CN108281963B - 一种适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法。柔性多状态开关同时具有有功/无功受控、不平衡功率调节、谐波阻断等功能，并可实现多状态负荷运行和状态之间的过渡。如何在满足配电网安全稳定运行的基础上，利用柔性多状态开关的上述特点，对含多个柔性多状态开关的配电网合理分区是本发明拟解决的问题。本方法首先利用网络静态等值和电气距离简化配电网，然后采用贪婪图生长法对简化后的配电网分区，最后按照简化的过程逆向还原配电网，并在此过程中改善分区方法。本方法能够对含多个柔性多状态开关的配电网进行分区，分区结果不仅能够保证区域内节点和柔性多状态开关的耦合性，还可以改善区域的负载均衡度。

Description

一种适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法

技术领域

本发明属于电力系统的分区方法，尤其涉及一种适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法。

背景技术

柔性多状态开关(Soft Normally Open Point,SNOP)是一种新型的可控电力电子装置。柔性多状态开关可以替换传统配电网中的分段开关和联络开关。除了具有关断和开通能力外，柔性多状态开关同时具有有功/无功受控、不平衡功率调节、谐波阻断等功能，并可实现多状态复合运行和状态之间的软过渡。其具体装置主要有背靠背电压源型换流器(B2B VSC)、统一潮流控制器(UPFC)和串联补偿器(SSSC)。另外，柔性多状态开关还具有响应速度快，能频繁动作的特点。

柔性多状态开关能够替代传统配电网中的分段开关和联络开关，将复杂有源配电网分解为若干个子网络。进而，在正常运行的时候，配电网能够合环运行，实现稳态运行时候的区域网络潮流互济；在发生故障的时候，通过柔性多状态开关在保持物理连接的情况下实现电气上的解耦，限制分区之内的故障电流，提高配电网故障自愈能力和供电可靠性。考虑到配电网被要求能够吸纳越来越多的分布能源，柔性多状态开关的上述特点能够改善区域均衡度，提高配电网对于分布式电源的消纳能力。

对于柔性多状态开关的研究，目前主要围绕在如何在仅包含一条馈线的配电网内部如何调控柔性多状态开关。如文献《基于SNOP的配电网运行优化分析》，以系统网络损耗最小为目标，采用模拟退火算法对含柔性多状态开关的配电网进行了潮流优化。但是这些方法既没有考虑柔性多状态开关对区域配电网的作用，也没有研究含柔性多状态开关的配电网的分区方法。

对于配电网分区的研究，目前主要以无功优化和供电可靠性为目标，没有考虑接入柔性多状态开关之后，含多个柔性多状态开关的配电网所面临的新的分区要求和挑战。

发明内容

本发明提出了一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法。柔性多状态开关是一种新型的电力电子器件。除了具有关断和开通能力外，柔性多状态开关同时具有有功/无功受控，不平衡功率调节，谐波阻断等功能，并可实现多状态负荷运行和状态之间的过渡。如何在满足配电网安全稳定运行的基础上，利用柔性多状态开关的上述特点，对含多个柔性多状态开关的配电网合理分区是本发明拟解决的问题。

本发明具体采用如下方式实现：

一种适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法包括如下步骤：

S1：基于网络的静态等值，合并节点度为1和2的节点；

S2：构造柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间的电气距离矩阵，并根据Dijkstra算法计算最短电气距离矩阵用于表示柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间的关联程度；

S3：将最短电气距离矩阵中的元素作为负荷节点的权重值，生成相邻且具有相同区域倾向的节点集合，合并属于相同集合的节点；

S4：采用贪婪图生长法(Greedy Graph Growing Partitioning,GGGP)，将柔性多状态开关的接入节点视作根节点，负荷节点视作叶节点，优先选择权重值最小的负荷节点作为叶节点进行逐渐生长，直到满足迭代停止条件为止，最终完成分区。

S5：以区域内的负载均衡度最优为目标函数，对S4中产生的所有配电网区域进行网络重构；

S6：按照节点的合并方式还原在S1和S3中合并的节点，其中合并节点存在两种情况，第一种情况为：与节点相连的支路未在S4或S5中断开；第二种情况为：与节点相连的支路在S4或S5中断开；首先，将第一种情况涉及的合并节点直接还原；然后，针对第二种情况涉及的合并节点，采用基于深度优先遍历的方法还原合并节点并同时调整分区方法，直到不再存在合并节点，系统节点数与原始系统相等为止。

