基于時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法

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0 引言

在處于使用數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)電力系統(tǒng)潮流問(wèn)題求解的開始階段時(shí)，人們對(duì)其要求較低，數(shù)字計(jì)算機(jī)的內(nèi)存量也比較小。而現(xiàn)如今，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，已經(jīng)形成了十分復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，人們對(duì)其要求也逐漸升高，原有的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法，已經(jīng)難以達(dá)到電力系統(tǒng)的大規(guī)模數(shù)據(jù)分析以及控制要求[1]。

對(duì)于一些病態(tài)系統(tǒng)，應(yīng)用非線性潮流計(jì)算方法往往會(huì)造成計(jì)算過(guò)程的振蕩或者不收斂。采用逐次線性化的方法，使計(jì)算速度以及所發(fā)的收斂性得到進(jìn)一步的提高[2]。所設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新點(diǎn)是：分析電力系統(tǒng)調(diào)頻特征；建立電力系統(tǒng)潮流模型。

根據(jù)電力系統(tǒng)的特點(diǎn)，抓住主要矛盾，采用時(shí)間序列分析方法，將同一統(tǒng)計(jì)指標(biāo)的數(shù)值按其發(fā)生的時(shí)間先后順序排列，在數(shù)據(jù)中挖掘出其根據(jù)時(shí)間變化的相關(guān)規(guī)律，并對(duì)之后的數(shù)據(jù)作出合理估計(jì)[3-4]。從而根據(jù)估計(jì)結(jié)果，分析電力系統(tǒng)的運(yùn)行情況，得出電力系統(tǒng)潮流計(jì)算結(jié)果，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定計(jì)算以及故障分析工作能夠順利完成。

1 基于時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算

將時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)分析，應(yīng)用到電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算當(dāng)中，需要分析系統(tǒng)調(diào)頻的相關(guān)特性[5]，并在其基礎(chǔ)上建立電力系統(tǒng)潮流模型，該具體流程如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)潮流計(jì)算流程

由圖1可知，若電力系統(tǒng)的潮流分布出現(xiàn)擾動(dòng)，需重新分析電力系統(tǒng)調(diào)頻特性，計(jì)算不平衡功率。根據(jù)對(duì)電力系統(tǒng)調(diào)頻特性的分析結(jié)果，保證網(wǎng)絡(luò)功率平衡，得到其網(wǎng)絡(luò)損耗，建立電力系統(tǒng)潮流模型，完成計(jì)算。

1.1 基于時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)的電力系統(tǒng)調(diào)頻特性分析

在完成電力系統(tǒng)潮流計(jì)算流程的基礎(chǔ)上，分析基于時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)的電力系統(tǒng)調(diào)頻特征。電力系統(tǒng)的頻率是對(duì)電能質(zhì)量的重要衡量指標(biāo)，其標(biāo)準(zhǔn)頻率的規(guī)定值為50 Hz，偏差一般在0.2 Hz左右[6]。當(dāng)發(fā)電機(jī)的輸出功率，受到系統(tǒng)頻率變化的影響，而隨之產(chǎn)生變化時(shí)，通過(guò)發(fā)電機(jī)組調(diào)速器，使其原動(dòng)機(jī)的輸入得到改變，從而改變發(fā)電機(jī)組的出力，將電力系統(tǒng)的有功功率供給與需求量之間保持平衡[7-8]，保證其頻率維持在正常范圍內(nèi)，其具體情況如圖2所示。

圖2 發(fā)電機(jī)的頻率特性

由圖2可知，當(dāng)發(fā)電機(jī)組在額定頻率fM下運(yùn)行時(shí)，其有功功率為QHc。若電力系統(tǒng)的頻率下降至fa，則利用調(diào)速器作用，將發(fā)電機(jī)組的出力改變至QHa，通過(guò)計(jì)算可以得出其特性曲線的斜率為

(1)

ΔfH為發(fā)電機(jī)組的單位調(diào)節(jié)功率，即發(fā)電的頻率系數(shù)，發(fā)電機(jī)組的頻率與有功功率變化方向是相反的，其輸出功率將會(huì)隨頻率的降低而增加，反之相同[9]；ΔQH表示頻率偏差為ΔfH時(shí)，發(fā)電機(jī)組的輸出有功增量。

