CN110912137A - 一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法 - Google Patents

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CN110912137A CN201911021276.7A CN201911021276A CN110912137A CN 110912137 A CN110912137 A CN 110912137A CN 201911021276 A CN201911021276 A CN 201911021276A CN 110912137 A CN110912137 A CN 110912137A
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Abstract

本发明涉及一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其技术特点是：获取柔性配电网参数；建立工作点向量式及其取值范围；基于交流潮流，建立柔性配电网中SOP的运行约束方程和不等式；基于DistFlow理论，建立柔性配电网的交流潮流方程；基于交流潮流方程，计算得到柔性配电网的系统运行约束不等式；综合构建计及交流潮流的柔性配电网运行域模型。本发明首次提出柔性配电网运行域，相比于柔性配网的安全域，更适用于FDN正常状态下的调度运行，能够更加精确刻画FDN边界，有利于实现FDN中有功/无功的解耦控制，能够分析全局的运行信息、加快运行状态评价速度、有利于解决FDN中的不确定性分析问题。

Description

一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法
技术领域
本发明属于配电网调度与运行技术领域，尤其是一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法。
背景技术
电力电子技术在未来配电网的地位占有举足轻重的地位。柔性软开关(Soft OpenPoints,SOP)是一类电力电子设备的总称，SOP可以提供动态、连续的功率调节能力并且限制闭环运行配网的短路电流。柔性配电网(Flexible Distribution Networks,FDN)定义为含有多个SOP闭环运行的具有灵活功率调控能力的配电网。
安全性是FDN运行的主要目标。安全性是FDN运行的主要目标。配电安全域被定义为状态空间中所有满足安全准则的工作点的集合。相比于一次只对单一状态分析的“逐点法”，域方法有如下优点：1)离线计算全局的安全边界并且在线应用；2)可以量化工作点在域中的相对位置，因此时序问题可以通过分析工作点变化路径解决；3)边界可以由超平面联立表达，有利于解决FDN中的不确定性分析问题。
配电安全域方法自2012年首次提出后，其研究已经涉及到模型、算法、拓扑性质、应用等多个方面。相比于安全域，运行域是更侧重刻画配电网再正常运行状态下的极限能力边界，而安全域面向在N-1故障后的供电恢复场景。相关文献提出了风电场的运行域的概念，但是场景是110kV及以上输电网，其安全性问题与配电网有本质不同。有些文献提出了考虑分布式电源和微电网的配电网运行域，但是没有涉及到任何柔性电力电子环节，不能适用于柔性配电网。还有文献提出了柔性软开关SOP的运行域，但是这个域的对象是一个器件的控制理论，其基于SOP有功无功四象限运行的概念，与柔性配网整体调度运行的域方法完全不同。
专利文献(名称为一种构建柔性配电网的安全域模型的方法，申请号：201710657597.0)能够构建了柔性配电网的安全域，但是该专利存在如下问题：1)所针对场景是FDN在N-1故障后的供电恢复场景，不能刻画FDN正常运行状态下的极限能力边界；2)没有计及精确的交流潮流计算，仅仅采用直流潮流模型，无法真正支撑域方法在FDN调度控制中的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，能够精确刻画FDN在正常运行状态下的交流潮流运行域，为开发基于域的FDN安全高效运行方法提供技术基础。
本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：
一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，包括以下步骤：
步骤1、获取柔性配电网参数；
步骤2、建立工作点向量式及其取值范围；
步骤3、基于交流潮流，建立柔性配电网中SOP的运行约束方程和不等式；
步骤4、基于DistFlow理论，建立柔性配电网的交流潮流方程；
步骤5、基于交流潮流方程，计算得到柔性配电网的系统运行约束不等式；
步骤6、综合构建计及交流潮流的柔性配电网运行域模型。
进一步，所述柔性配电网参数包括网络拓扑结构、节点规模与类型、SOP端口数、SOP端口连接节点、SOP容量、SOP效率系数、SOP正常运行状态下的端口控制方式。
进一步，所述柔性配电网参数还包括分布式电源的容量。
进一步，所述步骤2建立工作点向量式及其取值范围的方法为：选取柔性配电网正常运行时所有非平衡节点的净功率构成的向量，并根据柔性配电网各节点元件容量给出工作点向量元素的取值范围区间；所述工作点向量表示为：
W＝[S1,...,Sn]＝[(P1,Q1),...,(Pn,Qn)]
Pi＝Pi L-Pi G
Figure BDA0002247300160000026
其中，W为工作点，S为视在功率，P为有功功率，Q为无功功率，下标i代表节点i,上标L为负荷，G为分布式电源，设流出节点i为正方向；
节点净功率范围受到所连接设备的限制表示为：
配变容量约束：|Si|≤Ci DT
分布式电源出力约束：|Si G|≤Ci G
其中，C为设备容量，上标DT为配变。
进一步，所述步骤3建立运行约束方程和不等式包括：SOP容量约束不等式、SOP功率损耗方程、SOP端口有功功率平衡方程，设t个端口的SOP分别连接柔性配电网的t个节点，SOP的运行满足下式：