作为优选，所述S2中的柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间的电气距离矩阵L是反应柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间电气距离矩阵，其形式如下：

如果节点i与节点j直接连接，那么

L_ij＝z_ij

否则

L_ij＝∞

其中，z_ij为节点i与节点j之间的线路阻抗，n为系统节点的个数，m为柔性多状态开关接入节点的个数，n-m为负荷节点的个数。

作为优选，所述的S2中的最短电气距离矩阵D定义为D_ij，表示负荷节点i到柔性多状态开关接入节点j的最短电气距离。

作为优选，所述的S3中具有相同区域倾向的节点判定方法如下：假设负荷节点i，j与某一柔性多状态开关接入节点k之间的电气距离小于第一阈值a，且与其他所有柔性多状态开关接入节点之间的电气距离大于第二阈值b，则判定负荷节点i，j为具有相同区域倾向的节点。

作为优选，S4中完成分区后若存在一片区域中有两个根节点，即两个柔性多状态开关接入节点的情况，对于属于相同区域的根节点j-1和j，定义节点i到区域r的最短电气距离为

D_ir＝min{D_ij-1,D_ij}

其中，D_ij-1和D_ij分别为节点i到柔性多状态开关接入节点j-1和j的最短电气距离。

作为优选，所述S4中的迭代停止条件可以设置为：每个节点都已经被划分到某一区域。

作为优选，所述S5中的区域内的负载均衡度采用的形式为：

其中，N_B为区域中支路的个数，S_k为区域内第k条支路的负载率，为五域内所有支路负载率的平均值。

作为优选，所述S5中进行网络重构的具体操作方法为：采用文献《含分布式电源的配电网重构研究》中所述的方式对环网进行编码，然后二进制粒子群优化算法(BPSO)计算每一个环网中应该断开的支路。

作为优选，所述S6中基于深度优先遍历的方法包括以下子步骤：

S61：还原合并节点；

S62：通过深度优先遍历寻找边界节点之间的通路，一条通路由若干条支路构成，设T_ij＝{t_ij.1,t_ij.2,…,t_ij.k,…}为节点i和节点j之间的多条通路，其中t_ij.k为节点i和节点j之间的第k条通路，则组成t_ij.k的两两相邻节点之间的边界为节点i和节点j之间的支路。

S63：在每一条通路中选择一条支路断开，并计算区域配电网此时的负载均衡度。

S64：比较断开不同支路时配电网的负载均衡度，采用负载均衡度最小的支路断开方式。

本方法首先利用网络静态等值和电气距离简化配电网，然后采用贪婪图生长法(Greedy Graph Growing Partitioning,GGGP)对简化后的配电网分区，最后按照简化的过程逆向还原配电网，并在此过程中改善分区方法。本方法能够对含多个柔性多状态开关的配电网进行分区，分区结果不仅能够保证区域内节点和柔性多状态开关的耦合性，还可以改善区域的负载均衡度。

附图说明

图1是适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法中还原边界节点步骤的说明图。

图2是适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法的算例展示图。

图3适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法的一阶段性结果展示图。

图4适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法的另一阶段性结果展示图。

图5适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法的另一阶段性结果展示图。

图6适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法的另一阶段性结果展示图。

图7是适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法的最终结果展示图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。

一种适用于含多个柔性多状态开关的配电网分区方法，包括如下步骤：

S1：基于网络的静态等值，合并所有节点度为1和2的节点；

S2：构造柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间的电气距离矩阵，并根据Dijkstra算法计算最短电气距离矩阵用于表示柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间的关联程度；

本步骤中，柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间的电气距离矩阵L是反应柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间电气距离矩阵，其形式如下：

如果节点i与节点j直接连接，那么

L_ij＝z_ij

否则

L_ij＝∞

其中，z_ij为节点i与节点j之间的线路阻抗，n为系统节点的个数，m为柔性多状态开关接入节点的个数，n-m为负荷节点的个数。

本步骤中，最短电气距离矩阵D定义其元素为D_ij，表示负荷节点i到柔性多状态开关接入节点j的最短电气距离。

S3：将最短电气距离矩阵中的元素作为负荷节点的权重值，生成相邻且具有相同区域倾向的节点集合，合并属于相同集合的节点；

本步骤中，具有相同区域倾向的节点判定方法如下：假设负荷节点i，j与某一柔性多状态开关接入节点k之间的电气距离小于第一阈值a，且与其他所有柔性多状态开关接入节点之间的电气距离大于第二阈值b，则判定负荷节点i，j 为具有相同区域倾向的节点。

