基于態勢感知技術的電網潮流計算模型

王今 蔡世魁 汪海燕 蘇波 熊平

（國網安徽省電力有限公司宿州供電公司）

0 引言

電網潮流計算對微電網的能量轉換、負荷監控以及各類儲能裝置的保護均具有較大的影響，能夠改善微電網能源短缺的問題[1]。通常情況下，微電網中電源與負載之間的距離較近，運行方式具有一定的多樣性[2]，這就導致電網潮流分布情況與變化規律不同。因此，傳統配電網潮流計算模型不能夠較好地用于微電網潮流計算[3]。傳統的智能配電網態勢感知實現效果綜合評估模型，構建綜合評估指標體系，采用基于二項系數方法和多目標規劃方法相結合的主客觀混合評估方法對綜合評估指標體系進行賦權，實現配電網運行狀況的綜合評估。但是在實際運行過程中，容易受到多種因素的影響，導致潮流計算模型的負荷波動幅度較大，使負荷點潮流計算值與實際值時間存在較大的計算誤差，計算精度較低[4]。

態勢感知技術可以通過采集與預測微電網的各項參數，獲取微電網運行的軌跡變化趨勢，在一定程度上能夠提高潮流計算的準確性[5]。

基于此，本文在傳統電網潮流計算模型的基礎上，結合態勢感知技術，設計一種新的潮流計算模型，為電網規劃、運行及維護控制提供數據支持。

1 電網潮流計算模型設計

1.1 布設電網潮流下垂節點

本文設計的電網潮流計算模型，根據電網的實際運行狀況與運行特征，布設電網潮流下垂節點，為計算模型的建立提供基礎保障。基于廣義角度來說，電網潮流計算模型除了能夠較好地計算電網連續潮流以外，在一定程度上能夠調節與分配電網的電壓幅值[6]。科學合理的電網潮流下垂節點布設，能夠控制電網線路阻抗的不規律變化，更好地分配電網運行中各個裝置的功率分配[7]。因此需要對電網潮流的下垂節點進行合理布設設計。在電網中使用P-f/Q-U下垂控制模式，其下垂控制結構示意圖，如圖1所示。

圖1 電網下垂控制結構示意圖

其對應的DG裝置實際輸出電壓頻率的計算公式為：

式中，fa表示電網DG裝置實際輸出電壓頻率；fACa表示電網DG裝置額定電壓頻率；kMa表示電網DG裝置有功功率；MACa表示電網DG裝置額定有功功率；MAa表示電網DG裝置的實際輸出有功功率。通過計算，獲取電網DG裝置的實際輸出電壓頻率，在一定程度上能夠實時反映電網潮流的變化趨勢。在此基礎上，控制電網DG裝置之間的無環流變化，保證裝置輸出電壓頻率相等，分別計算電網潮流下垂節點在有功功率與無功功率靜態下，節點對應的下垂系數，計算公式分別為：

式中，qMa表示電網潮流下垂節點有功功率靜態下對應的下垂系數；qNa表示電網潮流下垂節點無功功率靜態下對應的下垂系數；fmax表示電網系統運行允許的最大頻率值；fmin表示電網系統運行允許的最小頻率值；MAa,max表示電網DG裝置運行允許的最大輸出有功功率；UAa,max表示電網DG裝置運行允許的最大輸出電壓幅值；UAa,min表示電網DG裝置運行允許的最小輸出電壓幅值；NAa,max表示電網DG裝置運行允許的最大無功功率。根據節點下垂系數的計算結果，獲取電網潮流下垂節點的布設參數，按照參數，在計算模型中，合理布設電網潮流下垂節點，為后續的電網潮流計算提供基礎保障。

1.2 基于態勢感知技術計算電網潮流

在上述電網節點下垂系數計算結束后，獲取到電網潮流下垂節點的輸出有功功率、輸出電壓幅值等參數，完成了潮流下垂節點的合理布設。在此基礎上，引入態勢感知技術，求解電網潮流值。將電網系統進行解列處理，劃分為多個無平衡節點矩陣，結合電網各個線路潮流計算類型特征，生成統一的潮流計算模型。結合上述布設的下垂節點的動態變化，實時獲取電網各項位置狀態變量的變化。利用態勢感知技術的預測功能，對電網設備的靜態與動態行為進行合理預測。結合預測結果，確定電網系統的穩態平衡點，并計算穩態平衡點的電網潮流，電網潮流計算模型的表達式為：

