CN102593825B - 基于虚拟恒电流负荷的环状配电网潮流获得方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于虚拟恒电流负荷的环状配电网潮流获得方法，通过两层迭代来解决潮流问题，内层迭代用前推回代法计算有树枝组成的纯辐射状网络潮流，外层迭代不断修正连枝两端节点的注入电流达到整体收敛。本发明基于虚拟恒电流负荷的环状配电网潮流获得方法，能够对环状配电网络进行分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于虚拟恒电流负荷的环状配电网潮流获得方法，应用于电力监控领域。
背景技术
在配电网监控管理系统中, 配电网潮流是高级应用软件提供给调度员和计划人员的最重要的功能, 用于分析配电网络电气状态和检查越界范围等，同时，它也是配电网络分析的基础软件, 用于电压/无功优化、操作模拟和结线变化分析等。
配电网络具有不同于输电网络的显著特点：1）配电网基本是放射形结构, 或者是接近辐射状网络结构(弱环结构)；2）支路参数r和x相差不大，有时甚至会出现r > x的情况；3）三相支路参数不平衡和三相负荷不对称问题比较突出。配电网络的这些特点造成对传统的潮流算法来说实际上属于病态条件，例如：由于配电网支路参数r/x比值较大，使原来在高压输电网中行之有效的算法，如快速解耦法等，在配电网中不再有效；其次，由于配电网中不对称元件，如未换位的输电线路、三相三铁心柱变压器、电力机车负荷及其它三相不对称负荷的存在，使配电网的三相电压、电流不再对称，因而不能像对称系统那样，只计算单相的情况，而必须进行三相潮流计算。因此，获得配电网潮流必须采用不同于输电网且适合配电网特点的、有效的、鲁棒性好的潮流计算方法。
目前常用的三相潮流计算可分为回路阻抗法、前推回代法。S.K Goswami和S.K Basu在1991年提出的回路阻抗法以回路电流为变量，从馈线根节点到每一个负荷点形成一条回路，根据基尔霍夫电压定律，列回路电流方程，该方法处理网孔能力较强，但节点和支路编号处理复杂。前推回代法最初是从手算算法发展而来的，当用来进行辐射状配电网的潮流计算时，该算法的效率是所有算法中最高的，占用内存也很少，前推回代法由于自身的优点在国外已被不断改进且应用于与生产实际中，它的缺点是，当应用于环状网络时需要进行特殊的处理。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能够对环状配电网络进行分析的基于虚拟恒电流负荷的环状配电网潮流获得方法。
本发明的目的是这样实现的：一种基于虚拟恒电流负荷的环状配电网潮流获得方法，所述方法的步骤为：
步骤1、计算机从配电网管理系统中获取配电网的网络参数；
步骤2、形成配电网的树枝集合和连枝集合，其具体形成步骤如下：
步骤2.1、通过步骤1获取的网络参数得到节点集合和边集合；
步骤2.2、置节点集合中所有节点的是否被处理标志位为False（即表示还没有处理过）；初始化堆栈，将节点集合中的根节点压入堆栈，并置根节点的是否被处理标志位为True，初始化树枝集合和连枝集合为空；
步骤2.3、若堆栈为空，跳转至步骤2.6，否则执行步骤2.4；
步骤2.4、从堆栈中弹出节点，该节点为节点一，遍历与该节点相连的边，与该边相连的另一节点为节点二，若节点二的是否被处理标志位为False，则将该边加入到树枝集合，将节点二压入堆栈，并置节点二的是否被处理标志位为True；
步骤2.5、跳转至步骤2.3；
步骤2.6、将边集合中除树枝集合外的边放入连枝集合中；
步骤2.7、遍历每条连枝，利用步骤1得到的网络参数，获得连枝的支路导纳矩阵；
步骤3、重新编号，编号步骤为：
步骤3.1、将连枝从边集合中移除；
步骤3.2、初始化数据：
置队列为空，置当前整数为1，置根节点的新编号为1，将节点集合中的根节点放入队列中，置根节点的是否被处理标志位为True；
步骤3.3、如果队列为空，跳转至步骤4，否则，从队列的对首取出节点，并将该节点设为当前节点；
