电网拓扑论文（精选5篇）
电网拓扑论文 篇1
1 概述
将从金华配网GIS系统实际应用情况、电网拓扑技术定位、电网拓扑建模原则、电网设备分类、 电网设备属性建模、电网拓扑建模、与CIM模型交互、电网模型开放性和图数模一体化程度等9个方面进行分析。
2 金华配网 GIS 系统应用情况
由于电力系统配网节点多, 设备分散, 其运行管理工作常与地理位置有关, 2005年金华电业局开发了基于SW数据库的配网地理信息 (GIS) 系统, 以下简称配网GIS。配网GIS的引入 , 使配网运行人员更加直观的对配网进行运行管理。其主要功能包括设备管理、用户信息管理、供电量及负荷管理、 供电优先级和停电记录管理, 便于迅速判断故障点及故障的影响范围、辅助配电网发展规划设计等。经过多年的建设, 金华配网GIS系统基础应用已经逐步趋于成熟。系统在金华地区金东、婺城、义乌、 淳安等9个县级供电单位推广使用, 维护了10kV绝大部分配电数据, 10千伏架空线路、电缆线路、配电变压器、开闭所、 高压配电房、箱式变电站等基础资料的总体录入率在93%以上。
3 电网拓扑模型分析
3.1 技术定位
GIS系统与其他信息管理系统相比最大的优点是: 基于图形的设备管理和空间、拓扑管理, 非常直观形象, 符合电力系统专业人员的使用习惯, 这是其他管理信息系统所不具备的。金华配网GIS系统作为电网图形服务平台, 不仅为生产部门提供了电力设备台帐、地理沿布图、单线图维护以及相关的查询、拓扑分析功能, 金华配网GIS系统还与外围系统做了整合实践, 如: 在婺城局与配电SCADA系统整合, 将单线图和系统图以SVG和CIM模型的方式提供给SCADA系统使用; 与县局生产MIS整合, 将单线图提供给生产MIS使用,为配网生产业务应用提供图形服务支撑; 与营销系统整合,提供线路和配变关系以及配变和电力客户关系的维护, 可为营销专业人员提供决策辅助信息。
3.2 电网拓扑建模原则
金华配网GIS系统基于GE的SmallWorld (SW) 数据库进行建模, 根据该数据库的特点, 建模是完全面向对象的。电网的线路、设备等都作为一个个对象而存在, 例如: 杆可以抽象成为点对象; 架空线、电缆等可以抽象成为线对象;变电站、开关站等为组合管理单位可以抽象成为面对象, 每个对象都有其要管理的属性。
电网中的设备不是独立存在的, 而是通过各种关系连接成网络的, 这些关系主要包括从属关系和几何连接关系, 例如: 杆塔与架空线、线路开关、杆上变压器等设备有从属关系, 杆塔与线路附属设备横担、瓷瓶等也有从属关系, 空性与线路开关间具有几何连接关系。具有从属关系的设备不具有电气连通性, 只有具备几何连接关系的设备间才具有电气连接关系, 如架空性与线路开关间具有几何连接关系, 它们在电气上是连通的。
3.3 电网设备分类
在电力系统中, 变电站是配电线路的源头。一条线路从变电站出发, 经过开关站 (开闭所), 到变压器 (用户变压器)为止。变电站出线、开关站进出线一般是电缆, 其他线路都是架空线, 线路上还有一些其他设备, 如: 杆、线路开关等;变电站、开关站内部有母线、开关、站内变压器等设备; 还有一些附属设备, 如杆上的瓷瓶、横担等。
在SmallWorld中把上述分类中的每一种设备抽象为一个设备集, 如配电线路上所有的变压器可构成一个变压器设备集,配电线路上有几个设备集, 地理对象上就有几个对象集, 在SmallWorld中的CASE TOOL中表示为一个个关系表Collection。例如: 所有的线路变压器设备都存储在关系表Collection中, Collection中有几条记录就表明有几台变压器设备。
3.4 电网设备属性建模
在GIS中电网设备对象是属性的集合, 不同设备的属性不尽相同。将设备属性分成4类: 物理属性、计算属性、几何连接属性、从属关系属性。
3.5 电网拓扑结构
电网拓扑结构是电网分析的基础和依据。电网的拓扑结构主要有两种: 从属关系和几何连接关系。从属关系体现了电网设备物理上的连接, 不具有电气连通性。例如, 杆塔和架空线、线路开关、杆上变压器台等设备有从属关系, 与线路附属设备横担、瓷瓶等设备有从属关系, 具有从属关系的设备并不具有电气联通性。几何连接关系反映电网的运行状态, 它具有电气联通性, 如架空线和开关具有几何连接关系。当建立了电力对象及其他电力对象关系后, 设备的管理需要通过各种具体的方法来实现。如线路开关断开时, 要求原来带电线路的带电状态用颜色来标识。SW以所见即所得的方式建立设备对象及其属性, 并制定对象间的物理拓扑和电气拓扑关系。完成后, 用它自带的工具检查模型的完整性, 然后可以应用到GIS中。
金华配网GIS对站内、站外设备采用不同的方式进行管理, 站内设备和线路用主站接线图表示, 站外所有设备和线路用地理图表示。对站内外的电气连通性, 系统采用内外超链接点来处理, 用SW可视化建模中建立设备对象之间的物理拓扑和几何拓扑, 用连接字段来说明拓扑建模中设备对象之间连接关系。
表1中开关与杆, 架空线与杆之间是物理拓扑, 分别用0:n m:n来表示, 说明一个杆上可以有一个或多个开关 , 连接字段是pole_switch, 而杆和架空线之间是多对多的关系连接字段为pole_line。实际线路中, 架空心线与架空线之间要用导线接头连接, 电缆与开关连接时, 电缆接头必须作为连接中介,架空线与线路开关直接连接。表中的连接字段Connect_end表示点设备与线设备的连接, 例如电缆接头与电缆的连接; 电力设备有单端原件和双端元件之分, 开关便是一种双端元件,系统中开关两端有两个PIN点保证它的电气性, 而中间的部分则代表它的location, 表中的connect字段表示点与点之间的连接, 开关与电缆接头间的连接实际上是开关一头的pin点与电缆接头的连接; 开关作为双端设备, 放在吸纳路上必然要把线路打断, 所以split_chain就表示打断线路, 而紧跟其后的connect则表示开关的两个pin点与被打断的线路两端相连接。
利用以上这种连接方式就可以方便生成电力网络的拓扑联通图, 进行网络追踪。
3.6 与 CIM 模型的交互
在IEC61968/61970 CIM模型中, 设备间的拓扑关系是由:设备、terminal、ConnectityNode等组成的, 一个设备有2个terminal, terminal之间由ConnectityNode向连。杆塔1, 有2个terminal, 如t1和t2, 杆塔2有3个terminal, 如: t3、t4和t5, 杆塔3有2个terminal, 如t6和t7, 其中: t1和t2都对应了杆塔1设备, t3、t4和t5都对应了杆塔2设备, t6和t7都都对应了杆塔3设备, 在拓扑关系上, t2和t3对应了同一个ConnectityNode, t4和t6对应了同一个ConnectityNode,就表明了杆塔1和杆塔2是向连的, 杆塔2和杆塔3是相连的, 这种拓扑表示方式的优点是能够适应电力设备的多点的需求, 如开关是两点设备, 主变是3点设备等, 但是拓扑表示太复杂, 尤其在地理图中的图形表达上很难做到, 即使做到也会大大增加图形操作的复杂度以及图形的数量, 而且CIM模型中仅仅考虑了导电设备的模型 , 没有考虑到杆塔等不参与电力拓扑的设备。
在两种拓扑模型的转换中简化了CIM的拓扑模型, 直接使用设备间的关系, 既能够满足电力的拓扑关系, 又能够简化图形的表示, 加快拓扑分析的速度。拓扑表示能够无缝地转换成CIM模型的拓扑关系。
在转换过程中, 将杆塔等单点设备拆分成多点设备, 在杆塔1上增加2个terminal, 为t1和t2, 在杆塔2上增加3个terminal, 为t3、t4和t5, 其中t1和t2的设备指向杆塔1, t3、t4和t5的设备都指向杆塔2, 然后在拓扑关系上增加2个ConnectityNode, 为c1和c2, t2和t3同时关联到c1, t4和t6同时指向c2, 这样就将金华的拓扑模型转换成CIM模型。
在金华用管所已经将GIS的一次图以及系统图以CIM模型方式成功导给南瑞调度SCADA系统。
3.7 电网模型的开放性
配网GIS系统对外提供的拓扑数据分为2种: 静态的拓扑数据以及动态的拓扑分析结果。
对外提供静态拓扑数据有以下3种方式:
(1) 以数据库视图的方式 , 此种方式最简单 , 调用效率也最高, 而且能够保证调用的数据是最新的。此种模式的缺点是模型是自定义的, 对方要能够很好地理解拓扑模型。
(2) 以CIM模型的方式 , 此种方式一般都用于将整个图形导成SVG格式和CIM模型的方式提供给其他系统。此种方式的优点是图形、拓扑模型都是采用通用的标准来实现的,对方无需对拓扑进行深入理解。
(3) 以Web Service的方式: 此种方式架构先进, 基于面向服务的架构实现, 与平台、系统等都无关, 符合国网公司GIS建设标准。
对外提供实时电网拓扑数据有以下几种方式:
1) 将拓扑分析功能打包到插件或者OCX控件中, 作为图形包的一个附属功能提供给其他系统, 此方式的有点是最简单,其他系统无需编写代码。缺点是需要安装插件或者OCX控件。
2) 以Web Service的方式: 此种方式采用函数调用的模式, 直接调用服务器上对外发布的拓扑分析功能, 返回分析结果数据。此种方式的优点是其他本地无需保存拓扑数据以及进行拓扑数据的实时刷新等工作。
3.8 “图-数-模”一体化
