CN113595051B - 一种电流潮流控制器分步选址与多目标优化定容方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流潮流控制器分步选址与多目标优化定容方法，输入电网初始数据；对直流电网进行初始潮流计算；针对直流电网建立计及直流线路潮流性能和换流站直流输出电压性能的综合指标体系；按照DC CFC选址原则对所有线路进行筛选，得出符合装设要求的目标线路集γ；正常运行工况下主DC CFC选址；N‑1运行工况下备用DC CFC选址；以经济性及安全性指标作为综合评判指标，建立DC CFC容量多目标优化函数并采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化；以常规电力***约束及DC CFC内部功率约束建立优化约束条件；以DC CFC主控线路/辅控线路换流器容量作为待优化变量，利用遗传算法进行优化，得到最优容量。本发明实用性强，科学合理。
Description
技术领域
本发明涉及电流潮流控制器，特别涉及一种电流潮流控制器分步选址与多目标优化定容方法。
背景技术
电流潮流控制器(DC current flow controller，DC CFC)凭借其强大的潮流调控能力，简单的结构和具备拓展多自由度的潜力，为直流电网的进一步发展提供了可能。作为一种改变电压型直流潮流控制器，DC CFC与传统DC/DC变换器型和辅助电压源型潮流控制器拓扑结构有一定不同。它结构简单，所需电力电子器件较少，只进行线间潮流的定向、定量输送而不与外部电网发生能量交换，不需要承受***级高压，同时具备拓展双控制自由度的潜力，具有非常好的应用前景。
现有针对DC CFC选址定容的研究大多基于灵敏度或者智能算法优化，但实际工程应用中，DC CFC的选址工作往往更侧重于利用其潮流调控能力来提升***输电容量以及解决影响输电安全的线路过载问题，因此，以灵敏度指标和经济性指标对DC CFC选址进行约束存在不合理性。基于此，本文提出了一种基于综合安全指标的DC CFC分步选址方法，并在此基础上提出一种兼顾经济性与安全性的DC CFC多目标优化定容策略。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电流潮流控制器分步选址与多目标优化定容方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种电流潮流控制器分步选址与多目标优化定容方法，包括如下步骤：
步骤1、输入电网初始数据；
步骤2、对直流电网进行初始潮流计算；
步骤3、针对直流电网建立计及直流线路潮流性能和换流站直流输出电压性能的综合指标体系；
步骤4、按照DC CFC选址原则对所有线路进行筛选，得出符合装设要求的目标线路集γ；
步骤5、正常运行工况下主DC CFC选址；
步骤6、N-1运行工况下备用DC CFC选址；
步骤7、以经济性及安全性指标作为综合评判指标，建立DC CFC容量多目标优化函数并采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化；
步骤8、以常规电力***约束及DC CFC内部功率约束建立优化约束条件；
步骤9、以DC CFC主控线路/辅控线路换流器容量作为待优化变量，利用遗传算法进行优化，得到最优容量，定容完成。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：提出了DC CFC选址原则；针对直流电网建立了计及直流线路潮流性能和换流站直流输出电压性能的综合指标体系，结合DC CFC选址原则和直流电网综合指标体系建立了科学有效的DC CFC选址策略，更好的发挥了DC CFC对于线路潮流的定向调配作用；给出了DC CFC多目标优化定容方法，提高了DC CFC建设经济性。
附图说明
图1是DC CFC拓扑结构图。
图2是正弦转换函数图。
图3是本发明的实施例中五端直流电网拓扑图。
