CN112072667A - 一种配电低压补偿设备优化配置方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种配电低压补偿设备优化配置方法及实施该方法的设备，优化配置方法包括以下步骤S01建立配电网系统中电压不合格节点集合；S02计算电压不合格节点集合中各不合格节点在安装电压调节设备后，其余节点对电压调节节点的节点电压灵敏度；S03得到的节点电压灵敏度计算各节点电压综合调节能力；S04建立约束条件，计算在电压综合调节能力最大的电压不合格节点安装电压调节设备所需的设备视在容量；S05重新计算配置低电压补偿和设备后的配电网潮流，获取安装低压补偿设备后的电压不合格节点集合，重复步骤S04‑S05至电压不合格节点集合中节点数为零。本发明在保证电压满足标准的前提下，获取设备的最优配置地点和配置容量数据。

Description

一种配电低压补偿设备优化配置方法及设备

技术领域

本发明属于配电网技术领域，尤其涉及一种配电低压补偿设备的优化配置方法。

背景技术

近年来，随着用户对电能质量要求的提高，配电网低电压越限问题越来越得到关注。部分配电网由于建设年限长，负荷增长速度快及负荷特性发生变化，在用户侧出现电压不稳定、电压越限等问题。为治理配电网低电压越限问题，通常是在电压过低的节点安装电压调节设备或无功补偿设备，通过提高配电变负荷侧电压或者减少线路无功功率的流通，以达到提升电压的目的。但仅依靠改变配电变变比和加装无功补偿设备无法解决电压波形性越限、电压瞬变等问题，电力电子型电压调节设备由于电压调节方式灵活、速度快、调节质量好、可提供电能治理的多种解决方案而逐渐得到推广应用。由于电力电子型低压补偿设备造价较高，对于配电长线路或结构复杂线路，在各个电压过低节点加装设备，投运设备数量增加，将导致投资和运维成本的增加。配电低压补偿设备接入电网，作为交流电网的一部分，将改变系统的电压分布，因此，可以对低压补偿设备的配置进行优化，在保证电压满足标准的前提下，获取设备的最优配置地点和配置容量数据。

配电网线路拓扑结构复杂，电源的分布、各节点连接的用户负荷特性以及负荷分布等都存在多种可能，因此，仅依靠简单判断无法解决电力电子型电压调节设备的优化配置问题。

发明内容

本发明针对配电低压补偿设备工程应用中的设备优化配置问题，提出一种基于节点电压调节能力的配电低压补偿设备优化配置方法，该方法提出节点电压综合调节能力的概念，对配电网中的各节点计算电压调节灵敏度，获取节点电压综合调节能力值，根据节点的电压综合调节能力排序和设备规格，给出设备配置的优化配置方案。

为了解决上述问题，所采取的技术方案为：一种配电低压补偿设备优化配置方法，包括以下步骤：

S01建立配电网系统中电压不合格节点集合；

S02计算电压不合格节点集合中各不合格节点在安装电压调节设备后，其余节点对安装电压调节设备节点的节点电压灵敏度；

S03根据步骤S02中得到的节点电压灵敏度计算各不合格节点的电压综合调节能力；

S04提取不合格节点中电压综合调节能力最大的节点，根据配电网电压允许波动范围和电压调节设备调节能力范围建立约束条件，在不合格节点中电压综合调节能力最大的节点安装电压调节设备；

S05重新计算配置低电压补偿和设备后的配电网潮流，获取安装低压补偿设备后的电压不合格节点集合；

S06重复步骤S04-S05至电压不合格节点集合中节点数为零。

进一步的，步骤S04中对电压综合调节能力最大的节点配置电压调节设备后，该节点电压满足配电网电压允许波动范围，区域内所有节点电压不超过上限允许值。

进一步的，步骤S04中设备视在容量根据式(1)获得：

式1中，Ss为电压调节设备的设备视在容量；S_N为线路流通计算功率，取该线路在最大运行方式下流过的功率；V_s为电压调节设备的实际电压调节能力；V_N为线路额定电压。

