CN104836243B - 计及负荷时序特性的配电网无功补偿方法 - Google Patents

Abstract

一种计及负荷时序特性的配电网无功补偿方法，所述方法首先根据配电网各负荷节点的负荷类型及各类负荷的用电规律，绘制典型日负荷全时序特性曲线，然后在保证电压合格的基础上，以配电网全网年度有功网损最小为目标函数，建立配电网无功规划数学模型，再通过模型的求解得到各个时间断面的配电网无功规划结果，最后根据该无功规划结果确定各个节点的无功补偿方案。本发明根据不同类型负荷典型日负荷全时序特性建立配电网无功规划模型，不仅能准确处理负荷的不确定问题，使规划结果更接近于实际，而且还充分考虑了配电网负荷需求的时序互补特性，从而节约了无功补偿设备的安装容量，提高了配电网无功规划配置的有效性。

Description

计及负荷时序特性的配电网无功补偿方法

技术领域

本发明涉及一种中压配电网无功规划精确建模及补偿方法，属于输配电技术领域。

背景技术

传统的中压配电网无功规划，大多是根据预测负荷最大值进行无功补偿设备的优化配置，通过最大有功、无功负荷水平进行配电网潮流计算得到最大损耗功率，再乘以最大损耗利用小时数(估算值)来计算年度配电网网络损耗，并以此为依据来进行无功补偿设备的优化配置。根据最大负荷水平得到的无功规划结果配置的无功补偿设备容量通常比较大，设备等效利用率低、耗能性差。也有学者研究了考虑多种负荷水平的无功规划优化，考虑多个负荷水平的无功规划优化问题，一般以最大负荷水平为基准，取最大负荷的某一百分比作为最大、一般、最小三种负荷水平，以不同负荷水平计算出的最小无功功率需求作为固定补偿设备的安装容量，以最大无功功率需求与最小无功功率需求的差值作为可变补偿设备的安装容量。在这种模型中，配电网年度网络损耗是分别在不同负荷水平下进行潮流计算得出网络损耗功率，再乘以不同负荷水平的等效运行时间并求和得到的。由于配电网中不同类型负荷的大小和分布位置具有很大的随机性和明显的时序特性，不同的负荷水平及其等效运行时间都是粗略估算或假设的(文献通常都没给出明确的理论或现场依据)，由此得到的配电网无功规划方案的技术耗能指标与实际情况会有较大差异，通常不能得到耗能性最优的配电网无功规划配置方案。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术之弊端，提供一种计及负荷时序特性的配电网无功补偿方法，在保证补偿效果的基础上，提高配电网无功规划配置的有效性。

本发明所述问题是以下述技术方案解决的：

一种计及负荷时序特性的配电网无功补偿方法，所述方法首先根据配电网各负荷节点的负荷类型及各类负荷的用电规律，绘制典型日负荷全时序特性曲线，然后在保证电压合格的基础上，以配电网全网年度有功网损最小为目标函数，建立配电网无功规划数学模型，再通过模型的求解得到各个时间断面的配电网无功规划结果，最后根据该无功规划结果确定各个节点的无功补偿方案。

上述计及负荷时序特性的配电网无功补偿方法，所述方法包括以下步骤：

a.根据配电网各负荷节点的负荷类型、负荷大小及各类负荷的时序数据，绘制典型日负荷24时序特性曲线；

b.以各节点无功补偿容量为优化变量，建立配电网无功规划数学模型：

模型所采用的目标函数为:

式中：P_{loss_t}为配电网在第t个时段负荷水平下的有功功率损耗；n_d为配电网节点个数；k为电压越界惩罚因子，取较大正常数；ΔU_{i_t}为在第t个时段负荷水平下的节点i的节点电压偏差，U_{i_t}为节点i在第t个时段的节点电压，U_imin为节点电压允许最小值，U_imax为节点电压允许最大值；

