本發(fā)明屬于穩(wěn)態(tài)電網(wǎng)功率技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及支路傳輸功率的解耦算法。

背景技術(shù)：

對于穩(wěn)態(tài)電力系統(tǒng)而言，其運(yùn)行參量（即功率、電壓和電流）是采用復(fù)數(shù)形式進(jìn)行描述的，而且運(yùn)行參量的實(shí)部與虛部是聯(lián)動的，例如，一個復(fù)功率表述的有功功率與無功功率間就存在著耦合關(guān)系，一個發(fā)生變化，另一個必然發(fā)生相應(yīng)的改變，這是穩(wěn)態(tài)電網(wǎng)中運(yùn)行參量的基本特性之一。然而，這種特性使得潮流控制手段變得復(fù)雜，致使電網(wǎng)的調(diào)控能力也受到一定程度地限制。以復(fù)功率的有功功率和無功功率耦合為例，從數(shù)學(xué)角度來看，只要進(jìn)行解耦運(yùn)算即可實(shí)現(xiàn)解耦。但由于穩(wěn)態(tài)電網(wǎng)中功率與電壓兩個參量間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，當(dāng)采用數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)支路有功功率和無功功率解耦時，很難保證對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)電壓參量保持不變。因此必須從符合電網(wǎng)運(yùn)行特征的角度尋找新型的解耦計算方法，達(dá)到支路有功功率與無功功率解耦的同時，保持節(jié)點(diǎn)電壓不變的目的。如果該問題得以解決，必然對電力生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、規(guī)劃設(shè)計和科技研究等相關(guān)領(lǐng)域的工作產(chǎn)生巨大的推動作用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

依據(jù)穩(wěn)態(tài)功率傳輸原理，支路注入功率與輸出功率之間呈復(fù)比例關(guān)系，可以寫為傳遞函數(shù)形式，因此注入的有功功率、無功功率與輸出的有功功率、無功功率間的關(guān)系，可由復(fù)數(shù)矩陣描述，稱為傳遞函數(shù)矩陣。從控制理論角度，如果找到某一解耦矩陣，使得傳遞函數(shù)矩陣對角化，則可實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦控制；從電力系統(tǒng)角度，在實(shí)現(xiàn)支路有功、無功解耦運(yùn)算的同時，必須保證節(jié)點(diǎn)電壓不變，由于支路電流一定，節(jié)點(diǎn)電壓與復(fù)功率有相同的傳遞關(guān)系，因此也就是保證復(fù)功率傳遞函數(shù)不變。本發(fā)明給出了保證節(jié)點(diǎn)電壓不變的支路有功、無功解耦控制方法，是一種有明確物理意義的數(shù)學(xué)解耦技術(shù)，具有唯一性、實(shí)用性的特點(diǎn)。

具體步驟包括：

步驟1. 采用復(fù)比例形式描述支路注入功率與輸出功率間的傳輸關(guān)系，該復(fù)比例可以寫為傳遞函數(shù)形式，表明網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配關(guān)系；

步驟2. 依據(jù)傳遞函數(shù)形式建立支路注入有功、無功與輸出有功、無功的矩陣描述，稱為傳遞函數(shù)矩陣，此矩陣為二階對稱陣，主對角線元素為步驟1中傳遞函數(shù)的實(shí)部，副對角線元素為步驟1中傳遞函數(shù)的虛部；

步驟3. 將傳遞函數(shù)改寫為單位負(fù)反饋結(jié)構(gòu)形式，并給出對應(yīng)的傳遞函數(shù)矩陣，此時的閉環(huán)傳遞函數(shù)與原傳遞函數(shù)等價，閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣與原傳遞函數(shù)矩陣等價；

步驟4. 繪制閉環(huán)傳遞關(guān)系的方框圖，由前饋補(bǔ)償解耦理論可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣對角化與開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣對角化是等價的；

步驟5. 支路中，注入有功功率與無功功率的比值等于注入端等效電阻與等效電抗的比值，借助此關(guān)系實(shí)現(xiàn)閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣對角化，即實(shí)現(xiàn)有功、無功解耦，進(jìn)而求出解耦后對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣和解耦矩陣。

上述步驟沒有改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系及阻抗大小，因而傳遞函數(shù)沒有改變，所以解耦前后復(fù)功率注入、輸出關(guān)系不會改變；由于在支路上電流一定，所以首末節(jié)點(diǎn)電壓傳遞關(guān)系與復(fù)功率傳遞關(guān)系相同，也不會改變；解耦運(yùn)算過程采用阻抗匹配關(guān)系描述，具有明確的物理意義，且由于這種阻抗匹配關(guān)系是唯一的，從而保證解耦方式的唯一性。

