吉 楊,鄭 華
(華北電力大學(xué),北京 102206)
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日計劃交流潮流自動生成技術(shù)綜述
吉 楊,鄭 華
(華北電力大學(xué),北京 102206)
制定大規(guī)模電力系統(tǒng)的日前運行計劃需要進行包括靜態(tài)、動態(tài)和暫態(tài)穩(wěn)定的安全校核,如何生成滿足日前計劃要求的交流潮流是實現(xiàn)日前安全校核的基礎(chǔ)。文中概述了日計劃潮流自動生成技術(shù),對現(xiàn)有潮流自動生成技術(shù)的研究成果進行綜合比較分析,指出值得借鑒的地方和不足之處。最后提出潮流自動生成技術(shù)研究中待解決的問題,為其進一步研究提供一定參考。
電力系統(tǒng);日發(fā)電計劃;安全校核;交流潮流;自動生成
日發(fā)電計劃是電網(wǎng)調(diào)度運行的重要環(huán)節(jié),合理的日發(fā)電計劃安排是保證電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行的前提和基礎(chǔ)[1-4]。隨著特高壓電網(wǎng)建設(shè)和大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)的推進,交直流混聯(lián)電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大,電網(wǎng)運行方式越來越復(fù)雜,而風(fēng)電、光伏等新能源大規(guī)模接入進一步加劇了電網(wǎng)運行方式的不確定性[5-9],因此需要提高日發(fā)電計劃的精細度和準確度。通過對日發(fā)電計劃進行安全穩(wěn)定校核[10-11],可及時發(fā)現(xiàn)潛在的不安全運行狀況,提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平。但是,由于數(shù)據(jù)基礎(chǔ)、技術(shù)條件等原因,以往的日發(fā)電計劃多采用基于直流潮流的安全校核,即通過有功平衡進行有功計劃校核[12],此校核方式準確度較低。因此,為提高日發(fā)電計劃安全校核的有效性與可靠性,亟需開展基于交流潮流的日發(fā)電計劃安全校核工作[13]。
為提高日發(fā)電計劃安全校核的準確度和精細度,要求用交流潮流數(shù)據(jù)代替以往的直流潮流數(shù)據(jù),因此需要在負荷預(yù)測、檢修計劃以及發(fā)電計劃所確定的有功計劃數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上補充無功功率、節(jié)點電壓等數(shù)據(jù),形成完整的交流潮流計算所需的原始輸入數(shù)據(jù)。因此,日發(fā)電計劃安全校核潮流數(shù)據(jù)生成的研究重點是無功功率、節(jié)點電壓等數(shù)據(jù)的獲取方式及多數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)整合等方面。目前,日發(fā)電計劃交流潮流中無功電壓生成算法主要包括優(yōu)化規(guī)劃類和潮流調(diào)整類2類方法。在最初的人工經(jīng)驗法的基礎(chǔ)上,有文獻提出了基于相似日選擇、多數(shù)據(jù)源參數(shù)擬合以及最優(yōu)化模型等方法,使得日發(fā)電計劃可實現(xiàn)基于交流潮流的安全校核,在一定程度上提高了日發(fā)電計劃安全校核數(shù)據(jù)的合理性和準確性。
本文首先對日發(fā)電計劃交流潮流自動生成問題進行總體闡述,提出自動生成技術(shù)的概念、問題背景、研究目的以及重點難點。然后基于當(dāng)前自動生成技術(shù)的研究現(xiàn)狀,將已有的方法歸納為人工經(jīng)驗法、基于相似日方法和基于優(yōu)化模型法3類,從原理、步驟、模型、算法等方面進行對比分析,找出各自的優(yōu)勢和不足并對其適用范圍、計算速度等指標(biāo)進行評價。最后,針對目前研究中存在的不足之處,提出未來需要解決的問題及研究方向。
日發(fā)電計劃交流潮流數(shù)據(jù)生成問題是指根據(jù)次日的區(qū)域功率交易計劃、檢修計劃、母線負荷預(yù)測、有功發(fā)電計劃等數(shù)據(jù),估算補充出交流潮流計算所需的無功功率、節(jié)點電壓等數(shù)據(jù),以形成交流潮流計算的原始輸入數(shù)據(jù),從而可以進行交流潮流計算,為日發(fā)電計劃安全校核中的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)分析計算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如果所采用的方法能夠給出合理的無功和電壓數(shù)據(jù),則潮流計算的無功功率初值和功率因數(shù)更加接近潮流解,收斂性和計算速度將會大幅提高。
