一种含环网有源配电网的快速潮流计算方法与流程

1.本发明属于配电网潮流计算技术领域，特别是涉及一种含环网有源配电网的快速潮流计算方法。


背景技术：

2.随着我国新能源发电技术的不断发展和电力市场的不断改革，现代电力系统朝着清洁、智能和更具市场活力的方向发展。而传统集中式的发电模式已无法满足现代电力系统的发展需求，分布式电源的广泛接入成为未来电力系统发展的发展方向。分布式电源在配电网的接入，不仅可以减少以煤为主的化石能源的消耗，减少二氧化碳和有害气体的排放，还可以改善配电网的电压水平，降低配电网损耗。但分布式电源的接入会使配电网变成多电源网络，出现新的节点类型而使传统的潮流计算方法变得不再适用。
3.目前常用的潮流计算方法有高斯-赛德尔法、牛顿法、张量法和p-q分解法。高斯-赛德尔方法较为简单，对求解计算机的要求较低，但迭代次数多收敛性不佳，当配电网系统节点支路数较多时，迭代次数极大增加。牛顿法是最为常规的算法，利用逐次线性化的原理求解潮流，收敛性好但是求解的计算量巨大，不适合在线计算。张量法与牛顿法类似，在逐次线性化采用二阶泰勒展开，与牛顿法相比在重负荷情况下有更好的收敛性和计算速度，但是对于在线计算而言计算量仍过大。p-q分解法是对牛顿法的简化，忽略了线路电阻的影响，使得雅克比矩阵变成常数，大大加快了求解速度，适用于在线计算，但是由于配电网的线路电阻不可忽略，此方法不适用于配电网的潮流计算。随着分布式电源的广泛接入、配电网结构的不断发展和配电网在线潮流计算的需求不断增加，需要一种含环网有源配电网的快速潮流计算方法。


技术实现要素：

4.本发明目的是为了解决现有技术中的问题，提出了一种含环网有源配电网的快速潮流计算方法。
5.本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种含环网有源配电网的快速潮流计算方法，所述方法包括：
6.步骤一，利用网络图论的知识，根据树的概念得到配电网的连通子图；
7.步骤二，根据所得到的连通子图对节点和树支进行编号，按照从根节点到末端的顺序进行编号，树支与节点的编号要具有一致性；
8.步骤三，根据配电网拓扑结构及支路电流、节点电流和节点电压的关系，得到节点电流-支路电流矩阵和支路电流-节点电压矩阵；
9.步骤四，判断配电网拓扑中是否包含环网，若包含环网，则利用kvl和kcl对矩阵进行修正；
10.步骤五，对节点电流-支路电流矩阵和支路电流-节点电压矩阵进行整理，得到节点电流-节点电压矩阵；
11.步骤六，根据各个节点分布式电源的接入情况，得到各个节点的注入电流；
12.步骤七，根据节点的电流与节点电流-节点电压矩阵，对节点电压进行求解。
13.进一步地，在步骤二中，根据网络图论的知识可知，拥有n个节点、l条支路的网络，有n-1个树支，m＝l-n+1个连枝，对配电网网络进行编号，支路与节点的编号要具有一致性，即支路与节点的编号要沿着相同的支路顺序按照从根节点往末端进行编号。
14.进一步地，在步骤三和步骤四中，根据节点电流与支路电流的关系，可知支路i的电流bi为其后各节点电流之和；对于包含环路的配电网，则根据连枝的位置，对其上游的树支支路电流进行进一步补充，得到适用于放射状和包含环网的配电网节点电流-支路电流转移矩阵；所得到的节点电流-支路电流转移矩阵如下：
[0015][0016]
其中，ii(i＝2,3,4,
…
,n)为节点i的节点电流，b
mi
(i＝2,3,4,
…
,m)为连支i的支路电流，b
i,j
代表了bi和i
j+1
之间是否存在包含的关系，若电路中bi位于i
j+1
的上游即存在包含关系则b
i,j
为1，若没有包含的关系则b
i,j
为0；b
1(i,j)
和b
2(i,j)
则是对存在环网的一个修正，当存在环网时，则需要kcl对连支的上游树支的支路电流进行修正；当树支电流bi处于连支电流bj的上游，且电流方向相同时，则有b
