CN112436519A - 基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法及装置，所述的计算方法针对辐射状配电网的拓扑结构，利用广度优先搜索法对网络节点重新编号，依据原始节点编号和新节点编号创建改进的关联矩阵，在此基础上，进行前推回代法潮流计算，减少了算法迭代计算时读取关联矩阵元素的次数，同时减少了算法占用的内存，进而提高了潮流计算的速度。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统潮流计算分析技术领域，特别涉及一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法及装置。
背景技术
潮流计算是电力系统中应用最广泛、最基本而且最重要的电气计算，其任务是根据给定的网络拓扑结构和运行条件，计算整个网络的潮流分布。潮流计算的结果，无论是对于现有系统运行方式的分析研究，还是对规划阶段设计方案的分析比较，都是极为必要的。
配电网具有以下特点：网络拓扑一般呈辐射状、但也有短时环网运行状态，R/X比值较大，支路数和节点数十分庞大，三相不平衡等。这些特点导致网络雅克比矩阵出现不同程度的病态特征，传统的高斯赛德尔法、牛顿拉夫逊法、快速解耦法等算法对配电网不再适用。专家学者们研究提出了适用于配电网特点的潮流计算方法，其中前推回代法是应用较为广泛的潮流计算方法之一。传统的前推回代法可直接利用节点及支路参数，无需利用雅克比矩阵，编程简单，算法收敛性好，但其需要用到复杂的关联矩阵，导致算法迭代计算时读取关联矩阵元素的次数比较多，进而增加了潮流计算的时间。
综上分析，针对传统前推回代法潮流计算中关联矩阵读取速度慢、计算时间长的问题，在传统潮流计算的基础上提出了一种适用于辐射状配电网的快速潮流计算方法，针对辐射状配电网的拓扑结构，利用广度优先搜索法对网络节点重新编号，依据原始节点编号和新节点编号创建改进的关联矩阵，在此基础上，进行前推回代法潮流计算，从而解决了因关联矩阵复杂导致的潮流计算复杂且计算速度慢的问题，有效提高了辐射状配电网的潮流计算速度。
发明内容
为解决背景技术提出的技术问题，本发明提供了一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法及装置，减少了算法迭代计算时读取关联矩阵元素的次数，同时减少了算法占用的内存，进而提高了潮流计算的速度。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法，其包括如下步骤：
步骤1：确定已知的辐射状配电网网络拓扑结构，并读取此配电网的原始网络数据；所述网络数据包括：节点数Num、节点编号、支路编号、各条支路的阻抗、各支路首节点和末节点以及各节点的有功负荷和无功负荷；
步骤2：根据步骤1中的网络拓扑结构和原始网络数据，利用广度优先搜索法对网络节点重新编号并建立改进的关联矩阵IAM；
步骤2.1：利用广度优先搜索法对网络节点和支路进行重新编号；具体方法为：
首先以源节点为起始节点1开始编号，然后将与源节点相邻的节点按顺序编号，以此类推，直至搜索到网络结构的最终节点；支路编号与其末端节点的节点编号相同；
步骤2.2：根据原始网络节点编号Numold和新节点编号Numnew，建立改进的关联矩阵IAM；改进关联矩阵IAM中的元素按下列公式求取：
其中，Numold,j为第j个新节点对应的原始网络节点编号Numold；
所述的改进关联矩阵IAM具有以下特点：改进关联矩阵IAM是一个上三角矩阵，且其上三角所有元素为原始网络节点编号Numold或零，其中改进关联矩阵IAM的对角元素是按新节点编号Numnew从小到大的顺序所对应的原始网络节点编号Numold，改进关联矩阵IAM的每一行的非零元素(除对角元素外)为与所在行的对角元素Numold相连接的原始网络节点编号Numold，而且非零元素(除对角元素外)所在的列数为其对应的新节点编号Numnew；
步骤3：初始计算以及变量设置；所述初始计算包括：建立支路阻抗矩阵Z、设置各节点电压为参考节点电压，所述变量设置包括：迭代次数k、计算精度ε；
