CN104300572A - 一种配电网中分布式电源的配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网中分布式电源的配置方法。基于配网有功网损的精确表达式，以系统有功网损最小为目标，确定分布式电源接入的最优位置及其容量大小，考虑两种常见的分布式电源的形式，分别是只提供有功功率和只提供无功功率。该方法只要进行两次潮流计算，一次用于初始基本潮流和另一次用于确定分布式电源配置后更新潮流获得最终的网损。不同的算例结果表明，配电网中合理配置分布式电源能够有效减少有功网损、提高电压质量，并且该方法计算速度快。本发明只考虑单个节点接入分布式电源，不考虑多个节点接入的情况。

Description

一种配电网中分布式电源的配置方法

技术领域

本发明涉及一种配电网中分布式电源的优化配置方法，属于配网优化技术领域。

背景技术

与输电网络相比，电能在传输过程中的有功损耗在配电网络中所占比例更高，因此减少配网有功损耗、节约电能是许多电力从业者面临的重要课题。随着分布式发电技术的提高，全球各国电网兴起了在配电网中接入分布式电源(distributed generation，DG)的研究与应用。一直以来，电容器作为能够减少网损、提高电压质量的电力元件而被广泛应用于配电网。近年来电池储能技术的发展与进步加速了其在电网中的应用，储能系统也被用来提高供电可靠性、减少网损。因此，DG是一种降低系统网损的可行的方案。

配网中DG最优配置的问题可以看成是确定系统最佳的有功补偿或无功补偿。近年来国内外专家学者对此展开了大量的研究工作。灵敏度法，“2/3原则”，遗传算法，模拟退火，禁忌搜索，蚁群搜索算法和模糊专家系统等已经得到使用。

通过DG的优化配置，可以有效减少电能损耗、降低运行成本、提高电压水平和供电可靠性。不过已有研究表明，在配电网中不合理地配置DG接入的位置和容量，反而可能导致系统网损的增加。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明采用一种解析方法获得配电网中DG接入的选址与定容，从而提供一种配电网中分布式电源的配置方法。

技术方案：一种配电网中分布式电源(distributed generation，DG)的配置方法，按以下步骤实现：

(1)获得典型配电网参数；包括：母线编号、名称、负荷有功、负荷无功、线路的支路号、首端节点和末端节点编号、串联电阻、串联电抗等；

(2)计算无DG接入情况下的基本潮流；

(3)根据有功网损的表达式确定初始网损；

(4)确定各个节点分别接入DG的最优容量；

(5)每次一个节点，依次计算在该节点配置最优容量的DG时系统的估计网损，估计网损是指利用初始基本潮流获得的参数来计算DG配置后的网损；

(6)将步骤(5)中最小估计网损所对应的节点作为DG配置的最佳位置，容量依据步骤(4)获得；

(7)更新配置DG后系统的潮流，基于此潮流结果计算含有DG最优配置的有功网损。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：基于网损的精确表达式确定分别在不同节点接入DG的容量并且以网损最小目标，提出一种快速的方法确定DG的最佳位置和容量。本发明与现有技术相比，该方法只要进行两次潮流计算，一次用于初始基本潮流，另一次用于确定分布式电源配置后更新潮流获得最终的网损。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程图；

图2为本发明实施例的DG优化配置方法所应用的2个算例的示意图，其中：图(a)是33节点配网系统，图(b)是69节点配网系统；

图3为33节点的算例测试结果，其中：图(a)是两种类型的DG配置前后系统节点电压幅值，图(b)是各节点分别单独配置DG后系统的估计网损和精确网损；

图4为69节点的算例测试结果，其中：图(a)是两种类型的DG配置前后系统节点电压幅值，图(b)是各节点分别单独配置DG后系统的估计网损和精确网损。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

系统有功网损的精确表达式可以写作：

$P_L=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}(P_i{P}_j+Q_i{Q}_j)+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}(Q_i{P}_j-P_i{Q}_j)]$

式中：N_bus为节点数； ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}=\frac{r_{\mathrm{ij}}}{U_i{U}_j}\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j),$ ${\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}=\frac{r_{\mathrm{ij}}}{U_i{U}_j}\sin ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j),$ 并且U_i、U_j分别为节点i和j的电压幅值，θ_i、θ_j分别为i和j的电压相角，r_ij为节点阻抗矩阵Z中第i行、第j列元素的实部；P_i、P_j为节点i和j的有功注入功率；Q_i、Q_j为节点i和j的无功注入功率。