等式约束方程为：

式中：P_{i_t}为节点i在第t个时段节点有功负荷；Q_{i_t}为节点i在第t个时段节点无功负荷；Q′_{i_t}为节点i在第t个时段无功补偿设备投入量；U_{i_t}为节点i在第t个时段的节点电压；U_{j_t}为节点j在第t个时段的节点电压；G_ij、B_ij为节点i、j之间的电导、电纳，由配电网网架结构和线路参数得到；θ_{ij_t}为节点i、j之间第t个时段的电压相角差，j∈i，表示所有与节点i相连的节点；

不等式约束方程为：

式中：Q_{j_t}为在第t个时段补偿点j的无功补偿投入容量；T_{g_t}为在第t个时变压器g的变比；Q_jmin为补偿点无功补偿容量下限；Q_jmax为补偿点无功补偿容量上限；n_u为装设补偿设备的节点数；T_gmin为变压器变比下限；T_gmax为变压器变比上限；n_t为可调压变压器台数；

c.对上述模型进行求解，得到配电网无功规划结果，即配电网各节点24个时间断面应投入的无功补偿容量；

d.根据求得的配电网无功规划结果，确定各节点无功补偿设备的安装容量。

上述计及负荷时序特性的配电网无功补偿方法，根据配电网无功规划结果确定各节点无功补偿设备安装容量的具体方法为：

①若某节点24个时间断面的无功补偿容量都等于零，则该节点不装设无功补偿设备；

②若某节点无功补偿容量大于零，则24个时间断面中无功补偿容量的最小值为该节点固定无功补偿设备的安装容量，24个时间断面中无功补偿容量的最大值与最小值的差值为该节点可投切无功补偿设备的安装容量。

上述计及负荷时序特性的配电网无功补偿方法，所述配电网的电力负荷类型有四种，分别为工业负荷、商业负荷、市政生活负荷和农业负荷。

本发明根据不同类型负荷典型日负荷全时序特性建立配电网无功规划模型，不仅能准确处理负荷的不确定问题，使规划结果更接近于实际，而且还充分考虑了配电网负荷需求的时序互补特性，从而节约了无功补偿设备的安装容量，提高了配电网无功规划配置的有效性。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详述。

图1是本发明的流程图；

图2是某实际配网结构图(图中的数字为节点编号)；

图3是考虑分类负荷典型日负荷时序特性的电力负荷曲线(即典型日负荷24时序特性曲线)。

文中各符号清单为：P_{loss_t}为配电网在第t个时段负荷水平下的有功功率损耗；n_d为配电网节点个数；k为电压越界惩罚因子；ΔU_{i_t}为在第t个时段负荷水平下的节点i的节点电压偏差，U_{i_t}为节点i在第t个时段的节点电压，U_imin为节点电压允许最小值，U_imax为节点电压允许最大值；P_{i_t}为节点i在第t个时段节点有功负荷；Q_{i_t}为节点i在第t个时段节点无功负荷；Q′_{i_t}为节点i在第t个时段无功补偿设备投入量；U_{i_t}为节点i在第t个时段的节点电压；U_{j_t}为节点j在第t个时段的节点电压；G_ij、B_ij为节点i、j之间的电导、电纳；θ_{ij_t}为节点i、j之间第t个时段的电压相角差；Q_{j_t}为在第t个时段补偿点j的无功补偿投入容量；T_{g_t}为在第t个时变压器g的变比；Q_jmin为补偿点无功补偿容量下限；Q_jmax为补偿点无功补偿容量上限；n_u为装设补偿设备的节点数；T_gmin为变压器变比下限；T_gmax为变压器变比上限；n_t为可调压变压器台数。

具体实施方式

传统的中压配电网无功规划，往往会因负荷模型的不准确而造成无功补偿容量不足或无功补偿设备安装过多。如果能够根据预测负荷的类型，及各类负荷用电规律，按照不同类型负荷典型日负荷各个时段的负荷水平，进行24时段综合无功规划，就能够在保证各时段电压水平合格的基础上用较少的无功补偿设备最大程度地降低配电网网损。

本发明的特征是能准确处理配电网无功规划中负荷模型的不准确问题，真实反映配电网无功规划的各项耗能技术指标，使规划结果更接近于实际。本方法充分考虑了配电网负荷需求的时序互补特性，能显著减少无功补偿设备的安装容量，符合现代电力系统精益化管理的原则与要求。

