结点优化的电力bobty大系统谐波阻抗测量方法技术

bobty本发明专利技术提供的结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法，针对电力系统包含各类元件设备，运行情况复杂多变，不可能在每种运行状态参数下去测量观察点的谐波阻抗值，采用计算机编程对电力系统进行谐波阻抗的等值计算；针对普遍使用的电力系统分析软件PSD‑BPA潮流程序无法兼容PSD‑BPA的潮流数据文件，而且NIMSCAN的阻抗扫描过程繁琐，需要大量的手工操作，不仅浪费时间精力，并且很容易出错，对规模较大的系统根本无法进行阻抗等值计算，开发出一个直接利用PSD‑BPA潮流数据、能够对系统进行阻抗等值计算、操作方便的等值程序，提高了电力大系统的安全性能，谐波阻抗测量方法实用高效、精准易用，是一种具备显著创新性，且优势突出的谐波阻抗测量方法。

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【技术实现步骤摘要】

bobty结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法

本专利技术涉及一种电力系统谐波阻抗测量方法，特别涉及结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法，属于谐波阻抗测量

技术介绍

bobty高压直流输电是将电能从三相交流电网导出，通过送端换流站升压整流成直流，通过架空线或海底电缆传输到受端换流站，直流在受端换流站逆变为交流后降压进入接收方的交流电网。与交流输电相比，高压直流输电占地省，功率损耗低，无功角稳定性问题，功率调节迅速、运行可靠，在远距离、大容量，或不适于交流联接的场合，取得了广泛应用。换流站是高压直流输电的关键设备，换流站的核心设备是换流阀，功能是实现整流和逆变，随着大功率电力电子器件开断能力不断提高，高压直流输电的可靠性越来越高，将大幅度简化设备、降低造价。但由于换流器在整流和逆变过程中产生多种频率的谐波，将在交流和直流系统出现谐波电压和电流分布，对电力系统造成不良影响和危害，使交流系统电压波形发生畸变，导致直流系统发生谐振的故障工况。因此，为减少各次谐波进入交流系统，在换流站的交流母线上装设交流滤波器，交流滤波器的设计一方面要过滤各次谐波，另一方面还要起到无功补偿的作用，需了解从换流站交流母线向系统看入的等值阻抗，即交流系统的阻抗频率特性。交流系统的阻抗频率特性很大程度上决定了交流滤波器的配置，对换流站的占地、平面布置和投资等指标产生直接影响。随着工业技术的发展，电网中非线性负荷不断增加，供电电压波形和电流信号波形发生严重畸变，电力网中谐波问题日益严重，它的主要危害包括：一是增加电力系统发生谐振的可能性，造成过电压或过电流而引发事故；二是增加附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率；三是使电气设备运行不正常，缩短使用寿命，甚至损坏电力设备；四是使保护、自动装置，计量仪器、仪表，控制和通信系统及用户电子设备不能正常动作。

谐波问题发生越来越广泛，对电力系统及其设备造成了巨大的破坏，引起了广泛重视。抑制电力系统谐波，需要进行电力系统谐波阻抗等值计算。在设计交流滤波器时，基频下的交流系统等值阻抗可根据观察点，即换流站交流母线上的短路容量计算，得到系统的短路比，但还需得到交流系统在所需频率范围内的等值阻抗变化特性，确保直流系统主回路的固有谐振频率与基频和二倍频保持一定的距离，确定相应频率下的滤波器参数设置。防止交流系统的扰动使得直流侧出现严重的基频或二次频率过电压，对直流设备造成很大的危害。由于电力系统包含各类元件设备，运行情况复杂多变，不可能在每种运行状态参数下去测量观察点的谐波阻抗值，并且在电力系统建设和投运时，不仅要考虑系统投运年的情况，还要考虑到系统在未来可能发生改造等变化情况，通常采用计算机编程对电力系统进行谐波阻抗的等值计算。由于普遍使用的电力系统分析软件是PSD-BPA潮流程序，它的基本功能是潮流分析、短路计算和稳定性分析，NIMSCAN程序无法兼容PSD-BPA的潮流数据文件，而且NIMSCAN的阻抗扫描过程繁琐，需要大量的手工操作，不仅浪费时间精力，并且很容易出错，对规模较大的系统根本无法进行阻抗等值计算。