步骤3.4、从边集合中取出与当前节点相连的边，通过改变获得与当前节点相连的节点，将该节点设置为子节点，若子节点的是否被处理标志位为False，则将当前整数累加1，并将累加后的当前整数置为该子节点的新编号，同时将该子节点存入队列的队尾；
步骤3.5、跳转至步骤3.3；
步骤4、初始化：遍历所有连枝，在有连枝相连的节点上设置一个虚拟恒电流负荷，电流值置为0，使用数组initialV存储节点电压，置数组initialV中元素为对应节点的额定电压，预置ε、ε1分别为足够小的常数，
步骤5、置各节点初始电压为initialV；
步骤6、对由树枝组成的辐射状网络使用前推回代法计算各节点电压和支路电流；
步骤6.1、按节点编号从大到小的顺序遍历所有节点，设当前节点为currentN，如果currentN没有父节点，即currentN是根节点，则转到步骤6.2；否则，设currentN与父节点之间的支路为br，利用公式I=(S/V)*计算currentNode流入负荷的电流，其中S是负荷功率，V为节点电压，*号表示共轭，br的电流为流入负荷的电流加上以currentN为父节点的树枝上的电流，遍历以currentN为父节点的所有树枝，计算得到br上的电流；
步骤6.2、置实数deltaV为无穷小，按节点编号从小到大的顺序遍历所有节点，设当前节点为currentNo，从节点集中获得currentNo的子节点，遍历currentNo的子节点，设当前子节点为sonNo，设currentNo与sonNo之间支路为bra，Ibra为6.1计算所得bra的电流，设sonNo的当前节点电压为VsonNo1，更新sonNo的节点电压为VsonNo=VcurrentNo-Zbr*Ibra，其中VcurrentNo 为currentNo的电压，Zbra为支路bra的阻抗矩阵，设VsonNo与VsonNo1对应相位差值的模最大值为a，如果deltaV<a，则置deltaV=a;
步骤6.3、如果deltaV<ε1 ，转到步骤7，否则转到6.1；
步骤7、置最大偏差delta为无穷小，遍历所有连枝，设当前连枝为branch，branch两端节点为n1和n2，n1上虚拟恒电流负荷load1，n2上虚拟恒电流负荷为load2，步骤6得到的计算结果中取出branch两端的电压v1和v2，设branch导纳矩阵为Y，利用公式I=Y*(v1- v2)，计算出支路电流I，设 load1电流值为Iload1，load2电流值为Iload2，设Iload1与Iload2对应相位差值的模的最大值为b，如果delta<b，置delta=b；
步骤8、如果delta<ε，输出节点电压和支路电流结果，退出；否则，进入步骤9；
步骤9、遍历所有连枝，设当前连枝为branch，branch两端节点为n1和n2，更新n1上虚拟恒电流负荷的电流值为I，n2上虚拟恒电流负荷的电流值为-I；
步骤10、将步骤6计算所得各节点电压存入initialV中；
步骤11、转到步骤5。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
配电网正常情况下呈现辐射状网络结构, 但在某些特殊的运行方式下(如故障处理和网络重构)，可能会出现短时间的环网运行，最常见的是单环网形式。为了计算环状配电网的潮流，本发明提出一种基于补偿电流的环状配电网潮流获得方法。该方法首先分析出环状配电网络的树枝和连枝，接着通过两层迭代来解决潮流问题，内层迭代用前推回代法计算有树枝组成的纯辐射状网络潮流，外层迭代不断修正连枝两端节点的注入电流达到整体收敛；从而实现对环状配电网络的分析计算，有助于提高配电网络的整体监控能力。
附图说明
图1为本发明基于虚拟恒电流负荷的环状配电网潮流获得方法的流程图。
图2为本发明环状测试配电网络的结构图。
图3为本发明图2所示环状测试配电网络的树枝部分的结构图
图4为辐射状配电网络局部。
具体实施方式
参见图1，本发明涉及的一种基于虚拟恒电流负荷的环状配电网潮流获得方法，该方法的步骤为：
步骤1、计算机从配电网管理系统中获取配电网的网络参数，
步骤2、形成配电网的树枝集合和连枝集合，其具体形成步骤如下：
步骤2.1、通过步骤1获取的网络参数得到节点集合和边集合；
