一种三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法及装置与流程

本发明涉及电力领域，尤其涉及一种三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法及装置。

背景技术：

潮流计算是电力系统非常重要的分析计算，用以研究系统规划和运行中提出的各种问题。所谓潮流计算，就是已知电网的接线方式与参数及运行条件，计算电力系统稳态运行各母线电压、各支路电流与功率及网损。对于正在运行的电力系统，通过潮流计算可以判断电网母线电压、支路电流和功率是否越限，如果有越限，就应采取措施，调整运行方式。

对于正在规划的电力系统，通过潮流计算，可以为选择电网供电方案和电气设备提供依据。潮流计算还可以为继电保护和自动装置定整计算、电力系统故障计算和稳定计算等提供原始数据。

现有的潮流计算的方法，主要有改进牛顿法、最优乘子法、非线性规划法、同伦法等，但这些方法在面对大功率传输引起的潮流计算时，往往会发生收敛失效的问题，无法平衡传输网络，因此现在急需一种在面对大功率传输引起的潮流计算时，能够克服收敛失效的方法。

技术实现要素：

本发明实施例为克服上述技术缺陷，提供一种三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法及装置。

第一方面，本发明实施例提供一种三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法，包括：

建立三相有源配电网模型，所述三相有源配电网模型包括三相母线和计算节点；

在网络约束条件下，对所述三相母线和计算节点进行潮流计算，获取功率；

若根据收敛判据值判断获知所述功率收敛，则判断步进电压调节器是否超出电压限制；

若判断获知所述步进电压调节器未超出电压限制，获取潮流计算结果。

第二方面，本发明实施例提供一种三相有源配电网的全纯嵌入潮流装置，包括：

模型建立模块，用于建立三相有源配电网模型，所述三相有源配电网模型包括三相母线和计算节点；

潮流计算模块，用于在网络约束条件下，对所述三相母线和计算节点进行潮流计算，获取功率；

第一处理模块，用于若根据收敛判据值判断获知所述功率收敛，则判断步进电压调节器是否超出电压限制；

第二处理模块，用于若判断获知所述步进电压调节器未超出电压限制，获取潮流计算结果。

第三方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述处理器和所述存储器通过总线完成相互间的通信；所述存储器存储有可被所述处理器执行的程序指令，所述处理器调用所述程序指令能够执行如第一方面所述的方法。

第四方面，本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如第一方面所述三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法。

本发明实施例提供的三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法及装置，应用于电压稳定性分析和非线性网络的化简，能够同时计算不同规模负荷下的电力潮流，克服大功率潮流计算中收敛失效的问题，以此来提高电压稳定性，平衡传输网络。

附图说明

图1为本发明实施例一种三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法的流程示意图；

图2为本发明实施例一种三相有源配电网的全纯嵌入潮流装置的结构示意图；

图3为本发明实施例一种电子设备的实体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

潮流计算，指在给定电力系统网络拓扑、元件参数和发电、负荷参量条件下，计算有功功率、无功功率及电压在电力网中的分布。潮流计算是根据给定的电网结构、参数和发电机、负荷等元件的运行条件，确定电力系统各部分稳态运行状态参数的计算。通常给定的运行条件有系统中各电源和负荷点的功率、枢纽点电压、平衡点的电压和相位角。待求的运行状态参量包括电网各母线节点的电压幅值和相角，以及各支路的功率分布、网络的功率损耗等。

图1为本发明实施例一种三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法的流程示意图，如图1所示，包括：

步骤11，建立三相有源配电网模型，所述三相有源配电网模型包括三相母线和计算节点；

步骤12，在网络约束条件下，对所述三相母线和计算节点进行潮流计算，获取功率；

步骤13，若根据收敛判据值判断获知所述功率收敛，则判断步进电压调节器是否超出电压限制；

步骤14，若判断获知所述步进电压调节器未超出电压限制，获取潮流计算结果。

潮流计算是电力系统非常重要的分析计算，用以研究系统规划和运行中提出的各种问题。对规划中的电力系统，通过潮流计算可以检验所提出的电力系统规划方案能否满足各种运行方式的要求；对运行中的电力系统，通过潮流计算可以预知各种负荷变化和网络结构的改变会不会危及系统的安全，系统中所有母线的电压是否在允许的范围以内，系统中各种元件(线路、变压器等)是否会出现过负荷，以及可能出现过负荷时应事先采取哪些预防措施等，同时，潮流计算还是网损计算、静态安全分析、暂态稳定计算、小干扰静态稳定计算、短路计算、静态和动态等值计算的基础。

