一种计算配电网中分布式电源和微网的运行域求解方法与流程

本发明涉及配电网领域，尤其涉及一种计算配电网中分布式电源和微网的运行域求解方法。

背景技术：

近年来，分布式电源(DG)以其高效、环保的优点正大量接入配电网中^[1]。但由于DG的接入，使得配电网由原来单一的电能分配角色转变为集电能收集、传输、存储和分配于一体的新型电力交换系统，这必然在以下方面引起一系列的问题：电力系统负荷预测、系统规划、系统潮流、电网调度、电网稳定性、保护装置等。其中，潮流反向、过流和节点电压越限问题最为突出^[2]。

目前，配电网对DG接纳能力的研究主要集中在光伏发电的最大准入容量以及渗透率方面，根据传统机组调节范围、潮流等限制条件，可以得出配电网的最大消纳能力，并通过负荷转移、储能、弃光等手段提高电网的消纳能力^[3]。但其研究的消纳能力是安装在系统内所有DG的出力总和，并未给出每个DG的出力大小。此外，由于很多DG具有间歇性特征，在单机接入之外，研究人员提出一种新的DG组织形式和结构，即微电网。微电网的提出增强了DG的可控性，但对微网出力范围控制研究也很少^[4]。利用安全域理念可以观察工作点与安全域边界的相对关系，从而得出工作点的安全裕度和最优控制信息^[5]。目前配电网安全域的研究取得了一定的成果，通过考虑N-1安全性准则等约束条件得到常规配电系统安全域^[6]。在DG大量接入配电网后的安全域研究尚显缺乏。

参考文献：

[1]余贻鑫,栾文鹏.智能电网述评[J].中国电机工程学报,2009,29(34):1-8.

[2]裴玮,盛鹍,孔力,等.分布式电源对配网供电电压质量的影响与改善[J].中国电机工程学报,2008,28(13):152-157.

[3]赵波,韦立坤,徐志成,等.计及储能系统的馈线光伏消纳能力随即场景分析[J].电力系统自动化,2015,39(9):34-40.

[4]鲁宗相,王彩霞,闵勇,等.微电网研究综述[J].电力系统自动化,2007,31(19):100-107.

[5]肖峻，谷文卓，王成山.面向智能配电系统的安全域模型[J].电力系统自动化，2013，37(8)：14-19

[6]肖峻,贺琪博,苏歩芸.基于安全域的智能配电网安全高效运行模式[J].电力系统自动化,2014,38(19):52-60.

技术实现要素：

本发明提供了一种计算配电网中分布式电源和微网的运行域求解方法，本发明对给定配电网，能计算得到配电网中DG和微网的运行域，详见下文描述：

一种计算配电网中分布式电源和微网的运行域求解方法，所述运行域求解方法包括以下步骤：

分别获取配电网工作点、运行域以及运行边界的定义，并获取运行域的数学模型；

获取DG出力约束及运行域边界、系统潮流等式约束及运行域边界、电压偏移约束及电压边界、反向潮流约束及反向潮流边界、馈线容量约束及馈线容量边界；

根据上述步骤中的计算结果，获取给定配电网中分布式电源和微网的运行域。

其中，所述运行域的数学模型具体为：

Ω_DGDR＝{Z|W(f_i)≤0},i＝1,2...,n

其中，Z表示DG或微网的功率值；W(f_i)表示满足系统安全运行的约束条件，n为约束条件的个数；i代表第i个约束条件。

其中，所述DG出力约束具体为：

式中：表示DG出力，分别表示DG出力上下限，所有DG出力大小不能超过额定容量。

其中，所述系统潮流等式约束具体为：

式中：G_ij为节点间导纳的实部，B_ij为节点间导纳的虚部，Ω_n为与负荷节点i直接相连的所有负荷节点集合，Ω_l为负荷节点集合；θ_ij为节点间电压相角差；U_i为负荷节点i的节点电压；U_j为负荷节点j的节点电压；P_i为节点i的有功功率；Q_i为节点i的无功功率。

其中，所述电压偏移约束具体为：

V_min≤V≤V_max

式中：V_max和V_min分别表示电压偏移上下限，V表示节点电压，所有节点电压不超过电压偏移上下限。

其中，所述反向潮流约束具体为：

L₁≥0

式中：L₁为馈线出口处的线路容量，馈线出口潮流不反向。

其中，所述馈线容量约束具体为：

L≤L_max

式中：L_max为馈线额定容量；L为馈线容量，所有馈线容量不超过其额定容量。

其中，所述分布式电源和微网的运行域具体为：

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明提出了一种计算配电网中分布式电源和微网的运行域的方法，本方法不需要进行N-1仿真，而是通过潮流计算得出系统中各个工作点的工作状态，并判断各工作点是否处于安全运行状态；本方法在潮流计算中，考虑了节点电压以及潮流损耗，可以得到更为精确的结果；本方法给出了配电网中各个DG和微网的出力范围，方便调度人员对电网进行调控，因此这种方法具有快速准确实用的优点。

