专利名称：一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置及方法
技术领域：
本发明属于电力系统潮流分析技术领域，特别涉及一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置及方法。
背景技术：
传统的辐射状配电网潮流分析方法主要分为3种类型直接法、前推回代法和牛 顿_拉夫逊法，直接法又称Zbus或Ybus法，它基于节点电压的迭代计算，在每次迭代过程 中要用到叠加原理，该方法具有较强的处理弱环网的能力，而且适合处理具有电压静特性 的节点类型，但是对含PV节点的网络则不能有效处理；前推回代法面向单电源的辐射状网 络，具有易编程、计算效率高等优点，该方法也能有效处理电压静特性的节点类型，但是对 弱环网或对包含DG(分布式发电，Distributed Generation,DG)的多PV节点网络则处理不 便，需要用到补偿技术；需要指出的是，辐射状网络的显著特征是从任一给定母线到平衡节 点具有唯一路径，前推回代法正是充分利用了辐射状网络的这一特征，沿着这些唯一的供 电路径修正电压和电流，而当在辐射网中出现电能输出矢量不确定的分布式电源时，传统 的前推回代法显然不能适用；牛顿-拉夫逊法在输电网潮流计算中得到了广泛应用，它同 样也适合于辐射状配电网的潮流分析，但是该方法对电压初值非常敏感，由于配电网靠近 末端的节点电压往往偏低，导致该方法收敛性较差，另外在配电网中具有较大的R/X比值， 故雅可比矩阵不能实现解耦。另外，由于智能电网中含有大量的分布式电源，分布式电源的 潮流分析模型与传统发电机组模型不同，传统的发电机组在潮流分析中一般取为PQ节点、 PV节点或平衡节点，分布式电源取为这三种中的哪一种或者是否能取为这三种中的哪一种 还需要全面考虑。现有的含分布式电源的辐射状智能电网潮流分析方法一般采用牛顿_拉夫逊方 法来计算，但是辐射状电网加入分布式电源后，电网网络结构有所变化，由辐射网变为弱环 网，传统的前推回代法虽然不能解决这个问题，但是牛顿-拉夫逊方法对计算初值有较高 的要求，若初始值设定的不合适，则不但要增加迭代次数，影响计算速度，还可能使迭代发 散；目前还有一种处理方法，是对传统的前推回代方法的改进，将分布式电源点视为发电机 额定输出功率为P、发电机最大无功功率与最小无功功率中值为Q的PQ节点，这样处理并没 有充分考虑分布式发电的实际情况，使计算结果与实际情况产生偏差。
发明内容
为克服上述方法之不足，本发明提出一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析 装置及方法。本发明的技术方案是这样实现的含分布式电源的智能配电网络潮流计算装置包括检测模块、A/D转换模块、主网 络分析模块、连接模块、从网络分析模块、键盘和液晶显示模块、通讯模块和上位机，检测模 块的输出端连接A/D转换模块的输入端，A/D转换模块的输出端连接主网络分析模块的输入端，主网络分析模块的第一输入输出端连接连接模块的第一输入输出端，连接模块的第 二输入输出端连接从网络分析模块的输入输出端，主网络分析模块的第二输入输出端连接 通讯模块的输入输出端，通讯模块的输入输出端连接上位机的输入输出端，主网络分析模 块的第三输入输出端连接键盘和液晶显示模块的输入输出端。本发明含分布式电源的智能配电网络潮流分析方法包括以下步骤步骤1 利用检测模块采集现场数据信号，包括主、从网络PQ子节点的有功负荷P和无功负荷Q ；步骤2 通过A/D转换模块将采集到的模拟信号转换为数字信号；步骤3 :A/D转换模块将数字信号传递给主网络分析模块，主网络分析模块通过连 接模块将属于从网络的数据信号传递给从网络分析模块；步骤4:从网络分析模块以主从网络连接线上属于从网络的节点作为根节点，根 据采集到的节点信息对从网络进行计算，计算出连接线的线损及主从网络连接线上主网络 节点的有功功率P和无功功率Q ；步骤5 