CN108462194A - 一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，包括：S1、通过潮流计算获得低压配电网台区的有功功率分布情况；S2、对台区网络结构进行简化，找出台区的枢纽节点；S3、按照距离台区变压器的供电半径从大到小对枢纽节点进行排序；S4、对距离台区变压器供电半径最大的枢纽节点进行调相优化；S5、将调相优化完成后的枢纽节点及其附属用户归为一个平衡或不平衡的三相用户，再返回步骤S4，逐步收缩台区网络；S6、最终得到台区的整体优化方案，按其对用户进行调相分配，实现低压台区的三相平衡优化。所述方法能够得到一个考虑更充分的负荷相型分配方案，更有效地改善低压配电台区的三相不平衡问题，提高台区的末端电压。

Description

一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法

技术领域

本发明涉及电力系统仿真与计算分析领域，具体涉及一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法。

背景技术

低压配电网是指经过10kV/0.4kV变压器后的电网输出部分，其大多是通过三相四线制的形式向外输出，而负荷端为居民生活用电时多为单相，为生产用电时多为三相。引起低压配电网低电压问题的主要原因是存在着大量单相负荷，并且由于这些负荷没有合理地分配到各相，从而造成了严重的三相不平衡现象。三相不平衡除了会引起低电压问题外，还会影响电气设备的正常运转，并增大电网的电能损耗。

目前，关于治理三相不平衡的研究主要分为负荷补偿、配网重构以及负荷相序平衡三种，而负荷相序平衡又分为直接通过智能算法分配相序和结合自动换相装置平衡相序。直接通过智能算法分配相序可以节省换相装置费用，并能减少换相装置切换相序时对网络带来的冲击，有研究引入0-1逻辑变量的线损计算模型，并以网络线损最小为目标函数，再通过遗传算法求出符合工程实际的负荷相序较优解；有研究构建了低压配电网三相负荷不平衡优化模型，应用粒子群算法求解结合了最小换相次数和最小三相不平衡度的目标函数，而确定各单相负荷的最优接入相序；有研究综合考虑了配网系统中各个节点的典型负荷曲线类型，建立了结合负荷曲线的三相平衡换相模型，并以模拟结晶算法求解，从而获得较长效的负荷换相方案。若结合自动换相装置平衡相序，则可实时监控配网网络数据，并据此而有效分配负荷相序，有研究通过智能开关定时对支线电流采样，再通过终端控制系统统一调配负荷相序；有研究提出一种“线路调整法”，根据遗传算法控制集表箱的控制开关而实现自动有效地切换负荷相序；有研究以换相装置开关切换次数最少为目标函数，并基于向量基因遗传优化算法而求解得出配电台区负荷三相不平衡实时控制策略。

发明内容

以目前的负荷相序平衡研究来看，大部分的研究都是以台区变压的三相不平衡度以及最小换相次数为目标函数而求解负荷的相序分配策略，这种方法没有考虑配电网的网络结构和负荷分布情况，若所需调整的配电网台区的供电半径较长而且负荷分布零散时，可能会使得远离台区变压的线路的三相负荷极度不平衡，从而造成台区尾端线损较大、电压偏低等问题。因此，本发明的目的是针对上述问题，为在已知低压配电台区的负荷有功功率的分布情况下，有效地规划负荷的相型分配，以使低压配电台区达到整体的三相平衡状态，从而提高台区的末端电压，提供了一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，所述方法不但能够有效改造早期负荷分配的不合理，而且规范了后期接入的新增负荷的合理性。该算法较于其他负荷相序平衡算法的优点在于充分考虑了低压配电网台区的整体和部分的影响、线路分支的相互影响以及负荷接入位置的影响，能有效解决其他算法在低压配电网在供电半径较大时出现的台区尾端电压偏低等问题；而缺点在于平衡补偿的非实时性，通过首次改造后加强新增用户接入管理可以有效解决该问题。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：