进一步的，步骤S02中节点电压灵敏度获取方法为：

1)建立配电负荷模型

对于n个节点的配电网，第i个节点的配电网负荷采用式(2)模型：

式中，P_fi和Q_fi为节点i流出的有功负荷和无功负荷，P_N和Q_N为节点i的额定有功负荷和无功负荷，V_i为节点i的实时电压有效值，V_N为线路额定电压，a_pi、b_pi和c_pi分别为有功负荷系数，a_qi、b_qi和c_qi分别为无功负荷系数，其中，a_pi和a_qi为恒阻抗有功负荷和无功负荷系数，b_pi和b_qi为恒电流有功负荷和无功负荷系数，c_pi和c_qi为恒功率有功负荷和无功负荷系数；

2)计算电压幅值波动

根据式(2)和式(3)获取当节点j电压幅值变化、节点j电压相位值不变时，第i个节点的配电网系统电压波动方程为(4):

式中：ΔV_j为节点j的电压幅值变化量，ΔV_i为节点j电压幅值变化时引起的节点i的电压幅值变化量，Δθ_i为节点j电压幅值变化时引起的节点i的电压相位值变化量。

3)计算电压调节灵敏度

根据式(4)计算出节点i电压对节点j的电压调节灵敏度ΔV_sij为：

且i≠j,n为计算范围内配电网节点数量。 (5)

进一步的，步骤S03中节点电压综合调节能力计算方法为：

节点i对电压不合格节点集合中其他不合格节点的综合调节能力ΔV_ri由如下公式评估：

ΔV_ri＝∑_j∈sΔV_sij， (6)

s为电压不合格节点集合。

进一步的，配电网潮流计算方法为：

对于n个节点的配电网，根据式(3)计算第i个节点的配电网系统潮流：

式中：j表示与节点i相连的母线节点；P_i和Q_i分别为节点i注入的有功功率和无功功率有效值；V_i、V_j分别为节点i和节点j的电压有效值；G_ij为母线节点i和j间的互电导，B_ij为母线节点i和j间的互电纳；θ_ij为母线节点i和j间的相角差。

进一步的，步骤S04中计算在该节点安装电压调节设备所需的设备视在容量的方法为：

配电网所有节点电压V_i满足：

V_min＜V_i＜V_max (7)

V_min和V_max分别为配电网电压允许波动范围的下限和上限，i＝1，2,……n；

设备接入节点j，节点j接入低压补偿设备的选型容量满足式(8)：

式中，S_sj为满足节点j电压调节需求的实际设备选型容量，S_Nj为节点j线路流通计算功率，ΔV_j为当前节点j电压与最低电压要求V_min之间的差值。设备选型以满足配置需求的最低设备容量为准。

配电网需要配置的总电压调节设备的配置容量

为：

进一步的，步骤S01中根据配电网潮流建立配电网系统中电压不合格节点集合。

本发明还提供了一种配电低压补偿设备的优化配置装置，包括以下模块配电网潮流计算模块：计算安装低电压补偿设备前后的配电网潮流，获取各节点电压及电压变化量。

电压不合格节点集合建立模块：建立配电网系统中电压不合格节点集合；

节点电压灵敏度计算模块：计算电压不合格节点集合中各不合格节点在安装电压调节设备后，电压不合格节点集合中其余不合格节点对电压调节节点的节点电压灵敏度；

电压综合调节能力计算模块：计算各不合格节点的电压综合调节能力；

电压调节设备视在容量获取模块：提取电压综合调节能力最大的节点，根据配电网电压允许波动范围和电压调节设备调节能力范围建立约束条件，计算在电压综合调节能力最大的节点安装电压调节设备所需的设备视在容量。

