CN107341623A - 一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法 - Google Patents

一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法 Download PDF

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韩丰
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Abstract

本发明涉及一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其步骤：根据选定的配电系统，输入配电系统结构及参数初始值；依据配电系统结构及参数初始值，建立计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛划分模型；采用原对偶内点法对有源配电网源储荷孤岛划分模型进行求解；输出求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、分布式电源的运行策略、储能系统的充放电功率值、储能系统的荷电状态、分段开关及联络开关开断状态。本发明能有效解决有源配电网孤岛划分问题，全面提高配电系统供电可靠性。

Description

一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法
技术领域
本发明涉及一种有源配电网源储荷孤岛运行方法，特别是涉及一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法。
背景技术
智能配电系统自愈控制是智能电网体系的关键环节。其中，采用分布式电源(distributed generator，DG)实现配电系统孤岛运行是自愈控制的核心技术。随着配电系统中分布式电源的渗透率越来越高，在配电系统故障情况下，可以形成以可控分布式电源为主电源的电力孤岛，从而恢复部分重要负荷，将极大地提高配电系统的供电可靠性。同时，储能系统(energy storage system，ESS)通过其在时间上对能量的转移，可以有效地降低由于分布式电源出力间歇性和随机性所带来的影响，并参与配电系统潮流调节和优化，提高配电系统运行的经济性和可靠性。在配电系统故障情况下，通过与分布式电源的协调配合，将全面改善配电系统负荷恢复水平。故障发生后，受限于分布式电源、储能系统的容量，系统中的失电负荷往往不能全部恢复，通过网络重构改变网络结构，调整配电系统运行方式，优化电源与负荷的配合方案，提高分布式电源利用率，进一步提高配电系统负荷恢复水平。
发明内容
针对上述有源配电网孤岛划分问题，本发明的目的是提供一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，该方法能有效解决有源配电网孤岛划分问题，全面提高配电系统供电可靠性。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于包括以下步骤：1)根据选定的配电系统，输入配电系统结构及参数初始值；2)依据步骤1)提供的配电系统结构及参数初始值，建立计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛划分模型；3)采用原对偶内点法对有源配电网源储荷孤岛划分模型进行求解；4)输出求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、分布式电源的运行策略、储能系统的充放电功率值、储能系统的荷电状态、分段开关及联络开关开断状态。
进一步，所述步骤2)中，所述有源配电网源储荷孤岛划分模型建立过程包括设定配电系统恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑系统辐射状约束、系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、不可控/可控分布式电源运行约束和储能系统运行约束。
进一步，所述配电系统恢复有功负荷量最大为目标函数为：
式中，NT为配电系统孤岛运行的时间；tF为配电系统发生故障的时刻；NN为示配电系统中的节点集合；为t时刻节点i上的有功负荷；λi为节点i上负荷的恢复系数。
进一步，所述系统辐射状约束为：
αij＝βij+βji,ij∈ΩB
αij∈{0,1}
0≤βij≤1,0≤βji≤1
式中，ΩB表示所有接有分段开关或联络开关的支路集合；NS表示系统的源节点；αij表示支路ij上开关的开断状态；βij表示节点i和节点j的关系。
进一步，所述潮流约束为：
-Mαij≤Pt,ij≤Mαij
-Mαij≤Qt,ij≤Mαij
