CN115864426A - 一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统及方法，系统包括数字孪生仿真模块、低电压治理模块、治理评估模块。方法包括：首先通过数字孪生仿真模块映射实体配电系统的全生命周期过程，然后低电压治理模块获取系统实时数据，进行低电压治理，最后治理评估模块将低电压治理模块的治理方案应用到数字孪生仿真模块中，进行治理评估，获取不同治理策略下系统运行状态，确定最合理的策略。本发明能对实体配电系统运行状态进行实时监测，保证数据的准确性和实时性，保证治理方案治理效果最优。

Description

一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统及方法

技术领域

本发明涉及配电网的技术领域，尤其涉及到一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统及方法。

背景技术

随在资源优化配置，电力技术创新和能源结构转型的共同驱动下，大规模分布式能源和电力电子设备接入配电网，配电网逐渐发展成为新型配电系统。由于受到新能源出力随机性，控制系统非线性，电力电子装置多样性的影响，新型配电系统的运行方式更加复杂。系统拓扑由单电源辐射状结构变为多电源复杂网络，潮流分布也发生了改变，系统的供电质量将受到一定的影响。

电压水平是衡量系统供电质量的重要性能指标。随着社会经济水平的逐渐发展，实际生产对电力系统的运行质量提出了更高的要求。然而，由于受到新能源出力不确定性，系统网架结构薄弱和供电半径过大等问题的影响，新型配电系统存在低电压的问题。

低电压治理评估是在满足设备正常运行的条件下，确定合理的低电压治理策略，并提高系统的经济性和稳定性。通过对低电压治理评估方案进行研究，可以提升系统的供电质量，降低运行成本，对保障电网安全运行具有重要的意义。

现有低电压治理评估策略通过引导式分步规划为用户提供更换导线、添加无功补偿装置、配置调压器三种单步治理方法供选择。选择上述某种单步治理方法后，每次只执行一段导线线径的更改、一台无功补偿装置或者一台调压器的增设。每执行完一次单步规划后，可以对当前得到的方案进行手工调整、选择某种单步方案继续进行规划。

现有低电压治理方案存在以下缺点：利用系统拓扑数据和历史数据计算潮流，而没有对系统运行状态进行实时监测，无法保证数据的准确性和实时性。单步规划策略确定了治理措施的优先顺序，无法保证治理方案是治理效果最优。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，对实体配电系统运行状态进行实时监测，保证数据的准确性和实时性，保证治理方案治理效果最优。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，包括数字孪生仿真模块、低电压治理模块、治理评估模块；

所述数字孪生仿真模块，用于映射实体配电系统的全生命周期过程；

所述低电压治理模块，用于获取系统实时数据，对系统低电压进行治理；

所述治理评估模块，用于结合数字孪生仿真模块对治理方案进行评估，获取不同治理策略下系统运行状态，确定最合理的策略。

为实现上述目的，本发明另外提供一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估方法，其利用上述系统实现，包括：

通过数字孪生仿真模块映射实体配电系统的全生命周期过程；

低电压治理模块获取系统实时数据，进行低电压治理；

治理评估模块将低电压治理模块的治理方案应用到数字孪生仿真模块中，进行治理评估，获取不同治理策略下系统运行状态，确定最合理的策略。

进一步地，通过低电压治理模块进行低电压治理，包括：

潮流分析，快速获取系统电压分布，对电压监测数据进行校正，判断系统是否出现低电压运行状态，若出现低电压运行状态，则进行下一步，否则无需进入后续的工作；

通过多种措施进行低电压治理，确保系统电压恢复到正常运行范围；

以电压偏差、网损、治理成本为优化目标，构建配电网低电压治理模型进行优化。

进一步地，通过多种措施进行低电压治理，包括：

在配电台区配置无功补偿装置，补偿配电台区无功需求；

控制电路将调压器输出端电压与基准电压进行比较；当调压器输出端电压或低于基准值时，延时动作模块中有载分接开关内的电动机运转，带动分接开关从一个分接头切换至另一个分接头，改变变压器的变比以实现有载自动调压；

增加配变布点以及线路改造。

进一步地，电压偏差的计算公式如下所示：

式(2)中,V_i和V_ib分别为节点i的实际电压和额定电压；M为系统节点个数；T为统计时间；

减损指标的计算公式如下所示：

式(3)中,P_la和P_lb分别为治理方案实施前后系统网损；

治理成本包括投资成本、检修维护成本、运行成本，其计算公式如下所示：

f_e＝f_i+f_m+f_o (4)