将计算出的主网络的节点信息传递给主网络分析模块，主网络分析模块 利用主网络节点信息进行潮流分析，分析结果包括主网络平衡点的有功功率注入P、无功功 率注入Q，PQ子节点的电压幅值U及电压相角、主从网络连接线上主网络节点的电压幅值U 及电压相角；步骤6 主网络分析模块将步骤5计算出的主从网络连接线上主网络节点的电气 信息传递给从网络分析模块，从网络分析模块据此计算主从网络连接线上从网络节点的电 压，判断相邻两次迭代间主从网络连接线上从网络节点两次计算的电压差的模分量的最大 值max I Δ ViKieCe),是否小于给定的收敛指标ε3，其中ε 3的取值范围为10_6 10_3，若 不收敛，则跳转至第4步重新开始进行下一次迭代，否则转入下一步；步骤7 通信模块将以上的潮流分析结果传送给上位机，并在显示器上显示该潮 流分析结果；步骤5所述的主网络分析模块的潮流分析步骤如下步骤1 输入网络原始参数，包括除根节点外的PQ子节点的有功负荷P与无功负 荷Q，确定各分布式电源的有功功率、无功功率初值及各段线路的电阻、电抗值；步骤2 给定根节点电压初值Vtl ；步骤3:迭代次数k置零，即k = 0;步骤4 当k = 1时，将根节点电压初值赋给PQ节点和各分布式电源节点，即各节 点电压初值为Kw = G ；当k > 1时，将上次潮流分析结果中的节点电压作为本次潮流分析 的节点电压初值，即Kw = Vi^ ；对于分布式电源节点，当k = 1时，计算分布式电源节点的 无功功率初值；当k > 1时，确定分布式电源节点的无功功率，公式如下
-if)2 +Jvi^ -AP'χ2Qjk) = - - ~ + ~！-y~!·- ——
‘χρ2χ其中，
「 Tr I-PXs2X2+ R22)…V1 = Λ 2^(3)
V R2s 式中，
Ι为激磁电抗，X1为定子漏抗，X2为转子漏抗，Xc为
机端并联电容器的电抗，R2为转子电阻，s为转差，Qi为i节点的无功功率，Vi为机端电压；步骤5 确定各子节点电流，公式为 式中，Iu为节点i的电流，广为节点i的节点电压的共轭，Pu为节点i的有功功 率，Qu为节点i的无功功率；步骤6 根据从网络分析模块信息表中的节点间联结信息由末梢节点向根节点递 推，确定各支路电流，公式如下 其中，It为支路电流，y为支路末梢节点，IL,y为支路末梢节点电流，集合d为以节 点y为父节点的支路集合，Ik为以y为父节点的支路电流；步骤7 由根节点向末梢节点递推，确定各节点电压，公式如下 其中，i、y分别为支路的首末节点，Vi为节点i的电压，Rt、Xt分别为支路的电阻和 电抗；步骤8 计算各分布式电源点节点无功功率及它们的修正量
判断是否满足收敛条件，即<ει，其中ε 2为所要求的潮流分析精度，计算各负荷 节点电压的修正量
，判断是否满足收敛条件，即HiaxAlw <&，其中h 为所要求的潮流分析精度，如果有一个节点不收敛，则k = k+l，自第4步重新开始进行下一 次迭代，否则转入下一步；步骤9 确定线路上功率的流动和线路损耗，公式如下 式中，Siy为流经以i、y为首尾节点的支路的功率，Ui为该支路首节点的电压，Iiy 为该支路的电流，LSiy为该支路的线损，Ziy为该支路的阻抗；步骤10:输出。本发明优点潮流分析的结果是电力系统稳定计算和故障分析的基础，根据潮流 分析结果可以合理规划电源容量及接入点，合理规划网架，选择无功补偿方案，满足规划水 平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求；可以发现电网中薄弱环节，供调 度员日常调度控制参考，并对规划、基建部门提出改进网架结构，加快基建进度的建议；可 以用于日运行方式的编制，指导发电厂开机方式，有功、无功调整方案及负荷调整方案，满 足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求；而本发明所提出的一种改进的递阶双循环潮 流分析方法是对传统的配电网潮流计算方法的改进，编程简单，计算速度快，而且根据分 布式电源的有功输出概率密度计算出P，充分考虑了分布式发电的实际情况，在迭代过程 中，根据节点无功功率作为收敛条件判断依据，并根据迭代过程中节点电压不同利用公式
