基于時間序列線性大數據分析的電力系統(tǒng)潮流計算方法

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(1.國網河南省電力公司電力科學研究院客戶服務中心，河南 鄭州 450000； 2.國網河南省電力公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

在處于使用數字計算機對電力系統(tǒng)潮流問題求解的開始階段時，人們對其要求較低，數字計算機的內存量也比較小。而現如今，電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，已經形成了十分復雜的網絡結構，人們對其要求也逐漸升高，原有的電力系統(tǒng)潮流計算方法，已經難以達到電力系統(tǒng)的大規(guī)模數據分析以及控制要求[1]。

對于一些病態(tài)系統(tǒng)，應用非線性潮流計算方法往往會造成計算過程的振蕩或者不收斂。采用逐次線性化的方法，使計算速度以及所發(fā)的收斂性得到進一步的提高[2]。所設計方法的創(chuàng)新點是：分析電力系統(tǒng)調頻特征；建立電力系統(tǒng)潮流模型。

根據電力系統(tǒng)的特點，抓住主要矛盾，采用時間序列分析方法，將同一統(tǒng)計指標的數值按其發(fā)生的時間先后順序排列，在數據中挖掘出其根據時間變化的相關規(guī)律，并對之后的數據作出合理估計[3-4]。從而根據估計結果，分析電力系統(tǒng)的運行情況，得出電力系統(tǒng)潮流計算結果，使電力系統(tǒng)的穩(wěn)定計算以及故障分析工作能夠順利完成。

1 基于時間序列線性大數據分析的電力系統(tǒng)潮流計算

將時間序列線性大數據分析，應用到電力系統(tǒng)的潮流計算當中，需要分析系統(tǒng)調頻的相關特性[5]，并在其基礎上建立電力系統(tǒng)潮流模型，該具體流程如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)潮流計算流程

由圖1可知，若電力系統(tǒng)的潮流分布出現擾動，需重新分析電力系統(tǒng)調頻特性，計算不平衡功率。根據對電力系統(tǒng)調頻特性的分析結果，保證網絡功率平衡，得到其網絡損耗，建立電力系統(tǒng)潮流模型，完成計算。

1.1 基于時間序列線性大數據的電力系統(tǒng)調頻特性分析

在完成電力系統(tǒng)潮流計算流程的基礎上，分析基于時間序列線性大數據的電力系統(tǒng)調頻特征。電力系統(tǒng)的頻率是對電能質量的重要衡量指標，其標準頻率的規(guī)定值為50 Hz，偏差一般在0.2 Hz左右[6]。當發(fā)電機的輸出功率，受到系統(tǒng)頻率變化的影響，而隨之產生變化時，通過發(fā)電機組調速器，使其原動機的輸入得到改變，從而改變發(fā)電機組的出力，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，其具體情況如圖2所示。

圖2 發(fā)電機的頻率特性

由圖2可知，當發(fā)電機組在額定頻率fM下運行時，其有功功率為QHc。若電力系統(tǒng)的頻率下降至fa，則利用調速器作用，將發(fā)電機組的出力改變至QHa，通過計算可以得出其特性曲線的斜率為

(1)

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

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

由圖3可知，調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)的實際變化量是負值，則其負荷功率的實際變化量為

圖3 電力系統(tǒng)調頻示意

(3)

式(3)中變量定義如圖2中所標示。當電力系統(tǒng)在完成調頻達到平衡點B時，與平衡點A對比，能夠發(fā)現系統(tǒng)的實際負荷功率與發(fā)電機功率變化量相等，則通過圖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)負荷產生變化時，在調速器作用下，電力系統(tǒng)的頻率變化程度[10-11]。通過上述計算能夠得知，系統(tǒng)受負荷擾動影響所產生的頻率變化隨Gs數值的增大而減小，即系統(tǒng)頻率越穩(wěn)定。

至此完成在時間序列線性大數據基礎上，電力系統(tǒng)調頻特性分析，并根據分析結果，建立電力系統(tǒng)潮流模型。

1.2 電力系統(tǒng)潮流模型建立

在潮流計算中，電力系統(tǒng)的各部分處于同一頻率，但受到發(fā)電機的啟動停止或是其輸出功率產生變化的影響時，系統(tǒng)將會產生不平衡功率[12-13]，為此利用時間序列線性大數據分析算法，計算其相應數值為

Qacc=∑QHi-∑QKi-Qloss

(5)

QHi為處于i節(jié)點時的有功功率；QKi為處于i節(jié)點時的負荷有功功率；Qloss為電力系統(tǒng)的有功損耗。

將發(fā)電機組的參與一次調頻時的遲滯時間忽略不計，結合調速器的相關特性以及負荷特性，利用轉子運動方程，得到電力系統(tǒng)功率——頻率潮流表達式為

(6)

