CN109102424A - 一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，包括：在配电系统中的设定节点处安装配电系统同步相量量测装置；利用配电系统同步相量量测装置对安装节点进行量测量采集；根据相邻配电系统同步相量量测装置所采集的信息，对相邻配电系统同步相量量测装置所在节点之间的未知网络进行等值与化简。本发明在无需掌握系统阻抗参数的情况下，仅利用部分节点的DPMU量测装置，即可实现对配电系统的未知网络进行等值与化简，从而将一个节点数较多、量测参数不完整的配电网络简化成一个节点数较少且量测参数完整的配电网络，为后续的配电系统管理提供技术支撑。本发明无需掌握线路阻抗参数且仅在部分节点安装DPMU装置，具有较好的社会效益和工程实现性。
Description
技术领域
本发明涉及一种配电系统网络拓扑简化方法。特别是涉及一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法。
背景技术
随着配电系统中分布式能源渗透率的不断提高以及配电系统组成元素的愈发多元化，配电网量测不足，拓扑信息缺失等实际问题使得基于全网量测信息的管理方法已不能很好地适用于未来配电网[1-3]。
传统的配电系统协调控制需要掌握配电网的全部参数，包括配电网拓扑结构、所有节点的注入功率、线路阻抗参数等。然而，实际配电系统线路覆盖范围广、分支众多、运行环境复杂，只有小比例的节点处装有量测采集装置，配电系统运营商(distributionsystem operators,DSO)无法掌握配电系统的全部量测参数以及精准的线路阻抗参数，部分地区的拓扑结构甚至都是未知的。此外，配电系统负荷变化大，分布式可再生能源出力存在不确定性和波动性，对配电系统量测装置的精度又提出了更高的要求。近些年，大量学者试图通过利用更先进更精确的量测装置和更复杂的监控系统来解决上述问题。同步相量量测装置(phasor measurement unit,PMU)因其具有基于全球定位系统(global positionsystem,GPS)的同步时钟模块，可以为系统提供精准的实时同步相量信息，使动态监测和精准监测成为可能。虽然PMU已经广泛而成熟地应用在输电系统中状态估计、故障诊断、拓扑辨识等方面，但PMU在配电系统中的应用仍处于起步阶段[4-9]。文献[8]通过分析三相DPMU的量测数据，调节负荷使其为配电系统提供频率调节辅助服务。文献[9]提出了一种基于DPMU的电压无功控制方法，该方法通过在分布式电源(distribution generation,DG)与有载调压变压器处安装配电系统同步相量量测装置(distributionphasor measurement unit,DPMU)并基于克朗简化方法对系统进行电压无功调节。但该方法需要准确掌握配电系统中所有线路阻抗参数。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够将一个节点数较多、量测参数不完整的配电网络简化成一个节点数较少且量测参数完整的配电网络的基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，包括如下步骤：
1)在配电系统中的设定节点处安装配电系统同步相量量测装置；
2)利用配电系统同步相量量测装置对安装节点进行量测量采集；
3)根据相邻配电系统同步相量量测装置所采集的信息，对相邻配电系统同步相量量测装置所在节点之间的未知网络进行等值与化简。
步骤1)所述的设定节点包括有：有源节点，容易引起电压越界的负荷节点，可控负荷节点。
步骤3)中对任意相邻的两个节点进行等值与化简是，首先设定节点m和节点n为配电系统中任意相邻的两个配电系统同步相量量测装置所在节点，节点m和节点n之间的网络没有安装量测采集装置，即节点m和节点n之间的网络中线路阻抗参数和节点功率参数为未知，并且节点m和节点n之间网络的拓扑结构也是未知的，对节点m和节点n之间的网络进行如下化简：
