[科普中国]-虚拟母线技术

簇集网状网络簇集网状网络的概念

簇集网状网络是电力网络中一种具有特殊性质的拓扑结构，其特点是拥有一个簇头节点，其他节点均通过此簇头节点与外部网络相连，簇头节点起到汇聚簇内能量流的作用。这样的网络存在有利于负荷预测以及静态安全校核的基态特性和断态特J陛。然而，输电网络中簇集网状网络并不常见，但是却存在同样具有基态特性和断态特性的“类簇集网状网络”，即“虚拟母线”。下文将首先阐述簇集网状网络及其基态、断态特性，然后引出虚拟母线。 簇集网状网络是指内部节点网状连接，并只能通过唯一的簇头节点与外部网络相连通的网络。如 潮流分布反映了电网的能量流分布，描述了电网运行最基本的特征。簇集网状网络概念的应用，可以在很大程度上简化电网的潮流计算(为了简化问题的复杂度，本文将主要以直流潮流计算作为研究对象)。这种简化主要体现在簇集网状网络的基态和断态特性上。

断态特性断态特性是指簇集网状网络成员节点之间连接关系的变化，如支路开断、支路重构等，不会改变簇头节点的虚拟负荷，也不会改变外部网络的潮流分布。这是因为簇集网状网络成员节点之间为网状连接，支路连接关系变化后，只要簇集网状网络仍保持连通，节点负荷就可以通过其他支路流向外部网络，虚拟负荷Po维持不变，外部网络的潮流自然也就不会改变。

这一特性在电网安全分析中具有重要应用。以静态安全校核为例，对于一个具有簇集网状网络特征的局部电网，当其内部支路发生开断故障时，可以不必对其外部网络的潮流分布进行校验，而只需关注其内部支路的潮流变化。如此，簇集网状网络内部故障所带来的安全约束数目将被大幅度削减，安全校核的速度将得以提升。

虚拟母线电网中也存在着典型的簇集网状网络，如省间联络线及其连接的外省网络，以及闭环结构开环运行的配电网网络。以省间联络线为例，在计算输电网潮流时，省间联络线及其连接的外省网络通常被等效成单节点，该节点负荷为联络线上计划流过的潮流。

除去省间联络线和配电网，如果能够在输电网中找到更多的簇集网状网络，那么母线负荷预测和静态安全校核的问题都将得到简化。然而，为了电网运行可靠性的考虑，输电网多为环状结构，很难找到这样的簇集网状网络。

基于以上分析，虽然在输电网中难以找到对所有外部网络支路GSDF相同的簇集网状网络，但如果将外部网络定义为电网的关键断面，将GSDF相同条件削弱为相似，就可以找到对关键断面具有基态和断态特性的“类簇集网状网络”，称为“虚拟母线”。 此外，为了提高虚拟母线负荷的可预测性，还进一步要求各成员节点所挂接负荷的负荷曲线需要具有相似性，这将有利于提高虚拟母线负荷配比因子的规律性，降低配比误差。2虚拟母线及其特性分析

虚拟母线理念的进一步剖析虚拟母线是在电网中存在一些紧密联系的连通的局部网络，其内部各母线对关键断面具有相同或相近的GSDF，同时其内部母线的负荷曲线具有一定的相似性，即定义这些母线所组成的连通局部母线组为虚拟母线。

虚拟母线内部各母线对关键断面GSDF的相似J陛使虚拟母线对关键断面具有簇集网状网络的基态特性和断态特性。

子母线(child bus, CB)是指组成虚拟母线的成员节点2。

虚拟母线基数(virtual bus cardinality)是指虚拟母线中所含有的子母线数量。

虚拟母线负荷(virtual bus load)是指虚拟母线中所有子母线的负荷总和。

若线路两端节点均属于同一个虚拟母线，则该线路为该虚拟母线的内部线路。 线路两端节点不属于相同的虚拟母线，则该线路为任意虚拟母线的外部线路。

虚拟母线辨识算法根据虚拟母线的定义，虚拟母线应满足下列聚合判据:1>虚拟母线的子母线对关键断面具有相同或相近的GSDF; 2子母线挂接的负荷曲线具有相似性;3>子母线之间满足拓扑连通性。除此之外，存在负荷转供关系的母线也应被划分到同一个虚拟母线，这样能降低负荷转供对预测带来的影响。本节将提出一个高效的虚拟母线辨识算法，实现上述目标。

该虚拟母线的辨识算法主要包括2个步骤1:

第1个阶段是粗辨识阶段，采用层次聚类法.将GSDF相似的母线初步筛选出来。

第2个阶段则采用差异距离衡量粗辨识虚拟母线内子母线的负荷曲线的相似程度，利用最小生成树聚类法.使得具有相似负荷特性且拓扑上连通的母线被聚为一类，以确保虚拟母线满足负荷相似性、拓扑连通性，并避免了转供母线被分在不同的虚拟母线之中。

基于虚拟母线技术的负荷预测方法基于虚拟母线技术的负荷预测方法(virtual busload forecasting, VBLF)，本质上是对其内部子母线的历史负荷进行加总，以生成虚拟母线历史负荷样本，据此对虚拟母线未来时段的负荷进行预测;并将预测值代入子母线的配比模型，求解各个子母线的负荷预测值。其实施步骤如下2。

1)虚拟母线辨识。

虚拟母线是满足下列聚合判据的母线组:①虚拟母线的子母线对关键断面具有相同或相近的GSDF;②子母线挂接的负荷曲线具有相似性;③子母线之间满足拓扑连通性。通过这些聚类判据，将全网的所有母线划分成N个虚拟母线。

2)生成虚拟母线的历史负荷数据。

针对每个虚拟母线Uk，将虚拟母线内所有子母线的历史负荷进行加总，得到虚拟母线历史负荷集。

3)虚拟母线负荷预测。

基于历史负荷集，构造一定的负荷预测方法对虚拟母线k=1 -N负荷进行预测，得到预测结果

4)配比模型。

维护“虚拟母线一子母线”配比模型，根据虚拟母线预测结果，得到子母线的预测值。配比因子可通过平滑近日配比因子得到。

总结基于虚拟母线技术的母线负荷预测方法，通过深入分析负荷预测误差的形成机理，将误差分为建模误差、外推误差与配比误差3类，并分别提炼出面向不同类别预测误差的数学表征;分析了虚拟母线技术对于各类预测误差的作用方式，证明了虚拟母线技术有利于削减建模误差和外推误差;通过对负荷曲线相似母线的聚类，有效降低了配比误差，从而全面提高了母线负荷预测精度。

虚拟母线是众多相似特性母线的组合，因而天然地具有局域负荷特性，更适合引入地区气象等相关因素进行建模;另一方面，由于虚拟母线内子母线对关键断面的GSDF相似，因而不同子母线负荷对关键断面的潮流影响是相近的，通过对虚拟母线负荷的预测，能够快速掌控关键断面的潮流变化趋势。