步骤4：节点注入电流计算：计算各节点第k+1次迭代的负荷电流
其中，
为第k次迭代节点q的节点电压向量，PLq和QLq分别为节点q的有功功率和无功功率，*为取共轭；
步骤5：回代计算：根据步骤2所得的改进关联矩阵IAM的信息和步骤4所得的各节点负荷电流，从线路末端开始依次回代计算各个支路的电流，直至计算到源节点为止；
步骤5.1：设置读取改进关联矩阵IAM的行变量i＝Num，列变量j＝Num，其中i，j均为正整数；
步骤5.2：从线路末端开始依次回代计算各个支路的电流：
其中
为第i条新支路所对应的原始节点pq所在支路的支路电流；
为原始节点pq所在支路末端的负荷电流；
步骤5.3：若IAMij≠0且i＜j，则支路电流
否则转至步骤5.5，其中IAMij表示改进关联矩阵IAM第i行第j列所对应的元素；
步骤5.4：若j≥i，则j＝j-1并转至步骤5.3；
步骤5.5：若i≥1，则i＝i-1并转至步骤5.2；
步骤6：前推计算：根据步骤2所得的改进关联矩阵IAM的信息和步骤5所得的各支路电流以及源节点电压，从线路首端的源节点开始依次前推计算各个支路末节点的电压，直至计算到线路最末端为止；
步骤6.1：设置读取改进关联矩阵IAM的行变量i＝1，列变量j＝2；
步骤6.2：若IAMij≠0且i≠j，则节点电压
否则转至步骤6.4；其中，
为第j个新节点对应的原始网络节点的节点电压，Z[j]为第j条新支路对应的原始网络支路的支路阻抗；
步骤6.3：若j≤Num，则j＝j+1并转至步骤6.2；
步骤6.4：若i≤Num，则i＝i+1并转至步骤6.3；
步骤7：迭代收敛判断：若节点本次迭代电压幅值
与前一次迭代电压幅值
满足
则迭代结束，并转至步骤8；否则，修正各节点电压，k＝k+1，并转至步骤4；
步骤8：显示结果：迭代次数、各节点的电压及相角、各支路电流、各支路的首端功率；
本发明的另一方面提供一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算装置，包括数据采集模块、通信模块、数据库模块、CPU模块、人机交互模块五部分，其中，数据采集模块、通信模块、数据库模块、CPU模块、人机交互模块顺次相连；
所述的数据采集模块包括多个电压互感器和电流互感器、采样模块、A/D转换模块、单片机模块，用于配电网络的数据采集及网络拓扑结构分析；
所述的通信模块包括串行接口模块、无线控制控制、多个无线发送模块、功率放大模块和多个无线接收模块，能够在不提供可靠电力时做到远程部署通信，在节省电力的情况下保证数据传输的实时性、准确性；
所述的CPU模块包括数据读取模块、网络编号模块、IAM建立模块、潮流计算模块；用于对由数据采集系统或者数据库模块输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，完成网络的重新编号、改进关联矩阵的建立、潮流计算前推回代和收敛性判断等系统核心功能；
所述的人机交互模块包括按键模块、显示模块、接口模块，用于显示计算结果以及操作人员对系统的件事和控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法及装置，针对辐射状配电网的拓扑结构，利用广度优先搜索法对网络节点重新编号，依据原始节点编号和新节点编号创建改进的关联矩阵，在此基础上，进行前推回代法潮流计算，减少了算法迭代计算时读取关联矩阵元素的次数，同时减少了算法占用的内存，进而提高了潮流计算的速度。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法的流程图；
图2为本发明具体实施方式中基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算装置的结构示意图；
图3为本发明具体实施方式中的IEEE14节点配电网络图；
图4为本发明具体实施方式中重新编号之后的IEEE14节点配电网络图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法，如图1所示，包括如下步骤：
步骤1：确定已知的辐射状配电网网络拓扑结构，并读取此配电网的原始网络数据；所述网络数据包括：节点数Num、节点编号、支路编号、各条支路的阻抗、各支路首节点和末节点以及各节点的有功负荷和无功负荷；