本發(fā)明的有益效果在于：在已知潮流斷面下，采用傳遞函數(shù)形式描述支路注入、輸出功率之間的關(guān)系，從而形成描述有功、無功功率傳輸關(guān)系的傳遞函數(shù)矩陣。該傳遞函數(shù)矩陣體現(xiàn)了有功、無功功率傳輸過程中的耦合關(guān)系。將該傳遞函數(shù)表示為單位負(fù)反饋結(jié)構(gòu)形式，并用方框圖進(jìn)行描述。由于支路注入有功功率與注入無功功率的比值和注入端等效電阻與等效電抗的比值相等，借助此關(guān)系可實(shí)現(xiàn)閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣的對角化，即實(shí)現(xiàn)有功、無功解耦，進(jìn)一步可求出解耦后對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣和解耦矩陣。在解耦過程中，表征復(fù)功率注入、輸出關(guān)系的傳遞函數(shù)沒有改變，由于支路中電壓與功率具有相同的傳遞關(guān)系，所以電壓也沒有改變。因此，本發(fā)明是一種具有明確物理意義的數(shù)學(xué)解耦技術(shù)，具有唯一性、實(shí)用性的特點(diǎn)。應(yīng)用上述結(jié)論，可以實(shí)現(xiàn)支路上有功、無功的解耦控制，為電網(wǎng)調(diào)度提供了更方便簡單的控制手段，為電力系統(tǒng)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、規(guī)劃設(shè)計和相關(guān)研究工作提供了新的分析方法。

附圖說明

圖1是支路復(fù)功率傳輸模型；

圖2是支路復(fù)功率傳遞函數(shù)方框圖；

圖3是支路有功、無功耦合傳輸方框圖；

圖4是前饋補(bǔ)償解耦方框圖；

圖5是支路有功、無功解耦傳輸方框圖；

圖6是摘要步驟圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，對實(shí)施方式作詳細(xì)說明。

支路傳輸功率的解耦算法的理論基礎(chǔ)如下：

1 支路的復(fù)功率傳遞函數(shù)及傳遞函數(shù)矩陣

圖1是支路的復(fù)功率傳輸模型，其中，為支路的注入功率；為支路的輸出功率；為支路阻抗；為輸出功率對應(yīng)的等效阻抗。

由支路的復(fù)功率傳輸方程可知

其中

令

則(1)式可表示為

從控制理論的角度，描述了復(fù)功率注入、輸出之間的關(guān)系，因此可稱為支路的復(fù)功率傳遞函數(shù)。將(2)式代入(3)式整理可得

分別令

則(5)式可表示為

由上述推導(dǎo)結(jié)果可知，支路的復(fù)功率傳遞函數(shù)為復(fù)數(shù)形式，且實(shí)部和虛部均由本支路等效阻抗及輸出端等效阻抗構(gòu)成。在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟欢ㄇ易杩勾笮〔蛔兊那疤嵯?，?fù)功率傳遞函數(shù)為定值。對于所有的支路，傳遞函數(shù)的形式是一致的，只是數(shù)值不同。

將(7)式代入(4)式，并將復(fù)功率寫為有功功率與無功功率加和的形式，可得

矩陣描述形式如下：

令，稱為傳遞函數(shù)矩陣。此矩陣為二階對稱陣，主對角線元素為傳遞函數(shù)實(shí)部，副對角線元素為傳遞函數(shù)虛部。由于傳遞函數(shù)矩陣為滿陣，因此有功、無功的注入與輸出之間存在耦合關(guān)系，不能直接實(shí)現(xiàn)對有功、無功的獨(dú)立控制。

2 支路功率傳遞關(guān)系的方框圖描述

2.1 復(fù)功率傳遞函數(shù)的方框圖描述

為與控制系統(tǒng)中單位負(fù)反饋結(jié)構(gòu)形式相對應(yīng)，需對(3)式進(jìn)行變換，令

將(2)式代入(10)式可得

分別令

則(11)式可表示為

此時(3)式的復(fù)功率傳遞函數(shù)變形為

圖2是該復(fù)功率傳遞函數(shù)對應(yīng)的方框圖描述，稱為開環(huán)傳遞函數(shù)，的值不發(fā)生改變，在此閉環(huán)系統(tǒng)中稱為閉環(huán)傳遞函數(shù)。這樣就從控制理論的角度，對支路上復(fù)功率的傳輸關(guān)系進(jìn)行描述，把電力系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)功率問題轉(zhuǎn)化為典型的控制問題。