一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，所述方法包括以下步骤：

S1、通过潮流计算获得低压配电网台区的有功功率分布情况；

S2、对台区网络结构进行简化，找出台区的枢纽节点；

S3、按照距离台区变压器的供电半径从大到小对枢纽节点进行排序；

S4、对距离台区变压器供电半径最大的枢纽节点进行调相优化；

S5、将调相优化完成后的枢纽节点及其附属用户归为一个平衡或不平衡的三相用户，再返回步骤S4，逐步收缩台区网络；

S6、最终得到台区的整体优化方案，按其对用户进行调相分配，实现低压台区的三相平衡优化。

进一步地，步骤S2中简化后的台区网络结构包括三相负荷节点的相关网络收缩和单相负荷节点的相关网络收缩；枢纽节点为简化后的台区网络结构中的所有三相T接点以及台区变压器节点。

进一步地，步骤S4中，所述调相优化为以枢纽节点的整体三相不平衡程度为目标函数，通过遗传算法找到目标函数达到最小值时的负荷分配方案，最后根据该负荷分配方案进行调相优化。

进一步地，所述枢纽节点的整体三相不平衡程度通过如下公式计算得到：

其中，(A,B,C)指代枢纽节点下属各用户所取的相型，在遗传算法中作为染色体进行储存，每条染色体共有A、B、C三种形态；UBAL为节点的三相不平衡程度，W为节点的权值，k为枢纽节点下属的线路编号，n为线路k上的节点编号，k_max为枢纽节点的所有下属线路条数，N_k为线路k上除枢纽节点外的其余节点个数。

进一步地，枢纽节点下第k条线路的第n个节点的三相不平衡程度UBAL_kn通过如下公式计算得到：

P_av__kn＝(P_{A_kn}+P_{B_kn}+P_{C_kn})/3

其中，P_{X_kn}为线路k上的节点n及其下属线路所有用户X相的有功功率之和，X＝{A，B，C}。

进一步地，枢纽节点下第k条线路的第n个节点的权值W_kn通过如下公式计算得到：

其中WC为节点的权值系数，分为除枢纽节点外的其余下属节点的权值系数和枢纽节点的权值系数两类。

进一步地，所述除枢纽节点外的其余下属节点的权值系数WC_kn通过如下公式计算得到：

其中WCS_kn为仅考虑本线路情况时第k条线路的第n个节点的权值系数，仅考虑本线路情况时，由于距离枢纽节点越远其三相不平衡程度的大小对后续线路的影响越小，因此可取线路总长与该节点距离枢纽节点的距离的差值与线路总长的比值作为其加权系数，但这样会直接忽略线路末端节点的作用，所以需要给线路总长加一个1.1倍的延长系数，因此可得：

其中WCO_kn为仅考虑其他线路影响时第k条线路的第n个节点的权值系数，仅考虑其它线路的影响时，由于每条线路的长度不同，较长的线路在较差的三相不平衡时会产生较大的电压降，因此系数需要反映出长线路较短线路有较大的比重，以均衡长线路和短线路中的电压降；此外，由于目标函数会对同一条线路上多个节点进行计算，导致多节点线路三相不平衡程度的比重占总比重较大，影响负荷整体的调相分布；因此可得：

式中L_k为线路k的总长，L_kn为线路k上节点n到枢纽节点的距离，N_k为线路k上除枢纽节点外的其余节点个数。

进一步地，所述枢纽节点的权值系数WC₀₁通过如下公式计算得到：

由于枢纽节点是其下属线路的交汇点，因此以k＝0且n＝1特指枢纽节点，由于其核心地位，因此占比需超过总权重的一半。

进一步地，步骤S5中，所述逐步收缩台区网络为完成一个枢纽节点的调相优化后，将其视为一个三相负荷，然后再进行上一级枢纽节点的调相优化，重复该过程直至将所有负荷收缩到台区变压器。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明提供的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，以遗传算法中的染色体表示负荷相型的方式，以枢纽节点的整体三相不平衡程度为目标函数，找出目标函数为最小值时负荷相型的分配方式，并作为调相方案，该方案作为负荷相型的分配依据，综合考虑了线路上各个供电半径负荷的出力以及旁近线路的影响，能填补目前关于负荷调相没有理论依据的空缺，有效改善早期负荷分配不合理的影响，并辅助后期新接入负荷的相型选择。