在GIS提供的地理背景上, 配网运行部门的资料维护人员采用“图-数- 模”一体化的建模工具, 来建立配网线路及变电设备的电网资源模型, 线路和变电站内外部的拓扑关系,图形化方式处理改造和新建工程, 非常直观、工作效率高、应用效果好。
电网拓扑论文 篇2
直流电网通常由3个或3个以上的换流站及连接换流站之间的高压直流输电线路组成。相比于传统的交流电网,它能够有效实现从能源基地输送大量电力到远方的多个负荷中心、直流输电线路中间分支接入负荷或电源、几个孤立的交流系统之间利用直流输电线路实现电网的非同期联络以及大规模新能源电力的可靠接入[1,2,3]。由于直流电网自身结构的复杂性,在构建时也面临着一系列的挑战。尤其当端口数目和输电线路增多时,如何对直流电网中的线路潮流进行有效控制是需要解决的关键问题之一。如果直流电网中线路潮流不能得到有效的管理与合理的控制,将会影响系统中电能的传输,增大系统损耗甚至使线路过载而令系统发生停运故障。针对该问题,学者们提出了与交流电网中引入潮流控制装置类似的方法,即在直流电网中也引入潮流控制器。引入直流潮流控制器可以增加直流潮流的控制自由度,达到控制各条输电线路潮流的效果[4,5,6,7,8,9,10]。目前,研究人员已对直流潮流控制器技术展开了一系列的研究,并取得了一定的成果。与交流电网不同的是,直流电网中并没有无功功率、电抗和相角,所以只能通过改变输电线路电阻和直流电压来实现对直流潮流的控制,因此直流潮流控制器技术就有相对应的两大类方案,而改变直流电压这一方案又可细分为直流变压器(变换器)、串联可调电压源以及线间直流潮流控制器3类。改变线路电阻的方案是在输电线路中串入与旁路开关(断路器或绝缘栅双极型晶体管(IGBT))并联的电阻单元,通过控制旁路开关的开通与关断实现电阻单元的投切,从而控制线路的潮流[5,6]。在改变直流电压方案中,直流变压器方案是在线路中串入DC/DC变换器,通过改变变换器输出/输入的增益实现对直流电压的调节[11,12,13,14,15,16];串联可调电压源是在线路中串入电压极性和大小可调的等效电压源(电容)来改变直流电压,并利用外部电路实现与电压源之间能量的交换[17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,27];线间直流潮流控制器是在相邻的两条输电线路中均串入可调电压源,利用两条线路之间的能量交换来实现潮流的控制[28,29,30,31]。
本文首先对已有文献中直流潮流控制器的拓扑结构及相应控制策略进行了详细的综述,并进行系统的总结和对比分析,随后在每类方案中选出一种直流潮流控制器进行仿真研究,并对提出的新型直流潮流控制器进行了仿真验证。最后,指出直流潮流控制器未来的发展方向和必须解决的主要问题。
1 直流潮流控制器技术方案
直流电网中的传输线路可用附录A图A1进行等效,其中Rab为节点a与节点b之间直流线路的电阻。可见,为了调节节点a与b之间线路中的潮流,只能通过改变线路电阻和节点电压两种方法。因此,已有文献中提出的直流潮流控制器方案主要分为两大类:第一类是改变线路电阻,即在线路中串入可变电阻器,等效为改变总的线路电阻来调节线路潮流;第二类是改变直流电压,即在线路中串入可变电压源,等效为改变线路电阻两端电压来调节线路潮流。其中按照改变直流电压方式的不同,这类方案又可进一步细分为直流变压器(变换器)、串联可调电压源以及线间直流潮流控制器。本节将对这些直流潮流控制器进行阐述。
1.1 调节线路电阻方案
为调节线路潮流,文献[5]提出了在输电线路中串入可变电阻器的方案,其电路拓扑如图1所示。该拓扑由电阻和两组反并联的IGBT单元以及电感构成。反并联的两组IGBT单元能克服IGBT的单向导电特性,实现功率的双向流动,此外,由于IGBT不能承受反向电压,故每一个IGBT都与一个二极管串联来承受反向电压。电感L的作用是缓解IGBT频繁通断对线路造成的影响。当IGBT导通时,忽略IGBT与二极管的导通压降,电阻R被旁路;而当IGBT关断时,线路电流通过电阻R。通过调节IGBT的通断时间比例(占空比),可等效为改变串入线路中的电阻器阻值,从而相应调节线路潮流。如需要减小线路潮流时,等效为增大串入线路中的电阻值,可通过减小IGBT的占空比来实现。
与文献[5]相似,文献[6]也提出了一种可变电阻器方案,如附录A图A2所示。该方案由多个电阻单元串联组成,每个电阻单元都由电阻器、两个反向串联的IGBT和浪涌放电器(SA)并联构成,浪涌放电器的作用是为了抑制IGBT两端的过电压。显然,这种结构也能实现功率的双向流动,当IGBT开通时,该单元中的电阻被旁路,当IGBT关断时,该单元中的电阻被投入到线路中。通过控制投入线路中电阻器数目,等效为改变串入线路中的电阻器阻值,可以实现对线路潮流的调节。由于IGBT能实现快速的通断,故这种方案的动态响应较好,其缺点是IGBT的导通损耗较大。文献[6]还指出可以将每个单元中的反向串联IGBT换成断路器,与IGBT相比,断路器的损耗较小,但是其动态响应较慢。
总体而言,输电线路中串入可变电阻器方案的优点是结构和控制都比较简单,缺点是只能单向增大线路电阻,即潮流只能单向调节,并且电阻器上有较大损耗以及需要相应的冷却装置,因而这一方案较适用于输电线路长度较短且潮流调节范围较小的场合,对于结构较复杂的直流系统,该方案并不适用。
1.2 调节直流电压方案
为了克服可变电阻器只能单向调节潮流且应用场合有限的不足,学者们提出了通过改变直流电网中线路电压来调节潮流的方法,主要有在线路中串入直流变压器、可调电压源以及线间潮流控制器等3种具体方案。
1)直流变压器
直流变压器不仅可以连接不同电压等级的直流电网,还可以用来调节线路潮流,其基本原理是微调直流变压器输入/输出两端电压差,等效为在线路中引入一个串联可调电压源,通过调节该串联电压源的幅值即可调节线路潮流。文献[6]提出采用双向Buck/Boost变换器作为直流变压器,如附录A图A3所示。将该直流变压器串入线路后,通过调节开关管T1和T2的占空比可改变直流变压器两端的电压比例,等效为在线路中串入电压源Vt,从而可调节线路潮流。但双向Buck/Boost变换器的缺点是V1dc只能大于V2dc,也即线路中引入的等效电压Vt只能大于零。此外,当V2dc端线路短路时,通过关断T1可将故障隔离(即对V1dc端线路没有影响),但当V1dc端线路短路时,则无法实现故障隔离,即该直流变压器只能实现单端故障隔离。
为了解决文献[6]提出的直流变压器只能单向调节潮流以及单端故障隔离的缺陷,ABB公司研究人员对其做了改进,在电感右端增加了两个开关管,使电路以电感L为中心呈左右对称的结构,如附录A图A4所示[11]。该直流变压器在线路中引入的等效电压Vt无极性限制,潮流可双向调节,还可实现两端故障隔离。文献[12]也提出类似的直流变压器拓扑结构,如附录A图A5所示,其可以看作是两个双向Buck/Boost变换器级联而成。令T1和T3的占空比分别为D1和D3,则该直流变压器的输入、输出关系为:V2dc=V1dcD3/D1。文献[12]提出的直流变压器中的开关器件电压应力为Vlink,由于Vlink必须同时高于V1dc和V2dc,故其开关器件电压应力要比文献[11]提出的直流变压器中开关器件电压应力高,且还增加了一个中间高压电容Clink。文献[13]则将经典的双有源桥(dual active bridge,DAB)变换器作为直流变压器,在一个三端直流电网中进行了建模仿真,同时验证了其故障隔离功能。可见,传统的双向变换器基本都可以作为直流变压器使用,但这些双向变换器大多都不能适用于直流电网所要求的几十甚至几百千伏、兆瓦级别的功率等级,主要的局限是受限于开关频率、器件容量以及电磁元件的充放电能力等。
文献[6,11,12]提出的直流变压器采用IGBT串联阀作为开关器件,通常用于电压等级和功率等级不高的场合。对于更高电压等级和功率等级场合,可采用晶闸管串联阀或模块化多电平技术,如英国阿伯丁大学的Dragan教授提出了一种适用于高压大功率场合的谐振型直流变压器拓扑[14],如图2所示。该直流变压器采用晶闸管串联阀作为开关器件,通过合适的控制机制触发导通同一组晶闸管(编号相同的为一组),使电感L1或L2与电容Cr谐振,实现功率的双向传输与电压变换,还可实现晶闸管的零电流关断以减小开关损耗,提高变换效率,此外,该直流变压器也可双向隔离直流系统故障,防止故障扩散。文献[15,16]提出了一种基于模块化多电平变换器(MMC)技术的直流变压器,如附录A图A6所示。由多个子模块级联构成,子模块可以是半桥结构,也可以是全桥结构。由于采用了MMC技术,故在高压直流输电场合具有良好的应用前景。
与可变电阻器相比,直流变压器的优点是可实现潮流的双向调节,且大部分直流变压器还具有直流短路故障隔离功能,而其缺点是会明显增加系统的复杂性和成本,单纯从调节线路潮流作用来看,直流变压器更适合应用于不同电压等级直流电网之间的连接。此外,由于该方案处理的功率等级为系统级的,所以在电压等级较高的直流输电网中,可采用文献[15,16]中的模块化多电平技术,以减小器件的应力;对于电压等级较低的直流配电网,则更适合采用文献[6,11,12,13]中的方案。
2)串联可调电压源
由于直流输电线路的电阻通常比较小,所以直流电压微小的变化就会对线路电流产生较大的影响,基于此,研究人员提出了多种直接在线路中串入电压等级较低的可调电压源的方式来改变线路电压,进而控制线路潮流。
