本发明涉及一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，属于电网无功控制领域
背景技术：
1、电网无功优化是提高电力系统安全稳定性与经济性的重要手段，合理配置无功功率能够减少电网的有功损耗，降低无功调度成本，提高系统稳定性，改善电压质量。随着可再生能源和分布式能源的大规模接入以及电力需求的日益增长，电压和无功功率的管理变得尤为重要。电网分区优化是无功设备精细化调度的基础，对于确保电网的稳定运行和提高电能质量至关重要。
2、本发明在现有电网框架下，从节点间的无功电压灵敏度以及分区无功裕度两个方面对电网进行分区，并将两种分区结果整合，以此为基础对电网进行优化，实现无功设备精细化调度，对于确保电网的稳定运行和提高电能质量具有重要意义。
技术实现思路
1、本发明所要解决的技术问题是克服现有的技术缺陷，提出一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法。包括以下步骤：
2、(1)数据准备。获取电网无功设备无功功率补偿能力数据，同时监测电网节点电压是否越限，是则基于电网历史运行功率数据或实时测量的功率数据确认当前电网运行功率情况，并跳转步骤(2)，否则继续监测节点电压。
3、(2)计算拓展型无功电压灵敏度矩阵。依照电网功率数据，计算电网各pq节点间的无功电压灵敏度，之后将pv节点逐一视为pq节点计算对应无功电压灵敏度，进而得到包含除平衡节点外的所有节点的拓展型无功电压灵敏度矩阵。
4、(3)基于模块度的首层分区。通过拓展型无功电压灵敏度矩阵计算节点间连接权，构建区域模块度函数，采用改进的kmeans算法进行聚类。
5、(4)基于区域无功裕度的次层分区。依照无功设备的无功功率补偿能力，构造区域无功裕度指标，结合电网拓扑结构，采用改进kmeans算法进行聚类。重复若干次得到多个分区结果。
6、(5)双层分区结合。构造分区相似性指标，计算步骤(3)与步骤(4)中分区结果的相似性，取步骤(4)中与步骤(3)结果相似性最高的分区结果，构造各节点分区相似性矩阵，采用凝聚聚类将两个分区结果整合。本发明的优点在于将无功裕度与无功电压灵敏度融入到电网分区领域，合理分配电网分区后各区域无功裕度，提高区域无功电压控制能力。
7、(6)分区优化。判断电压越限节点所在区域，调度区域内无功源进行优化。
8、进一步的，所述步骤(1)中当前电网运行功率情况的确认。由于本发明对电网的分区是基于系统当前运行状态下的，不同运行状态下所得分区结果会有不同，故需要获取电网当前的运行功率参数。功率参数确定方式如下：
9、若采用历史运行数据，则将每日功率数据按照一小时一时段划分，取当前时段过去30日历史功率数据，并按下方公式(1)(2)处理。
10、 (1)
11、 (2)
12、其中：与为处理得到的功率数据，视为时段电网功率；与分别为电网过去一周与过去一月的时段有功功率的均值；与为电网过去一周与过去一月的时段无功功率的均值；与为权重系数，，。
13、取均值作为当前时段电网功率；若采用实时测量的功率数据，则将过去30分钟内功率数据取均值，作为电器电网功率数据。
14、进一步的，所述步骤(2)中拓展型无功电压灵敏度矩阵的计算。灵敏度矩阵能够直观反应节点间的耦合关系，是本发明对电网分区的重要依据。拓展型无功电压灵敏度矩阵的计算方式如下：
15、首先计算pq节点的无功电压灵敏度矩阵。采用牛顿法进行计算电网潮流分布，取最后一次迭代过程中的功率修正方程，其表达式如公式(3)所示：
16、 (3)
17、其中：为雅可比矩阵，能够表明来说明功率与节点电压之间的偏导关系；与分别表示节点注入有功功率、无功功率的偏差矩阵；与分别表示节点电压相角、电压幅值的变化矩阵。
18、对上式求逆得到灵敏度矩阵：
19、 (4)
20、其中：为灵敏度矩阵；与分别表示有功电压、无功电压灵敏度因子，用来说明系统节点的功率变化导致节点电压发生变化；与则反映系统节点功率变化导致的电压相角变化。
21、电网节点电压变化量与有功、无功变化量和的关系可表示为：
22、 (5)
