專利名稱：一種基于帶約束狀態(tài)估計的多區(qū)域電網潮流匹配方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于帶約束狀態(tài)估計的多區(qū)域電網潮流匹配方法，屬于電力系統(tǒng)調度自動化與電網仿真技術領域。

背景技術：
電網是由多個區(qū)域電網互聯(lián)組成的，是一個整體，事故發(fā)生后對電網的影響是全局的。在互聯(lián)電網中，每個調度中心管轄的電網一般只是大電網的一個部分，調度中心的EMS系統(tǒng)只對管轄電網部分進行建模，對其外部電網用離線做好的等值電網代替，精度很差，也無法適應電網的發(fā)展變化，是傳統(tǒng)EMS實用化中的難題。
為了解決這一問題，通過上、下級電網縱向之間的模型交換，通過模型的合并，在線建立全局電網模型。已有方法把各個分區(qū)電網的潮流估計值作為量測，建立全局電網的狀態(tài)估計模型，從而得到全局電網匹配的潮流分布。但是，這種方法把各分區(qū)電網間的潮流失配量分布到各個分區(qū)中，不能保證上級電網或需要詳細分析的電網的潮流分布在模型合并前后保持不變，因此不能滿足實際需求。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是提出一種基于帶約束狀態(tài)估計的多區(qū)域電網潮流匹配方法，各區(qū)域電網在各調度中心建立各自轄區(qū)內的電網模型，利用當前電網調度中心之間已經建成的高速數(shù)據(jù)通信網傳送到上級調度中心，上級調度中心通過模型的合并，形成全局電網模型，使電力系統(tǒng)中多區(qū)域電網潮流模型在線合并，并保證合并后全局電網模型中上級電網潮流與上級電網實時狀態(tài)一致，同時使上級電網潮流在合并前后保持不變。
本發(fā)明提出的基于帶約束狀態(tài)估計的多區(qū)域電網潮流匹配方法，包括以下步驟 (1-1)上級電網調度中心根據(jù)所管轄電網的實時數(shù)據(jù)，自動生成本區(qū)域內部電網模型和潮流分布，同時建立與該內部電網模型相連接的外部電網等值模型，內部電網模型、外部電網等值模型通過聯(lián)絡線或變壓器相互連接形成上級電網模型； (1-2)下級各分區(qū)電網調度中心根據(jù)所管轄電網的實時數(shù)據(jù)，自動生成本區(qū)域內部電網模型和潮流分布，同時建立與該內部電網模型相連接的外部電網等值模型，內部電網模型、外部電網等值模型通過聯(lián)絡線或變壓器相互連接形成下級電網模型，并通過廣域網將該下級電網模型和下級電網的潮流數(shù)據(jù)發(fā)送給上級電網調度中心； (1-3)上級電網調度中心將上級電網模型和接收到的各下級電網模型通過聯(lián)絡線或變壓器相互連接，連接時刪除上級電網模型和各下級電網模型中的外部電網等值模型，合并成全局電網模型； (1-4)利用帶約束狀態(tài)估計方法，估計出上述全局電網模型的潮流。
上述方法中，利用帶約束狀態(tài)估計方法，估計出上述全局電網模型的潮流的過程，具體包括以下步驟 (2-1)為全局電網構造一個包含潮流等式約束和節(jié)點注入不等式約束的加權二乘法狀態(tài)估計模型 滿足以下約束條件 i∈A，j∈A i∈A，j∈A Pj＜Pj＜Pj，j∈A Qj＜Qj＜Qj，j∈A 其中，Zi是上、下級電網模型合并前的狀態(tài)估計值，包括電網線路或變壓器的有功功率Pij和無功功率Qij，母線的電壓幅值Vi以及母線的有功注入功率Pi和無功注入功率Qi，hi(V，θ)是量測方程，wi為加權二乘法狀態(tài)估計中的加權系數(shù)，A是上級電網的節(jié)點集，A是所有下級電網的節(jié)點集，Pij、Pij0分別是上、下級電網之間的聯(lián)絡線在上級電網側的合并后有功功率和合并前有功功率，Qij、Qij0是上、下級電網之間的聯(lián)絡線在上級電網側的合并后無功功率和合并前無功功率，Pj、Pj、Pj分別是下級電網節(jié)點j的注入有功功率、有功功率下限和有功功率上限，Qj、Qj、Qj分別是下級電網節(jié)點j的注入無功功率、無功功率下限和無功功率上限，V和θ分別是電網所有節(jié)點的電壓幅值和相角； 