CN107171322B - 一种含小水电配电网的规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含小水电配电网的规划方法，它包括：输入历史数据，并对历史数据进行分析及预测；建立用户模型与小水电模型；由两种模型形成运行电压的方案，并且对形成的方案进行选择；对运行电压进行电压调整；采用前推回代潮流对枯水期和丰水期的电压水平进行仿真；并计算可靠性和评价指标；选出最优规划方案。本发明具有的有益效果：能够在不同情景下对小水电出力和负荷进行预测；并且能够针对不同的接线方式和不同的补偿设备容量配置的运行情况进行仿真；还能够辨别电压越限情况严重的方案；在此基础上，采用优化算法计算得到综合指标最小的方案作为可行的配电网规划方式。

Description

一种含小水电配电网的规划方法

技术领域

本发明涉及一种配电网规划领域，特别是一种含小水电配电网的规划方法。

背景技术

随着新能源的开发利用力度不断加大，小型水电站作为清洁能源的代表，进行适当开发不仅有解决用电需求的经济效益，还具有推广节能减排，实现可持续发展的环境效益。截至目前，我国已经建立小水电站约5万座，装机容量和发电量达到了75GW和200TWh的水平，在水电装机容量和发电量的25％和20％左右，农村及偏远山区的小水电站开发成为我国新能源的重要开发资源。

对于小水电具有的出力不稳定，季节性明显的特点，可能会造成配电网并网区域电压质量下降，稳定性降低等问题。随着配电网技术的不断发展，，应用主动配电网(ActiveDistribution Network,ADN)，配电网重构(Distribution Network Reconstruction)，无功设备配置等方法，可以有效地解决水电并网所带来的问题。同时，在配电网规划阶段，充分考虑小水电的出力特性，对网架结构进行优化，考虑多种运行方式下的运行结果等。对于合理的线路配置，找到灵活可靠，满足经济性和安全运行具有重要意义。

配电网作为直接面向用户的低压电网，随着以小水电为代表的分布式电源不断接入和渗透率不断提高，其运行方式变得更加复杂。同时，从线路建设费用，电能质量等多个角度作为电网规划的评价指标，来评价方案的优劣并选取合适的方案。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种含小水电配电网的规划方法，能够在不同情景下对小水电出力和负荷进行预测；并且能够针对不同的接线方式和不同的补偿设备容量配置的运行情况进行仿真；还能够辨别电压越限情况严重的方案；在此基础上，采用优化算法计算得到综合指标最小的方案作为可行的配电网规划方式。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种含小水电配电网的规划方法，它包括有：所述方法步骤如下：

S01：输入历史数据，并对历史数据进行分析及预测；

S02：根据小水电的历史运行数据建立小水电模型；

S03：针对用户负荷种类和负荷未来的发展，在历史数据的基础上，根据近期负荷和远期负荷建立用户模型；

S04：根据用户模型与小水电模型形成运行电压要求的方案；

S05：对S04中不满足要求的方案的运行电压进行电压调整；

S06：采用前推回代潮流进行仿真，仿真丰水期高负荷和枯水期低负荷两种条件下的电压水平；

S07：计算可靠性和评价指标，将配电系统的设备中的元件故障所造成的停电损失以附加项的形式加入电压调整中的目标函数。

进一步，所述步骤S01中的历史数据包括：小水电丰水期最大出力为P_max，枯水期最小出力为P_min，用户基本负荷为P₁，未来短期时间内的负荷为K_SP₁，长期内的负荷为K_LP₁，负荷用电最高时刻对应的上限系数为K_Max，用电最低时刻对应的下限系数为K_Min；所述数据分析包括小水电数据分析和负荷数据分析。

进一步，所述步骤S05中的电压调整过程所采用的调压手段依次为：发电机励磁调整、水电并网侧采用无功补偿设备、线路中间串联调压器和线路中间串联调压器；

所述发电机励磁调整发出的无功功率：在丰水期低负荷采用进相运行，发出的无功功率为额定有功功率的1/k_q1，枯水期高负荷采用滞相运行，发出的无功功率为额定有功功率的1/k_q2；k_q1为进相运行下的无功功率系数；k_q2为滞相运行下的无功功率系数；

