CN103795057B

CN103795057B - 配电网潮流计算中基于搜索的配电网拓扑编号生成方法

Info

Publication number: CN103795057B
Application number: CN201410030084.3A
Authority: CN
Inventors: 戴志辉; 崇志强
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2014-01-23
Filing date: 2014-01-23
Publication date: 2015-08-26
Anticipated expiration: 2034-01-23
Also published as: CN103795057A

Abstract

本发明公开了电力系统分析技术领域的一种配电网潮流计算中基于搜索的配电网拓扑编号生成方法。该方法将配网简化模型中的等效负荷节点、T接节点、电源节点以拓扑图中的节点表示，分段开关、联络开关、断路器以拓扑图中的支路表示，节点和支路各对应一个实编号，实编号可不重复任意定义。通过搜索方法生成虚拟编号，当配网中新增加节点/支路后只需为新增加的节点/支路分配编号即可，原有编号不必发生变化，通过搜索自动生成虚拟编号，虚拟编号即可用于实现潮流计算功能，避免了配网在新增设备及配网重构情况下，对配电自动化数据库中数据的大量更新，对于促进配电网潮流计算的智能化水平具有积极意义。

Description

配电网潮流计算中基于搜索的配电网拓扑编号生成方法

技术领域

本发明属于电力系统分析技术领域，尤其涉及一种配电网潮流计算中基于搜索的配电网拓扑编号生成方法。

背景技术

近些年来，随着智能电网建设步伐逐渐加快，高级配电自动化系统的开发研制越来越受到重视。配网自动化系统中的一些功能比如网络优化运行、故障定位等都是基于配电网模型。配电系统等式和变量与配电网模型中的节点支路相联系，为了准确描述配电系统节点支路之间的关系需要对配电系统和支路进行编号。针对输电系统人们提出许多编号方法如动态优化法、半动态优化法、动态优化法、静态优化法，配电系统为树状网不同与输电系统，配电系统的编号方案有分层编号法、前序遍历编号法等。

配网前推回代法潮流计算，相对于牛顿法更加简明，针对其潮流计算过程中对节点支路编号的要求，本发明提出了基于搜索生成的拓扑虚拟编号方法。

发明内容

针对背景技术中提到的现有的配电系统编号方法在配网增加新节点或支路时需要重新对节点支路编号时，搜索方法复杂、程序执行效率较低的不足的问题，本发明提出了一种配电网潮流计算中基于搜索的配电网拓扑编号生成方法。

一种配电网潮流计算中基于搜索的配电网拓扑编号生成方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：收集柱上开关处安装的馈线终端单元FTU上传的电压和功率；并根据电压和功率得到等效负荷模型的负荷位置和负荷大小；

步骤2：以等效负荷节点和电源节点为节点；以馈线终端单元FTU和等效负荷节点，及馈线终端单元FTU与T节点之间的部分为支路，得到配电网简化模型；

步骤3：在步骤2的基础上，对配电网简化模型中所有节点和支路在配电自动化系统中生成各自对应一个实编号；

步骤4：根据配电网简化模型的拓扑结构，得到节点支路关联矩阵A_R；

步骤5：当配电网结构发生变化时，结合步骤3得到的实编号和步骤4得到的节点支路关联矩阵A_R，采用基于搜索的方法生成虚拟编号。

所述根据电压和功率得到等效负荷模型的负荷位置和负荷大小的过程为：

步骤1)：设定馈线单位长度阻抗为z＝r+jx，标记为A、B相邻两馈线终端单元FTU的距离为L，等效负荷节点距其中一个标记为A的馈线终端单元FTU的距离为L₁，等效负荷节点距其中另一个标记为B的FTU的距离为L₂，负荷节点电压记为U_K；通过对应馈线终端单元FTU测量，记流过两个FTU的功率分别为S_A＝P_A+jQ_A、S_B＝P_B+jQ_B，两个FTU处电压分别为其中，r、x分别表示馈线单位长度的电阻和电抗值；S_A、S_B分别为标记为A、B的两个相邻FTU测量到的视在功率，P_A、P_B为该两个FTU测量到的有功功率，Q_A、Q_B为该两个FTU测量到的无功功率；

步骤2)：根据A处馈线终端单元FTU计算得到等效负荷处电压的计算公式为：

U_{KA} = \sqrt{{(| {\overset{\cdot}{U}}_{A} | - \frac{P_{A} r L_{1} + Q_{A} x L_{1}}{U_{A}})}^{2} + {(\frac{P_{A} x L_{1} - Q_{A} r L_{1}}{U_{A}})}^{2}}

