CN109449970B - 一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法 - Google Patents

一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法；涉及配电网分区方法。本发明包括：获取日前预测数据；初始化配电网分区，以每个节点为子分区，计算子分区的质量函数；对于节点i、节点j组合形成新的子分区，重新计算分区质量函数；当质量函数的变化量达到最大正值时，则将此时对应的两个节点划分到同一子分区内，更新此时的无功分区质量函数；将新形成的子分区看作一个独立的节点，重复分区；当无节点能进行合并且质量函数达到最大值时，分区停止，此时的分区为初始时刻的最优分区结果。采用本技术方案的分区结果与网络拓扑结构有关，能适应不同时段、任何光伏节点的接入或切除，合配电网中高比例分布式光伏集群电压控制与调度。

Description

一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法
技术领域
本发明涉及配电网分区方法，尤其涉及一种适用于高比例分布式光 伏配电网的分区方法。
背景技术
随着未来高比例、分散化光伏不断接入配电网后，光伏安装数量海 量增加，位置相对分散，使得未来配电网控制节点数目加大，控制变量 增多，如果采用传统集中式方法对每个光伏逆变器进行控制，会因控制 变量维数过多、控制过程复杂而不能满足控制时间尺度的要求。为解决 集中式控制方法所存在的不足，近年来电压分区控制、调度等方法逐渐 兴起。通过选取分区指标，结合对应的分区方法对电网进行分区，所分 区域具有内部节点之间强耦合、不同区域之间的节点弱耦合的特性，因 而在子分区内可以独立地对电压进行控制而不对其他子分区产生影响， 从而实现控制的简单化、分散化、快速化、实用化。
电压分区一般应用于电网侧，而对于含高比例分布式光伏的配电网， 少有研究涉及。现有的分区方法，大多根据网络的拓扑结构建立电气距 离，采用相应的分区方法对其进行分区。但当配电网中接入高比例分布 式光伏时，若仍不考虑分区内负荷需求与光伏出力的影响，只以配电网 络的拓扑结构进行分区明显是不合理的。除此之外，现有的分区方法存 在需要提前设定分区数目或NP-hard等问题，分区算法并不成熟。因此， 在未来高比例分布式光伏接入的条件下，如何既能考虑配电网的网架结 构，又能解决随时间变化的负荷需求与光伏出力对分区的影响，实现快 速、动态的配电网分区是研究的重点。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行 完善与改进，提供一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法，以 达到快速、动态分区的目的。为此，本发明采取以下技术方案。
一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法，包括以下步骤： 包括配电网无功分区方法和/或配电网有功分区方法，配电网无功分区方 法包括以下步骤：
11)获取配电网中光伏与负荷完整的日前预测数据；
12)提取日前预测数据的初始时刻值，初始化配电网分区，以每个 节点作为一个单独的子分区，并计算子分区的无功分区质量函数；无功 分区质量函数包括区内灵敏度函数、区间灵敏度函数、分区规模平衡函 数、以及无功平衡度函数；
13)对于节点i，从其他节点中随机选择节点j组合形成新的子分区 (i,j)，并重新计算无功分区质量函数；然后计算每种组合情况下，无 功分区质量函数的变化量
Figure BDA0001843524720000021
当
Figure BDA0001843524720000022
达到最大正值时，则将此时 对应的两个节点(i,j)划分到同一子分区内，更新此时的无功分区质量函 数；
14)将新形成的子分区看作一个独立的节点，重复步骤13)实现分 区过程，形成新的分区结果；
15)当没有任何节点能进行合并且无功分区质量函数达到最大值时， 分区过程停止，此时的分区为初始时刻的最优分区结果，对分区结果进 行记录存储；
16)提取日前预测数据中下一时的预测值，继续上述分区过程，直 至完成所有时段的配电网分区；
配电网有功分区方法包括以下步骤：
21)获取配电网中光伏与负荷完整的日前预测数据；
22)提取日前预测数据的初始时刻值，初始化配电网分区，以每个 节点作为一个单独的子分区，并计算子分区的有功分区质量函数；有功 分区质量函数包括区内灵敏度函数、区间灵敏度函数、分区规模平衡函 数、以及有功平衡度函数；
23)对于节点i，从其他节点中随机选择节点j组合形成新的子分区 (i,j)，并重新计算有功分区质量函数；然后计算每种组合情况下，有 功分区质量函数的变化量
Figure BDA0001843524720000031
当
Figure BDA0001843524720000032
达到最大正值时，则将此时 对应的两个节点(i,j)划分到同一子分区内，更新此时的有功分区质量函 数；
24)将新形成的子分区看作一个独立的节点，重复步骤23)实现分 区过程，形成新的分区结果；
