一種計算配電網(wǎng)中分布式電源和微網(wǎng)的運行域求解方法與流程

本發(fā)明涉及配電網(wǎng)領(lǐng)域，尤其涉及一種計算配電網(wǎng)中分布式電源和微網(wǎng)的運行域求解方法。

背景技術(shù)：

近年來，分布式電源(DG)以其高效、環(huán)保的優(yōu)點正大量接入配電網(wǎng)中^[1]。但由于DG的接入，使得配電網(wǎng)由原來單一的電能分配角色轉(zhuǎn)變?yōu)榧娔苁占?、傳輸、存儲和分配于一體的新型電力交換系統(tǒng)，這必然在以下方面引起一系列的問題：電力系統(tǒng)負荷預測、系統(tǒng)規(guī)劃、系統(tǒng)潮流、電網(wǎng)調(diào)度、電網(wǎng)穩(wěn)定性、保護裝置等。其中，潮流反向、過流和節(jié)點電壓越限問題最為突出^[2]。

目前，配電網(wǎng)對DG接納能力的研究主要集中在光伏發(fā)電的最大準入容量以及滲透率方面，根據(jù)傳統(tǒng)機組調(diào)節(jié)范圍、潮流等限制條件，可以得出配電網(wǎng)的最大消納能力，并通過負荷轉(zhuǎn)移、儲能、棄光等手段提高電網(wǎng)的消納能力^[3]。但其研究的消納能力是安裝在系統(tǒng)內(nèi)所有DG的出力總和，并未給出每個DG的出力大小。此外，由于很多DG具有間歇性特征，在單機接入之外，研究人員提出一種新的DG組織形式和結(jié)構(gòu)，即微電網(wǎng)。微電網(wǎng)的提出增強了DG的可控性，但對微網(wǎng)出力范圍控制研究也很少^[4]。利用安全域理念可以觀察工作點與安全域邊界的相對關(guān)系，從而得出工作點的安全裕度和最優(yōu)控制信息^[5]。目前配電網(wǎng)安全域的研究取得了一定的成果，通過考慮N-1安全性準則等約束條件得到常規(guī)配電系統(tǒng)安全域^[6]。在DG大量接入配電網(wǎng)后的安全域研究尚顯缺乏。

參考文獻：

[1]余貽鑫,欒文鵬.智能電網(wǎng)述評[J].中國電機工程學報,2009,29(34):1-8.

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[3]趙波,韋立坤,徐志成,等.計及儲能系統(tǒng)的饋線光伏消納能力隨即場景分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(9):34-40.

[4]魯宗相,王彩霞,閔勇,等.微電網(wǎng)研究綜述[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(19):100-107.

[5]肖峻，谷文卓，王成山.面向智能配電系統(tǒng)的安全域模型[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37(8)：14-19

[6]肖峻,賀琪博,蘇歩蕓.基于安全域的智能配電網(wǎng)安全高效運行模式[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(19):52-60.

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種計算配電網(wǎng)中分布式電源和微網(wǎng)的運行域求解方法，本發(fā)明對給定配電網(wǎng)，能計算得到配電網(wǎng)中DG和微網(wǎng)的運行域，詳見下文描述：

一種計算配電網(wǎng)中分布式電源和微網(wǎng)的運行域求解方法，所述運行域求解方法包括以下步驟：

分別獲取配電網(wǎng)工作點、運行域以及運行邊界的定義，并獲取運行域的數(shù)學模型；

獲取DG出力約束及運行域邊界、系統(tǒng)潮流等式約束及運行域邊界、電壓偏移約束及電壓邊界、反向潮流約束及反向潮流邊界、饋線容量約束及饋線容量邊界；

根據(jù)上述步驟中的計算結(jié)果，獲取給定配電網(wǎng)中分布式電源和微網(wǎng)的運行域。

其中，所述運行域的數(shù)學模型具體為：

Ω_DGDR＝{Z|W(f_i)≤0},i＝1,2...,n

其中，Z表示DG或微網(wǎng)的功率值；W(f_i)表示滿足系統(tǒng)安全運行的約束條件，n為約束條件的個數(shù)；i代表第i個約束條件。

其中，所述DG出力約束具體為：

式中：表示DG出力，分別表示DG出力上下限，所有DG出力大小不能超過額定容量。

其中，所述系統(tǒng)潮流等式約束具體為：

式中：G_ij為節(jié)點間導納的實部，B_ij為節(jié)點間導納的虛部，Ω_n為與負荷節(jié)點i直接相連的所有負荷節(jié)點集合，Ω_l為負荷節(jié)點集合；θ_ij為節(jié)點間電壓相角差；U_i為負荷節(jié)點i的節(jié)點電壓；U_j為負荷節(jié)點j的節(jié)點電壓；P_i為節(jié)點i的有功功率；Q_i為節(jié)點i的無功功率。