其中，U_A为标记为A的FTU处的测量电压；

步骤3)：根据B处馈线终端单元FTU计算得到等效负荷处电压的计算公式为：

U_{KB} = \sqrt{{(| U_{B} | + \frac{P_{B} r (L - L_{1}) + Q_{B} x (L - L_{1})}{U_{B}})}^{2} + {(\frac{P_{B} x (L - L_{1}) - Q_{B} r (L - L_{1})}{U_{B}})}^{2}}

其中，U_B为标记为B的FTU处的测量电压；

步骤4)：将L₁从0到L取值，得到使计算误差函数U_err＝U_KA-U_KB为0的L₁；即等效负荷的位置距A处FTU的电气距离为L₁(r+jx)，距B处FTU的电气距离为(L-L₁)(r+jx)；等效负荷节点的电压通过步骤2)式或步骤3)中的公式计算，记为U_K；

步骤5)：等效负荷模型的负荷大小的计算公式为：

S_{K} = (U_{A} - \frac{S_{A}^{*}}{U_{A}^{*}} z L_{1}) (\frac{{\overset{\cdot}{S}}_{A}}{{\overset{\cdot}{U}}_{A}} - \frac{{\overset{\cdot}{S}}_{B}}{{\overset{\cdot}{U}}_{B}})

其中，表示S_A的共轭；表示U_A的共轭。

所述实编号为不重复的编号。

所述根据配电网简化模型的拓扑结构，得到节点支路关联矩阵A_R的过程为：

设定节点支路关联矩阵的行代表节点，列代表支路；如果节点和支路有关联关系，则对应行、列所确定的元素为1；若不关联，则对应元素为0。

所述采用基于搜索的方法生成虚拟编号的过程具体包括以下步骤：

步骤a：将所有节点访问标志置零，将配电网简化模型中所有的电源节点的实编号填入起始队列Q_N中，同时，电源节点访问标志加1；

步骤b：从Q_N中取出第一个元素进行虚拟编号，查询节点支路关联矩阵A_R，找到与取出的节点关联的支路并将其放入队列Q_M中；

步骤c：从Q_M中取出第一个元素，查询支路的状态，若支路闭合，则对该支路顺序进行虚拟编号，并查询节点支路关联矩阵A_R，找到与该支路关联的节点，当节点的访问标志小于1时将该节点放入队列Q_N的尾部，该节点访问标志加1；

步骤d：判断队列Q_M是否为空，若不为空，则返回步骤c；若为空转至步骤e；

步骤e：判断队列Q_N是否为空，若为空，则完成虚拟编号；若不为空返回步骤b。

本发明的有益效果是，当配电网重构时，在保持配电网原有的节点支路编号不发生变化，即FTU等馈线自动化终端、T节点等的编号不发生变化，通过改变虚拟编号来实现配网潮流计算。当配网简化模型增加节点支路后，可保持配网原有的实编号不发生变化，只需为新增的节点支路进行实编号即可，通过搜索生成虚拟编号仍然能够实现潮流计算功能，避免了配网新增设备及配网重构等引起拓扑关系变化情况下对配电自动化数据库中数据的大量更新，对于促进配电网潮流计算的智能化水平具有积极意义。

附图说明

图1是本发明提供的编号生成方法的流程图；

图2是本发明提供的典型配电网结构图；

图3是本发明提供的进行潮流计算时举例的简化配网模型

图4是本发明提供的虚拟编号结果；

图5是本发明提供的IEEE33节点系统的配电网简化模型的节点支路实编号图；

图6是通过本发明提出的搜索编号方法形成正常运行情况下的虚拟编号；

图7是当分段开关(27)打开，联络开关(37)闭合进行网络重构时，形成的虚拟编号；

图8本发明提供的增加节点支路后IEEE33节点系统虚拟编号结果。

具体实施方式

下面结合附图，对优选的实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明提供的编号生成方法的流程图。图1中所述方法具体包括以下步骤：

步骤4：根据配电网简化模型的拓扑结构，得到节点支路关联矩阵A_R，并将节点支路关联矩阵存储在配网自动化系统的主站；

通过建立配电网双向简化模型，可以将如图2(a)所示实际配电网简化为如图2(b)所示模型，其中B代表支路，N代表节点。对于一般馈线，节点代表等效负荷，支路代表柱上开关或断路器，一般柱上开关和断路器处配置了馈线终端单元FTU；对于T接馈线，节点代表等效负荷(T节点可看成数值为0的等效负荷)，支路只代表两等效负荷之间的部分。