j(i,1)
＝1、b
j(i,2)
＝0；当树支电流bi处于连支电流bj的上游，且电流方向相反时，则有b
j(i,1)
＝0、b
j(i,2)
＝1；当树支电流bi不处于连支电流bj的上游，则有b
j(i,1)
＝0、b
j(i,2)
＝0；对上式进行整合可得：
[0017][0018]
根据电路网络中节点i和节点j之间电压差为节点之间的各支路电流乘以各支路的阻抗，因此易得放射配电网各节点之间的电压差；当配电网中存在环路时，需要使支路电流-节点电压矩阵包含环路的信息；根据网络图论可知，配电网中有m个环路，通过列写环路的kvl方程，并将其加入到矩阵中去，可得如下式子：
[0019][0020]
其中，
△u1,i
为节点1到节点i的电压差，z
i,j
为对应支路电流bj流通支路的电阻，若节点1和节点i之间包含支路则z
i,j
为对应的阻抗值，若不包含则矩阵的对应位置为零；z
k(i,j)
为环路k中某一节的阻抗值，与其支路电流相对应，构成环路的kvl方程。
[0021]
进一步地，在步骤五中，将式(2)代入到式(3)中并进行降阶处理后可得：
[0022]
[δu]＝[vfc][i](4)
[0023]
其中，[vfc]为节点电压和节点电流的关联矩阵；
[0024]
根据以上分析，则可以得到迭代计算的公式为：
[0025]
[δu]
k+1
＝[vfc][i]k(5)
[0026]
[u]
k+1
＝[u]k+[δu]
k+1
(6)
[0027]
在配电系统中，节点电流可以根据功率的定义使用节点功率和节点电压来表示：
[0028][0029]
在式(7)中，ii为节点i的电流，u
i*
为节点i处节点电压ui的共轭，s
gi*
为节点i注入功率总和的共轭，s
ldi*
为节点i负荷的共轭。
[0030]
进一步地，为了将分布式电源结合到所述方法中，需要对不同种类的分布式电源进行处理，各类型分布式电源及储能在此潮流计算方法中的等效数学模型包括光伏电站模型、同步风力发电机模型、异步风力发电机模型和储能系统模型。
[0031]
进一步地，光伏电站模型：由于光伏逆变器工作在恒流模式，光伏发电部分作pi处理；在第一次迭代时，将光伏电站视为恒流源，计算其电流模值与角度；在式(9)中，符号表示电流是流出节点的；
[0032][0033][0034][0035]
然后不断进行迭代，根据式(11)更新电流角度；
[0036][0037][0038]
[0039]
根据式(13)可计算得到节点i的电流值；此时光伏电站就可以直接代入到所述方法中了。
[0040]
进一步地，同步风力发电机模型：同步发电机通过控制励磁来调整无功功率，因此需要先计算注入电母的无功功率再计算注入电流；根据同步发电机的功率因数可得其发出的无功功率如式(14)所示：
[0041][0042]
然后将式(14)代入到式(7)中，结果与式(8)类似；然后不断进行迭代，对节点注入电流值进行更新，除式(14)外，其余计算公式与式(11)-(13)相似；经过上述的处理后，将同步风力发电机变成了电流的表达形式，适用于所提出的快速潮流计算方法。
[0043]
进一步地，异步风力发电机模型：异步风力发电机的有功输出功率与风力大小相关，因此要确定在给定有功时风力发电机的无功功率；根据异步发电机的有功功率、无功功率、机端电压之间的关系，可得无功功率的表达式如下：
[0044][0045]
其中，xc和xm分别为机端电容器电抗、定转子漏抗；然后将式(15)代入到式(7)中，可以得到与式(8)类似的结果；除式(15)外，转换等效模型的其余计算公式与式(11)-(13)相似；经过这些处理后，就可以得到适用于所提出的快速潮流计算方法的异步发电机模型。
[0046]
进一步地，储能系统模型：储能系统存在充放电的情况，因此可以向配电网注入功率，也可以从配电网吸收功率；因此储能系统向配电网注入功率时的公式为(16)，储能系统从配电网吸收功率时的公式为(17)；