步骤2：根据步骤1中的网络拓扑结构和原始网络数据，利用广度优先搜索法对网络节点重新编号并建立改进的关联矩阵IAM；
步骤2.1：利用广度优先搜索法对网络节点和支路进行重新编号；具体方法为：
首先以源节点为起始节点1开始编号，然后将与源节点相邻的节点按顺序编号，以此类推，直至搜索到网络结构的最终节点；支路编号与其末端节点的节点编号相同；
步骤2.2：根据原始网络节点编号Numold和新节点编号Numnew，建立改进的关联矩阵IAM；改进关联矩阵IAM中的元素按下列公式求取：
其中，Numold,j为第j个新节点对应的原始网络节点编号Numold；
所述的改进关联矩阵IAM具有以下特点：改进关联矩阵IAM是一个上三角矩阵，且其上三角所有元素为原始网络节点编号Numold或零，其中改进关联矩阵IAM的对角元素是按新节点编号Numnew从小到大的顺序所对应的原始网络节点编号Numold，改进关联矩阵IAM的每一行的非零元素(除对角元素外)为与所在行的对角元素Numold相连接的原始网络节点编号Numold，而且非零元素(除对角元素外)所在的列数为其对应的新节点编号Numnew；
步骤3：初始计算以及变量设置；所述初始计算包括：建立支路阻抗矩阵Z、设置各节点电压为参考节点电压，所述变量设置包括：迭代次数k、计算精度ε；
步骤4：节点注入电流计算：计算各节点第k+1次迭代的负荷电流
其中，
为第k次迭代节点q的节点电压向量，PLq和QLq分别为节点q的有功功率和无功功率，*为取共轭；
步骤5：回代计算：根据步骤2所得的改进关联矩阵IAM的信息和步骤4所得的各节点负荷电流，从线路末端开始依次回代计算各个支路的电流，直至计算到源节点为止；
步骤5.1：设置读取改进关联矩阵IAM的行变量i＝Num，列变量j＝Num，其中i，j均为正整数；
步骤5.2：从线路末端开始依次回代计算各个支路的电流：
其中
为第i条新支路所对应的原始节点pq所在支路的支路电流；
为原始节点pq所在支路末端的负荷电流；
步骤5.3：若IAMij≠0且i＜j，则支路电流
否则转至步骤5.5，其中IAMij表示改进关联矩阵IAM第i行第j列所对应的元素；
步骤5.4：若j≥i，则j＝j-1并转至步骤5.3；
步骤5.5：若i≥1，则i＝i-1并转至步骤5.2；
步骤6：前推计算：根据步骤2所得的改进关联矩阵IAM的信息和步骤5所得的各支路电流以及源节点电压，从线路首端的源节点开始依次前推计算各个支路末节点的电压，直至计算到线路最末端为止；
步骤6.1：设置读取改进关联矩阵IAM的行变量i＝1，列变量j＝2；
步骤6.2：若IAMij≠0且i≠j，则节点电压
否则转至步骤6.4；其中，
为第j个新节点对应的原始网络节点的节点电压，Z[j]为第j条新支路对应的原始网络支路的支路阻抗；
步骤6.3：若j≤Num，则j＝j+1并转至步骤6.2；
步骤6.4：若i≤Num，则i＝i+1并转至步骤6.3；
步骤7：迭代收敛判断：若节点本次迭代电压幅值
与前一次迭代电压幅值
满足
则迭代结束，并转至步骤8；否则，修正各节点电压，k＝k+1，并转至步骤4；
步骤8：显示结果：迭代次数、各节点的电压及相角、各支路电流、各支路的首端功率；
一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算装置，如图2所示，包括数据采集模块、通信模块、数据库模块、CPU模块、人机交互模块五部分，其中，数据采集模块、通信模块、数据库模块、CPU模块、人机交互模块顺次相连；
所述的数据采集模块包括多个电压互感器和电流互感器、采样模块、A/D转换模块、单片机模块，用于配电网络的数据采集及网络拓扑结构分析；
所述的通信模块包括串行接口模块、无线控制控制、多个无线发送模块、功率放大模块和多个无线接收模块，能够在不提供可靠电力时做到远程部署通信，在节省电力的情况下保证数据传输的实时性、准确性；
所述的CPU模块包括数据读取模块、网络编号模块、建立模块、潮流计算模块；用于对由数据采集系统或者数据库模块输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，完成网络的重新编号、改进关联矩阵的建立、潮流计算前推回代和收敛性判断等系统核心功能；