S4：采用贪婪图生长法(Greedy Graph Growing Partitioning,GGGP)，将柔性多状态开关的接入节点视作根节点，负荷节点视作叶节点，优先选择权重值最小的负荷节点作为叶节点进行逐渐生长，直到满足迭代停止条件为止，最终完成分区。迭代停止条件可以设置为：每个节点都已经被划分到某一区域。

另外，在本步骤中，完成分区后可能存在一片区域中有两个根节点，即两个柔性多状态开关接入节点的情况，对于属于相同区域的根节点j-1和j，定义节点i到区域r的最短电气距离为

D_ir＝min{D_ij-1,D_ij}

其中，D_ij-1和D_ij分别为节点i到柔性多状态开关接入节点j-1和j的最短电气距离。

S5：以区域内的负载均衡度最优为目标函数，对S4中产生的所有配电网区域进行网络重构；

本步骤中，区域内的负载均衡度可以采用如下形式：

其中，N_B为区域中支路的个数，S_k为区域内第k条支路的负载率，为五域内所有支路负载率的平均值。

另外，进行网络重构可以具体采用如下操作方法：对环网进行编码，编码方式可采用文献《郭玉天.含分布式电源的配电网重构研究[D].华北电力大学, 2013.》中记载的方式；然后二进制粒子群优化算法(BPSO)计算每一个环网中应该断开的支路。

S6：按照节点的合并方式还原在S1和S3中合并的节点。合并节点存在两种情况：(1)与节点相连的支路未在S4或S5中断开，(2)与节点相连的支路在S4或S5中断开。首先，将第一种情况涉及的合并节点直接还原。然后，针对第二种情况涉及的合并节点，采用基于深度优先遍历的方法还原合并节点并同时调整分区方法，直到不再存在合并节点，系统节点数与原始系统相等为止。

其中，基于深度优先遍历的方法包括以下子步骤：

S61：还原合并节点。如图1(a)所示，将节点1还原成节点1、3、4、5。

S62：通过深度优先遍历寻找边界节点之间的通路，一条通路由若干条支路构成。设T_ij＝{t_ij.1,t_ij.2,…,t_ij.k,…}为节点i和节点j之间的多条通路，其中t_ij.k为节点i和节点j之间的第k条通路，则组成t_ij.k的两两相邻节点之间的边界为节点i和节点j之间的支路。如图1(b)所示，节点1和2之间的通路为T₁₂＝{1-3-2,1-4-2}。构成通路1-3-2的支路为1-3、3-2，构成通路1-4-2的支路为1-4、4-2。

S63：在每一条通路中选择一条支路断开，并计算区域配电网此时的负载均衡度。

S64：比较断开不同支路时配电网的负载均衡度。如果存在负载均衡度更小的支路断开方式，那么采用负载均衡度更优的支路断开方式。如图1(b)所示，在完成S63后，断开的支路为3-2和4-2。节点1、3、4、5属于同一区域，节点 2属于同一区域。假设通过计算，发现断开支路1-3和4-2时的负载均衡度更优。那么，采用断开支路1-3和4-2的分区方法，即调整后的分区方法为：节点1、4、 5属于同一区域，节点2、3属于同一区域。

实施例

为了验证本发明提出的一种基于多层图分割理论的含多个柔性多状态开关的配电网分区方法，使用MATLAB软件开发实现了上述分区方法(具体步骤如前，不再赘述)，并在下述环境配置的PC机上实现了本实施例的测试和验证。

Intel(R)Core(TM)i7-4770CPU@3.40GHz,16.0GB内存，64位操作系统，基于x64的处理器。

本实施例所用的配电网为含有一条母线，三条馈线，共118个节点的配电网。该配电网共有132条支路，其中117条通断开关，15条联络开关。如图2所示。接入的柔性多状态开关为两端的B2B VSC。接入位置为联络开关43-54和83-108。实施S1、S3、S4、S5、S6后的配电网分别如图3、4、5、6、7所示，其中图7 为最终的分区结果。为了更加清晰地呈现分区的过程，在图3、4、5、6中省略接入的柔性多状态开关。在完成S3后，配电网共存在7个合并节点；在完成S4 后，配电网被分为3个区域。为便于表述，将其从上至下依次命名为区域A、B、 C。在完成S6后，3个区域依次含有35、63、19个节点。分区过程如表1所示。