2.2 有功、無功傳遞函數(shù)矩陣的方框圖描述

令

是開環(huán)傳遞函數(shù)對應(yīng)的矩陣，稱為開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣。與存在關(guān)系如下：

其中，為二階單位矩陣。由于變形前后的值不發(fā)生改變，所以對應(yīng)矩陣不變，在閉環(huán)系統(tǒng)中稱為閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣。

圖3是對支路上有功、無功耦合傳輸關(guān)系的方框圖描述，其中，為注入復(fù)功率對應(yīng)的等效阻抗，與起到將注入有功、無功分離的作用；末端加法器將分離的有功、無功相加還原到實(shí)際的復(fù)功率形式。由式(16)可知，圖3中有功、無功耦合傳輸部分可用矩陣描述如下：

上式是典型的兩輸入、兩輸出耦合控制系統(tǒng)的矩陣描述，可以清晰地看出，有功、無功的注入與輸出之間存在耦合關(guān)系，如果僅調(diào)節(jié)有功注入，那么有功輸出改變的同時，無功輸出也會發(fā)生變化；同理，如果僅調(diào)節(jié)無功注入，那么無功輸出改變的同時，有功輸出也會發(fā)生變化。

3 有功、無功的前饋補(bǔ)償解耦方法

如圖4所示，前饋補(bǔ)償解耦即在開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣前加一解耦裝置，使得新的開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為對角陣。此時閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為

可知，閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣也必為對角陣，由此實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦控制。在本文中，采取反向思維方式，首先在保證復(fù)功率傳遞函數(shù)不變即電壓傳遞關(guān)系不變的前提下求得對角化后的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣，實(shí)現(xiàn)有功、無功解耦；然后由式(18)變形求得對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣，進(jìn)而求得解耦矩陣。

在圖1中，設(shè)支路的電流為，則，因此注入的有功、無功比值和注入端等效電阻與等效電抗的比值相等，即

由電路關(guān)系可知

將式(20)代入式(19)可得

從而有

由式(9)可得

將式(23)代入式(24)可得

將式(22)代入式(25)可得

根據(jù)式(26)(27)，可將解耦后對應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣設(shè)置為，其中

將式(6)代入式(28)化簡可得，即解耦后對應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為

從而得出有功、無功解耦后的傳輸關(guān)系為

由于上述步驟主要是借助阻抗比例關(guān)系將有功注入與無功注入互相表示，在保證有功、無功的注入、輸出不變的前提下轉(zhuǎn)化為解耦的形式，沒有改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和阻抗值，所以復(fù)功率傳遞函數(shù)的值沒有改變，而電壓與復(fù)功率共用傳遞函數(shù)，所以電壓也沒有改變。

由式(18)可知，此時對應(yīng)的開環(huán)傳遞函數(shù)矩陣為

進(jìn)而求得解耦矩陣，過程如下：

將式(12)代入式(32)整理可得

圖5是支路有功、無功解耦傳輸方框圖，可見，解耦后有功輸出只與有功注入有關(guān)，無功輸出只與無功注入有關(guān)，在數(shù)學(xué)方法上實(shí)現(xiàn)了解耦控制。而且由于在計算過程中保證了傳遞函數(shù)不變，進(jìn)而達(dá)到保證電壓不變的目的，因此這是一種具有明確物理意義的數(shù)學(xué)解耦方法，具有唯一性。

根據(jù)上面的理論分析，可以提出本申請——支路傳輸功率的解耦算法，該方法對傳遞函數(shù)及傳遞函數(shù)矩陣用方框圖進(jìn)行描述，在保證各節(jié)點(diǎn)電壓不變的前提下求取解耦矩陣，實(shí)現(xiàn)有功、無功的解耦控制。通過該方法，在已知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電網(wǎng)阻抗參數(shù)的情況下，可以快速地實(shí)現(xiàn)支路上有功、無功的解耦控制，大大降低了控制難度。該方法在理論方面，提出了滿足電路基本理論的數(shù)學(xué)解耦方法，即在保證節(jié)點(diǎn)電壓不變的前提下，建立了支路有功功率與無功功率解耦的功率傳輸描述方法，這種解耦方法是唯一的，對穩(wěn)態(tài)功率理論進(jìn)行了必要的補(bǔ)充；在應(yīng)用方面，為電力系統(tǒng)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、規(guī)劃設(shè)計和相關(guān)研究工作提供了一種新型實(shí)用化解耦算法。

此實(shí)施方式僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。