所述的人机交互模块包括按键模块、显示模块、接口模块，用于显示计算结果以及操作人员对系统的件事和控制。
本实施方式中，以如图3所示IEEE14节点配电网络为例，其节点数为14，基准容量为100MVA，基准电压为23KV，整个网络总负荷为28.7+7.75MVA。采用广度优先搜索算法重新编号之后的IEEE14节点配电网络，如图4所示。
若采用传统的前推回代法，关联矩阵AM中元素按依如下公式确定：
很显然，在前推回代法每一次迭代过程中，读取一次关联矩阵AM需要读取的元素个数N为：
其中，Num为节点个数。对于14节点的配电网络，每次迭代读取一次关联矩阵需要读取91次关联矩阵的元素。
而采用本发明提供的一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法，形成的改进关联矩阵为：
可以看出，关联矩阵IAM是一个上三角矩阵，读取上三角矩阵元素时按行读取非零元素，当遇到零元素时转至下一行，若转至下一行时为非零元素，则继续读取此行下一列元素，直至当遇到零元素时转至下一行；若转至下一行时为非零元素，则说明前推回代法每一次迭代过程中，读取一次改进的关联矩阵IAM，只需要读取22次改进关联矩阵的元素，极大的减少了迭代过程中读取矩阵元素的次数，进而缩短了潮流计算时间，提高了计算效率。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (6)
1.一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：确定已知的辐射状配电网网络拓扑结构，并读取此配电网的原始网络数据；所述网络数据包括：节点数Num、节点编号、支路编号、各条支路的阻抗、各支路首节点和末节点以及各节点的有功负荷和无功负荷；
步骤2：根据步骤1中的网络拓扑结构和原始网络数据，利用广度优先搜索法对网络节点重新编号并建立改进的关联矩阵IAM；
步骤3：初始计算以及变量设置；所述初始计算包括：建立支路阻抗矩阵Z、设置各节点电压为参考节点电压，所述变量设置包括：迭代次数k、计算精度ε；
步骤4：节点注入电流计算：计算各节点第k+1次迭代的负荷电流
其中，
为第k次迭代节点q的节点电压向量，PLq和QLq分别为节点q的有功功率和无功功率，*为取共轭；
步骤5：回代计算：根据步骤2所得的改进关联矩阵IAM的信息和步骤4所得的各节点负荷电流，从线路末端开始依次回代计算各个支路的电流，直至计算到源节点为止；
步骤6：前推计算：根据步骤2所得的改进关联矩阵IAM的信息和步骤5所得的各支路电流以及源节点电压，从线路首端的源节点开始依次前推计算各个支路末节点的电压，直至计算到线路最末端为止；
步骤7：迭代收敛判断：若节点本次迭代电压幅值
与前一次迭代电压幅值
满足
则迭代结束，并转至步骤8；否则，修正各节点电压，k＝k+1，并转至步骤4；
步骤8：显示结果：迭代次数、各节点的电压及相角、各支路电流、各支路的首端功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法，其特征在于，所述的步骤2利用广度优先搜索法对网络节点重新编号并建立改进的关联矩阵，具体步骤为：
步骤2.1：利用广度优先搜索法对网络节点和支路进行重新编号；具体方法为：
首先以源节点为起始节点1开始编号，然后将与源节点相邻的节点按顺序编号，以此类推，直至搜索到网络结构的最终节点；支路编号与其末端节点的节点编号相同；
步骤2.2：根据原始网络节点编号Numold和新节点编号Numnew，建立改进的关联矩阵IAM；改进关联矩阵IAM中的元素按下列公式求取：
其中，Numold,j为第j个新节点对应的原始网络节点编号Numold。
3.根据权利要求1所述的一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法，其特征在于，所述步骤5回代计算，包括以下步骤：
步骤5.1：设置读取改进关联矩阵IAM的行变量i＝Num，列变量j＝Num，其中i，j均为正整数；
