一种含分布式电源的配电网无功优化调度方法

摘要

本发明涉及一种含分布式电源的配电网无功优化调度方法，属于电力技术领域，解决了现有技术无功功率分布不合理、电网中电压质量低、电网损耗高的问题。该方法包括如下步骤：在配电网中，设置一定数量的电容器组和分布式电源；根据配电网能量损耗与控制参数的关系，建立配电网无功静态优化模型，并进行潮流计算，获得各电容器组的投切容量增量，进而获得各电容器组的预动作时刻表；对配电网拓扑结构进行分区，根据上述预动作时刻表，以每一时段中配电网能量损耗均最小为目标，建立配电网无功动态优化模型，并进行潮流计算，确定各电容器组的日前调度方案以及分布式电源出力方案；执行所述日前调度方案、分布式电源出力方案。

说明书

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种含分布式电源的配电网无功优化调度方法。

背景技术

在配电网中，长期存在无功功率分布不合理、无功补偿设备投入少、投入率低等现象，导致电网中电压质量低、电网损耗高等问题日益凸显。其中，电压质量直接影响工农业生产、电网运行，电压质量不能满足要求将导致产品质量下降，电网传输能力减弱，电网网络损耗增加。电网损耗过高会给电力部门带来极大的经济损失，导致电价上涨。电能质量、用电经济性问题得不到解决将严重影响广大用电客户的用电积极性。

分布式发电是解决上述问题的有效手段。分布式发电是指发电功率在几千瓦至数百兆瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠的发电单元。但是，大规模分布式电源(DG)的接入改变了当前配电网的结构，其将由单电源、辐射型结构变为遍布电源和负荷的复杂网络，同时，配电网馈线中传输有功、无功的数量和方向也发生了改变，随之将引起配电网节点电压分布及网络损耗的变化，这种变化与分布式电源的渗透率和分布式电源的出力时序特性等有着密切的关系。传统的配电网规划、运行、保护等方面将面临重大变化。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种含分布式电源的配电网无功优化调度方法，用以解决现有无功功率分布不合理、电网中电压质量低、电网损耗高的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种含分布式电源的配电网无功优化调度方法，包括如下步骤：

在配电网中，设置预设数量的电容器组和分布式电源；

根据配电网能量损耗与控制参数的关系，建立配电网无功静态优化模型；

根据配电网能量损耗与控制参数的关系，建立配电网无功静态优化模型，并进行潮流计算，获得各电容器组的投切容量增量，进而获得各电容器组的预动作时刻表；

对配电网拓扑结构进行分区，根据上述预动作时刻表，以每一时段中配电网能量损耗均最小为目标，建立配电网无功动态优化模型，并进行潮流计算，确定各电容器组的日前调度方案以及分布式电源出力方案；

执行所述日前调度方案、分布式电源出力方案。

上述技术方案的有益效果如下：配电网无功优化是改善电压质量和降低电网损耗的有效手段。上述方法限定了在已知配电网结构参数以及负荷的情况下，对电容器组的投切容量、分布式电源出力的规划及运行控制，使得配电网系统能够在满足电压、潮流、功率等的约束条件下，达到电网损耗最小。

基于上述方法的进一步改进，所述根据配电网能量损耗与控制参数的关系，建立配电网无功静态优化模型的步骤，进一步包括：

选取影响配电网能量损耗的控制参数，建立所述控制参数与一天内配电网能量损耗的关系的数学模型；

以一天内配电网能量损耗最小为目标函数，以电容器投切次数限制以及分布式电源出力限制为约束条件，建立配电网无功静态优化模型。

上述进一步改进方案的有益效果是：对建立配电网无功静态优化模型的方法进行了限定，通过对一天内配电网能量损耗最小、电容器投切次数限制以及分布式电源出力限制，使得优化后获得的配电网能量损耗最小、电压质量高。