式(4)中，f_e为成本指标；f_i为投资成本；f_m为检修维护成本；f_o为运行成本；

投资成本包括安装无功补偿装置费用、新增调压器费用，新增配变布点费用及更换导线费用,表达式如下所示：

式(5)中，D_a、D_b、D_c、D_d分别为无功补偿装置、新增调压器、新增配变、更换导线集合；ε_a为无功补偿装置单位容量投资成本，x_a为无功补偿量；ε_b为新增调压器单位容量成本，x_b为新增调压器容量；ε_c为新增配变布点单位容量成本，x_a新增配变布点容量；ε_d为单位长度线路改造成本；x_d为线路长度；

检修成本与新增配电网设备数量相关，表达式如下所示：

式(6)中，N为设备数量,μ为单位设备检修成本；

运行成本主要考虑低电压治理后系统发电成本，其公式如下：

式(7)中，ε_s和ε_dg分别为电网和分布式电源单位电量发电成本；P_s和P_dg为电网和分布式电源实际发电量。

进一步地，构建的配电网低电压治理模型具有如下约束条件：

a)潮流方程约束

式(8)和式(9)中，P_i ^α和

分别为低电压治理后节点i注入的有功功率和无功功率；V_i ^m为节点i的电压；

b)节点电压约束

V_i,min≤V_i,t≤V_i,max (10)

式(10)中，V_i,t为节点i的电压；V_i,max和V_i,min分别为电压上下限；

c)支路电流约束

|I_l|≤I_l,max (11)

式(11)中，I_l和I_l,max分别为支路I的实际电流和电流限值；

d)无功补偿容量约束

S_i,c≤S_i,N (12)

式(12)中，S_i,c为节点i配置无功补偿装置容量；S_i,N为无偿补偿装置容量上限；

e)新建调压器约束

N_T≤N_T,max (13)

式(13)中，N_T为新建调压器的数量；N_T,max为新建调压器数量上限；

f)新增配变布点约束

M'≤M'_max (14)

式(14)中，M'为新增配变布点；M'_max为新增配变布点数量上限；

g)线路改造长度约束

L_R≤L_R，max (15)

式(15)中，L_R为线路改造长度；L_R，max为新线路改造长度限值。

进一步地，通过二阶粒子群算法对配电网低电压治理模型进行优化求解。

进一步地，进行治理评估包括：

构建低电压治理评估模型；

确定各评估指标权重系数；

计算各评估指标值；

计算各评估指标灰色关联度；

基于低电压治理评估模型进行综合评价和结果分析。

进一步地，所述评估指标包括电能质量、经济效益、运行可靠性。

进一步地，所述电能质量包括电压偏差、电压波动、三相不平衡、谐波畸变率；

所述经济效益包括网损、治理成本、治理周期、发电成本；

所述运行可靠性包括功率因数、配变负载率、供电半径、热稳定性。

与现有技术相比，本方案原理及优点如下：

本方案首先通过数字孪生仿真模块映射实体配电系统的全生命周期过程，然后低电压治理模块获取系统实时数据，进行低电压治理，最后治理评估模块将低电压治理模块的治理方案应用到数字孪生仿真模块中，进行治理评估，获取不同治理策略下系统运行状态，确定最合理的策略。

本方案能对实体配电系统运行状态进行实时监测，保证数据的准确性和实时性，保证治理方案治理效果最优。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统的连接框图；

图2为本发明一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估方法的原理流程图；

图3为无功补偿装置的模型图；

图4为调压器模型图；

图5为评估指标及权重系数示意图；

图6为低电压治理评估流程图；

图7为I EEE 33节点配电系统示意图；

图8为电压分布图；

图9为优化目标的迭代曲线图；

图10为低电压治理前后电压对比曲线图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例所述的一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，包括数字孪生仿真模块、低电压治理模块、治理评估模块。

其中，数字孪生仿真模块基于物理模型、历史运行数据和传感器接收数据，利用多物理量、多尺度、多概率的仿真技术，构建数字虚拟空间，来映射物理实体的全生命周期过程。低电压治理模块，用于获取系统实时数据，对系统低电压进行治理。治理评估模块，用于结合数字孪生仿真模块对治理方案进行评估，获取不同治理策略下系统运行状态，确定最合理的策略。

