一种确定配电网馈线接纳分布式电源能力的方法和装置与流程

本发明涉及配电网运行与控制技术领域，具体涉及一种确定配电网馈线接纳分布式电源能力的方法和装置。

背景技术：

随着人们生活水平的逐步改善，对环境的要求不断提高、对电力生产低碳、清洁要求的日益增强，以风能和太阳能为主的分布式清洁、可再生能源迅速发展，大量分布式电源的接入，使传统的单电源辐射状配电网变成遍布电源的复杂网络，不仅改变了电网的潮流分布，且给配电网运行和控制带来一系列的影响，如电网节点电压、网络潮流、电能质量、电网可靠性、网络损耗、系统备用以及电网调度等方面。

随着分布式电源数量和容量的不断扩大随之出现的电压和电流问题不容忽视，所在的区域附近产生过电压是分布式电源(Distributed Generation)接入配电网最常见的问题，严重情况下会导致分布式电源脱网。

我国的分布式电源装机容量较高，充分消纳新能源电能是我们利用新能源必须解决的技术问题。国内近年开展的主动配电网技术研究的主要发展目标之一是提升电网对分布式清洁能源的消纳能力，而电网安全接纳分布式电源的容量是电力规划及运行人员十分关心的问题。

确定馈线接纳分布式电源能力时，现一般采用潮流仿真计算方法，应用时需要根据具体的情况来建模仿真，得出的结果需要通过不断反复的潮流计算结果校核来确定，耗费时间长且难以及时应用于电网的分布式电源调度运行控制中。另外，分布式电源接纳能力与馈线上负荷的大小以及线路的阻抗有直接的关系，在分布式接纳能力分析中常采用单点定值法分析负荷，分布式电源接纳能力也会因负荷的时变性而具有时变性，不考虑负荷变化因素的极端情况下的分布式电源接纳能力计算结果是比较片面和保守的，不能充分发挥利用分布式电源接入的潜力。

为快速精确计算配电网馈线接纳分布式电源能力，需要提供一种区别于传统方法的馈线接纳分布式电源能力的分析方法。

技术实现要素：

为满足现有技术发展的需要，本发明提供了一种确定馈线接纳分布式电源能力的方法，该方法充分考虑馈线三相互感、馈线损耗以及负荷的时变特性，为分布式电源接入配电网的规划和运行控制提供有力的依据，提高含大量分布式电源的配电网的安全性、经济性和可靠性。

本发明提供的确定配电网馈线接纳分布式电源能力的方法，其改进之处在于，所述方法包括：

S1、根据配电网馈线接纳节点的负荷信息和线路参数确定馈线损耗；

S2、根据馈线损耗确定馈线线路的三相电压变化量；

S3、按电压变化量中变化最大的单相线路的电压确定电压约束下分布式电源接入馈线的最大有功值；

S4、将最大有功值对应的馈线电流与电路电流限值比较，确定馈线接纳分布式电源的能力。

进一步的，所述步骤S1中，采集馈线上不同节点的有功负荷和无功负荷信息、三相线路自阻抗和互感阻抗、馈线电压上限值V_upper和最大电流限值I_max。

进一步的，按下式(1)计算分布式电源接入馈线的节点j+1与相邻节点j间的电压：

其中，V^a_j，V^b_j和V^c_j：分别为节点j的a、b和c三相电压；V^a_j+1，V^b_j+1和V^c_j+1：分别为a、b和c三相线路的节点j+1的电压；I^a_j,j+1，I^b_j,j+1和I^c_j,j+1：分别为a、b和c三相线路的节点j和节点j+1间的电流；Z_aa，Z_bb和Z_cc：分别为a、b和c三相线路间单位长度自阻抗；Z_ab，Z_ac，Z_ba，Z_bc，Z_ca，Z_cb：分别为a、b和c三相线路间单位长度的互感阻抗；l_j,j+1：相邻节点间的长度。

进一步的，所述步骤S1中馈线损耗包括：

按下式(2)计算的三相线路复功率损耗：

式中：^*表示共轭复数；S^a_Loss,j，S^b_Loss,j，S^c_Loss,j分别为a相、b相和c相中节点j和j+1的复功率损耗；和，按下式(3)计算的馈线a、b和c相馈线节点j和j+1损耗的电流I^a_Loss,j，I^b_Loss,j，I^c_Loss,j:

其中，J为虚数单位，实部为线路有功功率，虚部为线路无功功率；P_Load,i和Q_Load,i：分别为第i个节点的负荷有功功率和无功功率；V₀：为馈线母线节点电压；N：馈线末节点。

