考慮發(fā)電計劃的電網(wǎng)阻塞疏導(dǎo)UPFC配置研究

張大波 朱志鵬 連 帥

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考慮發(fā)電計劃的電網(wǎng)阻塞疏導(dǎo)UPFC配置研究

張大波1朱志鵬2連 帥1

（1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，合肥 230009；2. 合肥工業(yè)大學(xué)智能制造技術(shù)研究院，合肥 230009）

電網(wǎng)運行是一個復(fù)雜的動態(tài)過程，電力市場的激烈競爭與負荷的隨機性有可能導(dǎo)致某些時段出現(xiàn)電力阻塞現(xiàn)象，帶來安全隱患。統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）可以控制線路潮流和穩(wěn)定節(jié)點電壓，有效緩解電力阻塞問題。為了盡量少的調(diào)整發(fā)電計劃，針對現(xiàn)有UPFC配置方法存在未能充分考慮系統(tǒng)運行狀態(tài)的不確定性的缺點，本文建立基于電力系統(tǒng)發(fā)電計劃的多場景UPFC配置模型，根據(jù)季度發(fā)電計劃對負荷進行場景劃分，以各場景下各線路最大負載率的平均值最小為目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法求解UPFC配置的最優(yōu)方案。對IEEE-39節(jié)點系統(tǒng)進行算例分析，驗證了該模型和算法的正確性和有效性。

電力阻塞；UPFC；配置方案；場景分析

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大和技術(shù)的不斷發(fā)展，發(fā)電機組效率接近極限，而電力交易不斷增加使得輸電網(wǎng)絡(luò)輸送容量不能滿足輸送電能的要求，導(dǎo)致電力系統(tǒng)輸電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)阻塞的問題[1]。電力網(wǎng)絡(luò)阻塞會嚴重影響電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，破壞電能正常交易，造成電力系統(tǒng)經(jīng)濟的嚴重損失[2]。

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷增大以及電力市場逐漸開放，電力阻塞問題越來越嚴重，某些線路會出現(xiàn)嚴重過載現(xiàn)象，潮流值超過線路安全容量的極限。目前的研究主要從調(diào)整交易計劃和優(yōu)化電力系統(tǒng)運行參數(shù)兩個方面解決電力網(wǎng)絡(luò)阻塞問題[3-5]。文獻 [6-7]從經(jīng)濟和管理的角度出發(fā)，以網(wǎng)絡(luò)阻塞費用最小為目標(biāo)，以輸電線路有功潮流在輸電線路容量的安全范圍為約束，求解發(fā)電機組最優(yōu)出力計劃。此方案由電力市場演變而來，需要隨時更新正確的電價信息。文獻[8-9]利用電力系統(tǒng)最優(yōu)潮流（OPF）算法考慮線路傳輸容量等約束計算發(fā)電機組最優(yōu)發(fā)電計劃，對發(fā)電機組進行調(diào)度，從而解決電力網(wǎng)絡(luò)阻塞問題。但由于發(fā)電機組的出力特性具有一定的約束性，不能進行頻繁、快速以及大范圍的變動，并且在電力市場中，發(fā)輸電的過程需要遵從發(fā)電站與各供電公司的合同條約，發(fā)電計劃合約的修改不具有即時性，其效率不高。以上方法均是通過調(diào)整發(fā)電機組的發(fā)電計劃來達到系統(tǒng)的優(yōu)化運行從而消除輸電線路阻塞的，但在實際應(yīng)用中都有著無法避免的缺陷。

UPFC可以控制線路潮流、穩(wěn)定電壓、平衡負載，是一種功能強大的柔性交流輸電裝置[10]，在電力系統(tǒng)中安裝UPFC能夠有效消除輸電線路阻塞。目前研究UPFC消除輸電線路阻塞主要針對UPFC的數(shù)字仿真及控制策略[11-13]。而UPFC在電網(wǎng)中安裝的位置和容量對于優(yōu)化電力系統(tǒng)運行、消除線路阻塞的效果有直接影響，為了充分發(fā)揮UPFC的控制效能，研究UPFC的最優(yōu)配置方案具有重要意義。