潮流计算在数学上可归结为求解非线性方程组，其数学模型简写如下：

f(x)＝0为一非线性方程组

其中：

f＝(f1,f2,........,fn)t为节点平衡方程式；

x＝(x1,x2,..........,xn)t为待求的各节点电压。

由此决定该问题有以下特点：

①迭代算法及其收敛性

对于非线性方程组问题，其各种求解方法都离不开迭代，因此，存在迭代是否收敛的问题。

②解的多值性和存在性

对于非线性方程组的求解，从数学的观点来看，应该有多组解。根据程序中所设定的初值，一般都能收敛到合理解。但也有收敛到不合理解(电压过低或过高)的特殊情况。这些解是数学解(因为它们满足节点平衡方程式)而不是实际解。为此需改变运行条件后再重新计算。此外，对于潮流计算问题所要求的节点电压的分量(幅值和角度或实部和虚部)。只有当其为实数时才有意义。如果所给的运行条件中无实数解，则认为该问题无解。

因此，当迭代不收敛时，可能有两种情况：一是解(指实数解)不存在，此时需修改运行方式；另一是计算方法不收敛，此时需更换计算方法。

目前广泛应用的潮流计算方法都是基于节点电压法的，以节点导纳矩阵y作为电力网络的数学模型。节点电压ui和节点注入电流ii由节点电压方程联系。在实际的电力系统中，已知的运行条件不是节点的注入电流，而是负荷和发电机的功率，而且这些功率一般不随节点电压的变化而变化。

已知网络的接线和各支路参数，可形成潮流计算中的节点导纳矩阵y。潮流方程式中表征系统运行状态变量是注入有功功率pi、无功功率qi和节点电压相量ui。

三相全纯嵌入潮流方法是用一个纯功率平衡方程，通过解析延拓技术将复数节点电压转换到一个节点电压幂级数的函数中。

本发明实施例采用以下方案实现：

首先介绍三相全纯嵌入潮流方法，假设复节点电压可以表示为复数s的幂级数形式：

式中v[n]是泰勒级数系数，n是指数。

功率平衡方程的泰勒级数为：

式中v[n]是泰勒级数系数，n是指数。

左右两边系数必须相等，得到一个新的功率平衡方程等式：

式中f(v[0],v[1],…)和g(v[0],v[1],…)是v[0],v[1],…v[n]的线性函数。

假设三相全纯嵌入潮流方法对于复数节点电压的线性约束为：

a·v＝b(4)

根据(1)，上述等式可以用一个幂级数表示为：

将(5)的线性约束转换为：

在唯一线性网络约束条件下，计算复电压，复相间电压，复注入电流和复相间电流，从而得到功率。

通过收敛判据判断功率失配；如果满足收敛判据，则检查步进电压调节器(svr)是否超出电压限制。如果振荡，则匹配失败，停止。否则，重新判断功率是否失配。

检查步进电压调节器(svr)是否超出电压限制。如果未超出电压限制，则获取潮流计算的结果，即待求的非线性方程组各节点的电压和电流。

本发明实施例提供的三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法，应用于电压稳定性分析和非线性网络的化简，能够同时计算不同规模负荷下的电力潮流，克服大功率潮流计算中收敛失效的问题，以此来提高电压稳定性，平衡传输网络。

在上述实施例的基础上，所述三相有源配电网模型包括三角形连接负荷模型、分布式电源负荷模型和zip负荷模型。

目前广泛应用的潮流计算方法都是基于节点电压法的，以节点导纳矩阵y作为电力网络的数学模型。节点电压ui和节点注入电流ii由节点电压方程联系。在实际的电力系统中，已知的运行条件不是节点的注入电流，而是负荷和发电机的功率，而且这些功率一般不随节点电压的变化而变化。