根据FTU上传的节点电压、节点流过的功率等信息，执行配网简化程序，确定配网参数，即确定等效负荷位置和大小。形成以实编号为准的节点支路关联矩阵A_R，此时先不规定支路电流正方向，因此A_R相对于关联矩阵A而言，其元素只有0、1，即当支路流出或流向节点时取1，当节点、支路不相关时该位置元素取0。A_R矩阵可离线分析并存储在配网主站中，只有当配网结构发生变化时A_R矩阵才改变。

虚拟编号是不固定存储于配电自动化主站的服务器中，当需要执行相关功能时首先执行实编号到虚拟编号的转化，并且实编号与虚拟编号的对应关系以链表的形式存储。本发明根据配电网的拓扑结构(用A_R描述)和实编号，采用搜索的方法进行虚拟编号如下：

1、节点访问标志置零，将网络中的电源点序号填入起始队列Q_N中，电源节点访问标志加1；

2、从Q_N中取出第一个元素进行虚拟编号，查询节点支路关联矩阵A_R，找到与取出的节点关联的支路并将其放入队列Q_M中。

3、从Q_M中取出第一个元素，查询支路的状态，若支路闭合对该支路也顺序进行虚拟编号，并查询节点支路关联矩阵A_R，找到与该支路关联的节点，当节点的访问标志小于1时将该节点放入队列Q_N的尾部，该节点访问标志加1。

4、判断队列Q_M是否为空，若不为空返回步骤3，若为空转至步骤5。

5、判断队列Q_N是否为空，若为空完成虚拟编号，若不为空返回步骤2。

若在搜索编号过程中，某个节点的访问标志大于1，则配电网出现环网。

对于如图2(b)所示简化配电网进行虚拟编号，其中节点编号不带括号，支路编号带括号。

其中A_R矩阵如式(1)所示，行代表节点，列代表支路。

首先将N_R1放入队列Q_N中，为其编号为1；从Q_N中取出N_R1，查询节点支路关联矩阵A_R，其中B_R1与N_R1关联，将B_R1放入Q_M，从Q_M中取出B_R1，查询B_R1的状态为闭合，为其编号为(1)；根据B_R1查询矩阵A_R，其关联节点有N_R1、N_R2，由于N_R1访问标志为1，故只将N_R2放入队列Q_N尾部，N_R2访问标志加1。此时队列Q_N只有N_R2，Q_M为空。

对于N_R3、N_R4、B_R2、B_R3的编号过程与B_R1、N_R2相同，N_R3、N_R4、B_R2、B_R3的编号分别为3、4、(2)、(3)。此时Q_N中的元素只有N_R4，Q_M为空。

从Q_N中取出N_R4通过关联矩阵A_R搜索到支路B_R4、B_R6，B_R4、B_R6都闭合其虚拟编号分别为(4)、(5)。再由B_R4、B_R6搜索到节点N_R5、N_R7，将N_R5、N_R7放入队列Q_N，两节点的虚拟编号分别为5、6。此时Q_N中的元素有N_R5、N_R7。

从Q_N中取出N_R5，通过N_R5搜索到支路B_R5且其闭合，为B_R5编号为(6)，由B_R5搜索到节点N_R6，将其放入Q_N尾部，N_R6的虚拟编号为7。从Q_N中取出N_R7，通过N_R7搜索到支路B_R7且为闭合，为B_R7编号为(7)，由B_R7搜索到节点N_R8，将其放入Q_N的尾部，N_R8的虚拟编号为8。此时Q_N中只有N_R6、N_R8。

由于N_R6、N_R8为末梢节点，故在取出N_R6、N_R8后不增加任何新节点，最后Q_N为空，编号结束。

对图2(b)执行虚拟编号程序后也规定了支路电流方向，编号结果如图4所示，实节点与虚拟节点的对应关系如表1所示，实支路与虚拟支路的对应关系如表2所示。将所有支路编号加1，在电源节点处增加一条虚拟支路，并为其编号为(1)(其中节点编号不带括号，支路编号带括号)；然后如图3所示，采用前推回代法进行潮流计算。

