CN103887792A - 一种含分布式电源的低压配电网建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种含分布式电源的低压配电网建模方法，其过程为：建立低压配电网模型中的分布式电源模型；建立低压配电网模型中的配变组合模型；在低压配电网模型中建立低压变电站模型；实现低压配电网模型与中压配电网模型间的拓扑关联和量测数据点的设置；采集低压配电网量测数据，并映射到所建立的低压配电网模型中；通过拓扑校验检查低压配电网模型。这样，在对现有配电自动化系统功能影响最小的情况下，引入了含分布式电源的低压电网模型，使得对低压配电网的建模更加符合实际情况，也给配电设备的管理和维护带来了更多便利；处理过程中减少了计算量，节省了系统资源。

Description

一种含分布式电源的低压配电网建模方法

技术领域

本发明属于电力工程技术领域，涉及一种适用于含分布式电源的低压配电网建模方法。

背景技术

随着智能配电网的发展，在国家对新能源发展政策的激励下，分布式电源接入会日益增加，配电自动化系统对含分布式电源在内的低压配电网(380／220V)进行监控和分析的必要性日益加大，为此，需建立起适合配电自动化系统的含分布式电源的低压配电网模型。

配电自动化系统一般只考虑对中高压配电网设备进行建模，并参考IEC61970标准中的公共信息模型(CIM)进行，已相对成熟；低压配电网的模型引入，应尽可能减少对现有中高压配电网模型的影响。目前，配电自动化系统对低压配电网的建模尚存在如下问题：

(1)低压配电网的电源点一般为配电变压器，而配电变压器数目众多，将低压与中压配电网设备一起进行网络分析，会影响现有配电网自动化系统的网络分析功能，同时也给配电设备管理和维护带来不便。

(2)尽管分布式电源单元的发电设备特性与CIM中的发电单元模型类似，但是分布式电源种类较多如风力发电单元，光伏单元，储能单元等，为间歇性电源，分布式电源组成的微网具有用电和发电两种工作方式，每类分布式电源又具有特殊属性。因此，不能简单把分布式电源单元看作发电单元模型，需要考虑对能量双向流动支持以及灵活的属性扩展。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和试验，在现有配电自动化系统，引入含分布式电源的低压电网模型，既充分考虑了分布式电源特点、支撑各类含分布式电源的应用，又考虑了对现有配电自动化系统功能影响最小，最终获得了本发明。

发明内容

本发明的目的在于用以克服上述技术缺陷，提供一种含分布式电源的低压配电网建模方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于：提供一种含分布式电源的低压配电网建模方法，该方法包括以下步骤：

步骤a、建立低压配电网模型中的分布式电源模型，不同的分布式电源模型具有不同的控制参数；

步骤b、建立低压配电网模型中的配变组合模型；

步骤c、在低压配电网模型中建立低压变电站模型；

步骤d、实现低压配电网模型与中压配电网模型间的拓扑关联和量测数据点的设置；

步骤e、采集低压配电网量测数据，并映射到所建立的低压配电网模型中；

步骤f、通过拓扑校验检查低压配电网模型。

所述分布式电源模型的创建方法为：

将所述分布式电源的发电设备创建为等值电源模型单元；将所述分布式电源所连接的控制开关创建为开关模型单元；将所述分布式电源所带负荷创建为能量用户模型单元；所述等值电源模型单元、开关模型单元和能量用户模型单元通过公共母线段连接在一起；针对每种分布式电源，为其设定典型属性和控制参数。

