基于熵理论的电网潮流均衡度优化研究.pdf

避免发生连锁故障是保持电网安全运行的重要内容。运用潮流熵的概念来定量描述线路的潮流分布，以此描述电网输电线路载荷的均衡度。提出了考虑潮流嫡的连锁故障模拟流程，以此计算系统发生故障后的平均损失负荷。进一步构建以最小化潮流熵为目标的电网优化调度模型，采用鲸鱼群算法对优化问题进行求解，提高了系统运行的均衡度，降低了系统连锁故障情况下的损失负荷。在IEEE39节点系统进行仿真。仿真结果表明，潮流熵对电网连锁故障发生后的平均损失负荷具有重要影响。所提方法能够有效降低系统潮流并减小损失负荷，使系统远离自组织临界状态，增加系统安全运行能力。关键词：潮流熵；损失负荷；潮流均衡度；鲸鱼群算法D0I:10.3969/j.issn.1000-3886.2023.04.001中图分类号TM7322文献标志码A文章编号】10 0 0-38 8 6（2 0 2 3)0 4-0 0 0 1-0 3Research on Optimization of Power FlowBalance Degree Based on Entropy TheoryHan Xiu(Northeast Electric Power University,Jilin Jilin 132012,China)Abstract:Avoiding cascading failures is an important part of maintaining the safe operation of the power grid.The concept of power flow entropywas used to quantitatively describe the power flow distribution of the line,so as to describe the balance degree of the powertransmission line load.A cascading failure simulation process considering power flow entropy was proposed to calculate the averageloss load after the system fails.At the same time,a grid optimization scheduling model with the goal of minimizing the power flowentropy was further constructed,and the whale swarm algorithm was used to solve the optimization problem,which improved thebalance of system operation and reduced the loss of load in the case of system cascading failures.Simulations were performed on anIEEE 39 node system.The simulation results show that the power flow entropy has an important influence on the average loss of loadafter the occurrence of cascading failures in the power grid.The proposed method can effectively reduce the power flow entropy of thesystem and reduce the loss load,so that the system can be far away from the self-organized critical state,and the safe operationcapability of the system can be increased.Keywords:power flow entropy;loss load;power flow equilibrium;whale swarm algorithm0引言近年来，世界范围内因连锁故障导致的大停电事故频发1-2。分析国内外大停电事故发现，系统运行若是存在薄弱环节，则有可能成为引发系统连锁故障的导火线。降低系统的不均衡程度可以有效平衡系统中的薄弱环节，降低其脆弱程度，使电力系统更加均衡运行，从而提高系统运行的安全性38。