表1实节点与虚拟节点的对应关系

实编号	N_R1	N_R2	N_R3	N_R4	N_R5	N_R6	N_R7	N_R8
									虚拟编号	1	2	3	4	5	7	6	8

表2实支路与虚拟支路的对应关系

实编号	B_R1	B_R2	B_R3	B_R4	B_R5	B_R6	B_R7
								虚拟编号	1	2	3	4	6	5	7

如图3所示在根节点处增加一个虚拟的零阻抗支路，这样支路数与节点数相同，接着形成该辐射网的关联矩阵A，A中行代表节点，列代表支路，A中元素有0、1或者-1，当支路流出节点取-1，当支路流向节点取1，当节点支路不相关时该位置元素取0。

设各节点注入电流列矢量为I_N，I_N中各元素可由各对应节点注入功率和节点电压求得：

{\overset{\cdot}{I}}_{N} = \frac{{\overset{\cdot}{S}}_{i}}{{\overset{\cdot}{V}}_{i}} - - - (2)

各条支路流过电流列矢量为I_B，I_B与I_N之间可由关联矩阵A建立关系，即：

I_N＝AI_B (3)

A₀＝A+U (4)

式中U为与A同阶的单位矩阵。则A₀的对角元素为0，非对角元素与A完全相同。带入式(3)可得：

I_B＝A₀I_B-I_N (5)

上式I_B最后一个元素，为末端节点注入电流的负值(I_N取注入节点为正方向)，采用回代法即可求出各条支路电流。

各节点电压可由式(6)求得

V = V_{1} + A_{0}^{T} V - Z_{B} \cdot I_{B} - - - (6)

其中为电源节点电压，Z_B为支路阻抗矩阵，V为节点电压列向量。应用前推法即可求得各节点电压，当相邻两次前推回代过程求得的各节点电压差的最大值小于给定误差ε即停止迭代，取最后一次迭代得到的节点电压、支路电流为潮流计算结果。

案例分析

以改进的IEEE33节点系统为例验证本算法的有效性，额定电压为U_N＝12.66KV，电源点电压为1.05U_N。节点支路编号实编号如图5所示，其中虚线代表联络开关连接关系，正常运行情况下虚线断开。

通过本发明提出的搜索编号方法形成正常运行情况下的虚拟编号如图6所示，按照前文叙述的配网潮流计算方法进行潮流计算，结果如表3所示，网损为180.7198KW。

表3潮流计算结果

当分段开关(27)打开，联络开关(37)闭合进行网络重构时，形成的虚拟编号如图7所示，潮流计算结果如表4所示，其中网损为158.7645KW。

表4潮流计算结果

在14节点处增加一支路和节点，为其编号分别为(38)、34，节点34处负荷设为P＝100kW，Q＝80kVar。虚拟编号如图8所示，潮流计算结果如表5所示，其网损为199.5480KW。

表5潮流计算结果

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种配电网潮流计算中基于搜索的配电网拓扑编号生成方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：

步骤5：当配电网结构发生变化时，结合步骤3得到的实编号和步骤4得到的节点支路关联矩阵A_R，采用基于搜索的方法生成虚拟编号；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据电压和功率得到等效负荷模型的负荷位置和负荷大小的过程为：

U_{KA} = \sqrt{{(| {\dot{U}}_{A} | - \frac{P_{A} r L_{1} + Q_{A} x L_{1}}{U_{A}})}^{2} + {(\frac{P_{A} x L_{1} - Q_{A} r L_{1}}{U_{A}})}^{2}}

其中，U_A为标记为A的FTU处的测量电压；

U_{KB} = \sqrt{{(| U_{B} | + \frac{P_{B} r (L - L_{1}) + Q_{B} x ({L - L}_{1})}{U_{B}})}^{2} + {(\frac{P_{B} x (L - L_{1}) - Q_{B} r (L - L_{1})}{U_{B}})}^{2}}

其中，U_B为标记为B的FTU处的测量电压；

步骤5)：等效负荷模型的负荷大小的计算公式为：

S_{K} = (U_{A} - \frac{S_{A}^{*}}{U_{A}^{*}} z L_{1}) (\frac{{\dot{S}}_{A}}{{\dot{U}}_{A}} - \frac{{\dot{S}}_{B}}{{\dot{U}}_{B}})

其中，表示S_A的共轭；表示U_A的共轭。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述实编号为不重复的编号。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据配电网简化模型的拓扑结构，得到节点支路关联矩阵A_R的过程为：