附图说明

图1为一种计算配电网中分布式电源和微网的运行域求解方法的流程图；

图2为电压边界求解计算的流程图；

图3为反向潮流边界求解计算的流程图；

图4为馈线容量边界求解计算的流程图；

图5为算例的示意图；

图6为DG和微网二维运行域的示意图。

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，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

本发明实施例提出运行域的概念，得到了配电网中DG和微网的运行域，为高渗透率可再生能源配电系统的安全高效运行提供理论指导，参见图1，该方法包括以下步骤：

101：分别获取配电网工作点、运行域以及运行边界的定义，并获取运行域的数学模型；

102：获取DG出力约束及运行域边界、系统潮流等式约束及运行域边界、电压偏移约束及电压边界、反向潮流约束及反向潮流边界、馈线容量约束及馈线容量边界；

103：根据步骤101和步骤102中的计算结果，获取给定配电网中分布式电源(DG)和微网的运行域。

综上所述，本发明实施例提出计及电压约束和网损等潮流条件的运行域概念，通过分布式电源(DG)出力范围、节点电压、支路容量等约束条件，得出配电网中DG的运行范围，并扩展到接入配电网的微网(MG)。通过该方法，可以得到任意给定配电网中分布式电源DG和微网的运行域。

实施例2

下面结合具体的计算公式、实例、图2-图4对实施例1中的方案进行详细介绍，详见下文描述：

201：配电网运行域的定义与数学模型；

(1)工作点的定义

配电网某个运行状态简称工作点，即某个瞬态下所有节点支路的功率电压数据以及运行方式。

(2)运行域的定义及数学模型

配电网运行域(DSDR)定义：运行中使所有节点均满足安全运行约束条件工作点的集合。

如果工作点满足运行约束条件，则称其为运行安全的或N-0安全，否则称其不安全。运行域给出了电力系统满足安全约束的最大利用范围，能够非常方便进行安全评价并优化系统状态。

如果观察DG或微网出力范围，以DG或微网功率为变量，所得出的运行域即称为DG或微网运行域，记为Ω_DGDR，数学模型如下：

Ω_DGDR＝{Z|W(f_i)≤0},i＝1,2...,n (1)

其中，Z表示DG或微网的功率值；W(f_i)表示满足系统安全运行的约束条件，i代表约束条件的个数。

(3)运行边界的定义

运行边界定义为使W(f_i)＝0的工作点的集合。安全工作点和不安全工作点之间存在一个运行边界，运行边界构成封闭的区域，即为配电网运行域。运行域边界内部工作点都是安全的，外部工作点都是不安全的。

其中，电压边界定义为使系统节点电压极值等于电压偏移上下限的工作点的集合；反向潮流边界定义为馈线出口处潮流为0的工作点的集合；线路容量边界定义为系统中馈线容量最大值等于最大馈线容量的工作点的集合。

202：运行约束条件及运行边界的求解方法；

整个运行约束分为5类，对应的5类运行域边界求解方法分别如下：

(1)DG出力约束及运行域边界；

式中：表示DG出力，分别表示DG出力上下限。式(2)表示所有DG出力大小不能超过额定容量。

根据上式可直接得到DG处理约束的运行域边界。

(2)系统潮流等式约束及运行域边界；

式中：G_ij为节点间导纳的实部，B_ij为节点间导纳的虚部，Ω_n为与负荷节点i直接相连的所有负荷节点集合，Ω_l为负荷节点集合；θ_ij为节点间电压相角差；U_i为负荷节点i的节点电压；U_j为负荷节点j的节点电压；P_i为节点i的有功功率；Q_i为节点i的无功功率。

根据上式可直接得到系统潮流等式约束的运行域边界。

(3)电压偏移约束及电压边界求解方法；

V_min≤V≤V_max (4)

