WO2012103904A2

WO2012103904A2 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung des lastflusses in einem energieversorgungsnetz

Info

Publication number: WO2012103904A2
Application number: PCT/EP2011/004336
Authority: WO
Inventors: Haijun FENG
Original assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Maschinenfabrik Reinhausen Gebrueder Scheubeck GmbH and Co KG
Current assignee: Maschinenfabrik Reinhausen GmbH; Scheubeck GmbH and Co
Priority date: 2011-02-05
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2013-08-05
Also published as: WO2012103904A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Lastflusses, bei dem ein vorhandenes vermaschtes Netz zu einem nicht vermaschten Netz konvertiert wird und nachfolgend das auf diese Weise umgewandelte Netz in zwei Teilnetze aufgeteilt wird.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Lastflusses in einem Energieversorgungsnetz

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des

Lastflusses in einem Energieversorgungsnetz, insbesondere in einem

Verteilungsnetz.

Sie betrifft ein universal anwendbares Verfahren insbesondere in einem Verteilungsnetz, und zwar sowohl in einem strahlenförmigen Netz als auch in einem vermaschten Netz mit Erzeugungsanlagen und Verbrauchern. Besonders vorteilhaft ist der Einsatz dieser Erfindung bei echtzeitigen Anwendungen, wie z.B. Spannungsreglern, Netzleitsystemen etc.

Sowohl für die Netzplanung wie auch für den Netzbetrieb spielt die Lastflussberechnung eine zentrale Rolle. Üblicherweise wird ein Stromversorgungsnetz für Lastflussuntersuchungen mittels einer Anzahl von Knoten mit komplexen Spannungen und Zweigen als Verbindungen der Knoten modelliert.

Dabei werden alle Knoten nach den folgenden 3 Typen klassifiziert:

1. Referenzknoten: komplexe Spannung ist vorgegeben

Spannungsbetrag \U\ = 1,0

Spannungsphasenwinkel 0 = 0°

2. PQ Knoten: Wirkleistung P und Blindleistung Q sind vorgegeben

3. PU Knoten: Wirkleistung P und Spannungsbetrag sind vorgegeben

Das Ziel einer Lastflussberechnung ist es, anhand der vorgegebenen Werte und der vorhandenen Netzparameter die Zustandsgrößen - d.h. die komplexen Spannungen an allen Knoten - zu ermitteln.

Aus der Veröffentlichung L. Powell: "Power System Load Flow Analysis (Professional Engineering)" Mcgraw Hill Book Co; ISBN:978-0071447799 ist ein Verfahren zur Lastflussberechnung bekannt, als Newton-Raphson Verfahren bezeichnet.

Aus der Veröffentlichung W. Kersting, D. Mendive„An Application of Ladder Network Theory to the Solution of Three Phase Radial Load-Flow Problems", IEEE PES, Winter meeting, New York, January 1976, IEEE Paper No. A76 044-8 ist ein weiteres Verfahren zur Lastflussberechnung bekannt, als BFS (Backward-forward-Sweep) bezeichnet, bekannt. Dieses Verfahren ist ein relativ neues Verfahren zur

Lastflussberechnung in einem Verteilungsnetz.

Aus der WO 2010/057516 A1 ist ein Verfahren zur Anpassung der Lastprofile bekannt, jedoch handelt es sich bei diesem Verfahren lediglich um die optimale Ermittlung der Lastprofile; das Verfahren betrifft nicht die Lastflussberechnung selbst.

Aus der WO 2008/134997 A2 ist ein weiteres Verfahren zur Bestimmung des Lastflusses in einem symmetrischen elektrischen Versorgungsnetz bekannt. Mittels der Methode der sogen, „symmetrischen Komponenten" erfolgt die Lastflussberechnung in drei symmetrische Komponenten, als 012-Komponenten bezeichnet. Im Vergleich mit dem Newton-Raphson Verfahren kann dieses Verfahren den Rechenaufwand nur begrenzt reduzieren.

Bedingt durch unterschiedliche Netzcharakteristika werden verschiedene Verfahren zur Lastflussberechnung verwendet. Während das konventionelle Newton-Raphson Verfahren für Lastflussberechnungen im Übertragungsnetz dominiert, wird das BFS Verfahren vermehrt im Verteilungsnetz eingesetzt. Da das Verhältnis RIX in den meisten Verteilungsnetzen viel höher als in den Übertragungsnetzen ist, konvergiert das Newton-Raphson Verfahren bei solchen Verteilungsnetzen nur sehr langsam bzw. gar nicht.