本发明所产生的有益效果包括：本发明中的优化方法提出节点电压综合调节能力的概念，对配电网中的各节点计算电压调节灵敏度，获取节点电压综合调节能力值，根据节点的电压综合调节能力排序和设备规格，给出设备配置的优化配置方案，在保证电压满足标准的前提下，获取设备的最优配置地点和配置容量数据。本发明中的优化设备采用上述优化方法得到低电压补偿设备的配置。

附图说明

图1低压补偿设备工作模型；

图2为示例配电网系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的解释说明，但应当理解为本发明的保护范围并不受具体实施例的限制。

实施例一

(1)前提假设

本发明方法应用于低压配电网中，采用以下假设条件：

1)因低压补偿设备的调节速度快，在配电网电压计算过程中，可忽略低压补偿设备的电压调节的暂态过程，直接给出调节结果。

2)本发明所应用的配电网低压补偿设备工作模式为电压幅值调节模式，不调节电压相位。

3)因低压补偿设备的调节速度快，忽略在电压调节过程中节点电源注入功率的变化，只考虑因电压变化造成的负荷变化。

(2)配电低压补偿设备简化模型

低压补偿设备的工作模式多样，本发明中，低压补偿设备的工作模式为电压调节模式，因此，低压补偿设备可采取的简化模型如附图1所示。

图1中V1和V2为配电线路低压补偿设备两侧电压，Vs为低压补偿设备等效电源电压，Zs为低压补偿设备等效电源内阻。设备工作时，根据工作目标，给出符合调节目标的Vs值，达到改善线路电压的目的。

配电线路低压补偿设备调节容量有限，其所在线路的流通计算功率和调节电压能力满足如下关系式：

式1中，Ss为设备视在容量；S_N为线路流通计算功率，取该线路在最大运行方式下流过的功率；V_s为设备实际电压调节能力；V_N为线路额定电压。该设备在线路流通计算功率小于等于S_N时，电压调节能力可达到预设的Vs值。

式1说明，在给定设备容量的情况下，设备的电压调节能力与实际流过设备的线路功率成反比；在线路功率不变的情况下，设备的容量选择与设备电压调节能力成正比。

本发明中，低压补偿设备仅改变节点电压幅值，不改变其相位。选择设备时，根据设备规格，选用满足设备调压需求的最小容量设备。如设备规格分别为20、30和50kVA，计算出Ss为15kVA，则选用20kVA设备。

(3)配电负荷模型

对于n个节点的配电网，第i个节点的配电网负荷采用以下模型：

式中，P_fi和Q_fi为节点i流出的有功负荷和无功负荷，P_N和Q_N为节点i的额定有功负荷和无功负荷，V_i为节点i的实时电压有效值，V_N为线路额定电压，a_pi、b_pi和c_pi分别为有功负荷系数，a_qi、b_qi和c_qi分别为无功负荷系数，其中，a_pi和a_qi为恒阻抗有功负荷和无功负荷系数，b_pi和b_qi为恒电流有功负荷和无功负荷系数，c_pi和c_qi为恒功率有功负荷和无功负荷系数；

(4)配电网潮流计算

配电网电压调节设备可调节节点电压幅值和相位，在只关注电压幅值合格率的条件下，配电网电压调节设备可将全部容量用于调节电压幅值。因此，可计算各节点对其他节点的电压幅值调节关系，用于筛选电压幅值控制的灵敏点。

对于n个节点的配电网，第i个节点的配电网系统潮流计算方程为：

式中：j表示与节点i相连的母线节点；P_i和Q_i分别为节点i注入的有功功率和无功功率有效值；V_i、V_j分别为节点i和节点j的电压有效值；G_ij为母线节点i和j间的互电导，B_ij为母线节点i和j间的互电纳；θ_ij为母线节点i和j间的相角差。