式中，Iij,t为t时段节点i流向节点j的电流幅值；Ui,t为t时段节点i的电压幅值；rij为支路ij的电阻，xij为支路ij的电抗；Pt,ij为t时段支路ij上流过的有功功率、Qt,ij为t时段支路ij上流过的无功功率；Pt,i为t时段节点i上注入的有功功率之和、Qt,i为t时段节点i上注入的无功功率之和，k∈j；为t时段节点i上负荷的有功功率、为t时段节点i上负荷的无功功率；为t时段节点i上可控分布式电源注入的有功功率、为t时段节点i上可控分布式电源注入的无功功率、为t时段节点i上不可控分布式电源注入的有功功率、为t时段节点i上不可控分布式电源注入的无功功率；参数M表示一个极大的常量；Ut,i表示t时刻节点i的电压幅值；为t时段接在节点i接入储能系统的充放电功率；为t时段接在节点i上储能系统的无功功率。
进一步，所述运行电压约束为：
式中，和分别为节点i的电压上下限。
进一步，所述支路电流约束为：式中，为支路ij的电流上限。
进一步，所述不可控分布式电源运行约束为：
式中，为t时段节点i所接不可控分布式电源的有功出力的上限；表示节点i所接不可控分布式电源的容量；为节点i上分布式电源的运行的最大功率因数角。
进一步，所述可控分布式电源运行约束为：
式中，表示节点i所接可控分布式电源的容量。
进一步，所述储能系统运行约束为：
式中，为t时段接在节点i接入储能系统的充放电功率；为t时段接在节点i上储能系统的无功功率；为节点i上储能系统的容量；为节点i上储能系统的无功功率上限；为t时段初始时刻节点i上储能系统的荷电状态；Δt为仿真步长；为t时段节点i上储能系统的损耗；为节点i上储能系统的损耗系数；为节点i上储能系统荷电状态的上限、为节点i上储能系统荷电状态的下限。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明针对不同的故障发生时刻和故障持续时间，充分考虑分布式电源、储能系统和负荷的时序运行特性，以及配电网络结构变化带来的影响，建立一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛划分模型，其数学本质是非线性规划模型，采用原对偶内点法进行求解，得到有源配电网孤岛划分方法。
附图说明
图1是本发明的整体流程示意图；
图2是改进的IEEE 33节点算例结构图；
图3是系统8时发生故障，故障持续时间为4小时方案1的孤岛划分方法的示意图；
图4是系统8时发生故障，故障持续时间为4小时方案2的孤岛划分方法的示意图；
图5是负荷一天24小时运行特性曲线；
图6是光伏发电系统一天24小时出力曲线；
图7是方案1储能系统荷电状态时序图(8时-12时)；
图8是方案2储能系统荷电状态时序图(8时-12时)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
如图1所示，本发明提供一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其包括以下步骤：
1)根据选定的配电系统，输入配电系统结构及参数初始值；
其中，初始值包括线路参数、负荷水平、网络拓扑连接关系，系统运行电压水平和支路电流限制，可控和不可控分布式电源接入位置、容量和最大功率因数角，储能系统接入位置、容量及损耗系数，负荷和不可控分布式电源运行曲线，系统故障时刻和持续时间，基准电压和基准功率初值。
2)依据步骤1)提供的配电系统结构及参数初始值，建立计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛划分模型；
该有源配电网源储荷孤岛划分模型建立过程包括：设定配电系统恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑系统辐射状约束、系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、不可控/可控分布式电源运行约束和储能系统运行约束。
有源配电网源储荷孤岛划分模型建立过程具体如下：
2.1)配电系统恢复有功负荷量最大为目标函数为：
式中，NT为配电系统孤岛运行的时间；tF为配电系统发生故障的时刻；NN为示配电系统中的节点集合；为t时刻节点i上的有功负荷；λi为节点i上负荷的恢复系数，λi∈{0,1}为0-1变量，λi＝1表示节点i上负荷恢复，λi＝0表示节点i上负荷未恢复。
2.2)系统辐射状约束为：
αij＝βij+βji,ij∈ΩB (2)
αij∈{0,1} (5)
0≤βij≤1,0≤βji≤1 (6)
式中，ΩB表示所有接有分段开关或联络开关的支路集合；NS表示系统的源节点；αij表示支路ij上开关的开断状态，αij＝1表示开关闭合，αij＝0表示开关断开；βij表示节点i和节点j的关系，βij＝1表示节点j是节点i的父节点，βij＝0表示节点j不是节点i的父节点。通过系统辐射状约束不仅可以对系统进行网络重构，还可以对可控分布式电源的运行策略进行选择，当节点i上的可控分布式电源满足式时，该分布式电源选取PQ控制方式；当节点i上的可控分布式电源满足式时，该分布式电源选取V/f控制方式。