步骤2.2、置节点集合中所有节点的是否被处理标志位为False（即表示还没有处理过）；初始化堆栈，将节点集合中的根节点压入堆栈（节点数据从配电网管理系统中获得时计算机已经知晓哪个节点为根节点），并置根节点的是否被处理标志位为True，初始化树枝集合和连枝集合为空；
步骤2.3、若堆栈为空，跳转至步骤2.6，否则执行步骤2.4；
步骤2.4、从堆栈中弹出节点，该节点为节点一，遍历与该节点相连的边，与该边相连的另一节点为节点二，若节点二的是否被处理标志位为False，则将该边加入到树枝集合，将节点二压入堆栈，并置节点二的是否被处理标志位为True；
步骤2.5、跳转至步骤2.3；
步骤2.6、将边集合中除树枝集合外的边放入连枝集合中；
步骤2.7、遍历每条连枝，利用步骤1得到的网络参数，获得连枝的支路导纳矩阵；
步骤3、重新编号，编号步骤为：
步骤3.1、将连枝从边集合中移除；
步骤3.2、初始化数据：
置队列为空，置当前整数为1，置根节点的新编号为1，将节点集合中的根节点放入队列中，置根节点的是否被处理标志位为True；
步骤3.3、如果队列为空，跳转至步骤4，否则，从队列的对首取出节点，并将该节点设为当前节点；
步骤3.4、从边集合中取出与当前节点相连的边，通过改变获得与当前节点相连的节点，将该节点设置为子节点，若子节点的是否被处理标志位为False，则将当前整数累加1，并将累加后的当前整数置为该子节点的新编号，同时将该子节点存入队列的队尾；
步骤3.5、跳转至步骤3.3；
步骤4、初始化：遍历所有连枝，在有连枝相连的节点上设置一个虚拟恒电流负荷，电流值置为0，使用数组initialV存储节点电压，置数组initialV中元素为对应节点的额定电压，预置ε、ε1分别为足够小的常数，
步骤5、置各节点初始电压为initialV；
步骤6、对由树枝组成的辐射状网络使用前推回代法计算各节点电压和支路电流；
步骤6.1、按节点编号从大到小的顺序遍历所有节点，设当前节点为currentN，如果currentN没有父节点，即currentN是根节点，则转到步骤6.2；否则，设currentN与父节点之间的支路为br，利用公式I=(S/V)*计算currentNode流入负荷的电流，其中S是负荷功率，V为节点电压，*号表示共轭，br的电流为流入负荷的电流加上以currentN为父节点的树枝上的电流，遍历以currentN为父节点的所有树枝，计算得到br上的电流；
步骤6.2、置实数deltaV为无穷小，按节点编号从小到大的顺序遍历所有节点，设当前节点为currentNo，从节点集中获得currentNo的子节点，遍历currentNo的子节点，设当前子节点为sonNo，设currentNo与sonNo之间支路为bra，Ibra为6.1计算所得bra的电流，设sonNo的当前节点电压为VsonNo1，更新sonNo的节点电压为VsonNo=VcurrentNo-Zbr*Ibra，其中VcurrentNo 为currentNo的电压，Zbra为支路bra的阻抗矩阵，设VsonNo与VsonNo1对应相位差值的模最大值为a，如果deltaV<a，则置deltaV=a;
步骤6.3、如果deltaV<ε1 ，转到步骤7，否则转到6.1；
步骤7、置最大偏差delta为无穷小，遍历所有连枝，设当前连枝为branch，branch两端节点为n1和n2，n1上虚拟恒电流负荷load1，n2上虚拟恒电流负荷为load2，步骤6得到的计算结果中取出branch两端的电压v1和v2，设branch导纳矩阵为Y，利用公式I=Y*(v1- v2)，计算出支路电流I，设 load1电流值为Iload1，load2电流值为Iload2，设Iload1与Iload2对应相位差值的模的最大值为b，如果delta<b，置delta=b；
步骤8、如果delta<ε，输出节点电压和支路电流结果，退出；否则，进入步骤9；
步骤9、遍历所有连枝，设当前连枝为branch，branch两端节点为n1和n2，更新n1上虚拟恒电流负荷的电流值为I，n2上虚拟恒电流负荷的电流值为-I；
步骤10、将步骤6计算所得各节点电压存入initialV中；
