CN116247737A - 一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，包括以下步骤：S1，以负载均衡为目标建立网络重构模型，根据网络重构模型计算结果对配电网进行网络重构；S2，在配电网网络重构的基础上，以配电网供电负荷最大为目标，建立可开放容量评估模型；S3，利用前推回代法和广义梯度法对可开放容量评估模型进行迭代求解，得到高精度的可开放容量评估计算结果；S4，利用可开放容量评估计算结果进行配电网调整，以达到最优运行状态。本发明对有源配电网规划进行研究，建立可开放容量评估模型，有利于提高有源配电网的用电可靠性，为用户用电规划和升级改造提供数据分析基础。

Description

一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法

技术领域

本发明涉及负荷裕度分析技术领域，尤其是一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法。

背景技术

配电网作为电力用户的交互网络，其运行状态直接影响用户的电能供应情况，配电网供电能力的评估对于优化电网结构、指导配电网规划和建设具有重要意义。配电系统供电能力及裕度是评价网络性能的重要指标之一，可以衡量网络的最大负荷承载能力。在配电网精细化规划要求下，进行配电网供电匹配性分析有利于发现网络薄弱环节，针对性提高电网性能，以指导配电网规划和节约网络建设成本。

目前虽然对于最大供电能力分析模型进行研究，但未充分考虑分布式电源与多元化负荷同时接入配电网后的系统性最大动态负荷裕度研究；目前负荷裕度分析为降低求解难度，对离散优化问题进行简化，采用线性功率代替潮流方程和无功电压，但以上处理方式存在模型过度简化和无法有效处理多联络馈线的缺陷，无法保证结果可靠性和最优性，无法高效分析负荷裕度。

在中国专利文献上公开的“一种配电网转供电分析方法及其系统”，其公开号为CN109888778A。提供一种配电网转供电校验分析方法及其系统，所述包括如下步骤：步骤S1、获取配电网网架结构信息，根据预设配电网结构分层原则对配电网结构进行划分，具体将配电网网架结构划分为主干层、分支层和用户层；其中，所述主干层包括由变电站或开关站馈出、承担主要电能传输与分配功能的10kV架空或电缆线路的部分以及具备联络功能的线路段部分；所述分支层包括除主干层以外由10kV主干线引出的10kV线路部分；所述用户层包括直接为用户供电的配变部分；步骤S2、对所述步骤S1划分得到的主干层、分支层和用户层分别进行转供电校验分析。但是公开号为CN109888778A的中国专利的分析过程简单，且并未提出具体的算法。

发明内容

本发明解决了目前的负荷裕度分析方法在多馈线复杂配电网络中求解中容易出现最优性差的问题，提出一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，本发明对有源配电网规划进行研究，建立可开放容量评估模型，有利于提高有源配电网的用电可靠性，为用户用电规划和升级改造提供数据分析基础。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，包括以下步骤：

S1，以负载均衡为目标建立网络重构模型，根据网络重构模型计算结果对配电网进行网络重构；

S2，在配电网网络重构的基础上，以配电网供电负荷最大为目标，建立可开放容量评估模型；

S3，利用前推回代法和广义梯度法对可开放容量评估模型进行迭代求解，得到高精度的可开放容量评估计算结果；

S4，利用可开放容量评估计算结果进行配电网调整，以达到最优运行状态。

本发明中，首先，对有源配电网进行网络重构能够达到优化负荷分布和均衡负载的目标，在此基础上评估可开放容量；可开放容量是在满足有源配电网安全运行前提下的最大负荷接入容量；可开放容量计算过程中同时考虑主变和馈线N-1故障，并建立可开关容量评估模型；利用前推回代法计算配电网潮流，随后利用广义梯度法对可开放容量评估模型进行求解，得到最终的可开放容量评估计算结果以及各馈线上TSC允许负荷，充分解决最优性差、无法高效分析负荷裕度的问题。