2.3)潮流约束为：
-Mαij≤Pt,ij≤Mαij (14)
-Mαij≤Qt,ij≤Mαij (15)
式中，Iij,t为t时段节点i流向节点j的电流幅值；Ui,t为t时段节点i的电压幅值；rij为支路ij的电阻，xij为支路ij的电抗；Pt,ij为t时段支路ij上流过的有功功率、Qt,ij为t时段支路ij上流过的无功功率；Pt,i为t时段节点i上注入的有功功率之和、Qt,i为t时段节点i上注入的无功功率之和，k∈j；为t时段节点i上负荷的有功功率、为t时段节点i上负荷的无功功率；为t时段节点i上可控分布式电源注入的有功功率、为t时段节点i上可控分布式电源注入的无功功率、为t时段节点i上不可控分布式电源注入的有功功率、为t时段节点i上不可控分布式电源注入的无功功率；参数M表示一个极大的常量，通常取9999；Ut,i表示t时刻节点i的电压幅值；为t时段接在节点i接入储能系统的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；为t时段接在节点i上储能系统的无功功率。
2.4)运行电压约束为：
式中，和分别为节点i的电压上下限。
2.5)支路电流约束为：
式中，为支路ij的电流上限。
2.6)不可控分布式电源运行约束为：
式中，为t时段节点i所接不可控分布式电源的有功出力的上限；表示节点i所接不可控分布式电源的容量；为节点i上分布式电源的运行的最大功率因数角。
2.7)可控分布式电源运行约束为：
式中，表示节点i所接可控分布式电源的容量。
2.8)储能系统运行约束为：
式中，为t时段接在节点i接入储能系统的充放电功率，其中放电功率为正，充电功率为负；为t时段接在节点i上储能系统的无功功率；为节点i上储能系统的容量；为节点i上储能系统的无功功率上限；为t时段初始时刻节点i上储能系统的荷电状态；Δt为仿真步长；为t时段节点i上储能系统的损耗；为节点i上储能系统的损耗系数；为节点i上储能系统荷电状态的上限、为节点i上储能系统荷电状态的下限。
3)将步骤2)得到的有源配电网源储荷孤岛划分模型采用原对偶内点法进行求解；
4)输出步骤3)的求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、可控/不可控分布式电源的运行策略、储能系统的充放电功率、储能系统的荷电状态、分段/联络开关开断状态。
实施例：在本实施例中，首先输入IEEE 33节点系统中线路阻抗值，负荷有功/无功功率，分布式电源参数，储能系统参数，负荷及分布式电源运行曲线，网络拓扑连接关系，算例结构如图2所示，详细参数见表1-4、图5-6所示。
表1 IEEE33节点算例负荷接入位置及功率
表2 IEEE33节点算例线路参数
表3分布式电源配置情况
表4储能系统配置情况
设置支路1-2于8时发生永久性三相故障，故障时间持续4小时；设定系统的基准电压为12.66kV、基准功率为1MVA。
为充分验证本发明的先进性，采取如下两种方案进行对比分析：
方案1：不考虑网络重构，进行孤岛划分；
方案2：考虑网络重构，进行孤岛划分，即本发明方法。
执行优化计算的计算机硬件环境为Intel(R)Core(TM)i5-3470CPU，主频为3.20GHz，内存为4GB；软件环境为Windows 7操作系统。
方案1孤岛划分结果如图3所示、方案2孤岛划分结果如图4所示，其中实心节点表示该节点负荷恢复，空心节点表示该节点负荷未恢复；负荷恢复情况和可控分布式电源运行策略如表5-6所示。
表5负荷恢复情况
表6可控分布式电源的运行策略
节点 13 20 23 30
方案1 PQ控制 V/f控制 V/f控制 PQ控制
方案2 V/f控制 PQ控制 PQ控制 PQ控制
方案1和方案2储能系统的荷电状态分别如图7和图8所示。采用网络重构后，配电系统负荷恢复比例提高了3.2％，改善了系统负荷恢复水平。通过采用网络重构改变配电网络结构，调整配电系统运行方式，优化分布式电源、储能系统与负荷的配合方案，将有助于提高配电系统供电恢复能力，从而提高供电可靠性。
上述各实施例仅用于说明本发明，各个步骤都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别步骤进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于包括以下步骤：
1)根据选定的配电系统，输入配电系统结构及参数初始值；
2)依据步骤1)提供的配电系统结构及参数初始值，建立计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛划分模型；
3)采用原对偶内点法对有源配电网源储荷孤岛划分模型进行求解；
4)输出求解结果，包括目标函数值、各节点电压幅值、各节点恢复负荷系数、分布式电源的运行策略、储能系统的充放电功率值、储能系统的荷电状态、分段开关及联络开关开断状态。
