（检测技术与自动化装置专业论文）含分布式电源的配电网无功优化软件实现研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 于两要 分布式电源作为一种灵巧的供电方式，通过与现有配电网系统结合，在节 省配电网络投资、降低能耗等方面发挥了重大作用。但分布式电源的接入也给 配电网规划、配电网潮流计算、网损、继电保护等带来一定的影响。本文从分 布式电源接入对配电网网损的影响方面研究含分布式电源的配电网无功优化 软件的实现问题。 首先，实现一种简单实用的前推回代潮流算法。根据配电网络的特点，构 造特殊的节点与支路数据结构，形成配电网对应的树结构，完全确定配电网拓 扑结构。无需复杂的分层搜索、不用形成导纳矩阵，编程实现简单，是一种实 用的前推回代法实现方法，实际算例验证了实现方法的正确性。 然后，从理论上定性分析了分布式电源接入位置与接入容量对配电网节点 电压和配电网网损的影响，假设分布式电源接入配电网总容量不超过配电网总 负荷容量。然后选取实际算例进行定量研究，运用c 语言编程实现了分布式电 源接入位置与接入容量的寻优算法，算法对于不同的配电网系统具有普遍适应 性。同时也验证了分布式电源接入配电网总容量不应超过配电网总负荷容量的 假定。 最后，研究了分布式电源接入配电网后的无功优化问题，并基于遗传算法， 分析了软件实现的主要步骤及主要的操作，并用一个已知计算结果的算例验证 本文遗传算法实现方法的正确性。用c 语言编写无功优化算例程序，程序运行 试验表明了程序的可靠性与准确性，减小了配电网网损，具有较好的优化效果， 软件实现方法具有一定的实用价值。 关键词：分布式电源；配电网无功优化；网损；遗传算法；前推回代法 a bs t r a c t a saf l e x i b l ep o w e r s u p p l ym o d e ，d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o np l a y sa ni m p o r t a n t r o l ei ns l a v i n gd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki n v e s t m e n ta n dr e d u c i n gp o w e r l o s sa n ds oo n t h r o u g hc o m b i n i n gw i t hd i s t r i b u t i o nn e t w o r k a tt h es a m et i m e ，d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o ni n f l u e n c e si nt h ed i s t r i b u t i o n s y s t e mi nm a n ya s p e c t s ， s u c ha s d i s t r i b u t i o nn e t w o r kp l a n n i n g ，p o w e rf l o wa n da c t i v ep o w e r l o s sa n ds oo n t h i s p a p e rs t u d i e so ns o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o nf o rt h er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o no f d i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t hd is t r i b u t e dg e n e r a t i o n f i r s t ， b a c k f o r w a r ds w e e pa l g o r i t h mi sr e s e a r c h e dd e e p l ya n dap r a c t i c a l i m p l e m e n tm e t h o do fb a c k f o r w a r ds w e e pd is t r i b u t i o np o w e rf l o wi s p r o p o s e d t h et o p o l o g ys t r u c t u r eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki s d e f i n e db yt h et r e es t r u c t u r e w h i c hc o n s i s t so fs p e c i a lc i r c u i tb r a n c hs t r u c t u r ea n dn o d es t r u c t u r e t h e r ei s n o n e e dt of o r ma d m i t t a n c em a t r i xi n t h i si m p l e m e n tm e t h o d t h ev a l i d i t va n d a c c u r a c yo ft h ei m p l e m e n tm e t h o da b o v ei sv e r i f i