含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算方法与流程

本发明属于配电网潮流处理领域，涉及含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算方法。

背景技术：

潮流处理是对配电网进行管理与规划，并实现安全、稳定、经济运行的基础。近年来，随着能源电力、“云大物移智”等技术的不断进步与应用，分布式电源与泛在电力物联网发展结合度越来越高。随着风、光等分布式电源的快速大量接入，传统无源配电网正向有源主动配电网转变。在带来显著环境、经济和社会效益的同时，对配电网潮流计算也带来了新的挑战。首先，配电网由于线路不对称布置和转置缺失、负荷不均匀分布等因素影响本身具有显著的三相不平衡特征，而分布式电源(通常为单相)的随机接入进一步加剧了网络不平衡性；其次，分布式电源不仅直接影响其通常所接入的低压配网，同时间接影响其上游中压配网；另外，中压配电网由于供电可靠性的要求，其环网拓扑获得了更多重视和应用。

截至目前，尚无潮流处理全面考虑了三相不平衡、多电压等级和弱环网等配电网新特征。

技术实现要素：

针对上述背景技术中的问题，本发明提出了一种含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算方法，适用于多电压等级和环网的三相不平衡配电网综合直接潮流处理，应用该含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算方法，保留了直接潮流的精准性与高效性，同时将其应用范围扩展至含多电压等级、环网的三相不平衡配电网，为新形势下配电网的潮流计算提供了有效解决方案。

本发明的技术方案是：

所述的含环网的三相不平衡的中低压完整配电网(以下文中部分地方简称电网)包括三相不平衡的中压配电网、三相不平衡的低压配电网和中低压配电变压器的三个部分，中低压配电变压器连接三相不平衡的中压配电网和三相不平衡的低压配电网之间；环网是指由多条供电线路构成的“口”字型电网结构，环网处于三相不平衡的中压配电网，环网线路是指组成环网的多条供电线路中的距离源节点最远的一条供电线路；所述的中低压完整配电网中存在负荷节点，各负荷节点之间相连的线路为支路，以中低压完整配电网输入端所连接的上级供电变压器成为源节点，上级供电变压器向中低压完整配电网输送提供电能；

所述的节点为将汇集、分配和传送能量(电能)的设备。例如为住宅区用电中转站。

方法包括以下几个步骤：

1)通过中低压完整配电网中的传感器或者通过工具采集获得以下中低压完整配电网的已知基础网络数据，包括：

中低压完整配电网：总节点数n、线路长度lij，其中i,j均表示节点的序数，i,j∈n；线路的单位阻抗z、额定电压矩阵vn、中压配电网额定电压vn.m、低压配电网额定电压vn.l；

中压配电网负荷节点的电能消耗有功功率pload.i.m、中压配电网负荷节点的电能消耗无功功率qload.i.m；

低压配电网负荷节点的电能消耗有功功率pload.i.l、低压配电网负荷节点的电能消耗无功功率qload.i.l；

中低压配电变压器：第i个配电变压器的变比nt.i、第i个配电变压器的变比矩阵ti、第i个配电变压器的阻抗zt.i、第i个配电变压器的三相阻抗矩阵zt.i、配电变压器电流电压修正矩阵at；

2)处理获得电网中各负荷节点的流出电流ii：

针对第一次迭代时：

先根据中压配电网中各负荷节点的电能消耗功率pload.i.m、中压配电网中负荷节点的电能消耗无功功率qload.i.m与中压配电网的各负荷节点的额定电压vn.m计算得到中压配电网中各负荷节点的流出电流ii.m：

其中，()^*表示矩阵的共轭计算；j为虚数单位；

同时根据低压配电网中各负荷节点的电能消耗功率pload.i.l、低压配电网中负荷节点的电能消耗无功功率qload.i.l与低压配电网的各负荷节点的额定电压vn.l计算得到低压配电网中各负荷节点的流出电流ii.l：