目标函数

计及不同类型负荷典型日负荷有功功率、无功功率的全时序特性，在保证电压合格基础上，以配电网全网年度有功网损最小为目标函数，建立的配电网无功规划数学模型如式(1)所示。

式中：P_{loss_t}——配电网在第t个时段负荷水平下的有功功率损耗；

n_d——配电网节点个数；

k——电压越界惩罚因子，取较大正常数；

等式约束方程

考虑分类负荷时序特性的配电网无功规划的等式约束方程为配电网的功率平衡方程，如式(2)所示：

式中P_{i_t}——节点i在第t个时段节点有功负荷；

Q_{i_t}——节点i在第t个时段节点无功负荷；

Q′_{i_t}——节点i在第t个时段无功补偿设备投入量；

U_{i_t}——节点i在第t个时段的节点电压；

U_{j_t}——节点j在第t个时段的节点电压；

G_ij、B_ij——节点i、j之间的电导、电纳，由配电网网架结构和线路参数得到，不随时间变化而变化；

θ_{ij_t}——节点i、j之间第t个时段的电压相角差，j∈i，表示所有与节点i相连的节点。

不等式约束方程

考虑分类负时序特性的配电网无功规划中的变量分为状态变量和控制变量。节点电压U为状态变量，补偿电容器容量Q和分接头调整的变压器变比T为控制变量。状态变量和控制变量的不等式约束如式(3)所示。

式中U_{i_t}——在第t个时段节点i的节点电压；

Q_{j_t}——在第t个时段补偿点j的无功补偿投入容量；

T_{g_t}——在第t个时变压器g的变比；

n_d——配电网节点数；

Q_jmin——补偿点无功补偿容量下限；

Q_jmax——补偿点无功补偿容量上限；

n_u——装设补偿设备的节点数；

T_gmin——变压器变比下限；

T_gmax——变压器变比上限；

n_t——可调压变压器台数。

本发明参照电力负荷分类依据得出了4种典型电力负荷：类型Ⅰ：工业负荷；类型Ⅱ：商业负荷；类型Ⅲ：市政生活负荷；类型Ⅳ：农业负荷。

以公式(1)为无功规划目标函数，公式(2)、(3)为约束方程。以各节点无功补偿容量为优化变量，建立考虑分类负荷时序特性的配电网无功规划数学模型。

模型求解

利用常用的智能优化算法(如粒子群算法、遗传算法等)，在满足公式(2)、(3)约束条件下，求取公式(1)所示的目标函数的最小值，得到24个时间断面配电网无功规划结果。公式(1)中的P_{loss_t}和ΔU_{i_t}通过对配电网进行前推回代潮流计算得到。

根据本专利模型求解得到的配电网无功规划结果是配电网各节点24个时间断面应投入的无功补偿容量。

基于24个时间断面各节点应投入的无功补偿容量，实际无功补偿设备的安装容量配置过程如下：

1)若某节点24个时间断面无功补偿容量都等于零，则该节点不装设无功补偿设备；

2)若节点无功补偿容量大于零，则24个时间断面中无功补偿容量最大值为该节点无功补偿设备的总安装容量，24个时间断面中无功补偿容量最小值为该节点固定无功补偿设备安装容量，两者的差值为该节点可投切无功补偿设备安装容量。

