CN103208818A - 一种计及分布式电源的配网合环电流计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种计及分布式电源的配网合环电流计算方法，通过建立分布式电源的协调优化模型，结合原-对偶内点方法，对分布式电源的运行状态进行优化调整，以减小合环操作电流。对弱环配电网采用一种改进的两阶段法计算合环回路的潮流分布，为智能电网环境下顺利实施合环操作和提高供电可靠性提供了理论支持和方法参考。

Description

一种计及分布式电源的配网合环电流计算方法

技术领域

本发明涉及一种计及分布式电源的配网合环电流计算方法，建立了分布式电源的协调优化模型，采用非线性原-对偶内点法进行模型求解，提出了一种两阶段弱环配电网潮流计算方法，能够有效地计算含分布式电源的配网合环电流。

背景技术

目前，我国城市和城市郊区10kV配电网络普遍采用环网设计、开环运行的模式，大多数10kV线路具备两两相互供电的能力，具备了不停电转负荷的基础条件。10kV配网合环操作是电力系统针对停电管理方法推出的新举措。当配网检修或系统出现故障时，可通过合环操作实现负荷转移，避免用户停电，提高供电的可靠性。而且，通过选择适当的合环点可以达到负荷的最优分配，避免了长距离送电造成的电能损耗，满足了经济性的要求。另一方面，分布式电源(distributed generation,以下简称DG)作为一种高效、可靠、经济的发电方式，近年来得到了国内外的广泛关注，并在配网中得到逐步应用和推广。但DG在配网的出现会带来方方面面的影响，其中对合环操作的影响较为复杂，合环电流的大小与DG的类型、容量、和位置等因素密切相关，若不加以定量分析，则有可能影响合环操作的成功率，从而影响供电可靠性，目前国内对配电网合环问题的研究刚刚起步，并且大部分都是对合环出现问题之后的事后理论分析，并没有形成一套完整的合环操作分析理论，更缺乏对含DG的配网合环电流的定量分析方法，亟需这方面的实用化理论和方法来指导实践。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种完整的配网合环操作的计算方法，它具有计算速度快、分析结果准确的优点，且能合理计及DG并网的影响。本发明改进了原有的前推回代法，使其更适用于并入DG的弱环配电网的合环电流计算，在此基础上，建立DG最优协调模型，使得合环操作产生的稳态电流和冲击电流最小化，避免引起保护误动作等不利影响，为智能电网环境下的合环操作提供科学的参考依据。

为实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

一种计及分布式电源的配网合环电流计算方法，包括如下步骤：

步骤1，读入配电网络的参数和运行数据；

步骤2，根据合环操作的任务内容，形成合闸支路集，该集合由待合闸开关所在的支路构成；

步骤3，建立DG协调控制的目标函数，以可控DG的运行状态为控制变量，以合闸支路流过的电流最小为控制目标。

步骤4，确立DG协调控制的约束条件，所述约束条件包括配电系统的功率平衡约束、支路电流约束和DG运行状态约束。

步骤5，应用原-对偶内点法对DG最优协调控制模型进行求解。

步骤6，根据优化算法的结果对DG进行状态调整，并输出各合环支路的稳态电流。

步骤7，根据冲击系数和各合环支路的稳态电流来求解并输出各合环支路的冲击电流。

作为本发明的进一步改进，所述步骤5中，首先对原对偶变量等进行初始化操作，然后计算目标函数和约束条件的梯度并形成雅可比矩阵，进而计算约束条件的二阶偏导数并形成海森矩阵，形成简化的修正方程式，其中左侧系数矩阵和右端项具有稀疏特征，采用全选主元-高斯约当消去法求解线性方程组，同时为提高计算效率，对所有的稀疏矩阵采取稀疏三角存储和稀疏运算技术。通过求解修正方程式，得到原-对偶变量、状态变量、和对偶间隙的修正值，进一步得到新的目标函数值、等式函数值和不等式函数值，然后进行反复迭代求解，直至得到满足收敛条件的最优解。