(1)将节点m和节点n之间的网络集成为一个单一的虚拟节点，该虚拟节点的电压与注入电流分别用V*∠θ*和I*∠φ*来表示，虚拟节点与节点m之间的线路阻抗参数为Zmn,1，虚拟节点与节点n之间的线路阻抗参数为Zmn,2，有
I*∠φ*＝In,in∠φn,in-Im,out∠φm,out (1)
式中，Vn表示节点n的电压幅值，θn表示节点n的电压相角，In,in表示从上游流入节点n处的电流幅值，φn,in表示从上游流入节点n处的电流相角，In,out表示节点n处流出到下游的电流幅值，In,out表示节点n处流出到下游的电流幅值，φn,out表示节点n处流出到下游的电流相角，
在等效过程中，人为的假设：
从而得到：
(2)通过线路等值变换将第(1)步中所形成的虚拟节点进行消除处理，变换的原则为保持变换前后节点m和节点n之间网络损耗相等，将由I*∠φ*、Zmn,1和Zmn,2组成的结构等效变换成由Im,2∠φm,2、In,1∠φn,1和Zn,equ组成的结构，其中，Im,2∠φm,2和In,1∠φn,1分别为因网络简化在节点m和节点n处产生的附加注入电流，Zn,equ为节点m和节点n之间的等效阻抗；
节点m和节点n之间的网络损耗表示为Smn,loss，有：
Smn,loss＝|Im,out∠φm,out|2·Zmn,2+|In,in∠φn,in|2·Zmn,2 (7)
则
式中，(·)′表示复数的共轭，有：
Im,2∠φm2＝In,equ∠φn,equ-Im,out∠φm,out (10)
In,1∠φn,1＝In,in∠φn,in-In,equ∠φn,equ (11)。
步骤3)中对任意相邻的三个以上的节点进行等值与化简是，
首先设定配电系统同步相量量测装置所在节点m1存在两个以上相邻的下游配电系统同步相量量测装置所在节点n1至节点nk，节点m1与节点n1至节点nk之间的网络没有安装量测采集装置，即节点m1与节点n1至节点nk之间的网络中线路阻抗参数和节点功率参数为未知，并且节点m1与节点n1至节点nk之间网络的拓扑结构也是未知的，对节点m1与节点n1至节点nk之间的网络进行如下化简：
将节点m1与节点n1至节点nk之间的网络集成为一个单一的虚拟节点，该虚拟节点的电压与注入电流分别用V*∠θ*和I*∠φ*来表示，从节点n1至节点nk中任意选取一个节点n1，V*∠θ*表示为
虚拟节点到节点m1的阻抗可表示为
虚拟节点与节点n1至节点nk之间的阻抗可分别表示为有
此外，虚拟节点处的注入电流I*∠φ*为
本发明的一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，在无需掌握系统阻抗参数的情况下，仅利用部分节点的DPMU量测装置，即可实现对配电系统的未知网络进行等值与化简，从而将一个节点数较多、量测参数不完整的配电网络简化成一个节点数较少且量测参数完整的配电网络，为后续的配电系统管理提供技术支撑。本发明的方法无需掌握线路阻抗参数且仅在部分节点安装DPMU装置，具有较好的社会效益和工程实现性。
附图说明
图1是配电系统同步相量量测装置的结构示意图；
图2a是包含2个配电系统同步相量量测装置的结构示意图；
图2b是在图2a中设置虚拟结点的结构示意图；
图2c是图2a的拓扑简化示意图；
图3a是包含2个以上配电系统同步相量量测装置的结构示意图；
图3b是图3a的拓扑简化示意图；
图4是调整后的IEEE33节点配电网结构示意图；
图5a是拓扑简化前的IEEE33节点配电网结构示意图；
图5b是拓扑简化后的IEEE33节点配电网结构示意图；
图6是实际网络与简化网络的参数偏差曲线图；
图7是不同DPMU配置下的电压灵敏度偏差曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法做出详细说明。
