基于蒙特卡洛模擬的源網(wǎng)非同調(diào)的電網(wǎng)簡化方法

張雙梅,王國城,劉瑞超(.國網(wǎng)天津市電力公司 寶坻供電分公司，天津 30800；.光大生物能源(天津薊縣)有限公司，天津 30907)

0 引 言

電力系統(tǒng)源網(wǎng)間的協(xié)同調(diào)控問題是電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟、可靠運行的核心問題。然而，由于系統(tǒng)運行的不均勻性[1-2]，導(dǎo)致了源網(wǎng)非同調(diào)現(xiàn)象的產(chǎn)生，該現(xiàn)象是指網(wǎng)的安全制約了最經(jīng)濟源的運行，使部分網(wǎng)不隨源而變化或變化趨勢相反的現(xiàn)象。隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，風(fēng)、光、儲等可再生能源以分散或集中的方式大規(guī)模的并入電網(wǎng)，源的類型、網(wǎng)的規(guī)模空前龐大和復(fù)雜，導(dǎo)致該現(xiàn)象將進一步加劇。

與此同時，等值簡化對異常復(fù)雜的電力系統(tǒng)顯得尤為必要[3-4]，簡單且精確的模型可以極大地提高系統(tǒng)的計算效率。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對此展開了大量的研究[5-6]，在動態(tài)等值中，同調(diào)機群識別、電動機、發(fā)電機、原動機等參數(shù)簡化一直是研究的熱點。靜態(tài)等值中的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分區(qū)、網(wǎng)絡(luò)等值簡化等方面也出現(xiàn)了大量的研究成果[7-8]。但這些方法或僅對某一特定元件參數(shù)或僅對系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)展開研究，沒有考慮源網(wǎng)間的非同調(diào)關(guān)系，且簡化后的等效模型存在依賴于運行點、網(wǎng)絡(luò)潮流模式變化較大等問題[9-10]。

針對上述情況，本研究提出源網(wǎng)同調(diào)和非同調(diào)的指標(biāo)、判別源網(wǎng)同調(diào)的方式，以及利用源網(wǎng)同調(diào)特點實現(xiàn)電網(wǎng)分類簡化的方法。

1 源網(wǎng)非同調(diào)現(xiàn)象

根據(jù)功率分布理論，電網(wǎng)中任意支路中的潮流為具有不同系數(shù)的電源提供的功率分量的代數(shù)和，功率分量的歸屬電源明確，體現(xiàn)了源網(wǎng)之間的耦合關(guān)系。然而，對應(yīng)負(fù)荷曲線中某點，電源最經(jīng)濟運行方式受網(wǎng)的制約而出現(xiàn)非同調(diào)的現(xiàn)象。本研究采用三節(jié)點系統(tǒng)對此情況進行說明，如圖1所示。

圖1 三節(jié)點系統(tǒng)

系統(tǒng)負(fù)荷運行模式如表1所示。

表1 負(fù)荷運行模式(單位：MW)

1.1 源網(wǎng)同調(diào)

在負(fù)荷模式一情況下，對其進行連續(xù)潮流計算，得到系統(tǒng)各電源及網(wǎng)絡(luò)潮流變化情況如表2所示。負(fù)荷最大時系統(tǒng)運行如圖2所示。此時恰好滿足網(wǎng)的制約(支路1-2達輸電限值)。

結(jié)果顯示，在該負(fù)荷模式下，隨著負(fù)荷的增加，源網(wǎng)保持同步增加，源的最經(jīng)濟運行方式不受網(wǎng)的制約，源網(wǎng)同調(diào)。

表2 負(fù)荷模式一下系統(tǒng)有功變化情況(單位：MW)

1.2 源網(wǎng)非同調(diào)