加拿大麦吉尔大学的OOI教授提出了一种基于晶闸管的可调电压源电路结构[17],如图3所示,其中ainv和adir分别为整流触发角与逆变触发角。该可调电压源由两个六脉波晶闸管变流器反向并联组成,以实现功率的双向流动。该可调电压源通过三相隔离变压器与交流系统相连,通过对交流电的整流或者对直流电的逆变产生串入线路中的正电压或负电压,从而调节线路潮流。由于可调电压源只需要产生很小的直流电压就可以大范围调节系统中的潮流,故该可调电压源的容量也很小。其不足是需要的功率器件数量较多,且在整流或逆变时会向交流系统注入一定量低次谐波。文献[18]将该可调电压源应用于一个五端直流电网系统,仿真表明其可以起到很好的潮流调节作用。ABB公司研究人员也提出了多个与图3相类似的可调电压源电路拓扑[19,20],如为了减少功率器件数量,避免使用两个六脉波晶闸管变流器反向并联,文献[20]提出了一种带晶闸管换向器的可调电压源拓扑,如附录A图A7所示。当线路电流为正方向(图中所示电流方向为正)时,导通T1组晶闸管,而当线路电流反向时,导通T2组晶闸管,既可实现潮流双向调节,同时又减小了功率器件数量。
当基于晶闸管的可调电压源电路串入线路中时,由于晶闸管只具有单向导通特性,线路短路故障会导致晶闸管桥臂承受很高的反向过电压,这将对装置的安全运行带来极大隐患[22]。为解决此问题,文献[21,22]先后提出了将MMC(子模块为全桥结构)作为可调电压源串入线路中以调节其潮流,如附录A图A8所示。由于全桥子模块自身固有的电流双向流通特性,子模块的电容电压在短路故障瞬间不会发生突变,子模块中的IGBT不会承受高电压,因此对线路短路故障有穿越能力。
由于串入线路中可调电压源所需的容量及其直流端口电压都较低,可以采用更简洁的电路结构,如文献[23,24]提出了一种AC/DC+DC/DC两级式可调电压源电路结构,如附录A图A9所示。电压源换流器(VSC)通过隔离变压器与交流电源相连,VSC维持其直流端口电压稳定,其直流端口再与一个全桥变换器相连,全桥变换器的输出端经电容C串入输电线路中,通过调节全桥变换器输出电压Vt的大小与极性,即可实现对线路潮流的控制。显然,该电路可实现功率的双向流动,当Vt的极性与附录A图A9中相同时,交流源向线路提供功率,VSC工作在整流状态;当Vt的极性与附录A图A9中相反时,线路将功率回馈给交流源,VSC工作在逆变状态。由于采用了多个全桥子模块级联或单个全桥变换器电路结构,都可实现电流的双向导通,因此可调电压源中的电力电子器件(主要为IGBT)不会因线路短路故障而承受高电压[5,21,22,23,24]。
上述可调电压源电路都需要采用工频变压器与交流系统进行功率交换,导致整个装置体积大、笨重。为此,ABB公司研究人员提出了一种可调电压源与MMC中子模块储能电容进行功率交换的方案[25,26],如附录A图A10所示。MMC中子模块本身具有电压平衡功能,若子模块与可调电压源之间的功率交换在其可控范围内,则在保证MMC正常工作的同时也实现了潮流调节功能,且可调电压源可用中频或高频变压器,以减小整个装置体积重量。
以上几种可调电压源电路结构通常适用于高压直流输电系统,对于低压直流配电系统,文献[27]也提出了一种可调电压源控制方案,并以一个两端系统为例进行分析,如附录A图A11所示。Bus1和Bus2的两个Boost变换器以及线路电阻R12组成一个两端直流配电系统,两个Buck变换器的输入端作为可调电压源,其输出端分别串入直流配电系统的两端。当开关S1闭合且S2断开时,ΔV1被旁路,ΔV2被投入线路中,此时功率由Bus2流向Bus1,反之亦然;当S1和S2均闭合时,ΔV1和ΔV2均被旁路,可调电压源不参与潮流调节。
与线路中串入直流变压器相比,在线路中串入可调电压源不需要承受系统级的高电压,设备投入少,损耗低,经济性较好,其缺点是需要额外的电源与之功率交换,增加了系统的复杂性。所以在实际应用中,对于结构简单的直流系统(例如三端或四端直流系统),可以大力推广这一方案。对于结构较复杂的直流系统(五端及以上),为了提高整个直流系统的工作效率,可以考虑减少该类潮流控制器的投入而采用其他方案。
3)线间直流潮流控制器
为了解决串联可调电压源需要外部电源的不足,Alstom公司研究人员提出了一种线间直流潮流控制器方案,如附录A图A12所示[28]。它无需外部电源,只利用线路之间的功率交换即可等效为在线路中串入可调电压源,从而实现潮流控制。文献[29,30]分析了该潮流控制器的工作原理和运行特性,通过控制6个开关管的通断,可以使得一条线路高频率地串入正电压Uc和0(旁路),另一条线路高频串入负电压-Uc和0,即可等效为在一条线路中串入正电压源而另一条线路中串入负电压源,从而实现线路的潮流调节。与此同时,电容C将不断处于充电和放电状态,实现电容电压的动态平衡。文献[31]也提出了一种适用于三端直流电网系统的线间直流潮流控制器。但该线间直流潮流控制器拓扑受到线路潮流方向限制,当线路潮流反转时,该线间直流潮流控制器无法正常工作,应用范围有限。
本文在综合分析多种潮流控制器拓扑的基础上,提出了一种新型的线间直流潮流控制器,其电路拓扑如图4所示。在线路1与线路2中分别串入两个电容C1和C2作为可调电压源,每个电容均并联一个旁路开关(S1和S2)及两组电路单元,电感L1和L2为耦合电感。开关S1及S2同时闭合时,两个电容均被旁路,潮流控制器不参与潮流调节,当开关S1及S2同时断开时,通过控制4个IGBT的通断即可实现功率在两个电容之间交换,从而实现对线路潮流的控制。
下面以I1和I2同为正方向,以按潮流控制要求减小I1、增大I2为例对其工作原理进行说明,即等效为在线路1中引入正电阻效应,在线路2中引入负电阻效应[29],故C1和C2的电压方向与图4中参考方向相一致。
根据电容电压极性,首先开通T1,则C1,L1,T1,D11形成回路,在Vc1作用下,L1电流上升,L1储能增加;一段时间后关断T1,并开通T3,此时T3,D33,C2,L1形成回路,在Vc2作用下,L1电流下降,L1中的储能转移到C2中。一段时间后再开通T1,则电路重复上一周期过程。可见,C1中的一部分能量转移到C2中,从而实现减小I1、增大I2的目的。设T1的占空比为D,与其互补导通的T3占空比为1-D,则两条线路的电压与开关管占空比关系如等式(1)所示。该新型线间直流潮流控制器克服了文献[31]中的直流潮流控制器在线路潮流反转时便无法工作的缺陷,同时开关器件更少,有较广泛的应用场合。
与可调电压源相似,线间直流潮流控制器方案不需要承受系统级的高电压,且不需要额外的电源与之能量交换,故线间直流潮流控制器的成本更少,损耗也相对较低,不论是直流输电网还是直流配电网,也不论系统的复杂程度如何,该方案都适用,在未来直流电网中将具有良好的应用前景。
对以上4类直流潮流控制器进行总结,对比各自的优缺点及应用场合,如表1所示。
2 仿真研究
为了验证前文对各类直流潮流控制器特性对比分析的正确性,本节在PLECS中搭建了一个五端直流输电系统仿真模型,从可变电阻器、直流变压器、可调电压源3类直流潮流控制器中各选出一种,分别进行仿真研究,并对提出的新型线间直流潮流控制器进行了仿真验证。五端直流输电系统如图5所示,该五端直流输电系统的端口5所在换流器控制直流电压为300kV,其余换流器处于定功率或定电流控制状态。其输电线路参数如表2所示。
根据电网结构和参数,在不投入任何潮流控制器的情况下,可以获得注入电流[I1,I2,I3,I4]T和支路电流[I12,I15,I14,I25,I45,I34]T之间的关系:
当注入电流为[I1,I2,I3,I4]T=[-0.6,-0.8,3,5]T时,可由式(2)计算出[I12,I15,I14,I25,I45,I34]T=[1.94,1.93,-4.47,1.16,3.51,3]T。
2.1 可变电阻器
选取文献[6]提出的可变电阻器方案,由于投入可变电阻器只能减小所在线路的电流,为实现电流双向调节,需要在两条线路中都串入可变电阻器。这里以在Line15中串入可变电阻器为例,在Line15中串入5个单元,每个单元中的电阻均为0.8Ω。
从第1s开始,每隔1s,在线路1中投入一个电阻单元,得到线路电流的波形如附录A图A13所示。在图中,1s时线路1中投入了一个电阻,所以I15随之减小。随着Line15中电阻单元的不断投入,I15也逐渐减小,当5个电阻单元都投入时,其功率损耗为2.77 MW,可见,可变电阻器方案的潮流控制器损耗较大。此外,从仿真波形中可以看出,可变电阻器方案不能实现线路潮流的连续调节,只能实现阶梯性的调节,这是因为串入线路中的电阻值也是阶梯性变化的。
2.2 直流变压器
选取文献[11]提出的直流变压器方案,将该直流变压器串入Line15中,首先控制I15为0.5kA,3s后再控制I15为3kA,得到仿真波形如附录A图A14所示。可见,在3s前后,I15均稳定在了给定的参考值,且暂态过程持续时间很短,相应地,电流I12和I14在3s前后也发生了改变。此外,由以上分析可知,在3s前后,直流变压器的输入/输出端承受的电压大小均为系统级的。与可变电阻器相比,该直流变压器能灵活地控制线路中的潮流增大或者减小,实现潮流的双向调节。需要注意的是,当控制I15为0.5kA时,直流变压器处理的功率为150.45MW,当控制I15为3kA时,直流变压器处理的功率为916.2 MW,即使直流变压器的效率高达99%,其损耗也有9.16 MW。可见直流变压器处理的功率为系统级的,必然会使其损耗和造价增大。