將線路損耗的部分簡(jiǎn)化當(dāng)做負(fù)荷的一部分，并將電路系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)組與負(fù)荷簡(jiǎn)化為各有且僅有一個(gè)，則系統(tǒng)的調(diào)頻情況如圖3所示。

由圖3可知，調(diào)頻完成后的頻率變化量需滿足：

Δf=fB-fM<0

(2)

fB為電力系統(tǒng)頻率的延遲算子；fM為電力系統(tǒng)頻率的梯度算子。

若電力系統(tǒng)的實(shí)際變化量是負(fù)值，則其負(fù)荷功率的實(shí)際變化量為

圖3 電力系統(tǒng)調(diào)頻示意

(3)

式(3)中變量定義如圖2中所標(biāo)示。當(dāng)電力系統(tǒng)在完成調(diào)頻達(dá)到平衡點(diǎn)B時(shí)，與平衡點(diǎn)A對(duì)比，能夠發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)荷功率與發(fā)電機(jī)功率變化量相等，則通過(guò)圖2與式(3)可以得到

ΔQK0=ΔQH-ΔQK=-GsΔf

(4)

Gs為電力系統(tǒng)功率，即系統(tǒng)負(fù)荷產(chǎn)生變化時(shí)，在調(diào)速器作用下，電力系統(tǒng)的頻率變化程度[10-11]。通過(guò)上述計(jì)算能夠得知，系統(tǒng)受負(fù)荷擾動(dòng)影響所產(chǎn)生的頻率變化隨Gs數(shù)值的增大而減小，即系統(tǒng)頻率越穩(wěn)定。

至此完成在時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，電力系統(tǒng)調(diào)頻特性分析，并根據(jù)分析結(jié)果，建立電力系統(tǒng)潮流模型。

1.2 電力系統(tǒng)潮流模型建立

在潮流計(jì)算中，電力系統(tǒng)的各部分處于同一頻率，但受到發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)停止或是其輸出功率產(chǎn)生變化的影響時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)產(chǎn)生不平衡功率[12-13]，為此利用時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)分析算法，計(jì)算其相應(yīng)數(shù)值為

Qacc=∑QHi-∑QKi-Qloss

(5)

QHi為處于i節(jié)點(diǎn)時(shí)的有功功率；QKi為處于i節(jié)點(diǎn)時(shí)的負(fù)荷有功功率；Qloss為電力系統(tǒng)的有功損耗。

將發(fā)電機(jī)組的參與一次調(diào)頻時(shí)的遲滯時(shí)間忽略不計(jì)，結(jié)合調(diào)速器的相關(guān)特性以及負(fù)荷特性，利用轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程，得到電力系統(tǒng)功率——頻率潮流表達(dá)式為

(6)

YH∑為將電力系統(tǒng)中的全部同步發(fā)電機(jī)組，等值為1臺(tái)機(jī)器的慣性時(shí)間常數(shù)；GK∑為電力系統(tǒng)的綜合負(fù)荷頻率特性系數(shù)；GH∑為將電力系統(tǒng)中的全部同步發(fā)電機(jī)組，等值為1臺(tái)機(jī)器，對(duì)電力系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率。式(6)中各參數(shù)的計(jì)算過(guò)程如下所示。

慣性時(shí)間常數(shù)計(jì)算方法為

(7)

YHi為對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)i上同步發(fā)電機(jī)組的慣性時(shí)間常數(shù)；DHi為對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)i上同步發(fā)電機(jī)組的額定容量；DN為電力系統(tǒng)的基準(zhǔn)容量；g1為系統(tǒng)中全部常規(guī)同步發(fā)電機(jī)組個(gè)數(shù)。

電力系統(tǒng)的全部同步發(fā)電機(jī)組，等值為1臺(tái)機(jī)器，對(duì)電力系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率計(jì)算方法為

(8)

GHi為對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)i上發(fā)電機(jī)組的靜態(tài)頻率系數(shù)；QHMi為對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)i上發(fā)電機(jī)組的額定功率。

電力系統(tǒng)的綜合負(fù)荷頻率特性系數(shù)計(jì)算方法為

(9)

g2為系統(tǒng)中全部負(fù)荷點(diǎn)的個(gè)數(shù)；GKi表示對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)i上的負(fù)荷靜態(tài)頻率系數(shù)。其他變量定義與上式相同。