式中，Ua表示電網負荷在實際節點的電壓幅值；ULa表示電網負荷設定電壓幅值；KPa表示電網負荷在靜態運行模式下頻率的功率指數。根據潮流計算模型的表達式，實時計算電網的連續潮流與常規潮流，獲取電網潮流的動態變化，為電網的規劃、運行及控制保護提供保障。

2 實驗分析

2.1 實驗設置

為了進一步對該計算模型的可行性做出客觀分析，進行如下文所示的實驗。選取某實驗室交流微電網算例系統的運行數據作為研究目標，該微電網算例系統由IEEE17節點與5個DG裝置共同組成，其綜合控制無平衡節點結構，如圖2所示。

圖2 微電網綜合控制無平衡節點結構圖

如圖2所示，為本次實驗選取的微電網算例系統的結構圖。DG裝置包含的無功補償設備對應的空載電壓頻率約為1.05pu。該微電網算例系統運行過程中，穩態頻率范圍為[0.869,1.002]，參考相位角為0rad。將上述本文設計的電網潮流計算模型應用到該電網算例系統中。首先，設置模型中的計算參數，設置電網潮流初始點的初始值為0，電網潮流變化負荷通過恒功率因數的增長方式增長，負荷有功功率的步長設置為固定步長，不隨著電網潮流的變化而改變。在電網潮流計算中，利用態勢感知技術，采集電網連續潮流與常規潮流的變化參數，在模型輸入層，輸入電網算例系統各個節點支路參數與初始電壓幅值，并實時進行參數增補校正，獲取擴展電網潮流方程組，根據校正結果，判斷連續潮流的變化是否結束，對各個節點支路的計算結果進行校正處理，得出電網潮流最大負荷點與最小負荷點的參數值。在潮流計算過程中，綜合考慮電網算例系統下垂控制DG裝置功率的變化狀況，避免裝置額定有功功率變化超出控制范圍，破壞電網功率平衡。

2.2 實驗結果與分析

為了更加直觀地驗證本文設計計算模型的有效性，采用對比分析的實驗方法，將上述設計的基于態勢感知技術的電網潮流計算模型，與傳統的基于LSTM-注意力機制的潮流計算模型做出對比，設置本文計算模型為實驗組，傳統計算模型為對照組。隨機設置6組不同變化趨勢的負荷點與電網系統節點，調整下垂控制DG裝置的運行狀態，利用兩種計算模型，分別進行完整的連續潮流計算，在電網系統負荷裕度不同的情況下，采用有限元分析軟件，測定兩種模型電網潮流計算結果的相對誤差，并對比，結果如下表所示。

表 兩種模型電網潮流計算結果相對誤差對比

根據表中的對比結果可知，在兩種電網潮流計算模型中，本文設計的模型，其電網潮流計算值與實際潮流值更加接近，相對誤差較小，均在1.46%以下，與傳統計算模型相比，計算精度得到顯著提升。在此基礎上，利用MATLAB分析軟件，深入分析電網安全態勢值的變化，如圖3所示。

圖3 兩種模型電網安全態勢值變化對比

根據圖3的對比結果可知，本文設計的基于態勢感知技術的計算模型，其電網運行安全態勢預測值的變化趨勢與態勢真實值的變化趨勢更加接近，優勢顯著。

3 結束語

為了改進傳統電網潮流計算模型精度較低，不適用于電網信號遠距離傳輸的問題。在傳統計算模型的基礎上，引入態勢感知技術，設計一種新的電網潮流計算模型。通過本文的研究，全方位地提升了電網潮流計算的準確率，有利于控制電網系統負荷的不確定波動，使電網的運行更加穩定，具有重要的研究意義，以期為我國電網行業的可持續發展做出一定貢獻。