通过具体实施方式进一步详细的说明：
41.实施例：
42.现有技术对于tscopf(transient stability constraints optimal power flow)问题的求解，一般采用最小二乘法，并且需要考虑描述暂态过程的微分代数方程，但这些描述换流站动态特性的方程具有高阶，强刚性并且时变的特点，难以直接地对它们进行分析和处理。
43.最小二乘法的通用表达式如下：
[0044][0045][0046][0047]
y＝[y1,y2,y3……yn
]
t
[0048]
x＝[a1…am
,b1…bm
,
…
g1…gm
]
t
[0049][0050][0051]
现有的最小二乘法有其固有的局限：它对异常数据的样本点较为敏感，并且在其对多元未知参数进行拟合的过程中，需要寻找恰当的最速下降法以得到合理的迭代解决方案，在此过程中，可能会遇到求解的逆矩阵不存在或初始值距。
[0052]
为解决现有tscopf问题求解的问题，申请人进一步设计了本实施例的技术方案。
[0053]
本实施例中公开了一种基于数据驱动的交直流混联电网动态无功储备评估方法。
[0054]
如图1所示，基于数据驱动的交直流混联电网动态无功储备评估方法，包括以下步骤：
[0055]
s1：基于同步调相机的原理和调节特性分析多馈入高压直流输电系统的电压稳定性，生成对应的暂态电压曲线；
[0056]
s2：通过数据驱动的方式对暂态电压曲线进行平滑处理，生成对应的预处理电压曲线；
[0057]
s3：通过增加同步调相机的无功输出，计算对应的轨迹灵敏度系数；
[0058]
s4：对多馈入高压直流输电系统故障的严重程度进行定量分析；然后将预处理电压曲线与对应的轨迹灵敏度系数相结合；最后通过步进搜索算法计算满足电压安全约束的动态无功储备容量。本实施例中，计算动态无功储备容量可看做对tscopf(transient stability constraints optimal power flow)问题的求解。步进搜索算法是一种现有成熟算法，其按照固定增幅依次增加同步调相机的无功出力，直至母线电压恢复到系统稳定的临界值。
[0059]
需要说明的是，本发明通过同步调相机在故障时的无功电压支撑作用，能够减小电压下降的幅度，提高电压稳定性，进而能够极大的减少输电系统的有功损失，提高其经济性。
[0060]
本发明通过同步调相机的原理和调节特性分析多馈入高压直流输电系统的电压稳定性并生成暂态电压曲线，然后通过增加同步调相机的无功输出计算对应的轨迹灵敏度系数，使得能够通过灵敏度分析(轨迹灵敏度系数)和步进搜索算法来准确的计算满足电压安全约束的动态无功储备容量，即实现tscopf问题的求解，灵敏度分析能够将无功和电压的关系近似线性化，步进搜索算法能够解决tscopf问题求解时非线性程度高、约束条件多、求解难度大和求解时间长等问题，相比与现有tscopf问题求解方式，本发明能够极大的加快求解速度，能够兼顾提高动态无功储备评估的计算精度和求解效率，从而能够辅助提高电力系统运行控制的稳定性。其次，本发明通过数据驱动的方式对暂态电压曲线进行平滑处理生成预处理电压曲线，能够在误差允许的范围内对暂态电压曲线进行简化，使得能够基于更平滑的预处理电压曲线来计算动态无功储备容量，从而能够进一步提高动态无功储备评估时的精度和求解效率。最后，本发明通过对多馈入高压直流输电系统故障的严重程度进行定量分析，能够将故障的严重程度进行量化表达，从而能够辅助动态无功储备容量
的计算，即更好的实现tscopf问题的求解。
[0061]
步骤s1中，具体包括以下步骤：
[0062]