(5)电压幅值波动计算

安装电压调节设备后，假设采取仅调节电压幅值的策略，调节节点j的电压幅值波动将引起其他节点电压的幅值和相角的波动，电压的幅值变化量为ΔVi，相角的变化量为Δθ_ij，电压变化也将引起节点的等效负荷的变化，可视为节点注入功率发生变化。以功率注入为正向，节点电压升高时，节点流出的负荷功率增加，注入节点功率减少，注入功率变化量为-ΔP_fi和-ΔQ_fi。则负荷波动和电压波动关系如式4所示：

式中：ΔV_j为节点j的电压幅值变化量，ΔV_i为节点j电压幅值变化时引起的节点i的电压幅值变化量，Δθ_i为节点j电压幅值变化时引起的节点i的电压相位值变化量，ΔP_i和ΔQ_i分别为节点j电压幅值变化时引起的节点i的注入有功功率变化和注入无功功率变化。

式(2)带入式(4),可得出式第i个节点的配电网系统电压波动方程为(5):

本发明中，前述假设节点电源注入功率不变，ΔP_i和ΔQ_i为0，同时电压节点j的相位不变，Δθ_j为0。

由式5可推出节点i电压波动相对于调节节点j电压幅值波动的方程为：

由式6可计算出节点i电压对节点j的电压调节灵敏度ΔV_sij为：

且i≠j,n为计算范围内配电网节点数量。 (7)

(6)节点电压综合调节能力计算

根据式6,7，可获取各节点对其他不合格节点的调节灵敏度。

节点i对其他电压不合格节点的综合调节能力ΔV_ri可由如下公式评估：

ΔV_ri＝∑_j∈sΔV_sij，s为电压不合格节点集合 (8)

式8可见，ΔV_ri可评估单个节点对其他电压不合格节点的综合电压调节能力。

(7)约束条件

配电网节点电压Vi满足：

V_min＜V_i＜V_max (9)

V_min和V_max分别为配电网电压允许波动范围的下限和上限，i＝1，2,……n。

(8)设备配置函数

设备的配置以设备配置容量为衡量指标，以区域内所有节点电压符合要求为约束条件，设备接入节点j，节点j接入低压补偿设备的选型容量满足式(10)：

式中，S_sj为满足节点j电压调节需求的实际设备选型容量，S_Nj为节点j线路流通计算功率，ΔV_j为当前节点j电压与最低电压要求V_min之间的差值。设备选型以满足配置需求的最低设备容量为准。

配电网需要配置的总电压调节设备的配置容量

为：

(9)优化配置

获取低压补偿设备的优化配置，采取以下步骤：

1)根据配电网系统最不利运行方式，建立电压不合格节点集合；

2)在电压不合格节点集合中，依次根据式6,7计算在各不合格节点安装电压调节设备，其他节点对电压调节节点的节点电压灵敏度；

3)根据式8，计算节点电压综合调节能力；

4)在电压不合格节点集合中，按节点电压综合调节能力对节点排序，调节能力由高至低排列；

5)提取不合格节点中电压综合调节能力最大的节点，根据配电网电压允许波动范围和电压调节设备调节能力范围建立约束条件，计算在不合格节点中电压综合调节能力最大的节点安装电压调节设备，保证该节点电压满足要求所需的设备视在容量；

6)重新计算配电网潮流，获取安装低压补偿设备后的电压不合格节点集合；

7)按节点电压综合调节能力对处理后的电压不合格节点集合排序；

8)重复步骤5,6，直至全部节点满足电压调节要求；

对上述结果按式11计算设备总配置容量

实施例二

一种配电低压补偿设备的优化配置装置，包括以下模块：

配电网潮流计算模块：计算安装低电压补偿设备前后的配电网潮流，获取各节点电压及电压变化量。

电压不合格节点集合建立模块：建立配电网系统中电压不合格节点集合；

节点电压灵敏度计算模块：计算电压不合格节点集合中各不合格节点在安装电压调节设备后，电压不合格节点集合中其余不合格节点对电压调节节点的节点电压灵敏度；

电压综合调节能力计算模块：计算各不合格节点的电压综合调节能力；

电压调节设备视在容量获取模块：提取电压综合调节能力最大的节点，根据配电网电压允许波动范围和电压调节设备调节能力范围建立约束条件，计算在电压综合调节能力最大的节点安装电压调节设备所需的设备视在容量；