下面以图2所示的某实际配网的无功规划为例，来验证本专利方法的优越性。各节点最大有功功率、无功功率及负荷类型如表1所示。

表1 某实际配网节点负荷大小及负荷类型

各类电力负荷的时序数据如表2所示。

表2 分类负荷时序数据

由表1和表2得到的考虑分类负荷典型日负荷的配电网负荷曲线如图3所示。

分别以传统的最大负荷水平和24时序负荷水平进行配电网无功规划，结果如表3所示和表4所示。

表3 基于最大负荷水平的无功规划结果

表4 基于分类负荷典型日时序负荷水平的无功规划结果

表3是根据各负荷点最大负荷水平进行无功规划的结果，该方法假设负荷水平持续保持在最大负荷水平，在该状态下整个配网的网损功率为149.9kW。实际上由于各节点负荷具有时序特性，不会持续保持最大负荷水平，而且不同类型负荷之间还具有时序互补特性(即某一种负荷处于最大负荷水平时，另一负荷可能处于较小负荷水平)，因此在无功补偿前配网实际网损功率应远小于149.9kW。由表4可以看出，根据负荷的实际情况，考虑分类负荷典型日负荷时序特性时，补偿前配网实际日平均网损功率只有68.1kW，因此根据最大负荷水平进行的无功规划与实际情况有较大误差。另外，考虑多个负荷水平的无功规划方法，由于没考虑配电网中不同类型负荷的大小和分布位置的随机性和明显的时序特性，而且不同的负荷水平及其等效运行时间都是粗略估算或假设的，因此规划结果也存在较大误差。

由表3和表4还可以看出，考虑分类负荷时序特性的配电网无功规划方法，得到的配电网无功补偿设备的安装容量为1140kvar，远小于传统方法得到的1420kvar。

Claims (1)

1.一种计及负荷时序特性的配电网无功补偿方法，其特征是，所述方法首先根据配电网各节点的负荷类型及各类负荷的用电规律，绘制典型日负荷24时序特性曲线，然后在保证电压合格的基础上，以配电网全网年度有功网损最小为目标函数，建立配电网无功规划数学模型，再通过配电网无功规划数学模型的求解得到各个时间断面的配电网无功规划结果，最后根据该无功规划结果确定各个节点的无功补偿方案；

补偿按以下步骤进行：

a.根据配电网各节点的负荷类型、负荷大小及各类负荷的时序数据，绘制典型日负荷24时序特性曲线；

b.以各节点无功补偿容量为优化变量，建立配电网无功规划数学模型：

配电网无功规划数学模型所采用的目标函数为:

其中，

式中：P_{loss_t}为配电网在第t个时段负荷水平下的有功功率损耗；n_d为配电网节点个数；k为电压越界惩罚因子，取正常数；ΔU_{i_t}为在第t个时段负荷水平下的节点i的节点电压偏差，U_{i_t}为节点i在第t个时段的节点电压，U_imin为节点电压允许最小值，U_imax为节点电压允许最大值；

等式约束方程为：

式中P_{i_t}为节点i在第t个时段节点有功负荷；Q_{i_t}为节点i在第t个时段节点无功负荷；Q_i′_{_t}为节点i在第t个时段无功补偿设备投入量；U_{i_t}为节点i在第t个时段的节点电压；U_{j_t}为节点j在第t个时段的节点电压；G_ij、B_ij为节点i、j之间的电导、电纳，由配电网网架结构和线路参数得到；θ_{ij_t}为节点i、j之间第t个时段的电压相角差，j∈i，表示所有与节点i相连的节点；

不等式约束方程为：

式中：Q_{j_t}为在第t个时段补偿点j的无功补偿投入容量；T_{g_t}为在第t个时变压器g的变比；Q_jmin为补偿点无功补偿容量下限；Q_jmax为补偿点无功补偿容量上限；n_u为装设补偿设备的节点数；T_gmin为变压器变比下限；T_gmax为变压器变比上限；n_t为可调压变压器台数；

c.对上述配电网无功规划数学模型进行求解，得到配电网无功规划结果，即配电网各节点24个时间断面应投入的无功补偿容量；

d.根据求得的配电网无功规划结果，确定各节点无功补偿设备的安装容量；

根据配电网无功规划结果确定各节点无功补偿设备安装容量的具体方法为：

①若某节点24个时间断面的无功补偿容量都等于零，则该节点不装设无功补偿设备；

②若某节点无功补偿容量大于零，则24个时间断面中无功补偿容量的最小值为该节点固定无功补偿设备的安装容量，24个时间断面中无功补偿容量的最大值与最小值的差值为该节点可投切无功补偿设备的安装容量；

所述配电网的电力负荷类型有四种，分别为工业负荷、商业负荷、市政生活负荷和农业负荷，以各节点无功补偿容量为优化变量，建立考虑分类负荷时序特性的配电网无功规划数学模型。