图4是本发明的实施例中加装两个DC CFC后的五端直流电网拓扑图。
图5是本发明的实施例中目标函数值迭代收敛曲线图。
图6是电流潮流控制器分步选址与多目标优化定容流程图
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
步骤1、输入电网初始数据，包括直流电网各节点类型、控功率站对应的P节点注入有功功率、控电压站对应的V节点参考电压及各支路电阻；
不失一般性地，假设某直流电网含有N个节点(1,2,…i…j…k…p…q…N)，b条支路，其中节点N运行于定直流电压模式，其他节点运行于定有功功率模式。假设DC CFC装设于与节点i相连的支路ij和支路ik上，其中支路ij为主控线路，支路ik为辅控线路，DC CFC在主(辅)控线路上引入的等效直流电压为eij(eik)，节点p，q代表任一节点。
步骤2、对直流电网进行初始潮流计算；
此时电网中不含有DC CFC。以注入直流电网电流为正，则流过任意节点p的电流可表示为式(1)，节点有功功率与电流、电压关系可表示为式(2)，节点p注入直流电网的有功功率为式(3)：
Pp＝IpUp (2)
Pp＝Pc,dcp+Pgp-Pdp (3)
式中Ip为流过节点p的电流；Up、Uq为节点p、q的电压；Gpq为节点p、q之间线路电导；Pp为节点p的注入功率，Pc,dcp为换流站向直流电网注入的有功功率；Pgp为节点p等效直流源输出功率；Pdp为节点p等效直流负载的吸收功率。式(1-3)构成了基本直流电网潮流模型。列写直流电网潮流方程并根据已知的Pp和Up进行牛顿—拉夫逊潮流迭代，即可求解直流电网潮流。
步骤3、针对直流电网建立计及直流线路潮流性能和换流站直流输出电压性能的综合指标体系；
1)直流线路潮流性能指标。
在对直流电网进行N-1安全校验时，原***分布会受到较大影响，各个线路上传输的功率会发生较大变化，出现重载甚至过载线路，从而影响***的安全运行。提出直流线路潮流性能指标式(4)及***潮流性能指标式(5)来定量描述电网潮流性能：
式(4)-(5)中：IP-pq是支路pq潮流性能指标，IP是***潮流性能指标；Ppq是支路pq上的有功潮流；是支路pq的额定有功潮流；n为指数系数且其值为正整数，通常取1；α为线路集合；ωpq是反映支路重要性的权重因子。这样定义的IP-pq直观地把实际潮流与潮流极限相比较，可以反映实际潮流与极限潮流之间的裕度，其数值越大说明该线路上潮流越接近***潮流极限值。从而包含了输电线路阻塞的信息。n＝1时，IP-pq的正常取值范围为(0,0.5]，高于0.5的取值意味着线路处于过载状态。
通过IP-pq及IP的值即可反映出线路pq及整个直流电网中线路的静态安全状态。
2)换流站直流输出电压性能指标
定义直流电网换流站直流输出电压性能指标，该指标用来衡量换流站出口电压运行点与其参考运行点偏移程度：
式(6)-(9)中：IU-p是换流站p直流输出电压性能指标，IU是***电压性能指标；Up是节点p出口电压；m为指数系数且其值为正整数，通常取1；β为换流站集合；ωp是反映换流站重要性的权重因子；为换流站p出口电压的上、下限。
通过对p、q两换流站出口电压性能指标的计算，即可求得线路pq两端电压性能指标式(10)：
IU-pq反映了线路pq两侧电压的偏移量，是衡量线路pq健康情况的指标之一。IU综合反映了直流电网各换流站出口电压偏离额定值的程度，其值越大说明电网换流站出口电压偏移越大，而指数系数的存在使得当电压越限时性能指标急速变大，反映直流电网电压性能变差。m＝1时，IU-pq的正常取值范围为[0,1]，高于1的取值意味着线路pq两侧至少有1个换流站的直流输出电压偏移量超过限值。
3)综合安全裕度指标
综合考虑线路pq有功潮流性能及其两侧换流站出口电压性能即可求得它的健康情况，作为CFC安装需求的综合安全标准(Comprehensive index,CI)式(11)。
利用式(11)作为综合衡量指标：CIpq和CIsum分别为线路pq和全***的综合安全裕度指标；η1、η2、μ1、μ2分别代表了参数权重，体现了参数的重要程度。