針對現(xiàn)有文獻在疏導(dǎo)電力阻塞方面主要采用頻繁調(diào)整發(fā)電計劃以及未充分考慮系統(tǒng)運行的不確定性的問題，本文提出考慮發(fā)電計劃的電網(wǎng)阻塞疏導(dǎo)UPFC配置模型?；诩径劝l(fā)電計劃對系統(tǒng)負荷進行場景劃分，以各場景下各線路最大負載率的平均值最小為目標(biāo)求解UPFC最優(yōu)化配置方案。

1 UPFC最優(yōu)配置模型

1.1 UPFC結(jié)構(gòu)原理

UPFC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。UPFC裝置由兩個結(jié)構(gòu)相同的電壓源型變流器（VSC1、VSC2）組成，兩個變流器通過一個并聯(lián)的直流電容構(gòu)成有功功率的變換系統(tǒng)。變流器VSC1通過并聯(lián)變壓器T1與電網(wǎng)耦合，向系統(tǒng)提供并聯(lián)的無功補償，控制節(jié)點的節(jié)點電壓；變流器VSC2通過串聯(lián)變壓器T2與電網(wǎng)耦合，改變輸電線路中等效的電壓源幅值和相位參數(shù)，從而實現(xiàn)電力線路潮流調(diào)節(jié)的功能。

圖1 UPFC安裝位置

1.2 UPFC的穩(wěn)態(tài)計算模型

考慮到UPFC在穩(wěn)態(tài)運行時的主要作用是穩(wěn)定節(jié)點電壓和調(diào)節(jié)線路潮流，本文采用了節(jié)點分裂的方法建立UPFC穩(wěn)態(tài)等效模型[14]。

圖2 UPFC潮流計算模型

1.3 目標(biāo)函數(shù)

本文考慮現(xiàn)有UPFC配置方法未能充分考慮系統(tǒng)運行狀態(tài)的不確定性的缺點，以各場景下各線路最大負載率的平均值最小為目標(biāo)函數(shù)，建立基于電力系統(tǒng)運行的多場景劃分的UPFC配置模型，即

式中，()為各場景下線路最大負載率的平均值；W為場景集合，l為場景的概率()為場景中電力系統(tǒng)中輸電線路的負載率為

其中

式中，()為場景中線路的有功功率，(max)為線路的有功限額；節(jié)點為與節(jié)點通過線路相連的節(jié)點；()為場景中節(jié)點的電壓，、分別為節(jié)點導(dǎo)納矩陣第行、第列元素的實部與虛部，()為場景中節(jié)點和節(jié)點的電壓相角差；若UPFC的安裝容量按照每10MVA一個量級配置，則模型優(yōu)化變量可表示為

式中，為UPFC安裝位置的線路編號，為安裝位置的節(jié)點標(biāo)識，當(dāng)=0時，表示UPFC安裝在靠近節(jié)點的位置，控制節(jié)點電壓；當(dāng)=1時，表示UPFC安裝在靠近節(jié)點的位置，控制節(jié)點電壓。為UPFC的安裝容量（MVA）。

1.4 約束條件

1）等式約束

系統(tǒng)裝上UPFC后，含有UPFC線路的潮流發(fā)生了變化，需要在普通潮流方程中增加UPFC的附加潮流，表示為

式中，G、G分別為發(fā)電機的有功無功出力；L、L分別為節(jié)點的有功負荷和無功負荷；S、S分別為UPFC對節(jié)點附加注入的有功功率和無功功率；Bi為與節(jié)點相連的節(jié)點的集合。

2）不等式約束

系統(tǒng)不等式約束條件

UPFC進行潮流優(yōu)化計算時，需對其控制變量進行約束，約束條件如下：

式中，S、S分別為UPFC控制線路的有功功率和無功功率；s為UPFC控制線路節(jié)點電壓。

對UPFC安裝配置的時候需要考慮UPFC成本上限，其成本約束條件如下

UPFC的安裝成本計算公式如下

式中，為UPFC最優(yōu)安裝容量（MVA）；為單位容量UPFC的投資成本(＄/KVA)。max為UPFC安裝成本的最大預(yù)算值；由于UPFC在工程安裝中需要有一定裕度，所以取10MVA作為一個量級安裝UPFC。