在負(fù)荷模式二下，節(jié)點1、節(jié)點3處的負(fù)荷保持不變，節(jié)點2處的負(fù)荷由60 MW增長至116 MW，對其進行連續(xù)潮流計算，可得系統(tǒng)各電源及網(wǎng)絡(luò)潮流變化情況如表3所示。

負(fù)荷最大時系統(tǒng)運行如圖3所示。

圖2 負(fù)荷模式一最值時系統(tǒng)運行

負(fù)荷1負(fù)荷2負(fù)荷3電源A電源B電源C電源D支路1-2潮流支路1-3潮流支路2-3潮流初值5060225502850012615966終值501162252228508412613110

圖3 負(fù)荷模式二最值時系統(tǒng)運行

此時，隨著節(jié)點2負(fù)荷增大，受網(wǎng)的制約，電源A、支路1-3、支路2-3有功減小，電源D有功增大，支路1-2有功保持不變，網(wǎng)不隨電源D同調(diào)變化。

2 源網(wǎng)非同調(diào)識別指標(biāo)

與源網(wǎng)非同調(diào)相反，同調(diào)的源和網(wǎng)指的是源網(wǎng)有功變化同步增大或減小，表現(xiàn)了源網(wǎng)內(nèi)部無制約和擠兌，可分為一類，顯示源的屬性；而部分網(wǎng)在源的變化過程中保持不變，相對獨立，也可分為一類，顯示網(wǎng)的特性；若同調(diào)源與其互聯(lián)的網(wǎng)非同調(diào)，則網(wǎng)將其分為獨立的類。經(jīng)過此劃分，原電力系統(tǒng)可簡化為由同類的源與網(wǎng)組成的簡化系統(tǒng)。

同調(diào)屬性是一個動態(tài)變化識別的過程，設(shè)當(dāng)前時刻為t0，定義超前時刻t1時，源網(wǎng)非同調(diào)的識別指標(biāo)為：

(1)

3 蒙特卡洛模擬及源網(wǎng)分類識別

3.1 蒙特卡洛模擬系統(tǒng)運行

在不同時刻電力系統(tǒng)的負(fù)荷可能不同，服從隨機變化規(guī)律，而蒙特卡羅模擬預(yù)測法[11]是一種利用隨機數(shù)來解決具有動態(tài)隨機性質(zhì)問題的方法，在電力系統(tǒng)分析中已得到廣泛應(yīng)用[12]。

假設(shè)系統(tǒng)的發(fā)電、負(fù)荷服從區(qū)間內(nèi)的均勻分布，即：

(2)

(3)

(4)

(5)

3.2 源網(wǎng)同調(diào)狀態(tài)識別

根據(jù)潮流計算結(jié)果，設(shè)t1時刻得到的系統(tǒng)源網(wǎng)功率分別為：

(6)

式中：n—系統(tǒng)節(jié)點數(shù)；b—支路數(shù)。

設(shè)t0時刻系統(tǒng)潮流分布已知，表示為：

(7)

則t1時刻相對于t0時刻源和支路的有功變化量分別為：

(8)

其中:

(9)

(10)

根據(jù)式(8)的數(shù)據(jù)，使用(1)的識別指標(biāo)可識別出系統(tǒng)的同調(diào)源和同調(diào)網(wǎng)，進一步對式(8)進行計算，可得到識別源網(wǎng)同調(diào)的矩陣：

C=(ΔP)T?(ΔPl)′

(11)

在上述計算過程中，存在部分源節(jié)點保持不變的情況，這部分節(jié)點為聯(lián)絡(luò)性節(jié)點，可根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將其分類。

4 實驗及結(jié)果分析

筆者采用IEEE118進行仿真，以驗證本研究的算法，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)參考文獻[13]。

經(jīng)過本研究第1及第2部分分類算法，將系統(tǒng)分為3類的距離比分為兩類的小，所以將系統(tǒng)分為3類為最優(yōu)的分類，分為3類的結(jié)果如表4、圖4所示。

