考虑配电网谐波管理的分布式电源多目标接入规划方法与流程
本发明属于配电技术领域。
背景技术：
分布式发电（distributedgeneration，dg）技术是近年来相关领域的一个研究热点。dg并网对配电网带来了深刻的影响，包括电能质量、网损、可靠性等方面，且其影响程度与dg的安装位置及容量密切相关。dg接入后如果控制不当会导致电能质量下降，但大量研究表明，可以通过对dg的控制来辅助改善配电网的电能质量，能够节省专门的电能质量管理设备投资，具有广阔的发展和应用前景。
技术实现要素：
本发明的目的是提出一种科学合理，适用性强，效果佳的考虑配电网谐波管理的分布式电源多目标接入规划方法，旨在优化分布式电源在配电网中的选址与定容的考虑配电网谐波管理的分布式电源多目标接入规划方法。
本发明的步骤是：
步骤1、建立分布式电源多目标接入优化的数学模型：
步骤101：建立网络有功损耗指标：
pli、qli、ui分别为节点i的有功负荷、无功负荷、电压幅值；ri-1是i-1至节点i的等效电阻，i为根节点；
步骤102：建立谐波管理指标：
tij配电网的综合节点谐波阻抗；im为m个电能质量管理的目标节点，jn为n个分布式电源接入节点，其中im≠jn；其中
步骤103：根据各目标函数之间量纲的不同，对每一个目标分别构造隶属度函数，将其转化为对优化结果的满意度，相对应的函数为：
p为以网络损耗的值，mw；k为以谐波管理指标的值；
步骤104：建立分布式电源多目标接入优化各指标的评价函数：
步骤105：采用配电网中分布式电源多目标接入优化的约束条件对上述各种指标进行限定约束；
步骤2：获取配电网网络负荷和阻抗信息，进而获得配电网节点负荷和节点阻抗信息；
步骤3：利用步骤1得到的数学模型以及步骤2得到的配电网节点负荷和节点阻抗；考虑步骤1提到的约束条件，利用粒子群算法对系统进行优化求解：
步骤301初始化粒子群，所述的粒子群由多个粒子组成，每个粒子的值在限定范围内随机产生；
步骤302将步骤1数学模型的目标函数导入算法，做为算法的目标函数，导入步骤2中得到的节点负荷和节点阻抗信息，做为约束限定条件；
步骤303开始迭代，计算出粒子群中各粒子的综合适应度，不符合约束条件的粒子依照罚函数进行惩罚，取综合适应度最大的粒子与当前最优粒子比较，令综合适应度较大的粒子为标准最优粒子；
步骤304根据以下算式对粒子群中各粒子进行迭代更新后，返回步骤303；
k为迭代次数；w为惯性权重因子；r1、r2为0~1之间的随机数；c1、c2为学习因子（加速因子）；
步骤304迭代次数达到最大值时，迭代结束，得到混合系统两目标满意度最大时的最优配置方式。
本发明的网络有功损耗指标：
对于网络中任意一个节点i，其负荷为pi+jqi，认为网络中其他节点均无负荷，则网络中的有功损耗即为节点i的负荷电流由根节点流至节点i所经过的所有支路引起的有功线损；而网络的网损，可对网络中所有节点i=1，2，3，…，n分别算出其负荷电流引起的损耗，最后应用叠加原理求和即可；当认为仅节点i有负荷、其他节点均无负荷时，i-1表示根节点，i为网络中任意一点，ri-1,i+jxi-1,i为由根节点i-1至节点i的等效阻抗；网络中其他节点均无负荷，仅由节点i的负荷pli+jqli在整个网络中所引起的有功损耗为
因此节点i的负荷pli+jqli在整个网络中所引起的有功损耗其对应的网损最小的目标函数为：
∆pi-1,i为根节点i-1至节点i等效支路的有功损耗；∑pli、∑qli、ui分别为节点i的有功负荷、无功负荷、电压幅值；ri-1,i，xi-1,i为根节点i-1至节点i的等效电阻，等效电抗。
本发明的谐波管理指标：配电网的n节点阻抗矩阵为：
z11、…、znn为配电网节点1~n的自阻抗；z1j、…、zij为配电网节点节点1与节点j、节点i与节点j的互阻抗；其中z11=r11+jx11、…、znn=rnn+jxnn；z1j=r1j+jx1j、…、zij=zji=rij+jxij、…；r11、…、rnn和x11、…、xnn为节点1~n的等效电阻和电抗；r1j、…、rij和x1j、…、xij为节点1与节点j、节点i与节点j的等效线路阻抗；
考虑到注入配电网络的谐波电流的作用，可得到配电网的h次谐波阻抗矩阵：
将谐波含量较高3、5、7次谐波作为主要次谐波进行分析，配电网的综合节点谐波阻抗可表示为
z3h、z5h、z7h为配电网的3、5、7次节点谐波阻抗矩阵；ɑ1、ɑ2、ɑ3为配电网的3、5、7次节点谐波阻抗矩阵的权值；以下计算中将