上述量測方程hi(V，θ)的定義為 線路或變壓器的量測方程為 上式中，Pij是線路或變壓器的有功功率，Qij是線路或變壓器的無功功率； 全局電網任意母線i的電壓量測方程 Vi＝Vi 全局電網任意母線i的注入量測方程 上式中，Pi、Qi是全局電網中任意發(fā)電機或負荷i的有功注入功率和無功注入功率； (2-2)采用內點法求解上述加權二乘法狀態(tài)估計模型； (2-3)根據(jù)上述求解的全局電網所有節(jié)點的電壓幅值V和相角θ，得到全局電網的潮流分布。
本發(fā)明提出的基于帶約束狀態(tài)估計的多區(qū)域電網潮流匹配方法，其特點是上級電網調度中心和下級各分區(qū)電網調度中心分別建立和維護本級別、本區(qū)域電網的潮流模型，以符合分級、分區(qū)調度的現(xiàn)有管理模式。下級電網調度中心需要將本轄區(qū)電網實時潮流模型發(fā)送給上級調度中心，上級調度中心收集到下級各分區(qū)電網的潮流模型后，將各下級各分區(qū)電網模型和上級電網模型合并，形成全局電網模型。放開部分量測的約束，對合并成計算用的全局電網模型進行狀態(tài)估計，得到上、下級電網匹配的潮流分布。整個過程自動完成，適合大規(guī)?；ヂ?lián)電網的在線安全分析、調度決策和模擬仿真。因此本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點 1、各級電網調度中心只需維護各自電網潮流模型，不增加維護工作量； 2、通過各分區(qū)電網模型的匯總和狀態(tài)估計，自動實現(xiàn)多區(qū)域電網潮流模型的在線合并，形成全局匹配的潮流分布； 3、合并后全局電網潮流模型中上級電網部分和實際情況一致，保證了互聯(lián)電網安全分析、控制決策和模擬仿真精度，從而確保電網的安全運行。
4、合并后全局電網潮流模型中下級電網的重要發(fā)電機和負荷在合并后不會出現(xiàn)大的變化，同時使所有發(fā)電機的出力保持在限額范圍。



圖1為本發(fā)明的電網潮流模型的在線合并方法示意圖； 其中，圖1(a)是下級電網潮流模型，圖1(b)是上級電網潮流模型，圖1(c)是合并后的全局電網潮流模型。
圖2為利用本發(fā)明方法合并后的全局電網潮流模型示意圖。
圖1和圖2中，1是下級電網調度中心自動生成的本區(qū)域內部電網模型，2是連接內部電網模型、外部電網等值模型的聯(lián)絡線或變壓器，3是與該內部電網模型相連接的外部電網等值模型，4是與該內部電網模型相連接的外部電網等值模型，5是連接內部電網模型、外部電網等值模型的聯(lián)絡線或變壓器，6是上級電網調度中心自動生成的本區(qū)域內部電網模型，7是上級電網模型，8是聯(lián)絡線或聯(lián)絡變壓器上級電網側的潮流量測，9是聯(lián)絡變壓器，10是聯(lián)絡線路，11是下級電網，12是聯(lián)絡線或聯(lián)絡變壓器下級電網側的潮流量測，13是下級電網中母線的注入潮流量測。

具體實施例方式 以下結合附圖和本發(fā)明的一個實施例，詳細介紹基于帶約束狀態(tài)估計的多區(qū)域電網潮流匹配方法。