交流潮流數(shù)據(jù)生成采用的交流潮流計算在輸入數(shù)據(jù)上不同于以往采用的直流潮流計算,直流潮流計算由發(fā)電計劃、檢修計劃、負荷預(yù)測和區(qū)域功率交易計劃等數(shù)據(jù)提供輸入數(shù)據(jù),而交流潮流計算需要在直流潮流初值基礎(chǔ)上補充無功功率和節(jié)點電壓數(shù)據(jù),形成迭代計算求解非線性潮流方程的初值。2種潮流計算方法的輸入量及輸出量對比如表1和表2所示。
表1 2種潮流計算方法中輸入量的對比
表2 2種潮流計算方法中輸出量的對比
由直流、交流潮流計算二者的輸入及輸出量的差異可見,由直流潮流計算轉(zhuǎn)為交流潮流計算,重點在于PQ節(jié)點的無功功率、PV節(jié)點電壓數(shù)據(jù)的補充。傳統(tǒng)的解決方式是根據(jù)經(jīng)驗,在歷史運行數(shù)據(jù)中選出與計劃運行方式相近的“相似日”,從中選取無功、電壓數(shù)據(jù)進行補充。但在當(dāng)前系統(tǒng)規(guī)模增大和新能源引入的背景下,憑借人工經(jīng)驗補充無功、電壓數(shù)據(jù)效率低下,且難以給出合理的交流潮流數(shù)據(jù)。因此目前的研究主要基于算法,以程序代替人工方法進行運行方式匹配,確定無功、電壓數(shù)據(jù)選取標(biāo)準,并解決多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)擬合等問題。
國外對日前調(diào)度計劃的研究主要側(cè)重于有功計劃[14-15],研究電力市場條件下的有功發(fā)電計劃及機組組合。而在國內(nèi),國家電網(wǎng)公司要求對日前計劃進行包括靜態(tài)安全、動態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定等方面的安全校核,基于直流潮流的日前計劃安全校核已不能滿足要求。因此我國的研究側(cè)重于將直流潮流數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為交流潮流數(shù)據(jù)的方法。目前提出的交流潮流數(shù)據(jù)生成技術(shù)主要分為優(yōu)化規(guī)劃類方法和潮流調(diào)整類方法。優(yōu)化規(guī)劃類方法通過求解包含優(yōu)化目標(biāo)和約束條件的優(yōu)化模型獲得合理的有功和無功數(shù)據(jù);潮流調(diào)整類方法通過從歷史數(shù)據(jù)提取調(diào)度計劃未提供的無功、電壓數(shù)據(jù),并根據(jù)無功就地平衡思想進行潮流調(diào)整確定合理的無功功率分布。以下從原理、步驟、算法等方面分別介紹傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗法以及優(yōu)化規(guī)劃類和潮流調(diào)整類方法,并進行對比分析。
2.1 人工經(jīng)驗法
這種方法為傳統(tǒng)的做法,屬于人工的潮流調(diào)整類方法。在直流潮流的基礎(chǔ)上憑借經(jīng)驗給出次日96個潮流斷面中每個斷面方式下的PQ節(jié)點的無功功率和PV節(jié)點的電壓數(shù)據(jù)[16],然后進行交流潮流計算,由此獲得日計劃交流潮流解[17-18],具體步驟如圖1所示。
圖1 人工經(jīng)驗法交流潮流數(shù)據(jù)生成流程
在該流程中,次日的電網(wǎng)拓撲參數(shù)和各節(jié)點注入的有功功率初值都為已知量,關(guān)鍵部分在于針對PQ節(jié)點的無功功率和PV節(jié)點電壓的提取,提取的具體信息包括作為PV節(jié)點的發(fā)電機機端電壓、作為PQ節(jié)點的發(fā)電機功率因數(shù)、變壓器分接頭、無功補償位置和補償量、負荷功率因數(shù)等。而人工經(jīng)驗體現(xiàn)在運行方式的選擇上,即通過經(jīng)驗來衡量運行方式的相似程度。一般認為,針對同一網(wǎng)絡(luò),若兩天的日期相近、日類型相同或季節(jié)及天氣條件相似,則運行人員認為這兩天可能具有相似的運行方式。運行人員基于這些指標(biāo)人工從歷史數(shù)據(jù)中篩選相似的運行方式,提取需要的運行方式數(shù)據(jù)。
