一种配电网潮流计算方法与流程

本发明涉及电力系统分析与计算技术领域，更具体地，涉及一种配电网潮流计算方法。

背景技术：

潮流计算是电力系统中应用最为广泛、最基本和最重要的电气计算，它的任务是根据给定的网络结构及运行条件，计算整个网络的潮流分布。

潮流计算的结果，无论是对于现有系统运行方式的分析研究，还是对规划阶段设计方案的分析比较，都是必不可少的。电力系统静态、暂态稳定计算也需要利用潮流计算的结果，这些都属于离线计算的范畴。

随着现代化的调度控制中心的建立，为了对电力系统进行实时安全监控，需要根据实时数据库提供的信息，判断系统当前的运行状态并对预想事故进行安全分析，这就需要进行在线潮流计算。

配电网具有以下特点：网络拓扑一般呈辐射状、但也有短时环网运行状态，R/X比值较大，支路数和节点数十分庞大，三相不平衡等。这些特点导致网络雅克比矩阵出现不同程度的病态特征，传统的牛顿拉夫逊法、快速解耦法等算法对配电网不再适用。专家学者们研究提出了适用于配电网特点的潮流计算方法，如：隐式高斯法、前推回代法、回路阻抗法等。这些算法可直接利用节点及支路参数，无需利用雅克比矩阵，编程简单，算法收敛性好，但都要用到复杂的节点编号方法，节点编号对算法实现有很大影响。

配电网可以看作是线性网络，线性系统的叠加原理对配电网同样适用。部分专家学者在处理弱环配电网潮流计算中，提出将环网运行的配电网转化为辐射型配电网，利用叠加原理，将环网潮流视为环网前的辐射网潮流与环网两端电压向量差引起的潮流的叠加。

配电网各个支路的电压降和支路通过的电流也适用叠加原理，可以看作是各个负荷电流共同作用的结果。当网络结构和运行方式维持恒定时，单位负荷电流在各个支路引起的电压降以及电流向量是恒定的，可以利用离线潮流计算结果计算得出。

潮流计算主要用于运行中电力系统的监视和实时控制，除了可靠的收敛特性外，计算速度快、占用内存少也是最基本的要求。常规的潮流计算方法，其计算方式复杂、收敛速度慢，不能很好的满足配电网潮流计算对计算速度和收敛性的要求。

技术实现要素：

本发明提供一种计算方式简单、处理速度快且结果精确度高的配电网潮流计算方法，以解决上传统潮流计算方法存在的计算过程复杂、收敛缓慢等技术问题。

根据本发明的一个方面，提供一种配电网潮流计算方法，包括：

S1.对配电网的支路节点分别编号，获取每个支路的阻抗及每个节点负荷，以形成m*4的节点支路信息矩阵，且m为配电网中支路个数；

S2.基于渐进对比法，获取每个节点的电流和每个节点的电压；

S3.基于步骤S2所得到每个节点的电流和电压，获取每个节点的功率，构建功率误差矩阵；

S4.提取功率误差矩阵中每个节点功率的虚部和实部构建误差矩阵，判断误差矩阵中每个节点功率的虚部和实部的绝对值的最大值小于收敛值，获取潮流解。

本发明提供的一种配电网潮流计算方法，通过建立了节点支路信息矩阵，利用渐进对比法，实现每个节点的电流回代更新和电压前推更新，构建误差矩阵，与收敛值比较，获取潮流解，由于配电网的参数已知，故获取节点支路信息矩阵较为简单，同时，基于渐进对比法的潮流计算过程无需计算各节点的功率，与牛顿拉夫逊法中的雅克比矩阵比较，本发明的原理简单，编程实现简单，收敛速度快，数据精确度高，可为配电网运行维护人员提供更为确切的潮流数据。

附图说明

图1是根据本发明的配电网潮流计算方法的流程结构示意图；

图2根据本发明实验所用的经典IEEE33节点配电网络示意图；

图3是根据本发明基于实施例所得到的32*4维矩阵信息示意图；

图4是根据本发明所得到的潮流计算节点电压分布示意图；

图5是根据本发明在DIgSILENT软件中建立的基于实施例的模型示意图；

图6是根据本发明基于DIgSILENT所建模型的示意图潮流计算节点电压分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