作为优选，所述步骤S1包括以下步骤：

S11，建立网络重构模型，具体为构建负荷均衡目标函数，表示为：

其中，I_i表示支路电流，i和s分别表示馈线的序号和总数，f表示所有支路集合的负载率；

表示电流均值；

S12，建立网络重构模型的约束条件；

S13，由网络重构模型计算结果，调节分段和联络开关的闭合和断开操作，对故障节点进行隔离。

本发明中，首先建立网络重构模型，利用网络重构模型使配电网负荷动态分配至电气设备上，减少总线损，改善运行的能效水平。

作为优选，所述步骤S2包括以下步骤：

S21，以配电网供电负荷最大为目标，建立可开放容量评估模型的目标函数，目标函数具体为：

其中，C_max表示供电负荷最大；χ_i表示馈线负荷；

S22，可开放容量评估模型满足潮流约束、电压约束和容量约束。

本发明中，在规划和运行阶段，可开放容量的评估结果能够为用户报装接电和升级改造提供数据分析依据；本发明中构建的可开放容量评估模型，使容量优化计算更好地适应多联络开关的应用场景。

作为优选，所述步骤S3包括以下步骤：

S31，对节点频率和电压进行初始化，选择一个下垂节点为电压参考节点；回代过程中，根据已知电压节点计算支路电流，支路电流表示为：

其中，q₁和q₂分别表示实际有功和无功输出，n表示线路长度，h₁和h₂分别表示有功和无功功率参考值；在负载和参考节点中，对复功率电流值进行累加，将负荷转移到合适的时段，从母线注入支路电流并进行回代计算；

S32，前推过程利用支路阻抗和电流计算馈线到节点的电压，引入减速因子，前推过程的电压更新公式表示为：

其中，λ表示减速因子，u₀表示参考节点电压，R表示关联矩阵，

表示支路阻抗的对角矩阵；R的元素值为0时，表示支路和节点无关联，馈线总负荷不发生改变；R的元素值为±1时，支路和节点有关联，支路方向离开或指向参考节点；

S33，在约束条件下，利用广义梯度法对可开放容量评估模型进行求解。

本发明中，对于可开放容量评估模型的迭代求解，本发明中的可开放容量评估模型是有迭代的非线性规划模型；首先利用前推回代法计算配电网潮流，然后用广义梯度法对可开放容量评估模型进行求解；广义梯度法对约束条件下的任何搜索方向均具有很好的适应性，当约束条件也具有非线性特征时，计算约束边界值来保持可行解精确有效。

作为优选，所述网络重构模型的约束条件包括电流约束和变电站容量约束；

所述电流约束表示为：

其中，I₁表示所属变电站的电流；I₂表示负荷电流；

所述变电站容量约束具体为：节点所属变电站的电流不超过变压器电流阈值。

本发明中，对于网络重构模型在满足上述约束条件后，才能计算出准确的结果。

作为优选，所述潮流约束具体为：配电网所有支路的关联矩阵和复电流矢量之积与注入矢量相等；

所述电压约束具体为：电压有效值不超过预设值的上下限，电压偏移量不超过最大允许值。

本发明中，对于可开放容量评估模型的约束条件，其包括有潮流约束以及电压约束，具体的，潮流约束中，所有支路的关联矩阵乘以复电流矢量等于注入矢量。

作为优选，所述容量约束包括馈线约束和主变约束；

所述馈线约束表示为：

α_i,j+β_i,j+γ_i,j≤w

其中，i,j为馈线序号，α_i,j表示馈线i出口处发生N-1故障后转带至馈线j的负荷；β_i,j表示负荷转带损耗；γ_i,j表示联络开关闭合产生的损耗；w表示馈线容量；