顯然在歷史數(shù)據(jù)龐大且指標(biāo)較多的情況下,這種方法效率低下,考慮的指標(biāo)數(shù)量受到很大的限制。而且對運行方式相似性的比較停留在定性分析,對于大規(guī)模的電網(wǎng),很難準確比較出與次日運行方式最相近的歷史運行方式。因此容易導(dǎo)致提取的無功和電壓數(shù)據(jù)不準確,從而導(dǎo)致交流潮流計算時迭代次數(shù)多、不易收斂的問題,為潮流調(diào)整帶來了很大的難度[19]。從算法和模型角度來看,人工經(jīng)驗法無需建模,無需編寫算法和程序,容易實現(xiàn)。由于該方法基于從實際運行中總結(jié)出的經(jīng)驗,因此在系統(tǒng)規(guī)模不發(fā)生變化的情況下具有一定的實用性和傳承性,是長久以來一直沿用的方法。
2.2 基于相似日選擇的日計劃潮流自動生成
在相似的日類型(如工作日、休息日和特殊日),相似的溫度、降水量等氣象條件以及日期較為接近等情況下,電網(wǎng)日運行方式具有很高的相似性,具有相似運行方式的兩天即為相似日?;谙嗨迫者x擇的方法通過建模,量化待選方式與計劃方式的綜合相似度,利用算法進行計算比較,選擇次日相似日的運行方式作為基準方式,從中獲得無功電壓數(shù)據(jù)。從原理上來說,基于相似日選擇的方法屬于潮流調(diào)整類方法,實現(xiàn)流程如圖2所示。
圖2 基于相似日選擇的交流潮流數(shù)據(jù)生成流程
從該流程可見,與傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗法相比,該方法通過構(gòu)建相似度模型,基于各項指標(biāo),以算法程序進行運行方式的綜合比較,替代人工的相似度對比和相似日確定。
目前提出的典型的計算相似度模型的方法為灰色關(guān)聯(lián)法[20]。該方法首先以日類型相似的歷史數(shù)據(jù)作為樣本,并將近期的周末樣本補充到節(jié)假日樣本中以彌補節(jié)假日數(shù)據(jù)不足的問題;確定對比的指標(biāo)如氣溫、降水量、負荷變化曲線等,針對各指標(biāo)計算樣本和次日的匹配系數(shù),相乘得到綜合相似度,即綜合匹配系數(shù);依據(jù)綜合匹配系數(shù)排序并取前n組相似日數(shù)據(jù);考慮到相似節(jié)假日與計劃日時間跨度較長,甚至幾年,通過負荷年增長率進行修正,并最終依據(jù)修正后的綜合相似度選擇相似日基準方式。其中,該方法的綜合相似度模型為2部分,即時間匹配度和數(shù)據(jù)特征量匹配度。時間匹配度計算的輸入量為候選基準方式和次日的天數(shù)之差,輸出量為候選方式與計劃方式之間的時間匹配系數(shù);數(shù)據(jù)特征量匹配度計算的輸入量為其他特征量指標(biāo)數(shù)據(jù)之差,輸出量為候選基準方式與計劃方式之間的特征量的關(guān)聯(lián)系數(shù)的乘積。時間匹配度中認為時間差越小以及屬于同類特殊日時,匹配系數(shù)升高,反之降低。同理,特征量匹配系數(shù)中特征量數(shù)據(jù)越相似,匹配系數(shù)越高。
綜上所述,基于相似日選擇的交流潮流生成方法關(guān)鍵在于基準方式的選擇,而指標(biāo)的選擇對結(jié)果會有顯著的影響,因此需要對影響運行方式的各種因素進行分析和提取,最后基于灰色關(guān)聯(lián)法進行相似度計算。該方法相對于人工經(jīng)驗法,構(gòu)建了相似度模型,考慮因素更加全面。將相似度量化進行對比,使結(jié)果更清晰,準確度提高,能得到收斂性更好的交流潮流初值。而且模型復(fù)雜程度不高,顯著減少了人工選擇的工作量,是實用性較強的方法。但該方法對歷史運行方式數(shù)據(jù)量要求較高,需要有充足的歷史數(shù)據(jù)作為候選基準方式,在歷史數(shù)據(jù)不足的情況下該方法不適用。
2.3 基于優(yōu)化模型的日計劃潮流自動生成
基于優(yōu)化模型的交流潮流生成方法,從原理上看屬于優(yōu)化規(guī)劃類方法。該方法在建模之前,已知的數(shù)據(jù)為發(fā)電計劃、負荷預(yù)測以及區(qū)域功率交易計劃,在無功功率、節(jié)點電壓數(shù)據(jù)補充以及多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)擬合上,通過建立優(yōu)化模型并利用優(yōu)化算法求解來生成完整的交流潮流初值。建立優(yōu)化模型是該方法的關(guān)鍵,鑒于潮流計算中有功和無功存在弱耦合關(guān)系,一般可將優(yōu)化問題分解為有功子問題和無功子問題,建立各自的優(yōu)化模型[21],實現(xiàn)流程如圖3所示。