如图2所示，本实施例的工作原理包括以下步骤：

S1、通过数字孪生仿真模块映射实体配电系统的全生命周期过程；

S2、通过低电压治理模块获取系统实时数据，进行低电压治理；

具体地，本步骤中，进行低电压治理的过程包括：

S2-1、潮流分析，快速获取系统电压分布，对电压监测数据进行校正，判断系统是否出现低电压运行状态，若出现低电压运行状态，则进行下一步，否则无需进入后续的工作；

S2-2、通过多种措施进行低电压治理，确保系统电压恢复到正常运行范围；

具体地，低电压治理措施包括；

1)无功补偿

在配电台区配置无功补偿装置，补偿配电台区无功需求，确保配电台区功率因数满足供电用户要求，达到最佳补偿效果，有效地降低线路、变压器的有功/无功损耗，改善负荷末端电压偏低的问题。无功补偿装置的模型如图3所示：

无功补偿装置补偿功率如式(1)所示：

式中：Q_c为无功补偿装置发出的功率；j为虚数；ω为系统运行角频率；C为电容；U_N为额定电压。

2)控制电路将调压器输出端电压与基准电压进行比较；当调压器输出端电压或低于基准值时，延时动作模块中有载分接开关内的电动机运转，带动分接开关从一个分接头切换至另一个分接头，改变变压器的变比以实现有载自动调压；调压器的典型拓扑如图4所示。

3)新增配变布点

配变新增布点法是针对现有配变布点和低压台区负荷分布不合理等问题，通过增加配变布点，解决由于低压供电半径过长、配变重超载造成的配网用户低电压问题。

4)线路改造

线路改造是针对现有配网导线型号不合适导致压降和网损较大而产生的低电压问题。通过线路改造，可以提高线路末端电压，降低网损，提高用户的供电质量。

S2-3、以电压偏差、网损、治理成本为优化目标，构建配电网低电压治理模型进行优化，该配电网低电压治理模型为电压偏差、网损、治理成本分别乘以对应的系数后相加，通过二阶粒子群算法对配电网低电压治理模型进行优化求解。

具体地，电压偏差的计算公式如下所示：

式(2)中,V_i和V_ib分别为节点i的实际电压和额定电压；M为系统节点个数；T为统计时间；

减损指标的计算公式如下所示：

式(3)中,P_la和P_lb分别为治理方案实施前后系统网损；

治理成本包括投资成本、检修维护成本、运行成本，其计算公式如下所示：

f_e＝f_i+f_m+f_o (4)

式(4)中，f_e为成本指标；f_i为投资成本；f_m为检修维护成本；f_o为运行成本；

投资成本包括安装无功补偿装置费用、新增调压器费用，新增配变布点费用及更换导线费用,表达式如下所示：

式(5)中，D_a、D_b、D_c、D_d分别为无功补偿装置、新增调压器、新增配变、更换导线集合；ε_a为无功补偿装置单位容量投资成本，x_a为无功补偿量；ε_b为新增调压器单位容量成本，x_b为新增调压器容量；ε_c为新增配变布点单位容量成本，x_a新增配变布点容量；ε_d为单位长度线路改造成本；x_d为线路长度；

检修成本与新增配电网设备数量相关，表达式如下所示：

式(6)中，N为设备数量,μ为单位设备检修成本；

运行成本主要考虑低电压治理后系统发电成本，其公式如下：

式(7)中，ε_s和ε_dg分别为电网和分布式电源单位电量发电成本；P_s和P_dg为电网和分布式电源实际发电量。

具体地，构建的配电网低电压治理模型具有如下约束条件：

a)潮流方程约束

式(8)和式(9)中，P_i ^α和

分别为低电压治理后节点i注入的有功功率和无功功率；V_i ^m为节点i的电压；

b)节点电压约束

V_i,min≤V_i,t≤V_i,max (10)

式(10)中，V_i,t为节点i的电压；V_i,max和V_i,min分别为电压上下限；

c)支路电流约束

|I_l|≤I_l,max (11)

式(11)中，I_l和I_l,max分别为支路I的实际电流和电流限值；

d)无功补偿容量约束

S_i,c≤S_i,N (12)

式(12)中，S_i,c为节点i配置无功补偿装置容量；S_i,N为无偿补偿装置容量上限；

e)新建调压器约束

N_T≤N_T,max (13)

式(13)中，N_T为新建调压器的数量；N_T,max为新建调压器数量上限；

f)新增配变布点约束

M'≤M'_max (14)

式(14)中，M'为新增配变布点；M'_max为新增配变布点数量上限；

g)线路改造长度约束

L_R≤L_R，max (15)