其中，所述電壓偏移約束具體為：

V_min≤V≤V_max

式中：V_max和V_min分別表示電壓偏移上下限，V表示節(jié)點電壓，所有節(jié)點電壓不超過電壓偏移上下限。

其中，所述反向潮流約束具體為：

L₁≥0

式中：L₁為饋線出口處的線路容量，饋線出口潮流不反向。

其中，所述饋線容量約束具體為：

L≤L_max

式中：L_max為饋線額定容量；L為饋線容量，所有饋線容量不超過其額定容量。

其中，所述分布式電源和微網(wǎng)的運行域具體為：

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：本發(fā)明提出了一種計算配電網(wǎng)中分布式電源和微網(wǎng)的運行域的方法，本方法不需要進行N-1仿真，而是通過潮流計算得出系統(tǒng)中各個工作點的工作狀態(tài)，并判斷各工作點是否處于安全運行狀態(tài)；本方法在潮流計算中，考慮了節(jié)點電壓以及潮流損耗，可以得到更為精確的結(jié)果；本方法給出了配電網(wǎng)中各個DG和微網(wǎng)的出力范圍，方便調(diào)度人員對電網(wǎng)進行調(diào)控，因此這種方法具有快速準確實用的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為一種計算配電網(wǎng)中分布式電源和微網(wǎng)的運行域求解方法的流程圖；

圖2為電壓邊界求解計算的流程圖；

圖3為反向潮流邊界求解計算的流程圖；

圖4為饋線容量邊界求解計算的流程圖；

圖5為算例的示意圖；

圖6為DG和微網(wǎng)二維運行域的示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面對本發(fā)明實施方式作進一步地詳細描述。

實施例1

本發(fā)明實施例提出運行域的概念，得到了配電網(wǎng)中DG和微網(wǎng)的運行域，為高滲透率可再生能源配電系統(tǒng)的安全高效運行提供理論指導，參見圖1，該方法包括以下步驟：

101：分別獲取配電網(wǎng)工作點、運行域以及運行邊界的定義，并獲取運行域的數(shù)學模型；

102：獲取DG出力約束及運行域邊界、系統(tǒng)潮流等式約束及運行域邊界、電壓偏移約束及電壓邊界、反向潮流約束及反向潮流邊界、饋線容量約束及饋線容量邊界；

103：根據(jù)步驟101和步驟102中的計算結(jié)果，獲取給定配電網(wǎng)中分布式電源(DG)和微網(wǎng)的運行域。

綜上所述，本發(fā)明實施例提出計及電壓約束和網(wǎng)損等潮流條件的運行域概念，通過分布式電源(DG)出力范圍、節(jié)點電壓、支路容量等約束條件，得出配電網(wǎng)中DG的運行范圍，并擴展到接入配電網(wǎng)的微網(wǎng)(MG)。通過該方法，可以得到任意給定配電網(wǎng)中分布式電源DG和微網(wǎng)的運行域。

實施例2

下面結(jié)合具體的計算公式、實例、圖2-圖4對實施例1中的方案進行詳細介紹，詳見下文描述：

201：配電網(wǎng)運行域的定義與數(shù)學模型；

(1)工作點的定義

配電網(wǎng)某個運行狀態(tài)簡稱工作點，即某個瞬態(tài)下所有節(jié)點支路的功率電壓數(shù)據(jù)以及運行方式。

(2)運行域的定義及數(shù)學模型

配電網(wǎng)運行域(DSDR)定義：運行中使所有節(jié)點均滿足安全運行約束條件工作點的集合。

如果工作點滿足運行約束條件，則稱其為運行安全的或N-0安全，否則稱其不安全。運行域給出了電力系統(tǒng)滿足安全約束的最大利用范圍，能夠非常方便進行安全評價并優(yōu)化系統(tǒng)狀態(tài)。

