基于分层优化的电网最小新增无功补偿容量计算方法技术

本发明专利技术涉及一种基于分层优化的电网最小新增无功补偿容量计算方法，该方法基于电网负荷预测值，以电网新增无功补偿容量最小为目标函数，同时考虑《电力系统电压和无功电力技术导则》中电容器和电抗器无功补偿最小容量越限，以及最高负荷、最低负荷和正常负荷三种运行方式下变电站母线电压上下限、线路有功潮流等约束条件，通过分层优化思想将整个模型分解为可由线性规划算法直接求解的上层模型和由非线性约束条件组成的下层优化模型，通过两层模型间的连续优化，使得最终优化结果在满足相关技术导则的同时，在多种负荷水平下均满足电力系统电压运行要求。

【技术实现步骤摘要】
基于分层优化的电网最小新增无功补偿容量计算方法
本专利技术属于电网无功补偿装置优化配置领域，涉及一种基于分层优化思想的电网最小新增无功补偿容量计算方法。
技术介绍
无功功率的就地就近平衡可以保证良好电压质量，而无功功率缺乏和过剩都不利于维持电压质量和电网的安全运行。长期以来，人们对电压问题的关注普遍集中在由无功缺乏而造成的电压偏低、网损偏大和可能导致的电压崩溃事故上。但随着电网的迅速发展，其特点也相应发生改变，主要体现在上层主网架的不断加强，电缆线路在城市电网中的大量使用，风电、太阳能等分布式电源大量接入电网，负荷峰谷差日益加大，部分线路潮流较轻，感性无功补偿不足，在负荷低谷期或小运行方式下，电压偏高甚至严重越限。由此造成无功难以就地平衡、线路无功流动增大、相邻地区或不同电压层间无功穿越增多、电压过高危及设备及电网安全运行等问题。近年来，国内外已有多位学者对电网无功补偿容量优化配置展开研究，有学者提出一种“发电厂平均功率因数”对220kV及以下电网的感性无功容量的充裕度进行评价，并提出一种无功补偿方案，但未涉及无功容量装设地点的选择；或者通过线路传输负荷与无功损耗之间的关系，计算得到单条500kV线路在不同运行方式下的无功补偿容量，但只局限于单条线路的无功优化配置。也有学者采用基于灾变遗传算法的无功优化算法，对地区电网小运行方式下的负荷最低谷潮流断面进行无功优化计算，得到包含补偿点及各点补偿容量的具体补偿方案，但没有考虑电容器的补偿容量优化。此外，在无功就地平衡和分层平衡原则的基础上，研究人员提出基于经济压差概念的算法，通过分析传输无功功率造成的有功损耗、节点电压、无功补偿容量之间的内在联系，对无功补偿装置的合理配置进行优化，但只适用于动态无功补偿装置的配置。
技术实现思路
本专利技术的目的是在保证电网安全运行下，降低电网无功补偿设备配置的成本，给出了一种基于分层优化的电网最小新增无功补偿容量计算方法；其采用可以突破以往传统的无功补偿配置方法存在的补偿精度不够、无法满足不同负荷运行方式下电压上下限等多种弊端，提供了电网最小新增无功补偿容量计算方法，最大程度地降低电网各节点所需新增的感性无功和容性无功补偿容量，为电网的节能降损工作提供强有力的理论依据。为此，本专利技术采用如下的技术方案：一种基于分层优化的电网最小新增无功补偿容量计算方法，包括下列步骤：(1)收集地区电网的无功负荷分布情况；基于电网负荷预测确定所有节点在不同负荷运行情况下的无功需求以及相关基础数据；(2)建立优化模型；以整个电网的最小新增无功补偿容量为模型的目标函数，以《电力系统电压和无功电力技术导则》中PQ节点电容器和电抗器无功补偿最小容量、以及最高负荷、最低负荷和正常负荷三种运行方式下变电站母线电压上下限、线路有功潮流为模型的约束条件建立优化模型；(3)基于分层思想对上述模型进行求解；根据模型约束条件的类型将整个模型分解为上、下两层模型，通过两层模型间的多次迭代潮流计算直至满足模型所有约束条件；(4)计算得到所有变电站所需新增的无功补偿容量之和的最终优化结果；当求解结果同时满足《电力系统电压和无功电力技术导则》和电网调度机构确定的变电站母线电压的运行要求时，则此结果为整个电网的最小新增无功补偿容量。