Aber auch das ebenfalls bekannte BFS Verfahren hat zwei wesentliche Nachteile: Es ist nicht anwendbar für vermaschte Netze, und es ist nicht anwendbar für Netze, die auch PU Knoten beinhalten

Obwohl vielfach versucht wurde, diese beiden Probleme zu lösen, gibt es bis heute immer noch kein Verfahren, das gleichzeitig stabil, effizient, und universell für alle Verteilungsnetze anwendbar ist. Wegen der schnell wachsenden dezentralen Energieerzeugungen im Verteilungsnetz, insbesondere bei Photovoltaikanlagen, haben sich diese beiden Probleme aber mittelweile drastisch verschärft. Zur Spannungsbandhaltung als Mittel gegen eine Spannungsanhebung, verursacht durch die installierten dezentralen Energieerzeugungen, wird eine Vermaschung mit den benachbarten Netzen häufig vom Netzbetreiber als erste Abhilfe ausgeführt. Je nach eingesetztem Regelalgorithmus beim PV-Wechselrichter müssen manche Anschlussknoten der Photovoltaikanlagen als PU Knoten bei der Lastflussberechnung betrachtet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein generell anwendbares Verfahren zur Lastflussberechnung in allen Verteilungsnetzen mit unterschiedlichen Knotentypen bereitzustellen, das eine stabile, schnelle und effiziente Lösung liefert.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Beispielnetzes näher erläutert. Die Figuren zeigen:

Figur 1 ein Originalnetz

Figur 2 ein umgewandeltes Netz gemäß der Erfindung

Figur 3 ein erstes erfindungsgemäßes Teilnetz

Figur 4 ein zweites erfindungsgemäßes Teilnetz

Figur 5 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Figur 1 zeigt ein beispielhaftes, vorgefundenes Originalnetz. Gezeigt sind ein Referenzknoten 0, ein PU Knoten 1 sowie ein PQ Knoten 2.

Figur 2 zeigt ein erfindungsgemäß umgewandeltes Netz. Neben Referenzknoten 0, PU Knoten 1 und PQ Knoten 2 ist hier noch ein virtueller Knoten 3 gezeigt. Das Originalnetz ist im Knoten 2 umgewandelt. Der Knoten 3 ist der virtuelle Knoten; der Knoten 3 ist mit dem Knoten 2 durch u₃₂ und -u₃₂ kurzgeschlossen. Der Knoten

1 ist durch seriell geschaltete t/, und u'°" -u_ dargestellt. Trennknoten sind demnach solche Knoten, durch deren Trennung ein vermaschtes Netz zu einem nicht vermaschten Netz konvertiert wird. Ausgehend von einem Referenzknoten werden zuerst alle Trennknoten durch eine an sich bekannte Breitensuche (Breadth First Search) ermittelt. Das Netz wird dadurch umgewandelt, dass ein zusätzlicher virtueller Knoten zu jedem Trennknoten hinzugefügt wird. Die Verbindungen zwischen dem realen und dem virtuellen Knoten werden durch zwei Spannungsquellen kurzgeschlossen, deren Betrag gleich, deren Richtung aber entgegengesetzt ist. Außerdem werden alle PU Knoten durch zwei seriell geschaltete Spannungsquellen dargestellt. Nachfolgend wird erfindungsgemäß das auf diese Weise umgewandelte Netz mittels der Methode der Superposition in zwei Teilnetze unterteilt. Dies ist in den Figuren 3 und 4 gezeigt.

Figur 3 zeigt ein erfindungsgemäßes erstes Teilnetz.

Der Verbindung zwischen Knoten 2 und 3 ist getrennt. Die Spannungsdifferenz von Knoten 3 nach Knoten2 ist u₃₂. Die Spannung am Knoten 1 ist u_t .

Mit Hilfe der an sich bekannten Methode des„Kompensationsstromes" wird bei dem ersten Teilnetz noch jeweils eine Stromquelle an allen PU und Trennknoten gesetzt. Diese Methode ist in der Veröffentlichung W. Tinney "COMPENSATION METHODS FOR NETWORK SOLUTIONS BY OPTIMALL Y ORDERED TRIANGULÄR

FACTORIZYTION" Proc. Of PICA Conference, Boston, Mass., May 24-26, 1971 erläutert.

Diese Stromquellen werden wie folgt bestimmt:

— - /^(,) hpi wpitprpr Itpratinn

~ L kompensation, Neu I Lkompensation,Nelz2 ^ucl VVGI IC I CI ea ilUI I

Dabei: l^{^_{mpensalioniNelzl} - Kompensationsstrom bei der letzten Iteration im ersten

Teilnetz

— I ktoommpneennssaattiioonn , NNeettzz 2i " Kompensationsstrom aus den Ergebnissen der letzten

Iteration im zweiten Teilnetz.

Für PU Knoten muss die insgesamt ins Netz eingespeiste Wirkleistung die folgende Bedingung erfüllen:

soll

P_k = P_k

Dabei ist die vorgegebene Wirkleistungseinspeisung an diesem Knoten.

Für PQ Knoten müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein: _* = n

Q_k = ^Q

Dabei ist /°"die vorgegebene Wirkleistungseinspeisung an diesem Knoten die vorgegebene Blindleistungseinspeisung an diesem Knoten.

Bei dem ersten Teilnetz handelt es sich um ein nicht vermaschtes Netz ohne PU Knoten, somit können die komplexen Knotenspannungen per bekanntem BFS Verfahren ermittelt werden. Weiterhin müssen alle komplexen Spannungsdifferenzen zwischen dem realen und dem virtuellen Trennknoten berechnet werden, die für die Bildung des zweiten Netzes eingesetzt werden. Ein solches erstes Teilnetz ist in Fig. 3 dargestellt.