步骤11、转到步骤5。
以图2所示的配电网络为例，具体步骤说明如下：
步骤1、初始化
从配电网管理系统中获得配电网的网络参数。该配电网络只有馈线和负荷，馈线的支路号、首节点编号、末节点编号和阻抗如表1所示，负荷所在节点以及负荷功率功率如表2所示。
表1 馈线参数表
表2 负荷功率表
| 节点号 | A相有功 | A相无功 | B相有功 | B相无功 | C相有功 | C相无功 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 2 | 32 | 19 | 33 | 20 | 35 | 21 |
| 3 | 30 | 13 | 31 | 15 | 29 | 13 |
| 4 | 45 | 30 | 0 | 0 | 35 | 24 |
| 5 | 20 | 10 | 20 | 10 | 20 | 10 |
| 6 | 20 | 6 | 20 | 7 | 20 | 7 |
| 7 | 65 | 33 | 70 | 34 | 65 | 33 |
| 8 | 70 | 34 | 65 | 33 | 65 | 33 |
| 9 | 20 | 7 | 18 | 6 | 22 | 7 |
| 10 | 21 | 7 | 20 | 7 | 0 | 0 |
| 11 | 14 | 9 | 16 | 11 | 15 | 10 |
| 12 | 20 | 11 | 20 | 12 | 20 | 12 |
| 13 | 21 | 12 | 19 | 11 | 20 | 12 |
| 14 | 40 | 28 | 38 | 27 | 42 | 25 |
| 15 | 0 | 0 | 19 | 3 | 20 | 3 |
| 16 | 19 | 6 | 20 | 7 | 21 | 7 |
| 17 | 19 | 6 | 21 | 7 | 20 | 7 |
| 18 | 30 | 14 | 30 | 13 | 30 | 13 |
| 19 | 33 | 15 | 29 | 13 | 28 | 12 |
| 20 | 29 | 13 | 28 | 12 | 33 | 15 |
| 21 | 29 | 12 | 30 | 13 | 31 | 15 |
| 22 | 28 | 12 | 33 | 15 | 29 | 13 |
| 23 | 30 | 16 | 31 | 17 | 29 | 17 |
| 24 | 130 | 60 | 140 | 70 | 150 | 70 |
| 25 | 150 | 70 | 130 | 70 | 140 | 60 |
| 26 | 20 | 8 | 20 | 8 | 20 | 9 |
| 27 | 18 | 7 | 22 | 9 | 20 | 9 |
| 28 | 19 | 6 | 22 | 8 | 19 | 6 |
| 29 | 38 | 23 | 42 | 25 | 40 | 22 |
| 30 | 60 | 180 | 70 | 210 | 70 | 210 |
| 31 | 45 | 20 | 51 | 23 | 54 | 27 |
| 32 | 70 | 33 | 72 | 35 | 68 | 32 |
| 33 | 20 | 13 | 20 | 14 | 20 | 13 |
步骤2、形成树枝和连枝
按照权利要求书中步骤2所示，由树枝组成的辐射状网络如图2所示，连枝个数为1，支路号为33。连枝的导纳矩阵如表3所示。
表3 连枝导纳表
| 支路号 | 导纳矩阵 |
| 33 |
步骤3、节点重新编号
按照权利要求书中步骤2所示，对节点重新编号，新旧编号对照表见表4。以下步骤中如无特别标明均使用新节点号。
表4 新旧节点编号对照表
| 旧编号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| 新编号 | 1 | 2 | 3 | 8 | 12 | 13 | 14 | 24 | 23 |
| 旧编号 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 17 | 16 | 19 |