表1分区过程

另外，在还原过程中，合成节点的详细信息和调整的断开支路入表2所示。

表2还原过程

表3分区所需的时间

表4各区域的负载均衡度

如果不采用上面所述的分区方法，直接断开所有的联络开关，即图2中所有用虚线表示的支路，那么配电网的负载均衡度如表4所示。其中，导线的型号为 LGJ-50，持续输送容量为3810KVA。可以看出，该分区方法可以改善区域的负载均衡度。另外，未采用本分区方法的时的配电网电气距离之和为412.3485Ω，采用本分区方法时的配电网电气距离之和为400.4598Ω。因此，本分区方法也可以加强区域内节点和柔性多状态开关接入节点之和耦合性。

Claims (8)

1.一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：基于网络的静态等值，合并节点度为1和2的节点；

S2：构造柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间的电气距离矩阵，并根据Dijkstra算法计算最短电气距离矩阵用于表示柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间的关联程度；

S3：将最短电气距离矩阵中的元素作为负荷节点的权重值，生成相邻且具有相同区域倾向的节点集合，合并属于相同集合的节点；

S4：采用贪婪图生长法，将柔性多状态开关的接入节点视作根节点，负荷节点视作叶节点，优先选择权重值最小的负荷节点作为叶节点进行逐渐生长，直到满足迭代停止条件为止，最终完成配电网分区；

S5：以区域内的负载均衡度最优为目标函数，对S4中产生的所有配电网区域进行网络重构；

S6：按照节点的合并方式还原在S1和S3中合并的节点，其中合并节点存在两种情况，第一种情况为：与节点相连的支路未在S4或S5中断开；第二种情况为：与节点相连的支路在S4或S5中断开；首先，将第一种情况涉及的合并节点直接还原；然后，针对第二种情况涉及的合并节点，采用基于深度优先遍历的方法还原合并节点并同时调整分区方法，直到不再存在合并节点，系统节点数与原始系统相等为止。

2.根据权利要求1所述的一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法，其特征在于，所述S2中的柔性多状态开关接入节点和负荷节点之间的电气距离矩阵L形式如下：

如果节点i与节点j直接连接，那么

L_ij＝z_ij

否则

L_ij＝∞

其中，z_ij为节点i与节点j之间的线路阻抗，n为系统节点的个数，m为柔性多状态开关接入节点的个数，n-m为负荷节点的个数。

3.根据权利要求1所述的一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法，其特征在于，所述S2中的最短电气距离矩阵D定义为D_ij，表示负荷节点i到柔性多状态开关接入节点j的最短电气距离。

4.根据权利要求1所述的一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法，其特征在于，所述S3中具有相同区域倾向的节点判定方法如下：假设负荷节点i，j与某一柔性多状态开关接入节点k之间的电气距离小于第一阈值a，且与其他所有柔性多状态开关接入节点之间的电气距离大于第二阈值b，则判定负荷节点i，j为具有相同区域倾向的节点。

5.根据权利要求1所述的一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法，其特征在于，S4中完成分区后若存在一片区域中有两个根节点，即两个柔性多状态开关接入节点的情况，对于属于相同区域的根节点j-1和j，定义节点i到区域r的最短电气距离为

D_ir＝min{D_ij-1,D_ij}

其中，D_ij-1和D_ij分别为节点i到柔性多状态开关接入节点j-1和j的最短电气距离。

6.根据权利要求1所述的一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法，其特征在于，所述S4中的迭代停止条件设置为：每个节点都已经被划分到某一区域。

7.根据权利要求1所述的一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法，其特征在于，所述S5中的区域内的负载均衡度采用的形式为：

其中，N_B为区域中支路的个数，S_k为区域内第k条支路的负载率，为区域内所有支路负载率的平均值。

8.根据权利要求1所述的一种适用于含多个柔性多状态开关配电网的分区方法，其特征在于，所述S6中基于深度优先遍历的方法包括以下子步骤：

S61：还原合并节点；

S62：通过深度优先遍历寻找边界节点之间的通路，一条通路由若干条支路构成，设T_ij＝{t_ij.1,t_ij.2,…,t_ij.k,…}为节点i和节点j之间的多条通路，其中t_ij.k为节点i和节点j之间的第k条通路，则组成t_ij.k的两两相邻节点之间的边界为节点i和节点j之间的支路；

S63：在每一条通路中选择一条支路断开，并计算区域配电网此时的负载均衡度；

S64：比较断开不同支路时配电网的负载均衡度，采用负载均衡度最小的支路断开方式。