配电网中接入n个分布式电源，对有m个目标节点进行电能质量管理，此时应选择n个位置，使其对m个目标的综合节点谐波阻抗最大，得到目标函数为
式中：im为m个电能质量管理的目标节点，jn为n个分布式电源接入节点，其中im≠jn。
本发明在分析分布式电源接入配电网的网损灵敏度和节点谐波阻抗矩阵基础上，以网损最小和谐波管理指标最大为目标函数，通过构造隶属度函数，将多目标优化问题转化为对优化结果的满意度，并采用改进粒子群算法进行求解，提出了一种考虑配电网谐波管理的分布式电源多目标接入规划方法。本发明以网损最小和谐波管理指标最大为目标函数，考虑功率平衡约束、容量约束、dg接入的总容量约束，实现了配电网中分布式电源多目标接入的最佳配置方案。可集成在配电网中分布式电源多目标选址与定容过程中，实现对整个系统的优化配置，兼顾节点谐波管理指标最大化及网络损耗最小化，实现配电网中分布式电源的最佳选址与定容。本发明主要应用于分布式电源在配电网中的优化选址与定容。
附图说明
图1是配电网节点i等效图；
图2是各目标相应的隶属度函数；
图3是33节点配电网系统；
图4是目标节点3电压波形。
具体实施方式
本发明将节点谐波阻抗考虑到分布式电源的接入规划中，使分布式电源的安装位置具有较强的电能质量管理能力，其步骤是：
步骤1、建立分布式电源多目标接入优化的数学模型：
步骤101：建立网络有功损耗指标：
pli、qli、ui分别为节点i的有功负荷、无功负荷、电压幅值；ri-1是i-1至节点i的等效电阻，i为根节点。
步骤102：建立谐波管理指标：
tij配电网的综合节点谐波阻抗；im为m个电能质量管理的目标节点，jn为n个分布式电源接入节点，其中im≠jn；其中
步骤103：根据各目标函数之间量纲的不同，对每一个目标分别构造隶属度函数，将其转化为对优化结果的满意度，相对应的函数为：
p为以网络损耗的值，mw；k为以谐波管理指标的值；
步骤104：建立分布式电源多目标接入优化各指标的评价函数：
步骤105：采用配电网中分布式电源多目标接入优化的约束条件对上述各种指标进行限定约束；
所述的分布式电源多目标接入优化的约束条件为：
建立分布式电源多目标接入优化的约束条件，具体包括功率平衡约束、容量约束、dg接入的总容量约束。
其中，功率平衡约束条件为：
功率平衡约束为：
式（105-1）、（105-2）中：
容量约束约束为：
式（105-3）中：
dg接入的总容量约束为：
式（105-4）中：sdg为拟接入配电网的dg总装机容量；
步骤2：获取配电网网络负荷和阻抗信息，进而获得配电网节点负荷和节点阻抗信息；
步骤3：利用步骤1得到的数学模型以及步骤2得到的配电网节点负荷和节点阻抗；考虑步骤1提到的约束条件，利用粒子群算法对系统进行优化求解。
对系统以网损最小，谐波管理水平最大为目标进行单目标优化，得到在单目标情况下混合系统运行边界条件，确定
步骤301初始化粒子群，所述的粒子群由多个粒子组成，每个粒子的值在限定范围内随机产生。
步骤302将步骤1数学模型的目标函数导入算法，做为算法的目标函数，步骤1中考虑的约束条件以罚函数的形式写入算法，当迭代过程中粒子不符合约束条件时，由罚函数进行惩罚；导入步骤2中得到的配电网节点负荷和节点阻抗信息，做为约束限定条件。
步骤303开始迭代，计算出粒子群中各粒子的综合适应度，不符合约束条件的粒子依照罚函数进行惩罚，取综合适应度最大的粒子与当前最优粒子比较，令综合适应度较大的粒子为标准最优粒子。
步骤304根据以下算式对粒子群中各粒子进行迭代更新后，返回步骤303；
k为迭代次数；w为惯性权重因子；r1、r2为0~1之间的随机数；c1、c2为学习因子（加速因子）；
步骤304迭代次数达到最大值时，迭代结束，得到混合系统两目标满意度最大时的最优配置方式。后面的表1～4为配电网分布式电源优化配置结果。
本发明的网络有功损耗指标：
对于网络中任意一个节点i，其负荷为pi+jqi，认为网络中其他节点均无负荷，则网络中的有功损耗即为节点i的负荷电流由根节点流至节点i所经过的所有支路引起的有功线损；而网络的网损，可对网络中所有节点i=1，2，3，…，n分别算出其负荷电流引起的损耗，最后应用叠加原理求和即可；当认为仅节点i有负荷、其他节点均无负荷时，节点i至根节点总可以等效为如图1所示。图1中，i-1表示根节点，i为网络中任意一点，ri-1,i+jxi-1,i为由根节点i-1至节点i的等效阻抗；网络中其他节点均无负荷，仅由节点i的负荷pli+jqli在整个网络中所引起的有功损耗为