| 新编号 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 32 | 31 | 4 |
| 旧编号 | 18 | 21 | 20 | 23 | 22 | 25 | 24 | 27 | 26 |
| 新编号 | 33 | 6 | 5 | 9 | 7 | 11 | 10 | 16 | 15 |
| 旧编号 | 29 | 28 | 31 | 30 | 32 | 33 | |||
| 新编号 | 18 | 17 | 20 | 19 | 21 | 22 |
步骤4、初始化
置最大偏差delta为无穷大，设
=1e-5,=1e-5。置inititalV为长度33的数组，置initialV中每个元素的值为v, v是一个二维数组，用于表示三相电压值为：
| v={{ 12.66, 0.0} { -6.33, -10.963} {-6.33, 10.963}} |
在节点23，26上添加虚拟恒电流负荷，置虚拟恒电流负荷电流值为0。
步骤5、初始化节点电压。
遍历每个数组 initialV的每个元素，设第k个位置上的值为Vk，置节点号为k的节点的初始电压为Vk。
步骤6、前推回代法计算各节点电压和支路电流
步骤6.1、按节点编号从大到小的顺序遍历所有节点，设当前节点为currentN，如果currentN没有父节点（currentN是根节点），则转到步骤6.2。设currentN与父节点之间的支路为br，利用公式I=(S/V)*计算currentNode流入负荷的电流，其中S是负荷功率，V为节点电压，*号表示共轭，br的电流为流入负荷的电流加上以currentN为父节点的树枝上的电流，示意图如图4所示，遍历以currentN为父节点的所有树枝，计算得到br上的电流；
步骤6.2、置实数deltaV为无穷小，按节点编号从小到大的顺序遍历所有节点，设当前节点为currentNo，从节点集中获得currentNo的子节点，遍历currentNo的子节点，设当前子节点为sonNo，设currentNo与sonNo之间支路为bra，Ibra为6.1计算所得bra的电流，设sonNo的当前节点电压为VsonNo1，更新sonNo的节点电压为VsonNo=VcurrentNo-Zbr*Ibra，其中VcurrentNo 为currentNo的电压，Zbra为支路bra的阻抗矩阵，设VsonNo与VsonNo1对应相位差值的模最大值为a，如果deltaV<a，则置deltaV=a;
步骤6.3、如果deltaV<
，转到步骤7，否则转到6.1；。
步骤7、置最大偏差delta为无穷小，遍历所有连枝，设当前连枝为branch，branch两端节点为n1和n2，n1上虚拟恒电流负荷load1，n2上虚拟恒电流负荷为load2，步骤6得到的计算结果中取出branch两端的电压v1和v2，设branch导纳矩阵为Y，利用公式I=Y*(v1- v2)，计算出支路电流I，设 load1电流值为Iload1，load2电流值为Iload2，设Iload1与Iload2对应相位差值的模的最大值为b，如果delta<b，置delta=b；
步骤8、如果delta<
，输出节点电压和支路电流结果，在本例中经过16次迭代，达到delta<
的条件，最终的节点电压和支路电流如表5、表6所示，过程结束；
表5 节点电压表
表6 支路电流表
步骤9、遍历所有连枝，设当前连枝为branch，branch两端节点为n1和n2，且n1 <n2，更新n1上虚拟恒电流负荷的电流值为I，n2上虚拟恒电流负荷的电流值为-I；
步骤10、将步骤6计算所得各节点电压存入initialV中；
步骤11、转到步骤5。
Claims (1)
1.一种基于虚拟恒电流负荷的环状配电网潮流获得方法，其特征在于：所述方法的步骤为：
步骤1、计算机从配电网管理系统中获取配电网的网络参数，
步骤2、形成配电网的树枝集合和连枝集合，其具体形成步骤如下：
步骤2.1、通过步骤1获取的网络参数得到节点集合和边集合；