步骤4、按照DC CFC选址原则对所有线路进行筛选，得出符合装设要求的目标线路集γ；
DC CFC是一种多端拓扑，有多个全桥变换器装设于线路上，因此其选址工作更为复杂。考虑其拓扑结构及工作原理，提出以下DC CFC选址原则：
1)DC CFC应装设于直流环网中；
2)当传输线上仅由换流站即可完全控制线路潮流时，无需安装DC CFC；
3)DC CFC装设节点处的换流站至少有两条出线，DC CFC至少同时控制其中两条支路潮流；
4)DC CFC辅控线路必须具有充足的容量裕度；
根据上述选址原则，在线路集合α中选取出符合装设要求的线路集γ。
步骤5、正常运行工况下主DC CFC选址；
1)***正常运行工况下，利用线路综合性能指标CIpq对集合γ内各条线路进行排序，选取CIpq值最高线路作为主DC CFC的主控线路；
2)在已确定的主控线路两端换流站所连线路中选取CIpq值最低线路作为主DC CFC的辅控线路；
步骤6、N-1运行工况下备用DC CFC选址；
1)对电网中所有线路进行N-1故障分析，故障后经由换流站及DC CFC控制可使得线路性能指标IP-pq及IU-pq均满足***运行要求的故障集记作故障集δ1，其他故障记为故障集δ2。判断δ2是否为空集，如是则步骤6结束，如否则进入下一步；
2)求取δ2中各线路故障下的***安全指标CIsum，利用CIsum对故障集δ2内的线路故障按照严重程度排序，选取较为严重的几个线路故障情况(如简单电网或δ2内元素较少，可选取所有线路故障情况进行计算)：根据线路的重要程度计算集合γ内线路在故障情况下的CIpq加权平均值；
3)选取CIpq加权平均值最高的线路作为备用DC CFC的主控线路，在已确定的主控线路两端换流站所连线路中选取位于集合γ内且CIpq加权平均值最低的线路作为DC CFC辅控线路；
4)判断是否仍需安装DC CFC，若是返回步骤6-3)选取CIpq加权平均值次高的线路作为备用DC CFC的主控线路并完成此步骤，若否则结束；
步骤7、以经济性及安全性指标作为综合评判指标，建立DC CFC容量多目标优化函数并采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化；
1)目标函数
式(12)-(13)中，IP是直流线路潮流性能指标；Ppq是支路pq上的有功潮流；是支路pq的额定输送容量；n为指数系数且其值为正整数；α为换流站集合；ωpq是反映支路重要性的权重因子；IU是换流站直流输出电压性能指标；Up是换流站p直流出口电压；m为指数系数且其值为正整数；β为换流站集合；ωp是反映换流站重要性的权重因子；
式(14)中，f(S)是DC CFC建设成本函数，其中a、b、c为价格常数且a＞1，b＞1，c＞1，a＜b＜c；S1、S2为DC CFC主控(辅控)线路换流器容量，ny为DC CFC经济运行年限。
2)将多目标优化转化为单目标优化
上述兼顾电力***运行安全性与经济性指标，形成多目标优化函数式(15)：
对上述提出的多目标优化函数，可采用NSGA-2算法找到尽可能多的Pareto最优解集，但从中决策出满意解比较困难。因而采用转化加权法，利用附图2中的正弦转换函数将分目标优化函数fp(X)转换为无量纲且等量级的目标函数然后用转换后的分目标函数和加权因子ωp构成一个新的统一目标函数：
式(16)中，ωp为多目标优化权重系数，其中ω1、ω2为安全性指标所占权重，体现了对于直流电网运行安全性要求的重视程度，ω3为经济性指标所占权重，体现了对于电网运行经济性要求的重视程度。注意这里正弦转化函数中fp(X)的上限βp的取值不一定按照物理极限选取，可根据优化目标进一步减小。
步骤8、以常规电力***约束及DC CFC内部功率约束建立优化约束条件；
式(17)中各表达式含义已于步骤2中具体说明。
式(18)-(19)中，ΔI为电流误差项，Iijref为线路ij设定的电流指令值；ΔPbbi为节点i处DC CFC引入的附加注入功率，δPij为DC CFC在线路ij上靠近节点i处引入的附加注入功率，δPik同理；
