一种含分布式电源的配电网潮流计算方法与流程

1.本发明涉及有源配电网潮流计算技术领域，尤其是指一种含分布式电源的配电网潮流计算方法。


背景技术：

2.随着自然资源的消耗以及环境问题的日益加剧，可再生能源的发展和利用成为时代的主题，分布式电源接入配电网的需求也与日俱增。分布式电源接入配电网之后，将改变传统配电网的无源网络特点，使其成为有源网络，对配电网的潮流走向、电压分布、调度运行等各方面都会产生重要影响。含分布式电源的配电网也会从传统的自然分布型潮流向主动调控型潮流进行转变，原有的潮流计算方法对于新的含分布式电源的配电网已经不再适用。为了满足对含分布式电源的配电网潮流计算需求，目前大多根据分布式电源的计算模型来对常规潮流计算方法进行改进，但是改进之后依旧需要通过多次迭代求解非线性方程组的方式来求得电压分布结果，这种方式依旧存在计算复杂、收敛缓慢的问题，若需要计算含分布式电源较多、规模较大的复杂配电网潮流时，计算速度大大降低，难以满足含分布式电源的配电网快速潮流分析的工程要求。


技术实现要素：

3.本发明的目的是克服现有技术中的缺点，提供一种含分布式电源的配电网潮流计算方法。
4.本发明的目的是通过下述技术方案予以实现：
5.一种含分布式电源的配电网潮流计算方法，包括以下步骤：
6.步骤一，获取进行潮流计算的配电网的网络拓扑结构，并根据网络拓扑结构获取所有节点、回路和支路信息，然后采集配电网内所有节点、回路和支路对应的电力数据；
7.步骤二，根据采集到的电力数据建立回路-支路矩阵；
8.步骤三，根据分布式电源接入配电网的节点类型提取分布式电源的发电无功功率计算模型，并根据发电无功功率计算模型求得每个接入分布式电源的节点对应的发电无功功率，从而获取所有节点的功率分布；
9.步骤四，根据回路-支路矩阵以及所有接入分布式电源的节点的发电无功功率计算得到所有节点的电压分布。
10.进一步的，所述回路-支路矩阵包括回路
–
支路电抗矩阵x，回路
–
支路电阻矩阵r和回路-支路阻抗矩阵z。
11.进一步的，步骤四中所有节点的电压分布计算所用公式具体为：
[0012][0013]
其中：为配电网首节点电压幅值构成的n阶常数列向量；u为节点电压幅值列向量u＝[v1,
…
,vi,
…
,vn]
t
，i为其中一个节点，vg为pv节点的电压幅值，v0为非pv节点电压幅值；回路
–
支路电阻矩阵r中元为相应支路的电阻；回路
–
支路电抗矩阵x中元为相应支路的电抗；di为支路i的所有下游节点集合；p＝[p1,
…
,pi,
…
,pn]
t
为支路末端有功功率列向量；q＝[q1,
…
,qi,
…
,qn]
t
为支路末端无功功率列向量；pj、qj分别为节点j的有功和无功负荷；p
gj
、q
gj
分别为节点j上所装分布式电源的有功和无功发电功率，j为配电网的其中一个节点。
[0014]
将节点计算公式简化为线性代数方程，降低潮流方程计算难度。由于分布式电源通过节点接入配电网，所以节点的功率分布需要考虑到分布式电源的功率，所以根据分布式电源接入节点的类型来计算节点功率分布，不需要进行多次迭代计算，降低计算量，缩短潮流计算时间，即使面对含多个分布式电源、规模较大的配电网的潮流计算时，也能够快速获取潮流计算结果。
[0015]
进一步的，所述支路的下游节点为通过该支路供电的节点，支路的下游节点的具体获取过程为：提取回路-支路矩阵，选择其中一条支路，并获取该支路对应的编号，筛选出回路-支路矩阵内支路编号对应列中不为零元素的行号，根据行号对应的节点编号获取对应的节点信息，获取的节点即为该支路的下游节点。
[0016]
进一步的，步骤三中所述分布式电源接入配电网的节点类型包括pv节点和pq节点，pv节点类型上连接的分布式电源的节点电压以及有功功率均为恒定值，pq节点类型上连接的分布式电源的节点有功功率和无功功率恒定。
[0017]
由于分布式电源能够分为pv型以及pq型，将分布式电源接入的节点按照分布式电源的类型进行分类，并根据分布式电源类型的特点对各节点的潮流计算进行简化。
[0018]
进一步的，所述pv恒定型分布式电源的发电无功功率的计算公式为：
[0019][0020]
其中：r
t
×n为抽取回路
–
支路电阻矩阵r中t个pv节点所对应的行组成的t
×
n阶矩阵；x
t
×n为抽取回路