最后根据中压配电网中各负荷节点的流出电流ii.m与低压配电网中各负荷节点的流出电流ii.l，共同获得中低压完整配电网中各负荷节点的流出电流ii：

针对第二次迭代及以后的每次迭代时：

利用上次迭代后的各负荷节点的电压vi′以及配电网中各负荷节点的电能消耗功率pload.i、负荷节点的电能消耗无功功率qload.i，计算获得中低压完整配电网中各负荷节点的流出电流ii：

其中，vi′表示上一次迭代后的电网各节点的电压，由步骤4)求得；

3)将含环网的三相不平衡的中低压完整配电网中的环网线路去除获得解环网的三相不平衡的中低压完整配电网，由各负荷节点的流出电流ii处理获得解环网的负荷节点的流出电流矩阵ih，并且获得解环网的三相不平衡的中低压完整配电网的节点支路关联矩阵a和支路电压关联矩阵c以及解环网的节点电压降落矩阵δvh和带环网的节点电压降落矩阵δv；

4)根据额定电压矩阵vn与带环网的节点电压降落矩阵δv相减得到迭代后的电网各节点的电压矩阵vi′，完成本次潮流迭代：

vi′＝vn-△v

5)通过以下公式计算潮流迭代前后电网各节点电压之差的最大值△vi.max：

△vi.max＝max(|vi′-vi|)

其中，vi表示上一次迭代后负荷节点i的电压，vi′表示本次迭代后负荷节点i的电压；

需要说明的是，对于第一次迭代，上一次迭代后的负荷节点i的电压vi为各负荷节点的额定电压vn；第二次迭代后(包括第二次迭代)，上一次迭代后的负荷节点i的电压vi为上一次迭代中步骤5)所计算的中低压完整配电网各负荷节点的电压。

6)不断迭代重复步骤(2)～(5)进行潮流迭代，每次潮流迭代后，采用以下方式进行判断潮流迭代是否收敛；

若本次潮流迭代后收敛，则输出本次潮流迭代后的处理结果，获得本次潮流迭代后的电网中各节点的潮流后电压vi′；

若本次潮流迭代后未收敛，将本次潮流迭代后的处理结果作为下次潮流迭代前的潮流前数值，将本次潮流迭代后的电网中各节点的潮流后电压vi′作为下次潮流迭代时的电网中各节点的潮流前电压vi，返回步骤2)进行下一次潮流迭代处理。

本发明采用潮流计算的结果进行电网调度，优化电网中元件的优化配置，进行电网状态的监测。

所述1)中的低压配电网额定电压vn.l通过中压配电网额定电压vn.m与配电变压器的变比矩阵ti处理计算得到：

vn.m＝ti·vn.l。

所述1)中的额定电压矩阵vn采用以下方式处理获得：

根据中压配电网额定电压vn.m与低压配电网额定电压vn.l共同组成了中低压完整配电网中各负荷节点的额定电压vn：

各个负荷节点的额定电压vn组成的列矩阵作为额定电压矩阵vn。

所述1)中的中压配电网负荷节点的电能消耗有功功率pload.i.m和低压配电网负荷节点的电能消耗有功功率pload.i.l采用以下方式处理获得：

根据中压配电网负荷节点的电能消耗有功功率pload.i.m与低压配电网负荷节点的电能消耗有功功率pload.i.l共同组成了电网负荷节点的电能消耗有功功率pload.i：

根据中压配电网负荷节点的电能消耗无功功率qload.i.m与低压配电网负荷节点的电能消耗无功功率qload.i.l共同组成了电网负荷节点的电能消耗无功功率qload.i：

所述步骤3)具体如下：

3.1)由各负荷节点的流出电流ii组成负荷节点的带环网的流出电流矩阵i，表示为：

3.2)由环网线路上流经的电流bij.h拓展连接在负荷节点的流出电流矩阵i之后组成解环网的负荷节点的流出电流矩阵ih，表示为：

3.3)将含环网的三相不平衡的中低压完整配电网中的环网线路去除/解除，得到一个解环网的三相不平衡的中低压完整配电网，并获得解环网的三相不平衡的中低压完整配电网的节点支路关联矩阵a，其中基于节点i的流出电流ii对电网中节点i和节点j之间支路上的电流bij的流经路径，节点支路关联矩阵a第i行j列元素取值如下：