附图说明

图1为本发明实施例中针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法的流程图。

图2为本发明实施例台区建模后的示意图。

图3为本发明实施例简化后的台区网络结构示意图。

图4为本发明实施例完成节点B调相优化后的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例：

本实施例提供了一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，所述方法的流程图如图1所示，包括以下步骤：

(A)通过潮流计算获得台区的有功功率分布情况；

参照图2，为示例台区建模后的示意图，图中包含变压器和用户负荷的分布信息，以及线路的长度、线径、相型和走向信息等。导入台区的电量数据后，通过潮流计算即可得到该台区的各个负荷的有功功率分布情况。

(B)简化台区，找出枢纽节点；

简化台区包括三相负荷节点的相关网络收缩和单相负荷节点的相关网络收缩。首先是收缩三相负荷节点的相关网络。应将三相负荷节点功率去除，然后剩余线路进行收缩，即把所有去除三相用户功率后流出功率为零的线路全部去除；然后是收缩单相负荷节点的相关网络。具体做法为直接将三相线路中的单相出线线路的流出功率视为一个用户功率，该等效用户直接接到三相线路的相同位置，然后去除原有线路。

完成网络收缩后，台区网络得到简化，显出其主干；然后从简化台区中找出所有三相T接点，称之为枢纽节点。

参照图3，为示例台区简化后的示意图，原网络简化为仅含三相主干线路和主干线路上的单相负荷的简化网络；然后可以从图中找出该台区的枢纽节点为节点A、节点B、台区变压器节点。

(C)将枢纽节点按供电半径从大到小排序；

参照图3，该示例台区中枢纽节点按供电半径从大到小排列为节点B、节点A、台区变压器节点。

(D)对供电半径最大枢纽节点进行调相优化；

参照图3，即对节点B进行调相优化。首先，输入节点B的下属线路和负荷的信息，即负荷的功率向量和距离向量。

若节点B的下属线路从左到右依次编号为线路1、线路2、线路3。

则输入线路1：[P₁₁,P₁₂,P₁₃,P₁₄；L₁₁,L₁₂,L₁₃,L₁₄]；

线路2：[P₂₁；L₂₁]；

线路3：[P₃₁,P₃₂,P₃₃,P₃₄,P₃₅；L₃₁,L₃₂,L₃₃,L₃₄,L₃₅]；

其中，P_kn为负荷功率，L_kn为负荷到枢纽节点B的距离，k为线路编号，n为线路k上的节点编号。若枢纽节点B上有负荷，则其线路编号为0。

然后通过遗传算法生成随机初始种群，种群中个体的染色体有{A,B,C}三种形态，分别表示线路上负荷的{A,B,C}三种相型，如该初始种群的一个个体可能会为[A,C,B,B,C,A,A,B,B,A]，共10条染色体，其中第1～4位表示线路1的负荷相型，第5位表示线路2的负荷相型，第6～10位表示线路3的负荷相型。

通过公式求取个体的适应度。

其中，枢纽节点下第k条线路的第n个节点的三相不平衡程度UBAL_kn通过如下公式计算得到：

P_{av_kn}＝(P_{A_kn}+P_{B_kn}+P_{C_kn})/3

其中，P_{X_kn}为线路k上的节点n及其下属线路所有用户X相的有功功率之和，X＝{A，B，C}。

枢纽节点下第k条线路的第n个节点的权值W_kn通过如下公式计算得到：

其中WC为节点的权值系数，分为除枢纽节点外的其余下属节点的权值系数和枢纽节点的权值系数两类。

所述除枢纽节点外的其余下属节点的权值系数WC_kn通过如下公式计算得到：

式中L_k为线路k的总长，L_kn为线路k上节点n到枢纽节点的距离，N_k为线路k上除枢纽节点外的其余节点个数。

枢纽节点的权值系数WC₀₁通过如下公式计算得到：

由于枢纽节点是其下属线路的交汇点，因此以k＝0且n＝1特指枢纽节点，由于其核心地位，因此占比需超过总权重的一半。

然后通过自适应的选择、交换、变异的遗传操作产生新的种群，完成一次迭代。当完成设定次数的迭代后，从中挑选出三相不平衡程度最小的个体作为最优个体，以此方案作为节点B的调相方案而进行调相优化。