式(15)中，L_R为线路改造长度；L_R，max为新线路改造长度限值。

S3、治理评估模块将低电压治理模块的治理方案应用到数字孪生仿真模块中，进行治理评估，获取不同治理策略下系统运行状态，确定最合理的策略。

具体地，如图6所示进行治理评估，包括：

构建低电压治理评估模型；

确定各评估指标权重系数；

如图5所示，评估指标包括电能质量、经济效益、运行可靠性；电能质量包括电压偏差、电压波动、三相不平衡、谐波畸变率；经济效益包括网损、治理成本、治理周期、发电成本；图5中还包括有各评估指标对应的权重系数。

计算各评估指标值；

计算各评估指标灰色关联度；

基于低电压治理评估模型进行综合评价和结果分析。

为证明本实施例所述方案的优越性和有效性，进行以下测试：

在CloudPSS平台搭建了改进的IEEE-33节点配电系统进行仿真分析。该系统包括32条传输线，32个负荷，2台光伏发电系统和2台风机。光伏发电接在节点8和节点12，风力发电接在节点27和30上。该系统的基准电压为12.6kV,基准容量为10MW。系统拓扑如图7所示。

建立该测试系统的数字孪生仿真模块，并利用低电压治理模块通过潮流计算获取该测试系统的电压分布，如图8所示。

由图8可得：BUS18的电压最小，为0.8835p.u.，小于电压限值0.93p.u.,因此系统处于低电压运行状态。继续利用低电压治理模块对该系统进行治理优化。

在低电压治理模块中，并联电容器单位容量成本为0.013万元；单相有载调压器包含16个分接头，步进量为1.25％。变电站建设成本为50万元；线路改造可选择导线型号为LGJ-150/35和LGJ-185/10。单位长度造价分别为10.2万元和11万元。系统允许的最大、最小电压偏差分别为系统额定电压的±7％。

优化模块的粒子数N为50，惯性权重为0.7，学习因子C1为1.5，C2为1，最大迭代次数为100。

为了解决测试算例低电压的问题，对该系统进行了优化。优化结果为：在线路Bus7-Bus8配置一台变比为1.08的10KV调压器；在Bus28，Bus31,Bus33和Bus22分别配置容量为0.60Mvr,0.037Mvr,0.465Mvr,1.2Mvr的无功补偿装置。

该测试算例优化目标的迭代曲线如图9所示；由图9可得，进行低电压治理优化后，该测试算例的优化目标得到了提高，因此通过低电压治理优化可以有效地提升系统的综合性能。

低电压治理前后系统电压偏差，最小电压和系统网损的对比结果如表1所示：

表1低电压治理前后优化目标对比

由表1可得，通过低电压治理，系统的最小电压提高了7.47％，系统电压偏差降低了74.62％，系统网损降低了14.93％。表明系统的供电质量和运行效率都得到了一定的提升，证明了算法的有效性和有用性。

低电压治理前后各节点电压分布对比曲线如图10所示；由图10可以得出，通过低电压优化治理，系统的电压都得到了一定的提高，系统的电压都在9.3p.u.以上，低电压治理得到解决。

为验证所提的低电压治理评估体系及综合评估方法的有效性，以三个典型的低电压治理方案为例(上述只阐述了一个优化方案，省略了其他优化方案，现实中会有多个优化方案)，完成治理效果评价分析。各方案治理措施如表2所示：

表2不同方案治理措施

通过数字孪生仿真模块获得各治理方案下系统运行数据，并结合图5中各指标权重完成评估。评估结果如表3所示：

表3综合评估结果

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由表3可得：治理方案A是治理效果综合评价最优的方案。其经济性和运行可靠性综合得分较方案B和方案C高，表明治理方案A提高了系统的经济性和稳定性。电能质量表现最好的是方案B。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，其特征在于，包括数字孪生仿真模块、低电压治理模块、治理评估模块；

所述数字孪生仿真模块，用于映射实体配电系统的全生命周期过程；

所述低电压治理模块，用于获取系统实时数据，对系统低电压进行治理；

所述治理评估模块，用于结合数字孪生仿真模块对治理方案进行评估，获取不同治理策略下系统运行状态，确定最合理的策略。

2.一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估方法，其特征在于，利用权利要求1所述系统实现，包括：

通过数字孪生仿真模块映射实体配电系统的全生命周期过程；

通过低电压治理模块获取系统实时数据，进行低电压治理；

治理评估模块将低电压治理模块的治理方案应用到数字孪生仿真模块中，进行治理评估，获取不同治理策略下系统运行状态，确定最合理的策略。

3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，其特征在于，通过低电压治理模块进行低电压治理，包括：