其中，ti表示第i个配电变压器的变比矩阵，表示为：

上述第i个配电变压器的变比矩阵ti是根据变压器接线方式决定，采用dyn11型接线。

其中，1为三阶单位矩阵，0为三阶零矩阵；

3.4)通过以下公式，根据解环网的负荷节点的流出电流矩阵ih与解环网的三相不平衡的中低压完整配电网的节点支路关联矩阵a获得解环网的电网支路的电流矩阵bh：

其中，xa表示节点支路关联矩阵a的第一修正矩阵，ya表示节点支路关联矩阵a的第二修正矩阵；bij为电网中节点i和节点j之间支路上的电流；b表示带环网的电网支路的电流矩阵，计算为：

所述的第一修正矩阵xa由n×1个维度为3×3的子矩阵组成的列矩阵，其中，根据环网线路所对应的连接节点：第i节点与第j节点，在修正矩阵xa中，第i个子矩阵为单位矩阵1，第j个子矩阵为-1，其余子矩阵为零矩阵0；第二修正矩阵yα由1×n个维度为3×3的零矩阵0组成的横矩阵。

3.5)采用以下方式生成解环网的三相不平衡的中低压完整配电网的支路电压关联矩阵c，其中基于电网中节点i和节点j之间支路上的电流bij及配电变压器的位置，支路电压关联矩阵c中对应元素取值如下：

其中，zij表示线路阻抗矩阵，at为配电变压器的电流电压修正矩阵，表示为：

上述配电变压器的电流电压修正矩阵at是根据变压器接线方式决定，采用dyn11型接线。

线路阻抗矩阵zij根据线路单位阻抗z、线路长度lij和三阶单位矩阵1得到：

zij＝z×lij·1

其中，lij表示节点i和节点j之间的线路的长度；

zt.i表示第i个配电变压器的三相变比矩阵，表示为：

3.6)通过以下公式，根据解环网的电网支路的电流矩阵bh与解环网的三相不平衡的中低压完整配电网的支路电压关联矩阵c获得解环网的节点电压降落矩阵δvh：

其中，xc表示支路电压关联矩阵c的第一修正矩阵，yc表示支路电压关联矩阵c的第二修正矩阵，zc表示支路电压关联矩阵c的第三修正矩阵；节点i的电压降落△vi为电网中节点i相对于额定电压vn的差；δv表示带环网的节点电压降落矩阵，表示为：

第一修正矩阵xc由n×1个维度为3×3的零矩阵0组成的列矩阵；第二修正矩阵yc由1×n个维度为3×3的子矩阵组成的横矩阵，其中，根据环网线路所对应的连接节点：第i节点与第j节点，在修正矩阵yc中，第i个子矩阵为支路电压关联矩阵c的第i个子矩阵，第j个子矩阵为负的支路电压关联矩阵c的第j个子矩阵，其余子矩阵为零矩阵0；第三修正矩阵zc为环网线路的线路阻抗矩阵zij.h。

3.7)根据上述解环网的节点电压降落矩阵δvh的公式和解环网的电网支路的电流矩阵bh的公式，获得以下公式的解环网的节点电压降落矩阵δvh：

接着通过库朗(kron)简化处理得到带环网的节点电压降落矩阵δv为：

δv＝(k-l·n^-1·m)·i

k＝c·a+xc·ya；l＝c·xa+xc；m＝yc·a+zc·ya；n＝yc·xa+zc。

其中矩阵l与矩阵m互为转置矩阵，即：l＝m^t。

所述步骤6)中，潮流迭代是否收敛的判敛依据为：潮流迭代前后电网节点电压之差的最大值△vi.max是否小于等于10^-5：

△vi.max≤10^-5

如果满足上述公式，则本次潮流迭代后收敛；否则本次潮流迭代后尚未收敛。

所述步骤6)中，潮流迭代是否收敛的判敛依据为：潮流迭代计算次数k超过100次，则判断该含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算不收敛，结束含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算。

