多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的布点方法

摘要

本发明公开了一种多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的布点方法，包括：对于多直流馈入受端系统的N条交流母线，依次获取每条交流母线的N个电压动态响应曲线数据；根据每条交流母线的N个电压动态响应曲线数据，依次计算每条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值，并求和，再按照和值由大到小的顺序选取M条交流母线，将M条交流母线所对应的变电站作为候选布点；根据各候选布点与直流逆变站节点之间的阻抗矩阵元素，计算获得各候选布点的综合指标；按照综合指标从大到小的顺序选取L个候选布点作为最终布点。采用本发明实施例能减少计算量，提高布点的准确性和效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统分析技术领域，尤其涉及多直流馈入受端系统动态无 功补偿装置的布点方法。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展，广东珠江三角洲地区等负荷中心的负荷水 平逐年增加，需要进一步发展远距离、大容量西电东送战略，实现资源优化配 置。未来的西电东送战略将采用直流输电为主的技术路线，随着受端负荷中心 的直流输电系统的数量和容量增加，受端系统多直流集中馈入的电网结构特征 愈发突出。而电压失稳是多直流馈入受端系统面临的最大风险，若发生受端系 统交流线路短路等故障，在系统故障恢复过程中多回直流会同时吸取大量无功 功率，受限于受端系统的电压支撑能力，受端系统的交流母线电压将难以恢复 并发展为电压崩溃。

为解决受端系统的交流母线电压难以恢复的问题，在变电站布置动态无功 补偿装置能够在故障恢复过程中快速提供感性无功功率，有助于系统电压恢复， 维持系统电压稳定。但是负荷中心地区变电站土地资源紧缺，且计及动态无功 补偿装置成本，在电网中大规模配置动态无功补偿装置是难以实现的，因而需 研究优化多直流馈入受端系统动态无功补偿布点问题，即通过合理地安排有限 数目动态无功补偿装置的装设站点，实现最大限度改善电压稳定性的目标。

目前，现有的布点方法电网一般依据专家经验制定若干个布点方案，并通 过大量的仿真对比来确定最终布点方案，该方法的计算量较大且存在一定的盲 目性。

发明内容

本发明实施例提出一种多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的布点方 法，能减少计算量，提高布点的准确性和效率。

本发明实施例提供一种多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的布点方 法，包括：

对于多直流馈入受端系统的N条交流母线，依次获取每条交流母线的N个 电压动态响应曲线数据；其中，第x条交流母线的N个电压动态响应曲线数据 是在N个变电站依次仿真发生三永故障时，所述第x条交流母线从故障到其恢 复过程中对应的N个电压动态响应曲线数据；N为正整数，x为小于等于N的 正整数；

根据每条交流母线的N个电压动态响应曲线数据，依次计算每条交流母线 的N个电压轨迹-时间积分值；

对每条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值进行求和，并按照和值由大到 小的顺序依次选取M条交流母线，将所述M条交流母线所对应的变电站作为候 选布点，M为小于等于N的正整数；

根据各所述候选布点与直流逆变站节点之间的阻抗矩阵元素，计算获得各 所述候选布点的综合指标；

按照所述综合指标从大到小的顺序选取L个候选布点作为最终布点，其中， 所述L为所述多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的预设配置个数，且L为 小于等于M的正整数。

进一步的，所述依次获取每条交流母线的N个电压动态响应曲线数据，具 体为：

在每个所述变电站中随机选取一回出线作为故障线路，获得N条故障线路；

采用机电暂态仿真程序，依次获取每条交流母线在所述N条故障线路依次 发生三永故障时对应的N个电压动态响应曲线数据。

进一步的，所述根据每条交流母线的N个电压动态响应曲线数据，依次计 算每条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值，具体为：

根据每条交流母线的N个电压动态响应曲线数据，采用受扰电压轨迹-时间 积分方法，按照以下公式计算每条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值：