s101：如图2所示，基于交直流混联电网的实际情况搭建对应的多馈入高压直流输电系统模型；本实施例中，通过电磁暂态仿真软件(pscad/emtdc)搭建多馈入高压直流输电系统模型，pscad/emtdc是世界上广泛使用的电磁暂态仿真软件，emtdc是其仿真计算核心，pscad为emtdc(electromagnetic transients including dc)提供图形操作界面。
[0063]
s102：设置多馈入高压直流输电系统模型的相关参数；本实施例中，多馈入高压直流输电系统模型的整流侧采用定电流控制和最小触发角控制，逆变侧采用定电流控制和定熄弧角控制。
[0064]
s103：对同步调相机的原理与调节特性进行研究，基于同步调相机能够连续调节无功的特性模拟多馈入高压直流输电系统模型的故障，以分析多馈入高压直流输电系统的电压稳定性，进而生成对应的暂态电压曲线。本实施例中，通过电磁暂态仿真软件(pscad/emtdc)对多馈入高压直流输电系统模型故障后的电压波形进行仿真，生成对应的暂态电压曲线。
[0065]
本发明通过构建多馈入高压直流输电系统模型并设置相关参数，然后对同步调相机的原理与调节特性进行研究，并基于同步调相机能够连续调节无功的特性模拟多馈入高压直流输电系统模型的故障，使得能够有效的分析多馈入高压直流输电系统的电压稳定性，从而能够更好的生成暂态电压曲线来完成动态无功储备容量的评估，即能够更好的实现tscopf问题的求解。
[0066]
具体实施过程中，基于改进powell算法的数据拟合法对暂态电压曲线进行平滑处理。在预处理电压曲线的基础上，将交直流混联电网中换流站的关断角与相关电气参数之间的关系近似为对应的高项多项式。本实施例中，申请人发现暂态电压曲线具有强刚性并且有很多毛刺，直接分析不利于问题的求解。用数据拟合的方式将其近似转换成光滑曲线，即预处理电压曲线。
[0067]
本发明通过改进powell算法的数据拟合法对暂态电压曲线进行平滑处理，能够在误差允许的范围内对暂态电压曲线进行简化，从而能够更好的基于更平滑的预处理电压曲线来计算动态无功储备容量，即能够更好的实现tscopf问题的求解。
[0068]
具体实施过程中，通过如下公式计算轨迹灵敏度系数：
[0069]
k＝δu/δq；
[0070]
式中：k表示轨迹灵敏度系数；δu表示母线电压变化量；δq表示同步调相机无功出力变化量。
[0071]
具体实施过程中，电压安全约束的公式如下：
[0072]
u0 k*δq≥0.85p.u.；
[0073]
式中：u0表示当前情况下的母线电压初值；δq表示同步调相机无功出力变化量；k表示同步调相机无功出力对母线电压影响的轨迹灵敏度；p.u表示标幺值。
[0074]
本实施例中，轨迹灵敏度的定义方法如图3所示，它主要通过比较动态无功出力改变前后的母线电压曲线轨迹的变化来说明无功出力的改变与电压大小改变的量化关系。其中，无功电压的灵敏度如图4所示。
[0075]
具体实施过程中，基于预处理电压曲线设计一种基于电压跌落面积定义的故障严
重程度计算指标，用以定量分析不同故障的严重程度。其中，综合故障发生时的电压跌落面积和故障后的电压恢复水平定义故障的严重程度，然后通过短路比和受端之间的电气距离与故障严重程度之间的具体关系实现故障严重程度进行定量分析。本实施例中，在搭建的双馈入高压直流输电系统模型中设置三相短路故障，为比较不同因素对故障严重程度的影响，分别设置不同的短路比(对应输电系统的强弱)，不同的电气距离(对应系统之间的电气耦合关系的强弱)，分别计算他们对应的电压跌落面积的大小，以此来直观具体反映各种因素与故障严重程度的确切关系。
[0076]
本发明通过设计基于电压跌落面积定义的故障严重程度计算指标，能够有效的定量分析不同故障的严重程度，能够将故障的严重程度量化表达，并具体通过短路比及电气距离等指标进行验证和处理，分别对应高压直流输电系统的强弱以及不同系统之间的电气耦合关系强弱，从而能够辅助动态无功储备容量的计算，即更好的实现tscopf问题的求解。