实施例三

示例以实际配电网为例,如附图2所示，运用实施例一的方法进行优化配置。图中标识了配电网的拓扑结构和配电网系统的节点编号，以便进行拓扑识别，节点编号为1-15。所有负荷均经配电变接入各节点。图中S为变电站侧等效系统电源。

(1)安装设备前电压数据

示例配电网中含15个负荷节点，配电线路额定电压10kV，变电站侧出线电压(等效电源S)电压固定为10.5kV，未安装低压补偿设备时的典型运行方式下实际线路电压如表1所示。

表1安装设备前电压数据

如表1所示，10kV配电网电压合格范围为±电网，对应电压9.3kV～10.7kV。对照安装设备前电压数据，节点3-节点15电压均不满足要求。

(2)电压调节灵敏度ΔV_sij计算

对节点2-15计算其加装设备后对其他节点的电压调节灵敏度，结果如表2所示。

表2电压调节灵敏度

表2中可见，在加装设备后，除加装设备节点外，其余节点中，部分节点电压上升，部分节点电压下降。对于电压上升节点，加装设备节点的电压上升对其有正调节作用。电压下降是因为负荷特性与电压有关，电压上升节点负荷增加，导致系统总功率增加，线路压降增加，导致部分节点电压下降。

(3)节点电压综合调节能力

表3节点电压综合调节能力

表3中可见，调节能力与节点在配电网线路中所处位置、负荷分布、电压降落方向等均有关联。始端节点调节能力强，最末端节点调节能力较弱。

(4)设备配置结果

假设设备可提供的容量规格分别为20kVA、30kVA和50kVA，示例系统始端视在功率为1000kVA，按本发明提出配置方法，首选在节点3配置设备。节点3安装设备前电压为9.19kV。计算的理论低压补偿设备容量为：

根据设备规格，选择20kVA设备。

在加装20kVA设备后，经仿真验证，配电网节点电压分布如表4所示。

表4安装设备后电压数据

仿真结果表明，在节点3加装20kVA设备，所有节点电压均在允许范围内。仅在节点3安装设备即可满足需求。

仿真结论验证了所提出方法通过在关键节点加装设备，方法有效且减少了设备安装数量，保证了投资的经济性，达到了提升电压的目的。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种配电低压补偿设备优化配置方法，其特征在于：包括以下步骤

S01建立配电网系统中电压不合格节点集合；

S02计算电压不合格节点集合中各不合格节点在安装电压调节设备后，其余节点对安装电压调节设备节点的节点电压灵敏度；

S03根据步骤S02中得到的节点电压灵敏度计算各不合格节点的电压综合调节能力；

S04提取不合格节点中电压综合调节能力最大的节点，根据配电网电压允许波动范围和电压调节设备调节能力范围建立约束条件，在不合格节点中电压综合调节能力最大的节点安装电压调节设备；

S05重新计算配置低电压补偿和设备后的配电网潮流，获取安装低压补偿设备后的电压不合格节点集合；

S06重复步骤S04-S05至电压不合格节点集合中节点数为零。

2.根据权利要求1所述的配电低压补偿设备优化配置方法，其特征在于：步骤S04中对电压综合调节能力最大的节点配置电压调节设备后，该节点电压满足配电网电压允许波动范围，区域内所有节点电压不超过上限允许值。

3.根据权利要求1所述的配电低压补偿设备优化配置方法，其特征在于：步骤S04中设备视在容量根据式(1)获得：

式1中，S_s为电压调节设备的设备视在容量；S_N为线路流通计算功率，取该线路在最大运行方式下流过的功率；V_s为电压调节设备的实际电压调节能力；V_N为线路额定电压。