2.3 可调电压源
选取图3所示可调电压源方案,将其串入Line15中,首先控制I15为0.5kA,3s后再控制I15为3kA,相应的仿真波形如附录A图A15(a)所示。可见,在3s前后电流I15均稳定在了给定的参考值。附录A图A15(b)为相应的电容电压波形,3s前ΔU=-4.34kV,3s后ΔU=3.25kV。与上述可变电阻器方案相比,该方案只需在一条线路上接入可调电压源就可以控制两条线路的潮流,其灵活性较好;与直流变压器方案相比,可调电压源端口电压比系统电压小很多。并且当控制I15为0.5kA时,可调电压源处理的功率为2.17 MW,当控制I15为3kA时可调电压源处理的功率为9.74 MW,远小于直流变压器处理的功率,可调电压源的效率按95%计算,其损耗只有0.487 MW,远小于直流变压器损耗。该仿真验证了前文所述的该方案不需要承受系统级的高电压及大功率,经济性较好。
2.4 线间直流潮流控制器
选取图4所示的线间直流潮流控制器方案,将电容C1和C2分别接入Line15和Line14。首先,控制Line15的电流为0.5kA,3s后控制其为3kA,得到仿真波形如图6所示。从图6(a)可以看出,线路电流在3s前后都稳定在了给定的参考值,且可以实现两条线路的潮流双向调节。图6(b)为电容电压波形,3s前Vc1=-4.60 kV,Vc2=0.58kV;3s后,Vc1=9.77kV,Vc2=-14.84kV。显然,电容电压比系统电压小很多,同样不需要承受系统级的高电压。此外,当控制I15为0.5kA时,线间直流潮流控制器处理的功率为2.3 MW;当控制I15为3kA时,线间直流潮流控制器处理的功率为29.31 MW,其效率按95%算,此时的损耗为1.47 MW,同样远小于直流变压器的损耗。图6(c)为相应的二极管电流波形,从图中可以看出,该潮流控制器处于良好的工作状态。此外,与可调电压源方案相比,线间直流潮流控制器无需外部电源,降低了系统复杂性。
从以上分析和具体的算例来看,以现有的器件和技术水平,完全可以实现可变电阻器型、可调电压源型和线间直流潮流控制器的研制。
3 结语
本文对现有文献中的直流潮流控制技术进行了综述,比较详细地论述了各类方案的拓扑结构和优缺点及其实际的应用场合。结果表明,可变电阻器方案结构简单但应用场合有限,仅适用于输电线路长度较短且潮流调节范围较小的情况;直流变压器和可调电压源方案均可实现潮流双向调节但结构和控制较复杂,这两类方案中具有模块化结构的拓扑适用于直流输电网,其余拓扑则适用于直流配电网;线间直流潮流控制器方案则具有容量小、损耗小且不需要额外电源的优点,对于输电网及配电网均适用,相比于以上3种方案,该方案具有良好的应用前景。在每一类方案中选取了一种拓扑结构,将它们分别投入一个五端直流输电系统进行了仿真验证。目前国内外有关直流潮流控制技术的文献相对较少,有许多问题还需要进一步深入研究。
1)研究具有多重功能(例如能实现故障隔离等)的直流潮流控制器拓扑结构,弥补现有的直流潮流控制器的一些缺陷。
2)研究直流潮流控制器在直流电网中不同的接入位置对系统或其自身产生的影响。
3)研究直流电网自身的控制策略与潮流控制器相结合的方式进行直流潮流控制。
4)线间直流潮流控制方案具有其独特的优点,可对该方案进行重点研究,提出新的拓扑结构。
电网拓扑论文 篇3
大电网的形成和发展凸显了时域解析法计算量大、计算速度较慢的问题,且属于还原论性质的传统电力系统分析方法难以从整体上对电网性质进行描述。有学者开始利用复杂网络理论[1,2]从整体上研究电网结构与性能之间的关系。相关研究有:
1)利用复杂网络相关参数,如度分布、聚类系数、平均距离和介数等,从整体上揭示电网的规律,如电网的小世界特性、无尺度特性、不均匀性及电网的鲁棒性和脆弱性。文献[3]从电网拓扑结构出发,分析并验证了电网的脆弱强度与拓扑结构有着密切关系,以及电网小世界特性对连锁故障的影响。
2)利用网络中的结构特性发现重点保护对象,即对其中的骨干网与社区网进行挖掘[4]。文献[5]基于社团结构理论提出一种同调等值的新算法;将系统划分为研究区域和外部区域,并构建了分区评价指标;文献[6]提出了基于K-means聚类的社团探寻算法,并验证了社团内部比整个网络具有更加鲜明的小世界效应,对其的同步控制更容易实现。
3)利用网络中的行为特性解析电网连锁故障的传播机理。文献[7]分析电网小世界特性在连锁故障传播过程中的影响,指出较短平均距离及较高聚类系数等小世界特性是发生连锁故障的原因所在。
4)结合电网分析方法的应用研究。文献[8]将线路电抗值引入电网的拓扑模型中,提出了带权重的线路介数作为脆弱线路指标的辨识方法;在此基础上,文献[9]引入节点运行极限系数,在多种故障模式及新的故障指标下研究了电网对关键节点的依赖性等。
本文在充分考虑电网物理及运行特性同时,基于复杂网络理论对电网进行网络数据挖掘分析。
1 电网的网络拓扑数字化
电网拓扑化是进行网络化分析的前提条件,其规则可简述为:节点代表发电厂、负荷和变电站,边代表输电线路,详细拓扑化原则参见文献[7,8,9]。但电网作为一类典型的复杂网络有其自身的物理和运行特点:①输电线路材质、长度及电压等级的不同使得线路的电能承载能力存在差异;②输电线路阻抗的存在,造成线路有功和无功功率的损耗;③网络中同时传输由基尔霍夫定律决定的有功功率和具有区域解耦特性的无功功率。因此,合理的拓扑模型是分析关键。针对上述特点,结合已有成果,本文提出了采用有向加权拓扑模型进行电网建模。
令线路权重αij为:
式中:Zij=Ri+jXij为线路阻抗;λij为线路电压等级因子,有
Vij为线路ij的电压等级;V0为考察电网中线路选定基准电压等级值,可选取网络中电压等级最低线路为基准值。
线路权重αij的物理意义分析如下:输电线路对电能的传输能力不仅取决于线路自身材质(阻抗),而且与其电压等级相关。对于任意两节点i,j之间存在m条输电路径l1,l2,…,lm,如图1(a)所示。
将m条输电路径简化为m条输电线路l1’,l2',…,lm',见图1(b)。对于任意线路l1',l2',…,lm'来说,节点i,j间电压落差相同,阻抗越小,线路传输的电能就越多,根据式(1),线路权重就越小。因此,选其作为节点i,j间的最短电气路径是合理的;而对于相同输电材质及长度的线路来说(即阻抗相等),电压等级越高,输送电能就越多(线路产生的无功也越大),且与线路电压平方成正比关系。因此,引入电压等级因子是合理的,如式(2)所示。
对于线路损耗问题,提出通过增加线路虚拟节点的方法,对网络进行无损化处理。所增虚拟节点性质(能量汲取或注入)由线路实际损耗决定。例如:在有功网络中,增加节点性质一般为有功汲取节点,即负荷节点;而在无功网络中,根据无功正方向的选取,增加节点性质可能为无功汲取节点,也可能为无功注入节点。
电网中同时存在着有功和无功功率的传输,且从能量输出和注入角度分析节点性质,存在较大差异。例如:在有功网络中,发电机节点一般为能量输出节点,负荷节点一般为能量注入节点;而在无功网络中却并非如此,根据传输方向的选择,发电机节点既可能是无功输出节点,也可能是注入节点。负荷节点亦然。进而在有向拓扑模型中,对最短路径的选取影响极大。因此,对有功网络进行分解建模十分必要。而两者间仅存在弱联系的固有物理特性,故本文提出采用有功和无功网络分解建模方法。在有功网络中,定义电网最短有功电气路径为由有功注入节点指向有功汲取节点,所经线路权重之和最小的有向加权路径。其中线路权重取Re(Zij),最短路径方向与线路有功潮流方向一致;在无功网络中,根据选取的无功传输正方向,定义最短无功电气路径为由无功注入节点指向其他无功汲取节点,所经线路权重之和最小的有向加权路径。其中线路权重取Im(Zij),最短路径方向与线路无功潮流方向一致。则有向加权最短电气路径数学表达式为:
式中:为加权有向最短电气路径;Ω1为最短电气路径所含线路的集合;αij为线路lij的权重。
从直观上讲,节点度数Di越大就意味着这个节点在某种意义上越“重要”。Di定义为:与节点相连边的条数。考虑网络传输方向,可将节点度数分为入度()和出度(),入度为网络传输注入节点的线路条数,出度为流出线路条数。当网络运行状态发生改变时(不包括网络结构的变化,即线路的投切等),入度和出度可能会随之发生变化,但节点度数一定会发生变化,显然有:
节点(线路)介数是衡量节点在网络中的影响力或重要性。若某个节点被其他路径经过,则表示该节点在网络中很重要。定义为:节点(线路)被加权有向最短路径经过的次数之和。节点i介数Bi为:
式中:nkl为节点k,l之间的最短路径条数;nkl(i)为节点k,l之间的最短路径中经过节点i的条数;v为网络节点集合。
考虑到增加虚拟节点后,所在线路被分为2段,原线路介数值计为所分2段线路介数值的平均。对于任意节点k,根据线路方向有(注入线路)与(汲取线路),在电网有向拓扑模型下节点介数和与之相连线路介数之间的关系显然有:
式中:Ω2为与节点k相连的线路集合。