所述主变约束表示为：

α_i,j+μ_x+β_i,j+γ_i,j≤p

其中，μ_x表示主变x的负荷；p表示主变容量；且在正常运行时，负荷转带损耗β_i表示为：

其中，R_i表示馈线总长度的电阻；θ表示功率因数角；u_i表示馈线电压值。

本发明中，对于可开放容量评估模型的约束，还包括有容量约束，容量约束又包括馈线约束和主变约束；在发生N-1故障时，馈线负荷按照多个分区转带到不同联络馈线，并满足馈线约束；在发生N-1故障时，主变站内或站外的负荷量均不能超过容量约束，即为主变约束。

作为优选，所述网络重构模型的约束条件还包括：根据馈线起始端节点注入的功率，确定支路潮流，支路的视在功率功率表示为：

其中，ξ表示支路i的视在功率；g₁和g₂分别表示注入的有功功率和无功功率；各支路视在功率与开关开合状态变量的乘积在数值上不能超过所有支路功率的平均值。

本发明中，对于网络重构模型的约束条件，还需要满足各支路视在功率和开关开合状态变量的乘积小于或等于所有支路功率的平均值；注入功率值由应用场景和用户属性决定，在电力设备投入使用时，注入功率由供电网络的实际取用量决定；视在功率反映供电设备与电网之间的电能转换关系，根据场景进行迭代改进和调整。

本发明的有益效果是：本发明的一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，对有源配电网规划进行研究，建立可开放容量评估模型，动态分析配电网负荷裕度，充分解决最优性差、无法高效分析负荷裕度的问题，为用户用电规划和升级改造提供数据分析基础，有利于提高有源配电网的用电可靠性。

附图说明

图1是本发明一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法的流程图。

具体实施方式

实施例：

本实施例提出一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，参考图1，包括以下多个步骤。

步骤S1，以负载均衡为目标建立网络重构模型，由网络重构模型计算结果对配电网进行网络重构。本实施例中，该步骤过程能够达到优化负荷分布和均衡负载的目标；在馈线容量超出设定阈值时，可利用重构网络使负荷动态分配到电气设备上，减少总线损，改善运行的能效水平。

步骤S1包括多个子步骤，步骤S11，建立网络重构模型，具体为构建负荷均衡目标函数，具体表示为：

上式中，I_i为支路电流，i和s分别为馈线的序号和总数，f为所有支路集合的负载率；I_i为电流均值。本实施例中，网络重构模型的目标函数为所有支路集合的负载率最小；将能源出力换算为电流值，反映该条馈线的实际最高负荷。为防止重构后平均负载率低，馈线处于空载或低载状态，网络重构模型需要满足电流和变电站容量等约束条件。

步骤S12，建立网络重构模型的约束条件。具体的，网络重构模型的约束条件包括电流约束、变电站容量约束；对于电流约束，具体表示为：

上式中，I₁为所属变电站的电流；I₂为负荷电流。

对于变电站容量约束，具体的，表示为节点所属变电站的电流不超过变压器电流阈值。本实施例中，在呈辐射状的配电网中，各节点和变电站数量之差与开关开合状态的二进制变量在数值上相等；所有馈线的负载率与变压器总容量相关，因此，需要对变电站建立容量约束。

此外，网络重构模型的约束条件还包括：由馈线起始端节点注入的功率，确定支路潮流，支路的视在功率功率具体表示为：

上式中，ξ为支路i的视在功率；g₁和g₂分别为注入的有功功率和无功功率；各支路视在功率与开关开合状态变量的乘积在数值上不能超过所有支路功率的平均值。本实施例中，注入功率值由应用场景和用户属性决定，在电力设备投入使用时，注入功率由供电网络的实际取用量决定；视在功率反映供电设备与电网之间的电能转换关系，根据场景进行迭代改进和调整。除了上述约束条件外，网络重构模型还需满足变电站出力和节点电压约束，约束条件同样设置为不超过阈值。

步骤S13，根据网络重构模型计算结果，调节分段和联络开关的闭合和断开操作，对故障节点进行隔离。本实施例中，在经过步骤S13后，能够减少故障概率，消除安全隐患；对于不同线路混接的多联络馈线，以联络开关为边界划分馈线分区，在此基础上评估可开放容量。