所述控制参数的设定过程为：

步骤a1、将分布式电源的各个参数及参数之间的关系进行分类，并根据分类对参数进行分析处理，确定分布式电源的待处理参数；

步骤a2、根据待处理参数确定分布式电源的多个参数组合；

步骤a3、确定分布式电源接入低压配电网后需要计算的运行值；

步骤a4、分别计算确定了各个参数组合的分布式电源接入低压配电网后的运行值，并计算任意两参数组合的对比值；

步骤a5、以某一对比值为中心确定区间，若两个参数组合的对比值属于此区间，则此两个参数组合属于所述某一对比值对应的对比组，统计各个对比值对应的对比组；

步骤a6、统计所有对比组中参数组合的数量，参数组合数量最多的对比组即为最优对比组；

步骤a7、确定最优对比组中所有参数组合的共有参数，此共有参数即为分布式电源的控制参数。

所述对比值的计算公式为：

$M_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|D_{\mathrm{ik}}-D_{\mathrm{jk}}|}{\min (D_{\mathrm{ik}},D_{\mathrm{jk}})}$

上式中，M_ij表示参数组合i与参数组合j的对比值，k表示计算的运行值的序号，N表示每个参数组合需要计算的运行值的数量，D_ik表示参数组合i对应的第k个运行值，D_jk表示参数组合j对应的第k个运行值。

所述步骤a7包括：

步骤a71、从最优对比组中任意选择两个参数组合，确定两个参数组合中参数之间的关系；

步骤a72、根据参数之间的关系确定所述两个参数组合的共有参数，并将共有参数组合起来，构成参数组合；

步骤a73、用所述共有参数构成的参数组合替换所述步骤a72中的两个参数组合；

步骤a74、重复步骤a71-a73，直至最优对比组中剩余一个参数组合为止，此参数组合中的参数即为最优对比组的共有参数。

所述分布式电源的典型属性包括：

风力发电机、光伏阵列具有启停状态；燃料电池、燃气轮机和储能单元具有启停状态、离网状态和并网状态；

所述分布式电源的控制参数包括：

风力发电机、光伏阵列具有启停控制参数；燃料电池、燃气轮机和储能单元具有所述启停状态、离网状态和并网状态对应的控制参数。

所述配变组合模型包括中压等值负荷、低压侧分布式电源和控制开关。

所述低压变电站模型包括低压变电站内变压器模型、变压器高压侧的电压等级模型、变压器低压侧的电压等级模型、各电压等级对应的母线段模型、开关模型、能量用户模型、低压线路模型以及对端的用电终端模型。

所述步骤d中，将建立的所述分布式电源模型与对应的10kV或380V母线段模型单元进行拓扑连接；将建立的所述低压配变组合模型通过所关联的10kV中压电网能量用户找到对应的10kV母线段模型进行拓扑连接。

所述量测数据包括负荷功率，分布式发电机输出功率，开关状态，支路功率，母线电压，并根据具体的量测数据点匹配到所建立的低压配电网模型中。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：提供了一种含分布式电源的低压配电网建模方法，在对现有配电自动化系统功能影响最小的情况下，引入了含分布式电源的低压电网模型，使得对低压配电网的建模更加符合实际情况，也给配电设备的管理和维护带来了更多便利；处理过程中减少了计算量，节省了系统资源。

附图说明

图1为本发明一种含分布式电源的低压配电网建模方法流程图；

图2为本发明分布式电源的模型图；

图3为本发明确定低压配电网分布式电源控制参数的流程图；

图4为本发明确定最优对比组中所有参数组合共有参数的流程图；

图5为本发明低压配电网中配变组合模型图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

如图1所示，其为本发明一种含分布式电源的低压配电网建模方法流程图，其中，建模过程为：

步骤a、建立低压配电网模型中的分布式电源模型。

一个分布式电源由风力发电机、光伏阵列、燃料电池、燃气轮机、储能单元等发电设备及其所带的负荷和相关控制开关组成；这样将分布式电源模型拆分成用CIM(Common Information Model，公共信息模型)中已经存在的“等值电源模型”，“负荷模型”和“开关模型”的组合。将分布式电源如风力发电机、光伏阵列、燃料电池、燃气轮机、储能单元等发电设备创建为等值电源模型，将分布式电源所连接的控制开关创建为开关模型单元，将分布式电源所带负荷创建为能量用户模型单元；等值电源、控制开关、能量用户通过公共母线段连接在一起，即分布式电源模型采用“等值电源+能量用户+开关”组合模式，在分布式电源模型基础上，设计具体分布式电源模型：风力发电机、光伏阵列、燃料电池、燃气轮机、储能单元等。