圖3 基于優(yōu)化模型的交流潮流數(shù)據(jù)生成流程
建立和求解有功優(yōu)化模型的目的是調(diào)整發(fā)電機有功出力,在滿足系統(tǒng)母線負荷預(yù)測的前提下,使之與計劃發(fā)電出力之間的偏差最小,并匹配聯(lián)絡(luò)斷面功率計劃值。有功模型為基于直流潮流的優(yōu)化模型,目標(biāo)函數(shù)為機組的實際有功出力及聯(lián)絡(luò)線有功功率各自與其計劃值的偏差加權(quán)后的和,權(quán)重可根據(jù)實際情況賦值,如一般聯(lián)絡(luò)線功率是首要關(guān)注的值,因此聯(lián)絡(luò)線功率偏差的權(quán)重最大。控制變量為所有可調(diào)機組有功出力,狀態(tài)變量為各節(jié)點電壓的相角。等式約束考慮直流潮流節(jié)點功率平衡,不等式約束包括用直流潮流模型描述的發(fā)電機組、輸電線路、區(qū)域聯(lián)絡(luò)線的有功約束。發(fā)電計劃、負荷預(yù)測和聯(lián)絡(luò)線功率的數(shù)據(jù)來源不同可能導(dǎo)致有功不平衡,通過求解有功優(yōu)化模型,最小化目標(biāo)函數(shù)值,可以協(xié)調(diào)這種不一致。
無功模型以有功模型的求解結(jié)果為基礎(chǔ),此時機組的有功出力將不再調(diào)整,無功模型求解的目的是給出全網(wǎng)的合理無功分布。目標(biāo)函數(shù)為系統(tǒng)內(nèi)所選平衡機組的有功出力,即全網(wǎng)網(wǎng)損。控制變量為可調(diào)機組的無功出力及補償節(jié)點的無功補償量,狀態(tài)變量為全網(wǎng)節(jié)點電壓幅值。等式約束為節(jié)點的交流潮流方程;不等式約束包括母線電壓約束、發(fā)電機組有功及無功出力約束、節(jié)點補償量約束、輸電線路有功約束等。通過求解此優(yōu)化模型,改變發(fā)電機組無功出力及節(jié)點補償量,減小全網(wǎng)網(wǎng)損,其結(jié)果能夠給出合理的發(fā)電機組機端電壓值及無功分布。模型中只由1臺機組承擔(dān)電網(wǎng)網(wǎng)損變化,可能會使得該機組有功出力不合理,為此在實際應(yīng)用時,優(yōu)化計算結(jié)束后將電網(wǎng)網(wǎng)損變化量分攤到所有的非計劃機組中,每臺機組僅需進行較小調(diào)整,不影響潮流收斂性。
綜上所述,基于優(yōu)化模型方法是交流潮流計算與優(yōu)化模型求解相結(jié)合的方法,其模型和算法復(fù)雜程度高于相似日選擇法,受限于優(yōu)化模型和約束的求解能力,計算時間較長,對于大規(guī)模電網(wǎng)的適用性不理想。基于相似日法所選取的數(shù)據(jù)取自歷史運行數(shù)據(jù),而優(yōu)化計算得到的數(shù)據(jù)未投入過實際運行,有待于實際檢驗。但優(yōu)化方法不依賴于歷史數(shù)據(jù),故適用于無歷史數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)不足的情況。
3.1 基于相似日方法的相似度衡量指標(biāo)
基于相似日的方法相對于傳統(tǒng)的人工經(jīng)驗法,具有衡量相似度時考慮因素更加全面,處理數(shù)據(jù)能力更強大,自動化水平更高的優(yōu)點。但是如果所有節(jié)點的一天96個斷面的大量歷史日數(shù)據(jù)參與計算,對當(dāng)前的計算工具提出了很高的要求,很可能無法實現(xiàn)如此大規(guī)模數(shù)據(jù)的計算。因此,如何設(shè)計和制定合理的衡量相似度的指標(biāo),實現(xiàn)相似數(shù)據(jù)的逐級篩選,避免大規(guī)模數(shù)據(jù)的計算,提高算法的運行效率,是目前基于相似日方法在實際應(yīng)用中需要思考和解決的問題。
3.2 局部相似度與整體相似度