由复杂网络理论可知,节点度是节点所在拓扑模型中的静态结构特征的反映;介数是节点的吞吐量、访问量、通行能力及其在网络中的活跃程度的反映。如果将度数看做一个一维变量,则介数可视为一个由多个因素决定的多维变量,且度数包含于介数(Di⊆Bi)。如果将节点介数除以度数,则所得参数的物理意义在于:与节点相连的线路对节点活跃程度的平均贡献度(average contributiveness),也可理解为节点对与之相连的线路的平均相互作用(信息或能量的传递)强度,记为Cavg:
在静态网络(多数社会学网络)模式下,一旦网络结构确定,节点的介数B和度数D为定值,则计算所得Cavg也为定值;而在实时网络中,介数B会因网络运行状态的变化而发生改变,则Cavg也会随之发生改变。如取时间t为因变量,有非单调时间函数Cavg(t),存在上下限[]。如果将Di用替代,则有,即注入线路或汲取线路对节点i的平均贡献度。
下面通过一简单示例对Cavg(t)值的作用进行说明:假设电网中存在具有相同较高介数B0的节点a,b,其度数分别为Da=5,Db=2,如图2所示,虚线内为略去的网络其他部分。
根据题设,由于2个节点具有较高介数,在电网中节点a的拓扑类型一般可对应为地理位置较为重要的枢纽节点,而节点b的拓扑类型以高压输电线路的传输节点为主。2个节点具有相同的介数B0,表明2个节点具有相等的网络活跃程度。根据式(7),有,表明节点a与线路间的平均相互作用强度要小于节点b的。从能量角度出发,如果节点a发生故障或扰动,故障或扰动能量可以沿多条线路进行“分摊”传递,有加速故障或扰动传播的作用,但能量对线路及其他节点的冲击相对分散;而节点b的传输路径相对单一,能量冲击相对集中,易引起线路越限或阻塞,其引发连锁故障的概率较大。由此得到以下结论:节点a为网络拓扑枢纽节点,节点b为(能量)传输枢纽节点。可见,本文提出的平均作用强度Cavg从一定程度上反映了节点对网络传输物(信息、能量等)的承载或传播能力,有细化区分节点的作用。
2 骨干网与社区网的挖掘
骨干网挖掘是对网络中重要节点的发现过程,即通过不同粒度下的网络挖掘,发现其中的重点保护对象。由此来制订有针对性的保护策略,达到提高网络防护效率和降低防护成本的目的。一般来说,骨干网挖掘主要包括3个步骤:①网络参数选取;②骨干网重构;③粒度调整。其中网络参数一般有节点度数、介数及聚类系数等。不同挖掘参数所得骨干网的规模和性质有所不同,当然也可结合多个参数组合的综合判据进行挖掘,即
式中:∑i为挖掘参数综合判据;Di,Bi,Ci,Γi分别为节点i的度数、介数、聚类系数和其他网络参数;α,β,γ,δ为权重系数。
社区网挖掘,也称为抱团特性挖掘,它是对复杂网络中广泛存在的抱团特性,通过对节点与边性质的分析,发现网络中的社区结构[4]。社区网挖掘可以看做将一个复杂的网络划分成若干个子系统的过程。社区网挖掘以基于边介数的挖掘法最为常用,即逐一剔除介数值最高的线路。由于社区网之间相互连接稀疏,当某一社区网发生故障,且可能引起电网发生连锁故障时,可通过切断社区间的关键连接来阻止故障蔓延,实现对关键社区的保护;而社区网内部连接非常紧密,可看做一个小的整体。从网络运行控制角度思考,对区域最优控制节点的选取,对应到电网如无功备用、紧急切机和切负荷地点的选取等有着十分重要的意义。如果将社区网挖掘看做是多个子系统恢复整合的逆过程,对电网恢复也有一定的参考价值[10]。
3 算例分析
以IEEE 39节点系统为例(见附录A图A1～图A4)。不计电网物理特性和运行状态,即以无向无权拓扑模型处理;以最短路径原始定义计算,即任意2个节点间支路数最小路径。对系统的节点度数Di、介数Bi和平均贡献度、线路介数Bij进行计算,见附录B表B1,节点介数示意图如图3所示。
在无权模型中,介数值高的节点(线路)主要集中在网络的枢纽节点(线路),如节点16,14,4,17;而发电机节点(除节点39)介数值最小,这与其一般位于网络的边缘节点位置密切相关。然而发电机节点在电网中的重要程度不言而喻,可见,在无向无权网络中网络参数并不能较好地反映出节点在网络中的重要程度及作用。
根据文中定义,对系统原始无向无权拓扑模型进行有功和无功网络分解建模,其有向加权拓扑见图4。其中,图4(a)以发电机节点30有功注入方向为有功网络正方向,G为有功注入节点,L为有功汲取节点,L'为有功汲取虚拟节点,其他为传输节点;图4(b)以发电机节点30的无功注入方向为正方向,G为无功注入节点,L为无功汲取节点,G'和L'为无功注入和汲取虚拟节点,其他为传输节点。
根据有向加权拓扑模型下的最短路径定义,计算有功和无功网络参数,见附录B表B2、表B3。对比表B1～表B3中的单元介数如图5所示(由于无权网络中介数较大,采用对数刻度)。
从图5中可以看到:无向无权模型节点介数普遍较大,这与其最短路径的定义(任意2个节点间的最短路径)相关;而在本文模型(有向加权拓扑模型)中,受节点性质(能量的注入与汲取)及传输方向约束,最短电气路径大大减少,使得节点介数相应减小。其次,无向无权模型与有向加权无功模型具有大致相同的曲线走势,而有向加权有功模型则有所不同。这表明在不计电网运行状态下,从纯拓扑模型角度分析电网结构性质,与计及电网状态及电网物理特性下的无功拓扑模型结果相近,证明了无功网络与电网结构间有着密切的关系。而在有功模型中,发电机节点处曲线趋势有明显的提升,充分反映了发电机节点在电网运行中的重要作用,一定程度上说明了有功网络与电网运行状态间的关联关系。
从IEEE 39节点有功网络数据可以看到,介数值相对较大的节点主要集中在发电机节点和网络枢纽节点(16,17)上,介数值较小的节点主要为终端负荷节点,表明了这些节点在网络中的重要性。而平均贡献度值较大的则多为发电机节点,符合电网传输电能的一般规律,即发电机母线对相连支路有较大影响。
从IEEE 39节点无功网络数据可以看到,介数相对较大的节点集中在功率交换较多的网络枢纽节点上,而发电机节点的介数值发生了较大改变,多处于网络终端(边际)的发电机节点介数有了大幅下降,表明无功网络中节点的重要程度与其在电网中的“位置”(网络结构)密切相关。
对无功网络进行骨干网和社区网挖掘:
1)以节点介数为参数进行骨干网挖掘,分别取粒度N为25,16,10,5,如图6所示。
随着挖掘粒度的细化,无功骨干网凸显为网络中的枢纽节点,而未包含发电机节点,这与电网中发电机节点多为网络边缘节点的特征相符合。表明了无功网与电网结构(固有属性)紧密联系的特点。
2)采用线路介数法对网络进行社区网挖掘,分别取粒度N为3,5,8,11,不同粒度下的分区数与节点划分如表1所示。
当取粒度N=11时,电网被划分为5个分区,如图7所示。当N>11时,出现孤立发电机节点,停止划分。从分区结果来看,每个分区内部节点联系程度较高,且都含有发电机节点,结构相对独立。
与其他同类型研究分区结果[11,12,13]进行对比:文献[11,13]采用最优聚类原理对IEEE 39节点系统进行了分区计算,在分区数相近(本文为5分区,文献[11,13]为6分区)时,其结果与本文分区结果有一定的一致性,如本文中区域4:{16,24,23,36,21,22,35}和区域5:{19,20,34,33}。但由于本文从能量注入和汲取角度考虑节点性质,对于节点39,虽为发电机节点,但由于自身负荷大于其出力,因此对于网络来说,其节点性质为能量汲取节点(负荷节点)。文献[11,13]中出现的分区{1,39,9}在本文中未被独立划分出来,因为须符合“应保证每个分区内有足够的电压无功源维持本区域的电压水平”准则,而这样的划分也直接影响了相邻区域的划分,如在文献[11,13]中出现的区域:{37,25,26,27,30,2,3,18,17}和{4,14,5,13,6,12,7,11,10,8,31,32}。从功率交换角度和结构独立性上考虑,未被划分区{28,29,38}和新划分区区域1、区域2、区域3在满足准则的基础上,凸显了区域间弱联系及区域内部联系紧密的网络特性,一定程度上表明了划分的合理性。
4 结语
基于电网有功和无功网络分解的有向加权拓扑模型考虑了电网中线路潮流方向、线路阻抗和电压等级对复杂网络网络参数的影响,通过网络数据挖掘实现了对重要节点和线路的脆弱性辨识,以及无功电压分区。研究表明:
1)针对电网中有功网络与无功网络间的弱联系及无功网络的区域解耦特性,对电网拓扑模型进行有功和无功网络分解可行且合理;
2)骨干网挖掘能快速发现电网中的重要节点及线路,为电网实施针对性防护策略提供了依据;
3)基于社区网挖掘的无功拓扑划分结果与其他无功电压分区算法结果基本一致,且从能量注入和汲取角度考虑节点性质更符合分区划分“准则”,提高了分区的合理性。
复杂网络理论的应用为从整体上研究电网结构与性能之间的关系提供了新的理论工具。
附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。
电网拓扑论文 篇4
我国幅员辽阔,可再生能源储量丰富。广袤的戈壁和将近两万公里的海岸线带来了丰富的风能资源,全国风能资源总储量约32.26亿kW,可开发和利用的风能储量有2.53亿kW[1]。另外,我国太阳能资源也相当丰富,其储量相当于每年17 000亿t标准煤[2]。我国风能与太阳能分布较为集中,有利于开发大型风电基地和大型太阳能基地,全国九大风力发电基地、藏甘宁疆蒙的多个大型太阳能发电基地已经建成或列入建设计划。