1.5 基于季度發(fā)電計劃的系統(tǒng)負荷序列場景劃分

目前我國的電力系統(tǒng)發(fā)電計劃主要按年度發(fā)電量簽訂合約。為了能夠保障落實年度合約電量，年發(fā)電量需進行階段性分解。由于我國電力系統(tǒng)主要使用燃煤機組，其出力特性具有一定的約束性，不能出現(xiàn)頻繁、快速以及大范圍的變動，因此在完成年合約電量的同時，應(yīng)盡量使得發(fā)電計劃調(diào)整最小。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模不斷增大，系統(tǒng)運行的不確定性也越來越多，有可能導(dǎo)致某些時段在電網(wǎng)的局部區(qū)域出現(xiàn)電力阻塞。本文通過研究UPFC的最優(yōu)配置方案，修正調(diào)控電網(wǎng)運行的不確定性因素，使得在發(fā)電計劃調(diào)整較小的前提下實現(xiàn)電網(wǎng)阻塞疏導(dǎo)。

場景是一種描述隨機過程的方法。對負荷序列進行場景劃分，每個場景都代表一種電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)?？紤]實際的發(fā)電計劃以及一年12個月用戶負荷的共同性和差異性，將發(fā)電計劃分為春夏秋冬4個階段，收集整理負荷每季度2168h的序列數(shù)據(jù)，根據(jù)大量負荷的歷史數(shù)據(jù)，對每個季度的負荷序列數(shù)據(jù)采用-means聚類方法得到多種場景。綜合發(fā)電計劃以及負荷序列數(shù)據(jù)將不確定性的電網(wǎng)運行狀態(tài)轉(zhuǎn)換為確定性的多個場景，可以最大限度地擬合電網(wǎng)運行狀態(tài)，以此來評估UPFC對系統(tǒng)運行的控制作用，更有利于指導(dǎo)UPFC的優(yōu)化配置。

某一階段發(fā)電計劃中的負荷序列的場景計算步驟如下：

1）給定聚類數(shù)，以負荷的一個季度2168h的序列數(shù)據(jù)作為樣本隨機選取個初始聚類中心。

2）計算每一個樣本點到個初始聚類中心的歐氏距離，比較每個樣本點與初始聚類中心的距離，將距離聚類中心最近的點與其初始聚類中心作為同一簇：

3）將點集分好簇以后，使用每個簇的樣本均值作為新的聚類中心：

式中，為該簇包含的維數(shù)據(jù)樣本數(shù)量。

4）重復(fù)步驟2）和步驟3），直至聚類中心不再變化為止。

5）計算場景概率。分配完所有序列數(shù)據(jù)之后，確定每一個簇中包含的序列數(shù)據(jù)的數(shù)量，則場景的概率l計算式為

2 基于改進遺傳算法的UPFC優(yōu)化配置模型求解

遺傳算法是一類由生物界優(yōu)勝劣汰、適者生存的遺傳機制演化而來的隨機迭代搜索算法，根據(jù)生物可進化理論，遺傳算法的目標(biāo)是在當(dāng)前群體產(chǎn)生優(yōu)于現(xiàn)有個體的個體。

其可以直接對變量的編碼而非變量本身進行操作，沒有函數(shù)連續(xù)性的限制；通過選擇、交叉和變異3種形式，具有了強大的全局尋優(yōu)能力，并且可以自適應(yīng)調(diào)整搜索方向，極大提高了收斂速度[15]。