如图2所示，其为本发明分布式电源的模型图。其中，分布式电源为储能单元、燃气轮机、风力发电机、光伏阵列、燃料电池的泛化，它由能量用户(Energyconsumer)、等值电源(Equivalentsource)和开关(Breaker)组成，同时又依赖于分布式电源扩展属性。

针对每种分布式电源，为其设定典型属性和控制参数，比如：对于风力发电机、光伏阵列具有启停状态和启停控制参数，对于燃料电池、燃气轮机和储能单元具有启停状态、离网状态、并网状态和相应的控制参数。

此步骤中，针对每种分布式电源，为其设定典型属性和控制参数之前，需要确定分布式电源的所有参数中，哪些为需要设定的控制参数。

如图3所示，其为本发明确定低压配电网分布式电源控制参数的流程图；其中，确定低压配电网分布式电源控制参数的步骤为：

步骤a1、将分布式电源的各个参数及参数之间的关系进行分类，并根据分类对参数进行分析处理，确定分布式电源的待处理参数。

分布式电源具有很多个参数，各个参数之间的关系也不完全相同，若对参数不加分析处理，直接作为待处理参数进行后续步骤，则会大大增加计算的数据量，为了减少计算数据，节省系统资源，需要对参数进行分类。

对参数分类的依据是参数之间的相互关系，或者是多个参数之间的相互关系，因此需要首先对单独一个参数和多个参数进行区分，本发明中，我们将他们定义为独参数和合参数。其中，独参数是指单独一个参数，合参数是多个独参数结合起来形成的参数；在下述的叙述中，除非有特别标注，否则我们所说的参数是指独参数和合参数，而非只表示其中的一种。

参数之间的关系，可以分为以下三种：

重合关系，如果根据参数一和公式可以确定参数二，且根据参数二和公式也可以确定参数一，则称参数一和参数二为重合关系。具有重合关系的参数称为重合参数。

排斥关系，如果根据参数一和公式可以确定参数二，但是根据参数二和公式却不可以确定参数一，则称参数一排斥参数二，称参数一和参数二为排斥关系。具有排斥关系的参数称为排斥参数，其中参数二为被排斥参数。

互斥关系，如果根据参数一和公式不能确定参数二，且根据参数二和公式也不能确定参数一，则称参数一和参数二为互斥关系。一般，参数之间都具有互斥关系。具有互斥关系的参数称为互斥参数。

对参数的分析处理就是对具有重合关系的两个参数，保留包含最多独参数的那个作为待处理参数。

步骤a2、根据待处理参数确定分布式电源的多个参数组合。

将待处理参数任意组合，构成参数组合，可以是一个待处理参数构成参数组合，也可以是多个甚至所有待处理参数共同组合，构成参数组合。

参数组合的约束条件为：

不能包含排斥参数；

不能包含相同的待处理参数。

遍历所有可能的参数组合，排除包含排斥参数或相同参数的参数组合，剩余参数组合为确定的分布式电源的参数组合。

步骤a3、确定分布式电源接入低压配电网后需要计算的运行值。

分布式电源接入低压配电网后，可以计算的数据会有很多，但是其中的一部分对低压配电网的运行并无影响，可以排除。因此，可以根据低压配电网运行的实际需要确定分布式电源接入低压配电网后需要计算的数据，这些数据我们称之为运行值。

