CN105119279A - 一种分布式电源规划方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式电源规划方法及其系统，该方法包括以下步骤：对配电网建模并进行潮流计算；计算每条支路的电压稳定指数VSI；根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置；对目标函数寻找最优解，确定分布式电源的最佳容量。本发明分别确定分布式电源的最佳接入位置和最佳接入容量，提高了配电网电压稳定性和降低系统的网络损耗。

Description

一种分布式电源规划方法及其系统

技术领域

本发明涉及分布式电源技术领域，特别涉及一种基于电压稳定指数和网损最优的分布式电源规划方法，通过分别确定分布式电源的最佳接入位置和最佳接入容量，旨在提高配电网电压稳定性和降低系统的网络损耗。

背景技术

近年来，分布式电源的研究与利用引起越来越多的关注。与传统发电相比，分布式电源属于可再生能源。将分布式电源并入大电网被认为是节省投资、降低损耗、提高电力系统稳定性和灵活性的主要方式。但分布式电源的接入，改变了传统电网的运行模式，若接入位置及容量不当，不仅会增加电网的损耗，还会降低电网运行的可靠性。因此，对分布式电源实施优化规划显得十分重要。

因此，对分布式电源实施优化规划显得十分重要。目前，国内外学者提出不同的算法来解决分布式电源的规划问题。这些方法要么基于某种分析工具要么基于某种优化算法。有的学者提出简单的搜索算法来确定分布式电源的最佳接入位置和最佳容量，但这种算法很花费时间；有的学者提出用遗传算法来确定分布式电源最佳接入位置，但遗传算法在计算速度和收敛速度上很慢，只适用于多目标函数的优化。

因此，如何将上述技术问题加以解决，即为本领域技术人员的研究方向所在。

发明内容

本发明的目的是提供一种分布式电源规划方法及其系统，通过提出一种新的电压稳定指数，然后基于电压稳定指数和系统网络电能损耗最优来进行分布式电源的最优配置，从而提高配电网电压稳定性和降低系统的网络损耗。

为了达到上述目的，本发明提供一种分布式电源规划方法，其包括以下步骤：

建立配电网模型，并进行潮流计算；

计算配电网每条支路的电压稳定指数VSI；

根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置；

对目标函数寻找最优解，确定分布式电源的最佳容量。

较佳的实施方式，建立配电网模型并进行潮流计算步骤是通过在gridlab-d程序中建立配电网模型，并在gridlab-d程序中进行潮流计算，记录输出系统每个节点的电压幅值和相角大小。

较佳的实施方式，通过公式 $VSI=\sqrt[2]{{\left(\frac{4r_{ij}(P_L-P_G)}{{\[\left|V_i\right|\cos \left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ}\right)\]}^2}\right)}^2+{\left(\frac{4x_{ij}\left(Q_L-Q_G\right)}{{\[\left|V_i\right|\sin \left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ}\right)\]}^2}\right)}^2}$ 计算配电网每条支路的电压稳定指数，其中：i是支路的始节点，j是支路的尾节点，P_L、Q_L分别是j节点上的有功负荷和无功负荷，P_G、Q_G分别是配置在j节点的分布式电源发出的有功功率和无功功率，θ是支路阻抗角，δ是支路始端节点与尾节点电压相角差。

较佳的实施方式，根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置包括如下子步骤：

将各支线路按VSI的大小排序，寻找VSI值最大的支路；

如果某条支路的VSI值最大，将分布式电源配置在支路尾节点上。

较佳的实施方式，当配置多个分布式电源，根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置包括如下子步骤：

顺序确定分布式电源的接入位置和容量；

配置后一个分布式电源时，考虑前一个分布式电源的影响，对系统各支路的VSI值重新计算；

按照VSI值的大小排序，找到VSI值最大的支路，将分布式电源配置在此支路的尾节点上。

较佳的实施方式，对目标函数寻找最优解，确定分布式电源的最佳容量步骤包括如下子步骤：

在支路尾节点配置分布式电源的接入容量大小从0％S_L变化到100％S_L，选取步长，S_L是系统总的负荷容量；

用一般搜索算法在满足电压约束条件的情况下，对目标函数寻找最优解，寻找到最小电能损耗；

所述目标函数是系统总的电能损耗最小，最小电能损耗所对应的接入容量为分布式电源的最佳容量。

较佳的实施方式，步长选为1％S_L。

较佳的实施方式，所述目标函数为： $Min\{S_{loss}={\mathrm{\Σ}}_{i=1,j=2}^n{V}_i{I}_i^{*}-V_j{I}_j^{*}\}i\≠j,$ 其中:i是支路的始节点，j是支路的尾节点，n是节点个数，S_loss为目标函数。

