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用于安全约束最优动力流计算的混合交流高压基准测试系统
摘要：混合交流-高压直流系统在交流传输系统的操作，控制和安全性领域创造了新的视角。 虽然有希望的视觉，网状高压直流网格不存在于真实的环境中。 因此，对高压直流电网运行的研究需要用于静态和动态方面的有效测试系统。除了CIGREacute;测试系统，其侧重于海上因素，因此不是覆盖的高压直流电网，目前不存在公开可用的测试系统。 本领域最近的出版物使建立的标准交流测试系统适应其高压直流扩展的案例相关要求。 这项工作介绍和提供混合交流-高压直流测试系统，使得能够评估最佳功率流和安全约束最优动力流算法。 对高压直流最优动力流应用的最先进的文献进行评估，评估应用的交流标准测试系统，并从该发现得出关键指标。 关于这一点，提出的测试系统的有效性和交流电网对现实的参考被确保。 建议的系统包括67个交流节点，102个交流支路，9个电压源转换器和11个高压直流支路，包含13个关键应急情况，可以通过预防措施或纠正措施消除。 提供描述所提出的系统的数据.
1简介
电压源转换器技术的可用性使得能够构建和操作高压直流互连（点对点和多终端），尤其是网状网格拓扑。 这种结构的操作需要基于已建立的最优动力流计算[1-9]的设定点的充分协调。 [1]引入了考虑高压直流结构的实现的第一最优动力流算法。 几个出版物继续在这一领域的研究。
最近的出版物重新引入了面向安全的优化;安全约束最优动力流，首先在[6]中提出。 的算法尊重稳态安全方面最优动力流计算，从而使得能够进行电压源转换器的设定点计算建立（N-1） - 安全的时间表。 这种预防方法通过纠正，后应急措施[7]延长。
由于最优动力流和安全受限最优动力流成为高压直流运行研究的主要部分，因此需要适当的测试系统来实现开发最优动力流算法的可靠，可比较和现实的评估。 回顾最近的出版物显示，目前还没有通用的测试系统。每个科学工作组应用由高压直流互连扩展的不同标准交流测试系统。 本文提出了一种专用于最优动力流和安全受限最优动力流计算的混合交流-高压直流测试系统。
第二部分介绍了交流-高压直流-最优动力流领域的相关出版物。该调查使得能够制定与这种测试系统有关的具体要求。这些是本工作中提出的测试系统考虑的目标。 第3节包括描述部署测试系统的关键指标（KI）的推导。
第4部分介绍了本工作中开发的专用交流-高压直流系统，包括基于文献调查的拓扑结构和总体设计方面以及第2部分制定的结果要求。测试系统的充分性得到了KIs评估的证明 派生于第3节。由于网状高压直流系统将不会立即建立，而是在几个阶段中，提供了三个高压直流拓扑方案来涵盖此开发。 第5节总结了总体发现。 附录中提供了详细的数据，如线路参数，负载和发电机组和电压源转换器的数据和参数。
2文献调查和一般要求
本节提供了包含高压直流系统的最优动力流算法领域的出版物调查。 本文提到的文献明确地包括安全受限最优动力流的领域，仅提供和简要描述了最相关的出版物。本节提供了包含高压直流系统的最优动力流算法领域的出版物调查。 本文提到的文献明确地包括安全受限最优动力流的领域，仅提供和简要描述了最相关的出版物。
2.1最新/文学调查
文献调查仅包括应用标准交流测试系统的出版物。 这些标准测试系统是专用工作组的产品，因此设计用于不同的目的，如转子角度稳定性[11]，电压稳定性[12]或可靠性方面[13]。他的设计方法包括现有电力系统领域的表征以及虚构设计，以实现所需的效果。
近期在高压直流领域的出版物已经对所选择的标准测试系统进行了几项特定修改。 在大多数情况下，适应预定义的负载和生成曲线，以便模拟显着的局部功率不平衡，从而导致大功率长距离传输。系统内的这些附加功率流应该被附加实现的高压直流互连器传输。 转换器放置在系统中并连接到现有的交流节点。在一些参考文献中，原始交流测试系统的交流连接被新实现的高压直流连接所取代。 以下最重要的参考文献参与了其使用的交流测试系统和应用的修改。
其中包括的点至点高压直流互连器最优动力流计算是早在2007年出版的在[1]，而标准的交流测试系统通过高压直流互连器扩展首先在应用[2]。。 作者应用IEEE 30总线测试系统[14]，其中包含6台同步电机，21台负载和41台分支机构。 该测试系统于1961年出版，代表了美国中西部电力系统的一部分[14]。 该系统扩展了三个电压源转换器，从而创建了一个多终端互连。
丰特奥[15]使用NORDIC-32总线[12]模型来实现各种高压直流拓扑中的三个电压源转换器，例如多端子或径向电网拓扑，以便比较其各自的优点。 交流系统由32个节点，20个同步电机和12个负载定义，通过51个分支连接。系统本身是基于虚拟设计，被选择以表示瑞典传输系统的现有电压稳定状况[12]。