针对配电网量测不足，拓扑信息缺失等实际问题对配电系统运行、调度和调度等方面的影响，本发明在无需掌握配电系统线路阻抗参数的情况下，利用配电系统中部分重要节点的配电系统同步相量量测装置(DPMU)的量测量对配电系统网络拓扑进行简化，从而将一个节点数较多、量测参数不完整的配电网络简化成一个节点数较少且量测参数完整的配电网络，为后续的配电系统管理提供技术支撑。本发明的方法利用DPMU对安装点的电压幅值、电压相角、电流幅值和电流相角等参数进行量测采集；并利用相邻DPMU所采集的信息对它们所在节点之间的未知网络进行等值与化简，简化后的网络中的线路阻抗参数以及节点功率参数均可以通过原网络的DPMU量测量计算得出，为后续的配电系统运行、调度和调度等提供阻抗与功率参数参考。
本发明的一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，包括如下步骤：
1)在配电系统中的设定节点处安装配电系统同步相量量测装置(DPMU)；所述的设定节点包括有：有源节点，例如，平衡节点，装有分布式电源或者储能系统的节点，装有无功补偿装置的节点等；容易引起电压越界的负荷节点，可控负荷节点。DPMU的配置示意图以及采集的量测参数如图1与表1所示。
表1
2)利用配电系统同步相量量测装置对安装节点进行量测量采集；
3)根据相邻配电系统同步相量量测装置所采集的信息，对相邻配电系统同步相量量测装置所在节点之间的未知网络进行等值与化简，这样就可以将一个节点数较多、量测参数不完整的配电网络简化成一个节点数较少且量测参数完整的配电网络。所述的对相邻配电系统同步相量量测装置所在节点之间的未知网络进行等值与化简有两种情况。
第一种情况：
对任意相邻的两个节点进行等值与化简是，如图2a所示首先设定节点m和节点n为配电系统中任意相邻的两个配电系统同步相量量测装置所在节点，节点m和节点n之间的网络没有安装量测采集装置，即节点m和节点n之间的网络中线路阻抗参数和节点功率参数为未知，并且节点m和节点n之间网络的拓扑结构也是未知的，对节点m和节点n之间的网络进行如下化简：
(1)将节点m和节点n之间的网络集成为一个单一的虚拟节点，如图2b所示。该虚拟节点的电压与注入电流分别用V*∠θ*和I*∠φ*来表示，虚拟节点与节点m之间的线路阻抗参数为Zmn,1，虚拟节点与节点n之间的线路阻抗参数为Zmn,2。如图2b所示，有
I*∠φ*＝In,in∠φn,in-Im,out∠φm,out (1)
由于所有的设定节点处均装有配电系统同步相量量测装置，即相邻两个配电系统同步相量量测装置所在节点之间网络中线路上的电压变化较为平缓。因此，在等效过程中，人为的假设：
由公式(1)～(4)可知，V*∠θ*、I*∠φ*、Zmn,1和Zmn,2由节点m和节点n处的配电系统同步相量量测装置所采集的量测信息计算得出，从而得到：
(2)通过线路等值变换将第(1)步中所形成的虚拟节点进行消除处理，变换的原则为保持变换前后节点m和节点n之间网络损耗相等，如图2b和2c所示，将由I*∠φ*、Zmn,1和Zmn,2组成的结构(图2b虚线部分)等效变换成由Im,2∠φm,2、In,1∠φn,1和Zn,equ组成的结构(图2c虚线部分)，其中，Im,2∠φm,2和In,1∠φn,1分别为因网络简化在节点m和节点n处产生的附加注入电流，Zn,equ为节点m和节点n之间的等效阻抗；
节点m和节点n之间的网络损耗表示为Smn,loss，有：
Smn,loss＝|Im,out∠φm,out|2·Zmn,2+|In,in∠φn,in|2·Zmn,2 (7)
则(如图2c所示)
式中，(·)′表示复数的共轭，有(如图2c所示)：
Im,2∠φm2＝In,equ∠φn,equ-Im,out∠φm,out (10)
In,1∠φn,1＝In,in∠φn,in-In,equ∠φn,equ (11)。
综上所述，利用公式(1)-(11)和节点m与节点n处配电系统同步相量量测装置的量测信息，可以将图2a中的网络简化成图2c中的网络。简化后的网络中，仅包含节点m与节点n两个节点，且两节点之间的阻抗参数和两节点处的功率参数均可通过计算得出。
第二种情况：
对任意相邻的三个以上的节点进行等值与化简是，如图3a所示