所述水电并网侧采用无功补偿设备容量的计算方法如下：

感性无功补偿设备的容量计算公式为：

V_kmax-V_limmax＝△v_qQ_kLL_k

容性无功补偿设备的计算公式为：

V_limmin-V_kmin＝△v_qQ_kcL_k

所述线路中间串联调压器：在每段线路1/2处假装串联调压器，其调压范围为额定值的1±2.5％，在丰水期低负荷时1-2.5％，枯水期高负荷1+2.5％；比较线路各处串联调压器后的效果，选取发电机并网节点电压质量最好的作为调压器串联位置；

电压质量的判定指标为：

△V＝|V_e-V_kmin|+|V_kmax-V_e|

其中，V_Kmax为仿真出现的丰水期低负荷节点电压最高值；V_Kmin为仿真出现的枯水期高负荷节点电压最低值；Δv_q为单位长度线路传输单位无功功率所引起的压降，L_K为主干节点到并网节点的距离，Q_kL和Q_kC分别为投入的感性无功和容性无功容量；V_e为额定电压，ΔV越小说明电压质量越高；V_limmax和V_limmin分别为该节点电压上限和下限值。

进一步，步骤S06中前推回代潮流中支路ij有功功率和无功功率损耗有下关系：

在上述求得的首末端功率分布和根节点电压基础上，由如下关系：

仿真易出现电压下降的情景，即丰水期高负荷和枯水期低负荷两种条件下的电压水平；

其中，e_i为各个节点i电压的实部；f_i为各个节点i电压的虚部；r_ij为支路ij电阻；x_ij为支路电抗；P_i为i节点负荷的有功功率；Q_i为i节点负荷的无功功率；根节点电压为e_i+jf_i；首末端功率分布为P_i，Q_i，P_j，Q_j。

进一步，步骤S07中所述的可靠性和评价指标计算过程为：

电网元件利用两状态模型描述，对于状态的持续时间满足指数分布：

F(T)＝1-e_i ^-λT

将停电损失造成的费用作为评价指标的一部分加以修正，和经济性指标一起，表达式为：

其中，T为故障发生的时间；λ为各类元件服从的时间分布系数；Z为电网建设规划的总费用，包含电网建设投资C₁，电网运行费用C₂以及缺电成本费用C₃；α_i为电网结构优化变量，β_i为电网运行优化变量，γ为可靠系数，根据可靠性要求一般取大于1的数；R_i为第i个目标年的电网建设计划。

进一步，步骤S07中还包括有评价指标的修正，在采用无功补偿措施后各种运行方式下电压均处于95％～105％范围内的方案，评价指标增加修正项△C₁、△C₂和△C₃，评价指标的修正公式如下：

上述公式为对产生的附加运行费用、附加设备费用、附加设备与运行方式所可能产生的停电进行缺点成本修正；

其中，△C₁为设备费用修正值；△C₂为运行费用修正值；△C₃为缺点成本修正。

进一步，步骤S04中的方案选择包括选择指标参数Z最好的作为可行方案；对于与指标参数Z相同的方案，对丰水期低负荷和枯水期低负荷两种运行方式下的电压水平进行评价，采用△V＝|V_e-V_kmin|+|V_kmax-V_e|进行评价；

其中，V_Kmax为丰水期低负荷节点电压最高值；V_Kmin为枯水期高负荷节点电压最低值；V_e为额定电压，ΔV越小说明电压质量越高；△V较小则作为优先方案。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：能够在不同情景下对小水电出力和负荷进行预测；并且能够针对不同的接线方式和不同的补偿设备容量配置的运行情况进行仿真；还能够辨别电压越限情况严重的方案；在此基础上，采用优化算法计算得到综合指标最小的方案作为可行的配电网规划方式。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的整体流程图。

图2为本发明的电压调整流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：如图1和图2所示；一种含小水电配电网的规划方法，它包括有：方法步骤如下：

S01：输入历史数据，并对历史数据进行分析及预测；

S02：根据小水电的历史运行数据建立小水电模型；

S03：针对用户负荷种类和负荷未来的发展，在历史数据的基础上，根据近期负荷和远期负荷建立用户模型；

S04：根据用户模型与小水电模型形成运行电压要求的方案；

S05：对S04中不满足要求的方案的运行电压进行电压调整；

S06：采用前推回代潮流进行仿真，仿真丰水期高负荷和枯水期低负荷两种条件下的电压水平；

S07：计算可靠性和评价指标，将配电系统的设备中的元件故障所造成的停电损失以附加项的形式加入电压调整中的目标函数。

步骤S01中的历史数据包括：小水电丰水期最大出力为P_max，枯水期最小出力为P_min，用户基本负荷为P₁，未来短期时间内的负荷为K_SP₁，长期内的负荷为K_LP₁，负荷用电最高时刻对应的上限系数为K_Max，用电最低时刻对应的下限系数为K_Min；数据分析包括小水电数据分析和负荷数据分析。

