CN104868481A - 一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿方法，其特点是包括：根据配电网络参数、各节点出力上下限数据，形成数据文件并存储；建立配电网络无功补偿模型，选取该配电网络的各时段各线路总有功损耗作为目标；根据调度处所提供的未来一天配电网络负荷预测数据，将负荷平均分为12段；在满足潮流约束条件下，进行配电网无功优化计算；从迭代所得的变量中选取控制策略值，从而控制SVC等设备完成调节功能。本发明设计合理，其从整个配电网的角度出发综合调节SVC等无功补偿设备的出力；解决了传统的电容器分组投切造成的网络过补偿或欠补偿的问题，在维持配电网电压稳定、减少线路电能损耗等方面具有重要意义。

Description

一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿方法

技术领域

本发明属于配电网无功补偿技术领域，具体涉及一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿方法。

背景技术

随着我国经济发展和人民生活水平的提高，人们对电能质量的供应提出了更高要求。但是，在一些中小城市配电网中，由于无功不平衡造成的电压问题和网损问题依然存在，严重影响了人们生产和生活。如何在保证系统安全可靠的同时做到无功优化，成为配电网需要解决的重要课题。

传统的依靠负荷端进行固定电容器组投切的方法不能进行连续补偿，容易出现过补偿和欠补偿的现象，造成配电网谐波等一系列危害。随着静止无功补偿器(SVC)、静止无功发生器(SVG)等技术的发展，电容已经可以实现连续调节。因此，如何解决投切电容器组造成的网络过补偿或欠补偿的问题，进而优化网络潮流、减少有功损耗是目前迫切需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿方法，解决传统的投切电容器组造成的网络过补偿或欠补偿的问题，同时从整个配电网的角度出发综合调节SVC等无功补偿设备的出力。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿方法，包括以下步骤：

步骤1、根据从调度自动化数据平台获取的配电网络参数、各节点出力上下限数据，形成数据文件并存储；

步骤2、建立配电网络无功补偿模型，选取该配电网络的各时段各线路总有功损耗作为目标；

步骤3、负荷分段：根据调度处所提供的未来一天配电网络负荷预测数据，将负荷平均分为12段，并认为在每个时段内负荷基本保持不变；然后将所得负荷预测数据进行编辑并存储在网络数据文件中；

步骤4、优化计算：在满足潮流约束条件下，进行配电网无功优化计算；

步骤5、发出控制命令：根据优化计算结果，从迭代所得的变量中选取控制策略值，并通过数据输入/输出接口模块输出给动作单元，从而控制SVC等设备完成调节功能。

而且，所述步骤2建立的配电网络无功补偿模型为：

$f=\min \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{P}_{\mathrm{Loss}}$

式中，P_Loss表示某个时段内配电网络的各线路损耗；n为每天负荷分段数，n取为12；

上述模型中非线性约束条件为：

$\underset{i=2}{\overset{12}{\mathrm{\Σ}}}|C_t-C_{t-2}|\≤N_{\max }$

式中，C_t为t时刻补偿设备状态值。

而且，所述步骤4潮流约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{t,i}=V_{t,i}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{t,j}(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_{t,i}=V_{t,i}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{t,j}(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.$

式中，V_t,i和θ_t,i分别为t时刻节点i的电压幅值和相角，θ_ij＝θ_i—θ_j；G_ij和B_ij为节点导纳矩阵中的i行j列相应元素的实部和虚部；P_ti和Q_ti为节点i在t时刻的节点注入功率；

同时，还需满足如下不等式约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{t,\min }<V_t<V_{t,\max }\\ {\mathrm{\&theta;}}_{t,\min }<{\mathrm{\&theta;}}_t<{\mathrm{\&theta;}}_{t,\max }\\ 0\&le;C_t<C_{t,\max }\\ T_{k,\min }<T_t<T_{k,\max }\\ P_{G,t,\min }<P_{G,t}<P_{G,t,\max }\\ Q_{G,t,\min }<Q_{G,t}{<Q}_{G,t,\max }\end{array}\right.t=1,2....n$

式中，t时刻节点电压V_t、相角θ_t满足上下限约束。

而且，所述步骤4优化计算的方法为：采用最小化迭代函数来实现时间整体上的无功优化，以获得满足各个约束条件的控制设备动作值，该最小化迭代函数如下：

x＝fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options)

在上式中，将各节点的电压、相角、发电机节点有功、无功作为变量，并赋予上下限范围约束，fun用来定义全天配电网络的有功损耗；等式潮流约束条件被定义在Aeq，beq中；非线性约束条件则体现在nonlcon中。

本发明的优点和积极效果是：

本发明设计合理，其从整个配电网的角度出发综合调节SVC等无功补偿设备的出力；同时SVC等补偿设备的使用解决了传统的电容器分组投切造成的网络过补偿或欠补偿的问题，本发明在维持配电网电压稳定、减少线路电能损耗等方面具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的电容补偿系统结构示意图；

