一种面向分布式电源接入的配变群集负载均衡优化方法与流程

[0001]
本发明属于配电网络调控技术领域，特别涉及一种面向配电网变压器群集的负载均衡优化方法。


背景技术：

[0002]
对于某一供电区域，在总负荷量相同的情况下，各变压器的负载率越均衡,系统的网损越小。然而，分布式电源大量接入配电网，且在各台变压器的接入容量存在较大差异，使得不同变电站、同一变电站内不同变压器负载率存在较大差异；此外，负荷分布不均匀、负荷增长速度迥异等原因，进一步增大了系统中变压器负载率的差异性。同一变电站不同主变之间以及不同变电站主变之间往往通过常开的联络开关建立联络关系，存在联络关系的馈线之间可以实现全部或者部分负荷转供，从而可以使得变压器群集的负载更均衡。对于含分布式电源的网络而言，分布式发电的并入丰富了配电网的无功控制手段，已有无功补偿手段包括改变分布式电源无功出力、有载调压变压器档位调节和并联电容器组投切。随着配电自动化水平的不断提高，分布式电源的无功出力可以实现灵活的调度，在优化周期内，对变压器分接头的档位和分布式电源的无功出力进行调整，使得系统中各节点的电压质量得到改善。
[0003]
通过网络重构等措施降低网络损耗的研究已有很多。然而，还存在以下三点不足：(1)忽视了从变电站群集的角度，充分利用变电站之间的负载均衡措施来降低系统的总损耗；(2)忽视了对开关设备操作频率约束的有效计及；(3)忽视了分布式电源在网络重构中的无功调节作用。