已知网络的接线和各支路参数，可形成潮流计算中的节点导纳矩阵y。潮流方程式中表征系统运行状态变量是注入有功功率pi、无功功率qi和节点电压相量ui(幅值ui和相角δi)。n个节点的电力网有4n变量，但只有2n个功率方程式，因此必须给定其中2n个运行状态变量。根据给定节点变量的不同，可以有以下三种类型的节点。

pu节点(电压控制母线)有功功率pi和电压幅值ui为给定。这种类型节点相当于发电机母线节点，或者相当于一个装有调相机或静止补偿器的变电所母线。

pq节点，注入有功功率pi和无功功率qi是给定的。相当于实际电力系统中的一个负荷节点，或有功和无功功率给定的发电机母线。

平衡节点，用来平衡全电网的功率。平衡节点的电压幅值ui和相角δi是给定的，通常以它的相角为参考点，即取其电压相角为零。一个独立的电力网中只设一个平衡节点。

所述建立三相有源配电网模型，具体包括：

获取所述计算节点的复节点电压，将所述复节点电压表示为幂级数形式；

获取功率平衡方程，根据复节点电压的幂级数形式和所述功率平衡方程，得到新的功率平衡方程；

根据所述新的功率平衡平衡方程，得到所述网络约束条件。

建立三相有源配电网模型。首先定义一下三相母线(tbus)和计算节点(cnodes)，在三相网络的分析中，每一个母线都有一个单相节点，两相节点或三相节点。在此，为了清楚的进行描述，tbus用来表示节点和cnodes的集合。cnodes被用于三相潮流数值计算。

所述将所述复节点电压表示为幂级数形式，具体包括：

将所述复节点电压v表示为复数s的幂级数形式，

其中，v(s)为复节点电压的幂级数形式，v[n]为泰勒级数系数，n为指数。

所述根据复节点电压的幂级数形式和所述功率平衡方程，得到新的功率平衡方程，具体包括：

将功率平衡方程表示为泰勒级数形式，

式中v(n)是泰勒级数系数，n是指数，f为发出功率，g为消耗功率；

根据等式两边系数相等，得到新的功率平衡方程，

f(v[0],v[1],...)＝f[0]＝g[0]＝g(v[0],v[1],...),

…,

f[n]＝g[n-1],

式中f(v[0],v[1],…)和g(v[0],v[1],…)是v[0],v[1],…v[n]的线性函数。

对于三角形负荷连接模型，包括y型连接和d型连接。

y型连接的pq负荷模型tbus。对于y型连接的pq负荷有三个cnodes。通过三相helm，很容易处理每一个pqcnodes。公式如下：

式中i和nc表示cnode的指数，pi和qi表示节点注入功率，是cnode的导纳矩阵。wi^*[s]被定义为：

wi^*[s]＝1/vi^*[s^*]＝wi^*[0]+wi^*[1]s+wi^*[2]s²+…(8)

得到初始解vi[0]，通过wi^*[s]和vi^*[s]的卷积能计算出(8)中的系数：

d型连接的pq负荷模型tbu。假设i，j，k是d型连接的pq负荷的三相cnodes。我们加入一个相间复电压作为附加变量，线性约束如下：

通过helm，这个线性约束容易被适应。

在cnodei，全纯嵌入公式如下：

式中，

在cnodej，全纯嵌入公式如下：

分布式电源模型。在此主要考虑电力电子接口的光伏发电。

通过阻抗zdg后的电流源或电压源，可以建立电力电子接口发电机的模型。对于三相转换器有两种控制模式：

平衡内部电压vi＝vje^j120°＝vke^-j120°，

平衡注入电流ii＝ije^j120°＝ike^-j120°。

(1)非电压控制下平衡内部电压。电压约束为：

i表示某个阶段。

全纯嵌入公式如下：

(2)电压控制下平衡内部电压。除了两个线性电压约束外，为了幅值电压|vi|的控制，附加一个全纯嵌入公式：

式中下标re表示复数的实部，是电压幅值控制对象，δni克罗内克符号函数：

dgs的总无功功率是未知的。全纯嵌入公式如下：

通过卷积可以描述两个幂级数的乘积；同样，上述等式的系数能被转换为下式：

式中表示两个幂级数的卷积。

(3)平衡注入电流，即某一个节点流入的电流等于流出的电流，其幂级数如下：

注入电流的线性约束如下：

总注入功率约束为：

式中：

zip负荷

在全纯嵌入公式中，zip负荷的电流是至关重要的。zip负荷的恒定阻抗和恒定功率部分被分别表示。如一个线性阻抗分支和关于cnode电压的pq负荷。

对于y型连接的电流分量，负荷为：

si＝ap,ip0|vi|+jaq,iq0|vi|(23)

其中，ap,i，p0，q0为zip负荷的系数，为常数。经过推导，注入电流的系数幂级数为：

同样，关于相间分支电流iij，也可以实现对d型连接电流分量的推导。

本发明实施例提供的三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法，应用于电压稳定性分析和非线性网络的化简，能够同时计算不同规模负荷下的电力潮流，克服大功率潮流计算中收敛失效的问题，以此来提高电压稳定性，平衡传输网络。