[0047][0048][0049]
将(16)、(17)代入到(7)中，得到结果与式(8)类似；然后不断进行迭代，对节点注入电流值进行更新，除式(16)、(17)外，其余计算公式与式(11)-(13)相似；经过这些处理后，就可以得到适用于所提出的快速潮流计算方法的储能系统模型。
[0050]
本发明的有益效果为：
[0051]
本发明所提出的潮流计算方法能够快速计算含环网与分布式电源配电网的潮流分布，能够准确计算出电压、功率等参数，为在线潮流计算应用场景提供快速、收敛的计算方法，便于研究含环路配电网接入分布式电源的影响。
附图说明
[0052]
图1为本发明一实施例的配电网快速潮流计算方法流程图；
[0053]
图2为本发明一实施例的配电网等值电路图；
[0054]
图3为本发明一实施例的配电网连通子图。
具体实施方式
[0055]
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。
[0056]
结合图1-3，本发明提出一种含环网有源配电网的快速潮流计算方法，所述方法包括：
[0057]
步骤一，利用网络图论的知识，根据树的概念得到配电网的连通子图；
[0058]
步骤二，根据所得到的连通子图对节点和树支进行编号，按照从根节点到末端的顺序进行编号，树支与节点的编号要具有一致性；
[0059]
步骤三，根据配电网拓扑结构及支路电流、节点电流和节点电压的关系，得到节点电流-支路电流矩阵和支路电流-节点电压矩阵；
[0060]
步骤四，判断配电网拓扑中是否包含环网，若包含环网，则利用kvl和kcl对矩阵进行修正；
[0061]
步骤五，对节点电流-支路电流矩阵和支路电流-节点电压矩阵进行整理，得到节点电流-节点电压矩阵；
[0062]
步骤六，根据各个节点分布式电源的接入情况，得到各个节点的注入电流；
[0063]
步骤七，根据节点的电流与节点电流-节点电压矩阵，对节点电压进行求解。
[0064]
在步骤二中，根据网络图论的知识可知，拥有n个节点、l条支路的网络，有n-1个树支，m＝l-n+1个连枝，对配电网网络进行编号，支路与节点的编号要具有一致性，即支路与节点的编号要沿着相同的支路顺序按照从根节点往末端进行编号。这样可以使所得到的节点电流-支路电流矩阵为上三角矩阵，支路电流-节点电压矩阵为下三角矩阵，有利于求解速度的提高。
[0065]
在步骤三和步骤四中，根据节点电流与支路电流的关系，可知支路i的电流bi为其后各节点电流之和；对于包含环路的配电网(即网络中有连支)，则根据连枝的位置，对其上游的树支支路电流进行进一步补充，得到适用于放射状和包含环网的配电网节点电流-支路电流转移矩阵；所得到的节点电流-支路电流转移矩阵如下：
[0066][0067]
其中，ii(i＝2,3,4,
…
,n)为节点i的节点电流，b
mi
(i＝2,3,4,
…
,m)为连支i的支路电流，b
i,j
代表了bi和i
j+1
之间是否存在包含的关系，若电路中bi位于i
j+1
的上游即存在包含关系则b
i,j
为1，若没有包含的关系则b
i,j
为0；b
1(i,j)
和b
2(i,j)
则是对存在环网的一个修正，当存在环网时，则需要kcl对连支的上游树支的支路电流进行修正；当树支电流bi处于连支
电流bj的上游，且电流方向相同时，则有b
j(i,1)
＝1、b
j(i,2)
＝0；当树支电流bi处于连支电流bj的上游，且电流方向相反时，则有b
j(i,1)
＝0、b
j(i,2)
＝1；当树支电流bi不处于连支电流bj的上游，则有b
j(i,1)
＝0、b
j(i,2)
＝0；对上式进行整合可得：
[0068][0069]
根据电路网络中节点i和节点j之间电压差为节点之间的各支路电流乘以各支路的阻抗，因此易得放射配电网各节点之间的电压差；当配电网中存在环路时，需要使支路电流-节点电压矩阵包含环路的信息；根据网络图论可知，配电网中有m个环路，通过列写环路的kvl方程，并将其加入到矩阵中去，可得如下式子：
