Matpower擴展潮流計算在電網備用容量優(yōu)化中的應用

周偉昆 朱春媚

摘 要：電力系統(tǒng)具備充足的備用容量，是保證供電可靠性的重要前提，鑒于此，對Matpower擴展潮流計算在電網備用容量優(yōu)化中的應用進行了研究?，F(xiàn)以IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)作為測試對象，通過添加分區(qū)備用容量約束實現(xiàn)擴展潮流的計算，獲得了該擴展的約束、潮流、分區(qū)和運行成本等實驗數(shù)據(jù)，并與最優(yōu)潮流計算的結果進行比較，為實際電網分區(qū)備用容量的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

關鍵詞：Matpower;擴展潮流;備用容量優(yōu)化;電網

0? ? 引言

隨著國民經濟的繁榮穩(wěn)定和人民生活水平的提高，電力系統(tǒng)中電能質量的重要性被提到了前所未有的高度，而供電質量最重要的指標就是供電可靠性，電力行業(yè)必須與時俱進，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)境下應逐步脫離傳統(tǒng)備用容量的分配方法，尋求一種以提高經濟效益為目標的分配方法[1]。

電力系統(tǒng)的發(fā)電量和備用量之間存在耦合關系，為優(yōu)化資源的配置，目前已有很多關于電力系統(tǒng)備用問題的研究，對電力系統(tǒng)發(fā)電量與備用量進行聯(lián)合優(yōu)化[2]。

電網在實際運行時，大型設備的投入/退出、發(fā)電機組故障、電網短路故障等都會給電網帶來很大的沖擊，嚴重時甚至會引發(fā)停電事故。

為了進一步提高供電的可靠性，電網就必須留有一定的備用容量。Matpower的擴展潮流計算功能可以實現(xiàn)電網分區(qū)備用容量優(yōu)化的仿真，本文以IEEE 30節(jié)點系統(tǒng)作為測試對象，通過添加分區(qū)備用容量約束實現(xiàn)擴展潮流的計算，獲得了該擴展的約束、潮流、分區(qū)和運行成本等實驗數(shù)據(jù)，并與最優(yōu)潮流計算的結果進行比較，為實際電網分區(qū)備用容量優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。

1? ? Matpower介紹

Matpower是一個基于Matlab的.m文件的組建包，用來解決各種電力系統(tǒng)潮流問題[3-6]。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。它的設計初衷是盡可能簡單、易懂，可以用及時更新的代碼來實現(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”來定義每一個電網，在結構體mpc中電網的各類具體參數(shù)用下列字段來定義：baseMVA、bus、branch、gen、gencost等，其中baseMVA是標量，bus、branch、gen、gencost均為矩陣。矩陣中的每一行都對應一個單一的節(jié)點、支路或者發(fā)電機，列的數(shù)據(jù)類似于標準的IEEE和PTI列的數(shù)據(jù)格式。

2? ? 擴展潮流計算方法

擴展潮流計算是一種基于最優(yōu)潮流計算模型的擴展模型，通過添加自定義的目標函數(shù)來模擬電網運行的各種約束[7]。

Matpower采用了可擴展的OPF（Optimal Power Flow）結構，允許用戶修改或擴展問題公式，而無須重寫與標準OPF公式共享的部分。

這是通過可選的輸入參數(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)fu、約束條件和用戶定義的變量z修改標準OPF公式，并采用以下形式編寫：

minx，z f（x）+fu（x+z）? ?（1）

滿足：

g（x）=0? ?（2）

h（x）≤0? （3）

xmin≤x≤xmax? （4）

1≤Ax

z≤u? ?（5）

zmin≤z≤zmax? （6）

用戶可通過兩種機制完成擴展潮流計算。第一種是直接構造用戶自定義的成本，約束函數(shù)的完整參數(shù)，并將其作為算例結構中的參數(shù)提供給OPF;第二種是通過回調函數(shù)實現(xiàn)，這些回調函數(shù)在Matpower執(zhí)行最優(yōu)潮流計算的各個階段自定義OPF。

第一種方法構造的參數(shù)需要與Matpower的數(shù)據(jù)結構一一對應，構造的過程繁復，且運算結果不易收斂，因此本文采用第二種方法實現(xiàn)Matpower的擴展潮流計算。

3? ? 分區(qū)備用容量約束

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

對于發(fā)電機備用量ri，其值必須為非負值，并且小于用戶提供的上限rimax，即：

0≤ri≤rimax? ?（7）

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

pgi+ri≤pgi，max? ?（8）

每個區(qū)域的備用容量之和必須滿足規(guī)定的要求：

∑ri≥Rk? （9）

4? ? 仿真結果及分析

Matpower將case30的擴展文件保存在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)備用容量約束的擴展潮流計算結果，分別如表1、表2所示。

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

其中29號節(jié)點的電壓限制在±5%內，實際得到的電壓是1.050。這說明在約束范圍內，實際電壓應最高;6號發(fā)電機的無功限制也是在限制范圍內的最大值。