因此，十分有必要开发一个直接利用PSD-BPA潮流数据、能够对系统进行阻抗等值计算、操作方便、用户友好的等值程序电力参数测量，这对高压直流输电工程设计的自主化具有重要意义和巨大应用价值。近年来对电力系统谐波阻抗等值的探索越来越多，不仅有谐波阻抗的测量方法，而且有谐波阻抗扫描软件。现有技术主要测量方法包括：谐波阻抗频谱分析法、低压电力系统直接注入谐波电流法，利用网络自身谐波源测量法，但这些测量方法工作成果很少，都存在一定的应用条件和瓶颈，现有技术还没有找到一种通用可靠的方法，现有技术电力系统谐波阻抗等值计算方法存在的问题包括：第一，现有技术主要使用的电力系统谐波阻抗等值软件是NIMSCAN程序，对电力系统规模不大，研究范围小，元件种类单一的情况，NIMSCAN程序尚能基本解决系统谐波阻抗等值问题，但随着电力系统快速发展，NIMSCAN程序日益显露出许多重大缺陷。一是对初始潮流数据转化处理时，NIMSCAN无法对其中出现的不对称线路、风电机组模型等进行处理电力参数测量，但现在电网中的不对称线路和风电机组越来越多，要求大量的人工操作对初始潮流数据进行修改处理；二是NIMSCAN扫描过程非常繁琐，对扫描过程产生的中间文件和扫描结束后得到的结果文件，要进行大量重复性的打开、关闭文件，删减、添加数据，统计结果等一系列操作，如此繁琐的手工操作不仅使软件的使用效率极低，而且很容易出错，导致计算结果不准确，由于数据量大，查找错误困难，一旦添加或删除数据出错，需投入大量精力来查找错误，使得软件使用人员无法将主要精力投入到结果分析上，严重影响工作效率；第二，现有技术普遍使用的电力系统分析软件是PSD-BPA潮流程序，虽然它的功能不包括系统谐波阻抗等值，但却提供了大量初始潮流数据和稳定数据，有些电力系统仿真软件具有谐波分析功能，如PSCAD，EMTDC等，但PSCAD仿真需对系统搭建模型，在系统规模较大、结点数较多的情况下，运行很慢甚至不适用。

bobty据此开发一个能够有效利用已有的PSD-BPA初始潮流数据，同时适用于成千上万个结点的大系统电力系统谐波阻抗等值计算软件，对特高压直流输电工程具有重要意义和应用前景。第三，现有技术的谐波阻抗等值计算的实现方法中，结点编码静态优化算法速度快，但优化效果很差，一般不考虑；动态优化算法从原理上来说优化效果是最好的，但在实现过程中需要进行大量的计算，在对大规模电力系统进行潮流计算时，动态优化算法本身的运算效率极低，失去了优化编码的意义，而半动态优化算法结合二者特征进行折衷，即在计算速度和优化效果二方面进行考量，但系统规模变大时，半动态优化算法求解得到的是次优解，优化效果还是不能满足工程实际需要；现有技术的仿生优化算法中，以蚁群算法和粒子群算法为代表，蚁群算法的正反馈机制既提高了计算速度，也使蚂蚁容易集中选择几条路径，也就是使算法陷入局部最优，而且每一步过程中计算概率使得算法容易停滞；粒子群算法相较于其他的仿生优化算法，模型简单、优化参数少、收敛速度快，但粒子的最大速度和加速因子等参数设置过大，会使粒子群错过最优解从而算法难以收敛，而收敛时所有粒子同时向最优解靠近，使粒子失去了多样性，算法容易陷入局部最优。

第四，对现有技术的谐波阻抗等值计算程序进行分析，发现它们存在着许多问题，不仅扫描周期长，而且需要耗费大量的人力；在操作方面，由于与系统初始数据不能很好的兼容电力参数测量，现有技术的程序在阻抗扫描过程需重复进行打开、关闭文件，删减、添加数据的操作；而手工操作极易出现误操作甚至错误，并且一旦出现失误是很难查找出来，即使完成阻抗扫描，得到大量结果文件，仍需使用人员手工统计，工作量极大；在原理方面，现有技术的程序对初始数据中出现的某些元件参数无法处理，对集肤效应的处理也无规律可循，只有在计算出现问题时，手动修改这些参数后重新计算，这要求使用人员对线路的实际运行情况有丰富的经验。为减少谐波阻抗等值计算的手工化操作，将更多精力用于系统分析，本专利技术开发出的电力大系统谐波阻抗测量方法具有合理的数据编辑功