[0070][0071]
其中，
△u1,i
为节点1到节点i的电压差，z
i,j
为对应支路电流bj流通支路的电阻，若节点1和节点i之间包含支路则z
i,j
为对应的阻抗值，若不包含则矩阵的对应位置为零；z
k(i,j)
为环路k中某一节的阻抗值，与其支路电流相对应，构成环路的kvl方程。
[0072]
在步骤五中，将式(2)代入到式(3)中并进行降阶处理后可得：
[0073]
[δu]＝[vfc][i](4)
[0074]
其中，[vfc]为节点电压和节点电流的关联矩阵；
[0075]
根据以上分析，则可以得到迭代计算的公式为：
[0076]
[δu]
k+1
＝[vfc][i]k(5)
[0077]
[u]
k+1
＝[u]k+[δu]
k+1
(6)
[0078]
在配电系统中，节点电流可以根据功率的定义使用节点功率和节点电压来表示：
[0079][0080]
在式(7)中，ii为节点i的电流，u
i*
为节点i处节点电压ui的共轭，s
gi*
为节点i注入功率总和的共轭，s
ldi*
为节点i负荷的共轭。
[0081]
在步骤六中，为了将分布式电源结合到所述方法中，需要对不同种类的分布式电源进行处理，使其满足本方法的使用条件。各类型分布式电源及储能在此潮流计算方法中的等效数学模型包括光伏电站模型、同步风力发电机模型、异步风力发电机模型和储能系统模型。
[0082]
光伏电站模型：由于光伏逆变器工作在恒流模式，光伏发电部分作pi处理；为了在本发明所述方法中使用光伏电站的模型，需要对其进行修改。在第一次迭代时，将光伏电站视为恒流源，计算其电流模值与角度；在式(9)中，符号表示电流是流出节点的；
[0083][0084][0085][0086]
然后不断进行迭代，根据式(11)更新电流角度；
[0087][0088][0089][0090]
根据式(13)可计算得到节点i的电流值；此时光伏电站就可以直接代入到所述方法中了。
[0091]
同步风力发电机模型：同步发电机通过控制励磁来调整无功功率，因此需要先计算注入电母的无功功率再计算注入电流；根据同步发电机的功率因数可得其发出的无功功率如式(14)所示：
[0092][0093]
然后将式(14)代入到式(7)中，结果与式(8)类似；然后不断进行迭代，对节点注入电流值进行更新，除式(14)外，其余计算公式与式(11)-(13)相似；经过上述的处理后，将同步风力发电机变成了电流的表达形式，适用于所提出的快速潮流计算方法。
[0094]
异步风力发电机模型：异步风力发电机由于没有励磁系统，所以本身没有无功调节的能力。同时，异步发电机会从配电网中吸收无功功率，其吸收的无功功率大小与异步风力发电机的机端电压有关，因此也需要对异步发电机进行处理，使其模型适应于所提出的快速潮流计算方法。异步风力发电机的有功输出功率与风力大小相关，因此要确定在给定有功时风力发电机的无功功率；根据异步发电机的有功功率、无功功率、机端电压之间的关系，可得无功功率的表达式如下：
[0095][0096]
其中，xc和xm分别为机端电容器电抗、定转子漏抗；然后将式(15)代入到式(7)中，可以得到与式(8)类似的结果；除式(15)外，转换等效模型的其余计算公式与式(11)-(13)相似；经过这些处理后，就可以得到适用于所提出的快速潮流计算方法的异步发电机模型。
[0097]
储能系统模型：对于储能系统而言，储能电池所输出的是直流电压，一般是通过逆变器将储能装置与配电网相连接。对于逆变器的输出而言，一般通过控制其延迟角对功率进行控制。同样的，仍需计算储能系统注入的无功功率和电流。储能系统存在充放电的情况，因此可以向配电网注入功率，也可以从配电网吸收功率；因此储能系统向配电网注入功率时的公式为(16)，储能系统从配电网吸收功率时的公式为(17)；
