一種基于加權電氣距離的無功控制分區(qū)方法

王曜飛 宋艷

摘 要：基于電力系統(tǒng)中無功源的補償能力，提出了一種基于加權電氣距離的無功源聚類分析分區(qū)方法。使用加權電氣距離的聚類分析方法保證了分區(qū)之間的弱耦合性，同時增強了分區(qū)內(nèi)部的耦合強度。先對無功源進行聚類分析，分區(qū)后再將受控點分配至分區(qū)的方法保證了分區(qū)內(nèi)的連通性。對IEEE39節(jié)點標準測試系統(tǒng)的仿真結果說明了方法的有效性。對實際電力系統(tǒng)的仿真說明了方法的實用性。

關鍵詞：無功電壓控制 無功分區(qū) 聚類分析 電氣距離 加權

中圖分類號：TM71 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）10（a）-0090-03

電網(wǎng)的安全經(jīng)濟運行一直是電力系統(tǒng)研究中的核心內(nèi)容。為了在保證穩(wěn)定和優(yōu)質的電力供應的前提下同時降低網(wǎng)損，電網(wǎng)自動電壓控制（AVC）在國內(nèi)外得到了廣泛應用。目前，自動電壓控制采用的控制模式主要有兩級電壓控制模式[1]、三級電壓控制模式[2-4]和“軟”三級電壓控制模式[5]。

無功分區(qū)目前的研究使用了根據(jù)PQ分解法矩陣（矩陣）或電壓/無功靈敏度矩陣（VQ矩陣）排序的分級歸類法[6]、模擬退火法[7]、Tabu搜索法[8]等算法。

該文提出了一種基于加權電氣距離的無功源聚類分析分區(qū)方法。第一階段先根據(jù)加權電氣距離將無源受控節(jié)點與最近的無功源節(jié)點劃分到一個初始分區(qū)；第二階段根據(jù)加權電氣距離對所有初始分區(qū)進行聚類分析。該文方法主要有以下三個特點：

（1）可保證分區(qū)結果中所有分區(qū)內(nèi)的連通性。

（2）在保證分區(qū)間弱耦合性的同時，增強分區(qū)內(nèi)的耦合強度。

（3）由于依據(jù)無功補償能力確定權重，分區(qū)方法與電網(wǎng)實時狀態(tài)無關，分區(qū)方案相對穩(wěn)定。

1 基于加權電氣距離的無功源聚類分區(qū)方法

1.1 加權電氣距離的計算

與大多數(shù)研究一樣，該文采用節(jié)點互阻抗的模表示節(jié)點間的電氣距離，用表示，有，其中，為節(jié)點編號；當時，有。為了區(qū)別不同無功源電壓控制能力的高低，引入吸引因子和排斥因子如下

（1）

其中為無功源節(jié)點的節(jié)點編號，表示功率基準值并可根據(jù)數(shù)值數(shù)量級進行設定，表示無功源節(jié)點的最大無功出力。引入兩種因子后，令為節(jié)點，之間的加權電氣距離。當節(jié)點，都為受控節(jié)點時，有；當節(jié)點為無功源節(jié)點、節(jié)點為受控節(jié)點時，無功補償能力較大的無功源節(jié)點對受控節(jié)點有“吸引”作用，因此有，即無功補償能力越大，則加權電氣距離越??；當節(jié)點，都為無功源時，有，即無功補償能力較大的無功源節(jié)點對能力較小的節(jié)點有“排斥”作用。

1.2 初始分區(qū)建立

為了保證分區(qū)結果中分區(qū)內(nèi)部的連通性，同時減少聚類分析時的計算量，首先將電網(wǎng)中的受控節(jié)點歸并到與其加權電氣距離最近的無功源所在初始分區(qū)中。對于任一受控點，計算其與各無功源之間的加權電氣距離，并將其并入最近無功源所在的初始分區(qū)。該階段每個受控節(jié)點分配了所屬的初始分區(qū)，每個初始分區(qū)都有一個無功源，且保證了初始分區(qū)的內(nèi)部連通性。