图2是具体实施例的负荷预测变化图；

图3补偿节点11在各个时刻的电容补偿折线图；

图4补偿节点17在各个时刻的电容补偿折线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿方法，是在图1所示的电容补偿系统上实现的。该系统是根据实际的配电网形成网络拓扑结构，对未来一天负荷预测数据进行分段并生成网络数据文件，然后确定电压薄弱节点。为了达到配电网络全天总有功损耗最小，本发明将一天平均分为12个时间段，从时间整体上进行优化。最后将优化所得补偿电容控制策略值输出到动作单元，调节控制所需的无功补偿量。

本发明的实现方法包括以下步骤：

步骤1、根据从调度自动化数据平台获取的配电网络参数、各节点出力上下限等数据，形成数据文件并存储。

步骤2、建立配电网络无功补偿模型，一般选取该配电网络的各时段各线路总有功损耗作为目标，即：

$f=\min \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{Loss}}---\left(1\right)$

式中，P_Loss表示某个时段内配电网络的各线路损耗。

由于实际的SVC、SVG等补偿装置的补偿容量是有限制的，连续进行大幅度调节不仅代价较大，而且会降低设备使用寿命，因此考虑分时段进行调节，首先将所得负荷预测数据进行分段。在这里将未来一天负荷按时间平均分为12时段，即n取为12。模型中非线性约束条件为：

$\underset{i=2}{\overset{12}{\mathrm{\&Sigma;}}}|C_t-C_{t-2}|\&le;N_{\max }---\left(2\right)$

式中，C_t为t时刻补偿设备状态值。

步骤3、负荷分段

根据调度处所提供的未来一天配电网络负荷预测数据，将其平均分为12段，并认为在每个时段内负荷基本保持不变。将所得负荷预测数据进行编辑并存储在网络数据文件中。

步骤4、优化计算。

在进行配电网无功优化过程中，需要满足潮流约束条件。

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{t,i}=V_{t,i}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_{t,j}(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_{t,i}=V_{t,i}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_{t,j}(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，V_t,i和θ_t,i分别为t时刻节点i的电压幅值和相角，θ_ij＝θ_i—θ_j；G_ij和B_ij为节点导纳矩阵中的i行j列相应元素的实部和虚部。P_ti和Q_ti为节点i在t时刻的节点注入功率。

此外，还应该满足不等式约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{t,\min }<V_t<V_{t,\max }\\ {\mathrm{\&theta;}}_{t,\min }<{\mathrm{\&theta;}}_t<{\mathrm{\&theta;}}_{t,\max }\\ 0\&le;C_t<C_{t,\max }\\ T_{k,\min }<T_t<T_{k,\max }\\ P_{G,t,\min }<P_{G,t}<P_{G,t,\max }\\ Q_{G,t,\min }<Q_{G,t}{<Q}_{G,t,\max }\end{array}\right.t=1,2....n---\left(4\right)$

式中，t时刻节点电压V_t、相角θ_t满足上下限约束，这是由于配电网直接与用户相连，其电压直接影响到居民用电，在配电网中一般将电压V_t设置为额定电压的0.95-1.05倍；电容器C_t补偿容量不能越限，变压器分接头T_t调节范围介于T_kmin和T_kmax之间；发电机出力P_G,t、Q_G,t不能越限。

从步骤2可以看出，所考虑的未来一天配电系统总有功损耗模型中，相邻两个时段的补偿电容值是耦合的，所以需要从时间整体上进行优化。

可以看出本专利所涉及的配电网动态无功优化问题是一个多变量、有约束、非线性的函数最小值问题，因此，可以利用最小化函数来实现时间整体上的无功优化，以获得满足各个约束条件的控制设备动作值。所用的最小化迭代函数如下。

x＝fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options)

在上式中，将各节点的电压、相角、发电机节点有功、无功作为变量，并赋予上下限范围约束，如上述的不等式约束条件所示；fun用来定义全天配电网络的有功损耗；等式潮流约束条件被定义在Aeq，beq中；非线性约束条件则体现在nonlcon中，最后再设置优化精度问题。

该方案具有编程简单，计算结果可靠，通用性强等优点。

步骤5、发出控制命令

最后从迭代所得的变量x中选取控制策略值，并通过数据输入/输出接口模块输出给动作单元，从而控制SVC等设备完成调节功能。

通过以上步骤可以看出，本发明首先针对具体的配电系统，形成系统网络拓扑结构；然后针对该地区的负荷情况，由调度自动化数据平台给出该地未来一天负荷预测数据并分段；对该系统进行加重负荷的潮流计算，确定系统电压薄弱节点，即需要进行无功补偿的节点；最后对该系统进行优化计算，利用所得的控制设备动作表来对SVC等补偿设备进行调节。

本发明所涉及的SVC、SVG等无功补偿设备，是通过调整输出为容性或感性电流来控制电力系统特定的参数，这一方法的优点包括能够避免投切时产生的震荡和冲击，设备维护简单，响应时间短，对负荷有较强的适应性。传统的无源滤波器(LC)，其参数主要由基于最小滤波电容安装容量法、无功补偿容量法等方法确定，这种方式往往难以满足治理需要；而有源滤波器(APF)在控制方面比较复杂。