本發(fā)明的具體實現(xiàn)方法如圖1所示，包括以下步驟 步驟一、如圖1(b)所示，上級電網調度中心根據(jù)所管轄電網實時數(shù)據(jù)，利用公知的電網狀態(tài)估計方法，自動生成本區(qū)域內部電網模型6和潮流分布，電網模型6和潮流分布包括電網拓撲結構，電網發(fā)電機的有功功率、無功功率或機端母線電壓，電網負荷的有功功率和無功功率，電網母線電壓和線路的有功功率和無功功率，以及變壓器的有功功率、無功功率，變壓器分接頭檔位等；同時建立與該內部電網相連接的外部電網等值模型4，所述內、外部模型通過兩者之間實際存在的聯(lián)絡線5相連形成上級電網模型； 步驟二、如圖1(a)所示，下級各分區(qū)電網調度中心根據(jù)所管轄電網實時數(shù)據(jù)，利用公知的狀態(tài)估計方法自動生成本區(qū)域內部電網模型1和潮流分布，電網模型1和潮流分布包括電網拓撲結構，電網發(fā)電機的有功功率、無功功率或機端母線電壓，電網負荷的有功功率和無功功率，電網母線電壓和線路的有功功率和無功功率，以及變壓器的有功功率、無功功率，變壓器分接頭檔位等，同時建立與該內部電網相連接的外部電網等值模型3，所述內、外部模型通過兩者之間實際存在的聯(lián)絡線2相連形成下級電網模型，并通過廣域網將所述下級電網模型和潮流數(shù)據(jù)發(fā)送給上級電網調度中心； 步驟三、上級電網調度中心接收上述各分區(qū)電網調度中心發(fā)來的下級電網模型和潮流數(shù)據(jù)，首先剔除各自電網模型中的外網等值模型(虛線)部分，然后，將所述上級電網模型和各下級電網模型通過它們之間的聯(lián)絡線5對接(聯(lián)絡線2、5表示同一組聯(lián)絡線，這里采用上級電網側的5)，就可以將上、下級電網模型合并成計算用的全局電網模型，如圖1(c)所示，可以看出這個全局電網模型是將圖1(a)和圖1(b)中模型分別去掉虛線部分區(qū)域后通過聯(lián)絡線對接在一起而得到的。
步驟四、把上、下級電網的各自估計結果作為設備量測，并通過帶約束狀態(tài)估計方法進行全網估計。這種帶約束的狀態(tài)估計方法可以估計得到新的上、下級電網匹配的全網潮流分布，并且可以保證上級電網狀態(tài)在估計前后保持不變。具體步驟如下 (1)首先構造一個含上、下級電網間的聯(lián)絡線和聯(lián)絡變壓器器潮流等式約束和節(jié)點注入不等式約束的加權二乘法狀態(tài)估計模型，也就是求出一組電網狀態(tài)變量(包括電網所有節(jié)點的電壓幅值V和相角θ)在滿足約束條件下的優(yōu)化模型 滿足以下約束 i∈A，j∈A i∈A，j∈A(1) Pj＜Pj＜Pj，j∈A Qj＜Qj＜Qj，j∈A 其中，Zi是上、下級電網模型合并前的狀態(tài)估計值，包括電網線路或變壓器的有功功率Pij和無功功率Qij，母線的電壓幅值Vi以及母線的有功注入功率Pi和無功注入功率Qi，hi(V，θ)是量測方程，wi為加權二乘法狀態(tài)估計中的加權系數(shù)，A是上級電網的節(jié)點集，A是所有下級電網的節(jié)點集，Pij、Pij0分別是上、下級電網之間的聯(lián)絡線在上級電網側的合并后有功功率和合并前有功功率，Qij、Qij0是上、下級電網之間的聯(lián)絡線在上級電網側的合并后無功功率和合并前無功功率，Pj、Pj、Pj分別是下級電網節(jié)點j的注入有功功率、有功功率下限和有功功率上限，Qj、Qj、Qj分別是下級電網節(jié)點j的注入無功功率、無功功率下限和無功功率上限，V和θ分別是電網所有節(jié)點的電壓幅值和相角； 量測方程hi(V，θ)的定義如下 線路或變壓器的量測方程 上式中，Pij是線路或變壓器的有功功率，Qij是線路或變壓器的無功功率； 全局電網任意母線i的電壓量測方程 Vi＝Vi (3) 全局電網任意母線i的注入量測方程 上式中，Pi、Qi是全局電網中任意發(fā)電機或負荷i的有功注入功率和無功注入功率； (2)采用內點法求解式(1)代表的帶約束的狀態(tài)估計問題 對于式(1)可以寫成如下非線性規(guī)劃標準型 minimizef(x) subject to h(x)＝0(5) g≤g(x)≤g 其中x∈R(n)，h(x)≡[h1(x)，…，hm(x)]T，g(x)≡[g1(x)，…，gr(x)]T。