2.如权利要求1所述的一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述有源配电网源储荷孤岛划分模型建立过程包括设定配电系统恢复有功负荷最大为目标函数，分别考虑系统辐射状约束、系统潮流约束、运行电压约束、支路电流约束、不可控/可控分布式电源运行约束和储能系统运行约束。
3.如权利要求2所述的一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于：所述配电系统恢复有功负荷量最大为目标函数为：
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式中，NT为配电系统孤岛运行的时间；tF为配电系统发生故障的时刻；NN为示配电系统中的节点集合；为t时刻节点i上的有功负荷；λi为节点i上负荷的恢复系数。
4.如权利要求2或3所述的一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于：所述系统辐射状约束为：
αij＝βij+βji,ij∈ΩB
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αij∈{0,1}
0≤βij≤1,0≤βji≤1
式中，ΩB表示所有接有分段开关或联络开关的支路集合；NS表示系统的源节点；αij表示支路ij上开关的开断状态；βij表示节点i和节点j的关系。
5.如权利要求2或3所述的一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于：所述潮流约束为：
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式中，Iij,t为t时段节点i流向节点j的电流幅值；Ui,t为t时段节点i的电压幅值；rij为支路ij的电阻，xij为支路ij的电抗；Pt,ij为t时段支路ij上流过的有功功率、Qt,ij为t时段支路ij上流过的无功功率；Pt,i为t时段节点i上注入的有功功率之和、Qt,i为t时段节点i上注入的无功功率之和，k∈j；为t时段节点i上负荷的有功功率、为t时段节点i上负荷的无功功率；为t时段节点i上可控分布式电源注入的有功功率、为t时段节点i上可控分布式电源注入的无功功率、为t时段节点i上不可控分布式电源注入的有功功率、为t时段节点i上不可控分布式电源注入的无功功率；参数M表示一个极大的常量；Ut,i表示t时刻节点i的电压幅值；为t时段接在节点i接入储能系统的充放电功率；为t时段接在节点i上储能系统的无功功率。
6.如权利要求2或3所述的一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于：所述运行电压约束为：
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式中，和分别为节点i的电压上下限。
7.如权利要求2或3所述的一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于：所述支路电流约束为：
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式中，为支路ij的电流上限。
8.如权利要求2或3所述的一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于：所述不可控分布式电源运行约束为：
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式中，为t时段节点i所接不可控分布式电源的有功出力的上限；表示节点i所接不可控分布式电源的容量；为节点i上分布式电源的运行的最大功率因数角。
9.如权利要求2或3所述的一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于：所述可控分布式电源运行约束为：
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式中，表示节点i所接可控分布式电源的容量。
10.如权利要求2或3所述的一种计及网络重构的有源配电网源储荷孤岛运行方法，其特征在于：所述储能系统运行约束为：
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式中，为t时段接在节点i接入储能系统的充放电功率；为t时段接在节点i上储能系统的无功功率；为节点i上储能系统的容量；为节点i上储能系统的无功功率上限；为t时段初始时刻节点i上储能系统的荷电状态；Δt为仿真步长；为t时段节点i上储能系统的损耗；为节点i上储能系统的损耗系数；为节点i上储能系统荷电状态的上限、为节点i上储能系统荷电状态的下限。
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