但是风能、太阳能属于间歇性电源,具有随机的特性;另外,受限于电力系统消纳能力,大量可再生能源得不到有效利用。传统的交流电网结构、电力设备和运行技术在接纳大规模可再生能源并网时越来越力不从心,因此必须采用新的电网结构、电力设备和运行技术来满足新的能源格局。直流电网脱颖而出,成为解决该问题的有效手段[3,4]。与交流输电相比,高压直流输电(HVDC)技术具有稳定性好、输电效率高、调节快速可靠、节省输电走廊等优势。无论是用于具有随机性、间歇性特点的新能源并网,还是用于长距离大容量电力输送,直流电网都具有明显的优势[5]。
1 直流输电技术发展历程
1.1 传统直流输电技术
基于线路换相换流器(Line Commuted Converter,LCC)的HVDC技术的研究始于20世纪50年代,被称为传统直流输电技术。第一个使用晶闸管阀的HVDC系统是1972年投入运行的伊尔河工程,该工程形成了在加拿大的新布朗斯维克省和魁北克省之间的320 MW背靠背联络线。LCC-HVDC技术逐渐应用于超过30 km的水下电缆、两交流系统间的非同步连接、长距离大容量的架空线输电中[6]。到80年代,LCC-HVDC的研究达到了一个高潮,关键技术逐渐成熟,应用于工程实践的LCC-HVDC项目电压等级不断提高。已经投运的中国锦屏至苏南直流工程的最大容量为7 200 MW(±800 kV/4.5 kA),更高等级的1 100 kV传统直流输电系统正在研制中。
然而,由于晶闸管阀没有自关断电流的能力,并且其开关频率也较低,使LCC的性能受到了约束。一般来说,LCC-HVDC的受电端必须有一个容量足够大的电力系统,由该系统提供换向电流,换流器才能将直流电逆变为交流电,送入受端电网;若受端电力系统容量较小,无法提供足够的换向电流,传统直流输电就无法工作[7]。另外,LCC-HVDC系统的潮流反转需要通过改变换流器电压极性来实现,在实际工程中,需要停运直流输电系统才能改变换流器的电压极性,十分不便。
1.2 电压源直流输电技术
大功率绝缘栅双极型晶体管的出现及脉宽调制技术和多电平控制技术的发展,使基于自换相电压源型换流器(Voltage Source Converter,VSC)技术的HVDC在近十年间得到了迅猛发展。
作为新一代直流输电技术,VSC-HVDC突出了全控型电力电子器件、电压源换流器和脉冲宽度调制三大技术特点,解决了传统直流输电技术的诸多固有瓶颈:实现有功功率和无功功率的独立控制,无需无功补偿;无需电网提供换向电流,可对弱交流系统乃至无源交流系统供电;潮流反转时只需改变电流极性,可保持电压极性不变,实现了潮流反转时的连续运行[8]。VSC-HVDC技术与LCC-HVDC技术的对比如表1所示。
世界上第一个商业运行的电压源直流输电工程于1999年6月在瑞典哥特兰岛投运,其换流器为两电平结构,输送容量为50 MW,直流侧电压为±80 kV,用于将南斯风电场的电能输送到哥特兰岛西岸的维斯比市[9]。第二代电压源直流输电工程一般采用三电平换流器,直流侧电压最高达到±150 kV,输电功率达到了330 MW,克劳斯桑德联络工程和莫里互联工程采用了该方案[10,11]。第三代电压源直流输电工程以2007年投入运行的伊斯特互联工程为代表[12],采用了优化脉宽调制技术。随着技术的发展,新建的VSC-HVDC工程容量越来越大、电压等级越来越高,截止2010年,世界上投运的电压源直流输电工程共14项,其中包括中国的南汇工程,如表2所示。
近十年来,VSC-HVDC技术进入了快速发展阶段,人们提出各种换流器新型拓扑结构来满足新能源并网的需求[13,14]。特别的,模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)因其高度模块化结构、无需换流变压器和滤波器、具有公共直流母线等显著优点成为国内外近年来的研究热点。
1.3 多端直流输电技术
通过串联、并联或混联的方式,将3个以上换流站连接起来的输电系统被称为多端直流输电(Multi-terminal HVDC)系统。多端直流输电系统用于连接多个交流系统,实现多点送电和多点受电。图1给出了多端直流输电系统典型的拓扑结构。
与串联式结构相比,采用并联式拓扑结构的多端直流输电系统具有更小的线路损耗、更易实现的绝缘配合和更灵活的扩建方式,因此被广泛采用。
由于VSC较LCC具有潮流反转时只需改变电流极性的优势,VSC更适合构成多端直流输电系统。世界上目前在建的电压源多端直流输电工程共有4个,分别是美国的Super Station、挪威-瑞典的SouthWest Southen、中国的南澳风电场和舟山工程。
为解决大型风电场并网问题,人们提出了利用多端直流输电技术连接风电场和现有交流系统的新颖方法[15,16,17],这使得直流输电技术的适用范围越来越广。
1.4 直流电网技术
世界各国的研究者们普遍认为,直流电网(DC Grid)是多端直流输电系统发展的未来趋势。对于直流电网的定义,仍存在争议。德国亚琛工业大学提出具有不同电压等级的海上风电场内部直流电网[18];瑞典皇家理工学院提出具有网状拓扑结构的直流电网:多直流端直接互联且互为备用[19];CIGRE“HVDC Grid Feasibility Study”工作组认为,直流电网应当是换流器直流端互联所构成的网格化结构电网[4];文献[3]认为,直流电网是由大量直流端以直流形式互联组成的能量传输系统,可以分为直流输电网和直流配电网2种存在形式,前者一般采用网状结构,后者一般采用树枝状结构;文献[20]认为,从多端直流输电系统所连接的交流系统中引出多个换流站,通过多组点对点直流连接不同交流系统,形成“一点对多点”和“多点对一点”即可构成直流电网;还有部分国内专家认为,从拓扑上来区分,直流电网应不仅具备网状结构,还需具备辐射状结构。
相比于多端直流输电系统,直流电网具有更多优势:1)换流站的数量可以大大减少,只需要在每个与交流电网连接点设置一处,这不仅能显著降低建设成本,而且能够降低整体的传输损耗;2)每个换流站可以单独地传输(发送或接收)功率,并且可以在不影响其他换流站传送状态的情况下将自己的传输状态由发送/接收变为接收/发送;3)拥有更多的冗余,即使一条线路停运,依然可以利用其他线路保证送电可靠;4)通常拥有超过一个直流电压等级,便于不同电压等级直流系统间的互联。
目前尚未有建成的直流电网工程。欧洲北海沿岸各国提出了北海Super Grid规划,旨在充分利用可再生能源的同时,实现国家间电力交易;德国提出了非洲撒哈拉沙漠大型太阳能项目直流电网设想;美国提出将建立由东岸到西岸、加拿大到墨西哥的2030年电网预想[21,22,23]。
2 直流电网典型拓扑
2.1 环形拓扑
环形拓扑,是由直流线路将连接各交流系统的换流站成环形连接起来的直流电网结构,如图2所示。
该拓扑需要N个直流断路器和N条线路(N为换流站数量)。发生换流站故障或线路故障时,首先断开与故障点相连的两处直流断路器,令系统处于开环状态;当故障电流下降至零时,隔离开关可断开隔离故障区域,与故障点隔离开来的断路器可重新闭合。
环形结构中某处发生故障时,通过操作直流断路器和隔离开关,可令潮流不经过故障点而变向通过其他路径传输;但是,由于故障时可能发生单条线路输送系统全部功率的情况,线路额定容量应按照系统总容量设计。
20世纪90年代,文献[24,25]使用环形拓扑构建大城市城区直流电网,提升了城市供电电能质量,具有很高的前瞻性;文献[26]将环形拓扑应用于可再生能源并网,对比了不同负荷情况下网络的表现,验证了环形拓扑用于可再生能源并网的有效性;文献[27]的研究表明,环形拓扑结构可以有效解决光伏电站经高压直流系统并网时出现的电压等级不匹配问题。
2.2 辐射型拓扑
辐射型拓扑是由直流线路将连接各交流系统的换流站连接至中心节点的直流电网结构,如图3所示。
该拓扑需要N个直流断路器和N条线路(N为换流站数量)。发生换流器或线路(除中心节点外)故障时,可断开对应线路上的直流断路器以隔离故障。
辐射型拓扑中,当任意一条线路发生故障,对应交流系统输送的功率会全部丢失;中心节点发生故障时,整个网络会瘫痪。
文献[28,29,30,31,32,33]的研究表明,辐射型拓扑适用于数量较少的风力发电厂的并网。
2.3 网状拓扑
在环形拓扑的基础上,添加换流站间直流线路使直流电网形成网格,即网状拓扑,如图4所示。
该拓扑需要(N+M)个直流断路器和(N+M)条线路(N为换流站数量,M为新添加线路数量)。该拓扑发生换流站故障或线路故障时采取的故障隔离措施与环形拓扑一致。
网状结构中某处发生故障时,通过操作直流断路器和隔离开关,可令潮流不经过故障点而变向通过其他路径传输;并且,故障时不会发生单条线路输送全部功率的情况,与环形拓扑相比,降低了线路设计容量。
文献[34]将网状拓扑应用于城市中的中压输电网络,提供了一种未来城市配电系统的建设思路;文献[35]为体现其研究成果的一般性,基于网状拓扑结构,研究了可用于直流电网分布式控制策略;丹麦与瑞典、德国共同合作,在克里格斯浅滩建立了基于环形拓扑的超高压直流电网[36],用于向欧洲客户供应可再生能源。
2.4 混合结构拓扑
通过结合直流电网的网状拓扑和辐射型拓扑,可构成混合结构拓扑[37],如图5所示。
该拓扑需要(N+M)个直流断路器和(N+M)条线路。该拓扑发生网状结构中换流站故障或线路故障时采取的故障隔离措施与网状拓扑一致;发生辐射型结构中换流站故障或线路故障时,断开对应线路断路器即可。
混合结构拓扑同时具备了辐射型拓扑和网状拓扑的特点,电网的潮流控制更为灵活,故障隔离措施也更为复杂。