其中目标函数值和等式函数值需通过改进的两阶段潮流算法求解。

进一步地，所述步骤5需要通过潮流算法求解目标函数值和等式函数值，由于合环后的配电网络形成了一种弱环网络结构，而传统的前推回代潮流算法虽然计算效率较高，但不适于求解环式网络，为此，本发明在传统的前推回代算法基础上进行改进，形成两阶段配网潮流算法，主要步骤包括：

1）根据输入的原始数据，按广度搜索算法进行配网拓扑分析；

2）按支路追加法建立配电网络的节点阻抗矩阵；

3）将弱环配电网络解环，从而形成两个及以上的辐射型网络。

4）将DG所在节点视为恒功率节点，计算各节点的注入电流。

5）以解环点两侧节点为末端，向电源端回代，逐步求取各支路的电流值。

6）以电源端为起点，根据各支路电流和阻抗参数前推求解各节点电压。

7）计算各节点的电压修正量。

8）根据电压修正量计算解环点两侧节点处的功率失配量，并对相应节点的功率进行修正。

9）当满足电压修正量最大值小于预先定义的计算精度的收敛条件时，迭代结束，输出弱环配电网的潮流计算结果，否则转4）进行下次迭代。

本发明的原理及改进为：

1计及分布式电源的合环稳态电流的计算。

对于纯辐射状配电网的潮流计算，前推回代法是一种较为简便的计算方法。但由于对配电网采取合环操作，使其由纯辐射结构变为弱环网结构，传统的前推回代法已不能满足其计算的要求。因此，本发明采用两阶段法将弱环网分解为纯辐射网分别进行计算，通过逐步逼近的方式得到潮流结果。计算过程中，依据DG特性和接入配网方式的不同，对其进行不同的等值处理，从而在每一步迭代时计算各DG的等值注入。

2合环冲击电流的简化计算。

合环操作产生的冲击电流大小与电路的等值阻抗、时间常数等有关，精确计算较为复杂，且某些参数难以获取。本发明依据配电系统中冲击电流与稳态电流的近似函数关系，得出合环冲击电流的简化计算方法，在保证计算精度的前提下，大大提高了计算速度。

3合环操作的DG最优协调控制。

DG并入配网后改变了配网的结构和潮流流向，从合环操作的角度来看，DG的类型、运行状态、DG与合环点的相对位置等因素均会对合环电流产生重要而复杂的影响，通过仿真分析可以发现，某些位置的DG会对合环电流起助增作用，另一些则恰好相反。若能在合环操作前适当调节某些DG（即非用户侧的可控DG）的运行状态，使得合环电流减小，则会大大提高合环操作的可靠性。但当DG的渗透率较高时，靠人工经验判断DG对合环的影响程度将极为困难。本发明通过建立合环操作的DG最优调节数学模型，并结合非线性原-对偶内点法进行求解，得到了含多DG的配电系统合环操作方案。

本发明的有益效果：

1可以根据改进的两阶段法对含DG的弱环配电网进行三相潮流分析，从而确定任一合环点任一相的稳态电流大小；

2能够充分发挥DG的调节作用，在合环操作前对DG的运行状态进行优化调整，从而达到减小合环稳态电流和冲击电流的目的，为智能电网环境下的合环操作提供科学依据。

3所采用的原-对偶内点解法具有收敛性和鲁棒性好的优点，适合求解大型非线性优化问题，有利于合环操作前对DG进行快速协调优化。

附图说明

图1是本发明的原理流程图。

图2是原-对偶内点法流程图。

图3是两阶段弱环配电网潮流计算流程图。

图4是弱环配电网解环示意图。

其中，图4中，

分别为节点i和节点i+1的电压相量；

分别为节点i和节点i+1的注入电流相量；

为支路i+1的电流相量；R_i+1+jX_i+1为支路i+1的等值阻抗。

具体实施方式

下面结合附图与实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，对于计及DG的配网合环电流分析，它的步骤为：