进一步，控制参数包括各每一时段开始时刻电容器组的投切容量C

所述控制参数与一天内配电网能量损耗的关系的数学模型为

式中，f为一天内配电网能量损耗，T

上述进一步方案的有益效果是：对配电网的控制参数，以及控制参数与一天内配电网能量损耗的关系分别进行了限定。控制参数涉及投切容量C

进一步，所述配电网无功静态优化模型中，目标函数为

约束条件包括等式约束和不等式约束；所述等式约束为

式中，P

所述不等式约束为

V

U

0≤C

U

Q

式中，V

上述进一步方案的有益效果是：对配电网无功静态优化模型进行了限定。目标是使得一天内配电网的能量损耗最低，对无功补偿位置、无功补偿容量、发电机机端电压、无功补偿设备投切策略等进行了规划及运行控制，使配电网系统能够在满足电压、潮流、功率等约束条件下，达到电网损耗最小。

进一步，所述Q

式中，S

上述进一步方案的有益效果是：对Q

进一步，通过下面步骤获得各电容器组的预动作时刻表：

获取配电网所有母线各节点当前时刻之前24h内每一小时内的有功功率、无功功率、负荷功率以及配电网各节点的节点电压，并通过下面公式分别建立有功功率矩阵P

将所述有功功率矩阵P

通过下面公式获得第j个电容器组在t时刻的投切容量增量ΔC

ΔC

j＝1 … N

将获得的ΔC

根据预设的一日内电容器组允许最大投切次数n

式中，“0”表示该电容器挡位为初始挡状态。

上述进一步方案的有益效果是：通过上述配电网无功静态优化模型的潮流解算方法依次获得每个电容器组的预动作时刻表T

进一步，所述对配电网拓扑结构进行分区的步骤，进一步包括：

根据每一分区有且只有一个电容器组或平衡节点为条件，对配电网电网模型进行分区。

上述进一步方案的有益效果是：获得N

进一步，所述根据上述预动作时刻表，以每一时段中配电网能量损耗均最小为目标，建立配电网无功动态优化模型，并进行潮流计算，确定各电容器组的日前调度方案的步骤，细化为：

根据分区结果，将有功功率矩阵P

式中，

根据每个电容器组的预动作时刻表，对上述P

t

式中，

将整合处理后的P

minf

式中，f

根据各电容器组的投切容量矩阵C′，结合各电容器组的预动作时刻表，确定各电容器组的日前调度方案。

上述进一步方案的有益效果是：实现将静态计算用负荷数据按分区结果重新排列，将同一个分区内的所有节点负荷数据排列在一起。根据各电容器预动作时刻表对重排后的静态计算用负荷数据进行处理，得到动态计算用负荷数据C′，用于动态优化计算。实际上，处理后得到的动态计算用有功负荷数据C′的矩阵维数仍为24×N。

进一步，所述根据各电容器组的投切容量矩阵C′，结合各电容器组的预动作时刻表，确定各电容器组的日前调度方案的步骤，进一步包括：

若依据第i个电容器组的预动作时刻表，t时刻该电容器组该动作，则依据投切容量矩阵C′将其投切容量调至C

若依据第i个电容器组的预动作时刻表，t时刻该电容器组不动作，则其投切容量与上一时刻投切容量相同；

依次获得每个电容器组24h的投切方案，作为各电容器组考虑其动作次数约束的日前调度方案。

上述进一步方案的有益效果是：任意电容器组初始档位的选择基于时刻1的“动态计算用负荷数据”算出。数学模型中的变量类型由各电容器预动作时刻表动态确定，若依据第i个电容器的预动作时刻表，t时刻电容器组动作，则C

进一步，所述确定分布式电源出力方案的步骤，包括：

控制各电容器组执行所述日前调度方案；

再次获取配电网所有母线各节点当前时刻之前24h内每一小时内的有功功率、无功功率以及负荷功率数据，分别建立有功功率矩阵、无功负荷矩阵、负荷功率矩阵；

根据分区结果，对有功功率矩阵、无功负荷矩阵、负荷功率矩阵中同一分区内的功率数据分别排列在一起，对排列后的有功功率矩阵、无功负荷矩阵、负荷功率矩阵进行整合处理；

将整合处理后的有功功率矩阵、无功负荷矩阵、负荷功率矩阵的数据带入下面公式中的配电网无功动态优化模型二，并采用配电网无功静态优化模型中的约束条件约束，进行潮流计算，获得动态优化时分布式电源初值矩阵，作为分布式电源出力方案