步骤2.2、置节点集合中所有节点的是否被处理标志位为False；初始化堆栈，将节点集合中的根节点压入堆栈，并置根节点的是否被处理标志位为True，初始化树枝集合和连枝集合为空；
步骤2.3、若堆栈为空，跳转至步骤2.6，否则执行步骤2.4；
步骤2.4、从堆栈中弹出节点，该节点为节点一，遍历与该节点相连的边，与该边相连的另一节点为节点二，若节点二的是否被处理标志位为False，则将该边加入到树枝集合，将节点二压入堆栈，并置节点二的是否被处理标志位为True；
步骤2.5、跳转至步骤2.3；
步骤2.6、将边集合中除树枝集合外的边放入连枝集合中；
步骤2.7、遍历每条连枝，利用步骤1得到的网络参数，获得连枝的支路导纳矩阵；
步骤3、重新编号，编号步骤为：
步骤3.1、将连枝从边集合中移除；
步骤3.2、初始化数据：
置队列为空，置当前整数为1，置根节点的新编号为1，将节点集合中的根节点放入队列中，置根节点的是否被处理标志位为True；
步骤3.3、如果队列为空，跳转至步骤4，否则，从队列的队首取出节点，并将该节点设为当前节点；
步骤3.4、从边集合中取出与当前节点相连的边，通过改变获得与当前节点相连的节点，将该节点设置为子节点，若子节点的是否被处理标志位为False，则将当前整数累加1，并将累加后的当前整数置为该子节点的新编号，同时将该子节点存入队列的队尾；
步骤3.5、跳转至步骤3.3；
步骤4、初始化：遍历所有连枝，在有连枝相连的节点上设置一个虚拟恒电流负荷，电流值置为0，使用数组initialV存储节点电压，置数组initialV中元素为对应节点的额定电压，预置ε、ε1分别为足够小的常数，
步骤5、置各节点初始电压为initialV；
步骤6、对由树枝组成的辐射状网络使用前推回代法计算各节点电压和支路电流；
步骤6.1、按节点编号从大到小的顺序遍历所有节点，设当前节点为currentN，如果currentN没有父节点，即currentN是根节点，则转到步骤6.2；否则，设currentN与父节点之间的支路为br，利用公式I=(S/V)*计算currentNode流入负荷的电流，其中S是负荷功率，V为节点电压，*号表示共轭，br的电流为流入负荷的电流加上以currentN为父节点的树枝上的电流，遍历以currentN为父节点的所有树枝，计算得到br上的电流；
步骤6.2、置实数deltaV为无穷小，按节点编号从小到大的顺序遍历所有节点，设当前节点为currentNo，从节点集中获得currentNo的子节点，遍历currentNo的子节点，设当前子节点为sonNo，设currentNo与sonNo之间支路为bra，Ibra为6.1计算所得bra的电流，设sonNo的当前节点电压为VsonNo1，更新sonNo的节点电压为VsonNo=VcurrentNo-Zbr*Ibra，其中VcurrentNo 为currentNo的电压，Zbra为支路bra的阻抗矩阵，设VsonNo与VsonNo1对应相位差值的模最大值为a，如果deltaV<a，则置deltaV=a;
步骤6.3、如果deltaV<ε1 ，转到步骤7，否则转到6.1；
步骤7、置最大偏差delta为无穷小，遍历所有连枝，设当前连枝为branch，branch两端节点为n1和n2，n1上虚拟恒电流负荷load1，n2上虚拟恒电流负荷为load2，步骤6得到的计算结果中取出branch两端的电压v1和v2，设branch导纳矩阵为Y，利用公式I=Y*(v1- v2)，计算出支路电流I，设 load1电流值为Iload1，load2电流值为Iload2，设Iload1与Iload2对应相位差值的模的最大值为b，如果delta<b，置delta=b；
步骤8、如果delta<ε，输出节点电压和支路电流结果，退出；否则，进入步骤9；
步骤9、遍历所有连枝，设当前连枝为branch，branch两端节点为n1和n2，更新n1上虚拟恒电流负荷的电流值为I，n2上虚拟恒电流负荷的电流值为-I；
步骤10、将步骤6计算所得各节点电压存入initialV中；
步骤11、转到步骤5。
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