[0098][0099][0100]
将(16)、(17)代入到(7)中，得到结果与式(8)类似；然后不断进行迭代，对节点注入电流值进行更新，除式(16)、(17)外，其余计算公式与式(11)-(13)相似；经过这些处理后，就可以得到适用于所提出的快速潮流计算方法的储能系统模型。
[0101]
下面结合附图和实例对本发明做进一步的阐述说明以便于理解；
[0102]
实施例1
[0103]
如图1所示，图1为本发明所述方法流程图，本发明提出一种含环网有源配电网的快速潮流计算方法，具体步骤包括：
[0104]
步骤1：读取配电网数据，得到配电网的连通子图；
[0105]
步骤2：根据所得到的连通子图，对支路电流和节点进行编号；
[0106]
步骤3：根据配电网的拓扑结构以及拓扑中支路电流、节点电流和节点电压的关系，可以得到节点电流-支路电流矩阵和支路电流-节点电压矩阵。
[0107]
步骤4：判断配电网拓扑中是否包含环网，若包含环网，则利用kvl和kcl对矩阵进行修正。
[0108]
步骤5：对节点电流-支路电流矩阵和支路电流-节点电压矩阵进行整理，得到节点电流-节点电压矩阵。
[0109]
步骤6：根据各个节点分布式电源的接入情况，得到各个节点的注入电流。
[0110]
步骤7：根据节点的电流与节点电流-节点电压矩阵，对节点电压进行求解。
[0111]
下面采用33节点配电网对本发明实例进行进一步实例说明，为了使配电网中包含环网，以验证本发明提出的方法，对33节点配电网进行了改动，使其包含2个环网，其网络结构如图2所示。在节点16、25和31节点处接入不同类型、不同容量的分布式电源。选取配电网系统的功率基准值为10mva，电压基准值为12.66kv，收敛精度为10-5
。
[0112]
具体配置方案如表1所示：
[0113]
表1分布式电源接入方案
[0114]
接入节点分布式电源类型接入容量1接入容量2接入容量316光伏电站200kw100kw50kw25同步风力发电机500kw300kw100kw31异步风力发电机300kw200kw100kw
[0115]
其中，异步风力发电机的单机容量为100kw，额定机端电压为2.4kv，其定子电抗为3.658ω，转子电抗为4.242ω，励磁电抗为140.6ω，转子电阻为0.1356ω。
[0116]
根据配电网拓扑结构所得的连通子图如附图3所示。
[0117]
根据图3，可以得到节点电流-支路电流矩阵和支路电流-节点电压矩阵。再根据配电网拓扑中包含两个环网，在对矩阵进行修正。对节点电流-支路电流矩阵和支路电流-节点电压矩阵进行整理，得到节点电流-节点电压矩阵。根据表1的分布式电源接入情况，对节点电流进行修正，然后进行潮流的求解。所得到的结果如表2和表3所示。
[0118]
表2含环网分布式接入配电网的潮流计算结果
[0119][0120][0121]
表3本发明方法与牛拉法对比
[0122]
[0123]
从表2的接入分布式电源后的配电网潮流计算结果可以看出，分布式电源的加入有效提高了配电网的电压水平。从表3可以看出，通过和牛拉法的计算速度相比，本发明所提出的方法可以快速的计算配电网的潮流。在迭代次数上高于牛拉法，但是由于本发明所提出的方法所得到的矩阵为固定阵，每一次的迭代不用更新矩阵，相较于牛拉法每次迭代需要更新雅克比矩阵并需要进行求逆矩阵，更及时的节省计算时间。
[0124]
本发明所提出的潮流计算方法方法能够快速计算含环网与分布式电源配电网的潮流分布，能够准确计算出电压、功率等参数，为在线潮流计算应用场景提供快速、收敛的计算方法，便于研究含环路配电网接入分布式电源的影响。
[0125]
以上对本发明所提出的一种含环网有源配电网的快速潮流计算方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。