式(20)中，Udcp、Pdcp分别为直流电网任一节点p电压及改点注入直流电网的有功功率；式(21)中eij、eik为DC CFC主控、辅控线路上引入的等效直流电压。
步骤9、以DC CFC主控线路/辅控线路换流器容量及主控线路电流指令值作为待优化变量，利用遗传算法进行优化，得到最优容量，定容完成。
本发明方法采用包括直流线路潮流性能指标和换流站直流输出电压性能指标在内的综合安全指标对***线路运行状态进行安全评估，结合N-1工况下筛选出的电网输电问题环节，以此确定DC CFC的最优安装位置；在此基础上进行兼顾经济性与安全性的DCCFC多目标优化定容，方法实用性强，科学合理。
实施例
为了验证本发明方案的有效性，以舟山五端直流***增加支路L13、L15后形成的直流电网为例对所提方法的有效性进行验证，电网电压等级为400kV。
图3显示了该电网拓扑结构。图中1,2,3,4,5为换流站编号，交—直流换流站(节点)数量为5、换流站节点1为V节点其余节点为P节。
未装设CFC前的直流电网***参数如表1所示。
实验环境为：交—直流换流站(节点)数量为5、换流站节点1为V节点其余节点为P节点、V节点的电压值为400×1e3 V、P节点的净注入功率值见表1、节点之间的直流线路参数见表1；
表1原直流电网控制模式及线路参数
表中Pref为各换流站的参考功率，换流站2的额定功率值为负表示该换流站从直流***向交流***注入有功功率。
对该直流电网进行潮流计算可得其节点电压及潮流分布情况如表2：
表2直流电网潮流计算结果
表3给出了DC CFC目标线路筛选结果，可以看出除L12外，其他线路均满足DC CFC装设要求，可装设DC CFC。即目标线路集γ中包含除L12外的5个元素。
表3 DC CFC目标线路筛选结果
接下来进行正常运行工况下主DC CFC选址。表4给出了改进舟山直流输电***综合安全指标计算及主DC CFC选址结果，选取集合γ内CIpq值最高线路L14作为主DC CFC的主控线路，在L14两端换流站所连线路中选取CIpq值最低线路L45作为主DC CFC的辅控线路。
表4改进舟山直流输电***综合安全指标计算及主DC CFC选址
接下来进行N-1运行工况下备用DC CFC选址。
对电网中所有线路进行N-1故障分析。表5给出了不同N-1故障情况下线路综合性能指标情况及故障集分类，通过分析可知，6条线路在发生N-1故障时，当且仅当L14开路时***无法通过换流站与主DC CFC配合实现线路安全稳定运行，即故障集δ2非空，因此需装设备用DC CFC。
表5不同N-1故障情况下线路综合性能指标情况及故障分类
计算δ2中，L14故障下的***安全指标CIsum，并计算集合γ内线路在故障情况下的CIpq加权平均值，按降序排列，得到表6。选取CIpq加权平均值最高的线路L15作为备用DC CFC的主控线路，在已确定的主控线路L15两端换流站所连线路中选取位于集合γ内且CIpq加权平均值最低的线路L13作为DC CFC辅控线路。
表4 L14故障下改进舟山直流输电***综合安全指标计算及备用DC CFC选址
至此，完成DC CFC选址，附图4给出了加装两个DC CFC后的五端直流电网拓扑图。
接下来进行DC CFC容量多目标优化。在上一节选定的两处装设DC CFC，并采用遗传算法对含DC CFC的直流电网开展以安全性和经济性为目标的DCCFC容量优化，其中多目标优化过程中对电网运行安全性和经济性优化指标赋以相同权重系数，即ω1＝ω2＝ω3。多目标优化函数迭代曲线见附图5。由附图5可看出优化后目标函数值明显下降，优化后各变量取值见表5。
表5优化后各变量取值