文献[38]基于混合结构拓扑,通过仿真研究分析了与交流多机系统相连接的直流电网的稳定性;同样基于该拓扑,文献[39]提出,合适的直流电网控制系统参数设置有助于减小其所连接的交流系统的频率偏差。
3 直流电网潮流控制策略
确定直流电网拓扑后,应当根据电网中各换流站的控制目标设计直流电网控制策略,实现电网的稳态和暂态控制。主从控制和直流电压下垂控制是直流电网中较经典的2种潮流控制策略[40],基于这2种控制策略,许多改进的控制策略被提出,以适应不同的场合。
3.1 主从式控制
主从式控制指的是在直流电网中所有与交流系统连接的换流站中选取一端作为主换流站,采用定直流电压控制,而其它换流站为从换流站,工作于定直流电流或定直流功率方式的控制策略[40]。图6所示为一四端直流电网采用主从式控制时的特性曲线。
图6中,换流站1为主换流站,控制电网直流电压恒定,换流站2、3、4为从换流站,控制各自的功率;换流站1、4工作于整流器模式,换流站2、3工作于逆变器模式。
各从换流站同时作为后备定直流电压站运行,加装直流电压偏差控制器,换流站2的直流电压偏差为Δudc1,换流站3的直流电压偏差为Δudc2,换流站4的直流电压偏差为Δudc3,且Δudc1>Δudc2>Δudc3,即3个从换流站按照后备优先级排序时,换流站4高于换流站3,换流站3高于换流站2。
直流电网正常运行时,换流站1通过平衡电网功率确保直流电压恒定。当换流站1因为故障退出运行,换流站4作为优先级最高的后备电压控制站,接替换流站1控制电网直流电压;若换流站4接着退出运行,换流站3作为优先级次之的后备电压控制站,接替换流站4控制电网直流电压。
主从式控制实现起来较简单,有利于系统可靠性的提高;为了减小电网电压控制站改变时的冲击,应当设置较小的各换流站电压偏差值之差[41]。
3.2 直流电压下垂控制
直流电压下垂控制指的是直流电网中各换流站输出电压随输出电流或功率呈斜率为负的线性变化,以使系统功率在各换流站间稳定分配的控制策略[40]。尽管直流电压下垂控制与主从式控制方法具有不同的工作原理,但二者电压控制器结构基本相同[42]。图7所示为一四端直流电网采用直流电压下垂控制时的特性曲线。
图7中,换流站1、4工作于整流器模式,换流站2、3工作于逆变器模式。
直流电网正常运行时,各换流站的输出功率值由直流电压参考值与各自下垂特性曲线的交点确定。单个或多个换流站因故障退出运行后,其余换流站根据下垂曲线与电网中剩余功率值自动分配功率配额,并确定新的运行电压。
直流电压下垂特性曲线类似于交流电网中的频率下垂特性[43,44],使得电网功率得以在各个换流站之间稳定分配,功率分配性能的优劣取决于下垂特性曲线的下降斜率。如果下降斜率较大,则功率分配特性较好,并不易发生功率振荡,但是由于电压下降较快,电压质量较差,而直流电压若偏离额定值过多也会造成系统无法稳定运行;相反,如果下降斜率较小,则电压质量较好,但是功率分配性能较差。
文献[40]、文献[45]的研究工作表明,五端混合结构拓扑直流电网中,直流电压下垂控制较主从式控制更有利于潮流的精确控制。
3.3 改进后的潮流控制策略
针对不同的应用场合,人们在主从控制、直流电压下垂控制的基础上提出了更多潮流控制策略,以满足直流电网运行的需求。
文献[46]、文献[47]令直流电网中不同换流站分别采用主从控制和直流电压下垂控制,以同时满足各换流站不同的控制目标;文献[48]将主从控制与直流电压下垂控制结合起来,提出了一种新型潮流控制策略,既实现了换流站直流功率的跟踪,也加快了直流电网动态响应能力;文献[49]、文献[50]对直流电压下垂特性曲线进行改进,设计了不同工况下直流电网控制策略的转换,有助于系统受到干扰后的恢复;文献[4]提出了一种具有下垂特性的自适应控制策略,该策略对直流电网中每一个换流站给定一个“负荷参考设置点”,可使直流电网损耗最小化。
4 结语和展望
高压直流输电技术是解决中国乃至世界新能源并网、跨区域远距离大容量电力输送问题的有效手段,对于复杂的区域性新能源并网问题,直流电网将成为有效解决方案。
从换流器类型的角度看,直流输电技术的发展经历了传统直流输电技术、电压源直流输电技术2个重要阶段;从拓扑角度看,直流输电技术的发展经历了两端直流输电、多端直流输电和直流电网3个阶段。基于电压源换流器的直流电网将会是未来直流输电技术发展的趋势。
直流电网有多种典型拓扑,每种拓扑均有其适用场合。环形拓扑实现起来较简单,辐射型拓扑常用于风电场并网,网状拓扑和混合结构拓扑更适合于大规模直流电网的选用。
主从式控制和直流电压下垂控制是常用的2种潮流控制策略,基于这2种策略的改进控制策略层出不穷。实际工程中,应当根据情况选择合适的潮流控制策略。
目前世界上还未有一例直流电网工程,针对直流电网的研究,大多停留在仿真阶段。直流电网的关键技术,如直流电网关键设备研制、直流电网控制技术、直流电网保护技术等,仍处于不成熟的阶段,需要长足的发展。相信在不久的将来,直流电网技术会日趋完善,目前的大量研究成果能够实现实际应用。
摘要：随着新能源的发展和跨区输电规模的增长,交流电网已经不能满足未来电力输送的需求,中国乃至世界各国都在寻找解决方法。高压直流输电因其特有的优势,成为未来电力输送的解决方案。从直流输电技术的研究背景入手,讨论了由传统直流输电技术到电压源直流输电技术、由多端直流输电技术到直流电网技术的直流输电技术发展历程,总结了直流电网可采用的环形、辐射型、网状和混合结构等典型拓扑,分析了直流电网主从式控制、直流电压下垂控制的工作曲线和特点,并介绍了改进后的直流电网潮流控制策略。最后,对直流电网的发展进行了总结和展望。
电网拓扑论文 篇5
电网拓扑分析(厂站间的网络系统)主要根据开关状态进行电气岛的划分,其作用是把电力系统物理模型转化成网络分析所需的数学模型[1,2,3,4,5,6,7],为潮流计算、状态估计、故障分析等提供网络拓扑及参数信息。
电网拓扑分析的实质是电网连通性的判断。目前主要包括矩阵法和搜索法两类。矩阵法在邻接矩阵的基础上,通过不同的计算方式获取表征系统全局连通性的全连通矩阵[8,9,10,11]。而搜索法则由某一节点出发,按一定路径搜索相关母线及支路,进行连通片的划分,主要分为深度优先搜索法(depth first search,DFS)和广度优先搜索法(breadth first search,BFS)两种[12,13,14,15,16,17,18]。
上述方法主要应用于静态网络拓扑分析,在适应网络变结构的拓扑快速更新方面的研究则相对较少[19,20,21,22,23]。智能电网的建设和发展,迫切需要从根本上改善电网拓扑适应系统结构非预设性变化的水平,这就要求当电网结构发生变化时,拓扑能够进行快速更新,以适应当前的运行方式。基于此,本文提出一种基于关联矩阵标记法和回路矩阵的网络拓扑分析新方法。该方法在系统正常运行情况下,利用关联矩阵标记法,完成电网静态网络拓扑分析。当网络拓扑发生变化后,借助回路矩阵,判断变化支路的属性,在此基础上,利用破圈法和半径搜索法,更新局部网络拓扑及回路矩阵。IEEE 39节点和IEEE 118节点系统验证结果均表明,该方法计算量小,更新结果快速准确,对于多种网络变结构情况均适用。
1 电网静态拓扑分析
1.1 关联矩阵及BFS
1.1.1 关联矩阵
设图G=(V,E)的顶点集合和边集分别为V={v1,v2,…,vp}和E={e1,e2,…,eq}。bij表示顶点vi与边ej的关联值,B=(bij)p×q为图G的关联矩阵[24]。简单网络如图1所示。
图1所示系统的关联矩阵B可表示为:
由式(1)可知,关联矩阵B有如下性质。
性质1:每条边关联两个节点,即列对应边,每列中元素为1的行数对应本边的端点,且每列元素之和均为2。
性质2:B中每行元素为1的列数对应该节点相连的边,因此,每行元素之和表示本节点所连接边的个数。
性质3:若某一行的元素均为0,则这一行对应的顶点是一个孤立点。
1.1.2 BFS
BFS基本思路:从图的顶点中任选一个作为根,添加与该顶点相关联的全部边,并将这些边对应的其他顶点作为生成树第1层的顶点,再将第1层的顶点任意排序,然后逐个访问第1层的顶点。在访问过程中,若不产生回路,则添加与这个顶点相关联的边,且边的另一端顶点成为第2层的顶点。遵循同样的搜索原则,经有限步即可得到生成树,树上每个顶点即为电气岛所包含的节点。
1.2 关联矩阵标记法
关联矩阵标记法是将关联矩阵的物理意义及BFS的搜索原则相结合,判断电网拓扑连通性,其思路如下。
1)设关联矩阵B的第1个非零元素为bij,则电气岛I的第1个元素为vi,以vi为根,搜索B中第j行的所有非零元素,将这些非零元素对应的边标记为树支,并将树支另一端节点加入电气岛内,作为系统生成树的第1层顶点。
2)由电气岛I内第2个元素开始,逐个搜索与其相关的边与节点,若节点vm为被访节点,则搜索B中第m行的非零元素。若非零元素对应列未标记过,且其另一端节点不在电气岛内,则将该列对应边标记为树支,并将该节点加入电气岛;若非零元素对应列未标记过,且其另一端节点已在I内,则将该列对应边标记为连支。
3)当搜索节点数与网络节点数相同,或全部边均被标记过,分析结束。
1.3 基于关联矩阵标记法的静态拓扑分析
利用关联矩阵标记法,判断图的连通性,同时标记网络的树支与连支,网络静态电气岛分析步骤如下。
步骤1:利用系统开关状态,形成电网关联矩阵B。
步骤2:将B中未被标记的第m列(m取1~q中的最小值)中第1个非零元素bim所在行对应的节点vi作为根,即节点vi为电气岛Ig(初始值g=1)的第1个元素。