如果觀察DG或微網(wǎng)出力范圍，以DG或微網(wǎng)功率為變量，所得出的運行域即稱為DG或微網(wǎng)運行域，記為Ω_DGDR，數(shù)學模型如下：

Ω_DGDR＝{Z|W(f_i)≤0},i＝1,2...,n (1)

其中，Z表示DG或微網(wǎng)的功率值；W(f_i)表示滿足系統(tǒng)安全運行的約束條件，i代表約束條件的個數(shù)。

(3)運行邊界的定義

運行邊界定義為使W(f_i)＝0的工作點的集合。安全工作點和不安全工作點之間存在一個運行邊界，運行邊界構(gòu)成封閉的區(qū)域，即為配電網(wǎng)運行域。運行域邊界內(nèi)部工作點都是安全的，外部工作點都是不安全的。

其中，電壓邊界定義為使系統(tǒng)節(jié)點電壓極值等于電壓偏移上下限的工作點的集合；反向潮流邊界定義為饋線出口處潮流為0的工作點的集合；線路容量邊界定義為系統(tǒng)中饋線容量最大值等于最大饋線容量的工作點的集合。

202：運行約束條件及運行邊界的求解方法；

整個運行約束分為5類，對應的5類運行域邊界求解方法分別如下：

(1)DG出力約束及運行域邊界；

式中：表示DG出力，分別表示DG出力上下限。式(2)表示所有DG出力大小不能超過額定容量。

根據(jù)上式可直接得到DG處理約束的運行域邊界。

(2)系統(tǒng)潮流等式約束及運行域邊界；

式中：G_ij為節(jié)點間導納的實部，B_ij為節(jié)點間導納的虛部，Ω_n為與負荷節(jié)點i直接相連的所有負荷節(jié)點集合，Ω_l為負荷節(jié)點集合；θ_ij為節(jié)點間電壓相角差；U_i為負荷節(jié)點i的節(jié)點電壓；U_j為負荷節(jié)點j的節(jié)點電壓；P_i為節(jié)點i的有功功率；Q_i為節(jié)點i的無功功率。

根據(jù)上式可直接得到系統(tǒng)潮流等式約束的運行域邊界。

(3)電壓偏移約束及電壓邊界求解方法；

V_min≤V≤V_max (4)

式中：V_max和V_min分別表示電壓偏移上下限，V表示節(jié)點電壓。式(4)表示所有節(jié)點電壓不超過電壓偏移上下限。

根據(jù)式(2)、式(4)，任意選取兩個工作點，分析工作點的電壓安全邊界，算法流程如圖2所示。

其中，S1、S2分別為兩個工作點出力大小，S_max、S_min分別為DG或微網(wǎng)的最大和最小出力，V_max、V_min分別為節(jié)點電壓上下限。

首先，對每個二維斷面，利用電壓約束求出一系列臨界工作點，具體如下：

1)在DG出力范圍內(nèi)，對兩個工作點從最小出力值開始，以一定步長取一系列值；

2)對于每個值，進行系統(tǒng)潮流計算，并將節(jié)點電壓極值與電壓上下限比較，以近似得出一系列電壓臨界點；然后，利用所得出的一系列電壓臨界點，即可擬合成靜態(tài)電壓安全邊界。

(4)反向潮流約束及反向潮流邊界求解方法；

為防止逆流對上一級電網(wǎng)產(chǎn)生較大的影響，導致上一級電網(wǎng)需要在繼電保護設(shè)置等方面做出大范圍的調(diào)整，在網(wǎng)絡根節(jié)點處設(shè)定反向潮流約束，保證饋線出口處潮流正向流動，具體約束如下：

L₁≥0 (5)

式中：L₁為饋線出口處的線路容量。式(5)表示饋線出口潮流不反向。

根據(jù)式(2)、式(5)，任意選取兩個工作點，分析工作點的反向潮流安全邊界，算法流程如圖3所示。

采用電壓邊界求解類似過程，擬合成反向潮流安全邊界。

(5)饋線容量約束及饋線容量邊界求解方法。

L≤L_max (6)