第一台网状高压直流电网已纳入[16]。 作者使用IEEE 14总线测试系统[14]，其中包括11个负载，5个同步电机（3个用于无功供电），11个负载和13个分支。14总线系统1962年出版，也代表了美国中西部电力系统的一个领域[14]。 并入了一个五节点高压直流网格，通过四个电压源转换器连接到交流电网。 该出版物是显着的，因为它相对于现有的交流节点应用大量的电压源转换器。 提出的交流-高压直流测试系统仍然应用于最近的出版物[17,18]，扩展了初始最优动力流问题以考虑安全因素（安全受限最优动力流）。
效率成为最优动力流计算算法的附加因素，因为交流和高压直流节点数量的增加显着增加了优化过程的复杂性，从而削弱了其性能。 因此，需要对最优动力流方法及其在大型测试系统中的应用进行评估。 具有大量节点的测试系统还允许评估最优动力流算法及其在高度网格化的高压直流网格中的性能。 Vrakopoulou等 在[19]中是第一个应用IEEE可靠性测试系统1996（RTS-96）[13]的出版物。 该交流测试系统取代了原来的IEEE可靠性测试系统（RTS-79 [20]）[13,20,21]中描述的设计方法的主要特点是设计一个允许评估和比较可靠性评估技术的测试系统的目标是：官方负载和发电数据分配到定义数量的公共汽车。 在该测试系统中，传输线参数符合标准类型，而拓扑结构被手动设计为具有比通常在公用事业计划中可接受的可靠性更低的可靠性[20]。 （N-1） - 安全性由此有意识地防止。RTS-96是通过连接三个版本的RTS-79区域开发的。 共有三个控制区，共73个节点，33台同步机和120个分支机构。 考虑负载生成配置文件进行了几个更改。 特征在于仅由少数连接线连接的三个拓扑相同区域的测试系统被扩展为具有六个电压源转换器（每个区域两个））并且产生网格高压直流网格。 在[22]中使用相同的测试系统来评估多区域交流 / 高压直流电网运行中的不同概念。
交流节点数量最多可以在[23]中找到。 使用IEEE 118总线测试系统评估提出的高级安全受限最优动力流算法。 [14]中描述的交流系统由54个同步发电机组，64个负载和186个分支组成。 这些数据是基于1962年12月的美国中西部电力系统的一部分高压直流扩建由八节点高压直流电网实现，其中包括五个海上风电场和三个额外的陆上电压源转换器，将高压直流连接到现有的交流系统。 在这种拓扑的基础上，与已经提到的CIGREacute;测试系统相比，应用系统被认为是海上高压直流电网[10]。
除了应用最优动力流和安全受限最优动力流计算的出版物外，还有其他最优动力流应用，例如评估直流电压控制的最佳电压下降设置的[24]。 应用39总线测试系统（或新英格兰测试系统[25]）由10台同步机，19台负载和44个分支机构组成，并配有三端高压直流链路。新英格兰考试系统首先在[11]中引入。 该系统是历史悠久的新英格兰电力系统的一部分。 一代单位是大量发电机的集合，而系统设计不是基于网络等效方法[14]。 该系统被认为主要用于研究稳定性问题[26]。
高压直流输电系统本身并不是本文概述的任何出版物的重点; 特定的高压直流网格被认为是附加的传输骨干网，其能够支持现有的交流电网，其功率流已经被手动增加并且随后由高压直流电网缓解。
2.2一般要求
包含覆盖高压直流系统的最优动力流方法的应用涉及到本节提供的交流电网的若干要求：
1、交流节点的连接足够强，符合连接到交流节点的电压源转换器容量。
2、足够数量的交流节点，允许扩展具有多个电压源转换器的高压直流系统，以在最优动力流计算中创建相关的复杂度水平。
3、在长距离内在系统内进行大功率
表1基于定义的KI的标准测试系统
传输，以证明实施高压直流输电连接器或高压直流输电系统。
4、线性参数，网格交流结构和发电机尺寸的现实表示。
有关高压直流系统的附加条件：
1、网格拓扑，以便在最优动力流 / 安全受限最优动力流应用程序（在实现点对点或多终端拓扑结构后的第二阶段）达到相对的复杂程度。
2、最优动力流约束对直流电压和线路负载限制的操作限制。
3、高压直流输电网相对于交流系统的啮合现实程度。
4、通过一条高压直流水龙头线实施一个海上风力发电场。某些优化问题的评估，如安全约束考虑（具有预防和/或纠正措施的安全受限最优动力流）导致条件列表的进一步扩展：
5、交流和高压直流系统都不会违反所提供的基本情况的操作限制（设备负载，电压限制）。
6、测试系统中不存在由于网络扩展不足或功率调度不足造成的应急情况。 相反，交流-高压直流系统内的所有现有突发事件都可以通过预防或纠正电压源转换器设定点来解决。
7、各种意外事件（区域间和区域内）被认为是可以对交流-高压直流系统进行最优动力流和安全受限最优动力流算法的综合评估。
3 评估现有的交流标准测试系统
表1列出了在文献调查（2.1节）中确定并用于静态高压直流操作领域相关参考文献中的标准交流测试系统。 具有一个共同的基础，每个交流测试系统相对于其标准参数化进行评估。 因此，作者所采用的负荷产生特征的个体调整因此被
忽略。 只有额外安置电压源转换器才能得到尊重。 评估过程基于从制定的要求（第2.2节）中得出的KI，并且如下所示。
3.1主要指标
KIs的应用可以对各个标准测试系统进行客观评估（见表1）。 KI代表系统设计，参数化和可用信息的基本方面：
（i）假设测试系统的地理位置大小由交流节点的总数量表示.