SOP端口有功功率平衡方程：∑(Pi SOP+ΔPi SOP)＝0
SOP功率损耗方程：ΔPi SOP＝αi SOPCi SOP
SOP的容量约束：
Figure BDA0002247300160000021
其中，K是SOP的端口集合；Pi SOP是注入SOP端口i的有功功率,
Figure BDA0002247300160000027
为无功功率,
Figure BDA0002247300160000028
是视在功率，ΔPi SOP是SOP端口i的损耗，
Figure BDA00022473001600000210
是损耗系数，
Figure BDA0002247300160000029
是端口i的容量。
进一步，所述步骤4建立柔性配电网的交流潮流方程包括FDN线路复功率方程以及节点电压方程，分别表示如下：
Figure BDA0002247300160000022
Figure BDA0002247300160000023
Figure BDA0002247300160000024
Figure BDA0002247300160000025
其中，Ui是节点i的电压幅值，下角标ji是节点i、j之间的支路ji，rij和xij是支路ji的电阻和电抗，Pij和Qij是通过支路ji的有功和无功功率，正方向i到j。
进一步，所述步骤5柔性配电网的系统运行约束不等式包括：线路热容量约束不等式、主变压器热容量约束不等式、节点电压约束不等式，分别表示如下：
线路热容量约束不等式：|Sij|≤Cij
主变压器热容量约束不等式：
Figure BDA0002247300160000031
节点电压约束不等式：
Figure BDA0002247300160000032
其中，Cij为线路ij容量，上标T为主变，
Figure BDA0002247300160000033
为主变i的负荷,
Figure BDA0002247300160000034
为主变额定功率，Ti主变i的供电节点集合，
Figure BDA0002247300160000035
和
Figure BDA0002247300160000036
节点i电压的上下限。
进一步，对于不含分布式电源节点的柔性配电网，
Figure BDA0002247300160000037
和
Figure BDA0002247300160000038
分别设置0.93和1.07；对于含分布式电源节点的柔性配电网,
Figure BDA0002247300160000039
和
Figure BDA00022473001600000310
分别设置为0.95和1.05。
所述步骤6构建的柔性配电网运行域模型表示如下：
ΩFDR＝{W＝[S1,...,Sn]＝[(P1,Q1),...,(Pn,Qn)]|
Figure BDA00022473001600000311
Figure BDA00022473001600000312
Figure BDA00022473001600000313
Figure BDA00022473001600000314
}
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明根据柔性配电网的相关参数建立工作点向量及取值范围区间，建立FDN中SOP的运行约束方程和不等式以及FDN的交流潮流方程，从而得到计及交流潮流的FDR模型，本发明首次提出柔性配电网运行域，相比于柔性配网的安全域(面向故障恢复场景)，更适用于FDN正常状态下的调度运行；计及精确的交流潮流计算方法相比于直流潮流的域模型，可以更加精确刻画FDN边界，有利于实现FDN中有功/无功的解耦控制，能够分析全局的运行信息、加快运行状态评价速度、有利于解决FDN中的不确定性分析问题。
2、本发明可以精确刻画FDN在正常运行状态下的交流潮流运行域，FDN的正常运行和故障恢复在优化目标、控制方法、安全约束等方面具有本质差异，更适用于FDN正常状态运行；采用交流潮流计算作为一种跨越式的创造性发明，而不是简单的调整改进，与直流潮流模型在数学本质上具有巨大差异(线性与非线性区别)，为开发基于域的FDN安全高效运行方法提供技术基础。
附图说明
图1为发明的构建方法流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施做进一步详述。
本发明提出一种计及交流潮流的柔性配电网运行域(FDR,Dispatchable Regionfor Flexible Distribution Networks)模型构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：针对所要分析的柔性配电网(FDN)，获得其如下参数：
(1)网络拓扑结构；
(2)节点规模与类型；
(3)SOP信息(SOP端口数、端口连接节点、SOP容量、SOP效率系数、SOP正常运行状态下的端口控制方式)；
(3)如果包含分布式电源DG，还需要考虑DG的容量。
步骤2：建立工作点向量式及其取值范围。
在本步骤中，选取FDN正常运行时所有非平衡节点的净功率(不包含SOP端口所连接的节点)构成的向量，根据FDN各节点元件容量给出工作点向量元素的取值范围区间。设松弛节点n的FDN配网，工作点可以表达为(1)-(3)：
W＝[S1,...,Sn]＝[(P1,Q1),...,(Pn,Qn)] (1)
Figure BDA0002247300160000042
Figure BDA0002247300160000043
其中，W为工作点，S为视在功率，P为有功功率，Q为无功功率，下标i代表节点i,上标L为负荷，G为DG，设流出节点i为正方向，节点净功率范围受到所连接设备的限制，例如DG和配变,可以表达为：
Figure BDA0002247300160000044
Figure BDA0002247300160000045
此处C为设备容量.上标DT为配变.(4)为配变容量约束(5)为DG出力约束.