步骤1，数据初始化，读入配电网络的参数和运行数据；

步骤2，根据合环操作的任务内容，形成合闸支路集C，该集合由待合闸开关所在的支路构成；

步骤3，建立DG协调控制的目标函数，以可控DG的运行状态为控制变量，以合闸支路流过的电流最小为控制目标，目标函数如下：

min I_lc,k(S_g,i,V_g,i,I_g,i)  k∈C,i∈G

其中，I_lc,k为第k条合闸支路流过的电流，G为可控DG构成的集合，S_g,i、V_g,i和I_g,i分别为第i个DG的注入复功率、端电压和注入电流。

步骤4，确立DG协调控制的约束条件，本发明考虑的约束条件包括配电系统的功率平衡约束、支路电流约束、和DG运行状态约束，具体如下：

功率平衡约束：

$P_{\mathrm{Si}}-P_{\mathrm{Di}}-U_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})=0,i\∈N$

$Q_{\mathrm{Si}}-Q_{\mathrm{Di}}+Q_{\mathrm{ci}}-U_i\underset{j\∈i}{\mathrm{\Σ}}{U}_j(G_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})=0,i\∈N$

其中，P_Si和Q_Si分别为节点i的注入有功功率和无功功率，P_Di和Q_Di分别为节点i的负荷有功和无功功率，Q_Ci为节点i的无功补偿容量，G_ij和B_ij分别为节点导纳矩阵元素的实部和虚部，U_i和U_j分别为节点i和节点j的电压幅值，θ_ij则为节点i和节点j的电压相角差，N为所有节点的集合。

支路电流约束：

-I_i,max≤I_i≤I_i,max,i∈L

其中，I_i为支路i流过的电流，I_i,max为该支路的最大允许电流，L为所有支路的集合。

DG出力约束：

P_gi,min≤P_g,i≤P_gi,max,i∈G_P

Q_gi,min≤Q_g,i≤Q_gi,max,i∈G_Q

其中，P_g,i和Q_g,i分别为第i个DG的有功和无功输出，P_gi,max和P_gi,min分别为其对应的有功功率上、下限，Q_gi,max和Q_gi,min分别为其对应的无功功率上、下限，G_P为有功可调的可控DG集合，G_Q为无功可调的可控DG集合。

DG电压约束：

V_gi,min≤V_g,i≤V_gi,max,i∈G_V

其中，V_g,i为第i个DG的端电压，V_gi,max和V_gi,min分别为其对应的电压上、下限，G_V为电压可调的可控DG集合。

DG注入电流约束：

I_gi,min≤I_g,i≤I_gi,max,i∈G_I

其中，I_g,i为第i个DG的注入电流，I_gi,max和I_gi,min分别为其对应的输出电流上、下限，G_I为电流可调的可控DG集合。

步骤5，应用原-对偶内点法对DG最优协调控制模型进行求解，流程图如2所示。首先对原对偶变量等进行初始化操作，然后计算目标函数和约束条件的梯度并形成雅可比矩阵，进而计算约束条件的二阶偏导数并形成海森矩阵，形成简化的修正方程式，其中左侧系数矩阵和右端项具有稀疏特征，采用全选主元-高斯约当消去法求解线性方程组，同时为提高计算效率，对所有的稀疏矩阵采取稀疏三角存储和稀疏运算技术。通过求解修正方程式，得到原-对偶变量、状态变量、和对偶间隙的修正值，进一步得到新的目标函数值、等式函数值和不等式函数值，然后进行反复迭代求解，直至得到满足收敛条件的最优解。其中目标函数值和等式函数值需通过改进的两阶段潮流算法求解。

步骤6，根据优化算法的结果对DG进行状态调整，并输出各合环支路的稳态电流I_lc,k。

步骤7，按下式求解并输出各合环支路的冲击电流：

i_im，k＝k_im·I_lc，k  k∈C

其中，k_im为冲击系数，i_im,k为第k条合闸支路的冲击电流。

在上述计算过程中，如步骤5所述，需要通过潮流算法求解目标函数值和等式函数值，由于合环后的配电网络形成了一种弱环网络结构，而传统的前推回代潮流算法虽然计算效率较高，但不适于求解环式网络，为此，本发明在传统的前推回代算法基础上进行改进，形成两阶段配网潮流算法，图3为计算流程图，主要步骤包括：