e dt h r o u g hap r a c t i c a le x a m p l e s e c o n d ，t h ei n f l u e n c e b r o u g h tb yd i f f e r e n tc o n n e c t i o n p o s i t i o na n d c o n n e c t i o nc a p a c i t yo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni s a n a l y s e d t h ea s s u m p t i o nt h a t t o t a lc a p a c i t yo fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns h o u l db en om o r et h a nt h et o t a lc a p a c i t y o fp o w e rl o a di s p r o p o s e d f u r t h e r m o r e ，t ot h es o f t w a r ei m p l e m e n t e db yc l a n g u a g ew h i c hf i n d sar e a s o n a b l ec o n n e c t i o n p o s i t i o na n dc o n n e c t i o n o f d i s t r i b u t e d g e n e r a t i o ni sd i s c u s s e d t h e a s s u m p t i o nw h i c ht o t a lc a p a c i t yo f d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ns h o u l db en om o r et h a nt h et o t a lc a p a c i t yo fp o w e rl o a di s v e r i f i e d l a s t ，t h er e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o no fd i s t r i b u t i o n s y s t e ma f t e rt h e c o n n e c t i o no fd i s t r i b u t e dg e n e r a t i o ni ss t u d i e d b a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ，m a i n p r o c e d u r e so fs o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o na r ea n a l y z e da n dt h ea c c u r a c vo ft h e s o f t w a r ei m p l e m e n t a t i o ni sv e r i f i e dt h o u g ha ne x a m p l e f u r t h e r m o r e ， as o f t w a r e o fr e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o nu s e dc p r o g r a m m i n gl a n g u a g ei si m p l e m e n t e da n d t h ev a l i d i t ya n da c c u r a c yo fi ti sv e r i f i e dt h r o u g ht h es t a t i s t i ca n a l y s i so fm a n v e x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ；r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o no fd i s t r i b u t i o n s y s t e m ；p o w e rl o s s ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；b a c k f o r w a r ds w e e p a l g o r i t h m 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密酉，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名幺 日期：矽f 。刁 指导老师签名： 日期： 诘杳南 c d 写4 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文主要研究了含分布式电源的配电网无功优化软件的现实问题，提出一 种实用的的配电网潮流前推回代法软件实现方法，分析了分布式电源接入对配 电网电压及网损的影响，求出了合适的分布式电源接入配电网的方案并在此基 础之上，分析了遗传算法的软件实现，以网损最小为目标函数，用c 语言编程 实现基于遗传算法的无功优化程序，运行试验表明程序运行可靠，结果准确。