1.3 聚類分析

由于建立初始分區(qū)時保證了每個分區(qū)中都含有一個無功源，所以可直接對于初始分區(qū)進行凝聚。

令分區(qū)的內(nèi)WARD距離為，有：

（2）

其中，為無功源節(jié)點r與無功源節(jié)點s之間的加權電氣距離。類似的，記分區(qū)與間的WARD距離為，有：

（3）

下面討論聚類過程中WARD距離的換算?，F(xiàn)對分區(qū)和分區(qū)進行聚類，合并后成為新分區(qū)，則的內(nèi)部WARD距離可更新為：

（4）

其中，表示分區(qū)和分區(qū)合并后的WARD距離。

然后更新與其它分區(qū)之間的WARD距離，則與之間的距離可更新為：

（5）

最后定義系統(tǒng)最大內(nèi)部距離如下： （6）

假設初始分區(qū)數(shù)為N，則分區(qū)聚類的流程如下：

一、初始化：

設定各初始分區(qū)的內(nèi)部WARD距離為0，并根據(jù) （3）與（6）分寫計算各分區(qū)間的類間距離與系統(tǒng)最大內(nèi)部距離。

二、當時，執(zhí)行以下步驟：

（1）遍歷類間的所有支路，根據(jù)式（4）選擇相鄰分區(qū)與，使得；

（2）將分區(qū)與合并為子類，并根據(jù)式（4）計算的內(nèi)WARD距離；

（3）根據(jù)式（5）更新與其它子類之間的類間WARD距離；

（4）根據(jù)式（6）更新系統(tǒng)最大內(nèi)部距離；

（5），回到1）。

在步驟二中，隨著分區(qū)的逐漸合并，新合并分區(qū)的內(nèi)部距離及系統(tǒng)最大內(nèi)部距離也將逐漸增加?？梢詫⒕垲愡^程中與分區(qū)數(shù)之間的對應關系用曲線圖展示出來，曲線為離散階梯形狀，且有分段的平坦區(qū)與爬升區(qū)。直觀上，可選擇將曲線中較為合適的平坦區(qū)域所對應的最小分區(qū)數(shù)作為最優(yōu)分區(qū)數(shù)。

2 仿真結果

2.1 IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)仿真

使用該文分區(qū)方法對IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)進行無功電壓控制分區(qū)。首先按加權電氣距離確定建立初始分區(qū)，如表1所示。由表1可以看出，IEEE39節(jié)點系統(tǒng)的初始分區(qū)有10個，與無功源數(shù)量一致，且每個分區(qū)都含有一個無功源。此外，每個初始分區(qū)的內(nèi)部都是連通的。

由于先行創(chuàng)建了初始分區(qū)，所以僅需對10個初始分區(qū)進行聚類分析，而不用對所有39個節(jié)點進行計算。表2展示了在凝聚過程中，系統(tǒng)最大內(nèi)部距離的數(shù)值以及每一步被合并分區(qū)中的無功源節(jié)點編號。可以看到在凝聚過程中，系統(tǒng)最大內(nèi)部距離是單調非減的。同時，加權電氣距離較近的分區(qū)被優(yōu)先合并。圖1展示了系統(tǒng)最大內(nèi)部距離隨著分區(qū)數(shù)減少的變化曲線，其中橫坐標代表了凝聚過程中程中的分區(qū)數(shù)，縱坐標代表了系統(tǒng)最大內(nèi)部距離值，分區(qū)數(shù)量5到10之間的系統(tǒng)最大距離用細節(jié)折線圖進行了展示。圖1直觀地顯示了曲線的平坦區(qū)和爬升區(qū)，從中可以很容易地看出，當分區(qū)數(shù)從6個聚類到5個時，系統(tǒng)最大內(nèi)部距離急劇地增大，因此將最優(yōu)無功分區(qū)數(shù)定為6個是比較合適