(E)将调相优化后的枢纽节点归为一个三相负荷，判断是否还存在枢纽节点；

参照图4，节点B在调相完成后归为一个平衡/不平衡的三相负荷，参与上级枢纽节点的调相优化；此时判断简化网络图中是否还有枢纽节点，可知图中还有两个枢纽节点，即节点A和变压器节点；因此返回步骤D，对供电半径最大枢纽节点进行调相优化。

(F)得到台区的整体调相方案，按照该方案进行施工；

如示例台区中，当依次完成了节点B、节点A和变压器节点的调相优化后，即可得到台区的整体调相方案，然后可按照该方案进行参考施工。

以下进一步结合实例进行说明。

首先，选取某地的5个低压配电网台区作为案例台区，称之为A台区、B台区、C台区、D台区、E台区。分别对5个台区进行建模和潮流计算，统计调相优化前其最低电压以及台区变压器的三相不平衡情况，见表1。

表1

从表1中可以看出，由于早期对低压配电网台区的不重视以及施工工人就近取线的习惯，单相用户多分配在C相上，其余两相也有一定程度的分配不平衡，从而造成严重的三相不平衡现象，所测的五个台区中有功功率的三相不平衡程度均超过45％，D台区更是达到了92.83％。同时也可以看到，改造前五个台区均有不同程度的低电压问题。

进一步的，通过对比算法一对台区进行调相优化，对比算法一为仅考虑枢纽节点的重要性，不考虑其下属负荷节点的出力，相当于把枢纽节点的所有下属节点直接移到枢纽节点上进行调相分配。统计其调相优化后的台区最低电压以及台区变压器的三相不平衡情况，见表2。

表2

进一步的，通过对比算法二对所有台区重新进行调相优化，对比算法二不考虑旁近线路的影响，视枢纽节点的每条下属线路独立，即取而其余公式与本发明一致。统计其调相优化后的台区最低电压以及台区变压器的三相不平衡情况，见表3。

表3

再进一步的，以本发明的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法对所有台区重新进行调相优化，统计其调相优化后的台区最低电压以及台区变压器的三相不平衡情况，见表4。

表4

由表2～4的计算结果可见，通过三种算法进行改造后对台区的三相不平衡程度和台区的最低电压都有一定的调节作用。其中，由于对比算法一仅关注枢纽节点的三相不平衡程度而不计算其下属节点的三相不平衡程度，使得其每一个枢纽节点的三相不平衡程度都更小，从而其到低压台变处的三相不平衡程度基本都比对比算法二和本文算法的小(需说明，由于三种算法都是逐个枢纽节点进行平衡，当最靠近台变的枢纽节点处有一个较大负荷时也有可能会出现类似A台区和E台区中对比算法一的台变处三相不平衡程度不是最小的情况，但这对后续线路的三相不平衡程度没有影响)，但也因为不考虑枢纽节点下属节点的三相不平衡程度，导致除枢纽节点上级线路外的一些线路会聚集大量同相型的用户而非常不平衡，从而引起较大的电压降，因此对比算法一中的各个台区最低电压也是最低的，其中与本文算法相比最低电压差最大的为B台区的18.3V。

其次，由于对比算法二中枢纽节点下的各条线路独立，其线间节点上的负荷不能协调调相，并且各条线路各自完成平衡后才与直接挂在枢纽节点上的负荷进行整个小区域的协调调相平衡，因此其每个枢纽节点的三相不平衡程度基本都比本文算法的大，各个台区低压台变处的三相不平衡程度也比本文算法的大，所以通过对比算法二进行改造后台区的主干线路电压降都比较大，导致各个台区的最低低压都比本文算法改造的台区低，其中与本文算法相比最低电压差最大的为D台区的6.88V。