23、其中：，
24、忽略公式(5)中有功对电压变化的影响，获得pq节点的无功电压灵敏度矩阵：
25、 (6)
26、计算pv节点的无功电压灵敏度矩阵。pv节点具有维持自身电压的能力，因此定义广义无功电压灵敏度，体现pv节点与其余节点间的耦合特性。广义无功电压灵敏度定义如下：针对某一pv节点，以相同电气特性的pq节点替换该节点，电网其余节点无功功率变化在该节点上引起的电压变化。计算过程如下：
27、将需计算无功电压灵敏度的pv节点视为pq节点，计算全网潮流，采用上述计算pq节点的无功电压灵敏度的方式可得到该节点的无功电压灵敏度。将剩余pv节点逐一视为pq节点计算对应无功电压灵敏度。
28、将pq节点的无功电压灵敏度与pv节点无功电压灵敏度整合，得到拓展型无功电压灵敏度矩阵：
29、 (7)
30、其中：与分别为pq节点、pv节点数量；矩阵中元素意为pq节点i对pq节点j的无功电压灵敏度；矩阵中元素意为pq节点i对pv节点j的无功电压灵敏度；矩阵中元素意为pv节点i对pq节点j的无功电压灵敏度；矩阵中元素意为pv节点i对pv节点j的无功电压灵敏度。
31、进一步的，所述步骤(3)中模块度函数的构造。模块度函数定义如下：
32、 (8)
33、 (9)
34、 (10)
35、 (11)
36、其中：与为拓展型无功电压灵敏度矩阵中第行列以及行列的两个元素；为连接节点和节点间的连接权；表示网络中所有边的权重之和；若节点与节点在同一分区，则，否则。
37、进一步的，所述步骤(3)采用改进k-means的基于模块度的电网分区方法。模块度指标的计算需要知道全体节点的分区情况，传统的k-means算法不适用，需要对其迭代过程进行改进。改进k-means算法对基于模块度的电网分区步骤如下：
38、①选取初始分区点。由专家指导确定分区目标数量。随机选取个节点，计算节点间连接权之和作为判断依据。进行若干次随机选择，取其中连接权之和最低的一组随机节点作为初始分区点。
39、②节点分区迭代。分别计算剩余节点并入不同分区时对应的模块度，记录其中模块度最大的分区情况。
40、③更新分区结果。依照步骤②中记录每个的模块度最大的分区结果，更新节点分区情况。若分区迭代次数小于最大迭代数的一半，跳转步骤②，否则跳转步骤④。
41、④随机选取个个节点，计算其并入不同分区时对应的模块度，记录其中模块度最大的分区情况。重复步骤④直到迭代数达到最大值。的取值如公式(12)所示：
42、 (12)
43、其中：为向上取整函数；与分别为当前迭代数与最大迭代数。
44、⑤输出分区结果。平衡节点归入与之连接权最大的节点分区中。
45、进一步的，所述步骤(4)区域无功裕度指标的定义。常规的无功负荷与最大无功补偿量的比值的无功裕度定义方式具有局限性，忽视不同分区所含节点数不同，对应的无功裕度权重也不同。本发明提出区域无功裕度指标，定义如下：
46、 (13)
47、其中：为区域对应的区域无功裕度；与分别为区域的无功负荷与最大无功补偿量；为区域拥有的节点数量；为惩罚系数，取值为较大正数。
48、进一步的，所述步骤(4)采用改进k-means的基于区域无功裕度的电网分区方法。节点的无功裕度数据分布方式不同于无功电压灵敏度，为防止分区结果出现区域不连通的问题，需要改进算法迭代过程的分区选择部分。采用改进k-means的基于区域无功裕度的电网分区步骤如下：
49、①构造连接矩阵。依据电网拓扑图，构造连接矩阵。
50、 (14)
51、其中：为连接矩阵中第行第列元素；反应节点与节点是否直接相连，若相连则，否则。
52、②选取初始分区点。采用 “基于模块度的分区”中的初始分区，若拥有无功源的节点数大于分区数，跳转步骤③，否则终止分区操作。
53、③节点分区迭代。依照连接矩阵，各个节点并入相邻分区时对应的区域无功裕度指标，记录其中模块度最大的分区情况。
54、④更新分区结果。依照步骤③中记录的最大区域无功裕度指标，更新节点分区情况。若分区迭代次数小于最大迭代数的一半，跳转步骤③，否则跳转步骤⑤。