Figur 4 zeigt ein erfindungsgemäßes zweites Teilnetz.

u₃₂ und c/, entsprechen den Werten in Fig. 3. Der Betrag von u^*°" ist die

vorgegebene Spannung.

Das zweite Netz wird wie folgt gebildet:

1. Referenzknoten wird geerdet, U_{0 Netz2} = 0

2. Alle Stromquellen werden auf Null gesetzt

3. £/, und U_n werden aus den Ergebnissen im ersten Netz übernommen

4. Spannungsbetrag und

Spannungsphasenwinkel von [/^"werden aus der Bedingung P 0 bestimmt.

Da sich die Topologie im zweiten Teilnetz im ganzen Iterationsprozess nicht ändert, kann die jeweilige spezielle Matrix zur Bestimmung der komplexen

Knotenspannungen in einem Schritt vor dem Iterationsprozess berechnet werden. Diese Matrix kann vorteilhaft mittels der bekannten Takahashi Methode oder mittels Bildung der inversen Matrizen aus der Knotenadmittanzmatrix berechnet werden. Die Takahashi Methode wird bisher ausschließlich zur Kurzschlußberechnung verwendet und ist in der Veröffentlichung K. Tanaka, K. Takahashi„An efficient method of modifying Z-matrix elements in short-circuit capacity calculations" Electrical

Engineering in Japan, Volume 114, Issue2, Pages 48-56. 1994 erläutert.

Die Knotenspannungen in jeder Iteration können dann in einem Schritt mittels dieser speziellen Matrizen ermittelt werden. Darüber hinaus sollen auch die eingespeisten Ströme an allen PU Knoten und der Zweigstrom zwischen dem realen und dem virtuellen Trennknoten kalkuliert werden. Dies ist notwendig, da diese Ströme zu den Kompensationsströmen für die nächste Iteration im ersten Netz addiert werden sollen. Fig. 4 zeigt dieses erläuterte zweite Teilnetz.

Schließlich werden die endgültigen Knotenspannungen mittels des bekannten Überlagerungsgesetzes aus dem ersten und dem zweiten Teilnetz ermittelt: Zum Schluss wird nach der folgenden Bedingung überprüft, ob diese Lastflussberechnung konvergiert ist:

Dabei: ε - Fehlertoleranz

Ist diese Konvergenzbedingung noch nicht erfüllt, dann geht das Programm zur nächsten Iteration über, ist die Konvergenzbedingung erfüllt, werden die Ergebnisse gespeichert und das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung des Lastflussberechnung ist abgeschlossen.

In Figur 5 sind die ausführlich erläuterten einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Lastflusses noch einmal zusammengefasst und schematisch dargestellt.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Bestimmung des Lastflusses in einem Energieversorgungsnetz mit folgenden Schritten:

- Umwandlung des Originalnetzes des Energieversorgungsnetzes durch einen zusätzlichen künstlichen Knoten an jedem Trennknoten, sowie zwei seriell geschaltete Spannungsquellen an jedem PU Knoten,

- Unterteilung des auf diese Weise umgewandelten Netzes in zwei virtuelle Teilnetze, derart, dass die zwei virtuellen Teilnetze voneinander abhängig sind, wobei das erste virtuelle Teilnetz ein nicht vermaschtes Netz ohne PU Knoten ist und das zweite virtuelle Teilnetz ein passives Netz ist,

- Berechnung einer speziellen Matrix im zweiten Teilnetz aus der Knotenadmittanzmatrix,

- Bildung des ersten Teilnetzes,

- Berechnung der komplexen Knotenspannungen im ersten Teilnetz mittels eines an sich bekannten BFS Verfahrens,

- Berechnung der Spannungsdifferenzen in den Trennknoten im ersten Teilnetz

- Bildung des zweiten Teilnetzes,

- Ermittlung der Knotenspannungen im zweiten Teilnetz mit der speziellen Matrix

- Berechnung der Zweigströme im zweiten Teilnetz,

- Aktualisierung der Kompensationsströme im ersten Teilnetz,

- Überlagerung der Ergebnisse im ersten und zweiten Teilnetz,

- Überprüfung der Konvergenzbedingung,

- Ausgabe der endgültigen Ergebnisse, sobald die Konvergenzbedingung erfüllt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Energieversorgungsnetz ein elektrisches Verteilungsnetz ist.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der kombinierte Einsatz von Superposition, Kompensationsstrom und BFS Verfahren verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass das BFS Verfahren zur Ermittlung der Knotenspannungen im ersten Teilnetz verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet,

dass die spezielle Matrix zur Ermittlung der Knotenspannungen im zweiten Teilnetz mittels der Takahashi Methode oder mittels Bildung der inversen Matrix aus der Knotenadmittanzmatrix berechnet wird.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.

7. Computerprogramm, das in einem computerlesbaren Medium gespeichert ist und ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5 durchführt.