CN108964057A

CN108964057A - 一种基于改进前推回代法的配电网潮流计算方法

Info

Publication number: CN108964057A
Application number: CN201710353622.6A
Authority: CN
Inventors: 刘若愚; 龙雪涛; 黄斐; 陈辉; 欧明秀; 杨勇
Original assignee: Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corp
Current assignee: Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corp
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-12-07

Abstract

本发明提供一种基于改进前推回代法的配网潮流计算方法，主要适用于含多类型分布式电源并网运行的配电网系统的潮流计算。方法主要采用简单的数学转化方法，将PQ、PI、PV、PQV四中分布式电源节点转化为PQ节点，从而进行配电网前推回代法的潮流计算，提高计算效率及收敛速度。本发明所提供的方法能够高效、可靠地计算出电压、功率、网损等在内的多项电力参数，为相关单位分析分布式电源接入电网产生的影响提供各项基础分析数据。

Description

一种基于改进前推回代法的配电网潮流计算方法

技术领域

本发明涉及配电网潮流计算方法领域，更具体地，涉及一种基于改进前推回代法的配电网潮流计算方法。

背景技术

随着分布式电源的应用越来越广泛，将分布式电源引入集成到现有的配电网系统中是分布式电源的发展趋势。由于在配电网中的负荷侧接入分布式电源会使得整个配电系统的功率流向发生变化，因此分布式电源并入配电网在提高配电网可靠性和经济性的同时，对配电网线损也将产生较大影响。并网分布式电源对配电网线损的影响，主要取决于分布式电源的并网位置、并网类型、与负荷量的相对大小以及网络的拓扑结构等因素。例如：当分布式电源以同步发电机的形式接入电网后，由于其可同时向系统提供有功功率和无功功率，可以降低网损，对系统提供电压支撑；当分布式电源以异步感应式发电机的形式接入系统后，由于其向系统输出有功功率并从系统吸收无功功率，因而在降低系统功率因数的同时，可能增加网损并降低系统电压水平。分布式电源运行特性、接入位置、接入容量及功率因数的不同，可能使配电网的网损减小，也可能使得潮流反向从而增加系统的网损，因此，有必要深入研究含分布式电源的配电网潮流，以分析分布式电源对配电网损耗的具体影响模式。

在传统的主网潮流计算中，一般采用结合PQ快速分解的牛顿-拉夫逊法，但是在配电网中，线路的R/X比值较大，网络拓扑结构也主要呈现辐射状的形式，无法满足PQ分解法的解耦条件(G_i<B_i)，因此在配电网潮流计算中，涌现出了诸如改进牛拉法、前推回代法、Z_bus方法和Y_bus方法等一系列潮流计算法。而其中前推回代法具有良好的一阶收敛性，以及收敛速度快、数值稳定性好的特点，同时前推回代法编程简单，占用内存少，有较高的运算效率，成为配网潮流计算中的主流方法。但是传统的前推回代法并没有考虑分布式电源接入后的情形，无法处理各种类型分布式电源节点(PV、PI、PQV等)，因此需要对前推回代法进行改进以使其能够计算含分布式电源的配电网潮流。

发明内容

本发明提出一种考虑PQ、PI、PV、PQV四种分布式电源模型的基于改进前推回代法的配电网潮流计算方法。

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种基于改进前推回代法的含分布式电源配电网潮流计算方法，包括如下步骤：

S1、读取配电网线路、节点数据，按照统一的格式对其进行预处理，并将支路阻抗、节点负荷等数据标幺化，初始化配网各节点电压，对节点、支路进行编号；

S2、将支路进行排序，按照叶节点到根节点方向逐层进行编号，最后形成排好序的支路矩阵；

S3、根据分布式电源的不同类型，将DG节点数据分成PQ、PI、PV、PQV四类，并形成四类分布式电源的节点矩阵；

S4、形成灵敏度阻抗矩阵Z_V，PV类型的分布式电源初始注入无功功率设为0kVar；

S5、针对PV型DG节点，首先，利用步骤S4得出的灵敏度矩阵Z_V，根据公式将PV节点的电压偏移量转换为补偿电流；然后，根据公式计算出PV节点的实际无功注入量，即将PV节点转化成PQ节点，若发生无功越界，则直接将该节点转化为PQ节点进行处理；

S6、将以定速恒频风力发电机为主的PQV节点，根据其电压U、转差率s、定子电抗x₁、转子电抗x₂、励磁电抗x_m等基本数据，计算其无功吸收量Q^(k+1)＝f(U^(k))，并考虑无功补偿量后计算出其实际的无功注入量，将PQV节点也转化为PQ节点；