–
支路电抗矩阵x中t个pv节点所对应的行组成的t
×
n阶矩阵；j为其中一
个节点，q
pqgj
为节点j上pq型分布式电源的无功发电功率；q
pvgj
为节点j上pv型分布式电源的无功发电功率；u
pv
为t个pv节点的电压幅值组成的t阶列向量。
[0021]
进一步的，步骤一中在根据网络拓扑结构获取所有节点、回路和支路信息的同时，还利用配电网节点、支路编号规则对配电网网络拓扑内所有节点和支路进行编号，所述节点、支路编号规则具体为：设置配电系统与上级电网接入点为首节点，编号设为0，并将关联首节点的支路编号为1，其他由编号为1的支路发散出去的支路的编号沿顺潮流方向递增，除首节点外的其他节点的编号与指向节点的支路编号一致，通过节点连接至地的支路编号则与相应与地连接的节点的编号一致。
[0022]
本发明的有益效果是：
[0023]
利用配电网自身特点对现有潮流计算方法进行简化，将现有的非线性潮流计算方程组简化为线性代数方程，降低潮流方程计算难度。并利用节点上所接分布式电源类型来对节点功率进行计算，根据计算所得节点功率以及简化后潮流计算方程得到所有节点电压分布，从而实现含分布式电源的配电网潮流计算。通过简化潮流计算方程有效减少迭代过程，大大缩短运算时间，满足快速潮流分析的工程要求，即使是对含多个分布式电源、规模较大的配电网潮流进行计算，也能够快速获取计算结果。
附图说明
[0024]
图1是本发明的一种流程示意图；
[0025]
图2是本发明实施例的一种n节点配电网络回路示意图；
[0026]
图3是本发明实施例的一种不含分布式电源的节点电压分布计算结果示意图；
[0027]
图4是本发明实施例的一种含分布式电源的ieee33节点示意图；
[0028]
图5是发明实施例的一种含分布式电源的节点电压分布计算结果示意图；
[0029]
图6是本发明实施例的一种含分布式电源和不含分布式电源的节点电压计算结果相对误差分布曲线示意图。
具体实施方式
[0030]
下面结合附图和实施例对本发明进一步描述。
[0031]
实施例：
[0032]
一种含分布式电源的配电网潮流计算方法，如图1所示，包括以下步骤：
[0033]
步骤一，获取进行潮流计算的配电网的网络拓扑结构，并根据网络拓扑结构获取所有节点、回路和支路信息，然后采集配电网内所有节点、回路和支路对应的电力数据；
[0034]
步骤二，根据采集到的电力数据建立回路-支路矩阵；
[0035]
步骤三，根据分布式电源接入配电网的节点类型提取分布式电源的发电无功功率计算模型，并根据发电无功功率计算模型求得每个接入分布式电源的节点对应的发电无功功率，从而获取所有节点的功率分布；
[0036]
步骤四，根据回路-支路矩阵以及所有接入分布式电源的节点的发电无功功率计算得到所有节点的电压分布。
[0037]
步骤一中在根据网络拓扑结构获取所有节点、回路和支路信息的同时，还利用配电网节点、支路编号规则对配电网网络拓扑内所有节点和支路进行编号，所述节点、支路编
号规则具体为：设置配电系统与上级电网接入点为首节点，编号设为0，并将关联首节点的支路编号为1，其他由编号为1的支路发散出去的支路的编号沿顺潮流方向递增，除首节点外的其他节点的编号与指向节点的支路编号一致，通过节点连接至地的支路编号则与相应与地连接的节点的编号一致。配电网络常为树形网络结构，以配电网中存在n个节点为例，n个节点的配电网具备n-1＝n个独立回路，根据节点、支路编号规则，对n个节点的配电网的各节点以及支路进行编号处理，其结果如图2所示。
[0038]
根据分布式电源的类型，将有分布式电源接入的节点进行分类，可以分为pq节点和pv节点。pv节点上连接的分布式电源的节点电压以及有功功率均为恒定值，pq节点上连接的分布式电源的节点有功功率和无功功率恒定。
[0039]
针对pq节点上连接的分布式电源，此类分布式电源与pq型负荷相比，仅为功率流向相反，因此只需要改变功率符号即可获取该节点上分布式电源对应的有功功率和无功功率，所述pq节点上连接的分布式电源的功率计算公式为：
[0040][0041]
其中：p、q分别为节点有功和无功功率，
[0042]
针对pv节点上连接的分布式电源，此类分布式电源的潮流计算公式为：
[0043][0044]
且满足q
gmin
≤q≤q
gmax
[0045]