进一步的，所述步骤(1)中，基础数据包含：变电站所有PQ节点已有的电容器容量QCi和电抗器容量QLi、各节点变电站的无功损耗ΔQTi、各节点变电站所有出线充电功率之和QLCi、节点中变电站高压出线侧配置的高抗总容量QKi；其中：i∈NPQ，NPQ表示系统中所有PQ节点的集合，i表示第i个PQ节点。同时，需要最高、正常和最小负荷三种运行方式下的负荷预测值：节点电压值VX,i；节点i与节点j之间的导纳矩阵相关系数Gij、Bij；节点i与节点j的相角差θX,ij；节点i的电压幅值上下限节点i与节点j之间线路的有功潮流PX,ij；节点i与节点j之间线路有功潮流的上下限其中：i∈N,X∈High,Normal,Low，N表示系统中所有节点的集合，High,Normal,Low分别表示最高、正常和最小负荷三种运行方式。进一步的，所述步骤(2)中，优化模型包含的目标函数如下：其中：QS为电网的新增无功补偿总容量；NPQ为PQ节点集；ΔQCi为节点i新增电容器容量；ΔQLi表示节点i新增电抗器容量。进一步的，所述步骤(2)中《电力系统电压和无功电力技术导则》中PQ节点电容器和电抗器无功补偿最小容量的约束为线性约束条件；最高负荷、最低负荷和正常负荷三种运行方式下变电站母线电压上下限、线路有功潮流的约束为非线性约束条件。进一步的，建立优化模型的线性约束条件具体如下：其中：QCi和QLi分别表示节点i已有的电容器、电抗器容量；ΔQTi表示节点i中变电站的无功损耗，由电纳损耗和电抗损耗组成；QLCi表示节点i中变电站所有出线充电功率之和；QKi表示节点i中变电站高压出线侧配置的高抗总容量。进一步的，建立优化模型的非线性约束条件具体如下：i∈N,X∈High,Normal,Low其中：ΔPX,i表示节点i有功注入功率；ΔQX,i表示节点i除新增无功补偿容量以外的无功注入功率；VX,i表示节点i的电压值；Gij、Bij为节点i与节点j之间的导纳矩阵相关系数；θX,ij表示节点i与节点j的相角差；分别为节点i的电压幅值上下限；PX,ij表示节点i与节点j之间线路的有功潮流；表示节点i与节点j之间线路有功潮流的上下限；N表示系统中所有节点的集合；High,Normal,Low分别表示最高、正常和最小负荷三种运行方式，在上述三种运行方式下，模型的最优解均需满足上面所示的非线性约束条件。进一步的，所述步骤(3)根据模型约束条件的类型将整个模型分解为上、下两层模型，通过两层模型间的多次迭代潮流计算直至满足模型所有约束条件具体为：根据已建立的模型，将目标函数与线性约束条件归为上层优化模型，将非线性约束条件归为下层优化模型，先用线性优化算法直接对上层模型求解，将其得到的优化结果代入下层模型进行验证，针对不满足电压上下限约束条件的单个站点进行分析，并增加或减少其感性或容量无功补偿容量，如此反复连续优化，直至满足所有的约束条件。本专利技术所达到的有益效果是：提供了一种用于电网无功补偿配置的优化模型及算法，该模型以电网负荷预测值为基础，建立电网最小新增无功补偿容量目标函数，同时考虑了最高、正常和最低负荷运行方式下母线电压上下限约束和线路有功潮流约束条件，在保证电网安全运行下，降低电网无功补偿设备配置的成本，其采用可以突破以往传统的无功补偿配置方法存在的补偿精度不够、无法满足不同负荷运行方式下电压上下限等多种弊端，提供了电网最小新增无功补偿容量计算方法，最大程度地降低电网各节点所需新增的感性无功和容性无功补偿容量，为电网的节能降损工作提供强有力的理论依据。附图说明图1为本专利技术分层优化求解电网最小新增无功补偿容量的计算方法的计算流程图。具体实施方式为使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图以及具体实施例，对本专利技术的技术方案进行进一步的阐述。