表4 IEEE118母線系統(tǒng)分為3類結(jié)果

圖4 IEEE118母線系統(tǒng)分為三類示意圖

按圖4所示的分類結(jié)果將系統(tǒng)簡化為如圖5所示的三母線系統(tǒng)。

圖5 IEEE118母線系統(tǒng)簡化為三母線系統(tǒng)示意圖

其中，母線Ⅰ與Ⅱ之間有83-84、83-85、94-93、94-92、100-92、100-101、100-103、100-104、100-106共9條并行支路，母線Ⅱ與Ⅲ之間有21-20、23-32、26-30、27-32、28-29、49-42、45-44、65-38、114-31共9條并行支路。

根據(jù)文獻[14]算法計算圖8所示簡化電網(wǎng)PTDF矩陣Hr及節(jié)點有功注入Pr分別為：

筆者使用本文所提方法對圖5所示簡化系統(tǒng)進行潮流計算，與文獻[14]的比較結(jié)果如表5所示。

表5 簡化IEEE118母線系統(tǒng)潮流結(jié)果比較/MW

5 結(jié)束語

本研究根據(jù)電網(wǎng)各個電源具有同調(diào)的特點提出了一種新的電網(wǎng)簡化方法。通過使用本研究所提方法，在算例部分可以看出，可以極大簡化電網(wǎng)的分析和調(diào)度，有助于提高電網(wǎng)監(jiān)視的效率，且可以達到與原始電網(wǎng)相同的調(diào)度結(jié)果。

[1] AAR K B, ALLXLLED S S, MUSTAFA M W, et al. A novel method for ATC computations in a large scale power system[J].IEEETrans.OnPowerSystems,2004,19(2):1150-1158.

[2] OU Y, SINGH C. Assessment of available transfer capability and margins[J].IEEETrans.Onpowersystems,2002,17(2):463-468.

[3] ANNAKKAGE U D, NAIR N K C, LIANG Y, et al. Dynamic system equivalents: a survey of available techniques[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2012，27(1)：411-420.

[4] GHASSEMI F, KOO K L. Equivalent network for wind farm harmonic assessments[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2010，25(3)：1808-1815.

[5] 劉寶英，楊仁剛.采用輔助問題原理的多分區(qū)并行無功優(yōu)化算法[J].中國電機工程學(xué)報，2009，29(7)：47-51.

[6] 顏 偉,何 寧.基于Ward等值的分布式潮流計算[J].重慶大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2006,29(11):36-40.

[7] LIANG Min. Total transfer capability computation for multi-area power systems[J].IEEETransactionsonPowerSystems,2006,21(3):1141-1147.

[8] 劉志文，劉明波.基于Ward等值的多區(qū)域無功優(yōu)化分解協(xié)調(diào)算法[J].電力系統(tǒng)自動化，2010，34(14)：63-69.

[9] 蘇勛文，米增強，王 毅.風(fēng)電場常用等值方法的適用性及其改進研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34(6)：175-180.

[10] XV Jian-zhong, GOLE A M, ZHAO Cheng-yong. The use of averaged-value model of modular multilevel converter in DC grid[J].IEEETransactionsonPowerDelivery，2015，30(2)：519-528.

[11] JI Y H, JUNG D Y, KIM J G, et al. A real maximum power point tracking method for mismatching compensation in PV array under partially shaded conditions[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2011,26(4):1001-1009.

[12] PATEL H, AGARWAL V. Matlab-based modeling to study the effects of partial shading on PV array characteristics[J].IEEETransactionsEnergyConversion,2008,23(1):302-310.

[13] 王錫凡，肖云鵬，王秀麗.新形勢下電力系統(tǒng)供需互動問題研究及分析[J].中國電機工程學(xué)報，2014，34(29)：5018-5028.

[14] HYUNGSEON O. A new network reduction methodology for power system planning studies[J].IEEETrans.onPowerSystems,2010,25(2):677-684.