对于满足条件的电网改建规划方案，若在丰水期低负荷和枯水期高负荷两种情景存在电压越限的情况，采用以下方法进行电压调整：步骤S05中的电压调整过程所采用的调压手段依次为：发电机励磁调整、水电并网侧采用无功补偿设备、线路中间串联调压器和线路中间串联调压器；

S051：发电机励磁调整发出的无功功率：在丰水期低负荷采用进相运行，发出的无功功率为额定有功功率的1/k_q1，枯水期高负荷采用滞相运行，发出的无功功率为额定有功功率的1/k_q2；k_q1为进相运行下的无功功率系数；k_q2为滞相运行下的无功功率系数。当调节后在丰水期低负荷和枯水期低负荷两种情境下，各个节点的电压范围处于额定值的95％～105％外则进入下一步骤S052，处于范围内则进行步骤S07的指标评价。

S052：水电并网侧采用无功补偿设备：包括感性无功补偿设备和容性无功补偿设备，典型代表为晶闸管控并联电感(TCR)和晶闸管控并联电容(TCS)，补偿容量采用下方法计算：

根据线路的等效电路，首端电压U₁和末端电压U₂满足关系：

其中，P₂、Q₂为线路末端负荷的有功无功需求，R、X为线路的等效电阻、电抗，△U、δU分别为电压降落的纵分量、横分量。线路的电抗X>>R，发电机端电压维持不变情况下，随着发电机输送功率增大电压不断升高，电压最高出现在丰水期(发电机功率最大)低负荷(用户用电最小)情况下，而电压最低出现在枯水期高负荷情况下，对这两种方式进行仿真潮流计算可以得到出现的节点电压最高值V_Kmax和V_Kmin。

水电并网侧采用无功补偿设备容量的计算方法如下：

感性无功补偿设备的容量计算公式为：

V_kmax-V_limmax＝△v_qQ_kLL_k

容性无功补偿设备的计算公式为：

V_limmin-V_kmin＝△v_qQ_kcL_k

线路中间串联调压器：在每段线路1/2处假装串联调压器，其调压范围为额定值的1±2.5％，在丰水期低负荷时1-2.5％，枯水期高负荷1+2.5％；比较线路各处串联调压器后的效果，选取发电机并网节点电压质量最好的作为调压器串联位置；

电压质量的判定指标为：

△V＝|V_e-V_kmin|+|V_kmax-V_e|

其中，V_Kmax为仿真出现的丰水期低负荷节点电压最高值；V_Kmin为仿真出现的枯水期高负荷节点电压最低值；Δv_q为单位长度线路传输单位无功功率所引起的压降，L_K为主干节点到并网节点的距离，Q_kL和Q_kC分别为投入的感性无功和容性无功容量；V_e为额定电压，ΔV越小说明电压质量越高；V_limmax和V_limmin分别为该节点电压上限和下限值。

考虑到小水电运行方式的变化以及变压器的无功损耗，集中吸纳方式下，并联配置容量上限一般低于主干线小水电容量30％。当调节后在丰水期低负荷和枯水期低负荷两种情境下，各个节点的电压范围处于额定值的95％～105％外则进入步骤S053，处于范围内则进行步骤S07的指标评价。

S053：线路中间串联调压器；分别在每段线路1/2处假装串联调压器，其调压范围为额定值的1±2.5％，在丰水期低负荷时1-2.5％，枯水期高负荷1+2.5％。比较线路各处串联调压器后的效果，选取发电机并网节点电压质量最好的作为调压器串联位置。电压质量的判定指标为：