$A_{ki}={\int }_{t_0}^{t_{end}}[V_{ki}\left(0\right)-V_{ki}\left(t\right)]dt;$

其中，A_ki表示第k条交流母线的第i个电压动态响应曲线数据，V_ki(0)为所 述第k条交流母线的初始稳态电压；V_ki(t)为t时刻的采样电压；t₀为第i条交流 母线的三永故障仿真结束时刻；t_end为所述第k条交流母线的电压从V_ki(t)恢复到 V_ki(0)的时刻；i和k均为小于等于N的正整数。

进一步的，所述对每条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值进行求和，具 体为：

按照以下计算公式，对每条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值进行求和；

$A_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_{ki},k=1,2,...,N$

其中，A_k为第k条交流母线N个电压轨迹-时间积分值的和。

进一步的，所述根据各所述候选布点与直流逆变站节点之间的阻抗矩阵元 素，计算获得各所述候选布点的综合指标，具体为：

(a)根据各所述候选布点与直流逆变站节点之间的阻抗矩阵元素，分别计 算各所述候选布点的整体支撑作用指标和均衡支撑作用指标；

所述整体支撑作用指标具体根据以下计算公式计算获得：

$I_{sum}\left(j\right)=\frac{1}{n}\underset{h=1}{\overset{n}{\Sigma }}{z}_{hj},j=1,2,...,M$

其中，z_hj为节点阻抗矩阵第h行、第j列的元素；j为第j个候选布点；n 为所述多直流馈入受端系统的直流输电系统总数目；I_sum(j)为第j个候选布 点的所述整体支撑作用指标，用于反应第j个候选布点对多回直流功率恢复支撑 作用的整体效果；

所述均衡支撑作用指标具体根据以下计算公式计算获得：

$I_{bal}\left(j\right)=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{h=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[z_{hj}-I_{sum}\left(j\right)]}^2},j=1,2,...,M$

其中，I_bal(j)为第j个候选布点的所述均衡支撑作用指标，用于反应第 j个候选布点对多回直流功率恢复支撑作用的均衡效果；

(b)按照以下公式，采用极差变化方法，分别对所述整体支撑作用指标和 均衡支撑作用指标进行标准化处理；

${\hat{I}}_{sum}\left(j\right)=\frac{I_{sum}\left(j\right)-min\left(I_{sum}\right)}{max\left(I_{sum}\right)-\min \left(I_{sum}\right)},j=1,2,...,M$

${\hat{I}}_{bal}\left(j\right)=\frac{max\left(I_{bal}\right)-I_{bal}\left(j\right)}{max\left(I_{bal}\right)-min\left(I_{bal}\right)},j=1,2,...,M$

其中，为标准化后的第j个整体支撑作用指标，为标准化后的 第j个均衡支撑作用指标；

(c)根据标准化后的所述整体支撑作用指标和均衡支撑作用指标，按照以 下计算公式，采用线性加权求和的方法，计算各所述候选布点的综合指标；

$S\left(j\right)={\lambda }_1{\hat{I}}_{sum}\left(j\right)+{\lambda }_2{\hat{I}}_{bal}\left(j\right),j=1,2,...,M$

其中，S(j)为第j个候选布点的综合指标，且第一加权系数λ₁和第二加 权系数λ₂的和为1。

可见，实施本发明实施例，具有如下有益效果：

本发明实施例提供了一种多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的布点方 法，首先依次获取每条交流母线在任一交流母线发送三永故障时所对应的N个 电压动态响应曲线数据，再计算每条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值，对 每条交流母线的电压轨迹-时间积分值进行求和后，按照和值的由大到小选取M 条交流母线所对应的变电站作为候选布点。最后根据各候选布点与直流逆变站 节点之间的阻抗矩阵元素，计算获得各候选布点的综合指标，按照各候选布点 的综合指标由大到小的顺序，选取L个候选布点作为最终布点，L为多直流馈 入受端系统动态无功率补充装置的预设配置个数。相比于现有技术依赖专家人 为经验选择候选布点再采用仿真计算确定最终布点，本发明技术方案采用合理 准确的计算方法确定最终布点，提高布点选择的准确性和效率。