（ii）所述的安全分析要求形成分支的个体交流线路的热限制。 一套不足的数据阻碍了有效的安全分析，因为它们不能从其他有价值体系中得出。
（iii）为每个标准测试系统执行电力系统安全分析[29]，以评估安全级别。 安全是一个主要的操作方面。 执行的安全分析仅包括交流分支中断。 应急准则是电压限制，热线限制和无功功率限制。
（iv）由（1）定义的网格划分度。 值gt; 1是代表交流传输系统的典型值，被认为是高压直流集成的主网格层。
（v）交流系统内的发电机组（具有发电机组的总线）的分配由公式决定。
（vi）负载生成节点和节点节点之间的交流电力传输由（3）表示，考虑了累积功率。
（vii）此外还考虑了标准测试系统的设计标准。 如果应用网络减少或网络等效方法，这可能会影响以前导出的KI的可比性。 第3.2节给出了每个设计过程的简要总结，详细描述可参见2.1节。除了描述最初公布的交流测试系统的上述KI之外，以下KI还反映了在评估出版物中实施的特定高压直流系统方面。
（viii）在评估出版物中应用的电压源转换器的数量被认为是描述优化过程的复杂性的参数。
3.2评价
已经在2.1节中介绍的文献中应用的标准测试系统可以用以前定义的KI进行评估和比较。 下面的列表简要描述了每个标准的交流测试系统以及其基本参数和拓扑数据的参考。 连接到同一总线的发电机组已经合并成一个单元。 在某些情况下，高压直流节点的数量由于与交流系统没有现有互连的附加高压直流节点而不同。
4、高压交直流输电测试系统
所提出的测试系统如下。 它由具有附加网格高压直流输电系统的交流传输系统组成。 因此，交流电和高压直流输电系统的描述分为不同的部分。 首先，描述设计和参数化过程，说明应用标准和类比与评估的标准测试系统的设计方法。
4.1设计方法
关于所提出的测试系统的拓扑结构的主要设计标准是希望创建用于安全受限最优动力流算法和附属方法的测试和评估的系统。 类似的面向目标的设计方法被应用于1976年IEEE可靠性测试系统的创建，显式网格规划方法既不适用于原始也不适用于1984年和1996年的更新版本。
在第一步中，选择负载和产生的位置和尺寸。 该过程包括将节点分配给三个控制区域。 该分布相对于各个区域之间期望的功率不平衡导致显着的长距离功率传递。 确定系统拓扑的交流电分支的布局是手动执行的。 在设计过程中，经典可靠性驱动的网络规划方法尚未得到考虑。 基本指导方针是分支机构的近似数量和基本要求，即仅通过一个分支机构连接总线。 由此产生的交流负载流量情况的特征在于交流功率传输和重载传输设备的重要性。
电压源转换器的总数设置为八个陆上站和另外一个海上站。根据交流电节点的数量，控制区域1和2各自被三个电压源转换器扩展，剩下的两个电压源转换器被分配给控制区域3.作为第一步，选择网格内的电压源转换器的位置以建立三个点对点高压直流输电链路在南北方向（参见第4.3节），而它们在各自控制区域内的位置是通过应用PTDF（功率因数分布因子[30]）得出的。基于PTDF的灵敏度分析表明，专用控制区域内的电压源转换器位置相对于
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