上述进一步方案的有益效果是：DG出力不必考虑动作次数限制，所以优化计算时将其作为连续变量处理。计算后可得到DG出力值表，与电容器预动作表共同构成了含DG的配电网动态无功优化调度方案。由于电网运行中，电容器的投切将对后续时刻配电网状态产生影响，并且控制设备过多不利于集中控制，同时，为解决现有方法中各电容器动作量仅为其在当前时刻点的优化值的问题，上述方案对电网进行分区域控制，基于配电网分区提出一种新的负荷处理方法使优化计算后系统能量损耗在整个时段内最小。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1含分布式电源的配电网无功优化调度方法步骤示意图；

图2为本发明实施例2分区后配电网结构示意图；

图3为本发明实施例2中3组对比试验节点23所接电容器组动作情况。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

配电网由架空线路、杆塔、电缆、配电变压器、开关设备、无功补偿电容等配电设备及附属设施组成，它在电力网中的主要作用是分配电能。平衡节点是无功功率最低的节点。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种含分布式电源的配电网无功优化调度方法，如图1所示，包括如下步骤：

S1.在配电网中，设置预设数量的电容器组和分布式电源。

其中，在配电网未设置电容器组及分布式电源之前，采用现有配电网无功优化模型(例如专利CN104600714B)进行潮流计算；电容器组设置在节点电压及无功功率较低点(节点电压或无功功率低于预设值的节点)；分布式电源设置在有功功率相对较低点(有功功率低于预设值的节点)。

S2.根据配电网能量损耗与控制参数的关系，建立配电网无功静态优化模型，并进行潮流计算，获得各电容器组的投切容量增量，进而获得各电容器组的预动作时刻表。

S3.对配电网拓扑结构进行分区，根据上述预动作时刻表，以每一时段中配电网能量损耗均最小为目标，建立配电网无功动态优化模型，并进行潮流计算，确定各电容器组的日前调度方案以及分布式电源出力方案。

S4.执行所述日前调度方案、分布式电源出力方案。

与现有技术相比，本实施例提供的配电网无功优化方法是改善电压质量和降低电网损耗的有效手段。该方法限定了在已知配电网结构参数以及负荷的情况下，对电容器组的投切容量、分布式电源出力的规划及运行控制，使得配电网系统能够在满足电压、潮流、功率等的约束条件下，达到电网损耗最小。

实施例2

在实施例1的基础上进行优化，步骤S2进一步包括：

S21.选取影响配电网能量损耗的控制参数。所述控制参数包括各每一时段开始时刻电容器组的投切容量C

S22.建立所述控制参数与一天内配电网能量损耗的关系的数学模型

式中，f为一天内配电网能量损耗，T

示例性地，T

优选地，上述数学模型可采用

即

S23.以一天内配电网能量损耗最小为目标函数，以电容器投切次数限制以及分布式电源出力限制为约束条件，建立配电网无功静态优化模型。

具体地，步骤S23中的配电网无功静态优化模型中，目标函数为

约束条件包括等式约束和不等式约束。等式约束为

式中，P

不等式约束为

V

U

0≤C

U

式中，V

由于用电负荷时刻在变化，约束条件增加了电容器投切次数限制以及DG出力限制。

优选地，所述Q

式中，S

优选地，步骤S2中建立配电网无功静态优化模型后，通过下面步骤获得各电容器组的预动作时刻表：

S24.获取配电网所有母线各节点当前时刻之前24h内每一小时内的有功功率、无功功率、负荷功率以及配电网各节点的节点电压，并通过下面公式分别建立有功功率矩阵P

按小时为单位将一天划分为24个时段，每个时段内的用电负荷数据(有功功率、无功功率、负荷功率)按照积分中值定理处理为一个常量，本领域技术人员能够理解。处理后的用电负荷数据将用于静态潮流计算，也称之为“静态计算用负荷数据”。