經(jīng)過(guò)上述各參數(shù)計(jì)算，由此完成基于時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算。由上述計(jì)算能夠得知，在電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算中，發(fā)電機(jī)的出力以及負(fù)荷功率數(shù)值都是不固定的，并在計(jì)算過(guò)程中，跟隨不平衡功率的變化而產(chǎn)生變動(dòng)。

利用時(shí)間序列線性分析算法，將不平衡功率分散至電力系統(tǒng)中，通過(guò)具有調(diào)節(jié)能力的發(fā)電機(jī)組以及負(fù)荷承擔(dān)[14-15]。至此完成基于時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)潮流模型建立。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

考慮到電力系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)出力隨機(jī)變化、負(fù)荷波動(dòng)等功率隨機(jī)擾動(dòng)因素對(duì)電力系統(tǒng)頻率的影響，設(shè)計(jì)上述方法，完成基于時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)分析的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法，為驗(yàn)證該方法的有效性，設(shè)計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

在不考慮風(fēng)電場(chǎng)地形等因素的影響下，利用風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，將PQ視為節(jié)點(diǎn)，其電力系統(tǒng)的原理如圖4所示。

為保證該實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性及公正性，隨機(jī)選取某電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，采用PSASP電力系統(tǒng)分析綜合程序，輸入相同的初始數(shù)據(jù)，分別模擬原有方法以及所設(shè)計(jì)方法的計(jì)算準(zhǔn)確度，對(duì)比所得結(jié)果，其具體操作過(guò)程如圖5所示。

圖4 電力系統(tǒng)的原理電路

圖5 操作流程

由圖5可知，在精度與迭代效率的計(jì)算后可選擇初始矢量，以此完成計(jì)算。根據(jù)上述操作流程完成電力系統(tǒng)潮流計(jì)算過(guò)程模擬，分析其所得結(jié)果，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)方法的計(jì)算準(zhǔn)確度。

2.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

利用PSASP電力系統(tǒng)分析綜合程序設(shè)定相關(guān)操作數(shù)據(jù)，計(jì)算得到其概率分布情況如圖6所示。

圖6 概率分布示意

由圖6可知，其期望值為0.984 Hz，方差為0.013 Hz，表1為計(jì)算得出的節(jié)點(diǎn)電壓幅值標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比結(jié)果。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

由表1的結(jié)果數(shù)值能夠得知，與原有方法相比較而言，所提出的方法計(jì)算準(zhǔn)確程度更高。該電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法能夠更加全面地考慮到隨機(jī)擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)頻率所產(chǎn)生的影響因素，所設(shè)計(jì)方法得到的標(biāo)準(zhǔn)差明顯小于原有方法，實(shí)際結(jié)果與期望值差距較小，證明該方法有效。

3 結(jié)束語(yǔ)

電力系統(tǒng)規(guī)模不斷壯大，復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)日趨完善，但原有的電力系統(tǒng)潮流計(jì)算方法已經(jīng)不能滿足此趨勢(shì)，難以達(dá)到電力系統(tǒng)大規(guī)模數(shù)據(jù)分析的要求，為了解決上述提到的不足之處且優(yōu)化電力系統(tǒng)的運(yùn)行，由全部可行的潮流解中，挑選出滿足一定指標(biāo)要求的最佳方案，同時(shí)考慮電力網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。將時(shí)間序列線性大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用于電力系統(tǒng)的潮流計(jì)算方法當(dāng)中，根據(jù)數(shù)據(jù)量與量之間按比例、成直線的關(guān)系，在電網(wǎng)規(guī)劃的階段中，通過(guò)潮流計(jì)算，完成電源容量及接入點(diǎn)，以及網(wǎng)架的規(guī)劃。并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，預(yù)想事故、設(shè)備退出運(yùn)行對(duì)靜態(tài)安全的影響分析，從而對(duì)預(yù)想的運(yùn)行方式合理調(diào)整。為此需要保證潮流計(jì)算的精準(zhǔn)，為電網(wǎng)的正常運(yùn)行夯實(shí)基礎(chǔ)。對(duì)系統(tǒng)調(diào)頻的相關(guān)特性加以分析，根據(jù)其分析結(jié)果，建立電力系統(tǒng)潮流模型，完成方法設(shè)計(jì)。并通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，證實(shí)該方法的有效性，為電力企業(yè)的相關(guān)工作及研究提供一定的理論指導(dǎo)。