较佳的实施方式，还包括检查电压是否符合约束步骤，电压约束条件为：|V_k|≤1±0.05puk＝1,2,…...n，其中:k是节点号，n是节点的个数，pu代表标幺值。

为了达到上述目的，本发明还提供一种分布式电源规划系统，其包括：

建模及潮流计算模块，其用于建立配电网模型，并进行潮流计算；

电压稳定指数计算模块，其用于计算配电网每条支路的电压稳定指数VSI；

最佳接入位置确定模块，其根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置；以及

最佳容量确定模块，其对目标函数寻找最优解，确定分布式电源的最佳容量。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明提出一种基于电压稳定指数和网损最优的分布式电源规划方法，分别确定分布式电源的最佳接入位置和最佳接入容量,可以提高配电网电压稳定性和降低系统的网络损耗。

在分析配电网电压稳定性时，同时考虑节点处的有功和无功负荷，提出电压稳定指数来表示电压稳定性，使得系统电压稳定性更直观，更容易确定分布式电源的最佳接入位置。

在对分布式电源优化配置时，全面的考虑了电能损耗的优化和分布式电源无功率的提供，更加贴近实际情况。

在对分布式电源优化配置时，本发明的方法更简单，需要的计算时间更少。

附图说明

图1为本发明一种分布式电源规划方法流程图；

图2本发明提出的电压稳定指数的推导示例图；

图3为本发明一种分布式电源规划方法一实施例流程示意图；

图4为本发明一种分布式电源规划的系统框图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明不限于此。

如图1所示，为本发明一种分布式电源规划方法流程图，本发明的一种分布式电源规划方法包括以下步骤：

步骤S1：建立配电网模型，并进行潮流计算；此步骤具体是根据配电网的拓扑结构，电压等级，各支路的线路阻抗和负荷大小在gridlab-d程序中建立配电网模型，并在gridlab-d程序中使用牛顿拉夫逊法或者前推回代法进行潮流计算，记录输出系统每个节点的电压幅值和相角大小。

步骤S2：计算配电网每条支路的电压稳定指数VSI(voltagestabilityindex)；此步骤是通过公式计算配电网每条支路的电压稳定指数VSI，首先配合图2对提出的电压稳定指数VSI作进一步的说明，电压稳定指数VSI用于确定系统中最关键母线的位置，随着负荷增加超过一定的限度，该母线可能使系统电压失去稳定性。所以基于电压稳定指数VSI，可以寻找到分布式电源的最佳接入位置。请参阅图2，以二节点系统为例推导得出电压稳定指数VSI。在图2中，V_i、δ_i分别是支路始端节点的电压幅值和相角；V_j、δ_j分别是支路末端节点的电压和相角；|Z|、θ是支路阻抗幅值和阻抗角；r_ij、x_ij分别是支路的电阻和电抗；P_L、Q_L分别是支路负荷的有功部分和无功部分；P_G、Q_G分别是分布式电源的有功出力和无功出力。具体推导如下：

$S_L=P_L+{\mathrm{jQ}}_L=V_j{I}_j^{*}---\left(1\right)$

其中，S_L是支路负荷；P_L、Q_L分别是支路负荷的有功部分和无功部分；V_j是支路末端节点电压，I_j是支路电流。

V_j＝V_i-I_jZ(2)

V_i是支路始端节点电压；Z是支路阻抗。

由公式(2)得到：

$I_j=\frac{P_L-{\mathrm{jQ}}_L}{V_j^{*}}---\left(3\right)$

加入分布式电源后得到：

$I_j=\frac{(P_L-P_G)-j(Q_L-Q_G)}{V_j^{*}}---\left(4\right)$

P_G、Q_G分别是分布式电源的有功出力和无功出力。

将公式(4)带入公式(2)，可以分别得到实部和虚部:

$P_L-P_G=\frac{\left|V_j\right|\left|V_i\right|}{Z}cos(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\δ}}_i+{\mathrm{\δ}}_j)-\frac{|V_j{|}^2}{Z}cos\left(\mathrm{\θ}\right)---\left(5\right)$

$Q_L-Q_G=\frac{\left|V_j\right|\left|V_i\right|}{Z}sin(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\δ}}_i+{\mathrm{\δ}}_j)-\frac{|V_j{|}^2}{Z}sin\left(\mathrm{\θ}\right)---\left(6\right)$

重新组织公式(5)(6)得:

$|V_j{|}^2-\frac{\left|V_j\right|\left|V_i\right|cos(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})}{cos\left(\mathrm{\θ}\right)}+\frac{Z(P_L-P_G)}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}=0---\left(7\right)$

$|V_j{|}^2-\frac{\left|V_j\right|\left|V_i\right|sin(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ})}{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}+\frac{Z(Q_L-Q_G)}{sin\left(\mathrm{\θ}\right)}=0---\left(8\right)$

其中δ＝δ_i-δ_j,θ是支路阻抗角。

对于稳态的节点电压，(7)(8)应有实数解，所以B²-4AC>0,即分别得Δ(P)和Δ(Q):

$\mathrm{\Δ}\left(P\right)=\frac{4r_{ij}(P_L-P_G)}{{\[\left|V_i\right|\cos \left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ}\right)\]}^2}\≤1---\left(9\right)$

$\mathrm{\Δ}\left(Q\right)=\frac{4x_{ij}(Q_L-Q_G)}{{\[\left|V_i\right|\sin \left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ}\right)\]}^2}\≤1---\left(10\right)$

此时可以得到电压稳定指数VSI:

$VSI=\sqrt[2]{\mathrm{\Δ}{\left(P\right)}^2+\mathrm{\Δ}{\left(Q\right)}^2}---\left(11\right)$

在系统稳定运行情况下，VSI值越接近0，则系统电压就越稳定，反之VSI越大系统电压就越不稳定。

以上是以二节点系统为例推导出电压稳定指数VSI，上述推导公式可用于二节点系统，也可用于多节点系统，电压稳定指数的公式不变。如果是多节点系统，图2中所示的V_i、V_j分别是多节点系统某一支路始端和末端节点的电压，就是说两节点系统是多节点系统的某一支路。因此，多节点系统电压稳定指数VSI的公式为：

$VSI=\sqrt[2]{{\left(\frac{4r_{ij}(P_L-P_G)}{{\[\left|V_i\right|\cos \left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ}\right)\]}^2}\right)}^2+{\left(\frac{4x_{ij}\left(Q_L-Q_G\right)}{{\[\left|V_i\right|\sin \left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ}\right)\]}^2}\right)}^2}---\left(12\right)$

其中：i是支路的始节点，j是支路的尾节点，P_L、Q_L分别是j节点上的有功负荷和无功负荷，P_G、Q_G分别是配置在j节点的分布式电源发出的有功功率和无功功率，θ是支路阻抗角，δ＝δ_i-δ_j，支路始端节点与尾节点电压相角差。

步骤S3：根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置；其是将各支线路按VSI的大小排序，寻找VSI值最大的支路。由电压稳定指数VSI推导过程公式(7),(8)可以看出，公式(7),(8)都是关于|V_j|的方程，所以求出的电压稳定指数VSI值代表的是支路尾节点电压稳定的大小。所以如果某条支路的VSI值最大，分布式电源应该配置在支路尾节点上。因此，假设i-j(i是支路的始节点，j是支路的尾节点)支路的VSI值最大，那么分布式电源的最佳接入位置应该配置在j节点上。

如果要考虑配置多个分布式电源，需要一个一个顺序的确定分布式电源的接入位置和容量，第二个分布式电源在配置时，应考虑到第一个分布式电源对系统各节点VSI值的影响，由于接入第一个分布式电源后，系统各节点的电压幅值和相角、分布式电源接入处负荷的大小(S′_L＝S_L-S_G1)都发生了变化，所以在配置第二个分布式电源时，系统各支路的VSI值要重新计算，按照VSI值的大小排序，找到VSI值最大的支路，将分布式电源配置在此支路的尾节点上。同理，在考虑第三个，第四个以后的分布式电源时也是一样的过程。