进一步的，所述步骤S2中，按下式(4)计算馈线各相线路节点j和j+1间的电压变化量ΔU^a_j,j+1，ΔU^b_j,j+1和ΔU^c_j,j+1：

ΔU^a_j,j+1＝real(I^a_j,j+1Z_aa+I^b_j,j+1Z_ab+I^c_j,j+1Z_ac)*l_j,j+1

ΔU^b_j,j+1＝real(I^b_j,j+1Z_bb+I^a_j,j+1Z_ba+I^c_j,j+1Z_bc)*l_j,j+1 (4)

ΔU^c_j,j+1＝real(I^c_j,j+1Z_cc+I^a_j,j+1Z_ca+I^b_j,j+1Z_cb)*l_j,j+1

其中，real：取复数的实部；

三相线路节点j和节点j+1间的电流I^a_j,j+1，I^b_j,j+1和I^c_j,j+1分别按下式(5)计算：

式中，U_j+1为节点j+1处电压；P_j+1,N为节点j+1与馈线末节点N间的有功功率；Q_j+1,N：为节点j+1与馈线末节点N之间的无功功率；J为虚数单位；P_j+1,N和Q_j+1,N：按下式(6)计算：

式中，P_Load,i和Q_Load,i：分别为节点i的负荷有功功率和无功功率；P_Loss,i和Q_Loss,i：分别为节点i的线路有功损耗和无功损耗。

进一步的，所述步骤S3中，比较分布式电源接入馈线后三相线路的电压变化量，确定电压变化量最大的单相线路m，按下式(7)表示馈线接入点的分布式电源最大接入电压：

V_upper-V₀＝ΔU^m_1,2+ΔU^m_2,3+......ΔU^m_j-1,j+ΔU^m_j,j+1 (7)

其中，m＝a，b，c馈线单相线路；ΔU^m_j,j+1：馈线单相线路m的节点j和j+1间的电压变化量，j＝1，2，3…，N-1；

其中，单相线路m接入分布式电源后的电流计算式如下式(8)所示

式中，P^m_dg,j+1：m相线路节点j+1处接入的分布式电源功率值；P^m_Load,i和Q^m_Load,i：分别为单相线路m的节点i的负荷有功功率和无功功率；P^m_Loss,i和Q^m_Loss,i：分别为单相线路m的节点i的负荷有功损耗和无功损耗；

将式(4)和(8)分别代入式(7)中，即可求得P^m_dg,j+1。则，馈线在节点j+1处接入的分布电源最大有功值：V＝3×P^m_dg,j+1。

进一步的，所述步骤S4中，按下式(9)计算分布电源的电流值I^m*_j,j+1：

式中，U_j+1：为节点j+1处电压；P^m_Load,i和Q^m_Load,i：分别为单相线路m节点i的负荷有功功率和无功功率。

进一步的，馈线接纳分布式电源能力的确定包括：

按分布式电源的最大有功值确定馈线接纳能力，并将所述电流值I^m*_j,j+1与馈线最大电流限值I_max比较，确定馈线接入分布电源的最大有功值：

1)若I^m*_j,j+1<I_max，则馈线上接入分布电源的最大有功值为V＝3×P^m_dg,j+1；或，

2)若I^m*_j,j+1>I_max，根据下式(10)计算馈线接入的分布式电源的最大有功值P^m*_dg,j+1：

则，馈线线路接入分布式电源的接纳能力为V^*＝3×P^m*_dg,j+1。

一种确定配电网馈线接纳分布式电源能力的装置，所述装置包括：

馈线信息采集单元，用于根据配电网馈线接纳节点的负荷信息和线路信息确定馈线的损耗；

电压压降单元，用于根据馈线损耗确定馈线线路的三相电压变化量；

量化计算单元，用于按电压变化量中变化最大的单相线路电压确定电压约束下分布电源接入馈线最大有功值；

结果分析单元，用于将最大有功值对应的馈线电流与电路电流限值比较，确定馈线接纳分布式电源的能力。

进一步的，所述馈线信息采集单元采集馈线上不同节点的有功负荷和无功负荷信息、三相线路自阻抗和互感阻抗、馈线电压上限值V_upper和最大电流限值I_max；

所述结果分析单元，比较电源约束下分布电源最大有功值对应的电流值与馈线电流限值的大小，若电流值超过馈线电流限值，则根据电流限值计算分布电源最大有功值。

与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：

1、本发明提供的技术方案能够利用电网参数和负荷快速准确地计算馈线接纳分布式电源的有功值，提高计算效率，且其计算结果可用于分布式电源接入规划和运行控制中，保证分布式电源的安全接入和调控以及电网的安全运行，有助于提高配电网消纳分布式电源的能力。