步骤a4、分别计算确定了各个参数组合的分布式电源接入低压配电网后的运行值，并计算任意两个参数组合的对比值。

所述确定了参数组合的分布式电源，是指分布式电源具有的参数中，只有参数组合内的参数可以确定具体数值，其余不在参数组合内的参数均为未知。本步骤中，所有参数组合中的同一参数的具体数值都是相同的。

计算确定了某一参数组合的分布式电源接入低压配电网后的运行值，是说分布式电源只标明了参数组合内的参数的值，此分布式电源接入低压配电网后，计算低压配电网的运行值。

对比值的计算公式为：

$M_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|D_{\mathrm{ik}}-D_{\mathrm{jk}}|}{\min (D_{\mathrm{ik}},D_{\mathrm{jk}})}$

上式中，M_ij表示参数组合i与参数组合j的对比值，k表示计算的运行值的序号，N表示每个参数组合需要计算的运行值的数量，D_ik表示参数组合i对应的第k个运行值，D_jk表示参数组合j对应的第k个运行值。

其基本思路是，不同参数组合对应的相同序号的运行值不同，运行值的差值与较小的那个运行值的比值可以反映出参数组合的差别，求所有比值的和，可以整体反映出作对比的两参数组合的差别，为对比值。

每一个对比值都对应两个参数组合，如对比值M_ij对应参数组合i与参数组合j。

上述计算方法，取两对应序号的运行值的差的绝对值，使得作对比的两个参数组合不需要区分次序，减少了50％的计算量，节约了系统资源；以两对应序号的运行值中较小的那个运行值做分母，相对于以较大的运行值做分母，放大了对比值，使得参数组合的对比值差别更大，更容易区分差别较小的参数组合。

遍历所有的参数组合，计算所有可能的两个参数组合的对比值。

步骤a5、以某一对比值为中心确定区间，若两个参数组合的对比值属于此区间，则此两个参数组合属于所述某一对比值对应的对比组，统计各个对比值对应的对比组。

对比值的区间是以对比值为中心，上下波动10％为区间。例如M_ij表示参数组合i与参数组合j的对比值，则确定的区间为(M_ij-10％M_ij，M_ij+10％M_ij)，若另两个参数组合的对比值在(M_ij-10％M_ij，M_ij+10％M_ij)上，则此两个参数组合属于对比值M_ij对应的对比组；遍历所有的对比值，所有在此区间内的对比值对应的参数组合共同构成对比值M_ij对应的对比组。

每一个对比值都对应一个对比组，遍历所有对比值，统计出所有对比值对应的对比组。

步骤a6、统计所有对比组中参数组合的数量，参数组合数量最多的对比组即为最优对比组。

对比组中可能包含相同的参数组合，对其中的参数组合进行分析，相同的参数组合合并为一个，然后统计每个对比组中的参数组合的数量，数量最多的对比组为最优对比组。

步骤a7、确定最优对比组中所有参数组合的共有参数，此共有参数为分布式电源的控制参数。

所述共有参数，是指对比组中的参数组合都包含的参数，此共有参数可能是一个，也可能是多个。

如图4所示，其为本发明确定最优对比组中所有参数组合共有参数的流程图，其中确认最优对比组共有参数的步骤为：

步骤a71、从最优对比组中任意选择两个参数组合，确定两个参数组合中参数之间的关系。

两个参数组合之间的参数一一对应，构成多个参数对。若参数组合一中包含m个参数，参数组合二中包含n个参数，则两个参数组合可以构成m×n个参数对，每一个参数对的两个参数之间都具有如下四种关系之一：