其中：v为节点电压；pg、vg分别是pv恒定型分布式电源的给定有功和电压；q
gmin
、q
gmax
为给定无功上、下限。
[0046]
有分布式电源接入的节点类型还包括p-q(v)型节点，此类节点上连接的分布式电源输出的有功功率p恒定，q与节点电压v成一定的函数关系，所以在进行潮流计算时，通过给定的函数关系即可获取对应的无功功率，在获取无功功率后即可将该类型节点作为pq型节点进行处理。
[0047]
所以在进行潮流计算时，将分布式电源接入的节点分为pq型节点以及pv型节点两种进行处理，进一步简化计算过程，加快潮流计算分析速度。
[0048]
步骤四中所述简化所有节点的电压分布计算所用公式为简化电压回路方程，所述简化电压回路方程由kvl回路电压方程简化所得，所述kvl回路电压方程的推导过程为：
[0049]
首先通过图2的编号获取对应的所述回路-支路矩阵，回路-支路矩阵包括回路
–
支路电抗矩阵x，回路
–
支路电阻矩阵r和回路-支路阻抗矩阵z。
[0050]
其中回路-支路阻抗矩阵z为n*n阶下三角矩阵，其表达式为：
[0051][0052]
其中：矩阵中的行号为对应的回路号，即回路末端的节点编号；矩阵中的列为对应的支路号，即支路末端节点编号；矩阵中元素zi为对应支路i的阻抗。
[0053]
通过kvl(基尔霍夫电压定律)定律获取配电网的回路电压方程为：
[0054][0055]
其中：为由首端节点构成的n阶常数列向量为由首端节点构成的n阶常数列向量为节点电压列向量压列向量为节点电压列向量
[0056]
通过对所有支路电流与支路末端功率及电压之间的关系，能够将配电网的回路电压方程转换为各节点电压的非线性方程组，但由于该方程组的计算难度过高，计算速度难以满足有源配电网的潮流快速分析计算以及实时调度的需要，获取配电网特性对该非线性方程组进行简化。
[0057]
通过配电网特性对非线性方程组的简化具体为：
[0058]
(1)因为配电网各节点电压的相角相差不大，即使在有分布式电源接入情况下，由于电力电子接口输出可以与电网同步，分布式电源注入的功率与电网相比都不足以引起电网较大的频率和相位的差异，忽略非线性方程组内各节点电压的相位差，并忽略非线性方程组中支路电压降横向分量，仅计算支路电压降纵向分量。
[0059]
(2)将非线性方程组中所有非pv节点的电压视为首端电压v0，并将所有pv节点的电压等于该节点上连接的pv型分布式电源的给定电压vg。
[0060]
(3)由于节点的所有下接支路的功率损耗相对于传输负荷功率和发电功率而言较小，所以对非线性方程组中下接支路的功率损耗进行忽略。
[0061]
对非线性方程组进行简化后获取简化电压回路方程，其表达式为：
[0062]
[0063]
式中：为配电网首节点电压幅值构成的n阶常数列向量；u为节点电压幅值列向量u＝[v1,
…
,vi,
…
,vn]
t
，其中pv节点的电压幅值为已知量vg，非pv节点电压幅值为待求量；r为回路
–
支路电阻矩阵，其中元为相应支路的电阻；x为回路
–
支路电抗矩阵，其中元为相应支路的电抗；di为支路i的所有下游节点集合；p＝[p1,
…
,pi,
…
,pn]
t
为支路末端有功功率列向量；q＝[q1,
…
,qi,
…
,qn]
t
为支路末端无功功率列向量；pj、qj分别为节点j的有功和无功负荷；p
gj
、q
gj
分别为节点j上所装dg的有功和无功发电功率。
[0064]
但是上述方程组中即包括了pv型节点类型的回路电压方程，又包括了非pv节点类型的回路电压方程，若系统中存在有t个pv节点，将所有pv节点的回路电压方程组成方程组，以方便对pv节点的节点电压进行单独计算。
[0065]
所述pv节点的回路电压方程表达式为：
[0066][0067]
其中：r
t
×n为抽取系统回路
–
支路电阻矩阵r中t个pv节点所对应的行组成的t
×
n阶矩阵；x
t
×n为抽取系统回路
–
支路电抗矩阵x中t个pv节点所对应的行组成的t
×
n阶矩阵；q
pqgj
为节点j上pq型dg的无功发电功率；q
pvgj
为节点j上pv型dg的无功发电功率；u
pv
为t个pv节点的电压幅值组成的t阶列向量。
[0068]