4.根据权利要求1所述的配电低压补偿设备优化配置方法，其特征在于：

步骤S02中节点电压灵敏度获取方法为：

1)建立配电负荷模型

对于n个节点的配电网，第i个节点的配电网负荷采用式(2)模型：

式中，P_fi和Q_fi为节点i流出的有功负荷和无功负荷，P_N和Q_N为节点i的额定有功负荷和无功负荷，V_i为节点i的实时电压有效值，V_N为线路额定电压，a_pi、b_po和c_pi分别为有功负荷系数，a_qi、b_qi和c_qi分别为无功负荷系数，其中，a_pi和a_qi为恒阻抗有功负荷和无功负荷系数，b_pi和b_qi为恒电流有功负荷和无功负荷系数，c_pi和c_qi为恒功率有功负荷和无功负荷系数；

2)计算电压幅值波动

根据式(2)和式(3)获取当节点j电压幅值变化、节点j电压相位值不变时，第i个节点的配电网系统电压波动方程为(4):

式中：ΔV_j为节点j的电压幅值变化量，ΔV_i为节点j电压幅值变化时引起的节点i的电压幅值变化量，Δθ_i为节点j电压幅值变化时引起的节点i的电压相位值变化量。

3)计算电压调节灵敏度

根据式(4)计算出节点i电压对节点j的电压调节灵敏度ΔV_sij为：

且i≠j,n为计算范围内配电网节点数量(5)。

5.根据权利要求1所述的配电低压补偿设备优化配置方法，其特征在于：步骤S03中节点电压综合调节能力计算方法为：

节点i对电压不合格节点集合中其他不合格节点的综合调节能力ΔVri由如下公式评估：

ΔV_ri＝∑_j∈sΔV_sij， (6)

s为电压不合格节点集合。

6.根据权利要求1所述的配电低压补偿设备优化配置方法，其特征在于：配电网潮流计算方法为：

对于n个节点的配电网，根据式(3)计算第i个节点的配电网系统潮流：

式中：j表示与节点i相连的母线节点；P_i和Q_i分别为节点i注入的有功功率和无功功率有效值；V_i、V_j分别为节点i和节点j的电压有效值；G_ij为母线节点i和j间的互电导，B_ij为母线节点i和j间的互电纳；θ_ij为母线节点i和j间的相角差。

7.根据权利要求1所述的配电低压补偿设备优化配置方法，其特征在于：步骤S04中计算在该节点安装电压调节设备所需的设备视在容量的方法为：

配电网所有节点电压V_i满足：

V_min＜V_i＜V_max (7)

V_min和V_max分别为配电网电压允许波动范围的下限和上限，i＝1，2,……n；

设备接入节点j，节点j接入低压补偿设备的选型容量满足式(8)：

式中，S_sj为满足节点j电压调节需求的实际设备选型容量，S_Nj为节点j线路流通计算功率，ΔV_j为当前节点j电压与最低电压要求V_min之间的差值。设备选型以满足配置需求的最低设备容量为准。

配电网需要配置的总电压调节设备的配置容量

为：

8.根据权利要求1所述的配电低压补偿设备优化配置方法，其特征在于：步骤S01中根据配电网潮流建立配电网系统中电压不合格节点集合。

9.一种配电低压补偿设备的优化配置装置，其特征在于：包括以下模块配电网潮流计算模块：计算安装低电压补偿设备前后的配电网潮流，获取各节点电压及电压变化量。

电压不合格节点集合建立模块：建立配电网系统中电压不合格节点集合；

节点电压灵敏度计算模块：计算电压不合格节点集合中各不合格节点在安装电压调节设备后，电压不合格节点集合中其余不合格节点对电压调节节点的节点电压灵敏度；

电压综合调节能力计算模块：计算各不合格节点的电压综合调节能力；

设备视在容量获取模块：提取电压综合调节能力最大的节点，根据配电网电压允许波动范围和电压调节设备调节能力范围建立约束条件，计算在电压综合调节能力最大的节点安装电压调节设备所需的设备视在容量。

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