步骤5.2：从线路末端开始依次回代计算各个支路的电流：
其中
为第i条新支路所对应的原始节点pq所在支路的支路电流；
为原始节点pq所在支路末端的负荷电流；
步骤5.3：若IAMij≠0且i＜j，则支路电流
否则转至步骤5.5，其中IAMij表示改进关联矩阵IAM第i行第j列所对应的元素；
步骤5.4：若j≥i，则j＝j-1并转至步骤5.3；
步骤5.5：若i≥1，则i＝i-1并转至步骤5.2。
4.根据权利要求1所述的一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法，其特征在于，所述步骤6前推计算，包括以下步骤：
步骤6.1：设置读取改进关联矩阵IAM的行变量i＝1，列变量j＝2；
步骤6.2：若IAMij≠0且i≠j，则节点电压
否则转至步骤6.4；其中，
为第j个新节点对应的原始网络节点的节点电压，Z[j]为第j条新支路对应的原始网络支路的支路阻抗；
步骤6.3：若j≤Num，则j＝j+1并转至步骤6.2；
步骤6.4：若i≤Num，则i＝i+1并转至步骤6.3。
5.根据权利要求1所述的一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法，其特征在于，所述的改进关联矩阵IAM具有以下特点：改进关联矩阵IAM是一个上三角矩阵，且其上三角所有元素为原始网络节点编号Numold或零，其中改进关联矩阵IAM的对角元素是按新节点编号Numnew从小到大的顺序所对应的原始网络节点编号Numold，改进关联矩阵IAM的每一行的非零元素为与所在行的对角元素Numold相连接的原始网络节点编号Numold，而且非零元素所在的列数为其对应的新节点编号Numnew。
6.一种基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算装置，其特征在于，包括数据采集模块、通信模块、数据库模块、CPU模块、人机交互模块五部分，其中，数据采集模块、通信模块、数据库模块、CPU模块、人机交互模块顺次相连；
所述的数据采集模块包括多个电压互感器和电流互感器、采样模块、A/D转换模块、单片机模块，用于配电网络的数据采集及网络拓扑结构分析；
所述的通信模块包括串行接口模块、无线控制控制、多个无线发送模块、功率放大模块和多个无线接收模块，能够在不提供可靠电力时做到远程部署通信，在节省电力的情况下保证数据传输的实时性、准确性；
所述的CPU模块包括数据读取模块、网络编号模块、IAM建立模块、潮流计算模块；用于对由数据采集系统或者数据库模块输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理，完成网络的重新编号、改进关联矩阵的建立、潮流计算前推回代和收敛性判断等系统核心功能；
所述的人机交互模块包括按键模块、显示模块、接口模块，用于显示计算结果以及操作人员对系统的件事和控制。
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| CN202011466023.3A CN112436519A (zh) | 2020-12-14 | 2020-12-14 | 基于改进关联矩阵的辐射状配电网潮流计算方法及装置 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113852104A (zh) * | 2021-09-22 | 2021-12-28 | 国网山东省电力公司电力科学研究院 | 一种三相不对称配电网潮流计算方法 |
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2020
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| CN113852104B (zh) * | 2021-09-22 | 2023-10-10 | 国网山东省电力公司电力科学研究院 | 一种三相不对称配电网潮流计算方法 |
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