Matpower扩展潮流计算在电网备用容量优化中的应用
2021-09-10周伟昆朱春媚
周伟昆 朱春媚
摘 要：电力系统具备充足的备用容量，是保证供电可靠性的重要前提，鉴于此，对Matpower扩展潮流计算在电网备用容量优化中的应用进行了研究。现以IEEE 30节点系统作为测试对象，通过添加分区备用容量约束实现扩展潮流的计算，获得了该扩展的约束、潮流、分区和运行成本等实验数据，并与最优潮流计算的结果进行比较，为实际电网分区备用容量的优化提供了数据支撑。
关键词：Matpower;扩展潮流;备用容量优化;电网
0 引言
随着国民经济的繁荣稳定和人民生活水平的提高，电力系统中电能质量的重要性被提到了前所未有的高度，而供电质量最重要的指标就是供电可靠性，电力行业必须与时俱进，努力提高供电可靠性。
电力系统中充足的备用容量是保证供电可靠性的重要前提，在市场环境下应逐步脱离传统备用容量的分配方法，寻求一种以提高经济效益为目标的分配方法[1]。
电力系统的发电量和备用量之间存在耦合关系，为优化资源的配置，目前已有很多关于电力系统备用问题的研究，对电力系统发电量与备用量进行联合优化[2]。
电网在实际运行时，大型设备的投入/退出、发电机组故障、电网短路故障等都会给电网带来很大的冲击，严重时甚至会引发停电事故。
为了进一步提高供电的可靠性，电网就必须留有一定的备用容量。Matpower的扩展潮流计算功能可以实现电网分区备用容量优化的仿真，本文以IEEE 30节点系统作为测试对象，通过添加分区备用容量约束实现扩展潮流的计算，获得了该扩展的约束、潮流、分区和运行成本等实验数据，并与最优潮流计算的结果进行比较，为实际电网分区备用容量优化提供了数据支撑。
1 Matpower介绍
Matpower是一个基于Matlab的.m文件的组建包，用来解决各种电力系统潮流问题[3-6]。对于研究人员和教育从业者来说，Matpower是一种易于使用和可更新的仿真工具。它的设计初衷是尽可能简单、易懂，可以用及时更新的代码来实现最优秀的功能。其数据文件后缀为“.M”或者“.MAT”。
在.MAT文件的数据格式中，用变量“mpc”来定义每一个电网，在结构体mpc中电网的各类具体参数用下列字段来定义：baseMVA、bus、branch、gen、gencost等，其中baseMVA是标量，bus、branch、gen、gencost均为矩阵。矩阵中的每一行都对应一个单一的节点、支路或者发电机，列的数据类似于标准的IEEE和PTI列的数据格式。
2 扩展潮流计算方法
扩展潮流计算是一种基于最优潮流计算模型的扩展模型，通过添加自定义的目标函数来模拟电网运行的各種约束[7]。
Matpower采用了可扩展的OPF（Optimal Power Flow）结构，允许用户修改或扩展问题公式，而无须重写与标准OPF公式共享的部分。
这是通过可选的输入参数完成的，从而保留了Matpower编译求解的能力。通过引入用户自定义的成本系数fu、约束条件和用户定义的变量z修改标准OPF公式，并采用以下形式编写：
minx，z f（x）+fu（x+z） （1）
满足：
g（x）=0 （2）
h（x）≤0 （3）
xmin≤x≤xmax （4）
1≤Ax
z≤u （5）
zmin≤z≤zmax （6）
用户可通过两种机制完成扩展潮流计算。第一种是直接构造用户自定义的成本，约束函数的完整参数，并将其作为算例结构中的参数提供给OPF;第二种是通过回调函数实现，这些回调函数在Matpower执行最优潮流计算的各个阶段自定义OPF。
第一种方法构造的参数需要与Matpower的数据结构一一对应，构造的过程繁复，且运算结果不易收敛，因此本文采用第二种方法实现Matpower的扩展潮流计算。
3 分区备用容量约束
令Zk为分区k的发电机组，Rk为分区k中备用容量的要求，引入了一组新的变量r，它们代表每个发电机提供的备用量。
对于发电机备用量ri，其值必须为非负值，并且小于用户提供的上限rimax，即：
0≤ri≤rimax （7）
另外，还需要确保每台发电机的总能量加上所提供的备用不超过机组的容量，表示为：
pgi+ri≤pgi，max （8）
每个区域的备用容量之和必须满足规定的要求：
∑ri≥Rk （9）
4 仿真结果及分析
Matpower将case30的扩展文件保存在t_case30_userfcns.m
中。在Matpower命令窗口输入：results=runopf_w_res（'t_case30_
userfcns'），即可得到固定分区备用容量约束的扩展潮流计算结果，分别如表1、表2所示。
通过分区备用容量的扩展潮流计算，不仅能得到电网节点和支路的潮流数据，还可以输出各种约束条件，包括电压约束、发电机约束和支路潮流约束，具体数值如图1所示。
其中29号节点的电压限制在±5%内，实际得到的电压是1.050。这说明在约束范围内，实际电压应最高;6号发电机的无功限制也是在限制范围内的最大值。