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名 日期：沙一r 壮嘲 i ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 近年来，随着经济的快速发展，我国的用电量和用电负荷急剧增长，缺电 导致拉闸限电、传统的能源结构过于单一、环境污染等问题越来越严重。同时， 世界范围内的能源危机、电力危机与大面积停电事故，也一定程度上暴露出现 有“集中发电 的电力系统存在的不足之处。主要体现在以下几个方面：首先， 大电网中任何一点的故障都可能对整个电网带来严重的影响，甚至可能导致大 面积停电和电网崩溃，“美加大停电 就是一个这样的例子；其次，大电网不 能灵活跟踪负荷的变化，随着负荷峰谷差的不断增长，电网的负荷率正逐年下 降，发电及输电设施的利用率都有下降的趋势【1 4 】；再次，在一些比较偏远地 区，由于距离电力系统太远，或者自然条件太恶劣，输配电建设投资过大或者 根本就无法架设，导致供电不理想。另外，近年来大电网经常是恐怖袭击和战 争攻击的目标，一旦遭到破坏，后果不堪设想。同时，全球的一次能源正日渐 衰竭，而由电力生产所带来的环境污染( 如酸雨、温室效应、电磁污染等等) 也越来越明显 5 - 6 。 基于以上问题，直接安置在用户近旁的分布式电源便成为一种替代方案， 分布式发电( d i s t r i b u t e dg e n e r a t i o n ，d g ，也称分布式电源、分散电源) 以 其投资小、清洁环保、供电可靠和发电方式灵活等优点日益成为人们研究的热 点，美国、日本等发达国家十分重视对分布式发电系统的研究，并取得了突破 性的进展，有望在电力生产中占有越来越大的比重。大电网与分布式发电相结 合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系 统可靠性和灵活性的主要方式，是2 1 世纪电力工业的发展方向。因此研究分 布式电源对国家的现代化建设和民族工业的振兴具有相当大的战略意义和现 实意义。另一方面，随着工农业生产和人民生活现代化的发展，能源的消耗量 急剧增加，全球面临着能源紧缺的危机，因此如何合理开发可再生能源如利用 分布式发电技术就成为了当前一项迫切而有实际价值的研究课题 7 - 8 】。目前， d g 多以接入配电网运行为主，当d g 接入配电网时会改变电网的潮流分布，从 而对节点电压，网络损耗产生重大的影响，因此，研究含分布式电源的配电网 无功优化问题对分布式电源的应用具有重要的指导意义，研究其软件实现方法 具有一定的实用意义。 1 2 国内外研究现状 分布式发电在世界各国蓬勃发展，在美国，加州大学、e l c o m 等研究机构， 对分布式发电系统制定了宏伟的研究计划；在中国，分布式发电尚处于起步阶 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 段，但发展很快【9 】。当前分布式发电的研究热点集中在分布式发电对电网的影 响，涉及对传统配电网规划的影响、对电力系统运行的影响、不同d g 的投入 对故障电流的影响和贡献、各种d g 状态分析模型、对系统可靠性影响的建模 等方面。考虑含分布电源的配电网无功优化问题应当要研究分布式电源对配电 网规划的影响以及对系统运行的影响。 文献 1 0 中对于配电网络不同种类的分布式电源和电压调整装置建立相应 的稳态模型，对分布式电源接入电网后如何处理具有一定的借鉴意义，但未涉 及分布式电源的接入位置问题。 文献 11 提出一种基于p i 控制，利用变电站处的潮流信息和d g 所在母线 的负荷信息调节可控的统的d g 系统输出量来补偿系统负荷波动，从而抑制系 统电压波动。这种分布式发电系统虽然具备调节有功和无功的输入功能，但对 系统的设计带来了一定的难度。 文献 12 提出可以在配电网中安装基于电力电子技术的电压补偿设备，如 静止无功补偿器( s v c ：s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ，通过s v c 与配电网中现存 的电压控制设备与s v r 的相互协调来抑制各种陡然变化的电压波动。 文献 13 针对一组d g 突然退出运行而造成系统电压波动的情况，提出可以 通过投入经优化组合的电容器组来抑制系统电压的波动，但没有从网损的角度 考虑电容器的优化组合。 文献 1 4 分析了分布式电源对配电网网损的影响，通过一个算例计算了不 同的d g 接入位置时的配电网网损，但没有考虑分布式电源的容量，也未计算 出选定分布式电源的最佳接入位置。 文献 15 中提出了分布式发电并网后新系统电网规划的思路和步骤，对分 布式电源在配电网中的位置进行了较为深入的研究，得到了分布式电源的最佳 放置位置，但未涉及对分布式电源的最优容量的讨论。 文献 16 分析了以风力发电系统接入配电网，并考虑配电网中可控制无功 输出的柴油发电机的无功贡献，以有功能耗费用、s v c 安装费用、柴油发电机 无功生产费用为目标函数，建立了含分布式发电的配电网无功优化模型。在实 际算例中应用遗传算法确定各状态下s v c 最优安装位置、输出以及可控制无功 输出的分布式电源的最优输出结果，但文献未涉及分布式电源最优接入容量以 及接入位置的研究。 