请参阅图1所示，本发明提供了一种配电网潮流计算方法，其包括以下步骤：

S1.对配电网的支路节点分别编号，获取每个支路的阻抗及每个节点负荷，以形成m*4维的节点支路信息矩阵，且m为配电网中支路个数；

S2.基于渐进对比法，获取每个节点的电流和每个节点的电压；

S3.基于步骤S2所得到每个节点的电流和电压，获取每个节点的功率，构建功率误差矩阵；

S4.提取功率误差矩阵中每个节点功率的虚部和实部构建误差矩阵，判断误差矩阵中每个节点功率的虚部和实部的绝对值的最大值小于收敛值，获取潮流解。

具体的，本发明步骤S1详细包括以下步骤：

S11.根据配电网的结构，对每个支路分别编号0……m；

S12.提取每个支路的阻抗和每个节点负荷，基于配电网的首段基准电压和基准功率，得到每个支路的阻抗标幺值和每个节点负荷标幺值；

S13.基于每个节点的编号、每个支路的阻抗标幺值、每个节点的负荷标幺值，以获取节点支路信息矩阵，该节点支路信息矩阵可以表示为：

节点支路信息矩阵的第一列表示每个支路的首节点编号，L₁、L₂…L_m-1为正整数，且小于等于m；节点支路信息矩阵的第二列表示每个支路的末节点编号，编号从1到m；节点支路信息矩阵的第三列表示每个支路的阻抗标幺值，a_m表示第L_m-1-m个支路的电阻标幺值，b_m表示第L_m-1-m个支路的电抗标幺值；所述节点支路信息矩阵的第四列表示每个节点所带负荷的功率标幺值，c_m表示第m个节点所带负荷的有功功率标幺值，d_m表示第m个节点所带负荷的无功功率标幺值，且i²＝-1。

为了进一步说明本发明的技术方案，请继续参阅图1所示，步骤S2获取每个节点的电流方法的详细步骤为：

S21.设定渐进对比节点的编号为k，各个节点的电流初始值为节点支路信息矩阵的最后一列元素除以各个节点的电压初始值，且各节点电压初始值为1，各节点电压初始值的相角为0，且1≤k≤m；

S22.判断编号为k的渐进对比节点是否存在所述节点支路信息矩阵的第一列数据中，将编号为k的渐进对比节点与所述节点支路信息矩阵的第一列中数据逐一比较；

当编号为k的渐进对比节点不存在所述节点支路信息矩阵的第一列的数据中，则该渐进对比节点为末节点，该渐进对比节点的电流为其自身的初始值；

当编号为k的渐进对比节点存在所述节点支路信息矩阵的第一列的数据中，获取该编号为k的渐进对比节点在所述节点支路信息矩阵的第一列中所在的行号，该渐进对比节点的电流为所有被记录行号对应节点的电流初始值之和与该渐进对比节点的电流初始值之和。

S23.令k自动减一，执行步骤S22，直至k＝1。

具体的，步骤S2获取每个节点的电压方法详细步骤为：

设定节点1的电压为网络首端电压初值减去0-1支路阻抗标幺值乘节点1的电流初值，其中节点1为与配电网首端点相连的最近节点，其中节点1为与配电网首端点相连接的最近节点。

S21.设定渐进对比节点的编号为p，且2≤p≤m；

S22.获取该渐进对比节点的编号p在所述节点支路信息矩阵的第二列中所在的行号，该渐进对比节点的电流为所被记录行号对应支路的首节点电压减去所被记录行号对应支路的阻抗标幺值乘以该渐进对比节点的迭代电流。

S23.令p自动加1，执行步骤S22，直至p＝m。

在步骤S3中，详细包括以下步骤：

S31.基于步骤S2所得到每个节点的电流和电压，获取每个节点的功率；

S32.基于每个节点的功率，将其分别与所述节点支路信息矩阵的第四列中每个节点所带负荷的功率标幺值做差，以获取功率误差矩阵；

在上述具体实施例的基础上，本发明的步骤S4详细步骤为：提取功率误差矩阵中每个节点功率的虚部和实部构建误差矩阵判断误差矩阵中每个节点功率的虚部和实部的绝对值的最大值小于收敛值，获取潮流解。

为了方便用户进一步详细了解本发明的技术方案，以下将列举经典IEEE33节点配电网络，即配电网有33个支路作为实施例予以详细说明本发明的技术方案和技术效果，此时m＝32。

将配电网的支路分别用0至32进行编号，并对配电网的首节点用0、L₁、L₂…L₃₁进行编号，配电网的末节点用1、2、3…32编号，结合支路阻抗及节点负荷信息形成支路节点--支路阻抗--节点负荷的32*4维矩阵，如下所示：

其中，上述矩阵的第一列为首节点编号，L₁、L₂…L₃₁为正整数，且小于等于32，同时L₁、L₂…L₃₁中有一个或者几个相同，其具体情况是根据配电网络结构而定；上述矩阵的第二列为末节点编号，编号从1到32；上述矩阵的第三列为转换成标幺值的支路阻抗参数，a₃₂表示第L₃₁-32个支路的电阻标幺值，b₃₂表示第L₃₁-32个支路的电抗标幺值；第四列为已转换成标幺值的节点负荷参数，c₃₂表示第32个节点所带负荷的有功功率标幺值，d₃₂表示第32个节点所带负荷的无功功率标幺值，且i²＝-1。具体详细的32*4维矩阵请参阅图3所示。