[0077]
为了更好的说明本发明技术方案的优势，本实施公开了如下实例：
[0078]
实例一：
[0079]
计算不同短路比和不同电气距离下同一故障的电压跌落面积。
[0080]
首先基于故障仿真后的电压波形图，综合考虑故障时的电压跌落程度与故障后的电压恢复水平以及电压恢复时间等多方面因素建立适合于该直流输电系统的暂态电压评估指标(以电压跌落面积表示)。
[0081]
通过控制变量的方法，逐一研究高压直流输电系统的强弱与不同系统之间的电气耦合关系对故障严重程度的影响，具体的算例分析结果如表1所示。
[0082]
表1不同情况下的电压跌落面积计算结果
[0083][0084]
通过表1可以看出，短路比越大，电压跌落面积越小，这说明在n-1故障下，交流系统的暂态电压支撑能力越强；另一方面，受端电网之间的电气距离也会影响最终电压安全域的计算结果。从表1中可以直观看到，当不同子系统之间的电气距离越小，他们之间的电气耦合作用就越强，相应的故障影响范围就越广，所以在分析高压直流输电系统的操作特性时，对其不同子系统之间的耦合关系进行分析是非常有必要的。
[0085]
实例二：
[0086]
分别对不同故障及其参数进行设置，并分别针对同一条件下的同一故障，分别通过直接求解tscopf问题和运用本发明所提方法求解动态无功储备容量，对其最后所得结果作对比，最终结果表明本发明所提的基于数据驱动的动态无功储备评估方法能在保证一定精度的同时，极大的提高求解速度(不用求解复杂的tscopf问题)，并且通过检验无功优化前后的电压曲线，发现电压的稳定性得到了显著提高，均达到了0.85以上，如表2所示。
[0087]
表2算例动态无功储备评估的详细故障信息及其计算结果
[0088][0089][0090]
表3有无同步调相机的电网损失对照表
[0091][0092]
如表3所示，通过对单向接地故障和三相接地故障有无同步调相机时的有功损失可以看出，三相接地故障的有功损失远大于单相接地故障，并且安装同步调相机后，利用其故障时的无功电压支撑作用，不仅可以减小电压下降的幅度，提高电压稳定性，而且可以极大的减少输电系统的有功损失，提高其经济性。
[0093]
如图5所示，运用所给方法进行动态无功优化后，熄弧角振动幅度极大的减小并且更快趋于稳定。而在高压直流输电系统中，熄弧角是判断是否换相失败的标准，当熄弧角小于一定阈值时代表换相失败的发生。在动态无功优化前，熄弧角曲线震荡剧烈并且有多次接近于0度，这代表着多次换相失败的发生，并且很可能已经触发直流闭锁，引发大规模的功率转移；在动态无功优化后，熄弧角快速趋于稳定，并且一直在阈值之上，这有效地阻止了连续的换相失败，高压直流输电系统的稳定性和安全性得到了显著提高。
[0094]
如图6和图7所示，两幅图分别代表了单向接地故障和三相接地故障时动态无功优化前后的电压曲线变化图，从图中可以看出，采用本发明所提方法进行无功优化后，故障清除后的母线电压水平迅速恢复到了0.85以上，这有效避免了连续换相失败的发生，维护了系统的安全与稳定。
[0095]
从上述结果可知，使用本发明所提出方法可以有效地对同步调相机需预留多少动态无功储备做出定量地分析，提出的模型解决了传统求解tscopf问题所面临的非线性程度高、约束条件多、求解难度大和求解时间长等问题，基于改进powell算法的数据驱动算法建立了将电压仿真曲线理想化，而轨迹灵敏度分析法将无功和电压的关系近似线性化，进一步完善了动态无功储备模型的评估方法。
[0096]
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。