研究无功优化问题时所采用的优化算法主要包括非线性规划法、线性规划 法等，近年来，遗传算法、免疫算法等“现代启发式 寻优方法在无功优化方 面作了大量的研究，弥补了传统数学方法的不足【1 7 18 1 ，但该算法的缺点是计算 时间长，且局部搜索能力差，容易出现早熟而收敛到局部最优解【l9 1 ，而免疫遗 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 传算法( 2 0 】将生物免疫系统的学习、记忆、多样性和识别的特点引入遗传算法。 文献 2 1 在常规遗传算法的基础上，通过引入免疫算子，提高了常规遗传算法 的计算效率、优化效果和全局寻优能力。文献e 2 2 为了克服自适应遗传算法早 熟现象和改善收效速度，在自适应遗传算法中引入二次变异操作。考虑到遗传 操作后存在大体相同个体，捡出这些重复的个体进行二次变异，产生邻近的个 体，这种方法不仅避免了重复计算而且增强了算法局部搜索能力，并且改善了 算法的收效性。文献 2 3 针对传统遗传算法具有计算时间长、易陷入局部最优 解的缺点，对其进行改进，采用十进制编码，并保留每代中的最优个体，来使 优化平稳地进行，交叉概率和变异概率随着进化自适应变化，避免陷入局部最 优，引入了混沌算子，避免了进化的“早熟”。实际算例表明这种改进遗传算 法明显提高了计算效率，节省了计算时间，而且优化结果也更为理想。 综合以上的研究现状可以看出：首先，国内外当前对分布式电源的模型的 建立做了不少的研究工作，基本思路就是根据分布式发电系统的类型和机理， 把其看成p v 节点或p q 节点。然后从分布式电源对配电网电压的影响角度考虑 接入位置以及接入容量，但较少考虑对网损的影响；而配电网无功优化问题大 多是从考虑网损最小角度着手进行无功补偿，对电压的要求化为优化模型中的 不等式约束。含分布式电源的无功优化应该是上述两方面研究内容的结合，即 在满足配电网电压要求的同时，从网损最小的角度考虑分布式电源的接入位置 以及接入容量，这样才能保证分布式电源接入与无功补偿设备的投入服务于同 一个目标优化函数。再者，对于无功优化算法的研究，尤其是人工智能算法在 无功优化的应用方面已有不少研究成果。但是各种智能算法都有其自身的不足 之处。 1 3 本文的主要工作及研究内容 论文的主要研究内容包含以下几部分： 1 编程现实前推回代潮流算法：根据配电网络的特点，通过构造特殊的节 点与支路数据结构，形成配电网络对应的树结构，完全确定配电网络拓扑结构。 无需复杂的分层搜索、不用形成导纳矩阵，是一种实用的前推回代法实现方法， 实际算例验证了实现方法的正确性。 2 基于最优网损的分布式电源接入方案研究：通过对分布式电源接入位置 与容量对配电网网损的影响的理论分析，提出分布式电源接入配电网总容量不 应超过配电网总负荷容量的观点。然后通过一个实际算例，在满足配电网电压 要求的同时，以网损最小为目标函数，搜索合适的分布式电源的接入位置以及 接入容量，保证分布式电源接入与无功补偿设备的投入服务于同一个目标优化 函数。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 3 遗传算法用于配电网无功优化：阐述了遗传算法的操作步骤，分析了算 法的软件实现，并用c 语言实现主要的操作步骤，最后在分布式电源已经接入 配电网的基础之上，以网损最小为目标函数，运用c 语言编程实现基于遗传算 法的含分布式电源的配电网无功优化程序搜索最佳的无优化方案。程序运行结 果验证了程序的可靠性和准确性并对程序运行结果进行详细的分析说明。 4 鉴于一般的仿真软件只能作为测试验证使用，实际应用功能有限。本文 基于c 语言是一种广泛使用的较优秀的程序设计语言这一事实，所有算例软件 均采用c 语言编写，具有一定的实际应用价值。为保证本文c 程序设计的正确 性，各种算法在使用之前均进行了正确性验证。 论文各章内容安排如下： 第1 章：阐述论文的研究背景及意义，分析了国内外的研究现状，总结了 当前研究中存在的一些问题，对本文的主要工作及研究内容作了概括。 第2 章：主要研究含分布式电源的配电网潮流计算及其软件实现。首先简 要介绍分布式电源的相关知识及配电网潮流计算模型。然后详细介绍了配电网 常用的前推回代潮流算法，提出一种较实用的算法实现方法并通过一个算例验 证了此实现方法的正确性。最后分析了不同类型分布式电源在潮流计算中的处 理方法。 第3 章：主要研究基于最优网损的分布式电源接入方案及其软件实现。首 先简要介绍配电网无功优化理论，然后在理论分析分布式电源位置与容量对配 电网网损的影响的基础之上，对一个实际的算例进行分析，以配电网网损最小 为目标函数，运用搜索算法求得合理的分布式电源接入位置与接入容量。 第4 章：主要研究分布式电源接入后的无功优化问题及其软件实现。首先 给出了含分布式电源的无功优化数学模型。然后简要介绍了常用的配电网无功 优化算法，详细阐述了遗传算法及其算法原理，并用c 语言实现了遗传算法的 主要操作步骤。最后在第3 章分布式电源接入已知算例的基础之上，以配电网 网损最小为目标函数，运用c 语言编写基于遗传算法的无功优化程序，进行大 量的程序运行试验并对程序运行结果进行分析说明，从试验结果来看，程序运 行可靠稳定，结果正确并具有一定的实际意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 第2 章含分布式电源的配电网潮流计算 2 1 分布式电源简介 分布式发电( d is t r i b u t e dg e n e r a tio n ，d g ，也称分布式电源、分散电源) 是指利用各种可用和分散存在的能源，包括可再生能源( 太阳能、生物质能、 小型风能、小型水能等) 和本地可方便获取的化石类燃料( 主要是天然气) 进行 发电供能的技术。