节点电压的关系，使计算更准确。
图1为本发明一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置整体框图；图2为本发明一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置A/D转换模块与主 网络分析模块的接口电原理图；图3为本发明一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置主网络分析模块 与连接模块的接口电原理图；图4为本发明一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置从网络分析模块 与连接模块的接口电原理图；图5为本发明一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置通信模块电原理 图；图6为本发明一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置键盘和液晶显示 模块电原理图；图7为本发明一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析方法的总流程图；图8为本发明一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析方法主网络分析模块 潮流分析流程图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。如图1 图6所示，本发明一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置包括 检测模块、A/D转换模块、主网络分析模块、连接模块、从网络分析模块、键盘和液晶显示模 块、通讯模块和上位机，检测模块的输出端连接A/D转换模块的输入端，A/D转换模块的输 出端连接主网络分析模块的输入端，主网络分析模块的第一输入输出端连接连接模块的第 一输入输出端，连接模块的第二输入输出端连接从网络分析模块的输入输出端，主网络分 析模块的第二输入输出端连接通讯模块的输入输出端，通讯模块的输入输出端连接上位机 的输入输出端，主网络分析模块的第三输入输出端连接键盘和液晶显示模块的输入输出 端；其中，检测模块由电压传感器和功率传感器组成，本实施例中电压传感器的型 号为PT204A，功率传感器的型号为8481A ；A/D转换模块采用型号为ADS7864的模数转换 器，主网络分析模块和从网络分析模块的型号采用TMS320F2812 ；连接模块的型号采用 7YC133 ；通讯模块的型号采用MAX232芯片；PT204A电压传感器的输出端连接A/D转换模块ADS7864的传感器信号输入端 VinlA、VinlB，Vin2A、Vin2B功率传感器的输出端连接A/D转换模块ADS7864的传感器信号 输入端 Vin3A、Vin3B, Vin4A、Vin4B ；A/D转换模块ADS7864的片选及读信号由主DSP的三条高位地址线XA13、XA14、 XA15通过74LS138译码来控制，A/D转换模块ADS7864的数字输出信号通过12条数据线(DBO-DBll)与主网络分析模块的低12位数据线(XDO-XDll)相连，如图2所示；连接模块7YC133采用双口 RAM来实现，7YC133拥有左、右两个通道，在与主网络 分析模块TMS320F2812交换信息时，使用左通道，即主网络分析模块TMS320F2812的84号 引脚接双口 RAM的66和67号引脚，主网络分析模块TMS320F2812的42号引脚接连接模块 7YC133的52号引脚，主网络分析模块TMS320F2812的低11位地址线(XAO-XAiO)接连接模 块7YC133的左通道的11条地址线(AOL-AiOL)，主网络分析模块TMS320F2812的16位数据 线(XD0-XD15)接连接模块7YC133左通道的16位数据线(I/00L-I/015L)，如图3所示；