系统运行的均衡性时刻威胁着系统的安全运行，潮流均衡度分析对电力系统安全运行有着重要意义。潮流分布均衡度主要以系统元件的负载率情况为研究对象，探索系统元件负载均衡程度的差异对系统安全运行的影响。文献4提出电力需求侧配置储能的提升，能够较大改善电网的均衡度及潮流越限严重度。文献5设计了一套均衡性控制方法，以此来降低大停电事故发生的可能性。文献6 提出一系列措定稿日期：2 0 2 2-0 3-14施来解决潮流不均衡问题，以提高电网的外送能力。关于潮流均衡度优化，文献38 1通过优化所定义的潮流转移度指标，来提高系统安全负荷裕度。文献7 研究了通过调节网络节点分布来优化电力网结构，减少负荷损失的方法。本文通过优化潮流摘，使系统更加均衡运行，提高系统安全性，间接减小了系统损失负荷。基于上述分析，本文将潮流熵作为系统潮流均衡度评价指标，研究均衡性对系统发生故障后平均损失负荷的影响，并将该指标作为目标函数构建电力系统潮流均衡度模型，优化系统运行方式，使系统更加均衡地运行，以提高系统的安全性和可靠性。1潮流均衡度描述指标为了描述电力系统运行的均衡性，本文引入潮流熵的概念。设电网运行时线路i传输的有功功率为Pu，线路i最大有功传输容量为Pmax，则线路i的负载率（）可表示为：2ElectricalAutomation-PowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期=(1)maxLi式中：i为线路数。设定已知的常数序列V=V,V2，,V,，本文取负载率变化区间V=0,0.1,1.0。线路负载率水平处于（V,V+的概率P(v)为：P(u)(2)式中：l,为输电线路负载率位于区间（V，V+I 中的线路条数由此可以得出电网潮流熵为：H=-CEP(v)lnP(u)(3)式中：C为常数，本文取1。由式(3)可知，当所有线路的负载率都处于同一个区间时，潮流为0，此时有功传输容量大的线路流过的潮流大，有功传输容量小的线路流过的潮流小，因此线路潮流分布最均衡。当任意两条线路的负载率都不处于同一个区间时，潮流熵为最大值：1H=一Cln(4)max式中：C为常数；N，为系统线路条数。这是线路潮流分布最不均衡的状态，在这种状态下，有些线路负载率很高，有些线路负载率很低。2不同潮流炳下电网连锁故障仿真由于电网的平均负载率对连锁故障有着重要影响，本文在研究不同潮流熵下的电网连锁故障时，应保持系统平均负载率不变。为了得到事故发生后的平均损失负荷，本文提出了基于潮流熵的连锁故障模拟流程，采用该流程对电网在不同平均负载率和潮流嫡下的连锁故障过程进行了模拟。连锁故障仿真基本流程如图1所示开始给定某一负载率水平发电机出力更新漫游焰值更新随机选择开断线路断开选择线路是有无孤岛产生？香潮流计算切除负荷孤岛问题处理否潮流收敛？文是是潮流越限？损失负荷统计发电机达最大出力？是结束图1连锁故障仿真基本流程图3基于潮流滴的潮流均衡度优化3.1电力系统潮流均衡度模型的建立若系统潮流熵越大，则系统运行越不均衡；相反，若系统潮流熵越小，则系统运行越均衡。潮流的均衡性有利于系统安全可靠地运行。以潮流熵最小化为目标函数，功率平衡为等式约束，发电机出力限值、节点电压限值和支路潮流限值为不等式约束，建立电力系统潮流均衡度模型，优化系统运行方式。以电力系统潮流熵最小为优化目标，即minH,H为电网潮流熵。g（x,u）和h(x,u）分别为等式和不等式约束条件。3.2电力系统潮流均衡度模型的求解采用鲸鱼群算法（whaleoptimizaitonalgorithm，W O A）对所构建模型进行求解。通过优化发电机出力，使系统更均衡地运行。鲸鱼群算法的优点在于操作简单、参数少、性能优。鲸鱼群算法模拟了鲸鱼在海洋中的捕食行为，包括鲸鱼的气泡捕食及随机搜寻猎物两个主要阶段。设鲸鱼种群的规模为N，所求问题空间的维度为D,则第i条鲸鱼在D维空间对应的位置为X,=（x，x，,x）,i=1,2,3,N。鲸鱼的最佳位置对应了全局的最优解。基于鲸鱼群算法的电力系统潮流均衡度模型求解，是以系统各发电机出力为优化变量和以系统潮流摘指标最小为目标的送代计算过程。设系统有N台发电机，则鲸鱼群算法的每条鲸鱼代表一个维数为N的向量，每条鲸鱼的适应度值即为在该鲸鱼代表机组出力水平下的系统潮流均衡度指标。采用鲸鱼群算法求解电力系统潮流均衡度模型的基本流程见图2。开始参数初始化：初始化系统网络参数、系统负荷参数、系统机组参数和鲸鱼群算法参数等计算个体的适应度值，即在该发电机出力水平下的潮流焰值将最好的鲸鱼位置保存为X*更新鲸鱼的个体位置否达到最大送代次数？是输出全局最优的鲸鱼位置X*，即发电机出力的最优结果结束图2采用鲸鱼群算法求解电力系统潮流均衡度模型的基本流程4算例分析本文选择IEEE39节点系统进行连锁故障损失负荷计算及潮流均衡性优化。