潮流分析，快速获取系统电压分布，对电压监测数据进行校正，判断系统是否出现低电压运行状态，若出现低电压运行状态，则进行下一步，否则无需进入后续的工作；

通过多种措施进行低电压治理，确保系统电压恢复到正常运行范围；

以电压偏差、网损、治理成本为优化目标，构建配电网低电压治理模型进行优化。

4.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，其特征在于，通过多种措施进行低电压治理，包括：

在配电台区配置无功补偿装置，补偿配电台区无功需求；

控制电路将调压器输出端电压与基准电压进行比较；当调压器输出端电压或低于基准值时，延时动作模块中有载分接开关内的电动机运转，带动分接开关从一个分接头切换至另一个分接头，改变变压器的变比以实现有载自动调压；

增加配变布点以及线路改造。

5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，其特征在于，电压偏差的计算公式如下所示：

式(2)中,V_i和V_ib分别为节点i的实际电压和额定电压；M为系统节点个数；T为统计时间；

减损指标的计算公式如下所示：

式(3)中,P_la和P_lb分别为治理方案实施前后系统网损；

治理成本包括投资成本、检修维护成本、运行成本，其计算公式如下所示：

f_e＝f_i+f_m+f_o (4)

式(4)中，f_e为成本指标；f_i为投资成本；f_m为检修维护成本；f_o为运行成本；

投资成本包括安装无功补偿装置费用、新增调压器费用，新增配变布点费用及更换导线费用,表达式如下所示：

式(5)中，D_a、D_b、D_c、D_d分别为无功补偿装置、新增调压器、新增配变、更换导线集合；ε_a为无功补偿装置单位容量投资成本，x_a为无功补偿量；ε_b为新增调压器单位容量成本，x_b为新增调压器容量；ε_c为新增配变布点单位容量成本，x_a新增配变布点容量；ε_d为单位长度线路改造成本；x_d为线路长度；

检修成本与新增配电网设备数量相关，表达式如下所示：

式(6)中，N为设备数量,μ为单位设备检修成本；

运行成本主要考虑低电压治理后系统发电成本，其公式如下：

式(7)中，ε_s和ε_dg分别为电网和分布式电源单位电量发电成本；P_s和P_dg为电网和分布式电源实际发电量。

6.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，其特征在于，构建的配电网低电压治理模型具有如下约束条件：

a)潮流方程约束

式(8)和式(9)中，P_i ^α和Q_i ^α分别为低电压治理后节点i注入的有功功率和无功功率；V_i ^m为节点i的电压；

b)节点电压约束

V_i,min≤V_i,t≤V_i,max (10)

式(10)中，V_i,t为节点i的电压；V_i,max和V_i,min分别为电压上下限；

c)支路电流约束

|I_l|≤I_l,max (11)

式(11)中，I_l和I_l,max分别为支路I的实际电流和电流限值；

d)无功补偿容量约束

S_i,c≤S_i,N (12)

式(12)中，S_i,c为节点i配置无功补偿装置容量；S_i,N为无偿补偿装置容量上限；

e)新建调压器约束

N_T≤N_T,max (13)

式(13)中，N_T为新建调压器的数量；N_T,max为新建调压器数量上限；

f)新增配变布点约束

M'≤M'_max (14)

式(14)中，M'为新增配变布点；M'_max为新增配变布点数量上限；

g)线路改造长度约束

L_R≤L_R，max (15)

式(15)中，L_R为线路改造长度；L_R，max为新线路改造长度限值。

7.根据权利要求3所述的一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，其特征在于，通过二阶粒子群算法对配电网低电压治理模型进行优化求解。

8.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，其特征在于，进行治理评估包括：

构建低电压治理评估模型；

确定各评估指标权重系数；

计算各评估指标值；

计算各评估指标灰色关联度；

基于低电压治理评估模型进行综合评价和结果分析。

9.根据权利要求8所述的一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，其特征在于，所述评估指标包括电能质量、经济效益、运行可靠性。

10.根据权利要求8所述的一种基于数字孪生的配电网低电压治理评估系统，其特征在于，所述电能质量包括电压偏差、电压波动、三相不平衡、谐波畸变率；

所述经济效益包括网损、治理成本、治理周期、发电成本；

所述运行可靠性包括功率因数、配变负载率、供电半径、热稳定性。

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