下面以一个具体实施例对本发明的效果进行说明：

以IEEE-39系统为例进行分析，以系统全部线路总有功损耗指标最小为目标，将线路阻抗、导纳参数，变压器支路上变压器变比、励磁阻抗等，以及该配电系统中发电机节点最大最小出力等一系列数据形成数据文件，并由调度处根据以往负荷变化情况来给出未来一天负荷预测数据，将日负荷数据分段并编辑得到网络数据文件。

使用上述方法对上述IEEE-39系统进行优化计算。

优化后补偿节点各个时刻的电容补偿量如表1所示。

表1:节点电容补偿量

	节点11	节点17
			时刻0	0.333	0.185
时刻2	0.321	0.193
			时刻4	0.310	0.197
时刻6	0.359	0.210
			时刻8	0.413	0.223
时刻10	0.474	0.247
			时刻12	0.515	0.216
时刻14	0.497	0.240
			时刻16	0.508	0.241
时刻18	0.596	0.200
			时刻20	0.555	0.271
时刻20	0.427	0.223

图2给出了负荷预测变化图，图3、图4分别是补偿节点11和17在各个时刻的电容补偿折线图。对比图2和图3、图4可以看出，补偿电容量和负荷变化趋势一致，符合实际情况下负荷过重时补偿加大的原理。

表2给出了该系统优化前后一天的线路总有功损耗：

表2优化前后有功损耗对比

情形	PLoss
		优化前	4.8502
优化后	4.2281

从表2可以看出，通过进行无功补偿，可以减少有功损耗。从长远来看，该方案对于节约能源、保护环境具有重大意义。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、根据从调度自动化数据平台获取的配电网络参数、各节点出力上下限数据，形成数据文件并存储；

步骤2、建立配电网络无功补偿模型，选取该配电网络的各时段各线路总有功损耗作为目标；

步骤3、负荷分段：根据调度处所提供的未来一天配电网络负荷预测数据，将负荷平均分为12段，并认为在每个时段内负荷基本保持不变；然后将所得负荷预测数据进行编辑并存储在网络数据文件中；

步骤4、优化计算：在满足潮流约束条件下，进行配电网无功优化计算；

步骤5、发出控制命令：根据优化计算结果，从迭代所得的变量中选取控制策略值，并通过数据输入/输出接口模块输出给动作单元，从而控制SVC等设备完成调节功能。

2.根据权利要求1所述的一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿系统，其特征在于：所述步骤2建立的配电网络无功补偿模型为：

$f=\min \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{P}_{\mathrm{Loss}}$

式中，P_Loss表示某个时段内配电网络的各线路损耗；n为每天负荷分段数，n取为12；

上述模型中非线性约束条件为：

$\underset{i=2}{\overset{12}{\mathrm{\&Sigma;}}}|C_t-C_{t-2}|\&le;N_{\max }$

式中，C_t为t时刻补偿设备状态值。

3.根据权利要求1所述的一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿系统，其特征在于：所述步骤4潮流约束条件为：

$\left\{\begin{array}{c}{P}_{t,i}=V_{t,i}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_{t,j}(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}}+B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}})\\ Q_{t,i}=V_{t,i}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{V}_{t,j}(G_{\mathrm{ij}}\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}}-B_{\mathrm{ij}}\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ij}})\end{array}\right.$

式中，V_t,i和θ_t,i分别为t时刻节点i的电压幅值和相角，θ_ij＝θ_i—θ_j；G_ij和B_ij为节点导纳矩阵中的i行j列相应元素的实部和虚部；P_ti和Q_ti为节点i在t时刻的节点注入功率；

同时，还需满足如下不等式约束条件：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{t,\min }<V_t<V_{t,\max }\\ {\mathrm{\&theta;}}_{t,\min }<{\mathrm{\&theta;}}_t<{\mathrm{\&theta;}}_{t,\max }\\ 0\&le;C_t<C_{t,\max }\\ T_{k,\min }<T_t<T_{k,\max }\\ P_{G,t,\min }<P_{G,t}<P_{G,t,\max }\\ Q_{G,t,\min }<Q_{G,t}<Q_{G,t,\max }\end{array}\right.t=\mathrm{1,2},...n$

式中，t时刻节点电压V_t、相角θ_t满足上下限约束。

4.根据权利要求1所述的一种使配电网络全天有功损耗最小的电容补偿系统，其特征在于：所述步骤4优化计算的方法为：采用最小化迭代函数来实现时间整体上的无功优化，以获得满足各个约束条件的控制设备动作值，该最小化迭代函数如下：

x＝fmincon(fun,x0,A,b,Aeq,beq,lb,ub,nonlcon,options)

在上式中，将各节点的电压、相角、发电机节点有功、无功作为变量，并赋予上下限范围约束，fun用来定义全天配电网络的有功损耗；等式潮流约束条件被定义在Aeq，beq中；非线性约束条件则体现在nonlcon中。