综上所述，本发明的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法能够权衡枢纽节点与其下属各节点的相互影响情况，从而在保证低压台变处三相不平衡程度的同时能够使台区最低电压达到三种算法中的最高值。通过表4，可以看到除A台区外其余四个台区的台变处三相不平衡程度均达到了15％以下(需说明，由于A台区在低压台变处有一条专供某小型卫生站的单相出线，其平均有功功率为29.34kW，该负荷并不影响A台区其余线路的三相平衡，若将其从A台区中去除可得台变处三相不平衡程度为2.65％)；同时，各个台区的最低电压较改造前都有大幅度提高，均达到低压配电网的电压偏移允许值，最低电压提高最显著的为由164.79V提高到205.88V的B台区；由此可见通过本发明的算法进行三相负荷不平衡的调相的有效性，但若如D台区一样因为台区主干线路线径过小而导致的输送容量不足，则需要配合增大主干线路线径的改造措施来更好地改善低压台区的末端电压。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明专利构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1、通过潮流计算获得低压配电网台区的有功功率分布情况；

S2、对台区网络结构进行简化，找出台区的枢纽节点；

S3、按照距离台区变压器的供电半径从大到小对枢纽节点进行排序；

S4、对距离台区变压器供电半径最大的枢纽节点进行调相优化；

S5、将调相优化完成后的枢纽节点及其附属用户归为一个平衡或不平衡的三相用户，再返回步骤S4，逐步收缩台区网络；

S6、最终得到台区的整体优化方案，按其对用户进行调相分配，实现低压台区的三相平衡优化。

2.根据权利要求1所述的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，其特征在于，步骤S2中简化后的台区网络结构包括三相负荷节点的相关网络收缩和单相负荷节点的相关网络收缩；枢纽节点为简化后的台区网络结构中的所有三相T接点以及台区变压器节点。

3.根据权利要求1所述的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，其特征在于，步骤S4中，所述调相优化为以枢纽节点的整体三相不平衡程度为目标函数，通过遗传算法找到目标函数达到最小值时的负荷分配方案，最后根据该负荷分配方案进行调相优化。

4.根据权利要求3所述的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，其特征在于，所述枢纽节点的整体三相不平衡程度通过如下公式计算得到：

其中，(A,B,C)指代枢纽节点下属各用户所取的相型，在遗传算法中作为染色体进行储存，每条染色体共有A、B、C三种形态；UBAL为节点的三相不平衡程度，W为节点的权值，k为枢纽节点下属的线路编号，n为线路k上的节点编号，k_max为枢纽节点的所有下属线路条数，N_k为线路k上除枢纽节点外的其余节点个数。

5.根据权利要求4所述的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，其特征在于，枢纽节点下第k条线路的第n个节点的三相不平衡程度UBAL_kn通过如下公式计算得到：

P_{av_kn}＝(P_{A_kn}+P_{B_kn}+P_{C_kn})/3

其中，P_{X_kn}为线路k上的节点n及其下属线路所有用户X相的有功功率之和，X＝{A，B，C}。

6.根据权利要求4所述的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，其特征在于，枢纽节点下第k条线路的第n个节点的权值W_kn通过如下公式计算得到：

其中WC为节点的权值系数，分为除枢纽节点外的其余下属节点的权值系数和枢纽节点的权值系数两类。

7.根据权利要求6所述的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，其特征在于，所述除枢纽节点外的其余下属节点的权值系数WC_kn通过如下公式计算得到：

其中WCS_kn为仅考虑本线路情况时第k条线路的第n个节点的权值系数：

其中WCO_kn为仅考虑其他线路影响时第k条线路的第n个节点的权值系数：

式中L_k为线路k的总长，L_kn为线路k上节点n到枢纽节点的距离，N_k为线路k上除枢纽节点外的其余节点个数。

8.根据权利要求6所述的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，其特征在于，所述枢纽节点的权值系数WC₀₁通过如下公式计算得到：

由于枢纽节点是其下属线路的交汇点，因此以k＝0且n＝1特指枢纽节点。

9.根据权利要求1所述的一种针对低压配电网三相负荷不平衡的广域优化方法，其特征在于：步骤S5中，所述逐步收缩台区网络为完成一个枢纽节点的调相优化后，将其视为一个三相负荷，然后再进行上一级枢纽节点的调相优化，重复该过程直至将所有负荷收缩到台区变压器。