技术实现要素：

[0004]
本申请提出了一种面向变压器群集的负载时空均衡优化方法，该方法在一个优化周期内而不是一个时间断面上开展运行优化，分两个步骤完成负载均衡优化，首先，以变压器群集的网损最小为目标开展正常态的网络重构，确定系统在优化周期内的拓扑结构；然后，同时考虑系统网损和节点电压质量，通过调整分布式电源的无功出力和变压器分接头位置，在既定网络拓扑下提高电压质量。
[0005]
本发明根据配网结构特点，提出了一种面向变压器群集的负载时空均衡优化，本发明：
[0006]
①
对电网一段时间内而不是某一时间断面上网络损耗进行优化，在时间维度上计及了开关操作频率约束，使得优化结果更加具有工程应用价值；
②
考虑节点电压质量，通过调整分布式电源的无功出力和变压器分接头位置，在既定网络拓扑下提高电压质量。具体来说，通过以下两个步骤实现配变群集网络的负载均衡优化：
[0007]
一种面向分布式电源接入的配变群集负载均衡优化方法，包括如下步骤：
[0008]
步骤一：采集配电群集网络参数确定配电网络最佳拓扑结构；
[0009]
步骤二：根据所述最佳拓扑结构中开关配置参数建立并求解最优无功优化模型，
[0010]
步骤三：将无功优化结果代入步骤一，判断最佳拓扑网络结构是否发生变化，不发生变化则输出最佳优化结果；否则将步骤一的优化结果继续代入步骤二进行寻优，直至步骤一优化结果不发生变化或者网损不再下降为止；其中，所述配电网络最佳拓扑结构确定过程：
[0011]
通过如下公式计算配电群集网络中变压器群集的网损参数；
[0012][0013]
其中，δp
st,t
表示t时刻变压器群集的铜耗；p
i，t
和q
i，t
分别表示t时刻第i台变压器的有功负载和无功负载，由第i台变压器供电的节点范围与常闭开关的状态密切相关；u
i,t
表示t时刻第i台变压器的电压；r
i
表示第i台变压器的电阻；p
i，t
和q
i，t
与开关设备的开闭状态密切相关；
[0014]
通过变压器群集的网损参数和开关设备的动作成本最小为目标函数建立负载均衡优化模型；即：
[0015][0016]
其中，c
kwh
表示单位电能的成本，n
ch
表示优化周期t内所有开关设备的动作总次数，c
ch
表示开关设备单次动作成本；
[0017]
利用离散猴群算法对负载均衡优化模型进行求解确定配电网络最佳拓扑结构。
[0018]
进一步，所述最优无功优化模型建立过程：
[0019]
s1、计算配电网络最优拓扑结构中节点的电压偏差；
[0020]
s2、依次优化变压器分接头位置和每棵馈线树的分布式电源无功出力，输出最优无功优化结果，其具体的优化过程如下：
[0021]
s3、最优拓扑结构中每一台电压器供电范围内的所有节点组成一棵馈线树，依次选取每一棵馈线树；
[0022]
s4、依次灵活调整该馈线树上配变分接头的位置，在1，
±
2.5％，
±
5％依次进行选择；
[0023]
s5、对该棵馈线树上的分布式电源分别增加相同的出力，确定分布式电源的最佳出力位置，重复此步骤，直到目标函数不再改变，或者分布式电源出力达到上限；
[0024]
重复步骤s4，直至遍历完该馈线树所有分接头的位置；
[0025]
重复步骤s5，直至遍历完所有馈线树；输出最优结果。
[0026]
有益效果
[0027]
本发明专利针对分布式电源的大量接入，以配电网变压器群集的节能降损为研究对象，把电网中一段时间内而不是某一时间断面上网络损耗最小作为目标函数，计及配电网中分段开关和联络开关时空两个维度的约束条件，得出电网中分段开关以及联络开关的最佳组合；针对网络重构导致的部分节点电压质量下降问题，通过灵活调整配变的分接头并优化分布式电源的无功出力改善配网系统中节点的电压质量。通过具体的算例验证了本专利方法的有效性。
附图说明
[0028]
图1是本发明一种面向配电网变压器群集的负载均衡优化方法的流程图；
[0029]
图2配变群集的网络拓扑；
[0030]
图3负载均衡前后各台配变的负载率，其中：(a)负载均衡之前各台配变的负载率；(b)负载均衡之后各台配变的负载率；
[0031]
图4配变1供电范围各个节点的时序电压曲线，其中：(a)不采取任何措施的节点电压曲线；(b)网络重构之后的节点电压曲线；
[0032]
图5无功优化之后变压器1供电范围各个节点的时序电压曲线。
具体实施方式：
[0033]
以下结合附图对本实发明专利实施过程做进一步详细说明：
[0034]
步骤一：确定网络的最佳拓扑结构；
[0035]
1.计算变压器群集的网损；
[0036]
暂不考虑分布式电源的无功补偿能力，把分布式电源处理为负的有功负荷，以变压器群集的网损为目标函数，开展网络拓扑优化。以小时为时间间隔，假设系统功率在每个时间间隔内不变，变压器群集在优化周期t内的铜耗为：
[0037][0038]
其中，δp
st,t
表示t时刻变压器群集的铜耗；p
i，t
和q
i，t
分别表示t时刻第i台变压器的有功负载和无功负载，由第i台变压器供电的节点范围与常闭开关的状态密切相关；u
i,t
表示t时刻第i台变压器的电压；r
i
表示第i台变压器的电阻。
[0039]
2.建立负载均衡优化模型；
[0040]
以优化周期内变压器群集的有功网损和开关设备的动作成本最小为目标函数：
[0041][0042]
其中，c
kwh
表示单位电能的成本，n
ch
表示优化周期t内所有开关设备的动作总次数，c
ch
表示开关设备单次动作成本。
[0043]
为了保证配电系统的安全运行，需要满足以下空间和时间维度的约束条件：
[0044]
a.网络拓扑无孤岛约束
[0045]
在改变开关设备开闭状态的过程中，不允许出现某些馈线段孤岛(即不与任何配变相连)的情况，该约束可通过如下等式表示：
[0046][0047]
其中，n
i,f
表示第i台变压器的馈线总数；n
i,j,oth