对于连通的电力系统，当网络中有接地支路时，节点导纳矩阵Y是非奇异的，此时可以通过对Y求逆得到Z。对于无接地的网络，节点导纳矩阵Y奇异、不能用对Y求逆得到Z。节点阻抗矩阵Z可以通过支路追加法形成。支路追加法的主要思想是以部分网络的节点阻抗矩阵Z₍₀₎为基础，每次追加一条新支路时，都对Z₍₀₎进行更新，形成支路追加后的节点阻抗矩阵。如此重复，直到最后一条支路追加完毕，部分网络变成全网络，就得到全网络的节点阻抗矩阵。

(1)若DG向配电网只提供有功补偿(如光伏电池、燃料电池)，考虑在节点i配置DG，则当有功网损最小时，有

$\frac{{\∂P}_L}{{\∂P}_i}=2\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}{P}_j-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{Q}_j)=0$

即

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ii}}{P}_i-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ii}}{Q}_i+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}{P}_j-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{Q}_j)=0$

因为在节点i接入DG，因此其节点有功注入功率

P_i＝P_DGi-P_Di

式中：P_DGi为节点i配置的DG容量，P_Di为节点i的有功负荷。

结合上式，可以得到

$P_{\mathrm{DGi}}=P_{\mathrm{Di}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ii}}}+\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ii}}}[{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ii}}{Q}_i-\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}{P}_j-{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{Q}_j)]$

(2)若DG向配电网只提供无功补偿(如电容器)，则当有功网损最小时，有

$\frac{{\∂P}_L}{{\∂Q}_i}=2\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}{Q}_j+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{P}_j)=0$

即

${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ii}}{Q}_i+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ii}}{P}_i+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}{Q}_j+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{P}_j)=0$

因为在节点i接入DG，因此其节点无功注入功率

Q_i＝Q_DGi-Q_Di

式中：Q_DGi为节点i配置的DG容量，Q_Di为节点i的无功负荷。

结合上式，可以得到

$Q_{\mathrm{DGi}}=Q_{\mathrm{Di}}-\frac{1}{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ii}}}[{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ii}}{P}_i+\underset{j=1,j\≠i}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}{Q}_j+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}{P}_j)]$

如此可以得到依次在每个节点配置DG并使网损最小时的DG容量，而任何比这个值或大或小的DG容量都会导致系统网损的增加。不论DG只发出有功还是只发出无功，DG容量均是α、β的函数。与没有DG接入相比，当DG接入配网后会改变系统的潮流，更新α、β的值意味着重新计算一次潮流。不过数值分析的结果表明，通过更新α、β获得DG容量对其容量大小的准确性影响很小。基于这样的假设，可以利用初始基本潮流的结果求得α与β，进而依次计算得到单独接在每个节点的DG容量。

确定了每个节点分别接入DG的容量，下一步就是确定DG接入的节点位置。依次计算每个节点接入DG后的网损意味着重新进行潮流计算，一共需要N_bus次潮流计算。而这是需要耗费大量的运算时间。本发明提出一种计算估计网损的方法，能够快速定位DG的接入位置。大量数值分析的结果表明，各个节点分别单独接入DG后的估计网损其大小关系与通过精确潮流计算得到的网损的大小关系一致，即通过精确潮流计算得到的网损最小的节点与估计网损最小的节点相同。这个可以通过下面的算例仿真得到验证。两种方法唯一不同的是网损结果的差异，而这不影响对DG接入的节点位置的判定。通过这一方法，可以节约很多因为潮流计算而耗费的时间。

估计网损的计算是通过公式

$P_L=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}(P_i{P}_j+Q_i{Q}_j)+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}(Q_i{P}_j-P_i{Q}_j)]$

实现，需要注意的是对于DG接入的节点其节点注入有功(或节点注入无功)已与无DG接入时的值不同。

在配电网中DG优化配置的问题中，只要进行两次潮流计算，一次用于初始基本潮流和另一次用于确定分布式电源配置后更新潮流获得最终的精确网损值，具体步骤如下：

(1)获得典型配电网参数。包括：母线编号、名称、负荷有功、负荷无功、线路的支路号、首端节点和末端节点编号、串联电阻、串联电抗等；

(2)计算无DG接入情况下的基本潮流；

(3)根据有功网损的表达式确定初始网损；

(4)确定各个节点分别接入DG的最优容量；

(5)每次一个节点，依次计算在该节点配置最优容量的DG时系统的估计网损，估计网损是指利用初始基本潮流获得的参数来计算DG配置后的网损；

(6)将步骤(5)中估计网损最小所对应的节点作为DG配置的最佳位置，容量依据步骤(4)获得；

(7)更新配置DG后系统的潮流，基于此潮流结果计算含有DG最优配置的有功网损。

下面介绍本发明的两个实施例：

算例一：

本发明提出的方法测试33节点配电网系统，基准电压为12.66kV，基准容量10.00MVA，有功负荷3.715MW，无功负荷2.300MVar。网络参数如表1所示，优化配置结果如表2所示。