同时，当连接模块7YC133与从网络分析模块TMS320F2812交换信息时，采用右通 道，即从网络分析模块TMS320F2812的84号引脚接连接模块7YC133的36、37号引脚，从网 络分析模块TMS320F2812的42、151、88号引脚接连接模块7YC133的38,50,51号引脚，从 网络分析模块TMS320F2812的低11位地址线(XA0-XA10)接连接模块7YC133右通道的11 条地址线(A0R-A10R)，从网络分析模块TMS320F2812的16位数据线(XD0-XD15)接连接模 块7YC133左通道的16位数据线(I/00R-I/015R)，如图4所示；通信模块MAX232芯片，是常用的RS-232C与TTL电平转换芯片，上位机与主网络 分析模块TMS320F2812间的串口通信采用RS232协议，通信模块MAX232的引脚11、12分别 和主网络分析模块TMS320F2812的引脚155、157连接，如图5所示，RS-232插口通过电缆 与上位机串口相连，通信模块MAX232能将接收的RS-232C标准的电平信号转换为串行的数 据后传给主网络分析模块TMS320F2812，产生接收中断，供主网络分析模块TMS320F2812处 理；同时能根据接收到的命令，将发送的串行数据转换为RS-232C标准的电平信号发给上 位机；键盘的输入端连接主网络分析模块TMS320F2812的45、46、47、48、49、50号引脚， 液晶控制器T6963C的输入端18、19、20、21、10、11、12、13、14、15、16、17号引脚连接主网络 分析模块 TMS320F2812 的 92、93、94、95、40、41、34、35、155、157、87、89 号引脚，如图 6 所示， 键盘和液晶显示模块用于人机对话操作，如对装置进行参数设置、运行状态监控等，硬件设 计中这部分的内容是通过设置按键来完成的。实施例某地区电力系统含分布式电源的网络支路连接及阻抗信息见表1，额定电压为 66kv 表1含分布式电源的智能配电网络线路连接信息 该网络中，节点25、26、27、28、29、30组成从网络，节点0 24构成主网络，主从网
络连接线是指编号为25的支路；由检测模块采集的各节点的功率信息见表2所示，我们选取0号节点为主网络
的根节点，即主网络的平衡节点，我们定义主从网络连接线上的属于从网络的节点-25号
节点为从网络的根节点，其中节点4、7、9、11、15、16、17、18、20、26、27为含分布式电源的节占.采用含分布式电源的智能配电网潮流计算装置应用改进的递阶双循环潮流分析
方法对该网络进行潮流分析，如图7 图8所示，具体步骤如下步骤1 由检测模块采集现场数据信号，包括主、从网络PQ子节点的有功负荷P和
无功负荷Q，数据如表2所示表2含分布式电源的智能配电网络节点信息信息 步骤2 通过A/D转换模块将模拟信号转化为数字信号；步骤3 :A/D转换模块将数字信号传递给主网络分析模块，主网络分析模块计算各 分布式电源的有功功率及无功功率，本实施例考虑2种分布式发电技术，即风力发电和太 阳能光伏发电(1)风力发电系统当近似的认为风力发电输出功率Pw与风速ν成一次函数关系时，风力发电有功功 率概率密度为<img/式中，ν、σ是风速的平均值和标准差，Pe是风机额定功率，ν0, νΝ是启动风速和额 (2)太阳能光伏发电系统由光强密度的概率密度函数和太阳能电池方阵总输出功率，可以得到太阳能电池 方阵输出功率的概率密度函数 則式中α、β是Beta分布的形状参数，pm是光伏阵列输出的总功率，rm是阵列能输 出的最大功率；对于上述两种情况，其各分布式电源的有功功率的公式为 无功功率的公式为 式中，Φ为额定功率因数角；主网络分析模块根据P=凡)计算的各分布式电源的有功功率、由Qtl = PtanΦ计算的各分布式电源的无功功率初值，即节点4、7、9、11、15、16、17、18、20、26、27的 有功出力P与无功初值Q。