在上述实施例的基础上，若根据收敛判据值判断获知所述功率不收敛，则停止操作。

所述网络约束条件为：

yv[0]＝0，

其中，y为导纳矩阵，v[0]为复节点电压。

y型连接的pq负荷模型tbus。对于y型连接的pq负荷有三个cnodes。通过三相helm，很容易处理每一个pqcnodes。公式如下：

式中i和nc表示cnode的指数，pi和qi表示节点注入功率，是cnode的导纳矩阵。wi^*[s]被定义为：

wi^*[s]＝1/vi^*[s^*]＝wi^*[0]+wi^*[1]s+wi^*[2]s²+…(8)

得到初始解vi[0]，通过wi^*[s]和vi^*[s]的卷积能计算出(8)中的系数：

d型连接的pq负荷模型tbu。假设i，j，k是d型连接的pq负荷的三相cnodes。我们加入一个相间复电压作为附加变量，线性约束如下：

通过helm，这个线性约束容易被适应。

在cnodei，全纯嵌入公式如下：

式中，

在cnodej，全纯嵌入公式如下：

分布式电源模型。在此主要考虑电力电子接口的光伏发电。

通过阻抗zdg后的电流源或电压源，可以建立电力电子接口发电机的模型。对于三相转换器有两种控制模式：

平衡内部电压vi＝vje^j120°＝vke^-j120°，

平衡注入电流ii＝ije^j120°＝ike^-j120°。

(1)非电压控制下平衡内部电压。电压约束为：

i表示某个阶段。

全纯嵌入公式如下：

(2)电压控制下平衡内部电压。除了两个线性电压约束外，为了幅值电压|vi|的控制，附加一个全纯嵌入公式：

式中下标re表示复数的实部，是电压幅值控制对象，δni克罗内克符号函数：

dgs的总无功功率是未知的。全纯嵌入公式如下：

通过卷积可以描述两个幂级数的乘积；同样，上述等式的系数能被转换为下式：

式中表示两个幂级数的卷积。

(3)平衡注入电流，即某一个节点流入的电流等于流出的电流，其幂级数如下：

注入电流的线性约束如下：

总注入功率约束为：

式中：

zip负荷

在全纯嵌入公式中，zip负荷的电流是至关重要的。zip负荷的恒定阻抗和恒定功率部分被分别表示。如一个线性阻抗分支和关于cnode电压的pq负荷。

对于y型连接的电流分量，负荷为：

si＝ap,ip0|vi|+jaq,iq0|vi|(23)

其中，ap,i，p0，q0为zip负荷的系数，为常数。经过推导，注入电流的系数幂级数为：

同样，关于相间分支电流iij，也可以实现对d型连接电流分量的推导。

零注入cnode

零注入约束为：

步进电压调节器。步进电压调节器广泛应用在主动配电网(activedistributionnetwork，以下简称adn)中，线电压压降补偿器通过电压互感器(变比npt:1)和电流互感器(变比ctp:cts)与配电线路耦合。补偿器的阻抗表示为从调整器到负荷中心的等效阻抗。继电器电压为

vrelay＝vreg-vdrop＝vreg-(rij,cω+jxij,cω)iij(26)

式中rij,cω+jxij,cω表示补偿器的阻抗，vreg是电压互感器二次侧电压，vdrop是线电流iij流过补偿器等效阻抗的压降。

浮点网络。浮点网络是针对三角形连接负荷模型的，浮点网络的问题是因为三角形连接的有源配电网无参考cnode。对三相abccnode(i，j，k)加零序参考约束来解决这个问题。

vi+vj+vk＝0(27)

通过(10)(13)(20)，在唯一线性网络约束条件yv[0]＝0下，计算复电压vi[0]，复相间电压vij[0]，复注入电流ii[0](对于dgs)和复相间电流iij[0](对于三角形连接zip负荷)。

对于第m项，根据上述提到的幂级数表达式(7)(11)(14)(15)(17)(21)(24)来计算vi[m]，vij[m]，ii[m]，iij[m]，即对应量的泰勒级数的展开式的每一项。

通过收敛判据判断功率失配；如果满足收敛判据，则执行步骤s4。如果振荡，则匹配失败，停止。否则，返回重新计算vi[m]，vij[m]，ii[m]，iij[m]，即对应量的泰勒级数的展开式的每一项。