本文使用遺傳算法對UPFC最優(yōu)化問題求解步驟如下：

1）搜集整理一年8670h負荷大小序列的數(shù)據(jù)，并將發(fā)電計劃按季度分成4類。

2）基于K-means聚類方法對各發(fā)電計劃內(nèi)的負荷序列進行場景劃分。

3）建立考慮發(fā)電計劃的基于多場景分析的電網(wǎng)阻塞疏導(dǎo)UPFC最優(yōu)配置模型。

4）確定目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化變量。

5）編碼。對待優(yōu)化變量進行編碼。

6）初始種群的產(chǎn)生：

7）計算每個個體的適應(yīng)值。對系統(tǒng)進行潮流計算，求出每個個體的個體適應(yīng)值。

8）判斷個體解的可行性。由于在進行迭代計算的過程中會出現(xiàn)潮流不收斂或不合理的解，對最優(yōu)化結(jié)果產(chǎn)生干擾，對每一個個體進行可行性的判斷，個體的可行解標(biāo)識為“1”，個體的不可行解標(biāo)識為“0”。

9）應(yīng)用復(fù)制、雜交和變異算子產(chǎn)生下一代群體。

10）把最好的個體串指定為遺傳算法的執(zhí)行結(jié)果，終止判定。將算法進行終止條件判斷，如果滿足條件，或己經(jīng)進化到規(guī)定的代數(shù)，則結(jié)束算法，輸出最優(yōu)解；否則代數(shù)加1，返回步驟3）。

經(jīng)過以上步驟，最終得出滿足約束條件的UPFC最優(yōu)配置方案。

本文利用遺傳算法對UPFC最優(yōu)配置方案求解的流程圖如圖3所示。

圖3 UPFC優(yōu)化配置流程

3 算例分析

為了驗證本文所提算法和模型的有效性和合理性，本文使用在IEEE-39節(jié)點系統(tǒng)的節(jié)點對UPFC優(yōu)化配置模型進行計算，并對優(yōu)化結(jié)果進行分析和對比。

3.1 場景劃分結(jié)果

對一年發(fā)電計劃與負荷數(shù)據(jù)進行場景劃分，由于場景數(shù)過多會造成計算量較大，較為繁瑣，場景數(shù)過少會使結(jié)果不夠精確，因此，本文通過使用聚類的有效性指標(biāo)，選擇適用于K-means聚類的CH(+)指標(biāo)[16]（Calinski Haraba-sz Index, CH(+)）將每一個發(fā)電計劃中的負荷序列的最佳聚類數(shù)確定為5，即為5個場景，四類發(fā)電計劃共20個場景。表1給出各場景的概率。

IEEE-39節(jié)點系統(tǒng)中節(jié)點編號為31—39的發(fā)電機組在四類發(fā)電計劃中的出力情況見表2，其中節(jié)點30上的機組為平衡節(jié)點。

圖4 IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)圖

表1 場景概率

表2 四類發(fā)電計劃中機組出力大小

在春季階段的發(fā)電計劃中5種場景下負荷的大小序列如圖5所示。

圖5 春季發(fā)電計劃中負荷的5個場景下的大小序列

3.2 計算得到最優(yōu)解

對目標(biāo)函數(shù)進行遺傳算法最優(yōu)計算得到方案如下，并與未優(yōu)化情況以及未考慮發(fā)電計劃更改和運行場景變化時的配置方案對比，見表3。

表3 優(yōu)化結(jié)果對比

最優(yōu)方案中UPFC安裝在17—18支路上靠近節(jié)點17的位置，控制節(jié)點17電壓，安裝容量為120MVA；最優(yōu)方案中線路的最大負載率相對于未優(yōu)化情況減小34.34%。而作為對比的只考慮單一場景的配置方案相對于未優(yōu)化情況減小了28.04%，可以看出UPFC對于電力系統(tǒng)系統(tǒng)的輸電網(wǎng)絡(luò)阻塞問題有很大的改善作用，且基于多場景劃分的最優(yōu)方案明顯要優(yōu)于只考慮單一場景的優(yōu)化配置方案。圖6給出4類發(fā)電計劃20個場景下IEEE 39節(jié)點系統(tǒng)的線路最大負載率優(yōu)化前后的對比。