，如表3所示表3.智能配电网中含分布式电源的节点的节点信息 之后，主网络分析模块将属于从网络的数据信号，即属于从网络的节点25、26、27、 28,29,30的有功及无功功率，通过连接模块中的双口 RAM传给从网络分析模块；步骤4 从网络分析模块以主从网络连接线上的属于从网络的节点(即25号节 点)作为根节点，根据已知的节点及连接信息(如表1、表2所示)对从网络应用前推回代 算法对从其进行潮流分析，计算出连接线(25号支路)的线损及连接线上主网络节点(25 号节点)的有功功率P和无功功率Q ；步骤5 从网络分析模块通过连接模块的双口 RAM将其计算出的主从网络连接线 上主网络节点的信息传给主网络分析模块(即25号节点的有功功率和无功功率)，主网路 分析模块根据主网络的节点及连接信息(表1、表2)应用前推回代潮流分析方法对主网络 进行潮流分析，分析结果包括主网络平衡节点的有功功率注入P、无功功率注入Q，PQ子节 点的电压模值U及电压实部与虚部，连接线上主网络节点(25号节点)的电压模值U及电 压实部与虚部；步骤6 主网络分析模块通过连接模块中的双口 RAM将连主从网络接线上主网络 节点的电气信息(25号节点的电压实部与虚部)传送给从网络分析模块，从网络分析模块 据此来计算主从网络连接线上从网络节点的电压，判断相邻两次迭代间主从网络连接线上 从网络节点两次计算的电压差的模分量的最大值max I AViKi e Ce)，是否小于给定的收敛 指标ε3，其中ε 3= 10_6，若不收敛，则跳转至第4步重新开始进行下一次迭代，否则转入下 一步；步骤7 通信模块将以上的潮流分析结果(主网络各节点的电压实部与虚部、各支路的线路潮流与线路损耗，如表4与表5所示)传送给上位机，并在显示器上显示该潮流分 析结果表4.主网络各节点潮流分析结果 表5.主网络各支路潮流分析结果 实验结果表明，此潮流分析装置精度可达0.0005p. U，而普通的潮流分析装置的精 度为0. 005p. u ；此潮流分析装置的收敛时间小于100ms，而普通的潮流分析装置的收敛时 间为Is左右。
权利要求
一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置，包括检测模块、A/D转换模块、键盘和液晶显示模块、通讯模块和上位机，其特征在于该装置还包括主网络分析模块、连接模块和从网络分析模块；检测模块的输出端连接A/D转换模块的输入端，A/D转换模块的输出端连接主网络分析模块的输入端，主网络分析模块的第一输入输出端连接连接模块的第一输入输出端，连接模块的第二输入输出端连接从网络分析模块的输入输出端，主网络分析模块的第二输入输出端连接通讯模块的输入输出端，通讯模块的输入输出端连接上位机的输入输出端，主网络分析模块的第三输入输出端连接键盘和液晶显示模块的输入输出端。
2.采用权利要求1所述的含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置分析潮流的方 法，其特征在于包括以下步骤 步骤1 利用检测模块采集现场数据信号，包括主、从网络PQ子节点的有功负荷P和无 功负荷Q ；步骤2 通过A/D转换模块将采集到的模拟信号转换为数字信号； 步骤3 :A/D转换模块将数字信号传递给主网络分析模块，主网络分析模块通过连接模 块将属于从网络的数据信号传递给从网络分析模块；步骤4:从网络分析模块以主从网络连接线上属于从网络的节点作为根节点，根据采 集到的节点信息对从网络进行计算，计算出连接线的线损及主从网络连接线上主网络节点 的有功功率P和无功功率Q ；步骤5 将计算出的主网络的节点信息传递给主网络分析模块，主网络分析模块利用 