S25.将所述有功功率矩阵P

S26.通过下面公式获得第j个电容器组在t时刻的投切容量增量ΔC

ΔC

j＝1 … N

S27.将获得的ΔC

S28.根据预设的一日内电容器组允许最大投切次数n

式中，“0”表示该电容器挡位为初始挡状态，可以是任意任何时刻点，不影响动作次数。

优选地，步骤S3中的对配电网拓扑结构进行分区，包括：

S31.根据每一分区有且只有一个电容器组或平衡节点为条件，对配电网电网模型进行分区。

优选地，步骤S3中的根据上述预动作时刻表，以每一时段中配电网能量损耗均最小为目标，建立配电网无功动态优化模型，并进行潮流计算，确定各电容器组的日前调度方案，进一步细化为如下步骤：

S32.根据分区结果，将有功功率矩阵P

式中，

S33.根据每个电容器组的预动作时刻表，对上述P

t

式中，t

S34.将整合处理后的P

上述配电网无功动态优化模型一minf仍采用控制参数与一天内配电网能量损耗的关系的数学模型进行动态优化。相比配电网无功静态优化模型，区别只在于U

P

S35.根据各电容器组的投切容量矩阵C′，结合各电容器组的预动作时刻表，确定各电容器组的日前调度方案。

优选地，步骤S35进一步细化为：

S351.执行如下判断：若依据第i个电容器组的预动作时刻表，t时刻该电容器组该动作，则依据投切容量矩阵C′将其投切容量调至C

S352.依次获得每个电容器组24h的投切方案，作为各电容器组考虑其动作次数约束的日前调度方案。

任意电容器组初始档位的选择基于时刻1的“动态计算用负荷数据”算出。数学模型中的变量类型由各电容器预动作时刻表动态确定，若依据第i个电容器的预动作时刻表，t时刻电容器组动作，则C

当电容器调度方案确定后，接下来对电网中的分布式电源出力情况进行优化处理。根据分布式电源出力情况的控制特点，将分布式电源出力情况分为电压控制型(P已知、V可调)、无功补偿型(P已知、Q可调)、无功负荷型(P和Q均已知)3类，其中，P为分布式电源的有功功率，Q为分布式电源的无功功率，V为分布式电源的机端电压。

优选地，步骤S3中的确定分布式电源出力方案，进一步包括：

S36.控制各电容器组严格执行所述日前调度方案。即所有电容器动作量均按照预动作表中对应时刻的对应量值输入配电网系统。

S37.再次获取配电网所有母线各节点当前时刻之前24h内每一小时内的有功功率、无功功率以及负荷功率数据，分别建立有功功率矩阵、无功负荷矩阵、负荷功率矩阵。具体地，采用步骤S24中的建立方法。

S38.根据分区结果，对有功功率矩阵、无功负荷矩阵、负荷功率矩阵中同一分区内的功率数据分别排列在一起，对排列后的有功功率矩阵、无功负荷矩阵、负荷功率矩阵进行整合处理。具体地，采用步骤S31～S33的分区整合方法。

S39.将整合处理后的有功功率矩阵、无功负荷矩阵、负荷功率矩阵的数据带入下面公式中的配电网无功动态优化模型二，并采用配电网无功静态优化模型中的约束条件约束，进行潮流计算，获得动态优化时分布式电源初值矩阵，作为分布式电源出力方案

上述配电网无功动态优化模型二实质上仍是采用控制参数与一天内配电网能量损耗的关系的数学模型进行动态优化。相比配电网无功静态优化模型，区别只在于C

由于分布式电源出力不必考虑动作次数限制，所以优化计算时将其作为连续变量处理。计算后可得到分布式电源出力值表，与电容器预动作表共同构成了含分布式电源的配电网动态无功优化调度方案。