基于相似日方法的輸出為候選方式數(shù)據(jù)與基準方式數(shù)據(jù)的整體相似度,反映包括所有節(jié)點數(shù)據(jù)在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)的相似度,但不能反映單個節(jié)點數(shù)據(jù)或局部區(qū)域數(shù)據(jù)的相似度。由此可能出現(xiàn)應(yīng)用相似日法得到的最優(yōu)候選方式在某些局部節(jié)點,其數(shù)據(jù)存在嚴重的偏差,則從最優(yōu)候選方式中提取的運行方式數(shù)據(jù)中,出現(xiàn)偏差位置的無功功率和電壓數(shù)據(jù)的合理性將會嚴重降低,導(dǎo)致潮流不收斂。因此,在衡量整體數(shù)據(jù)相似度的基礎(chǔ)上,需要進一步考察局部節(jié)點數(shù)據(jù)的相似度,能夠找出數(shù)據(jù)偏差較大的節(jié)點并及時調(diào)整,避免整體相似度高而掩蓋局部相似度低的問題。
3.3 無功計劃的典型參數(shù)研究
根據(jù)已知的有功功率數(shù)據(jù),如果能夠生成合理的無功功率數(shù)據(jù),即生成的潮流數(shù)據(jù)與潮流計算結(jié)果相近,則會大大提高潮流計算的收斂速度。因此,基于歷史的潮流數(shù)據(jù),可針對發(fā)電機與負荷、變壓器分接頭、無功補償量分析其典型參數(shù),研究不同區(qū)域、不同類型、不同運行方式下的作為PQ節(jié)點的機組與負荷節(jié)點的功率因數(shù)影響因素及變化規(guī)律,變壓器分接頭選取及補償位置和容量,從而為無功功率數(shù)據(jù)的生成提供依據(jù),這種無功計劃估算的方法將成為未來的研究方向。
本文對日計劃潮流自動生成技術(shù)進行了概述,對現(xiàn)有的潮流自動生成技術(shù)歸納為人工經(jīng)驗法、基于相似日的方法和基于優(yōu)化模型的方法,并對其進行詳細的分析和比較,最后提出了目前研究中需要思考和解決的問題。傳統(tǒng)的方法逐漸被相似日選擇和最優(yōu)化模型等優(yōu)化方法取代,根據(jù)各自的適用范圍而應(yīng)用于不同的領(lǐng)域。目前提出的許多方法在一定程度上可以改善潮流數(shù)據(jù)生成精細度、準確度的問題,但隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大及新能源的引入,針對大電網(wǎng)的實用性等問題需要深入思考和研究,對收斂速度等方面也提出了更高的要求,潮流自動生成技術(shù)的研究將隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而不斷深化。
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Summary of Day-ahead AC Power Flow Autogeneration Technology
JI Yang ,ZHENG Hua
(North China Electric Power University,Beijing 102206,China)
Making day-ahead operation schedule for the large-scale power system needs security checking,which includes static stability, dynamic stability and transient stability. The way to generate AC power flow which meets the day-ahead schedule is the basement of security checking. This article summarizes the day-ahead AC power flow autogeneration technology. Then it compares and analyses the achievements of the AC power flow autogeneration technology nowadays and point out the advantages and disadvantages of them. Finally,it puts forward the difficulties in the research which needs to be solved and provides us with some references and suggestions to proceed.
power system; day-ahead generation schedule; security checking; AC power flow; autogeneration
TM73
A
1004-7913(2017)04-0006-05
吉 楊(1992),男,碩士,從事電力系統(tǒng)及其自動化研究。
2017-02-16)