Matpower擴展潮流計算在電網備用容量優化中的應用

周偉昆 朱春媚

摘 要：電力系統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化中的應用進行了研究。現以IEEE 30節點系統作為測試對象，通過添加分區備用容量約束實現擴展潮流的計算，獲得了該擴展的約束、潮流、分區和運行成本等實驗數據，并與最優潮流計算的結果進行比較，為實際電網分區備用容量的優化提供了數據支撐。

關鍵詞：Matpower;擴展潮流;備用容量優化;電網

0? ? 引言

隨著國民經濟的繁榮穩定和人民生活水平的提高，電力系統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，電力行業必須與時俱進，努力提高供電可靠性。

電力系統中充足的備用容量是保證供電可靠性的重要前提，在市場環境下應逐步脫離傳統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]。

電力系統的發電量和備用量之間存在耦合關系，為優化資源的配置，目前已有很多關于電力系統備用問題的研究，對電力系統發電量與備用量進行聯合優化[2]。

電網在實際運行時，大型設備的投入/退出、發電機組故障、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電網分區備用容量優化的仿真，本文以IEEE 30節點系統作為測試對象，通過添加分區備用容量約束實現擴展潮流的計算，獲得了該擴展的約束、潮流、分區和運行成本等實驗數據，并與最優潮流計算的結果進行比較，為實際電網分區備用容量優化提供了數據支撐。

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潮流問題[3-6]。對于研究人員和教育從業者來說，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最優秀的功能。其數據文件后綴為“.M”或者“.MAT”。

在.MAT文件的數據格式中，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點、支路或者發電機，列的數據類似于標準的IEEE和PTI列的數據格式。

2? ? 擴展潮流計算方法

擴展潮流計算是一種基于最優潮流計算模型的擴展模型，通過添加自定義的目標函數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，約束函數的完整參數，并將其作為算例結構中的參數提供給OPF;第二種是通過回調函數實現，這些回調函數在Matpower執行最優潮流計算的各個階段自定義OPF。

第一種方法構造的參數需要與Matpower的數據結構一一對應，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Matpower的擴展潮流計算。

3? ? 分區備用容量約束

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

對于發電機備用量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）

每個區域的備用容量之和必須滿足規定的要求：

∑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。

通過分區備用容量的擴展潮流計算，不僅能得到電網節點和支路的潮流數據，還可以輸出各種約束條件，包括電壓約束、發電機約束和支路潮流約束，具體數值如圖1所示。

其中29號節點的電壓限制在±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號發電機的無功限制也是在限制范圍內的最大值。