【技术保护点】

1.结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法，其特征在于，一是在系统谐波阻抗等值计算中引入均值方差改良映射模型，对结点编码进行优化，均值方差改良映射模型优化算法在生成子代的过程中，将所有父代种群的均值和方差考虑进来，使均值方差改良映射模型优化算法能迅速找到最优解，使结点导纳矩阵在消去、分解过程中产生的非零注入元素最少，利用结点导纳矩阵的稀疏特性提高求解效率，在此基础上基于高压直流输电系统工频和谐波特性，建立系统阻抗频率扫描模型；二是分析电力系统中主要元件的运行特性，以精确的元件模型作为正确的阻抗等值计算的基础，结合提供的PSD-BPA潮流数据文件的特征，建立适合谐波阻抗计算的元件等值模型，得到符合工程实际的计算结果；三是提出了电力系统谐波阻抗等值计算的原理和具体实现方法，利用稀疏矩阵存储和调用技术，对系统中元件的运行参数发生变化和系统正常运行情况N-0、以及故障运行情况N-1、N-2分别进行谐波阻抗等值计算；/n本专利技术采取的结点编码优化方案基于均值方差改良映射模型优化算法，采用的编码策略：/n第一，读取初始潮流数据文件，统计出系统的结点总数y，以及每个结点连接的支路数，即结点的出线度，在均值方差改良映射模型中，结点总数是优化问题的维数y，而优化问题的变量则是y个结点的编码顺序，根据电力大系统的结构特征，对出线度为1的结点首先消去，假定出线度为1的结点个数为i，则y维优化问题被简化为y-i维；/n第二，对剩余的y-i个结点进行编码，对其进行适应度评估，计算消去这y-i个结点产生的新增支路数，再对下一个编码进行适应度评估，适应度高于上一个编码，则排在上一个编码之前，否则不保留；依此按照适应度递减的顺序得到m个最优个体，对这m个最优结点编码进行归一化处理；/n第三，归一化之后生成一个包含m个最优适应度个体的种群及其相应的均值和方差，省去迭代开始时的很多不良解，加速搜索过程；/n第四，将m个适应度最优a

【技术特征摘要】

1.结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法，其特征在于，一是在系统谐波阻抗等值计算中引入均值方差改良映射模型，对结点编码进行优化，均值方差改良映射模型优化算法在生成子代的过程中，将所有父代种群的均值和方差考虑进来，使均值方差改良映射模型优化算法能迅速找到最优解，使结点导纳矩阵在消去、分解过程中产生的非零注入元素最少，利用结点导纳矩阵的稀疏特性提高求解效率，在此基础上基于高压直流输电系统工频和谐波特性，建立系统阻抗频率扫描模型；二是分析电力系统中主要元件的运行特性，以精确的元件模型作为正确的阻抗等值计算的基础，结合提供的PSD-BPA潮流数据文件的特征，建立适合谐波阻抗计算的元件等值模型，得到符合工程实际的计算结果；三是提出了电力系统谐波阻抗等值计算的原理和具体实现方法，利用稀疏矩阵存储和调用技术，对系统中元件的运行参数发生变化和系统正常运行情况N-0、以及故障运行情况N-1、N-2分别进行谐波阻抗等值计算；

本发明采取的结点编码优化方案基于均值方差改良映射模型优化算法，采用的编码策略：

第一，读取初始潮流数据文件，统计出系统的结点总数y，以及每个结点连接的支路数，即结点的出线度，在均值方差改良映射模型中，结点总数是优化问题的维数y，而优化问题的变量则是y个结点的编码顺序，根据电力大系统的结构特征，对出线度为1的结点首先消去，假定出线度为1的结点个数为i，则y维优化问题被简化为y-i维；

第二，对剩余的y-i个结点进行编码，对其进行适应度评估，计算消去这y-i个结点产生的新增支路数，再对下一个编码进行适应度评估，适应度高于上一个编码，则排在上一个编码之前，否则不保留；依此按照适应度递减的顺序得到m个最优个体，对这m个最优结点编码进行归一化处理；