参照图1，以500kV电网为例，一种基于分层优化的电网最小新增无功补偿容量计算方法，包括以下步骤：(1)获得江苏500kV电网本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于分层优化的电网最小新增无功补偿容量计算方法，包括下列步骤：(1)收集地区电网的无功负荷分布情况；基于电网负荷预测确定所有节点在不同负荷运行情况下的无功需求以及相关基础数据；(2)建立优化模型；以整个电网的最小新增无功补偿容量为模型的目标函数，以《电力系统电压和无功电力技术导则》中PQ节点电容器和电抗器无功补偿最小容量、以及最高负荷、最低负荷和正常负荷三种运行方式下变电站母线电压上下限、线路有功潮流为模型的约束条件建立优化模型；(3)基于分层思想对上述模型进行求解；根据模型约束条件的类型将整个模型分解为上、下两层模型，通过两层模型间的多次迭代潮流计算直至满足模型所有约束条件；(4)计算得到所有变电站所需新增的无功补偿容量之和的最终优化结果；当求解结果同时满足《电力系统电压和无功电力技术导则》和电网调度机构确定的变电站母线电压的运行要求时，则此结果为整个电网的最小新增无功补偿容量。

【技术特征摘要】
1.一种基于分层优化的电网最小新增无功补偿容量计算方法，包括下列步骤：(1)收集地区电网的无功负荷分布情况；基于电网负荷预测确定所有节点在不同负荷运行情况下的无功需求以及相关基础数据；(2)建立优化模型；以整个电网的最小新增无功补偿容量为模型的目标函数，以《电力系统电压和无功电力技术导则》中PQ节点电容器和电抗器无功补偿最小容量，以及最高负荷、最低负荷和正常负荷三种运行方式下变电站母线电压上下限和线路有功潮流为模型的约束条件建立优化模型；(3)基于分层思想对上述模型进行求解；根据模型约束条件的类型将整个模型分解为上、下两层模型，通过两层模型间的多次迭代潮流计算直至满足模型所有约束条件；(4)计算得到所有变电站所需新增的无功补偿容量之和的最终优化结果；当求解结果同时满足《电力系统电压和无功电力技术导则》和电网调度机构确定的变电站母线电压的运行要求时，则此结果为整个电网的最小新增无功补偿容量；所述步骤(2)中，优化模型包含的目标函数如下：其中：QS为电网的新增无功补偿总容量；NPQ为PQ节点集；ΔQCi为节点i新增电容器容量；ΔQLi表示节点i新增电抗器容量；所述步骤(1)中，基础数据包含：变电站所有PQ节点已有的电容器容量QCi和电抗器容量QLi、各节点变电站的无功损耗ΔQTi、各节点变电站所有出线充电功率之和QLCi、节点中变电站高压出线侧配置的高抗总容量QKi；其中：i∈NPQ，NPQ表示系统中所有PQ节点的集合，i表示第i个PQ节点；同时，需要最高、正常和最小负荷三种运行方式下的负荷预测值；节点电压值VX,i；节点i与节点j之间的导纳矩阵相关系数Gij、Bij；节点i与节点j的相角差θX,ij；节点i的电压幅值上下限和Vi；节点i与节点j之间线路的有功潮流PX,ij；节点i与节点j之间线路有功潮流的上下限和Pij；其中：i∈N,X∈High,Normal,Low，X表示电网运行状态，N表示系统中所有节点的集合，High,Normal,Low分别表示最高、正常和最小负荷三种运行方式。2.根据权利要求1所述的电网最小新增无功补偿容量计算方法，其特征在于，所述步骤(2)中《电力系统电压和无功电力技术导则》中PQ节点电容器和电抗器无功补偿最小容量的约束为线性约束条件；最高负荷、最低负荷和正常负荷三种运行方式下变电站母线电压上下限、线路有功潮流的约束为非线性约束条件。3.根据权利要求1所述的电网最小新增无功补偿容量计算方法，其特征在于，建立优化模型的线性约束...

【专利技术属性】
技术研发人员：周前，张宁宇，刘建坤，陈哲，臧林怡，
申请(专利权)人：国家电网公司，江苏省电力公司，江苏省电力公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：江苏;32