表示第i台配变第j条馈线的常闭开关(包括断路器、分段开关等)的数量；pl
i,j,k,t
表示第i台配变第j条馈线第k段馈线t时刻供应的所有有功负载。
[0048]
b.变压器容量约束
[0049]
开关设备改变开合状态后，不允许出现负荷转供导致的变压器过载情况：
[0050][0051]
其中，s
i,rate
表示第i台配变的额定容量。
[0052]
c.辐射状运行约束
[0053]
在满足式(3)的条件下，进一步要求常闭开关打开的数量与联络开关的闭合数量相同，则配电网在任意时刻保持辐射状运行：
[0054][0055]
其中，n
i,j,tie
表示第i台配变第j条馈线的联络开关数量；sw
m
(t)和swt
i,j,l
(t)分别表示常闭开关和联络开关在t时刻的开合状态记为，1表示闭合，0表示打开。
[0056]
d.开关设备动作频率约束
[0057]
从系统调度角度，开关设备的操作频率存在以下约束：
[0058][0059]
式中，是异或数学运算符，n
i,j,l
、n
t1
和n
t2
分别表示优化周期t内每个联络开关的最大允许动作次数、每棵馈线树的最大允许调度次数和配网内所有联络开关的最大允许动作总次数。
[0060]
e.配变群集“n-1”安全约束
[0061]
第i台配变的负载率为：
[0062][0063]
根据电力系统“n-1”安全约束，配变群集中的每台变压器存在负载率上限，考虑主变互联关系，提出了配变群集中每台主变的最大负载率计算方法，故存在如下约束：
[0064][0065][0066]
其中，t
i(ns-1)
表示第i台配变满足“n-1”安全校验的负载率上限。
[0067]
3.利用离散猴群算法进行求解；由式(2)～式(9)构成的网络重构优化模型，计及了开关设备操作频率约束，使得优化模型变为非马尔科夫过程，不仅优化变量数量多，而且增加了时间维度。该高维非线性模型，可借助离散猴群算法求解。
[0068]
步骤二：确定配变分接头的位置以及分布式电源的无功出力
[0069]
1.建立优化模型；同时计及优化周期内系统的网损和各节点的电压质量，目标函数为：
[0070][0071]
其中，e0表示网络重构和无功优化前系统在t内的网损电量；表示网络重构和无功优化前节点m的电压；u
b
表示配电网的额定电压；k1和k2分别表示网损和电压质量的权重系数。
[0072]
在开展无功优化时，除满足功率平衡约束外，还需要满足以下约束条件：
[0073]
a.电压和潮流约束
[0074]
节点电压偏移上下限分别记为k
b
和k
u
，则电压约束为：
[0075][0076]
馈线额定容量记为s
i,j,rate
，则潮流约束为：
[0077][0078]
其中，p
mn,t
和q
mn,t
表示节点m流向节点n的有功功率和无功功率(两个相邻节点之间)。
[0079]
b.无功补偿容量约束
[0080]
分布式电源节点的无功容量上限记为q
q,max
，则存在无功补偿上限约束：
[0081][0082]
2.依次对每棵馈线数进行无功优化；
[0083]
1)对于给定的网络拓扑，每一台变压器供电范围内的所有节点组成一棵馈线树，依次选取每一棵馈线树；
[0084]
2)依次灵活调整该馈线树上变压器分接头的位置，在1，
±
2.5％，
±
5％依次进行选择；
[0085]
3)对该棵馈线树上的分布式电源分别增加相同的出力，确定分布式电源的最佳出力位置，重复此步骤，直到目标函数不再改变，或者分布式电源出力达到上限；
[0086]
4)重复步骤2，直至遍历完该馈线树变压器所有分接头的位置；
[0087]
5)重复步骤1，直至遍历完所有馈线树；
[0088]
6)输出最优结果
[0089]
步骤三：迭代求解。
[0090]
将无功优化结果代入步骤一，判断最佳拓扑网络结构是否发生变化，不发生变化则输出最佳优化结果；否则将步骤一的优化结果继续代入步骤二进行寻优，直至步骤一优化结果不发生变化或者网损不再下降为止。
[0091]
下面通过具体的实例来证明本发明的有效性。
[0092]
对由3座变电站构成的某配电网开展负载均衡优化研究，配电网的拓扑如图2所示；每座变电站含有两台110/10kv的配变，采用相同型号的变压器，容量均为50mw，阻抗为r
t
＝4.48ω，x
t
＝8.75ω；每台变压器存在2-3条带负载的馈线，配网中共有15条馈线，每条馈线的额定容量为20mw，每条馈线都存在多个常闭开关，并且向多个负荷节点供电；对天津市某配电系统的负荷开展调研，得到工业、农业、商业和市政等不同类型负荷点的典型日负
荷曲线，作为负荷数据；图2中第3条馈线的(3,1)和(3,4)，第6条馈线的(6,4)，第7条馈线的(7,2)、(7,3)、(7,4)，第9条馈线的(9,1)和(9,2)以及第10条馈线的(10,1)和(10,2)共10个节点均安装9mw的风机和4mw的光伏电源。以小时为时间间隔，以24小时为优化周期对图3中的配电网开展负载均衡优化。为表述方便，对馈线和开关设备分别编号。
[0093]
通过配电网重构，可以看出网络重构对于降低配变群集的网损具有较好的效果，网络重构前后各台变压器的负载率变化如图3所示，不难发现网络重构使得6台变压器的负载率相近，实现了负载均衡，通过进一步寻优策略使得系统网损由最初的1276mwh降低到1194mwh，下降了6.43％，但是，由于网络重构，使得馈线末端的电压质量变差，网络重构前后电压变化曲线如图4所示，因此需要对重构之后的节点开展无功优化。
[0094]
通过无功优化和灵活调整变压器分接头，对于电压问题最为突出的第一台主变，各个节点的电压曲线如图5所示，可以看出改变分布式电源的无功出力和灵活调节变压器分接头对于提升电压质量有较好的效果。此时，网损变为1168.2mwh。
[0095]
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。