引入松弛變量(l，u)∈R(r)，將(5)式變換成帶等式約束和簡單變量約束的非線性規(guī)劃形式如下 minimize f(x) subjectto h(x)＝0 g(x)-l-g＝0(6) g(x)+u-g＝0 (l，u)≥0 定義(6)式的拉格朗日函數(shù)為 這里，y∈R(m)和是拉格朗日乘子。
根據(jù)Karush-Kuhn-Tucker定理，最優(yōu)解必須滿足如下KKT系統(tǒng) 其中，(L，U，Z，W)∈R(r×r)依據(jù)數(shù)學規(guī)劃中的慣例，表示元素為l，u，z，w的對角線矩陣，e≡[1，…，1]T∈R(r)。
將(12)(13)式和互補條件(14)(15)式合并，再根據(jù)擾動KKT理論，引入擾動參數(shù)μ＞0，松弛合并后的互補條件，將(12)-(15)替換為 直接應用牛頓法求解上述擾動KKT系統(tǒng)(8)-(11)，(17)-(18)，得到如下修正系統(tǒng) 其中，是擾動KKT系統(tǒng)的殘差。

和

是f(x)，h(x)和g(x)的海森矩陣。
化簡(19-24)，消去Δl，Δu，Δz，Δw，得到最終的簡約KKT系統(tǒng)如下
其中

及消去后，Δl，Δu，Δz，Δw的表達式 (26)式中，H(□)由兩部分組成Hh是f(x)，h(x)和g(x)海森矩陣的線性組合；Hg稱作障礙矩陣(Barrier Matrix)。Hg項防止不等式約束g(x)違反它們的雙邊極限。
由此產生的路徑跟蹤法內點迭代格式如下 (0)初始化。置k＝0，Kmax，中心參數(shù)(centering parameter)σ∈(0，1]，收斂精度ε＝10-6。選擇[l，u]T＞0，[z＞0，w＜0，y＝0]T，這里，k，Kmax分別是迭代計數(shù)和最大允許迭代次數(shù)； (1)如果k＜Kmax，繼續(xù)；否則，打印不收斂； (2)計算互補間隙(complementary gap)CGap 如果CGap＜ε，停止，輸出最優(yōu)解； (3)求解修正系統(tǒng)(25)-(32)，獲取修正量[Δx，Δy]，[Δl，Δu]和[Δz，Δw]； (4)比值檢驗，確定原始和對偶空間中的最大步長 i＝1，2，…，r (5)更新原始和對偶變量 (6)k＝k+1，回(1)； (3)通過上一步求出系統(tǒng)的狀態(tài)變量(包括電網所有節(jié)點的電壓幅值V和相角θ)，就可以求出全網的潮流分布。由于式(1)中包含了上級電網與下級電網間所有的聯(lián)絡線和聯(lián)絡變壓器的有功和無功保持不變的等式約束，同時上級電網的潮流分布在合并前就是收斂的，因此合并后上級電網的潮流分布可以保持不變。另外，下級電網按加權最小二乘的原則把與上級電網的偏差量在本級電網中分布，同時利用式(1)中節(jié)點注入的不等式約束適得下級電網重要的發(fā)電機和負荷在合并后不會出現(xiàn)大的變化，同時使所有發(fā)電機的出力保持在限額范圍。
權利要求
1、基于帶約束狀態(tài)估計的多區(qū)域電網潮流匹配方法，其特征在于，該方法包括以下步驟
(1-1)上級電網調度中心根據(jù)所管轄電網的實時數(shù)據(jù)，自動生成本區(qū)域內部電網模型和潮流分布，同時建立與該內部電網模型相連接的外部電網等值模型，內部電網模型、外部電網等值模型通過聯(lián)絡線或變壓器相互連接形成上級電網模型；