步骤3:搜索第i行中全部非零元素bij所在第j列中的其余非零元素bkj。若第j列未标记过,且节点vk不在电气岛内,标记支路ej为树支,并将vk和ej分别加入电气岛Ig和树支集合Sg;否则,执行步骤4。
步骤4:判断电网节点是否全部已经形成电气岛,若全部形成电气岛,则转入步骤6;否则,执行步骤5。
步骤5:判断电气岛Ig内元素是否全部被搜索,若全部已搜索,电气岛编号g=g+1,转入步骤2;否则,取电气岛Ig内下一个元素vn,令i=n,返回步骤3。
步骤6:电网静态拓扑分析结束,并将未被标记的边作为连支,加入连支集合A中。
以式(1)为例,利用关联矩阵标记法分析电网静态拓扑。B中第1个非零元素为b21,由步骤2可知节点v2为根。首先,搜索B中第2行中非零元素,对应的列为1,4,8,这些列中其他非零元素所在行分别为4,5,1,将节点v4,v5,v1加入电气岛,再由电气岛第2个节点v4按此方法向下搜索直至结束。上述步骤标记的途径为e1→e4→e8→e6→e7→…,网络中所有节点均在同一电气岛内,被标记的树支集合为S1={e1,e3,e4,e7,e8},连支集合为A1={e2,e5,e6}。
2 电网拓扑更新
因停运、检修、扩建等因素,原始的电网拓扑将发生改变,可以分为两种情况:支路断开和支路闭合。其中,支路断开的情况主要包括:断开的支路为回路中的连支、断开的支路为回路中的树支、断开的树支不属于任何回路这3种情况。闭合支路的情况主要包括:支路两端节点在同一电气岛内、支路两端节点在不同电气岛内、支路一端节点为新增节点这3种情况。
2.1 回路矩阵
设u与v是图G的两个顶点,若u与v之间的途径l所经过的边互不相同,则称l为迹。若l中的顶点亦不相同,则称l为路。若G中存在一条u-v路,则称顶点u和v连通,并将起点和终点相同的路称为回路。由此可知,回路中任意两点间不只存在一条路,即回路中,边的断开不影响图的连通性,反映在电网拓扑中,即为电气岛分布不变。
为提高拓扑更新的效率,考虑到回路对拓扑的影响,本文定义回路矩阵为Lg(g表示电气岛编号),其中Lg第1列存放基本回路中连支的编号,该行其他位置存储本回路中树支,空位补0。根据静态拓扑分析所标记的连支与树支,离线形成回路矩阵。以图1所示系统为例,通过静态拓扑分析,标记出的连支为e2,e5,e6,则离线形成的回路矩阵L1如式(2)所示,其中第i行表示本拓扑下第i条回路。
2.2 支路断开情况下的拓扑更新
2.2.1 回路中连支断开
连支支路断开,电气岛分布不变,因此,仅需更新回路矩阵,将断开支路从连支中删除,并将其所在回路从回路矩阵Lg中删除即可。
如图1所示系统,若连支e2断开,电气岛不变,将e2从标记的连支中删除,并将式(2)中回路1(即第1行)删除,形成新的回路矩阵L1,如式(3)所示。
2.2.2 回路中树支断开
破圈法基本思路:若图G中至少有一条回路C,在C中任取一条边e,则G-e仍连通;直至最后一条边从最后一个回路中删除,所得图T即为G的一个生成树。因此,同一回路中任一树支可与其连支互换,而不影响其连通性。
回路中某一树支断开,不改变系统的电气岛,仅需更新系统的回路矩阵。根据破圈法,将断开树支所在某一回路的连支变为树支,并修改相关回路中元素,分为以下两种情况。
情况1:若断开树支仅在一条回路中出现,则直接将本回路中的连支变为树支,并将回路删除。对于图1所示系统,若树支e4断开,离线更新回路矩阵式(2):将支路e4所在的回路3删除,并将回路3中连支e6标记为树支。电网拓扑变化后树支、连支集合和回路矩阵分别为S1={e1,e3,e7,e8,e6},A1={e2,e5}及式(4)。
情况2:若断开的树支在多条回路中,选取包含支路数较少的一条回路i,将i中连支变为树支,并将回路i逐一与其余含断开支路的回路合并,在此基础上,删除两条回路的公共部分,再将回路i从矩阵中剔除。对于图1所示系统,若树支e1断开,由于e1同时存在于回路1,2,3中,选取支路数较少的回路3,将其连支e6变为树支,再与其他回路合并形成新的回路,得到更新后电网回路矩阵L1,如式(5)所示,该结果与电网拓扑吻合。
2.2.3 断开的树支不属于任何回路
若断开的树支不在任何回路中,电网的连通性将发生变化,导致电气岛分裂。为此,本文借助半径搜索法,由断开节点沿树支向下搜索,当有一新电气岛形成即结束搜索,拓扑更新完成。
根据图论的基本概念,设G是一个赋权图,每条边vivj上的权为wij≥0,每个顶点vi的权q(vi)≥0,d(u,v)表示在考虑边赋权下图G中顶点u到v的距离。图G的半径为:
对于某一连通图,若支路断开前连通图中树的半径为r,则支路断开后,最多仅需向下搜索至n=r-1级相关树支即可到达树的边界点,形成新的电气岛。
当电气岛分析结束后,利用如下步骤更新回路矩阵。
步骤1:根据搜索路径将新电气岛的树支从原拓扑中分离。
步骤2:将含新电气岛树支的回路存入新的回路矩阵。
步骤3:将新回路矩阵中的连支从原拓扑中分离。
图1所示系统中,树支e8断开后,回路矩阵如式(7)所示。
此时,若将树支e7再断开,考虑到树支e7不在任何回路中,电气岛将发生分裂,根据半径搜索法,由断开节点v1和v2同时分别向下搜索树支,搜索1级相关树支后,即可形成由节点v2,v4,v5组成的新电气岛。拓扑更新完毕,离线修改回路矩阵,新电气岛内包含的树支e1和e4均在回路2中,因此将回路2由L1中分裂,形成新的回路矩阵L2,如式(8)所示。
2.3 支路闭合情况下的拓扑更新
根据闭合支路端点的位置,支路闭合亦分为3种情况。
1)闭合支路两端节点在同一电气岛内,此时,电气岛分布不变,闭合支路为连支,离线修改回路矩阵即可。
2)闭合支路两端节点不在同一电气岛内,此时,将两端节点所在电气岛合并,并将两个电气岛树支、连支、回路进行合并,且将闭合支路加入树支集合。
3)闭合支路出现新节点。将新节点加入另一端节点所在电气岛,电气岛内闭合支路为树支,连支、回路均不发生变化。
3 算例分析
采用IEEE 39节点系统对本文方法进行验证,该系统的电气接线图如图2所示,支路编号及其对应节点如表1所示,其中加粗字体表示连支。
3.1 电网静态拓扑分析
根据表1中支路与节点的连接关系,以及开关状态(系统中断路器都闭合)形成关联矩阵,再基于关联矩阵标记法,进行电网静态拓扑分析,可得系统中节点均在同一电气岛I1内;所标记的树支、连支集合分别为S1={1,2,3,4,5,6,7,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,23,24,25,28,30,32,33,35,36,37,38,39,40,41,42,43,45,46}和A1={8,22,26,27,29,31,34,44},然后离线形成基本回路矩阵L1,如式(9)所示。
3.2 电网拓扑更新
3.2.1 支路断开
情况1:断开支路为回路中的连支。连支8断开后,电气岛的分布不受影响,仅需将支路8从原拓扑连支集合中删除,并将回路矩阵中其所在回路1删除即可。离线修改的回路矩阵如式(10)所示。
情况2:断开支路为回路中的树支。若系统在连支8断开后,树支6也断开,电气岛仍不变。式(10)中树支6包含在回路1,2,3中,选取支路数较少的回路2,将其连支26变为树支,然后将回路2与其他含有树支6的回路合并,同时删除公共支路,形成新的回路,最后将回路2删除,得到更新后回路矩阵如式(11)所示。
情况3:断开的树支不属于任何回路。树支36断开,由断开节点向下搜索系统树支,根据半径搜索法,搜索两条树支即可得到新电气岛,新电气岛的树支集合为S2={37,38,39}。离线更新回路矩阵,由于S2中的支路均不在回路中,因此无回路、连支从原电气岛中分离,即A2=0,两个电气岛的回路矩阵如式(12)与式(13)所示。
3.2.2 支路闭合
情况1:闭合支路两端节点在同一电气岛内。若式(11)中支路6闭合,其两端节点本身在同一电气岛内,电气岛分布无影响。离线更新回路矩阵,由于支路6为连支,因此增加一条回路,结果如式(14)所示。
情况2:闭合支路两端节点不在同一电气岛内。若式(12)与式(13)中支路36闭合,其两端节点分别在不同电气岛内,将两个电气岛合并,所得结果与3.1节中静态拓扑分析结果相同。
情况3:闭合支路出现新节点。若3.1节中静态系统增加一条新支路47,其两端节点为为新增节点。将节点加入节点所在电气岛,支路47为树支加入树支集合,不属于任何回路,回路矩阵仍为式(9)。
IEEE 118节点系统的计算结果进一步说明了本文方法的有效性,详细分析过程见附录A。
4 结语
本文提出了一种电力网络拓扑分析新方法,该方法具有以下特点。
1)正常情况下,利用关联矩阵标记法,将关联矩阵的物理意义及BFS的搜索原则相结合,判断图的连通性,同时标记网络的树支与连支,完成电网静态电气岛分析。
2)当网络结构发生变化后,借助回路矩阵,判断变化支路的属性,在此基础上,利用破圈法和半径搜索法,修改局部网络拓扑及更新回路矩阵。
3)IEEE 39节点和118节点系统验证结果均表明该方法计算量小,更新速度快,可适用于多种网络变结构的情况。
本文得到河北自然科学基金(E2012502034)、北京市科技新星支持计划(Z141101001814012)、北京市优秀人才支持计划(2013B009005000001)、霍英东教育基金(141057)的资助。