式中：L_max為饋線額定容量；L為饋線容量。式(6)表示所有饋線容量不超過其額定容量。

根據(jù)式(2)、式(6)，任意選取兩個工作點，分析工作點的饋線容量安全邊界，算法流程如圖4所示。采用電壓邊界求解類似過程，擬合成饋線容量安全邊界。

203：運行域完整表達式。

綜上所述，本發(fā)明實施例提出計及電壓約束和網(wǎng)損等潮流條件的運行域概念，通過分布式電源(DG)出力范圍、節(jié)點電壓、支路容量等約束條件，得出配電網(wǎng)中DG的運行范圍，并擴展到接入配電網(wǎng)的微網(wǎng)(MG)。通過該方法，可以得到任意給定配電網(wǎng)中DG和微網(wǎng)的運行域。

實施例3

下面結(jié)合基本的算例對實施例1和2中的方案進行可行性驗證，詳見下文描述：

1、算例基本情況

算例電網(wǎng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)如圖5所示，采用IEEE33系統(tǒng)進行驗證，網(wǎng)中有32條支路，1個電源網(wǎng)絡，首端基準電壓12.66kV，功率基準值取10MVA。饋線額定容量為5.28MW，節(jié)點電壓不超過額定電壓±5％，以發(fā)出功率為正方向。分別在15節(jié)點接入PQ型MG，在21節(jié)點接入PV型MG，在24節(jié)點接入PQ型DG，在30節(jié)點接入PV型DG。

為了研究二維空間上的圖形，取二維斷面，認定除兩個研究的節(jié)點外，其余節(jié)點出力情況保持不變，對15和30節(jié)點處的DG和微網(wǎng)進行運行域研究。其中，15節(jié)點處PQ型微網(wǎng)的出力范圍為-2～4MW，功率因數(shù)為0.894；30節(jié)點處DG的額定功率為4MW，電壓標幺值設(shè)定為1；21節(jié)點處PV型微網(wǎng)有功功率設(shè)定為260kW，電壓標幺值設(shè)定為1.02；24節(jié)點處PQ型DG有功功率設(shè)定為150kW，功率因數(shù)設(shè)定為0.894；IEEE33系統(tǒng)阻抗及負荷見表1。

表1 IEEE33系統(tǒng)阻抗及負荷情況

2、本發(fā)明實施步驟

(1)DG和微網(wǎng)一維運行域

一維運行域可直接得到當時某臺DG或微網(wǎng)的安全出力范圍。為了得出一維運行域，取時間斷面，將15節(jié)點處PQ型微網(wǎng)有功功率設(shè)定為210kW，功率因數(shù)設(shè)定為0.894；將21節(jié)點處PV型微網(wǎng)有功功率設(shè)定為260kW，電壓標幺值設(shè)定為1.02；將24節(jié)點處PQ型DG有功功率設(shè)定為150kW，功率因數(shù)設(shè)定為0.894；將30節(jié)點處PV型DG有功功率設(shè)定為110kW，電壓標幺值設(shè)定為0.98。依次在17節(jié)點處接入PQ型和PV型的微網(wǎng)、DG，其中微網(wǎng)的出力范圍為-2～4kW，DG的出力范圍為0～3kW，所得出的17節(jié)點一維運行域如表2所示。

表2 DG和微網(wǎng)一維運行域

(2)DG和微網(wǎng)一維運行域

以圖5中的15和30節(jié)點為例進行二維運行域研究，15節(jié)點處PQ型微網(wǎng)出力范圍為-2～4MW，30節(jié)點處PV型DG額定功率設(shè)定為4MW，電壓標幺值設(shè)定為1，其余節(jié)點出力情況不變，所得出的二維運行域如圖5所示。

圖6中的P15為15節(jié)點處微網(wǎng)的出力大小，P30為30節(jié)點處DG的出力大小，圖中邊界箭頭方向指向運行域方向，圖中的陰影部分即為兩個節(jié)點微網(wǎng)和DG的運行域。從圖中可以看出，共有L1～L5五條邊界，其中：L1～L2為饋線容量邊界，L3為反向潮流邊界，L4～L5為電壓邊界。

綜上所述，本發(fā)明實施例提出計及電壓約束和網(wǎng)損等潮流條件的運行域概念，通過分布式電源(DG)出力范圍、節(jié)點電壓、支路容量等約束條件，得出配電網(wǎng)中DG的運行范圍，并擴展到接入配電網(wǎng)的微網(wǎng)(MG)。通過該方法，可以得到任意給定配電網(wǎng)中DG和微網(wǎng)的運行域。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個優(yōu)選實施例的示意圖，上述本發(fā)明實施例序號僅僅為了描述，不代表實施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。