第三，归一化之后生成一个包含m个最优适应度个体的种群及其相应的均值和方差，省去迭代开始时的很多不良解，加速搜索过程；

第四，将m个适应度最优abest的个体及其相应的值Xbest存储起来，即父代种群，然后创建后代，基本均值方差改良映射模型选择需要变异的n个变量，根据生成的随机值进行映射生成新的变量元素，优化的均值方差改良映射模型选定n个变量后，直接根据变量值进行映射产生新的元素；

第五，对新生成的m个子代个体进行去归一化，即得到结点编码顺序，对编码进行适应度评价，只有适应度高于父代种群中的个体，才对其进行更新，否则不保留新生成的个体，依此按适应度递减的顺序，得到一次迭代之后产生的新种群，适应度评价是每次迭代的起点，也是其终点，然后进行归一化，继续循环迭代，直到满足终止条件为止。

2.根据权利要求1所述的结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法，其特征在于，本发明利用PSD-BPA提供的潮流数据和稳定数据，根据初始数据的格式特征电力参数测量，建立各元件等值模型，求解所需频率范围内系统的谐波等值阻抗，建立各元件的正序谐波等值模型：

一是发电机，本发明忽略集肤效应对发电机等值电阻的影响，模型中采用发电机的次暂态电抗，等值模型为：

LG(d)＝Ra+idS″d式1

式中：Ra表示发电机电枢电阻，单位Ω/相；d表示谐波次数；S″d表示发电机次暂态电抗，单位Ω/相，i为结点参数，利用BPA数据，电枢电阻Ra对应稳定文件MC卡或者MF卡中的定子电阻电力参数测量，次暂态电抗S″d对应稳定文件M卡中次暂态电抗。

3.根据权利要求2所述的结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法，其特征在于，二是变压器，忽略集肤效应对变压器等值电阻的影响，变压器的谐波等值模型表示为：

LT(d)＝RT+idST式2

式中：RT和ST分别代表变压器的短路电阻和短路电抗，单位都是Ω/相，本发明采用的变压器π型等值模型，根据等效电路可得到结点j和结点i的自导纳和互导纳。

4.根据权利要求3所述的结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法，其特征在于，三是输电线路，本发明考虑在各次谐波下都对输电线路采用分布式参数模型进行求解，首先假设线路的长度已知，用W表示，用分布参数π型等效模型进行推导，得出线路的等值阻抗，看其表达式中是否含有L；BPA数据中，直接给出的输电线路参数有串联阻抗R+iS和并联导纳iG，它们是集中参数，将其变换成分布参数,基频下的单位长度的阻抗和导纳表达式为：

l0＝r0+is0＝(R+iS)/W式3

k0＝ig0＝iG/W式4

式中：r0表示反映线路有功损耗的电阻，单位为Ω/km，s0表示反映磁场效应的电感电抗，单位为Ω/km，g0表示反映电场效应的电纳，单位为S/km；

d次谐波下的单位长度的阻抗和导纳分别为：

l(d)＝r0+ids0＝(R+idS)/W式5

k(d)＝idg0＝idG/W式6

得到谐波频率下的波阻抗：

传播常数：

波速：

综上，分布参数π型等值模型中：

Leq(d)和Keq(d)中均不含W，即输电线路的分布参数模型不受线路长度影响。

5.根据权利要求4所述的结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法，其特征在于，四是负荷，采用串联负荷模型来等效，BPA中设置两种静态负载模型：一是恒阻抗模型，卡片中的无功值可能为负，二是恒功率模型，卡片格式规定，此时的无功不可小于0，采用恒导纳模型时，两种等值计算的方法：

Q＞0时，为容性负荷，此时：

Q＜0时，为感性负荷，此时：

式中：Q表示负载吸收的有功，单位为MW；P表示负载吸收的无功，单位为Mvar；U表示负荷处的线电压，单位为kV；d表示谐波次数。

6.根据权利要求1所述的结点优化的电力大系统谐波阻抗测量方法，其特征在于，利用PSD-BPA潮流程序提供的大量的潮流数据文件*.dat和稳定数据文件*.swi，在建立元件谐波模型时主要基于PSD-BPA潮流文件的数据格式；PSD-BPA潮流程序提供大量的系统潮流数据和稳定数据，根据这些初始数据得到电网各元件之间的连接方式和元件参数，根据基尔霍夫第一定律，对系统列写结点电压方程：

KV＝J式14

或展开成...

【专利技术属性】

技术研发人员：高小翎，王斌，

申请(专利权)人：高小翎，

类型：发明

国别省市：浙江;33

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