主网络节点信息进行潮流分析，分析结果包括主网络平衡点的有功功率注入P、无功功率注 入Q，PQ子节点的电压幅值U及电压相角、主从网络连接线上主网络节点的电压幅值U及 电压相角；步骤6 主网络分析模块将步骤5计算出的主从网络连接线上主网络节点的电气 信息传递给从网络分析模块，从网络分析模块据此计算主从网络连接线上从网络节点的电 压，判断相邻两次迭代间主从网络连接线上从网络节点两次计算的电压差的模分量的最大 值max I Δ ViKieCe),是否小于给定的收敛指标ε3，其中ε 3的取值范围为10_6 10_3，若 不收敛，则跳转至第4步重新开始进行下一次迭代，否则转入下一步；步骤7 通信模块将以上的潮流分析结果传送给上位机，并在显示器上显示该潮流分 析结果。
3.根据权利要求2所述的含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置分析潮流的方 法，其特征在于步骤5所述的潮流分析包括以下步骤步骤1 输入网络原始参数，包括除根节点外的PQ节点的有功负荷P与无功负荷Q，确 定各分布式电源的有功功率、无功功率初值及各段线路的电阻、电抗值； 步骤2 给定根节点电压初值Vtl ； 步骤3 迭代次数k置零，即k = O ；步骤4 当k = 1时，将根节点电压初值赋给PQ节点和各分布式电源节点，即各节点电 压初值为if〉=G ；当k > 1时，将上次潮流分析结果中的节点电压作为本次潮流分析的节 点电压初值，即^f〕二 Vi^ ；对于分布式电源节点，当k = 1时，计算分布式电源节点的无功 功率初值；当k > 1时，确定分布式电源节点的无功功率；步骤5 确定各子节点电流，公式为 式中，Iu为节点i的电流，广为节点i的节点电压的共轭，Pu为节点i的有功功率， Qu为节点i的无功功率；步骤6 根据从网络分析模块信息表中的节点间联结信息由末梢节点向根节点递推， 确定各支路电流，公式如下 式中，It为支路电流，y为支路末梢节点，Ly为支路末梢节点电流，集合d为以节点y 为父节点的支路集合，Ik为以y为父节点的支路电流；步骤7 由根节点向末梢节点递推，确定各节点电压，公式如下 Vy = Vi-It(R^jXt)式中，Vi为节点i的电压，i、y分别为支路的首末节点，Rt、Xt分别为支路的电阻和电抗；步骤8 计算各分布式电源点节点无功功率及它们的修正量Δ劣)=I Q^-QfA，判断 是否满足收敛条件，即maxAgf ，其中ε 2为所要求的潮流分析精度，计算各负荷节点 电压的修正量AF^=I -FywL判断是否满足收敛条件，即maxAFf、·^，其中ει为所 要求的潮流分析精度，如果有一个节点不收敛，则k = k+l，自第4步重新开始进行下一次迭 代，否则转入下一步；步骤9 确定线路上功率的流动和线路损耗，公式如下 Siy — UiIiyj LSiy — I Iiy I Ziy式中，Siy为流经以i、y为首尾节点的支路的功率，Ui为该支路首节点的电压，Iiy为该 支路的电流，LSiy为该支路的线损，Ziy为该支路的阻抗； 步骤10 输出分析结果。
全文摘要
一种含分布式电源的智能配电网络潮流分析装置及方法，包括检测模块、A/D转换模块、主网络分析模块、连接模块、从网络分析模块、键盘和液晶显示模块、通讯模块和上位机，本发明所提出的及分布式电源的智能配电网络潮流分析方法，编程简单，计算速度快，而且根据分布式电源的有功输出概率密度计算出P，充分考虑了分布式发电的实际情况，在迭代过程中，根据节点无功功率作为收敛条件判断依据，并根据迭代过程中节点电压不同利用公式对节点无功进行修正，充分考虑了分布式电源点无功功率与节点电压的关系，使计算更准确。
文档编号H02J3/00GK101882785SQ20101022403
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者关焕新, 孙秋野, 巴超, 张铁岩, 田卫华, 董艳博, 赵丹, 赵琰, 邓玮 申请人:沈阳工程学院