IEEE39节点系统共有39 个节点，46 条支路ElectricalAutomationPowerSystem&Automation电力系统及其自动化电气自动化2 0 2 3年第45卷第4期以及2 1个负荷，总负荷为6 16 4.2 MW。根据上述基于潮流熵的连锁故障模拟流程，先确定系统平均负载率，改变发电机出力得到一个潮流断面，根据式（3）计算潮流嫡；然后在该潮流断面下进行连锁故障的模拟，此时一个潮流摘对应一个损失负荷；再改变发电机出力得到另一组数据，直到各发电机达到最大出力；最后统计每一个潮流熵对应的平均损失负荷，得到平均负载率分别为0.6 和0.4时的平均损失负荷。计算结果如图3所示。500450400350u-0.6300250200u=0.41501005002.002.052.102.152.202.252.302.35潮流熵图3连锁故障损失负荷计算结果由图3可以看出：当平均负载率保持不变时，平均损失负荷随着潮流熵的增加而增加；当潮流熵较小时，系统运行的均衡性较好；当发生故障时，平均损失负荷较小。发生连锁故障的概率较小，系统运行的安全水平较高，于是对电力系统进行均衡度优化，使系统更加安全可靠运行。对所构建模型进行优化，可得到优化前后系统的潮流熵及平均负荷损失。计算结果如表1所示。对电力系统潮流均衡度进行优化，由表1可知，潮流熵由2.318 5降至的2.12 6 1，平均损失负荷也由18 1.7 2 16 MW减小至6 2.316 2 MW。由此可知，利用鲸鱼群算法对潮流均衡度进行优化，优化后潮流熵减小，系统的平均损失负荷也明显减小。表1电力系统潮流均衡度优化前后结果对比项目潮流平均损失负荷/MW优化前2.3185181.721 6优化后2.126162.316 2优化前系统负载率分散较大，方差达0.2 47 6。优化后系统线路负载率高的线路有所降低，负载率偏低的线路有所提升，负载率方差降为0.2 37 5。结合图3可以得出：与优化后系统相比，优化前系统各线路负载率波动相对较大；优化后系统各线路负载率更接近平均值，波动较小，线路负载率更加均匀。优化前后线路负载率对比如图4所示1.0口优化前0.9优化后0.80.70.60.50.40.30.20.105101520253035404550线路数图4IEEE39节点系统潮流熵优化前后线路负载率对比5结束语本文运用电网的潮流熵来定量描述线路潮流分布的不均衡性，使用所提出的连锁故障仿真流程对IEEE39节点系统进行仿真。仿真结果表明，在平均负载率相同的情况下，系统的平均损失负荷随着潮流熵的增大而增大。在此基础上，利用鲸鱼群算法对潮流均衡度进行优化，优化后系统的平均负荷损失减小，系统远离自组织临界状态，使系统更加安全可靠运行。最后通过对比优化前后系统线路负载率均衡水平，验证了电力系统潮流均衡度模型的有效性。这一结果可为系统运行人员提供参考，保证系统运行的均衡性，增加系统安全运行能力。参考文献：1J DANIEL A E,JERYANG P,THOMAS P S.Linking cascading failuremodels and organizational networks to manage large-scale blackouts inSouth Korea J.Journal of Management in Engineering,2020,36(5):37-39.2】林伟芳，易俊，郭强，等。阿根廷“6.16”大停电事故分析及对中国电网的启示J：中国电机工程学报，2 0 2 0，40（9）：2 8 35-2 8 42.3靳冰洁，张步涵，王珂基于熵理论的电力系统最优潮流均衡度分析J电力系统自动化，2 0 16，40（12）：8 0-8 6.【4娄素华，吴耀武，李婷婷，等.基于需求侧储能提升电网均衡度的特性分析J电力科学与技术学报，2 0 13，2 8（3）：39-44.5】贺庆，郭剑波降低大停电事故序列期望值的均衡性控制J中国电机工程学报，2 0 12，32（4）：6 5-6 9.【6 金海峰.蒙西电网外送通道潮流均衡问题研究J华北电力技术，2008,14(1):21-22.7 MOTTERA E.Cascade control and defense in complex networksJ.Physical Review Letters,2004,93(9):98-101.【8 桂建忠，周毅博，王雅琼.基于历史运行数据的电网运行状态演化特征提取J.东北电力大学学报，2 0 17，37（6）：2 8-34.【作者简介】韩秀（19 9 7 一），女，安徽安庆人，硕士研究生，研究方向为电力系统均衡度分析。