25)当没有任何节点能进行合并且有功分区质量函数达到最大值时， 分区过程停止，此时的分区为初始时刻的最优分区结果，对分区结果进 行记录存储；
26)提取日前预测数据中下一时的预测值，继续上述分区过程，直 至完成所有时段的配电网分区。
作为优选技术手段：区内无功灵敏度函数依据网络拓扑结构，表征 分区内节点之间的无功电压灵敏度大小，以提高分区的合理性；区内无 功灵敏度函数值越大，表示分区内各节点之间无功电压灵敏度越高，各 节点之间具有较高的无功耦合度，以使分区更加合理；区内无功灵敏度 函数限制分区内节点规模，防止分区内部节点数目过多；
区内无功灵敏度函数表达式为：
Figure BDA0001843524720000041
式中，T表示无功分区数目；
Figure BDA0001843524720000042
表示第K个无功分区；N表示网络 节点数目；
Figure BDA0001843524720000043
表示第K个无功分区内节点数目；
Figure BDA0001843524720000044
表示无功分区权重， 描述节点i与节点j之间无功耦合度。
作为优选技术手段：
Figure BDA0001843524720000045
的表达式为：：
Figure BDA0001843524720000046
Figure BDA0001843524720000047
值由无功电压灵敏度矩阵SQU决定，
Figure BDA0001843524720000048
表示节点j向节点i注入 单位数量的无功功率后节点i电压幅值的变化，
Figure BDA0001843524720000049
表示节点i向节点j 注入单位数量的无功功率后节点j电压幅值的变化。
作为优选技术手段：区间无功灵敏度函数表征不同分区节点之间的 无功电压灵敏度大小，其值越小，表示不同分区节点之间无功电压灵敏 度越低，各节点之间具有较弱的无功耦合度，分区更加合理；区间无功 灵敏度函数限制分区之间节点数目，防止各分区内部节点数目过多，导 致分区结果不合理；
区间无功灵敏度函数表达式为：：
Figure BDA0001843524720000051
作为优选技术手段：无功分区规模平衡函数用于限制分区规模，防 止分区数目不合理，同时能增强分区精度，使分区结果更加完善，其值 越大，当前分区数目越合理，分区结果越准确；
无功分区规模平衡函数表达式为：:
Figure BDA0001843524720000052
作为优选技术手段：无功平衡度函数表达式为：:
Figure BDA0001843524720000053
式中：Qsupplied表示子分区
Figure BDA0001843524720000054
内所有光伏可提供的无功功率；而在子 分区Ck内，最小无功需求量表示为：
Figure BDA0001843524720000055
式中：ΔVi表示节点i的电压增量；
Figure BDA0001843524720000061
代表在子分区Ck内，第i 个光伏单元对第i个节点的无功电压灵敏度。
作为优选技术手段：无功分区质量函数表达式为：
Figure BDA0001843524720000062
有益效果：
⑴本发明的分区结果不仅能体现配电网的网架结构，还能反映分 区内负荷需求与光伏出力的影响。
⑵本发明的分区方法不需要提前设定最佳分区数目，能自动生成 最优分区结果。
⑶本发明的分区方法寻优速度快，不存在NP-hard问题，且是一 个动态分区的过程，适合未来配电网对高比例分布式光伏进行集群控制。
⑷本发明的分区结果不仅与网络拓扑结构有关，且能适应不同时 段、任何光伏节点的接入或切除，反映各个时段负荷需求与光伏出力随 时间变化对分区结果的影响，是一个动态分区的过程，适合未来配电网 中高比例分布式光伏集群电压控制与调度。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为本发明配电网无功/有功分区的一个示例性实施例的拓扑图。
图3为本发明配电网无功/有功分区的一个示例性实施例的光伏安装 容量分布图。
图4为本发明无功/有功分区质量函数随分区个数改变的变化图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法，包括 配电网无功/有功分区方法，以下以配电网无功分区方法为例具体阐述方 法及过程，由于配电网无功分区方法和配电网有功分区方法相同，配电 网有功分区方法不再重述,
配电网无功分区方法包括以下步骤：
S01:获取配电网中光伏与负荷完整的日前预测数据；
S02:提取日前预测数据的初始时刻值，初始化配电网分区，以每个 节点作为一个单独的子分区，并计算子分区的无功分区质量函数；无功 分区质量函数包括区内灵敏度函数、区间灵敏度函数、分区规模平衡函 数、以及无功平衡度函数；
各函数定义如下：
A：区内无功灵敏度函数：
Figure BDA0001843524720000071
式中，T表示无功分区数目；
Figure BDA0001843524720000072
表示第K个无功分区；N表示网络 节点数目；
Figure BDA0001843524720000073
表示第K个无功分区内节点数目；
Figure BDA0001843524720000074