首先设定配电系统同步相量量测装置所在节点m1存在两个以上相邻的下游配电系统同步相量量测装置所在节点n1至节点nk，节点m1与节点n1至节点nk之间的网络没有安装量测采集装置，即节点m1与节点n1至节点nk之间的网络中线路阻抗参数和节点功率参数为未知，并且节点m1与节点n1至节点nk之间网络的拓扑结构也是未知的，对节点m1与节点n1至节点nk之间的网络进行如下化简：
将节点m1与节点n1至节点nk之间的网络集成为一个单一的虚拟节点，该虚拟节点的电压与注入电流分别用V*∠θ*和I*∠φ*来表示。从节点n1至节点nk中任意选取一个节点n1，V*∠θ*可表示为
虚拟节点到节点m1的阻抗可表示为
虚拟节点与节点n1至节点nk之间的阻抗可分别表示为有
此外，虚拟节点处的注入电流I*∠φ*为
综上所述，一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，简化后的网络中所有网络参数，包括节点间的阻抗参数以及节点的功率参数，均可通过配电系统同步相量量测装置的量测信息计算得出，为后续的分布式协调控制提供了有关于网络拓扑结构、线路阻抗参数以及各个节点注入功率的技术支持。此外，由于简化后的网络参数取决于配电系统同步相量量测装置的实时量测值，因此，不同工况对应的简化网络是不同的，控制系统需要根据当前的配电系统同步相量量测装置量测信息对配电系统进行实时网络化简。
下面结合附图和具体实施方式进一步详细说明本发明。
本发明利用调整后的IEEE33节点配电网对所提出的电压控制方法进行验证，网络拓扑如图4所示。图中，系统在节点1、6、12、16,、24、28和30处装有DPMU装置，其中，节点6、12和24处装有光伏，节点16和30处装有生物质发电装置，节点16、28和30处装有SVG无功补偿装置。该系统的基准电压与基准容量分别为VBase＝12.66kV，SBase＝10MVA，默认节点1处的电压恒为1∠0°。。
当系统运行在t＝t1时，支路6-26发生断路。此时，PV1、PV2、PV3和生物质发电分别为2、0.7、2和1.1MW。当t＝t1时，MAS根据节点1、6、12、16和24处DPMU的当前量测数据对网络进行拓扑简化，简化示意图如图5a、图5b所示，简化后网络的网络参数如表2所示。
表2
本发明的一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，基于不完全量测信息对系统进行简化，为以后续配电系统的控制与管理提供技术支持。因此，当系统内存在功率变化时，在简化网络中的潮流分布与实际网络的会存在一定的偏差。图6展示了如图5a所示的实际网络节点16与如图5b所示的简化网络中节点DPMU4处分别从配电系统吸收0.227MVar无功功率后两个系统的电压分布误差曲线。如图6可知，电压幅值误差最大的节点为节点16，偏差为0.0382％；电压相角误差最大的节点为节点12，偏差为0.718％。由此可见，本发明所提出的网络简化方法的电压幅值和电压相角偏差均较小，从而证明了本发明所提出的网络简化算法的有效性。
配电系统中，配置的DPMU个数与位置直接影响网络拓扑简化的精确性。以计算配电系统内电压灵敏度为例，对不同场景下基于简化网络计算出的灵敏度参数和与基于传统方法利用雅各比矩阵计算求得的和进行了对比。不同场景下DPMU的个数与位置如表3所示。
表3
不同场景下节点16的灵敏度参数对比如图7所示。由图7可知，系统中DPMU配置个数越多，基于简化网络计算出的灵敏度参数越精准；场景II与场景III中均配置8个DPMU，场景II将其中一个DPMU配置在节点8处，节点8处的负荷为0.2MW+j0.1MVar；场景III将其中一个DPMU配置在节点10处，节点10处的负荷为0.06MW+j0.02MVar。由场景II与场景III对比可知，DPMU配置个数相同的情况下，将DPMU配置在负荷较大的节点有利于提高网络简化算法的精确性。
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Claims (4)