所述支路的下游节点为通过该支路供电的节点，支路的下游节点的具体获取过程为：提取回路-支路矩阵，选择其中一条支路，并获取该支路对应的编号，筛选出回路-支路矩阵内支路编号对应列中不为零元素的行号，根据行号对应的节点编号获取对应的节点信息，获取的节点即为该支路的下游节点。
[0069]
以ieee 33节点的潮流计算为例，以简化潮流计算方法以及牛顿法对其进行潮流计算。
[0070]
1.对于不含分布式电源采用简化潮流计算方法以及牛顿法进行潮流计算。
[0071]
对于不含分布式电源的各节点电压分布曲线如图3所示，2种计算方法所得结果的误差统计如表1所示，简化潮流计算方法的计算时间为19.58ms，其中对于无功功率以及节点电压的计算仅需0.124ms，而牛顿法的计算时间长达30.198ms。
[0072]
表1不含分布式电源的ieee 33节点的节点电压计算结果相对误差统计表
[0073]
误差节点编号简化法电压牛顿法电压相对误差最大误差170.89050.87242.075最小误差11.01561.01520.042平均误差
‑‑‑
1.164
[0074]
2.对于分布式电源的ieee 33节点进行潮流计算
[0075]
含分布式电源的ieee33节点的各分布式电源连接示意图如图4所示，ieee33节点上所连接的分布式电源的类型与参数如表2所示。
[0076]
表2含分布式电源的ieee33节点上所连接的分布式电源的类型与参数表
[0077]
接入节点dg编号类型pg/kwu/puqg/kvar8dg1pv型501.02-15dg2pv型701.02-21dg3pq型630-40524dg4pq型630-40531dg5pq型70-45
[0078]
简化潮流计算方法和牛顿法计算出的节点电压分布曲线如图5所示，计算结果误差统计列于表3。简化潮流计算方法计算时间为19.7ms，其中对于无功功率以及节点电压的计算仅需0.233ms，牛顿法计算时间为30.34ms。相比起牛顿法，简化潮流计算方法能够大大降低计算时间，且计算结果误差并不高，能够满足计算要求。
[0079]
表3含分布式电源的ieee 33节点的节点电压计算结果相对误差统计表
[0080]
误差节点编号简化法电压牛顿法电压相对误差最大误差320.95280.94600.7209最小误差161.01711.0171-0.00078平均误差
‑‑‑
0.2213
[0081]
根据上述两种情况下两种潮流计算方式的计算结果进行分析，可以得知：
[0082]
有分布式电源接入的配电网和无分布式电源接入的配电网的计算时间上看，简化潮流计算方法比牛顿法计算时间可以缩短35％以上，在网络拓扑无变化的情况下，实时调度计算终端潮流分析采用上述简化潮流计算方法，只需完成对无功功率和节点电压的计算过程，计算时间小于0.3ms，相比于牛顿法的计算时间缩减了99％以上。
[0083]
通过对表1的分析，可以得知，在没有安装分布式电源且配电网负荷较重的运行条件下，2种算法的平均相对误差为1.164％，最大误差发生在距首端电气距离最远的17节点，误差为2.075％，误差较大原因为在电气距离大、负荷重的情况下，线路损耗将加大，由于简化潮流计算方法中对于节点注入电流的计算过程中需对网损进行忽略，其带来的误差也将会增大，若需要提高计算精度，可通过在简化潮流计算方法中所应用简化回路计算方程中增加一定比例的网损分量的方式来减小误差，而网损分量的比例可从既往运行经验和网络结构中获取。
[0084]
通过对表3的分析，可以得知，在安装分布式电源的配电网运行状态下，2种误差的平均相对误差为0.2213％，最大误差发生在距首端电气距离较远的32节点，误差为0.7209％，之所以未发生在距首端电气距离最远的17节点，是因为距17节点较近的15节点处安装有pv型分布式电源，该节点电压恒定为vg，其周围节点电压也会被限制在vg左右。
[0085]
简化潮流计算方法在不含分布式电源的配电网潮流计算以及含分布式电源的配电网潮流计算中，根据计算结果获取相对误差分布曲线，所述相对误差分布曲线具体如图6所示。根据相对误差分布曲线可知，在含分布式电源的情况下，简化潮流计算方法具备较高的计算精度，平均相对误差仅为0.2212％，能够满足含分布式电源配电网潮流计算需求。
[0086]
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。