表示无功分区权重， 描述节点之间无功耦合度，其值由无功电压灵敏度矩阵SQU决定(SQU表 示节点注入单位数量的无功功率节点电压幅值的变化，可由雅克比矩阵 获得)：
Figure BDA0001843524720000081
区内无功灵敏度函数主要依据网络拓扑结构，表征分区内节点之间 的无功电压灵敏度大小，其值越大，表示分区内各节点之间无功电压灵 敏度越高，各节点之间具有较高的无功耦合度，分区更加合理。同时， 区内无功灵敏度函数还能够限制分区内节点规模，防止分区内部节点数 目过多，导致分区结果不合理。
B：区间无功灵敏度函数：
Figure BDA0001843524720000082
区间无功灵敏度函数主要表征不同分区节点之间的无功电压灵敏度 大小，其值越小，表示分区之间各节点之间无功电压灵敏度越低，各节 点之间具有较弱的无功耦合度，分区更加合理。同时，区间无功灵敏度 函数能够限制分区之间节点数目，防止各分区内部节点数目过多，导致 分区结果不合理。
C：无功分区规模平衡函数:
Figure BDA0001843524720000083
无功分区规模平衡函数主要用于限制分区规模，防止分区数目不合 理，同时能增强分区精度，使分区结果更加完善，其值越大，当前分区 数目越合理，分区结果越准确。
D：无功平衡度函数:
Figure BDA0001843524720000091
式中：Qsupplied表示子分区
Figure BDA0001843524720000092
内所有光伏可提供的无功功率；而在子 分区Ck内，最小无功需求量可表示为：
Figure BDA0001843524720000093
式中：ΔVi表示节点i的电压增量；
Figure BDA0001843524720000094
代表在子分区Ck内，第i个 光伏单元对第i个节点的无功电压灵敏度。
综合以上各类指标，本发明提出无功分区质量函数表达式如下：
Figure BDA0001843524720000095
S03:对于节点i，从其他节点中随机选择节点j组合形成新的子分区 (i,j)，并重新计算无功分区质量函数；然后计算每种组合情况下，无 功分区质量函数的变化量
Figure BDA0001843524720000096
当
Figure BDA0001843524720000097
达到最大正值时，则将此时 对应的两个节点(i,j)划分到同一子分区内，更新此时的无功分区质量函 数；
SO4:将新形成的子分区看作一个独立的节点，重复步骤13)实现分 区过程，形成新的分区结果；
SO5:当没有任何节点能进行合并且无功分区质量函数达到最大值时， 分区过程停止，此时的分区为初始时刻的最优分区结果，对分区结果进 行记录存储；
SO6:提取日前预测数据中下一时的预测值，继续上述分区过程，直 至完成所有时段的配电网分区。
本发明采用某一实际馈线作为分析对象，验证所提方法的有效性。 该馈线是10kV辐射型的三相平衡系统，拓扑结构可见图3，一共有30个 节点，线路接入总负荷为15.58MVA，总光伏安装容量为9.7MW，各节点 光伏安装容量如图4所示，线路中的光伏系统通过升压变压器接入馈线 中。
本发明首先根据配电网光伏出力的预测数据对配电网进行无功/有功 分区，并作为后续优化控制的基础。根据配电网全天馈线运行状态的预 测值，对30节点系统按照前述分区方法进行所有时段的无功/有功分区， 选取某天中午12:30为例说明分区过程及结果。某天中午12:30不同分区 数对应的无功/有功分区质量函数曲线如5所示，在图中可以看出，当系 统分为6个无功子分区时，无功分区质量函数取得最大值Q＝0.3583，因 此最佳无功分区数为6分区，网络相应的无功分区结果如图2中红色虚 线框划分所示。同理，有功分区质量函数取得最大值Q＝0.5768，最佳有 功分区数为5分区，网络相应的有功分区结果如图2中蓝色实线框划分 所示。各无功子分区依次标记为{CQ1,CQ2,CQ3,CQ4,CQ5,CQ6}。各有功子分 区依次标记为{CP1,CP2,CP3,CP4,CP5}，由此可以看出，本发明适合对含高 比例分布式光伏的配电网进行分区，且分区结果合理。
以上图1、2所示的一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法 是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据 实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等 同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (4)

1.一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于：包括配电网无功分区方法和/或配电网有功分区方法，配电网无功分区方法包括以下步骤：
11)获取配电网中光伏与负荷完整的日前预测数据；
12)提取日前预测数据的初始时刻值，初始化配电网分区，以每个节点作为一个单独的子分区，并计算子分区的无功分区质量函数；无功分区质量函数包括区内灵敏度函数、区间灵敏度函数、分区规模平衡函数、以及无功平衡度函数；