表中：Smain-series1为主DC CFC主控线路换流器容量，Smain-series2为主DC CFC辅控线路换流器容量，Sspare-series1为备用DC CFC主控线路换流器容量，Sspare-series2为备用DC CFC辅控线路换流器容量，I14ref和I15ref为主DC CFC和备用DC CFC所控主控线路电流指令值。结合表5结果并借鉴国内外UPFC工程，设置5％-10％冗余度，将主DC CFC换流器容量设置为2×70MW，备用DC CFC换流器容量设置为2×80MW即可满足工程应用需求，同时可兼顾DC CFC容量成本与潮流调节能力。表6给出了优化前后***主要状态变量值，可见在满足DC CFC最小稳态运行容量的前提下，经优化后线路潮流更为均衡，换流站直流输出电压偏移率更低，这增加了直流电网潮流输送能力与输电安全性。
表6优化前后***主要状态变量值
Claims (2)
1.电流潮流控制器分步选址与多目标优化定容方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、输入电网初始数据；
步骤2、对直流电网进行初始潮流计算；
步骤3、针对直流电网建立计及直流线路潮流性能和换流站直流输出电压性能的综合指标体系；
步骤4、按照DC CFC选址原则对所有线路进行筛选，得出符合装设要求的目标线路集γ；
步骤5、正常运行工况下主DC CFC选址；
步骤6、N-1运行工况下备用DC CFC选址；
步骤7、以经济性及安全性指标作为综合评判指标，建立DC CFC容量多目标优化函数并采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化；
步骤8、以常规电力***约束及DC CFC内部功率约束建立优化约束条件；
步骤9、以DC CFC主控线路/辅控线路换流器容量作为待优化变量，利用遗传算法进行优化，得到最优容量，定容完成；
步骤3中，针对直流电网建立计及直流线路潮流性能和换流站直流输出电压性能的综合指标体系，具体为：
1)直流线路潮流性能指标
在对直流电网进行N-1安全校验时，原***分布会受到较大影响，各个线路上传输的功率会发生较大变化，出现重载甚至过载线路，从而影响***的安全运行，提出直流线路潮流性能指标及***潮流性能指标来定量描述电网潮流性能：
式(1)-(2)中：IP-pq是支路pq潮流性能指标，IP是***潮流性能指标；Ppq是支路pq上的有功潮流；是支路pq的额定有功潮流；n为指数系数且其值为正整数，取1；α为线路集合；ωpq是反映支路重要性的权重因子；
这样定义的IP-pq直观地把实际潮流与潮流极限相比较，可以反映实际潮流与极限潮流之间的裕度，其数值越大说明该线路上潮流越接近***潮流极限值，从而包含了输电线路阻塞的信息，n＝1时，IP-pq的正常取值范围为(0,0.5]，高于0.5的取值意味着线路处于过载状态；通过IP-pq及IP的值即可反映出线路pq及整个直流电网中线路的静态安全状态；
2)换流站直流输出电压性能指标
定义直流电网换流站直流输出电压性能指标，该指标用来衡量换流站出口电压运行点与其参考运行点偏移程度：
式(3)-(6)中：IU-p是换流站p直流输出电压性能指标，IU是***电压性能指标；Up是节点p出口电压；m为指数系数且其值为正整数，取1；β为换流站集合；ωp是反映换流站重要性的权重因子；为换流站p出口电压的上、下限；
通过对p、q两换流站出口电压性能指标的计算，即可求得线路pq两端电压性能指标：
式(7)中，IU-pq反映了线路pq两侧电压的偏移量，是衡量线路pq健康情况的指标之一；IU综合反映了直流电网各换流站出口电压偏离额定值的程度，其值越大说明电网换流站出口电压偏移越大，而指数系数的存在使得当电压越限时性能指标急速变大，反映直流电网电压性能变差；m＝1时，IU-pq的正常取值范围为[0,1]，高于1的取值意味着线路pq两侧至少有1个换流站的直流输出电压偏移量超过限值；
3)综合安全裕度指标
综合考虑线路pq有功潮流性能及其两侧换流站出口电压性能即可求得它的健康情况，作为CFC安装需求的综合安全标准：
利用上式(8)作为综合衡量指标：CIpq和CIsum分别为线路pq和全***的综合安全裕度指标；η1、η2、μ1、μ2分别代表了参数权重，体现了参数的重要程度；