检查步进电压调节器(svr)是否超出电压限制。如果超出电压限制，则修改svr分接头并返回修改导纳矩阵。

通过x＝x[0]+x[1]+x[2]+…计算所有变量，即求解对应的非线性方程，获取潮流计算结果，其中，x为电压和电流。

图2为本发明实施例一种三相有源配电网的全纯嵌入潮流装置的结构示意图，如图2所示，包括模型建立模块21、潮流计算模块22、第一处理模块23和第二处理模块24，其中：

模型建立模块21，用于建立三相有源配电网模型，所述三相有源配电网模型包括三相母线和计算节点；

潮流计算模块22，用于在网络约束条件下，对所述三相母线和计算节点进行潮流计算，获取功率；

第一处理模块23，用于若根据收敛判据值判断获知所述功率收敛，则判断步进电压调节器是否超出电压限制；

第二处理模块24，用于若判断获知所述步进电压调节器未超出电压限制，获取潮流计算结果。

以节点导纳矩阵y作为电力网络的数学模型，节点电压ui和节点注入电流ii由节点电压方程联系。在实际的电力系统中，已知的运行条件不是节点的注入电流，而是负荷和发电机的功率，而且这些功率一般不随节点电压的变化而变化。

已知网络的接线和各支路参数，可形成潮流计算中的节点导纳矩阵y。潮流方程式中表征系统运行状态变量是注入有功功率pi、无功功率qi和节点电压相量ui(幅值ui和相角δi)。

三相全纯嵌入潮流方法是用一个纯功率平衡方程，通过解析延拓技术将复数节点电压转换到一个节点电压幂级数的函数中。

首先介绍三相全纯嵌入潮流方法，模型建立模块21建立三相有源配电网模型，假设复节点电压可以表示为复数s的幂级数形式：

式中v[n]是泰勒级数系数，n是指数。

功率平衡方程的泰勒级数为：

式中v[n]是泰勒级数系数，n是指数。

左右两边系数必须相等，得到一个新的功率平衡方程等式：

式中f(v[0],v[1],…)和g(v[0],v[1],…)是v[0],v[1],…v[n]的线性函数。

假设三相全纯嵌入潮流方法对于复数节点电压的线性约束为：

a·v＝b(4)

根据(1)，上述等式可以用一个幂级数表示为：

将(5)的线性约束转换为：

潮流计算模块22在唯一线性网络约束条件下，计算复电压，复相间电压，复注入电流和复相间电流，从而得到功率。

第一处理模块23，通过收敛判据判断功率失配；如果满足收敛判据，则检查步进电压调节器(svr)是否超出电压限制。如果振荡，则匹配失败，停止。否则，重新判断功率是否失配。

第二处理模块24检查步进电压调节器(svr)是否超出电压限制。如果未超出电压限制，则获取潮流计算的结果，即待求的非线性方程组各节点的电压和电流。

本发明实施例提供的装置是用于执行上述各方法实施例的，具体的流程和详细介绍请参见上述各方法实施例，此处不再赘述。

本发明实施例提供的三相有源配电网的全纯嵌入潮流装置，应用于电压稳定性分析和非线性网络的化简，能够同时计算不同规模负荷下的电力潮流，克服大功率潮流计算中收敛失效的问题，以此来提高电压稳定性，平衡传输网络。

图3示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图3所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)310、通信接口(communicationsinterface)320、存储器(memory)330和总线340，其中，处理器310，通信接口320，存储器330通过总线340完成相互间的通信。总线340可以用于电子设备与传感器之间的信息传输。处理器310可以调用存储器330中的逻辑指令，以执行如下方法：建立三相有源配电网模型，所述三相有源配电网模型包括三相母线和计算节点；在网络约束条件下，对所述三相母线和计算节点进行潮流计算，获取功率；若根据收敛判据值判断获知所述功率收敛，则判断步进电压调节器是否超出电压限制；若判断获知所述步进电压调节器未超出电压限制，获取潮流计算结果。

此外，上述的存储器330中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本发明实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令使计算机执行上述实施例所提供的三相有源配电网的全纯嵌入潮流方法，例如包括：建立三相有源配电网模型，所述三相有源配电网模型包括三相母线和计算节点；在网络约束条件下，对所述三相母线和计算节点进行潮流计算，获取功率；若根据收敛判据值判断获知所述功率收敛，则判断步进电压调节器是否超出电压限制；若判断获知所述步进电压调节器未超出电压限制，获取潮流计算结果。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书定义的范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。