1.一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)在配电系统中的设定节点处安装配电系统同步相量量测装置；
2)利用配电系统同步相量量测装置对安装节点进行量测量采集；
3)根据相邻配电系统同步相量量测装置所采集的信息，对相邻配电系统同步相量量测装置所在节点之间的未知网络进行等值与化简。
2.根据权利要求1所述的一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，其特征在于，步骤1)所述的设定节点包括有：有源节点，容易引起电压越界的负荷节点，可控负荷节点。
3.根据权利要求1所述的一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，其特征在于，步骤3)中对任意相邻的两个节点进行等值与化简是，首先设定节点m和节点n为配电系统中任意相邻的两个配电系统同步相量量测装置所在节点，节点m和节点n之间的网络没有安装量测采集装置，即节点m和节点n之间的网络中线路阻抗参数和节点功率参数为未知，并且节点m和节点n之间网络的拓扑结构也是未知的，对节点m和节点n之间的网络进行如下化简：
(1)将节点m和节点n之间的网络集成为一个单一的虚拟节点，该虚拟节点的电压与注入电流分别用V*∠θ*和I*∠φ*来表示，虚拟节点与节点m之间的线路阻抗参数为Zmn,1，虚拟节点与节点n之间的线路阻抗参数为Zmn,2，有
I*∠φ*＝In,in∠φn,in-Im,out∠φm,out (1)
式中，Vn表示节点n的电压幅值，θn表示节点n的电压相角，In,in表示从上游流入节点n处的电流幅值，φn,in表示从上游流入节点n处的电流相角，In,out表示节点n处流出到下游的电流幅值，In,out表示节点n处流出到下游的电流幅值，φn,out表示节点n处流出到下游的电流相角，
在等效过程中，人为的假设：
从而得到：
(2)通过线路等值变换将第(1)步中所形成的虚拟节点进行消除处理，变换的原则为保持变换前后节点m和节点n之间网络损耗相等，将由I*∠φ*、Zmn,1和Zmn,2组成的结构等效变换成由Im,2∠φm,2、In,1∠φn,1和Zn,equ组成的结构，其中，Im,2∠φm,2和In,1∠φn,1分别为因网络简化在节点m和节点n处产生的附加注入电流，Zn,equ为节点m和节点n之间的等效阻抗；
节点m和节点n之间的网络损耗表示为Smn,loss，有：
Smn,loss＝|Im,out∠φm,out|2·Zmn,2+|In,in∠φn,in|2·Zmn,2 (7)
则
式中，(·)′表示复数的共轭，有：
Im,2∠φm2＝In,equ∠φn,equ-Im,out∠φm,out (10)
In,1∠φn,1＝In,in∠φn,in-In,equ∠φn,equ (11)。
4.根据权利要求1所述的一种基于配电系统同步相量量测的网络拓扑简化方法，其特征在于，步骤3)中对任意相邻的三个以上的节点进行等值与化简是，
首先设定配电系统同步相量量测装置所在节点m1存在两个以上相邻的下游配电系统同步相量量测装置所在节点n1至节点nk，节点m1与节点n1至节点nk之间的网络没有安装量测采集装置，即节点m1与节点n1至节点nk之间的网络中线路阻抗参数和节点功率参数为未知，并且节点m1与节点n1至节点nk之间网络的拓扑结构也是未知的，对节点m1与节点n1至节点nk之间的网络进行如下化简：
将节点m1与节点n1至节点nk之间的网络集成为一个单一的虚拟节点，该虚拟节点的电压与注入电流分别用V*∠θ*和I*∠φ*来表示，从节点n1至节点nk中任意选取一个节点n1，V*∠θ*表示为
虚拟节点到节点m1的阻抗可表示为
虚拟节点与节点n1至节点nk之间的阻抗可分别表示为有
此外，虚拟节点处的注入电流I*∠φ*为
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