相同关系，参数一与参数二为同一个参数；

重合关系，已知其中一个参数与公式，都可以计算出另一个参数；

互斥关系，已知其中一个参数与公式，都不能计算出另一个参数；

排斥关系，已知参数一和公式可以计算出参数二，但是已知参数二与公式不能计算出参数一，称参数一排斥参数二，或者参数二被参数一排斥。其中，参数二称为被排斥参数。

步骤a72、根据参数之间的关系确定所述两个参数组合的共有参数，并将共有参数组合起来，构成参数组合。

根据两个参数组合中参数对之间关系的不同，来确定两个参数组合的共有参数：

具有相同关系的参数对，两个参数都相同，都为共有参数；

具有重合关系的参数对，选取包含独参数多的参数作为共有参数；

具有排斥关系的参数对，选取被排斥的参数作为共有参数；

具有互斥关系的参数对，对共有参数无影响。

将所有的共有参数组合起来，构成参数组合。每一个共有参数构成的参数组合，都对应两个参数组合。

步骤a73、用所述共有参数构成的参数组合替换步骤a72中的两个参数组合。

用新的参数组合替换掉最优对比组中对应的两个参数组合，这样最优对比组中的参数组合数量就减少了一个。

步骤a74、重复步骤a71-a73，直至最优对比组中只剩余一个参数组合，此参数组合中的参数即为最优对比组中的共有参数。

步骤a71-a73每重复一次，最优对比组中的参数组合就会减少一个，新出现参数组合中的参数一定就是消失掉的两参数组合的共有参数，直至最优对比组中只剩下一个参数组合，则此参数组合就是最优对比组中所有参数组合的共有参数的集合。

步骤b、建立低压配电网模型中的配变组合模型。

所述配变组合模型包括中压等值负荷，低压侧分布式电源以及控制开关。首先获取中压侧能量用户和等值负荷；然后将分布式电源和控制开关与对应的10kV中压电网的能量用户关联。

如图5所示，其为本发明低压配电网中配变组合模型图，其中，配变组合模型包括中压侧的等值模型、低压侧的分布式电源和控制开关。

步骤c、在低压配电网模型中建立低压变电站模型。

所述低压变电站模型(10KV／380V)包括：低压变电站内变压器模型以及变压器高压侧和低压侧对应的电压等级模型、各电压等级对应的母线段模型、开关模型、能量用户模型、低压线路(380V)模型以及对端的用电终端模型；其中，所述用电终端模型为电压等级为单一380V的变电站模型，在用电终端模型内建立对应的电压等级、母线等设备模型；

步骤d、实现低压配电网模型与中压配电网模型间的拓扑关联和量测数据点的设置。

首先实现模型间的拓扑关联：将建立的分布式电源模型与对应的10kV或380V母线段模型单元进行拓扑连接；将建立的低压配变模型通过所关联的10kV中压电网能量用户找到对应的10kV母线模型进行拓扑连接。其次，为分布式电源设置对应的SCADA量测数据点，包括有功功率，无功功率，负荷功率，电流值等。

步骤e、采集低压配电网量测数据，并映射到所建立的低压配电网模型中。

采集低压配电网SCADA量测数据，包括负荷功率，分布式发电机输出功率，开关状态，支路功率，母线电压等，并根据具体的量测数据点匹配到所建立的低压配电网模型中。

步骤f、通过拓扑校验检查低压配电网模型。

经过步骤a-e完成含分布式电源的低压配电网建模，通过拓扑校验检查确认模型正确后，发布给应用程序使用。

本发明的工作原理是，无论多么复杂未知的设备模型，都是经过简单已知模型的组合扩展而成。本发明正是基于组合CIM的思想，在现有高、中压配电网基础上通过组合模型、扩展属性的方式实现含分布式电源的低压配网模型建模。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种含分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤a、建立低压配电网模型中的分布式电源模型，不同的分布式电源模型具有不同的控制参数；

步骤b、建立低压配电网模型中的配变组合模型；

步骤c、在低压配电网模型中建立低压变电站模型；

步骤d、实现低压配电网模型与中压配电网模型间的拓扑关联和量测数据点的设置；

步骤e、采集低压配电网量测数据，并映射到所建立的低压配电网模型中；

步骤f、通过拓扑校验检查低压配电网模型。

2.根据权利要求1所述的含有分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，所述分布式电源模型的创建方法为：

