引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的繁榮穩(wěn)定和人民生活水平的提高,電力系統(tǒng)中電能質(zhì)量的重要性被提到了前所未有的高度,而供電質(zhì)量最重要的指標(biāo)就是供電可靠性,電力行業(yè)必須與時(shí)俱進(jìn),努力提高供電可靠性。

電力系統(tǒng)中充足的備用容量是保證供電可靠性的重要前提,在市場環(huán)境下應(yīng)逐步脫離傳統(tǒng)備用容量的分配方法,尋求一種以提高經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)的分配方法。

電力系統(tǒng)的發(fā)電量和備用量之間存在耦合關(guān)系,為優(yōu)化資源的配置,目前已有很多關(guān)于電力系統(tǒng)備用問題的研究,對電力系統(tǒng)發(fā)電量與備用量進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。

電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí),大型設(shè)備的投入/退出、發(fā)電機(jī)組故障、電網(wǎng)短路故障等都會(huì)給電網(wǎng)帶來很大的沖擊,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)停電事故。

為了進(jìn)一步提高供電的可靠性,電網(wǎng)就必須留有一定的備用容量。Matpower的擴(kuò)展潮流計(jì)算功能可以實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)分區(qū)備用容量優(yōu)化的仿真,本文以IEEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為測試對象,通過添加分區(qū)備用容量約束實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展潮流的計(jì)算,獲得了該擴(kuò)展的約束、潮流、分區(qū)和運(yùn)行成本等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并與最優(yōu)潮流計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較,為實(shí)際電網(wǎng)分區(qū)備用容量優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

1Matpower介紹

Matpower是一個(gè)基于Matlab的.m文件的組建包,用來解決各種電力系統(tǒng)潮流問題。對于研究人員和教育從業(yè)者來說,Matpower是一種易于使用和可更新的仿真工具。它的設(shè)計(jì)初衷是盡可能簡單、易懂,可以用及時(shí)更新的代碼來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)秀的功能。其數(shù)據(jù)文件后綴為".M"或者".MAT"。

在.MAT文件的數(shù)據(jù)格式中,用變量"mpc"來定義每一個(gè)電網(wǎng),在結(jié)構(gòu)體mpc中電網(wǎng)的各類具體參數(shù)用下列字段來定義:baseMVA、bus、branch、gen、gencost等,其中baseMVA是標(biāo)量,bus、branch、gen、gencost均為矩陣。矩陣中的每一行都對應(yīng)一個(gè)單一的節(jié)點(diǎn)、支路或者發(fā)電機(jī),列的數(shù)據(jù)類似于標(biāo)準(zhǔn)的IEEE和PTI列的數(shù)據(jù)格式。

2擴(kuò)展潮流計(jì)算方法

擴(kuò)展潮流計(jì)算是一種基于最優(yōu)潮流計(jì)算模型的擴(kuò)展模型,通過添加自定義的目標(biāo)函數(shù)來模擬電網(wǎng)運(yùn)行的各種約束。

Matpower采用了可擴(kuò)展的OPF（OptimalPowerFlow）結(jié)構(gòu),允許用戶修改或擴(kuò)展問題公式,而無須重寫與標(biāo)準(zhǔn)OPF公式共享的部分。

這是通過可選的輸入?yún)?shù)完成的,從而保留了Matpower編譯求解的能力。通過引入用戶自定義的成本系數(shù)u.、約束條件和用戶定義的變量:修改標(biāo)準(zhǔn)OPF公式,并采用以下形式編寫:

用戶可通過兩種機(jī)制完成擴(kuò)展潮流計(jì)算。第一種是直接構(gòu)造用戶自定義的成本,約束函數(shù)的完整參數(shù),并將其作為算例結(jié)構(gòu)中的參數(shù)提供給OPF:第二種是通過回調(diào)函數(shù)實(shí)現(xiàn),這些回調(diào)函數(shù)在Matpower執(zhí)行最優(yōu)潮流計(jì)算的各個(gè)階段自定義OPF。

第一種方法構(gòu)造的參數(shù)需要與Matpower的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一一對應(yīng),構(gòu)造的過程繁復(fù),且運(yùn)算結(jié)果不易收斂,因此本文采用第二種方法實(shí)現(xiàn)Matpower的擴(kuò)展潮流計(jì)算。

3分區(qū)備用容量約束

令Zk為分區(qū)k的發(fā)電機(jī)組,Rk為分區(qū)k中備用容量的要求,引入了一組新的變量r,它們代表每個(gè)發(fā)電機(jī)提供的備用量。

對于發(fā)電機(jī)備用量ri,其值必須為非負(fù)值,并且小于用戶提供的上限r(nóng)i^max,即:

另外,還需要確保每臺(tái)發(fā)電機(jī)的總能量加上所提供的備用不超過機(jī)組的容量,表示為:

每個(gè)區(qū)域的備用容量之和必須滿足規(guī)定的要求：

4仿真結(jié)果及分析

Matpower將case30的擴(kuò)展文件保存在t_case30_userfcns.m中。在Matpower命令窗口輸入:results=runopf_w_res（＇t_case30_userfcns＇）,即可得到固定分區(qū)備用容量約束的擴(kuò)展潮流計(jì)算結(jié)果,分別如表1、表2所示。

通過分區(qū)備用容量的擴(kuò)展潮流計(jì)算,不僅能得到電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和支路的潮流數(shù)據(jù),還可以輸出各種約束條件,包括電壓約束、發(fā)電機(jī)約束和支路潮流約束,具體數(shù)值如圖1所示。

其中29號(hào)節(jié)點(diǎn)的電壓限制在士5%內(nèi),實(shí)際得到的電壓是1.050。這說明在約束范圍內(nèi),實(shí)際電壓應(yīng)最高:6號(hào)發(fā)電機(jī)的無功限制也是在限制范圍內(nèi)的最大值。

分區(qū)備用容量仿真結(jié)果包括分區(qū)、發(fā)電機(jī)備用容量、運(yùn)行成本等信息,如表3所示。

擴(kuò)展潮流計(jì)算得到的節(jié)點(diǎn)和支路的數(shù)據(jù)與最優(yōu)潮流數(shù)據(jù)的比較如圖2、圖3、圖4所示。

由圖2和圖3可見,1～4號(hào)發(fā)電機(jī)的兩種發(fā)電機(jī)出力變化不大,而5、6號(hào)發(fā)電機(jī)的有功出力較最優(yōu)潮流有了較大改變,這是因?yàn)閿U(kuò)展潮流計(jì)算把整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)分為了兩個(gè)區(qū)域,5、6號(hào)組成了一個(gè)區(qū)域,這直接影響了發(fā)電機(jī)有功出力的分布:而無功出力的變化不大,每臺(tái)發(fā)電機(jī)組的無功出力基本都是在很小的范圍內(nèi)波動(dòng),這是因?yàn)檎{(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的有功功率對無功功率有影響,但影響不大。

由圖4可見,基本上所有節(jié)點(diǎn)的電壓擴(kuò)展潮流較最優(yōu)潮流都有了提高。

5結(jié)語

本文選取了1EEE30節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展潮流計(jì)算分析,擴(kuò)展是基于標(biāo)準(zhǔn)oPF的發(fā)電機(jī)分區(qū)備用容量。通過修改標(biāo)準(zhǔn)oPF目標(biāo)函數(shù),得到了該擴(kuò)展的約束、潮流、分區(qū)及運(yùn)行成本等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了Matpower擴(kuò)展潮流計(jì)算的可行性,為實(shí)際電網(wǎng)分區(qū)備用容量優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。