圖6 線路最大負載率對比

圖6給出了多場景下UPFC最優(yōu)配置方案與只考慮單一場景的UPFC最優(yōu)配置方案對系統(tǒng)線路堵塞問題的優(yōu)化效果對比，當(dāng)未安裝UPFC時其中幾個場景中線路的最大負載率已經(jīng)超過1，已經(jīng)威脅到電力系統(tǒng)運行的安全性了，安裝UPFC進行優(yōu)化之后，最優(yōu)化方案中線路最大負載率均未越限，使得電力系統(tǒng)在安全范圍內(nèi)運行，各線路負載更加均衡，有效地解決了電力線路的堵塞問題，而只考慮系統(tǒng)單一運行場景的配置方案使得系統(tǒng)運行的大部分場景中越限情況也得到一定的改善，但在場景10和場景18下線路的最大負載率仍處于越限狀態(tài)，此時易發(fā)生安全問題，說明該方案并不完美，因此，通過多場景劃分確定UPFC的最優(yōu)配置方案，可以使電力系統(tǒng)在發(fā)電計劃調(diào)整較小的情況下解決網(wǎng)絡(luò)擁堵問題，而不考慮多場景劃分對UPFC進行優(yōu)化配置效果并不能使系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生變化時得到足夠的安全保障，其得到的最優(yōu)配置方案并不實用。由此驗證了本文所提出的優(yōu)化模型及算法的有效性和正確性。

4 結(jié)論

在考慮發(fā)電計劃的情況下，針對電力系統(tǒng)運行狀態(tài)發(fā)生變化時某些時段可能出現(xiàn)輸電線路阻塞的問題，通過安裝UPFC疏導(dǎo)線路阻塞。為了充分發(fā)揮UPFC的控制效果，本文構(gòu)建了以各場景下各線路最大負載率的平均值最小為目標(biāo)函數(shù)的UPFC最優(yōu)化配置模型，通過K-means聚類對不同發(fā)電計劃下的負荷序列進行場景劃分，采用分裂節(jié)點的方法對加入UPFC的電力系統(tǒng)進行潮流計算，得到UPFC的最優(yōu)配置方案。通過仿真計算并對比多場景與單一場景下對解決系統(tǒng)線路阻塞問題的作用與差異，驗證了考慮多場景劃分的UPFC最優(yōu)配置方案的優(yōu)勢以及改善網(wǎng)絡(luò)阻塞的作用，表明了本文所提模型和算法的正確性和有效性。

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Allocation schemes research of UPFC based on relieving power blockage considering the power generation schedule

Zhang Dabo1Zhu Zhipeng2Lian Shuai1

(1. School of Electric Engineering and Automation, Hefei University of Technology, Hefei 230009; 2. Intelligent Manufacturing Institute, Hefei University of Technology, Hefei 230009)

Power grid operation is a complex dynamic process, the intense competition of electricity market and the randomness of load may lead to the phenomenon of power blockage in some period, and cause security hidden troubles. The Unified Power Flow controller (UPFC) can control the line powers flow and stabilize the node voltage, and effectively alleviate the problem of electrical congestion. In order to adjust the power generation schedule as little as possible, in view of the shortcoming of the existing UPFC configuration method has not fully considered the uncertainty of system operating state, this article establishes a various screens UPFC configuration model based on power system generation schedule, and divides the load according to the quarterly power generation plan, takes the minimum average value of maximum load rate of each line in each scene as the objective function, and uses the genetic algorithm to solve the optimal scheme of UPFC configuration. An analysis of IEEE-39 node system is presented to verify the correctness and effectiveness of the model and algorithm.

power blockage; unified power flow controller; allocation schemes; scenario analysis

2017-12-19

張大波（1979-），男，合肥工業(yè)大學(xué)講師，博士，研究方向為電力系統(tǒng)可靠性評估、電網(wǎng)規(guī)劃運行、電力設(shè)備維修優(yōu)化。

國家自然科學(xué)青年基金資助項目（51407056）

中國博士后科學(xué)基金面上資助（2014M561819）