S7、对于PI节点，根据恒定的输出有功功率P和输出电流I，计算每次迭代的无功功率数值把PI节点转化为PQ节点；

S8、将转化成PQ节点的三种类型分布式电源节点和PQ型分布式电源节点并入配电网节点数据，其中分布式电源的P取负值，Q按照实际吸收/发出无功取为正值/负值；

S9、从线路末端开始，按顺序逐条线路依次进行回代计算，计算得到各支路电流以及功率分布；

S10、根据步骤S9得到的线路功率分布，由首端节点开始进行前推计算，得到各支路的电压降落，进而求得各节点的修正电压；

S11、判断除PV节点外的各节点电压是否满足电压收敛判据、PV节点的电压偏移量是否小于收敛判据，若同时满足，则结束潮流计算程序并输出结果；若其中一项不满足，则再判断潮流循环次数是否小于设定的最大迭代次数，如满足，则重复步骤S5～S10，进入下一次迭代，若不满足迭代次数要求，则结束程序，结果不收敛；

S12、输出各节点的潮流数据以及配电网有功总损耗和无功总损耗。

进一步地，所述步骤S5中所述补偿电流计算公式，是考虑PV节点每次迭代得到的电压值会与该类型节点的给定电压值之间存在偏差的问题，利用灵敏度矩阵和该电压偏差计算其补偿电流，补偿电流计算公式为：

式中：ΔV^(k)为n×1矩阵，n为PV节点的个数，元素为其节点电压的偏移量；Z_V为n×n的灵敏度矩阵，其对角线元素Z_Vii为PV节点i到根节点之间的线路阻抗的模，而非对角线元素Z_Vij为PV节点i，j到根节点公共线路阻抗的模；ΔI^(k)是每个PV节点注入电流的幅值。进一步考虑相位问题，即可以得到补偿电流的计算公式。

进一步地，所述的步骤S6中所述的分布式电源实际吸收无功功率Q包含了两部分：一部分是根据其额定参数计算出的DG吸收无功；另一部分是考虑到为了降低线损，减少从电网中吸收无功功率，风力发电机组一般会同时配套带自动投切的并联电容器组以补偿无功的消耗，同时使机组的功率因数满足额定的要求。由此，可以得到以下关于补偿后的功率因数表达式：

式中：Q_C为并联电容器组能够提供的无功功率。

为了使风力发电机组的功率因数达到期望的值(一般大于0.9)，并联电容器组所需提供无功功率Q_C可以由上式求得：

式中，和为并联电容器组投入前后的功率因数。

若设单位并联电容器组，在额定工作电压下的无功补偿量为Q_N-Unit，因此并联电容器的实际投入组数为：

式中，n₁表示向相邻较大的整数取整为并联电容器组实际投入组数，U_N为并联电容器组的额定工作电压，U为其实际工作电压。

由此，PQV型节点在考虑电容器的无功补偿后的实际注入无功功率为Q'＝Q_C-Q，从而进行前推回代法潮流计算。

进一步地，所述的步骤S7中所述的PI节点转换为PQ节点公式是由下面的公式得来：

对该公式两边取平方可得：

|U|²|I|²＝|P|²+|Q|²

从而得到步骤S7所述的转换公式。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提出的基于改进前推回代法的含分布式电源潮流计算方法，解决传统配电网潮流计算方法无法处理分布式电源节点的问题，包含各种分布式电源节点的处理方法，能够将各种分布式电源节点通过一系列简洁、有效地转化，与普通节点一起进行潮流计算，对研究分布式电源并网后对电网损耗、配电网电压等的影响具有深远意义；本发明提出的改进前推回代潮流计算方法，通过对支路按叶节点至根节点方向层层排序，并形成四类分布式电源节点矩阵。同时，通过灵敏度矩阵和一系列转化公式将各种分布式电源统一转化为PQ节点进行处理，具有效率高、收敛快的优点。

附图说明

图1为本发明的一种基于改进前推回代法的含分布式电源配网潮流计算方法流程图；

图2为典型配电网络结构图；

图3为异步电机等效电路图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，一种基于改进前推回代法的配网潮流计算方法流程图，具体步骤包括：

S1、读取配电网数据，并将支路阻抗、节点负荷等数据标幺化，初始化配网各节点电压，对节点、支路按照读取的顺序进行编号，由于支路数据一般给定两端节点的名称，因此需要将支路数据里的节点名称改成编号后相应的序号。

S2、将支路进行排序。搜索每一条支路数据中两端的节点编号，若某一支路仅有一端节点的编号可在其他支路里搜索到，而另一端节点的编号并没有其他支路两端节点编号对应，则说明该支路是网络叶端的支路，而没有其他节点对应的一端节点即为叶节点，并确定该支路的方向。按照以上原理从节点到根节点方向逐层进行编号，最后形成排好序的支路矩阵。

S3、根据分布式电源的不同类型，将DG节点数据分成PQ、PI、PV、PQV四类，并形成四类分布式电源的节点矩阵，储存在BusPQ、BusPI、BusPV、BusPQV四个矩阵中，并统计各类型分布式电源节点的数量。

S4、形成灵敏度阻抗矩阵Zv，其对角线元素Z_Vii为PV节点i到根节点之间的线路阻抗的模，而非对角线元素Z_Vij为PV节点i。给定PV节点的无功初始值。

S5、进入循环，首先根据每次迭代得到的数据将各类型分布式电源节点转换为PQ型节点，各转换方法已在前文详细叙述。将转换后的分布式电源节点并入配电网网络数据进行前推回代计算，其中分布式电源的P取负值，Q按照实际吸收/发出无功取为正值/负值。