步骤3：基于交流潮流，建立FDN中SOP的运行约束方程和不等式，包括：端口的容量约束不等式、SOP功率损耗方程、SOP端口有功功率平衡方程。
在本步骤中，考虑t个端口的SOP分别连接FDN的t个节点，SOP的运行应满足(6)-(8).
∑(Pi SOP+ΔPi SOP)＝0 (6)
Figure BDA0002247300160000046
Figure BDA0002247300160000041
K是SOP的端口集合；Pi SOP是注入SOP端口i的有功功率,
Figure BDA0002247300160000047
为无功功率,
Figure BDA0002247300160000048
是视在功率，ΔPi SOP是SOP端口i的损耗，
Figure BDA00022473001600000410
是损耗系数，
Figure BDA0002247300160000049
是端口i的容量.(6)是SOP的有功平衡约束.(7)是SOP网损计算方程.(8)是SOP的容量约束。
SOP运行状态也可以由向量WSOP描述,它包含t-1个独立端口的有功功率和t个端口的无功功率，如公式(9)所示：
Figure BDA00022473001600000515
步骤4：基于DistFlow理论，建立FDN的交流潮流方程，包括：FDN线路复功率方程以及节点电压方程。
在本步骤中，线路功率和节点电压可以通过工作点W以及SOP状态向量WSOP得到。FDN的交流潮流方程如(10)-(13)所示.
Figure BDA0002247300160000051
Figure BDA0002247300160000052
Figure BDA0002247300160000053
Figure BDA0002247300160000054
此处，B为FDN所有支路的集合,Ui是节点i.的电压幅值，下角标ji是节点i、j之间的支路ji，rij和xij是支路ji的电阻和电抗.Pij和Qij是通过支路ji的有功和无功功率，正方向i到j。
步骤5：基于步骤4的建立的交流潮流方程，计算得到FDN的系统运行约束不等式，包括：线路热容量约束不等式、主变压器热容量约束不等式、节点电压约束不等式。
|Sij|≤Cij (14)
Figure BDA0002247300160000055
Figure BDA0002247300160000056
此处Cij为线路ij容量.上标T为主变.
Figure BDA0002247300160000057
为主变i的负荷,
Figure BDA0002247300160000058
为主变额定功率.Ti主变i的供电节点集合.
Figure BDA0002247300160000059
和
Figure BDA00022473001600000510
节点i电压的上下限.(14)线路容量约束.(15)主变容量约束.(16)是节点电压约束.
Figure BDA00022473001600000511
和
Figure BDA00022473001600000512
通常设置为0.93和1.07.对于含DG的节点,
Figure BDA00022473001600000513
和
Figure BDA00022473001600000514
通常设置为0.95和1.05。
步骤6：综合工作点向量式及其约束、SOP运行约束方程、FDN运行约束方程，综合构建计及交流潮流的(FDR)模型。
FDR可以表达为满足(2)-(16)的W集合，包括工作点约束(st.A)，SOP约束(st.B)，系统潮流平衡约束(st.C)和系统安全约束(st.D)。FDR模型的紧凑表达式为(17)：
Figure BDA0002247300160000061
本发明未述及之处适用于现有技术。
需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (9)

1.一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1、获取柔性配电网参数；
步骤2、建立工作点向量式及其取值范围；
步骤3、基于交流潮流，建立柔性配电网中SOP的运行约束方程和不等式；
步骤4、基于DistFlow理论，建立柔性配电网的交流潮流方程；
步骤5、基于交流潮流方程，计算得到柔性配电网的系统运行约束不等式；
步骤6、综合构建计及交流潮流的柔性配电网运行域模型。
2.根据权利要求1所述的一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其特征在于：所述柔性配电网参数包括网络拓扑结构、节点规模与类型、SOP端口数、SOP端口连接节点、SOP容量、SOP效率系数、SOP正常运行状态下的端口控制方式。
3.根据权利要求2所述的一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其特征在于：所述柔性配电网参数还包括分布式电源的容量。
4.根据权利要求1所述的一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其特征在于：所述步骤2建立工作点向量式及其取值范围的方法为：选取柔性配电网正常运行时所有非平衡节点的净功率构成的向量，并根据柔性配电网各节点元件容量给出工作点向量元素的取值范围区间；所述工作点向量表示为：
W＝[S1,...,Sn]＝[(P1,Q1),...,(Pn,Qn)]
Pi＝Pi L-Pi G
Figure FDA0002247300150000011