步骤S4：对目标函数寻找最优解，确定分布式电源的最佳容量；在分布式电源的最佳接入位置确定的情况下，比如说j节点。在j节点接入分布式电源，接入容量大小从0％S_L变化到100％S_L，步长选为1％S_L，S_L是系统总的负荷容量。其中，分布式电源最佳容量比系统总负荷容量要小，在此方法中步长取1％，也可以取更小，但计算时间也会变长。分布式电源的容量和系统网损呈抛物线关系，先减小再增大，用一般搜索算法在满足下述电压约束条件的情况下，对目标函数寻找最优解，从而确定分布式电源的最佳容量。其中，目标函数的确定如下述公式所示，将系统中每条支路的损耗相加就得到了系统总的电能损耗，目标函数就是系统总的电能损耗最小。接入容量从0％S_L变化到100％S_L，不同的接入容量都对应着不同的电能损耗，寻找到最小电能损耗此时所对应的接入容量就是分布式电源的最佳容量。目标函数的最优解即最小电能损耗，它所对应的接入容量就是分布式电源的最佳容量。

目标函数S_loss：

$Min\{S_{loss}={\mathrm{\Σ}}_{i=1,j=2}^n{V}_i{I}_i^{*}-V_j{I}_j^{*}\}i\≠j$

电压约束：

|V_k|≤1±0.05puk＝1,2,…...n

其中:i是支路的始节点，j是支路的尾节点，k是节点号，n是节点个数。

此实施例的是当最佳接入位置是支路的尾节点(j)，也可以是其他节点，目标函数以及求解方法都是不变的。

如图3所示，为本发明一种分布式电源规划方法一实施例流程示意图，该图以两节点系统为例，也可以用于多节点系统，在应用多节点系统时，将两节点系统作为多节点系统的某一支路，现配合图3将本发明的分布式电源规划方法的步骤进行详细说明：

首先，建立配电网模型，并在gridlab-d程序中进行潮流计算，记录输出系统每个节点的电压幅值和相角大小；

通过上述公式(12)计算配电网每条支路的电压稳定指数VSI；

将各支线路按VSI的大小排序，寻找VSI值最大的支路，假设i-j支路的VSI值最大，那么分布式电源应该配置在j节点；

接入j节点的分布式电源的接入容量S_dg＝0，并设定步长S_Z；

判断分布式电源的接入容量S_dg是否0％S_L在100％S_L之间，如果是继续下述步骤，如果否，从存储数据中找到的网损最小的S_dg，继续执行将S_dg作为分布式电源最佳容量步骤；

潮流计算并得出系统总网损L_iter；

对应每个接入容量S_dg，记录保存L_iter；

判断L_iter是否小于L_iter-1，如果是，增加步长，执行判断分布式电源的接入容量S_dg是否0％S_L在100％S_L之间步骤，如果否,将S_dg作为分布式电源最佳容量；

检查电源是否符合约束，如果符合，分布式电源优化配置结束，如果不符合，从存储数据中找到网损次小的S_dg，继续执行S_dg作为分布式电源最佳容量步骤，再次检测电压是否符合约束，如此循环直到找到符合电压约束的分布式电源容量，然后分布式电源优化配置结束。

图4为本发明一种分布式电源规划系统框图。本发明还包括一种分布式电源规划的系统，该系统是一种基于电压稳定指数和网损最优的分布式电源规划系统，该系统应用于上述基于电压稳定指数和网损最优的分布式电源规划方法中，该系统包括建模及潮流计算模块、电压稳定指数计算模块、最佳接入位置确定模块以及最佳容量确定模块，其中：

所述建模及潮流计算模块，用于建立配电网模型，并进行潮流计算；

所述电压稳定指数计算模块，用于计算配电网每条支路的电压稳定指数VSI；

所述最佳接入位置确定模块，根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置；以及

所述最佳容量确定模块，对目标函数寻找最优解，确定分布式电源的最佳容量。

综上所述，本发明的一种基于电压稳定指数和网损最优的分布式电源规划方法通过提出一种新的电压稳定指数，然后基于电压稳定指数和系统网络电能损耗最优来进行分布式电源的最优配置，具有以下有益效果：