(1-2)下級各分區(qū)電網調度中心根據(jù)所管轄電網的實時數(shù)據(jù)，自動生成本區(qū)域內部電網模型和潮流分布，同時建立與該內部電網模型相連接的外部電網等值模型，內部電網模型、外部電網等值模型通過聯(lián)絡線或變壓器相互連接形成下級電網模型，并通過廣域網將該下級電網模型和下級電網的潮流數(shù)據(jù)發(fā)送給上級電網調度中心；
(1-3)上級電網調度中心將上級電網模型和接收到的各下級電網模型通過聯(lián)絡線或變壓器相互連接，連接時刪除上級電網模型和各下級電網模型中的外部電網等值模型，合并成全局電網模型；
(1-4)利用帶約束狀態(tài)估計方法，估計出上述全局電網模型的潮流。
2、如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的步驟(1-4)中利用帶約束狀態(tài)估計方法，估計出上述全局電網模型的潮流的過程，具體包括以下步驟
(2-1)為全局電網構造一個包含潮流等式約束和節(jié)點注入不等式約束的加權二乘法狀態(tài)估計模型
滿足以下約束條件
i∈A，j∈A
i∈A，j∈A
Pj＜Pj＜Pj，j∈A
Qj＜Qj＜Qj，j∈A
其中，Zi是上、下級電網模型合并前的狀態(tài)估計值，包括電網線路或變壓器的有功功率Pij和無功功率Qij，母線的電壓幅值Vi以及母線的有功注入功率Pi和無功注入功率Qi，hi(V，θ)是量測方程，wi為加權二乘法狀態(tài)估計中的加權系數(shù)，A是上級電網的節(jié)點集，A是所有下級電網的節(jié)點集，Pij、Pij0分別是上、下級電網之間的聯(lián)絡線在上級電網側的合并后有功功率和合并前有功功率，Qij、Qij0分別是上、下級電網之間的聯(lián)絡線在上級電網側的合并后無功功率和合并前無功功率，Pj、Pj、Pj分別是下級電網節(jié)點j的注入有功功率、有功功率下限和有功功率上限，Qj、Qj、Qj分別是下級電網節(jié)點j的注入無功功率、無功功率下限和無功功率上限，V和θ分別是電網所有節(jié)點的電壓幅值和相角；
上述量測方程hi(V，θ)的定義如下
線路或變壓器的量測方程
上式中，Pij是線路或變壓器的有功功率，Qij是線路或變壓器的無功功率；全局電網任意母線i的電壓量測方程
Vi＝Vi
全局電網任意母線i的注入量測方程
上式中，Pi、Qi是全局電網中任意發(fā)電機或負荷i的有功注入功率和無功注入功率；
(2-2)采用內點法求解上述加權二乘法狀態(tài)估計模型；
(2-3)根據(jù)上述求解的全局電網所有節(jié)點的電壓幅值V和相角θ，得到全局電網的潮流分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于帶約束狀態(tài)估計的多區(qū)域電網潮流匹配方法，屬于電力系統(tǒng)調度自動化領域。該方法包括上下級電網調度中心根據(jù)電網實時數(shù)據(jù)，生成本區(qū)域內部電網模型和潮流分布，建立其相應的外部電網等值模型，將下級電網模型和潮流數(shù)據(jù)發(fā)送給上級電網調度中心，該調度中心將上級和各下級電網模型通過聯(lián)絡線或變壓器連接，合并成全局電網模型；對該模型采用帶約束狀態(tài)估計方法得到全局電網潮流分布。該方法可以保證多區(qū)域電網模型合并后得到的全局電網模型中上級電網部分的潮流分布保持不變，而把上下級電網的邊界潮流失配量分布到下級電網上。本發(fā)明方法保證互聯(lián)電網在線安全分析和仿真計算結果的正確性，對保證電網的安全運行具有重要意義。
文檔編號H02J3/00GK101325336SQ20081011717
公開日2008年12月17日 申請日期2008年7月25日 優(yōu)先權日2008年7月25日
發(fā)明者吳文傳, 張伯明, 斌 蔡, 孫宏斌, 吳素農, 兵 曾, 源 萬 申請人:江西電力調度中心, 清華大學