其中，W为工作点，S为视在功率，P为有功功率，Q为无功功率，下标i代表节点i,上标L为负荷，G为分布式电源，设流出节点i为正方向；
节点净功率范围受到所连接设备的限制表示为：
配变容量约束：
Figure FDA0002247300150000012
分布式电源出力约束：
Figure FDA0002247300150000013
其中，C为设备容量，上标DT为配变。
5.根据权利要求1所述的一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其特征在于：所述步骤3建立运行约束方程和不等式包括：SOP容量约束不等式、SOP功率损耗方程、SOP端口有功功率平衡方程，设t个端口的SOP分别连接柔性配电网的t个节点，SOP的运行满足下式：
SOP端口有功功率平衡方程：∑(Pi SOP+ΔPi SOP)＝0
SOP功率损耗方程：
Figure FDA0002247300150000014
SOP的容量约束：
Figure FDA0002247300150000015
其中，K是SOP的端口集合；Pi SOP是注入SOP端口i的有功功率,
Figure FDA0002247300150000016
为无功功率,
Figure FDA0002247300150000017
是视在功率，ΔPi SOP是SOP端口i的损耗，
Figure FDA0002247300150000018
是损耗系数，
Figure FDA0002247300150000019
是端口i的容量。
6.根据权利要求1所述的一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其特征在于：所述步骤4建立柔性配电网的交流潮流方程包括FDN线路复功率方程以及节点电压方程，分别表示如下：
Figure FDA0002247300150000021
Figure FDA0002247300150000022
Figure FDA0002247300150000023
Figure FDA0002247300150000024
其中，Ui是节点i的电压幅值，下角标ji是节点i、j之间的支路ji，rij和xij是支路ji的电阻和电抗，Pij和Qij是通过支路ji的有功和无功功率，正方向i到j。
7.根据权利要求1所述的一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其特征在于：所述步骤5柔性配电网的系统运行约束不等式包括：线路热容量约束不等式、主变压器热容量约束不等式、节点电压约束不等式，分别表示如下：
线路热容量约束不等式：|Sij|≤Cij
主变压器热容量约束不等式：
Figure FDA0002247300150000025
节点电压约束不等式：
Figure FDA0002247300150000026
其中，Cij为线路ij容量，上标T为主变，
Figure FDA0002247300150000027
为主变i的负荷,
Figure FDA0002247300150000028
为主变额定功率，Ti主变i的供电节点集合，
Figure FDA0002247300150000029
和
Figure FDA00022473001500000210
节点i电压的上下限。
8.根据权利要求7所述的一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其特征在于：对于不含分布式电源节点的柔性配电网，
Figure FDA00022473001500000211
和
Figure FDA00022473001500000212
分别设置0.93和1.07；对于含分布式电源节点的柔性配电网,
Figure FDA00022473001500000213
和
Figure FDA00022473001500000214
分别设置为0.95和1.05。
9.根据权利要求1所述的一种计及交流潮流的柔性配电网运行域模型构建方法，其特征在于：所述步骤6构建的柔性配电网运行域模型表示如下：
Figure FDA0002247300150000031
上式中，st.A为工作点约束，st.B为SOP约束，st.C为系统潮流平衡约束，st.D为系统安全约束，W为工作点，S为视在功率，P为有功功率，Q为无功功率，下标i代表节点i,上标L为负荷，G为分布式电源；K是SOP的端口集合，Pi SOP是注入SOP端口i的有功功率,
Figure FDA0002247300150000032
为无功功率,
Figure FDA0002247300150000033
是视在功率，ΔPi SOP是SOP端口i的损耗，
Figure FDA0002247300150000034
是损耗系数，
Figure FDA0002247300150000035
是端口i的容量；Ui是节点i的电压幅值，下角标ji是节点i、j之间的支路ji，rij和xij是支路ji的电阻和电抗，Pij和Qij是通过支路ji的有功和无功功率；Cij为线路ij容量，上标T为主变，
Figure FDA0002247300150000036
为主变i的负荷,
Figure FDA0002247300150000037
为主变额定功率，Ti主变i的供电节点集合，
Figure FDA0002247300150000038
和
Figure FDA0002247300150000039
节点i电压的上下限。
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