2、本发明提供的技术方案充分考虑馈线三相互感和馈线损耗以及负荷的时变特性，为分布式电源接入配电网的规划和运行控制提供有力的依据，可提高包含大量分布式电源接入的配电网的安全性、经济性和可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的技术方案的计算方法流程图；

图2为本发明提供的分布式电源接入馈线示意图；

图3为本发明提供的三相馈线模型；

图4为本发明提供的电压向量图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图并结合具体实施例的方式，详细介绍本发明提供的技术方案。

本发明针对配电网馈线某一节点提供一种稳态约束下的配电网馈线接纳分布式电源能力的量化计算方法，该方法充分考虑馈线三相互感和馈线损耗以及负荷的时变特性，为分布式电源接入配电网的规划和运行控制提供有力的依据，可提高含大量分布式电源接入的配电网安全性、经济性和可靠性。

本发明所提出的馈线接纳分布式电源能力的计算方法，能够很准确的反映配电网馈线接纳分布式电源的能力。分布式电源接入馈线示意图如附图2所示，假设配电网中三相主馈线上共有N个节点，每个节点处三相分别接有用户负荷，图中0号节点代表配电母线。该计算方法主要包括三相电压变化量分析、线路损耗计算、电压压降三个关键环节。首先，通过接入馈线某一点的分布式电源有功功率，考虑网络损耗和三相线路互感参数，计算分布式电源接入后该节点电压增加值。由于三相线路互感参数的存在，即使相同的功率接入三相馈线，馈线A相、B相和C相电压增加值不相同。该步骤主要是确定分布式电源接入馈线后三相电压提升最高的一相；然后，针对上一步骤确定出的某一相，利用馈线的三相负荷和线路参数计算馈线首段与分布式电源接入的节点之间的有功和无功损耗；最后，根据馈线有功负荷、无功负荷、以及线路有功无功损耗，计算馈线首段与分布式电源接入的节点之间的电压压降。考虑电压稳态约束，通过电压压降公式可计算出该点接入分布式电源最大有功值。同时考虑线路最大电流值得约束，也可计算出该点接入分布式电源最大有功值，取上述两者最小值，该值即为该节点安全接入分布式电源的最大有功值。

本发明提供的稳态约束下的馈线接纳分布式电源能力计算方法的流程如附图1的配电网馈线接纳分布式电源能力的计算方法流程图所示，具体包括下述步骤：

(一)选择分布式电源接入馈线的节点位置，并读取馈线上不同节点上的负荷信息、线路参数以及该条馈线上电压上限值V_upper和最大电流限值I_max，其中负荷信息包括节点有功负荷和无功负荷，线路参数包括三相线路自阻抗和互感阻抗。

设置分布式电源接入馈线的节点位置为j+1，根据KVL定律，考虑馈线间的互感计算馈线上相邻两个节点j和j+1的电压压降方程如下所示：

式中：V^a_j，V^b_j和V^c_j分别为节点j的三相电压；I^a_j,j+1，I^b_j,j+1和I^c_j,j+1分别为节点i和节点j之间的三相电流；Z_aa，Z_bb和Z_cc分别为三相单位长度自阻抗；Z_ab，Z_ac，Z_ba，Z_bc，Z_ca，Z_cb分别为三相之间单位长度的互感阻抗；l_j,j+1为相邻节点之间的长度，对于单相来讲，阻抗数组的中互感值为0。

(二)假定节点j+1处接入分布式电源，考虑馈线三相互感，计算馈线上每段线路的有功损耗和无功损耗；

如附图3的三相馈线模型所示，该三相馈线模型包括三相自感和互感。假设馈线母线节点电压为V₀，一般来讲馈线上的安全电压上限V_upper为额定电压的+5％，在计算馈线上相邻节点之间的线路损耗时可忽略各个节点的电压压降和夹角，统一为V₀∠0°。

三相线路的复功率损耗按下式(2)计算：

式中：^*表示共轭复数；S^a_loss,j，S^b_loss,j，S^c_loss,j：分别为a相、b相和c相的复功率损耗；

用于计算线路的a相，b相，c相损耗的电流I^a_loss,j，I^b_loss,j，I^c_loss,j分别按下式(3)计算：

其中，J为虚数单位；实部为线路有功功率，虚部为线路无功功率；a相线路的有功功率损耗P^a_Loss,j和无功功率损耗Q^a_Loss,j如下式(4)所示：

式中：imag表示为取复数的虚部；real表示为取复数的实部。

(三)利用求得的线路有功和无功损耗，计算馈线上每段线路的电压变化量；

如附图4的节点j和j+1之间电压关系相量图所示，由于配电网中馈线电压之间的夹角较小，相邻节点之间的电压压降可近似等于线路阻抗的压降在横轴的分量，各相的电压变化量按下式(5)计算：

