连续潮流理论及其拓展应用的研究

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电力网络运行的经济性与电力系统的安全、稳定性之间存在着一定的矛盾关系,网络建设过于冗余造成投资的浪费,电网不够强壮则会威胁系统的安全、稳定运行。准确的分析和评价电网所能承载的最大传输功率,是电力系统静态电压稳定分析的重要内容,也是科研工作者研究的热点问题。潮流计算在电力网络分析领域具有无可替代的地位和作用,是现代电力系统分析不可或缺的工具。然而,由于潮流方程的非线性,在求解潮流方程时,需采用如牛顿法等迭代计算方法。由于迭代法对数值条件要求较为苛刻,使得潮流计算在某些特殊情形下收敛困难甚至无法收敛。连续算法是数值分析领域的一个重要的分支,它作为一种大范围收敛算法,自上世纪90年代起,被引入了电力系统潮流计算,产生所谓连续潮流,以解决潮流方程的数值病态问题。连续潮流在传统潮流方程中引入附加参数,形成含参数潮流方程,并采用特有的预测校正算法,追踪含参数潮流方程的解曲线,在获得描述负荷电压随负荷功率变化的PV曲线的同时,能够得到静态稳定临界点。本文围绕连续潮流理论及其在电力系统中的相关应用展开研究,力求为基于连续潮流的电力系统分析提供更优良的解决方案,研究工作分为如下几个方面的:(1)连续潮流的算法完善:总结与评述了连续算法的原理及其核心思想,从数值表现方面分析了含参数潮流方程解曲线转折点的性质,在此基础上分析了连续潮流在转折点附近校正迭代计算过程不收敛的原因。为提高连续潮流计算的鲁棒性,提出对连续潮流预测切向量的单位规格化计算及其方向修正计算,进而基于前后两次单位规格化的预测切向量构建了局部参数化方法的改进参数选择策略,以减少局部参数化方法被迫参数转换出现的可能。针对变步长算法在实际:工程应用时遇到的初始参数需经试算确定的问题,以校正过程中迭代次数为主要参量,提出一种自适应的变步长算法,能够在计算初期自适应的增大步长加快计算速度,在计算末期自适应的减小步长保证计算精度。基于上述对连续潮流鲁棒性及计算速度改进,使连续潮流进一步得到完善和实用,通过IEEE39节点电网以及山东电网2010年冬季典型方式的算例分析,对改进算法进行了有效性验证,表现出较好效果。(2)计及输电线路电阻变化的连续潮流计算:在常规连续潮流模型中,输电线路电阻被设定为常量,且在整个连续潮流计算过程中始终保持不变,这是不符合实际的,因为输电线路电阻是随潮流分布以及外界环境的改变而变化的,其本质是温度的变化。以此为背景,连续潮流模拟潮流缓慢变化的过程中,必然伴随着输电线路载流、温度与电阻之间的热平衡,应计及输电线路的电线路的电热耦合因素,使连续潮流的计算更具实际意义。为分析其对连续潮流计算产生的影响程度,本文提出将输电线路电阻作为潮流的状态变量,首先建立包含电阻参数的电热耦合潮流模型,并进一步提出电热耦合连续潮流模型。征模型的迭代过程中不断计算与修止输电线路电阻值,体现电热耦合的思想。以两节点系统为例,应用常规连续潮流和电热耦合连续潮流办法分别计算PV曲线以及静态电压稳定域,对比分析表明两种方法的计算结果存在较大的差异。以IEEE141节点系统为例,分别应用常规连续潮流与电热耦合连续潮流,计算了电网安全约束以及静态电压稳定约束对应的电网传输能力,算例表明是否计及电热耦合因素会对分析结果产生显著的影响。基于上述分析,本文认为由于电热耦合连续潮流较常规方法能更符合电力系统的实际运行规律,所以其计算结果的参考价值更高,应当给予足够的重视,且具有良好的应用前景。(3)连续潮流与优化算法的组合应用:构建了静态电压稳定域的最小负荷裕度优化模型,在对连续潮流算法以及模拟退火粒子群算法分别进行改进的基础上,形成二者有机结合的组合优化算法,应用于求解最小负荷裕度。优化模型中,将负荷功率因数的范围,作为负荷增长方向的约束条件,使计算结果更具实际意义。在连续潮流算法中,基于PV-PQ节点类型转换时雅克比矩阵行列式的变化,提出子一种快速有效的连续潮流极限诱导型分岔点的识别算法。提出了计及约束诱导型分岔点的自适应变步长改进算法,提高约束诱导型分岔点的计算精度。计及无功补偿设备投切状态的变化,修正节点导纳矩阵,以体现无功补偿设备对负荷裕度的影响。粒子群算法中,采用了变权重系数和变学习因子策略。提岀了一种基于向量夹角的粒子群早熟判据,在一定的概率条件下对粒子进行变异,结合模拟退火过程,减小算法陷入局部破优可能性。针对粒子群特点进行任务分解,采用多线程并行技术设计程序,充分挖掘计算资源,提高计算速度。综上所述,连续潮流的改进算法在分岔点的识别、计及无功设备投切等方面具有优势,模拟退火粒子群改进算法,具有较好的全局寻优能力和避免陷入局部最优的能力,以及程序实现中的并行计算技术,使得混合算法在对IEEE5节点以及IEEE30节点测试系统的算例分析中表现出良好的计算效果。(4)连续潮流应用于实际电网的静态电压稳定性分析:对静态电压稳定分析的目的、任务、重点与难点等问题进行了讨论。以山东电网为研究对象,按照山东电网实际的运行方式,制定了符合电网运行规律的连续潮流功率增长方式,利用连续潮流工具,分析了2010年山东电网冬季大方式下,各区域电网的功率裕度。对山东电网静态电压稳定性进行分析与评价,为系统规划与运行调度提供参考依据,同时也体现了连续潮流理论的工程应用价值。
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