步骤S2，在配电网网络重构的基础上，以配电网供电负荷最大为目标，建立可开放容量评估模型；具体的，根据失电负荷转供的可能性、馈线互联关系和潮流方程建立可开放容量评估模型，该步骤包括多个子步骤。本实施例中，计算可开放容量过程中，需要确定临界运行点，同时包含各个节点、馈线和主变的负荷分布，在网络重构中建立合环过程，各节点负荷按照相同的比例增加，但实际运行中负荷在增长速率上存在差异，因此设置一个权重调节各节点负荷的增长速度，假设馈线负荷集中在末端的一个节点上，单位长度阻抗相同，若只考虑一次转供，最大供电容量的评估结果偏低，不能反映供电潜力，将多条馈线通过联络开关形成接线模式，并设置分段开关，分段数与联络数相同，对接入配电网负荷正常供电。

步骤S21，以配电网供电负荷最大为目标，建立可开放容量评估模型的目标函数，该目标函数为：

上式中，C_max为供电负荷最大；χ_i为馈线负荷；在求解可开放容量评估模型的目标函数时，还需要添加约束条件。

步骤S22，可开放容量评估模型满足潮流约束、电压约束和容量约束。具体的，本发明中，潮流约束表示为：配电网所有支路的关联矩阵和复电流矢量之积与注入矢量相等。电压约束表示为：电压有效值不超过预设值的上下限，电压偏移量不超过最大允许值。

此外，对于容量约束包括有馈线约束以及主变约束，对于馈线约束，发生N-1故障时，馈线负荷按照多个分区转带到不同联络馈线，具体为：

α_i,j+β_i,j+γ_i,j≤w

上式中，i,j为馈线序号，α_i,j为馈线i出口处发生N-1故障后转带至馈线j的负荷；β_i,j为负荷转带损耗；γ_i,j为联络开关闭合产生的损耗；w为馈线容量。本实施例中，馈线负荷通过母联开关转给主变。

对于主变约束，具体为：

α_i,j+μ_x+β_i,j+γ_i,j≤p

上式中，μ_x为主变x的负荷；p为主变容量；且在正常运行时，负荷转带损耗β_i表示为：

上式中，R_i为馈线总长度的电阻；θ为功率因数角；u_i为馈线电压值。本实施例中，配电网实际运行过程中，主变故障率低于馈线故障率，馈线分段转带的负荷与总负荷相等，主变转带负荷与母线负荷相等；当馈线较短时，负荷转带产生的功率损耗值可以忽略不计；与馈线容量相比，主变容量和负荷转带量相对较大；在发生N-1故障时，主变站内或站外的负荷量均不能超过容量约束，即为主变约束。N-1故障条件能够满足有源配电网的负荷裕度分析要求。可开放容量评估模型能够准确地计算电压降落和网络损耗值；多联络馈线只允许闭合一个开关，其它开关的闭合或断开状态保持不变。馈线故障后，将出口开关断开，使用联络开关转带负荷，依次求解安全约束下的开关顺序。主变故障后，负荷经过两次转带，分别为经过母线开关转带和通过馈线联络转带至站内其他主变，故障隔离操作受到总开关控制，达到最优恢复运行。

步骤S3，利用前推回代法和广义梯度法对可开放容量评估模型进行迭代求解，得到高精度的可开放容量评估计算结果；具体的，该步骤包括以下多个子步骤。

步骤S31，对节点频率和电压进行初始化，选择一个下垂节点为电压参考节点；回代过程中，根据已知电压节点计算支路电流，支路电流具体表示为：

上式中，q₁和q₂分别为实际有功和无功输出，n为线路长度，h₁和h₂分别为有功和无功功率参考值；在负载和参考节点中，对复功率电流值进行累加，将负荷转移到合适的时段，从母线注入支路电流并进行回代计算。本实施例中，该过程为回代过程。