△V＝|V_e-V_kmin|+|V_kmax-V_e|

其中，V_e为额定电压，ΔV越小说明电压质量越高。当调节后在丰水期低负荷和枯水期低负荷两种情境下，各个节点的电压范围处于额定值的95％～105％外则加以排除。

针对形成的电网改造建设方案，仿真易于出现电压质量下降的情景(丰水期高负荷和枯水期低负荷两种)下的电压水平，对结果进行分析，对于明显超出范围的方案进行排除。潮流仿真采用前推回代潮流，步骤S06中前推回代潮流中支路ij有功功率和无功功率损耗有下关系：

在上述求得的首末端功率分布和根节点电压基础上，由如下关系：

仿真易出现电压下降的情景，即丰水期高负荷和枯水期低负荷两种条件下的电压水平；

其中，e_i为各个节点i电压的实部；f_i为各个节点i电压的虚部；r_ij为支路ij电阻；x_ij为支路电抗；P_i为i节点负荷的有功功率；Q_i为i节点负荷的无功功率；根节点电压为e_i+jf_i；首末端功率分布为P_i，Q_i，P_j，Q_j。

二者交替迭代，直到满足了收敛条件停止。对于方案是否满足合格的方案电压条件为：各个节点的电压范围为额定值的95％～105％，处于该范围外为电压不合格。对于严重不合格方案的电压判别条件为：存在节点电压范围低于85％或高于115％，则判断为严重电压不合格发难，直接排除。

步骤S07中的可靠性和评价指标计算过程为：对于配电系统的设备如变压器，馈线，分支线等元件，利用两状态模型描述，即工作状态和故障状态，并且对于状态的持续时间满足指数分布，累积概率分布函数为：

F(T)＝1-e_i ^-λT

在此基础上，计算得到停电的预期时间，将停电损失造成的费用作为评价指标的一部分加以修正，和经济性指标一起，表达式为：

其中，T为故障发生的时间；λ为各类元件服从的时间分布系数；Z为电网建设规划的总费用，包含电网建设投资C₁，电网运行费用C₂以及缺电成本费用C₃；α_i为电网结构优化变量，β_i为电网运行优化变量，γ为可靠系数，根据可靠性要求一般取大于1的数；R_i为第i个目标年的电网建设计划。

步骤S07中还包括有评价指标的修正，在采用无功补偿措施后各种运行方式下电压均处于95％～105％范围内的方案，评价指标增加修正项△C₁、△C₂和△C₃，评价指标的修正公式如下：

上述公式为对产生的附加运行费用、附加设备费用、附加设备与运行方式所可能产生的停电进行缺点成本修正；

其中，△C₁为设备费用修正值；△C₂为运行费用修正值；△C₃为缺点成本修正。

步骤S04中的方案选择包括选择指标参数Z最好的作为可行方案；对于与指标参数Z相同的方案，对丰水期低负荷和枯水期低负荷两种运行方式下的电压水平进行评价，采用△V＝|V_e-V_kmin|+|V_kmax-V_e|进行评价；

其中，V_Kmax为丰水期低负荷节点电压最高值；V_Kmin为枯水期高负荷节点电压最低值；V_e为额定电压，ΔV越小说明电压质量越高；△V较小则作为优先方案。

本发明具有的有益效果：能够在不同情景下对小水电出力和负荷进行预测；并且能够针对不同的接线方式和不同的补偿设备容量配置的运行情况进行仿真；还能够辨别电压越限情况严重的方案；在此基础上，采用优化算法计算得到综合指标最小的方案作为可行的配电网规划方式。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种含小水电配电网的规划方法，其特征在于：所述方法步骤如下：

S01：输入历史数据，并对历史数据进行分析及预测；

S02：根据小水电的历史运行数据建立小水电模型；

S03：针对用户负荷种类和负荷未来的发展，在历史数据的基础上，根据近期负荷和远期负荷建立用户模型；

S04：根据用户模型与小水电模型形成运行电压要求的方案；

S05：对S04中不满足要求的方案的运行电压进行电压调整；

S06：采用前推回代潮流进行仿真，仿真丰水期高负荷和枯水期低负荷两种条件下的电压水平；

S07：计算可靠性和评价指标，将配电系统的设备中的元件故障所造成的停电损失以附加项的形式加入电压调整中的目标函数；

步骤S06中前推回代潮流中支路ij有功功率和无功功率损耗有下关系：

在上述求得的首末端功率分布和根节点电压基础上，由如下关系：

仿真易出现电压下降的情景，即丰水期高负荷和枯水期低负荷两种条件下的电压水平；

其中，e_i为各个节点i电压的实部；f_i为各个节点i电压的虚部；r_ij为支路ij电阻；x_ij为支路电抗；P_i为i节点负荷的有功功率；Q_i为i节点负荷的无功功率；根节点电压为e_i+j f_i；首末端功率分布为P_i，Q_i，P_j，Q_j；