YH∑為將電力系統(tǒng)中的全部同步發(fā)電機組，等值為1臺機器的慣性時間常數；GK∑為電力系統(tǒng)的綜合負荷頻率特性系數；GH∑為將電力系統(tǒng)中的全部同步發(fā)電機組，等值為1臺機器，對電力系統(tǒng)的單位調節(jié)功率。式(6)中各參數的計算過程如下所示。

慣性時間常數計算方法為

(7)

YHi為對應節(jié)點i上同步發(fā)電機組的慣性時間常數；DHi為對應節(jié)點i上同步發(fā)電機組的額定容量；DN為電力系統(tǒng)的基準容量；g1為系統(tǒng)中全部常規(guī)同步發(fā)電機組個數。

電力系統(tǒng)的全部同步發(fā)電機組，等值為1臺機器，對電力系統(tǒng)的單位調節(jié)功率計算方法為

(8)

GHi為對應節(jié)點i上發(fā)電機組的靜態(tài)頻率系數；QHMi為對應節(jié)點i上發(fā)電機組的額定功率。

電力系統(tǒng)的綜合負荷頻率特性系數計算方法為

(9)

g2為系統(tǒng)中全部負荷點的個數；GKi表示對應節(jié)點i上的負荷靜態(tài)頻率系數。其他變量定義與上式相同。

經過上述各參數計算，由此完成基于時間序列線性大數據分析的電力系統(tǒng)潮流計算。由上述計算能夠得知，在電力系統(tǒng)的潮流計算中，發(fā)電機的出力以及負荷功率數值都是不固定的，并在計算過程中，跟隨不平衡功率的變化而產生變動。

利用時間序列線性分析算法，將不平衡功率分散至電力系統(tǒng)中，通過具有調節(jié)能力的發(fā)電機組以及負荷承擔[14-15]。至此完成基于時間序列線性大數據分析的電力系統(tǒng)潮流模型建立。

2 仿真實驗

考慮到電力系統(tǒng)中，發(fā)電機出力隨機變化、負荷波動等功率隨機擾動因素對電力系統(tǒng)頻率的影響，設計上述方法，完成基于時間序列線性大數據分析的電力系統(tǒng)潮流計算方法，為驗證該方法的有效性，設計仿真實驗。

2.1 實驗準備

在不考慮風電場地形等因素的影響下，利用風電機組進行實驗操作，將PQ視為節(jié)點，其電力系統(tǒng)的原理如圖4所示。

為保證該實驗的嚴謹性及公正性，隨機選取某電力系統(tǒng)節(jié)點，采用PSASP電力系統(tǒng)分析綜合程序，輸入相同的初始數據，分別模擬原有方法以及所設計方法的計算準確度，對比所得結果，其具體操作過程如圖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算后可選擇初始矢量，以此完成計算。根據上述操作流程完成電力系統(tǒng)潮流計算過程模擬，分析其所得結果，驗證所設計方法的計算準確度。

2.2 實驗對比分析

利用PSASP電力系統(tǒng)分析綜合程序設定相關操作數據，計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為計算得出的節(jié)點電壓幅值標準差對比結果。

表1 實驗對比結果

由表1的結果數值能夠得知，與原有方法相比較而言，所提出的方法計算準確程度更高。該電力系統(tǒng)潮流計算方法能夠更加全面地考慮到隨機擾動對系統(tǒng)頻率所產生的影響因素，所設計方法得到的標準差明顯小于原有方法，實際結果與期望值差距較小，證明該方法有效。

3 結束語

電力系統(tǒng)規(guī)模不斷壯大，復雜的網絡結構日趨完善，但原有的電力系統(tǒng)潮流計算方法已經不能滿足此趨勢，難以達到電力系統(tǒng)大規(guī)模數據分析的要求，為了解決上述提到的不足之處且優(yōu)化電力系統(tǒng)的運行，由全部可行的潮流解中，挑選出滿足一定指標要求的最佳方案，同時考慮電力網絡的經濟性和安全性。將時間序列線性大數據分析應用于電力系統(tǒng)的潮流計算方法當中，根據數據量與量之間按比例、成直線的關系，在電網規(guī)劃的階段中，通過潮流計算，完成電源容量及接入點，以及網架的規(guī)劃。并根據計算結果，預想事故、設備退出運行對靜態(tài)安全的影響分析，從而對預想的運行方式合理調整。為此需要保證潮流計算的精準，為電網的正常運行夯實基礎。對系統(tǒng)調頻的相關特性加以分析，根據其分析結果，建立電力系統(tǒng)潮流模型，完成方法設計。并通過仿真實驗，證實該方法的有效性，為電力企業(yè)的相關工作及研究提供一定的理論指導。