步骤S32，前推过程中，利用支路阻抗和电流计算馈线到节点的电压，引入减速因子，前推过程的电压更新公式表示为：

上式中，λ为减速因子，u₀为参考节点电压，R为关联矩阵，

为支路阻抗的对角矩阵；R的元素值为0时，表示支路和节点无关联，馈线总负荷不发生改变；R的元素值为±1时，支路和节点有关联，支路方向离开或指向参考节点。本实施例中，由于无功功率分配不平衡，电流值可能较高，导致电压出现偏差，故引入减速因子；此外，支路方向由节点关联关系决定，即R的元素值为0时，表明支路和节点无关联，馈线总负荷不发生改变；取值为±1时，二者存在关联，支路方向离开或指向参考节点；减速因子能够校正偏移矢量，调节过大的节点电压偏差。

步骤S33，在约束条件下，利用广义梯度法对可开放容量评估模型进行求解。本实施例中，广义梯度法对约束条件下的任何搜索方向均具有很好的适应性，当约束条件也具有非线性特征时，计算约束边界值来保持可行解精确有效。

步骤S4，利用可开放容量评估计算结果进行配电网调整，以达到最优运行状态。本实施例中，结合步骤S3和S4，对馈线联络矩阵采用实数编码，根据初始网络和重构解，建立需要断开和闭合的支路集，广义梯度函数的输入参数为初始网络、断开和闭合支路集，不同位置和合环操作产生的电流冲击具有较大的差异，对集合中的闭合开关进行合环校验，其冲击电流值不能超过保护整定值；对断开开关进行断开校验，馈线两端电压不能超过上下限，视在功率不超过功率上限。在每次梯度运算中，找到可行的解，包括一组断开和闭合支路，在初始集合中删除可行解，更新重构网络，开关位置按照调度需要进行调整，适应搜索过程的阶段相似性，进行下一次广义梯度运算。最后断开支路数与环路数相等，满足重构网络辐射运行条件，各节点达到特定负荷分布。经过前推回代的迭代和广义梯度法的求解，得到精度较高的可开放容量评估计算结果，计算得到的可开放容量也会更大，以适应用户实际响应量动态变化。

本发明中，根据配网联络水平和供电潜力，计算满足N-1条件和运行约束的最大负荷供电能力；在配电网发生N-1故障时，工作负荷发生变化，站内主变之间通过馈线发生负荷转供。在独立元件发生故障后，迅速将其隔离，非故障段节点满足允许电压偏移约束，非故障段在工作时段能够快速恢复供电。发生N-1故障时，工作负荷发生变化，站内主变之间通过馈线发生负荷转供。在独立元件发生故障后，迅速将其隔离，非故障段节点满足允许电压偏移约束，非故障段在工作时段能够快速恢复供电。由于配网负荷在馈线间存在层级隶属关系，只采用简单加减负荷的方法会产生计算误差，不能充分反映实际运行中的电压约束和负荷变化，本发明考虑同时考虑主变和馈线N-1故障，根据失电负荷转供的可能性、馈线互联关系和潮流方程建立可开放容量评估模型。

本发明中，首先，对有源配电网进行网络重构能够达到优化负荷分布和均衡负载的目标，在此基础上评估可开放容量；可开放容量是在满足有源配电网安全运行前提下的最大负荷接入容量；可开放容量计算过程中同时考虑主变和馈线N-1故障，并建立可开关容量评估模型；利用前推回代法计算配电网潮流，随后利用广义梯度法对可开放容量评估模型进行求解，得到最终的可开放容量评估计算结果以及各馈线上可开放容量允许负荷，充分解决最优性差、无法高效分析负荷裕度的问题。

上述实施例是对本发明的进一步阐述和说明，以便于理解，并不是对本发明的任何限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，以负载均衡为目标建立网络重构模型，根据网络重构模型计算结果对配电网进行网络重构；