ΔU^a_j,j+1＝real(I^a_j,j+1Z_aa+I^b_j,j+1Z_ab+I^c_j,j+1Z_ac)*l_j,j+1

ΔU^b_j,j+1＝real(I^b_j,j+1Z_bb+I^a_j,j+1Z_ba+I^c_j,j+1Z_bc)*l_j,j+1 (5)

ΔU^c_j,j+1＝real(I^c_j,j+1Z_cc+I^a_j,j+1Z_ca+I^b_j,j+1Z_cb)*l_j,j+1

式中：real表示取复数的实部；ΔU^a_j,j+1，ΔU^b_j,j+1和ΔU^c_j,j+1为a相，b相，c相三相相邻节点j和j+1之间的电压压降；

节点j和j+1之间的电流I^a_j,j+1，I^b_j,j+1和I^c_j,j+1其可通过线路上有功和无功功率以及节点j+1电压决定，按下式(6)计算：

式中：P_j+1,N为节点j+1与馈线末节点N之间的有功功率；Q_j+1,N为节点j+1与馈线末节点N之间的有功功率；U_j+1为节点j+1处电压；其中P_j+1,N，Q_j+1,N分别按下式(7)计算：

式中，P_Load,i，Q_Load,i分别为第i个节点的负荷有功功率和无功功率，P_Loss,i，Q_Loss,i分别为节点i与i+1之间的线路有功损耗和无功损耗。

(四)比较所求得分布式电源接入馈线后的每相电压变化量，确定由分布式电源接入节点后三相电压中变化最大的单相；针对电压变化最大的单相，根据公式(8)计算接入节点的电压约束下分布式电源最大接入值。

通常情况下，分布式电源采用功率因数控制方式接入馈线不同的节点，工作在较高的功率因数，因此，本发明中分布式电源视为纯有功电源。分布式电源接入配电网后，会提高馈线上各节点电压，分布式电源输出功率不断增加会导致该节点电压越线(V>V_upper)。当三相馈线某一相电压越线时，意味着此时对应的分布式电源输出值已经到达该节点最大接纳分布式电源能力。分布式电源接入馈线节点后，其三相功率是平衡，但是由于馈线三相线路参数不同，分布式电源输出对于馈线节点的三相电压提升程度是不同的，计算分布式电源接纳能力时要以电压抬高最大的某一相为参考。

假设节点j+1接入分布式电源，任意给定分布式电源输出功率值P_dg,j+1，利用上述公式计算该节点电压相对于配电母线电压的提升值，通过比较得出分布式电源接入后馈线三相电压提升最高的一相。假定上述结果确定为A相电压提升最高，计算节点j+1接入分布式电源后，馈线首段与分布式电源接入的节点之间的电压压降可按下式(8)计算：

V_upper-V₀＝ΔU^a_1,2+ΔU^a_2,3+......ΔU^a_j-1,j+ΔU^a_j,j+1 (8)

其中：V₀为母线节点电压；

ΔU^a_j,j+1＝real(I^a_j,j+1Z_aa+I^b_j,j+1Z_ab+I^c_j,j+1Z_ac)*l_j,j+1 (9)

式中：V_upper，V₀，Z_aa，Z_ab，Z_ac为已知量；I^a_j，j+1，I^b_j，j+1和I^c_j，j+1为三相对称电流；P^a_dg,j+1为节点j+1处A相接入的分布式电源功率值；

将式(9)和(10)分别代入式(8)中，即可求得P^a_dg,j+1，该值乘以3即为该节点接入分布式电源的功率限值。

(五)根据求得的分布式电源最大有功值，按式(11)计算该分布式电源最大有功值所对应的电流值I^a*_j,j+1，并将该电流值I^a*_j,j+1与线路的最大电流限值I_max比较。当I^a*_j,j+1<I_max时，按步骤四求得的结果即可确定馈线上该节点处接纳分布式电源能力，反之，根据按照公式(12)重新计算结果。

上述计算的最大有功值是考虑电压约束，并没有考虑线路最大电流限值得约束。分布式电源接入j+1节点后，线路的最大电流会出现在节点j和节点j+1之间，即为I^a*_j,j+1，其近似表达式如下：

根据线路最大电流限值I_max，取V_j+1为V₀，利用公式(12)可求得该节点接入分布式电源的最大有功值:

则，馈线接入分布式电源的最大有功值为V^*＝3×P^a*_dg,j+1。

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。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。