进一步的，本发明对各条交流母线发送三永故障进行仿真计算，计算多直 流馈入受端系统近区电网交流故障及其恢复过程各母线动态电压响应曲线数 据，计算量较小，计算成本低廉。

进一步的，本发明采用受扰电压轨迹-时间积分方法，并将抽样故障下同一 母线的电压轨迹-时间积分值求和，该积分值反映了母线电压恢复的难易程度， 该和值反映了积分面积的累积效果，能够用于准确判定多直流馈入受端系统的 薄弱母线，物理意义明确。

进一步的，本发明基于候选布点与直流逆变站节点之间阻抗矩阵元素，构 造整体支撑作用指标和均衡支撑作用指标，再根据两个指标计算各候选布点的 综合指标(即各候选布点对多回直流功率恢复的综合支撑作用)，提高了准确性 和效率。另外，本发明的布点方法考虑了交流系统薄弱母线电压和多回直流功 率恢复的支撑作用，具有良好的实用性。

附图说明

图1是本发明提供的多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的布点方法的 一种实施例的流程示意图；

图2是本发明提供的广东珠江三角洲西部地区500kV电网的一种实施例的 局部结构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清 楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是 全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造 性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，图1是本发明提供的多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的布 点方法的一种实施例的流程示意图。该方法主要包括：

步骤101：对于多直流馈入受端系统的N条交流母线，依次获取每条交流 母线的N个电压动态响应曲线数据；其中，第x条交流母线的N个电压动态响 应曲线数据是在N个变电站依次仿真发生三永故障时，第x条交流母线从故障 到其恢复过程中对应的N个电压动态响应曲线数据；N为正整数，x为小于等 于N的正整数。

在本实施例中，依次获取每条交流母线的N个电压动态响应曲线数据，具 体为：在每个所述变电站中随机选取一回出线作为故障线路，获得N条故障线 路。采用机电暂态仿真程序，依次获取每条交流母线在所述N条交流母线依次 发生三永故障时对应的N个电压动态响应曲线数据。

步骤102：根据每条交流母线的N个电压动态响应曲线数据，依次计算每 条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值。

在本实施例中，步骤102具体为：根据每条交流母线的N个电压动态响应 曲线数据，采用受扰电压轨迹-时间积分方法，按照公式计算每条交流母线的N 个电压轨迹-时间积分值，该公式如下：

$A_{ki}={\int }_{t_0}^{t_{end}}[V_{ki}\left(0\right)-V_{ki}\left(t\right)]dt;$

其中，对于交流母线i发生三永故障时，按照步骤101仿真结果获取第k条 交流母线的标幺值电压动态响应曲线数据V_ki＝[V_ki(0),V_ki(T),V_ki(2T),…, V_ki(KT)]，K为仿真总时长对应的数据点数，T为仿真步长。

A_ki表示第k条交流母线的第i个电压动态响应曲线数据，V_ki(0)为所述第k 条交流母线的初始稳态电压；V_ki(t)为t时刻的采样电压；t₀为第i条交流母线的 三永故障仿真结束时刻；t_end为所述第k条交流母线的电压从V_ki(t)恢复到V_ki(0) 的时刻，即故障切除后V_ki(t)恢复至V_ki(0)的时刻；i和k均为小于等于N的正整 数。

步骤103：对每条交流母线的N个电压轨迹时间积分值进行求和，并按照 和值由大到小的顺序依次选取M条交流母线，将M条交流母线所对应的变电站 作为候选布点，M为小于等于N的正整数。

在本实施例中，对每条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值进行求和具体 为：按照以下计算公式，对每条交流母线的N个电压轨迹-时间积分值进行求和；

$A_k=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{A}_{ki},k=1,2,...,N$

其中，A_k为第k条交流母线N个电压轨迹-时间积分值的和，该值反映了第 k条交流母线在故障恢复暂态过程中电压恢复的困难程度。故A_k的值越大的交 流母线为多直流馈入受端系统的越薄弱母线，将该母线选出，并将该母线对应 的变电站作为候选布点。