表1 33节点配电系统网络参数

表2 33节点配电系统DG配置结果

注：DG-1表示只发出有功的DG类型；DG-2表示只发出无功的DG类型。

配置前后系统各节点电压幅值如图3(a)所示，配置后可以看出两种不同类型的DG均能显著提高配电网各节点的电压水平。

考虑两种不同类型的DG在各节点分别得到配置后，全网估计网损和精确网损的差异，如图3(b)所示。由图3(b)可以看出，各个节点分别单独接入DG后的估计网损其大小关系与通过精确潮流计算得到的网损的大小关系一致。

算例二：

测试69节点配电网系统，基准电压为12.66kV，基准容量10.00MVA，有功负荷3.8014MW，无功负荷2.6936MVar。网络参数如表3所示，优化配置结果如下表4所示。

表3 69节点配电系统网络参数

表4 69节点配电系统DG配置结果

注：DG-1表示只发出有功的DG类型；DG-2表示只发出无功的DG类型。

配置前后系统各节点电压幅值如图4(a)所示，配置后可以看出两种不同类型的DG均能显著提高配电网各节点的电压水平。

考虑两种不同类型的DG在各节点分别得到配置后，全网估计网损和精确网损的差异，如图4(b)所示。

综合上述算例结果可知，不同类型的DG可能导致其配置的位置和容量大小均不同。本发明所提配电网中DG的配置方法能够得到正确可靠的结果，采用估计网损不影响对DG选址的定位，并且由于只要进行两次潮流计算，所以其寻优速度会很快。

Claims (4)

1.一种配电网中分布式电源的配置方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)获得典型配电网参数；

(2)计算无DG接入情况下的基本潮流；

(3)根据有功网损的表达式确定初始网损；

(4)确定各个节点分别接入DG的最优容量；

(5)每次一个节点，依次计算在该节点配置最优容量的DG时系统的估计网损，估计网损是指利用初始基本潮流获得的参数来计算DG配置后的网损；

(6)将步骤(5)中估计网损最小所对应的节点作为DG配置的最佳位置，容量依据步骤(4)获得；

(7)执行配置DG后系统的潮流，基于此潮流结果计算含有DG最优配置的有功网损。

2.如权利要求1所述的配电网中分布式电源的配置方法，其特征在于，所述典型配电网参数包括：母线编号、名称、负荷有功、负荷无功、线路的支路号、首端节点和末端节点编号、串联电阻和串联电抗。

3.如权利要求1所述的配电网中分布式电源的配置方法，其特征在于，有功网损的精确表达式为：

$P_L=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}(P_i{P}_j+Q_i{Q}_j)+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}(Q_i{P}_j-P_i{Q}_j)]$

式中：N_bus为节点数； ${\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}=\frac{r_{\mathrm{ij}}}{U_i{U}_j}\cos ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j),$ ${\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}=\frac{r_{\mathrm{ij}}}{U_i{U}_j}\sin ({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_j),$ 并且U_i、U_j分别为节点i和j的电压幅值，θ_i、θ_j分别为i和j的电压相角，r_ij为节点阻抗矩阵Z中第i行、第j列元素的实部；P_i、P_j为节点i和j的有功注入功率；Q_i、Q_j为节点i和j的无功注入功率；

对于连通的电力系统，当网络中有接地支路时，节点导纳矩阵Y是非奇异的，此时可以通过对Y求逆得到Z；对于无接地的网络，节点导纳矩阵Y奇异、不能用对Y求逆得到Z；节点阻抗矩阵Z可以通过支路追加法形成；支路追加法的主要思想是以部分网络的节点阻抗矩阵Z₍₀₎为基础，每次追加一条新支路时，都对Z₍₀₎进行更新，形成支路追加后的节点阻抗矩阵；如此重复，直到最后一条支路追加完毕，部分网络变成全网络，就得到全网络的节点阻抗矩阵。

4.如权利要求1所述的配电网中分布式电源的配置方法，其特征在于，估计网损的计算是通过公式

$P_L=\underset{i=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{N_{\mathrm{bus}}}{\mathrm{\Σ}}}[{\mathrm{\α}}_{\mathrm{ij}}(P_i{P}_j+Q_i{Q}_j)+{\mathrm{\β}}_{\mathrm{ij}}(Q_i{P}_j-P_i{Q}_j)]$

实现。