为了更新每一个节点的电流信息，本发明采用了使用渐进比对法从末向首判断出末节点、非末节点，并根据末节点和非末节点分别采用不同的计算方式，以准确当前节点电流，完成电流回代过程；

为了实现每个节点电流的准确更新，首先设定各节点的电压初值为1，各节点的初值相位角为0，从编号1到32计算各节点的初始电流，各节点的电流初值为上述矩阵的最后一列元素除以各节点的电压初值；

设定k节点为渐进比对节点，k正整数且满足1≤k≤32，k从32开始，将k值和上述矩阵的第一列的数据进行渐进比对，当两值不同时，则可判定该节点是末节点，此时该节点的电流为其自身的初始值；当两值相同时，则可判定该节点不是末节点，记录第一列中该值所在行号(可能为多个)，可得到节点电流为：所有被记录行号的对应节点的电流初始值之和加上该渐进比对节点电流的初始值。以-1为渐进比对单位，直至完成k为1的比对，则完成电流回代过程。

如当渐进比对节点k为32时，将32和32*4维矩阵的第一列中每一个数据进行渐进比对，发现没有与32相等的对应值时，可判定该节点是末节点，此时该节点的电流为其自身的初始值；以-1为渐进比对单位，k值自动减一，令k为31，将31和32*4维矩阵的第一列进行渐进比对，发现第一列中的32行出现了31这个值，记下值31所在的行数32，此时，节点31的电流为：32行对应节点32的电流初始值加上该渐进比对节点31的电流初始值。以此类推，直至完成k为1的电流回代过程。

使用渐进比对法从首向末判断出节点，并计算相应电压，完成电压前推过程包括：

设定节点1的电压为网络首端电压初值减去0-1支路阻抗标幺值乘节点1的电流初值。设定p节点为渐进比对节点，p正整数且满足2≤p≤32，p从2开始，将p值和上述矩阵的第二列进行渐进比对，当两值相同时，记录第二列中该值所在行号，则此比对节点电压为：所记录行号对应支路首节点电压减去该支路阻抗标幺值乘该首节点对应的电流。以+1为渐进对比单位，直至完成k为32的比对，则完成电压前推过程。

如当渐进比对节点p为2时，将2和32*4维矩阵的第二列进行渐进比对，发现有对应值，记录第二列中该值所在行号，则此比对节点电压为：所记录第2行对应支路首节点(此处的首节点为1)电压减去该支路(0-1支路)阻抗标幺值乘该首节点对应的电流。以+1为渐进对比单位，直至完成k为32的比对，则完成电压前推过程。

当完成对每个节点的电流和电压更新后，基于更新后每一个节点的电流和电压，分别计算各节点功率，并和32*4维矩阵中第四列各节点所带负荷的功率标幺值作差以得到功率误差矩阵；其中，每个节点所带负荷标幺值的获取方式为：设定配电网络给定的基准功率为Sb(MVA)；配电网的基准电压为Vb(KV)；则每一节点阻抗标幺值为Z(标幺值)＝Z(实际值)/(Sb*1000)；每一节点所带负荷功率标幺值为S(标幺值)＝Z(实际值)*Sb/Vb^2，其中，Z(实际值)表示支路阻抗实际值。

基于功率误差举证，提取功率误差矩阵的实部、虚部，构造误差矩阵以1e-5为收敛判断值，当此误差矩阵中所有元素绝对值的最大值值小于此收敛判断值时，以得到潮流计算值；而当误差矩阵中所有元素绝对值的最大值值大于此收敛判断值时，则继续迭代，直至满足收敛为止。

为了验证其计算结果的准确性，本发明还利用DIgSILENT电力系统仿真软件来进行验证，具体方法为：

根据图2所示经典IEEE33节点配电网的参数信息，用DIgSILENT软件建模形成与实际配电网对应的虚拟配电网，以提供虚拟计算模型，具体计算模型如图5所示，然后，根据待研究网络所给参数来设置DIgSILENT模型中线路参数和节点电压、收敛判断值等相应参数，并进行潮流计算，其中，基于DIgSILENT所建模型的潮流计算节点电压分布示意图如图6所示。

DIgSILENT软件潮流计算时默认采用牛顿拉夫逊法，潮流计算之后的到的各节点电压分布图。

对比利用本发明的采用本发明所得到节点电压分布示意图4、采用牛顿拉夫逊法所得到的节点电压分布示意图6，可以验证所提出的一种快速的配电网潮流计算方法及其验证过程有效性。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。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。