式中：V_max和V_min分别表示电压偏移上下限，V表示节点电压。式(4)表示所有节点电压不超过电压偏移上下限。

根据式(2)、式(4)，任意选取两个工作点，分析工作点的电压安全边界，算法流程如图2所示。

其中，S1、S2分别为两个工作点出力大小，S_max、S_min分别为DG或微网的最大和最小出力，V_max、V_min分别为节点电压上下限。

首先，对每个二维断面，利用电压约束求出一系列临界工作点，具体如下：

1)在DG出力范围内，对两个工作点从最小出力值开始，以一定步长取一系列值；

2)对于每个值，进行系统潮流计算，并将节点电压极值与电压上下限比较，以近似得出一系列电压临界点；然后，利用所得出的一系列电压临界点，即可拟合成静态电压安全边界。

(4)反向潮流约束及反向潮流边界求解方法；

为防止逆流对上一级电网产生较大的影响，导致上一级电网需要在继电保护设置等方面做出大范围的调整，在网络根节点处设定反向潮流约束，保证馈线出口处潮流正向流动，具体约束如下：

L₁≥0 (5)

式中：L₁为馈线出口处的线路容量。式(5)表示馈线出口潮流不反向。

根据式(2)、式(5)，任意选取两个工作点，分析工作点的反向潮流安全边界，算法流程如图3所示。

采用电压边界求解类似过程，拟合成反向潮流安全边界。

(5)馈线容量约束及馈线容量边界求解方法。

L≤L_max (6)

式中：L_max为馈线额定容量；L为馈线容量。式(6)表示所有馈线容量不超过其额定容量。

根据式(2)、式(6)，任意选取两个工作点，分析工作点的馈线容量安全边界，算法流程如图4所示。采用电压边界求解类似过程，拟合成馈线容量安全边界。

203：运行域完整表达式。

综上所述，本发明实施例提出计及电压约束和网损等潮流条件的运行域概念，通过分布式电源(DG)出力范围、节点电压、支路容量等约束条件，得出配电网中DG的运行范围，并扩展到接入配电网的微网(MG)。通过该方法，可以得到任意给定配电网中DG和微网的运行域。

实施例3

下面结合基本的算例对实施例1和2中的方案进行可行性验证，详见下文描述：

1、算例基本情况

算例电网的网架结构如图5所示，采用IEEE33系统进行验证，网中有32条支路，1个电源网络，首端基准电压12.66kV，功率基准值取10MVA。馈线额定容量为5.28MW，节点电压不超过额定电压±5％，以发出功率为正方向。分别在15节点接入PQ型MG，在21节点接入PV型MG，在24节点接入PQ型DG，在30节点接入PV型DG。

为了研究二维空间上的图形，取二维断面，认定除两个研究的节点外，其余节点出力情况保持不变，对15和30节点处的DG和微网进行运行域研究。其中，15节点处PQ型微网的出力范围为-2～4MW，功率因数为0.894；30节点处DG的额定功率为4MW，电压标幺值设定为1；21节点处PV型微网有功功率设定为260kW，电压标幺值设定为1.02；24节点处PQ型DG有功功率设定为150kW，功率因数设定为0.894；IEEE33系统阻抗及负荷见表1。

表1 IEEE33系统阻抗及负荷情况

2、本发明实施步骤

(1)DG和微网一维运行域

一维运行域可直接得到当时某台DG或微网的安全出力范围。为了得出一维运行域，取时间断面，将15节点处PQ型微网有功功率设定为210kW，功率因数设定为0.894；将21节点处PV型微网有功功率设定为260kW，电压标幺值设定为1.02；将24节点处PQ型DG有功功率设定为150kW，功率因数设定为0.894；将30节点处PV型DG有功功率设定为110kW，电压标幺值设定为0.98。依次在17节点处接入PQ型和PV型的微网、DG，其中微网的出力范围为-2～4kW，DG的出力范围为0～3kW，所得出的17节点一维运行域如表2所示。

表2 DG和微网一维运行域

(2)DG和微网一维运行域

以图5中的15和30节点为例进行二维运行域研究，15节点处PQ型微网出力范围为-2～4MW，30节点处PV型DG额定功率设定为4MW，电压标幺值设定为1，其余节点出力情况不变，所得出的二维运行域如图5所示。

图6中的P15为15节点处微网的出力大小，P30为30节点处DG的出力大小，图中边界箭头方向指向运行域方向，图中的阴影部分即为两个节点微网和DG的运行域。从图中可以看出，共有L1～L5五条边界，其中：L1～L2为馈线容量边界，L3为反向潮流边界，L4～L5为电压边界。

综上所述，本发明实施例提出计及电压约束和网损等潮流条件的运行域概念，通过分布式电源(DG)出力范围、节点电压、支路容量等约束条件，得出配电网中DG的运行范围，并扩展到接入配电网的微网(MG)。通过该方法，可以得到任意给定配电网中DG和微网的运行域。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。