55、⑤随机选取个个节点，计算其并入不同分区时对应的模块度，记录其中区域无功裕度指标最大的分区情况。重复步骤⑤直到迭代数达到最大值。的取值如公式(15)所示：
56、 (15)
57、其中：为向上取整函数；与分别为当前迭代数与最大迭代数。
58、⑥重复步骤②至步骤⑤若干次，得到多个分区结果。
59、进一步的，所述步骤(5)中双层分区结果的整合。以节点在不同分区结果中的分区定义分区结果相似性，以多个节点在相同分区内的分区结果定义节点间相似性。双层分区结果的整合步骤如下：
60、①选择整合基。定义分区结果相似性指标，从次层分区“基于区域无功裕度的电网分区”中选择与首层分区“基于模块度的电网分区”相似度最高的分区结果，作为整合基。分区相似性指标定义如下：
61、 (16)
62、其中：表示分区结果中节点所属分区的节点集合；表示分区结果中节点所属分区的节点集合；表示分区中节点所属分区与分区中节点所属分区的交集的数量；表示分区中节点所属分区与分区中节点所属分区的并集的数量。
63、②构造节点间相似性矩阵。针对节点与节点在不同分区结果中是否同属一个区域，定义节点间相似性矩阵：
64、 (17)
65、 (18)
66、 (19)
67、其中：与表示节点与节点在分区中所属分区的集合；反应节点与节点在分区中是否属于同一区域；为采用的整合基的数量；反应节点与节点在整合基中分区的相似性，取值范围[0，1]。此处节点相似性通过不同节点在多个分区结果中是否属于同一分区定义，与上述步骤①中的相似性不同。
68、③凝聚聚类。以相似性矩阵每一行的元素作为对应节点的属性，分区目标数量作为终止条件，采用凝聚聚类的方式对节点间相似性矩阵进行聚类。
69、进一步的，所述步骤(6)中分区优化，步骤如下：
70、①数据读取。获取电网运行参数，检测是否有节点电压越限，有则跳转至步骤②。
71、②确定电压越限节点所属分区为主分区，调度主分区内无功设备进行优化仿真，若成功解决电压越限问题，则结束优化，输出优化方案，否则跳转步骤③。
72、③遍历主分区邻近分区中的节点电压，选取其中电压最高节点所属分区并入主分区，调度主分区内无功源进行无功优化仿真，若成功解决电压越限问题，则结束优化，输出优化方案；否则重复步骤③。若所有无功源均已参与调度且仍存在电压越限节点，则输出当前控制方案并发出警告。
1.一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，其特征在于，包含以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中当前电网运行功率情况的确认：
3.根据权利要求1所述的一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，其特征在于，所述步骤(2)中拓展型无功电压灵敏度矩阵的计算：
4.根据权利要求1所述的一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中模块度函数的构造：
5.根据权利要求1所述的一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，其特征在于，所述步骤(3)采用改进k-means的基于模块度的电网分区方法：
6.根据权利要求1所述的一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，其特征在于，所述步骤(4)区域无功裕度指标的定义：
7.根据权利要求1所述的一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，其特征在于，所述步骤(4)采用改进k-means的基于区域无功裕度的电网分区方法：
8.根据权利要求1所述的一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，其特征在于，所述步骤(5)中双层分区结果的整合：
9.根据权利要求1所述的一种计及区域电压控制能力的电网动态双层分区优化方法，其特征在于，所述步骤(6)中分区优化，步骤如下：