步骤5中，正常运行工况下主DC CFC选址，具体为：
1)***正常运行工况下，利用线路综合性能指标CIpq对集合γ内各条线路进行排序，选取CIpq值最高线路作为主DC CFC的主控线路；
2)在已确定的主控线路两端换流站所连线路中选取CIpq值最低线路作为主DC CFC的辅控线路；
步骤6中，N-1运行工况下备用DC CFC选址，具体为：
1)对电网中所有线路进行N-1故障分析，故障后经由换流站及DC CFC控制可使得线路性能指标IP-pq及IU-pq均满足***运行要求的故障集记作故障集δ1，其他故障记为故障集δ2；判断δ2是否为空集，如是则步骤6结束，如否则进入下一步；
2)求取δ2中各线路故障下的***安全指标CIsum，利用CIsum对故障集δ2内的线路故障按照严重程度排序，选取较为严重的几个线路故障情况：根据线路的重要程度计算集合γ内线路在故障情况下的CIpq加权平均值；
3)选取CIpq加权平均值最高的线路作为备用DC CFC的主控线路，在已确定的主控线路两端换流站所连线路中选取位于集合γ内且CIpq加权平均值最低的线路作为DC CFC辅控线路；
4)判断是否仍需安装DC CFC，若是返回步骤6-3)选取CIpq加权平均值次高的线路作为备用DC CFC的主控线路并完成此步骤，若否则结束；
步骤7中，以经济性及安全性指标作为综合评判指标，建立DC CFC容量多目标优化函数并采用带转化加权的线性组合优化法将多目标优化转化为单目标优化，具体为：
1)目标函数
式(9)中，IP是直流线路潮流性能指标；Ppq是支路pq上的有功潮流；是支路pq的额定输送容量；n为指数系数且其值为正整数；α为换流站集合；ωpq是反映支路重要性的权重因子；式(10)，中IU是换流站直流输出电压性能指标；Up是换流站p直流出口电压；m为指数系数且其值为正整数；β为换流站集合；ωp是反映换流站重要性的权重因子；式(11)中，f(S)是DC CFC建设成本函数，其中a、b、c为价格常数且a＞1，b＞1，c＞1；S1、S2为DC CFC主控线路换流器容量，ny为DC CFC经济运行年限；
2)将多目标优化转化为单目标优化
兼顾电力***运行安全性与经济性指标，形成多目标优化函数：
对提出的多目标优化函数式(12)，可采用NSGA-2算法找到尽可能多的Pareto最优解集，但从中决策出满意解比较困难，因而采用转化加权法，利用正弦转换函数将分目标优化函数fp(X)转换为无量纲且等量级的目标函数/>然后用转换后的分目标函数和加权因子ωp构成一个新的统一目标函数：
式(13)中，ωp为多目标优化权重系数，其中ω1、ω2为安全性指标所占权重，体现了对于直流电网运行安全性要求的重视程度，ω3为经济性指标所占权重，体现了对于电网运行经济性要求的重视程度；
步骤8中，以常规电力***约束及DC CFC内部功率约束建立优化约束条件，其中针对DCCFC引入的约束条件为：
式(14)中，ΔI为电流误差项，Iijref为线路ij设定的电流指令值；式(15)中，ΔPbbi为节点i处DC CFC引入的附加注入功率，δPij为DC CFC在线路ij上靠近节点i处引入的附加注入功率，δPik同理；
式(16)中，Udcp、Pdcp分别为直流电网任一节点p电压及改点注入直流电网的有功功率；式(17)中，eij、eik为DC CFC主控、辅控线路上引入的等效直流电压。
2.根据权利要求1所述的电流潮流控制器分步选址与多目标优化定容方法，其特征在于，步骤4中，按照DC CFC选址原则对所有线路进行筛选，得出符合装设要求的目标线路集γ，DC CFC选址原则为：
1)DC CFC应装设于直流环网中；
2)当传输线上仅由换流站即可完全控制线路潮流时，无需安装DC CFC；
3)DC CFC装设节点处的换流站至少有两条出线，DC CFC至少同时控制其中两条支路潮流；
4)DC CFC辅控线路必须具有充足的容量裕度。
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