本发明的有益效果：

本发明方法能处理三相不平衡的中低压完整配电网中的环状不平衡网络，，并且能更快速地进行计算处理，占用内存小，潮流结果准确性好，对于含环网的三相不平衡的中低压完整配电网的构建能优化运行，向电网调度提供准确数据，提供准确的网络状态。

本发明可以兼容包括光伏、风电、储能、微型燃气轮机、电动汽车等分布式电源的配电网络。

本发明可以计算各种接线类型与变比的配电变压器网络。

本发明可以准确计算配电变压器两侧三相不平衡电压的幅值与相角。

本发明对大量节点的配电网仍具备较好的鲁棒性。

本发明中低压完整配电网潮流计算提升了直接潮流的适用性，且在提升适用性的基础上依然保持了原电力系统直接潮流的高效性与高鲁棒性。

附图说明

图1为本发明实施例的含环网的三相不平衡的中低压完整配电网示例图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

按照本发明发明内容完整方法实施的实施例及其实施过程如下：

1)通过电网中的传感器或者通过工具采集获得以下电网的已知基础网络数据，包括：

电网：总节点数n、线路长度lij，其中i,j均表示节点的序数，i,j∈n；线路单位阻抗z、中压配电网额定电压vn.m；中压配电网负荷节点的电能消耗有功功率pload.i.m、中压配电网负荷节点的电能消耗无功功率qload.i.m；低压配电网负荷节点的电能消耗有功功率pload.i.l、低压配电网负荷节点的电能消耗无功功率qload.i.l；

中低压配电变压器：第i个配电变压器的变比zt.i；第i个配电变压器的三相变比矩阵zt.i；配电变压器电流电压修正矩阵at；

具体实施例如如下电-热联合系统：

如图1所示的含环网的三相不平衡的中低压完整配电网由六个节点组成。其中，存在六个节点，节点1代表上级供电变压器，为源节点；节点2、节点3和节点6均为中压配电网负荷节点；节点3与节点6之间通过环网连接；节点3与节点4之间存在一个配电变压器，其连接方式为dyn11；节点4与节点5为低压配电网负荷节点；

并且获得电网与热网的已知基础网络数据为：

电力节点数：5；

线路参数：线路单位长度电阻3.7ω/km，线路单位长度电抗0.369ω/km

线路长度：线路12：0.01km；线路23：0.01km；线路26：0.01km；线路45：0.01km

中压配电网电力节点额定电压：10kv；低压配电网电力节点额定电压：220v；

负荷节点用电设备的a相功率：节点2：有功功率500kw、无功功率0kvar；节点3：有功功率5000kw、无功功率0kvar；节点4：有功功率5000kw、无功功率0kvar；节点4：有功功率400kw、无功功率0kvar；节点5：有功功率400kw、无功功率0kvar。b相功率为a相的1.02倍，c相功率为a相的1.05倍。

配电变压器变比：10000/220。

1、根据步骤3.1)～3.4)，解环网的电网支路的电流矩阵bh为：

2、根据步骤3.5)～3.6)，解环网的节点电压降落矩阵δvh：

3、根据步骤3)至步骤5)，完成含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算。

实施例进行含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流处理后，总迭代次数进行5次，计算时间为0.0027s。获得最后结果为：节点2潮流后电压依次为：a相9.96kv、b相9.95kv、c相9.93kv；节点3潮流后电压依次为：a相9.95kv、b相9.92kv、c相9.9kv；节点4潮流后电压依次为：a相218v、b相216v、c相213v；节点5潮流后电压依次为：a相215v、b相211v、c相208v；节点6潮流后电压依次为：a相9.95kv、b相9.93kv、c相9.92kv。

由此，可见本发明所提含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算方法可以计算环网的三相不平衡的中低压完整配电网，同时，具有高效性与高鲁棒性。在配电变压器所连两侧网络均为三相不平衡的配电网时，本发明所提含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算方法可以准确计算出两侧网络的不平衡的三相电压。在三相不平衡的中压配电网还有环网时，本发明所提含环网的三相不平衡的中低压完整配电网潮流计算方法可以计算出环网线路两端节点的不平衡的三相电压。