1）阶段一，根据输入的原始数据，按广度搜索算法进行配网拓扑分析；

2）按支路追加法建立配电网络的节点阻抗矩阵；

3）将弱环配电网络解环，如图4所示，设S_k为解环点，S_k,1和S_k,2为其两侧节点，从而形成两个及以上的辐射型网络。

4）将DG所在节点视为恒功率节点，计算各节点的注入电流。

5）以解环点两侧节点（如S_k,1和S_k,2）为末端，向电源端回代，逐步求取各支路的电流值（图4中的）。

6）以电源端为起点，根据各支路电流和阻抗参数前推求解各节点电压

。

7）阶段二，计算各节点的电压修正量ΔU_i(k+1)：

${\mathrm{\ΔU}}_i(k+1)=|{\stackrel{\·}{U}}_i(k+1)-{\stackrel{\·}{U}}_i\left(k\right)|,i\∈N$

其中，k为迭代次数，

和

分别为节点i第k次迭代和第k+1次迭代后的电压相量。

8）根据电压修正量ΔU_i(k+1)计算解环点两侧节点（如S_k,1和S_k,2）处的功率失配量ΔP和ΔQ，并对相应节点的功率进行修正。

9）当满足如下收敛条件时，迭代结束，输出弱环配电网的潮流计算结果，否则转4）进行下次迭代。

max{ΔU_i(k+1)|i∈N}＜ε

其中，ε为预先定义的计算精度。

Claims (4)

1.一种计及分布式电源的配网合环电流计算方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤1，读入配电网络的参数和运行数据；

步骤2，根据合环操作的任务内容，形成合闸支路集，该集合由待合闸开关所在的支路构成；

步骤3，建立DG协调控制的目标函数，以可控DG的运行状态为控制变量，以合闸支路流过的电流最小为控制目标；

步骤4，确立DG协调控制的约束条件，所述约束条件包括配电系统的功率平衡约束、支路电流约束和DG运行状态约束；

步骤5，应用原-对偶内点法对DG最优协调控制模型进行求解；

步骤6，根据优化算法的结果对DG进行状态调整，并输出各合环支路的稳态电流；

步骤7，根据冲击系数和各合环支路的稳态电流来求解并输出各合环支路的冲击电流。

2.如权利要求1所述的计及分布式电源的配网合环电流计算方法，其特征是，所述步骤5中，首先对原对偶变量进行初始化操作，然后计算目标函数和约束条件的梯度并形成雅可比矩阵，进而计算约束条件的二阶偏导数并形成海森矩阵，形成简化的修正方程式，其中左侧系数矩阵和右端项具有稀疏特征，采用全选主元-高斯约当消去法求解线性方程组；通过求解修正方程式，得到原-对偶变量、状态变量、和对偶间隙的修正值，进一步得到新的目标函数值、等式函数值和不等式函数值，然后进行反复迭代求解，直至得到满足收敛条件的最优解。

3.如权利要求2所述的计及分布式电源的配网合环电流计算方法，其特征是，采用全选主元-高斯约当消去法求解线性方程组的同时，对所有的稀疏矩阵采取稀疏三角存储和稀疏运算方法。

4.如权利要求2所述的计及分布式电源的配网合环电流计算方法，其特征是，所述步骤5，通过两阶段配网潮流算法求解目标函数值和等式函数值，步骤包括：

1）根据输入的原始数据，按广度搜索算法进行配网拓扑分析；

2）按支路追加法建立配电网络的节点阻抗矩阵；

3）将弱环配电网络解环，从而形成两个及以上的辐射型网络；

4）将DG所在节点视为恒功率节点，计算各节点的注入电流；

5）以解环点两侧节点为末端，向电源端回代，逐步求取各支路的电流值；

6）以电源端为起点，根据各支路电流和阻抗参数前推求解各节点电压；

7）计算各节点的电压修正量；

8）根据电压修正量计算解环点两侧节点处的功率失配量，并对相应节点的功率进行修正；

9）当满足电压修正量最大值小于预先定义的计算精度的收敛条件时，迭代结束，输出弱环配电网的潮流计算结果，否则转4）进行下次迭代。

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