因此节点i的负荷pli+jqli在整个网络中所引起的有功损耗其对应的网损最小的目标函数为：
∆pi-1,i为根节点i-1至节点i等效支路的有功损耗；∑pli、∑qli、ui分别为节点i的有功负荷、无功负荷、电压幅值；ri-1,i，xi-1,i为根节点i-1至节点i的等效电阻，等效电抗。
本发明的谐波管理指标：配电网的n节点阻抗矩阵为：
z11、…、znn为配电网节点1~n的自阻抗；z1j、…、zij为配电网节点节点1与节点j、节点i与节点j的互阻抗；其中z11=r11+jx11、…、znn=rnn+jxnn；z1j=r1j+jx1j、…、zij=zji=rij+jxij、…；r11、…、rnn和x11、…、xnn为节点1~n的等效电阻和电抗；r1j、…、rij和x1j、…、xij为节点1与节点j、节点i与节点j的等效线路阻抗；
考虑到注入配电网络的谐波电流的作用，可得到配电网的h次谐波阻抗矩阵：
将谐波含量较高3、5、7次谐波作为主要次谐波进行分析，配电网的综合节点谐波阻抗可表示为
z3h、z5h、z7h为配电网的3、5、7次节点谐波阻抗矩阵；ɑ1、ɑ2、ɑ3为配电网的3、5、7次节点谐波阻抗矩阵的权值；以下计算中将
配电网中接入n个分布式电源，对有m个目标节点进行电能质量管理，此时应选择n个位置，使其对m个目标的综合节点谐波阻抗最大，得到目标函数为
式中：im为m个电能质量管理的目标节点，jn为n个分布式电源接入节点，其中im≠jn。
本发明采用matlab工具软件对配电网中考虑配电网谐波管理的分布式电源多目标接入规划方法进行仿真，实验采用3ieee33节点配电网如图3所示，额定电压12.66kv，总负荷为3715+j2300kva，共有33个节点（其中32个为pq节点），37条支路（其中5条为联络开关）。拟接入的dg数量为4个、
表1为选择节点3作为电能质量管理的目标节点，采用本发明多目标优化方法，将网损和谐波管理指标作为多目标进行配电网分布式电源优化时的配置结果。
表2为选择节点3作为电能质量管理的目标节点，采用网损作为单目标进行配电网分布式电源优化时的配置结果。
表3为选择节点3作为电能质量管理的目标节点，采用谐波管理指标作为单目标进行配电网分布式电源优化时的配置结果。
表1-表3分别为网损作为分布式电源接入优化的单一目标、谐波管理指标作为分布式电源接入优化的单一目标、网损灵敏度和谐波管理指标多目标时进行dg的优化选址与定容的优化结果。从表3可以看出，网损灵敏度和谐波管理指标多目标作为分布式电源接入优化进行dg的优化选址与定容，系统网络损耗为105.5kw，比以网络损耗最小为目标时增加了10.6%，比以谐波管理指标最大为目标时降低了17.9%；节点3的谐波畸变率为0.024，其中节点3的谐波畸变率比以网损最小为目标下减小了63.07%，比以谐波管理指标最大为目标下增加了25%；从结果可以看出，考虑总体效益，采用本文优化模型优化，在降低网络损耗的同时，能降低电压谐波畸变。
图4给出了采用本发明的谐波管理方法，目标节点的三相电压波形情况。图4（a）为以网损作为分布式电源接入优化的单一目标时节点3的三相电压波形，从图中可以看出此时节点3的三相电压畸变水平较高。图4（b）为以谐波管理指标作为分布式电源接入优化的单一目标时节点3的三相电压波形，从图中可以看出此时节点3的三相电压畸变水平较低。图4（c）为以网损和谐波管理指标作为分布式电源接入优化的多目标时节点3的三相电压波形，从图中可以看出此时节点3的三相电压畸变水平比以网损作为目标时有较大改善，比以谐波管理指标作为目标时有小幅度降低。
表4为选择节点3和节点6作为电能质量管理的目标节点，采用本发明多目标优化方法，将网损和谐波管理指标作为多目标进行配电网分布式电源优化时的配置结果。
选择节点3和节点6作为目标节点进行优化实验，不同方法下dg配置方案，从表4中可知以网损最小为目标进行分布式电源接入优化的配电网有功损耗最低，但目标节点的谐波畸变水平比其他方法要高；以谐波管理指标最大为目标进行分布式电源接入优化的目标节点的谐波畸变率最低，但配电网的有功损耗比其他方法要高；采用本发明多目标优化方法综合考虑了配电网网损与节点谐波畸变水平，其网损和目标节点谐波畸变水平都比未优化时有较大改善。
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