将所述分布式电源的发电设备创建为等值电源模型单元；将所述分布式电源所连接的控制开关创建为开关模型单元；将所述分布式电源所带负荷创建为能量用户模型单元；所述等值电源模型单元、开关模型单元和能量用户模型单元通过公共母线段连接在一起；针对每种分布式电源，为其设定典型属性和控制参数。

3.根据权利要求2所述的含有分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，所述控制参数的设定过程为：

步骤a1、将分布式电源的各个参数及参数之间的关系进行分类，并根据分类对参数进行分析处理，确定分布式电源的待处理参数；

步骤a2、根据待处理参数确定分布式电源的多个参数组合；

步骤a3、确定分布式电源接入低压配电网后需要计算的运行值；

步骤a4、分别计算确定了各个参数组合的分布式电源接入低压配电网后的运行值，并计算任意两参数组合的对比值；

步骤a5、以某一对比值为中心确定区间，若两个参数组合的对比值属于此区间，则此两个参数组合属于所述某一对比值对应的对比组，统计各个对比值对应的对比组；

步骤a6、统计所有对比组中参数组合的数量，参数组合数量最多的对比组即为最优对比组；

步骤a7、确定最优对比组中所有参数组合的共有参数，此共有参数即为分布式电源的控制参数。

4.根据权利要求3所述的含有分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，所述对比值的计算公式为：

$M_{\mathrm{ij}}=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{|D_{\mathrm{ik}}-D_{\mathrm{jk}}|}{\min (D_{\mathrm{ik}},D_{\mathrm{jk}})}$

上式中，M_ij表示参数组合i与参数组合j的对比值，k表示计算的运行值的序号，N表示每个参数组合需要计算的运行值的数量，D_ik表示参数组合i对应的第k个运行值，D_jk表示参数组合j对应的第k个运行值。

5.根据权利要求3所述的含有分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，所述步骤a7包括：

步骤a71、从最优对比组中任意选择两个参数组合，确定两个参数组合中参数之间的关系；

步骤a72、根据参数之间的关系确定所述两个参数组合的共有参数，并将共有参数组合起来，构成参数组合；

步骤a73、用所述共有参数构成的参数组合替换所述步骤a72中的两个参数组合；

步骤a74、重复步骤a71-a73，直至最优对比组中剩余一个参数组合为止，此参数组合中的参数即为最优对比组的共有参数。

6.根据权利要求2-5中任一所述的含有分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，所述分布式电源的典型属性包括：

风力发电机、光伏阵列具有启停状态；燃料电池、燃气轮机和储能单元具有启停状态、离网状态和并网状态；

所述分布式电源的控制参数包括：

风力发电机、光伏阵列具有启停控制参数；燃料电池、燃气轮机和储能单元具有所述启停状态、离网状态和并网状态对应的控制参数。

7.根据权利要求2-5中任一所述的含有分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，所述配变组合模型包括中压等值负荷、低压侧分布式电源和控制开关。

8.根据权利要求7所述的含有分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，所述低压变电站模型包括低压变电站内变压器模型、变压器高压侧的电压等级模型、变压器低压侧的电压等级模型、各电压等级对应的母线段模型、开关模型、能量用户模型、低压线路模型以及对端的用电终端模型。

9.根据权利要求8所述的含有分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，所述步骤d中，将建立的所述分布式电源模型与对应的10kV或380V母线段模型单元进行拓扑连接；将建立的所述低压配变组合模型通过所关联的10kV中压电网能量用户找到对应的10kV母线段模型进行拓扑连接。

10.根据权利要求1所述的含有分布式电源的低压配电网建模方法，其特征在于，所述量测数据包括负荷功率，分布式发电机输出功率，开关状态，支路功率，母线电压，并根据具体的量测数据点匹配到所建立的低压配电网模型中。

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