步骤104：根据各候选布点与直流逆变站节点之间的阻抗矩阵元素，计算获 得各候选布点的综合指标。

在本实施例中，步骤104具体为：

(a)根据各候选布点与直流逆变站节点之间的阻抗矩阵元素，分别计算各 候选布点的整体支撑作用指标和均衡支撑作用指标。

整体支撑作用指标具体根据以下计算公式计算获得：

$I_{sum}\left(j\right)=\frac{1}{n}\underset{h=1}{\overset{n}{\Sigma }}{z}_{hj},j=1,2,...,M$

其中，z_hj为节点阻抗矩阵第h行、第j列的元素；j为第j个候选布点；n 为多直流馈入受端系统的直流输电系统总数目；I_sum(j)为第j个候选布点的 所述整体支撑作用指标，用于反应第j个候选布点对多回直流功率恢复支撑作用 的整体效果，其值越大所对应的布点方案越具有优越性。

均衡支撑作用指标具体根据以下计算公式计算获得：

$I_{bal}\left(j\right)=\sqrt{\frac{1}{n}\underset{h=1}{\overset{n}{\Sigma }}{[z_{hj}-I_{sum}\left(j\right)]}^2},j=1,2,...,M$

其中，I_bal(j)为第j个候选布点的所述均衡支撑作用指标，用于反应第j 个候选布点对多回直流功率恢复支撑作用的均衡效果，其值越小所对应的布点 方案越具有优越性。

(b)按照以下公式，采用极差变化方法，分别对整体支撑作用指标和均衡 支撑作用指标进行标准化处理。

${\hat{I}}_{sum}\left(j\right)=\frac{I_{sum}\left(j\right)-min\left(I_{sum}\right)}{max\left(I_{sum}\right)-\min \left(I_{sum}\right)},j=1,2,...,M$

${\hat{I}}_{bal}\left(j\right)=\frac{max\left(I_{bal}\right)-I_{bal}\left(j\right)}{max\left(I_{bal}\right)-min\left(I_{bal}\right)},j=1,2,...,M$

其中，为标准化后的第j个整体支撑作用指标，为标准化后的 第j个均衡支撑作用指标。标准化后的指标数值均在[0,1]区间内，无量纲，数值 越大其对应的布点方案越具有优越性。

(c)根据标准化后的整体支撑作用指标和均衡支撑作用指标，按照以下计 算公式，采用线性加权求和的方法，计算各候选布点的综合指标。

$S\left(j\right)={\lambda }_1{\hat{I}}_{sum}\left(j\right)+{\lambda }_2{\hat{I}}_{bal}\left(j\right),j=1,2,...,M$

其中，S(j)为第j个候选布点的综合指标，且第一加权系数λ₁和第二加 权系数λ₂的和为1。优选的加权系数取值可以为λ₁＝λ₂＝0.5。综合指标的值越大 所对应的布点方案越具有优越性。

步骤105：按照综合指标从大到小的顺序选取L个候选布点作为最终布点， 其中，L为多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的预设配置个数，且L为小 于等于M的正整数。

为了更好的说明本发明的技术方案，本发明提供了多直流馈入受端系统动 态无功补偿装置的布点方法的具体举例。参见图2，图2是本发明提供的广东珠 江三角洲西部地区500kV电网的一种实施例的局部结构图。如图2所示的多直 流馈入受端系统为分析对象，其包含2回集中馈入直流输电系统，且共10个 500kV变电站交流母线，即n＝2，N＝10。

首先，在N个变电站中分别随机选择一回出线作为故障线路，并仿真计算 三永故障，依次输出N个交流母线的电压动态响应曲线数据。根据收集的电压 动态响应曲线数据，分别计算第k条交流母线的第i个电压轨迹-时间积分值A_ki， 详细结构如表1所示。

表1抽样故障恢复过程近区母线电压轨迹-时间积分值(电压为标幺值)