S6、从线路末端开始，按顺序逐条线路依次进行回代计算：

式中，N_j为以j为起始节点的支路的终节点集，k为迭代次数。计算得到各支路电流以及功率分布。

S7、根据步骤S6得到的线路功率分布，由首端节点开始进行前推计算，得到各支路的电压降落，进而求得各节点的修正电压：

S8、判断除PV节点以外的节点是否满足收敛条件，即前后两次迭代得到的电压差是否小于收敛精度，max{|V_i ^(k+1)-V_i ^(k)|}＜ε，若满足，则进行步骤S9；若不满足，则跳到步骤S10。

S9、判断PV节点是否满足收敛要求，即迭代得到的电压与PV节点给定电压值之差是否小于给定误差，若满足，则程序结束，输出电网损耗，各节点潮流计算结果；若不满足，则进行步骤S10。

S10、判断程序循环次数k是否小于给定的最大循环次数，若满足，则返回步骤S5进行新一轮的迭代；若不满足，则结束程序，程序不收敛。

下面采用33节点配电网对本发明进行进一步实例说明，网络结构图如图2所示。功率基准值为10MVA，电压基准值为12.66kV，收敛精度为10^-5。在第16节点处接入不同类型的分布式电源节点进行计算。

具体方案配置如下：

表1 不同类型分布式电源的接入方案

方案	分布式电源类型	节点类型
			1	无	—
2	变速恒频风力发电机(PQ)：P＝150kW,Q＝50kVar	PQ
			3	光伏电池(PI)：P＝150kW,I＝15A	PI
4	燃料电池(PV)：P＝150kW,V_s＝0.98	PV
			5	定速恒频风力发电机(PQV)：P＝150kW	PQ(V)

其中，方案5的异步式风力发电机组单机容量为150kW，额定工作电压为2.4kV，经变比为12.66/2.4的变压器与配电网连接，其定子电抗x₁为4.2312Ω，转子电抗x₂为4.6212Ω，励磁电抗x_m为150.3Ω，转子电阻R为0.15804Ω。而与异步机相配套的并联电容器额定工作电压为2.4kV，单位容量为50kVar。各方案的计算结果如表2、表3所示：

表2 不同类型分布式电源的接入方案结算结果

表3 各方案迭代次数、网损和平均电压对比

	方案1	方案2	方案3	方案4	方案5
						迭代次数	3	3	4	13	3
网损(kW)	202.677	179.313	176.250	188.484	186.082
						平均电压p.u.	0.94846	0.95254	0.95320	0.96897	0.95124

从表2、表3结果中可以看出，分布式电源的加入，在一定程度提高了电网的整体电压水平，特别是在分布式电源接入点附近，能够给较明显地提高附近节点的电压水平。同时通过对比，也可以发现PV节点支撑系统各节点电压的能力最强，经深入分析发现是由于方案4分布式电源节点输出的无功最多，达到了127kVar，因此对系统各节点电压的支撑作用也较好。但是含有PV节点的网络潮流迭代次数明显比含有其他类型分布式电源的网络次数多，收敛较慢，但经与传统方法比较，收敛时间仍比较理想，收敛效果也不错。另外，可以初步看出适当加入分布式电源可以降低配电网的整体网损。

本发明设计的改进前推回代潮流计算法能够给计算含分布式电源的配电网，能够准确、可靠地计算出电压、功率、网损等在内的多项电力参数，为相关单位分析分布式电源接入电网产生的影响提供各项基础分析数据。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims

1.一种基于改进前推回代法的配电网潮流计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于改进前推回代法的配电网潮流计算方法，其特征在于，所述的步骤S5中所述补偿电流计算公式考虑PV节点每次迭代得到的电压值会与该类型节点的给定电压值之间存在偏差的问题，利用灵敏度矩阵和该电压偏差计算其补偿电流，补偿电流计算公式为：

3.根据权利要求2所述的基于改进前推回代法的配电网潮流计算方法，其特征在于，所述的步骤S6中的分布式电源实际吸收无功功率Q包含了两部分：一部分是根据其额定参数计算出的DG吸收无功；另一部分是考虑到为了降低线损，减少从电网中吸收无功功率，风力发电机组一般会同时配套带自动投切的并联电容器组以补偿无功的消耗，同时使机组的功率因数满足额定的要求，由此，得到以下关于补偿后的功率因数表达式：

式中：Q_C为并联电容器组能够提供的无功功率，

为了使风力发电机组的功率因数达到期望的值，并联电容器组所需提供无功功率Q_C可以由上式求得：

式中，和为并联电容器组投入前后的功率因数；

4.根据权利要求3所述的基于改进前推回代法的配电网潮流计算方法，其特征在于，所述的步骤S7中的PI节点转换为PQ节点公式是由下面的公式得来：

对该公式两边取平方可得：

|U|²|I|²＝|P|²+|Q|²

从而得到步骤S7所述的转换公式。