S2，在配电网网络重构的基础上，以配电网供电负荷最大为目标，建立可开放容量评估模型；

S3，利用前推回代法和广义梯度法对可开放容量评估模型进行迭代求解，得到高精度的可开放容量评估计算结果；

S4，利用可开放容量评估计算结果进行配电网调整，以达到最优运行状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11，建立网络重构模型，具体为构建负荷均衡目标函数，表示为：

其中，I_i表示支路电流，i和s分别表示馈线的序号和总数，f表示所有支路集合的负载率；

表示电流均值；

S12，建立网络重构模型的约束条件；

S13，由网络重构模型计算结果，调节分段和联络开关的闭合和断开操作，对故障节点进行隔离。

3.根据权利要求2所述的一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

S21，以配电网供电负荷最大为目标，建立可开放容量评估模型的目标函数，目标函数具体为：

其中，C_max表示供电负荷最大；χ_i表示馈线负荷；

S22，可开放容量评估模型满足潮流约束、电压约束和容量约束。

4.根据权利要求3所述的一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，其特征在于，所述步骤S3包括以下步骤：

S31，对节点频率和电压进行初始化，选择一个下垂节点为电压参考节点；回代过程中，根据已知电压节点计算支路电流，支路电流表示为：

其中，q₁和q₂分别表示实际有功和无功输出，n表示线路长度，h₁和h₂分别表示有功和无功功率参考值；在负载和参考节点中，对复功率电流值进行累加，将负荷转移到合适的时段，从母线注入支路电流并进行回代计算；

S32，前推过程利用支路阻抗和电流计算馈线到节点的电压，引入减速因子，前推过程的电压更新公式表示为：

其中，λ表示减速因子，u₀表示参考节点电压，R表示关联矩阵，

表示支路阻抗的对角矩阵；R的元素值为0时，表示支路和节点无关联，馈线总负荷不发生改变；R的元素值为±1时，支路和节点有关联，支路方向离开或指向参考节点；

S33，在约束条件下，利用广义梯度法对可开放容量评估模型进行求解。

5.根据权利要求2所述的一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，其特征在于，所述网络重构模型的约束条件包括电流约束和变电站容量约束；

所述电流约束表示为：

其中，I₁表示所属变电站的电流；I₂表示负荷电流；

所述变电站容量约束具体为：节点所属变电站的电流不超过变压器电流阈值。

6.根据权利要求3所述的一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，其特征在于，所述潮流约束具体为：配电网所有支路的关联矩阵和复电流矢量之积与注入矢量相等；

所述电压约束具体为：电压有效值不超过预设值的上下限，电压偏移量不超过最大允许值。

7.根据权利要求3或4所述的一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，其特征在于，所述容量约束包括馈线约束和主变约束；

所述馈线约束表示为：

α_i,j+β_i,j+γ_i,j≤w

其中，i,j为馈线序号，α_i,j表示馈线i出口处发生N-1故障后转带至馈线j的负荷；β_i,j表示负荷转带损耗；γ_i,j表示联络开关闭合产生的损耗；w表示馈线容量；

所述主变约束表示为：

α_i,j+μ_x+β_i,j+γ_i,j≤p

其中，μ_x表示主变x的负荷；p表示主变容量；且在正常运行时，负荷转带损耗β_i表示为：

其中，R_i表示馈线总长度的电阻；θ表示功率因数角；u_i表示馈线电压值。

8.根据权利要求2所述的一种基于有源配电网规划动态负荷裕度的分析方法，其特征在于，所述网络重构模型的约束条件还包括：根据馈线起始端节点注入的功率，确定支路潮流，支路的视在功率功率表示为：

其中，ξ表示支路i的视在功率；g₁和g₂分别表示注入的有功功率和无功功率；各支路视在功率与开关开合状态变量的乘积在数值上不能超过所有支路功率的平均值。

Images