对每条交流母线的电压轨迹-时间积分值进行求和，即将表1中的各列相加， 得到每条母线对应的电压轨迹-时间积分累积值A_k，结果如表2所示。

ZQ(①) YD(②) CJ(③) DL(④) WY(⑤) JM(⑥) SD(⑦) QX(⑧) XJ(⑨) LD(⑩) 46.5642 46.5254 41.2110 38.6953 40.7387 45.8442 39.4179 41.6892 44.6502 45.0960

表2全部抽样故障恢复过程近区母线电压轨迹-时间积分和值(电压为标 幺值)

对表2中的A_k按照从大到小进行排序，如表3所示，选取前5个(M＝5) 母线所对应的变电站作为候选布点，即ZQ(①)、YD(②)、JM(⑥)、LD(⑩)、XJ(⑨)。

排序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 母线 ZQ(①) YD(②) JM(⑥) LD(⑩) XJ(⑨) QX(⑧) CJ(③) WY(⑤) SD(⑦) DL(④)

表3近区母线电压轨迹-时间积分和值排序结果

基于上述候选布点ZQ(①)、YD(②)、JM(⑥)、LD(⑩)、XJ(⑨)与直流逆变 站节点ZQ(①)、QX(⑧)之间阻抗矩阵元素，计算各候选布点对多回直流功率恢 复的支撑作用指标I_sum(j)、I_bal(j)、S(j)，结果如下表4所示。

母线 ZQ(①) YD(②) JM(⑥) LD(⑩) XJ(⑨) I_sum(j) 4.1273 4.0283 3.1420 1.9450 2.6746 I_bal(j) 2.4883 2.3911 1.4397 0.4496 0.1262 S(j) 0.5000 0.4979 0.4962 0.4315 0.6672

表4动态无功补偿候选布点对多回直流功率恢复的支撑作用指标

对表4中的S(j)从大到小排序，结果如表5所示。设多直流馈入受端系 统动态无功补偿装置的预设配置个数L为2，则取前两个候选布点，由此得到最 终推荐的多直流馈入受端系统动态无功补偿装置的布点为XJ(⑨)、ZQ(①)。

排序 1 2 3 4 5 母线 XJ(⑨) ZQ(①) YD(②) JM(⑥) LD(⑩)

表5动态无功补偿候选布点S(j)指标值排序结果

由上可见，本发明实施例提供了一种多直流馈入受端系统动态无功补偿装 置的布点方法，首先依次获取每条交流母线在任一交流母线发送三永故障时所 对应的N个电压动态响应曲线数据，再计算每条交流母线的N个电压轨迹-时间 积分值，对每条交流母线的电压轨迹-时间积分值进行求和后，按照和值的由大 到小选取M条交流母线所对应的变电站作为候选布点。最后根据各候选布点与 直流逆变站节点之间的阻抗矩阵元素，计算获得各候选布点的综合指标，按照 各候选布点的综合指标由大到小的顺序，选取L个候选布点作为最终布点，L 为多直流馈入受端系统动态无功率补充装置的预设配置个数。相比于现有技术 依赖专家人为经验选择候选布点再采用仿真计算确定最终布点，本发明技术方 案采用合理准确的计算方法确定最终布点，提高布点选择的准确性和效率。

进一步的，本发明对各条交流母线发送三永故障进行仿真计算，计算多直 流馈入受端系统近区电网交流故障及其恢复过程各母线动态电压响应曲线数 据，计算量较小，计算成本低廉。

进一步的，本发明采用受扰电压轨迹-时间积分方法，并将抽样故障下同一 母线的电压轨迹-时间积分值求和，该积分值反映了母线电压恢复的难易程度， 该和值反映了积分面积的累积效果，能够用于准确判定多直流馈入受端系统的 薄弱母线，物理意义明确。

进一步的，本发明基于候选布点与直流逆变站节点之间阻抗矩阵元素，构 造整体支撑作用指标和均衡支撑作用指标，再根据两个指标计算各候选布点的 综合指标(即各候选布点对多回直流功率恢复的综合支撑作用)，提高了准确性 和效率。另外，本发明的布点方法考虑了交流系统薄弱母线电压和多回直流功 率恢复的支撑作用，具有良好的实用性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这 些改进和润饰也视为本发明的保护范围。