大规模电网方式调整潮流计算及病态诊断

1 研究背景

调度运行和方式计算人员经常面临方式变化和调整。对于大规模交直流混联电网，潮流数据不完整或不合理，如变压器分抽头位置选择不当、线路电阻电抗过小以及电阻与电抗比值过大、功率分布不合理，均有可能导致牛顿-拉夫逊迭代的雅可比矩阵条件数过大，影响潮流收敛性，容易出现潮流不收敛的问题。采用超/特高压交直流电网大容量、远距离输电，长线路重负荷在所难免，可能出现PV-PQ节点的频繁转换，将进一步恶化潮流的收敛性，表现明显的病态特征，目前已有大量文献从理论上研究了病态潮流的求解和自动调整方法，但工程实用化可操作性不强。

本文提出了病态潮流的诊断方法和潮流收敛性指标。针对不收敛潮流方式，提出了基于内点法最优潮流的潮流收敛性自动调整方法。针对大规模电网的方式调整潮流计算极易引起收敛问题，提出了一套工程实用的涵盖操作后不平衡功率分摊模拟、潮流数据检查、潮流初值给定、潮流收敛性自动识别、潮流方式自动调整的潮流计算方法。

2 病态潮流的诊断方法和潮流收敛性指标

本文针对带最优乘子的NR迭代，定义电压幅值和相角迭代衰减比指标分别为前后两次迭代电压幅值和相角最大元素的绝对值之比，并依据电压幅值和相角迭代衰减比指标的衰减特性，进行潮流求解病态特性诊断。

当衰减比指标随着迭代次数增加衰减趋近于0时，潮流具有较好的收敛性。若出现振荡时则潮流收敛性变差。若迭代过程中无法衰减趋近于0则潮流不收敛。

依据NR迭代中指标突变时电压幅值和相角迭代衰减比指标的大小，进行潮流求解的病态特征确定。当电压幅值迭代衰减比指标大于相角迭代衰减比指标时，病态特征主因是局部无功支撑不足引起，反之，存在部分断面潮流过重引起收敛问题。

若迭代过程中存在多次指标突变时，取各突变点对应指标之和的大小进行病态特征确定。

3 基于内点法最优潮流的潮流自动调整

根据病态特征的主因，提出了基于内点法最优潮流的潮流自动调整方法。

3.1 局部无功支撑不足引起潮流不收敛

选择调整发电机无功出力、投/切电容、电抗器组等各种控制变量，根据网损变化大小，选择1~2台机组有功出力可调，在满足系统各种约束的前提下，使系统中给定平衡网损变化的机组有功出力调整最小。

3.2 断面潮流过重引起潮流不收敛

选择调整发电机有功和无功出力等控制变量，在满足系统各种约束的前提下，使系统中所有可调机组的有功出力调整最小。

4 大规模电网方式调整潮流计算

具体计算方法如下：

4.1 操作后不平衡功率ΔP分摊模拟

方法1：模拟发电机和负荷的一次频率响应

将操作后引起的不平衡功率按提供的机组调差系数和负荷频率响应特性，进行一次调频模拟分摊不平衡功率。

方法2：模拟AGC机组二次调频响应

依据最终稳态分摊控制效果，模拟各ACE内区域机组参与分摊的控制逻辑。

4.2 潮流数据检查及工程应对措施

小支路阻抗的检查：采用小支路阻抗检查方法，潮流计算前对潮流数据进行检测。当小支路阻抗过小，小于设定最小阻抗值(如单精度计算时取1e-5)，则限定其为设定最小阻抗值。

平衡机出力越限检查及候选平衡机分摊：当校核存在明显越限时，对于不收敛的潮流方式，通过方式重新调整，可以消除平衡机送出线路潮流过重引起的不收敛现象。对于收敛的潮流方式，通过基于内点法最优潮流或选择候选机组模拟多平衡机分摊，实现平衡机出力越限调整，获取合理的潮流结果。

4.3 潮流初值给定

提出了变更PQ分解法次数和上轮NR迭代最优解加权的潮流初值给定方法，以改善与搜索路径强相关的潮流方式收敛性。

若基于平启动采用固定PQ分解法次数确定NR初值，NR迭代结束后潮流不满足收敛条件，且NR迭代功率偏差满足一定门槛值。则下一轮基于平启动采用变更PQ分解法次数策略的PQ分解法初值与本轮NR迭代最优解加权，作为下一轮NR迭代潮流初值。从而弥补PQ分解时的有功和无功的交互影响，给出更加合理的NR迭代潮流初值。

4.4 潮流病态和收敛性自动识别

采用电压幅值和相角迭代衰减比指标自动识别病态潮流和迭代中潮流收敛性。

若NR迭代过程中电压幅值和相角迭代衰减比指标随迭代次数的增加振荡，均无法衰减趋近于0，则自动识别潮流求解表现病态，无法正常收敛。

当诊断潮流求解表现病态时，依据NR迭代中指标突变时衰减比指标的大小，进行潮流求解的病态特征确定。

4.5 潮流方式自动调整

根据病态特征构建基于内点法最优潮流的潮流自动调整方法，通过优化方式进行出力或可投切电容电抗器调整，获取满足调整目标要求的潮流收敛方式。

5 病态潮流诊断和方式调整潮流计算分析

5.1 病态潮流诊断指标及特征确定

以IEEE-14标准系统为例(节点1为平衡节点)，发电机节点2出力增加为5倍的初始出力。负荷节点9、10、11、13、14均分别增加为4倍和5倍的初始负荷，此时潮流不收敛。

采用本文病态潮流诊断指标定义，计算得到图1所示的各方式NR迭代的指标曲线。

进一步将负荷节点9、10、11、13、14增加至5倍的初始负荷，潮流不收敛。表1分别给出了负荷增加为4倍和5倍的初始负荷时NR迭代过程中的最大电压幅值和相角指标比较。

由表1可知，负荷增加为4倍初始负荷的方式潮流计算不收敛，潮流求解病态特征表现为无功支撑不足。负荷增加为5倍初始负荷的方式潮流计算不收敛，潮流求解病态特征表现为部分断面潮流过重。

5.2 平衡机出力越限检查及候选平衡机分摊

以某区域系统日计划数据为例，两子网存在平衡机出力越上限和越下限现象。

如图2采用本文提出的平衡机出力越限检查及候选平衡机分摊方法后，NR迭代3次此时两异步子网的平衡机有功出力(单位MW)越限完全消除，迭代15次后所有节点累计的功率偏差趋近于0，潮流满足收敛条件。

5.3 局部无功支撑不足调整

退出部分直流受端无功补偿潮流不收敛。选择受端发电机无功出力和可投切电容电抗器作为控制量，以发电出力调整量最小为优化目标，结果如表2。

5.4 断面潮流过重调整

减弱交流送出通道电气联系常规潮流计算不收敛。选择部分省内外发电机有功出力作为控制量，以出力调整量最小为优化目标，结果如表3。

优化后单回500kV交流线路送电2600MW，较初始数据回降616MW，省外受电侧机组增出力859MW，多余部分弥补线路传输网损的增加。

6 结论

本文提出了病态潮流的诊断方法，根据确定的不同病态特征，建立基于内点法最优潮流的病态潮流和无解潮流的自动调整模型。针对大规模电网方式调整潮流计算，提出了一套工程实用的操作后不平衡功率分摊模拟、潮流数据检查、潮流初值给定、潮流收敛性自动识别、潮流方式自动调整的方法。能准确有效识别潮流病态特性，有助于潮流自动调整及收敛性改善。