通过分别确定分布式电源的最佳接入位置和最佳接入容量,可以提高配电网电压稳定性和降低系统的网络损耗。

在分析配电网电压稳定性时，同时考虑节点处的有功和无功负荷，提出电压稳定指数来表示电压稳定性，使得系统电压稳定性更直观，更容易确定分布式电源的最佳接入位置。

在分布式电源优化配置时，全面的考虑了电能损耗的优化和分布式电源无功率的提供，更加贴近实际情况。

在对分布式电源优化配置时，此方法更简单，需要的计算时间更少。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式电源规划方法，其特征在于，其包括以下步骤：

建立配电网模型，并进行潮流计算；

计算配电网每条支路的电压稳定指数VSI；

根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置；

对目标函数寻找最优解，确定分布式电源的最佳容量。

2.根据权利要求1所述的一种分布式电源规划方法，其特征在于：建立配电网模型并进行潮流计算步骤是通过在gridlab-d程序中建立配电网模型，并在gridlab-d程序中进行潮流计算，记录输出系统每个节点的电压幅值和相角大小。

3.根据权利要求2所述的一种分布式电源规划方法，其特征在于：

通过公式 $VSI=\sqrt[2]{{\left(\frac{4r_{ij}(P_L-P_G)}{{\[\left|V_i\right|\cos \left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ}\right)\]}^2}\right)}^2+{\left(\frac{4x_{ij}\left(Q_L-Q_G\right)}{{\[\left|V_i\right|\sin \left(\mathrm{\θ}-\mathrm{\δ}\right)\]}^2}\right)}^2}$ 计算配电网每条支路的电压稳定指数，其中：i是支路的始节点，j是支路的尾节点，P_L、Q_L分别是j节点上的有功负荷和无功负荷，P_G、Q_G分别是配置在j节点的分布式电源发出的有功功率和无功功率，θ是支路阻抗角，δ是支路始端节点与尾节点电压相角差。

4.根据权利要求3所述的一种分布式电源规划方法，其特征在于：根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置包括如下子步骤：

将各支线路按VSI的大小排序，寻找VSI值最大的支路；

如果某条支路的VSI值最大，将分布式电源配置在支路尾节点上。

5.根据权利要求4所述的一种分布式电源规划方法，其特征在于：当配置多个分布式电源，根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置包括如下子步骤：

顺序确定分布式电源的接入位置和容量；

配置后一个分布式电源时，考虑前一个分布式电源的影响，对系统各支路的VSI值重新计算；

按照VSI值的大小排序，找到VSI值最大的支路，将分布式电源配置在此支路的尾节点上。

6.根据权利要求4或5所述的一种分布式电源规划的方法，其特征在于：对目标函数寻找最优解，确定分布式电源的最佳容量步骤包括如下子步骤：

在支路尾节点配置分布式电源的接入容量大小从0％S_L变化到100％S_L，选取步长，S_L是系统总的负荷容量；

用一般搜索算法在满足电压约束条件的情况下，对目标函数寻找最优解，寻找到最小电能损耗；

所述目标函数是系统总的电能损耗最小，最小电能损耗所对应的接入容量为分布式电源的最佳容量。

7.根据权利要求6所述的一种分布式电源规划方法，其特征在于：步长选为1％S_L。

8.根据权利要求6所述的一种分布式电源规划方法，其特征在于：所述目标函数为： $Min\{S_{loss}={\mathrm{\Σ}}_{i=1,j=2}^n{V}_i{I}_i^{*}-V_j{I}_j^{*}\}i\≠j,$ 其中:i是支路的始节点，j是支路的尾节点，n是节点个数，S_loss为目标函数。

9.根据权利要求6所述的一种分布式电源规划方法，其特征在于：还包括检查电压是否符合约束步骤，电压约束条件为：|V_k|≤1±0.05puk＝1,2,…...n，其中:k是节点号，n是节点个数，pu代表标幺值。

10.一种分布式电源规划系统，其特征在于，其包括：

建模及潮流计算模块，其用于建立配电网模型，并进行潮流计算；

电压稳定指数计算模块，其用于计算配电网每条支路的电压稳定指数VSI；

最佳接入位置确定模块，其根据各条支路的VSI确定分布式电源的最佳接入位置；以及

最佳容量确定模块，其对目标函数寻找最优解，确定分布式电源的最佳容量。