根据步骤S31～S39的方法进行配电网分区以及负荷数据处理，完成优化计算后能保证调度方案中各电容器组优化结果为其在各个动作时段内最优，从而降低系统能量损耗；同时，通过配电网分区能够实现分区域控制，较整体优化计算速度更快，更容易收敛。

为了更好地说明本实施例发明的效果，下面提供一个具体实例。节点配电网可采用IEEE 33节点配电网，在此基础上进行改造。改造后，该节点系统共38个节点，其中包含平衡节点1个、电容器补偿节点3个、分布式电源(DG)接入节点5个，如图2所示。系统额定电压设置为10.5kV，基准容量为100MVA，PV节点和平衡节点电压上下限设定为0.9～1.1(标准值)，PQ节点电压上下限设定为0.95～1.05(标准值)。其中，电容器组安装地点为节点13、节点23、节点29，其补偿容量上限值由其所在支路配变容量总和的20％确定；PV可控型光伏发电通过电压型逆变器并网，PQ可控型光伏发电通过电流型逆变器并网。

将分布式电源、逆变器及升压变压器整体作为控制设备；分布式电源的渗透率控制在20％到25％之间，PQ可控型分布式电源无功出力上下限由下式确定，PV可控型DG控制变量为其机端电压。表1为该系统接入DG的具体类型、位置以及容量。

式中，S

表1算例中DG接入位置与参数

利用配电网分区方法将改造后的配电网分为了4个区，每个分区内包含一个电容器补偿点或者平衡节点。分区后配电网结构如图2所示。

在优化计算求解约束问题时采用MATLAB优化工具箱中的fmincon求解器进行求解。该求解器对初始值的选择无任何要求，收敛速度快，使用简便，结果准确。

表2列出了5组试验得到的优化结果。其中，试验1为优化前(电容器、DG均不参与调度，出力均为0)；试验2为DG单独参与调度(电容器不动作，出力为0)；试验3为按现有方法优化计算(未接入DG)；试验4为按实施例2方法优化电容器(未接入DG)；试验5为按实施例2调度方案优化计算(电容器、DG均参与调度)。

表2 5组试验结果对比

可见，试验2表明DG按本实施例方法参与无功调度降损效果明显，能充分发挥其无功补偿能力。试验4较试验3配电网系统能量损耗降低1.08％，表明按本实施例电容器预动作表得到的调度方案能保证配电网系统运行的经济性和稳定性，较现有方法更优。试验5表明本实施例含DG的动态无功优化调度方案能大幅降低系统损耗(较试验1降低56.03％，较现有方法降低1.370％)，对DG和电容器组的协调控制保证了该调度方案的合理性和有效性。

图3为静态优化与本实施例动态优化计算得出的算例中节点23所接电容器组的投切容量对比。可以看出，利用本实施例方法计算获得的结果相比现有方法更为契合静态计算结果。由于静态结果为不考虑电容器组动作次数约束时每个时刻的最优值，那么在满足约束的情况下，优化结果越接近静态结果，说明该方法的优化效果越好。

结合算例结果，得出本发明方法相比现有技术具有如下优点：

1)DG参与配电网无功调度能大大减小系统的能量损耗。这是因为DG具有较强的电压无功调节能力，且出力是可连续调节的。因此，充分发挥DG的无功调节能力，有利于提高系统的安全性和经济性。

2)提出的电容器预动作表能严格控制电容器动作次数，保证其分散投切，计算后得到的电容器控制策略为各个动作时段内最优。实例结果表明本发明方法能有效地降低系统的损耗，提高系统运行的经济性和稳定性。

3)根据DG和电容器的出力特点，所提出的DG、电容器协调调度的控制方式能充分发挥二者的无功调节能力，算例结果验证了含DG的动态无功优化调度方法的合理性和有效性。

4)由于分布式电源的出力是连续可调的，所以电容器在系统无功调节中承担粗调任务，分布式电源则发挥细调作用。以每个时段内系统能量损耗最小为目标，以电容器投切容量为控制变量进行优化计算，得到各电容器的日前调度方案。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。