步骤S07中所述的可靠性和评价指标计算过程为：

电网元件利用两状态模型描述，对于状态的持续时间满足指数分布：

F(T)＝1-e_i ^-λT

将停电损失造成的费用作为评价指标的一部分加以修正，和经济性指标一起，表达式为：

其中，T为故障发生的时间；λ为各类元件服从的时间分布系数；Z为电网建设规划的总费用，包含电网建设投资C₁，电网运行费用C₂以及缺电成本费用C₃；α_i为电网结构优化变量，β_i为电网运行优化变量，γ为可靠系数，根据可靠性要求一般取大于1的数；R_i为第i个目标年的电网建设计划。

2.如权利要求1所述的含小水电配电网的规划方法，其特征在于：所述步骤S01中的历史数据包括：小水电丰水期最大出力为P_max，枯水期最小出力为P_min，用户基本负荷为P₁，未来短期时间内的负荷为K_SP₁，长期内的负荷为K_LP₁，负荷用电最高时刻对应的上限系数为K_Max，用电最低时刻对应的下限系数为K_Min；所述数据分析包括小水电数据分析和负荷数据分析。

3.如权利要求1所述的含小水电配电网的规划方法，其特征在于：所述步骤S05中的电压调整过程所采用的调压手段依次为：发电机励磁调整、水电并网侧采用无功补偿设备、线路中间串联调压器和线路中间串联调压器；

所述发电机励磁调整发出的无功功率：在丰水期低负荷采用进相运行，发出的无功功率为额定有功功率的1/k_q1，枯水期高负荷采用滞相运行，发出的无功功率为额定有功功率的1/k_q2；k_q1为进相运行下的无功功率系数；k_q2为滞相运行下的无功功率系数；

所述水电并网侧采用无功补偿设备容量的计算方法如下：

感性无功补偿设备的容量计算公式为：

V_kmax-V_limmax＝Δv_qQ_kLL_k

容性无功补偿设备的计算公式为：

V_limmin-V_kmin＝Δv_qQ_kcL_k

所述线路中间串联调压器：在每段线路1/2处假装串联调压器，其调压范围为额定值的1±2.5％，在丰水期低负荷时1-2.5％，枯水期高负荷1+2.5％；比较线路各处串联调压器后的效果，选取发电机并网节点电压质量最好的作为调压器串联位置；

电压质量的判定指标为：

ΔV＝|V_e-V_kmin|+|V_kmax-V_e|

其中，V_Kmax为仿真出现的丰水期低负荷节点电压最高值；V_Kmin为仿真出现的枯水期高负荷节点电压最低值；Δv_q为单位长度线路传输单位无功功率所引起的压降，L_K为主干节点到并网节点的距离，Q_kL和Q_kC分别为投入的感性无功和容性无功容量；V_e为额定电压，ΔV越小说明电压质量越高；V_limmax和V_limmin分别为该节点电压上限和下限值。

4.如权利要求1所述的含小水电配电网的规划方法，其特征在于：步骤S07中还包括有评价指标的修正，在采用无功补偿措施后各种运行方式下电压均处于95％～105％范围内的方案，评价指标增加修正项△C₁、△C₂和△C₃，评价指标的修正公式如下：

上述公式为对产生的附加运行费用、附加设备费用、附加设备与运行方式所可能产生的停电进行缺点成本修正；

其中，△C₁为设备费用修正值；△C₂为运行费用修正值；△C₃为缺点成本修正。

5.如权利要求1所述的含小水电配电网的规划方法，其特征在于：步骤S04中的方案选择包括选择指标参数Z最好的作为可行方案；对于与指标参数Z相同的方案，对丰水期低负荷和枯水期低负荷两种运行方式下的电压水平进行评价，采用ΔV＝|V_e-V_Kmin|+|V_Kmax-V_e|进行评价；

其中，V_Kmax为丰水期低负荷节点电压最高值；V_Kmin为枯水期高负荷节点电压最低值；V_e为额定电压，ΔV越小说明电压质量越高；△V较小则作为优先方案。

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