区内无功灵敏度函数依据网络拓扑结构，表征分区内节点之间的无功电压灵敏度大小，以提高分区的合理性；区内无功灵敏度函数值越大，表示分区内各节点之间无功电压灵敏度越高，各节点之间具有较高的无功耦合度，以使分区更加合理；区内无功灵敏度函数限制分区内节点规模，防止分区内部节点数目过多；
区内无功灵敏度函数表达式为：
Figure FDA0002943610240000011
式中，T表示无功分区数目；
Figure FDA0002943610240000012
表示第K个无功分区；N表示网络节点数目；
Figure FDA0002943610240000013
表示第K个无功分区内节点数目；
Figure FDA0002943610240000014
表示无功分区权重，描述节点i与节点j之间无功耦合度；
区间无功灵敏度函数表征不同分区节点之间的无功电压灵敏度大小，其值越小，表示不同分区节点之间无功电压灵敏度越低，各节点之间具有较弱的无功耦合度，分区更加合理；区间无功灵敏度函数限制分区之间节点数目，防止各分区内部节点数目过多，导致分区结果不合理；
区间无功灵敏度函数表达式为：
Figure FDA0002943610240000021
无功分区规模平衡函数用于限制分区规模，防止分区数目不合理，同时能增强分区精度，使分区结果更加完善，其值越大，当前分区数目越合理，分区结果越准确；
无功分区规模平衡函数表达式为：
Figure FDA0002943610240000022
13)对于节点i，从其他节点中随机选择节点j组合形成新的子分区(i,j)，并重新计算无功分区质量函数；然后计算每种组合情况下，无功分区质量函数的变化量
Figure FDA0002943610240000023
当
Figure FDA0002943610240000024
达到最大正值时，则将此时对应的两个节点(i,j)划分到同一子分区内，更新此时的无功分区质量函数；
14)将新形成的子分区看作一个独立的节点，重复步骤13)实现分区过程，形成新的分区结果；
15)当没有任何节点能进行合并且无功分区质量函数达到最大值时，分区过程停止，此时的分区为初始时刻的最优分区结果，对分区结果进行记录存储；
16)提取日前预测数据中下一时的预测值，继续上述分区过程，直至完成所有时段的配电网分区；
配电网有功分区方法包括以下步骤：
21)获取配电网中光伏与负荷完整的日前预测数据；
22)提取日前预测数据的初始时刻值，初始化配电网分区，以每个节点作为一个单独的子分区，并计算子分区的有功分区质量函数；有功分区质量函数包括区内灵敏度函数、区间灵敏度函数、分区规模平衡函数、以及有功平衡度函数；
23)对于节点i，从其他节点中随机选择节点j组合形成新的子分区(i,j)，并重新计算有功分区质量函数；然后计算每种组合情况下，有功分区质量函数的变化量
Figure FDA0002943610240000031
当
Figure FDA0002943610240000032
达到最大正值时，则将此时对应的两个节点(i,j)划分到同一子分区内，更新此时的有功分区质量函数；
24)将新形成的子分区看作一个独立的节点，重复步骤23)实现分区过程，形成新的分区结果；
25)当没有任何节点能进行合并且有功分区质量函数达到最大值时，分区过程停止，此时的分区为初始时刻的最优分区结果，对分区结果进行记录存储；
26)提取日前预测数据中下一时的预测值，继续上述分区过程，直至完成所有时段的配电网分区。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于：
Figure FDA0002943610240000041
的表达式为：
Figure FDA0002943610240000042
Figure FDA0002943610240000043
值由无功电压灵敏度矩阵
Figure FDA0002943610240000044
与
Figure FDA0002943610240000045
决定，
Figure FDA0002943610240000046
表示节点j向节点i注入单位数量的无功功率后节点i电压幅值的变化，
Figure FDA0002943610240000047
表示节点i向节点j注入单位数量的无功功率后节点j电压幅值的变化。
3.根据权利要求2所述的一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于：无功平衡度函数表达式为：
Figure FDA0002943610240000048
式中：Qsupplied表示子分区
Figure FDA0002943610240000049
内所有光伏可提供的无功功率；而在子分区Ck内，最小无功需求量表示为：
Figure FDA00029436102400000410
式中：ΔVi表示节点i的电压增量；
Figure FDA00029436102400000411
代表在子分区Ck内，第i个光伏单元对第i个节点的无功电压灵敏度。
4.根据权利要求3所述的一种适用于高比例分布式光伏配电网的分区方法，其特征在于：无功分区质量函数表达式为：
Figure FDA00029436102400000412
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