通常分布式发电是指靠近用户或负荷，通过配置小容量的发 电设施，满足特定用户的需要，来达到经济、高效、可靠地发电，是相对于传 统集中式发电而言。分布式发电以其投资小、清洁环保、供电可靠和发电方式 灵活等优点日益成为人们研究的热点。 在不同的研究领域，分布式发电有不同的分类方式，一般可以根据其技术 类型、所使用的一次能源及与电力系统的接口进行分类。根据技术类型分布式 发电分为：风力发电、太阳能光伏发电、小水电、燃料电池、微型燃气轮机等； 根据所使用的一次能源可以分为可再生能源与非可再生能源；根据其与电力系 统的接口可以分为直接与系统相联( 机电式) 和通过逆变器与系统相连口的分 布式发电系统。 当前分布式发电的研究热点集中在分布式发电对电网的影响，涉及对传统 配电网规划的影响、对配电网电压与网损的影响、对系统运行的影响、不同 d g 的投入对故障电流的影响和贡献、各种d g 状态分析模型、对系统可靠性影 响的建模等方面。 2 2 配电网潮流计算 2 2 1 配电网潮流计算模型 配电系统潮流计算是配电系统分析的一项重要内容，它根据给定网络的结 构及运行条件来确定整个网络的电气状态，主要是各节点电压幅值和相角、网 络中功率分布及功率损耗等，并进行越界检查，以了解和评价配电系统的运行 状况。它是对配电系统规划设计和运行方式合理性、可靠性及经济性进行定量 分析的重要依据。 与传统的输电网相比，配电网具有一些自身的特点： ( 1 ) 电压等级：配电网的电压等级比输电网的电压等级低，因此传输功率 不大，传输距离较短。 ( 2 ) 网络结构：配电网的结构一般呈辐射状，且分支较多，而输电网一般 为网状连接。正常运行时，配电网一般可以分解为多个由唯一电源点构成的辐 射状结构或弱环结构，使得配电线路上的功率具有单向流动性。 ( 3 ) 线路参数：因为配电一次馈线截面比输电线路小，而且电缆线路所占 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 的比重较大，所以电阻值比输电线路大，电抗值比输电线路小，从而使得配电 线路具有较大的r x 比值，因此不能忽略电阻值。由于各支路距离较短，电压 较低，线路的充电电容可以忽略。 一般的配电网网络结构如图2 - 1 所示。 砜 u 1u 2u 3u 。 鼻+ q l最+ q 2b + 奶只+ q 图2 1 配电网网络接线图 配电网潮流计算的基本模型：母线电压砜和各点负荷功率 z + q j ( f = 1 , 2 ，以) 为已知量，各负荷节点电压u 。( f = 1 ，2 ，玎) ，各条线路的潮流分 布和网损为待求量【1 4 】。 2 2 2 前推回代潮流算法 目前常用的配电网潮流算法主要有：前推回代法、改进牛顿法、回路阻抗 法、隐式z h 。高斯法等。其中，前推回代算法充分利用了配电网辐射型的结构 特点，具有较高的计算效率和优良的收敛特性，计算速度快和占用内存较少。 因此，在辐射形配电网潮流计算中是最常用的一种，本文采用前推回代法，本 节将详述这种算法。 前推回代潮流算法( b a c k w a r d f o r w a r ds w e e pa 1g o r i t h m ，又称前推回推 法、d is t - f lo w 算法) 是求解辐射关配电网络潮流的有效方法。配电网络的显 著特征是从任一给定母线到源结点具有唯一的供电路径，前推回代类方法正是 利用了配电网络的这一特征，沿这些唯一的供电路径修正电压和电流( 或功率 流) 。前推回代类方法收敛性能不受配电网络高电阻与电抗比值的影响。虽然 该类方法处理多个网孔的能力较差，但考虑到配电网络正常运行时为开环辐射 状，即使有时为了倒换负荷需要出现短时环路运行的情况，网络网孔的数目一 般不会多于一个，而对少网孔的弱环网处理并不困难。前推回代类方法以其简 单、灵活、方便等优点，在配电网络潮流计算中获得了广泛的应用。 前推回代潮流算法以如图2 - 2 所示的馈线段作为基本的计算单元，其基本 任务是求解出系统的状态变量( 即馈线上各母线的电压和电流或功率) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 上 图2 - 2 配电网络潮流计算的基本单元( 馈线段) 母线k 的进支又称为支路七，它可以是配电线路、开关或变压器，其三相 导纳矩阵表示为： 酽= 瞵荽 亿t ， 导纳矩阵垆联系起了支路两端的电流和相对地电压 莩莓捌 亿2 ， 若令 心= 酗 ( 2 3 ) 式中，矾，厶+ ，分别为母线七的三相电压向量和母线k 流向其出支的三相 电流向量。前推回代潮流算法可视为反复进行下述2 个过程： ( 1 ) 回代过程 1 = 反( ) ( 2 4 ) ( 2 ) 前推过程 心= 五( 一。)( 2 - 5 ) 其中，五，为互逆的2 个函数。 前推回代潮流算法的般计算步骤如下： 回代过程：由母线k 的三相电压向量d 。和进支电流三相向量j ：，求母线 七一1 的三相电压向量d 和支电流三相向量j 。 前推过程：由母线k - l 的三相电压向量吼一。和出支电流三相向量，。，求母 线k 的三相电压向量阢和进支电流三相向量丘。 如此重复上述两个过程，直到各母线的三相电压向量各分量的幅值和相角 相对于上一次的数值偏差小于容许值为止【2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 2 3 一种实用的前推回代法实现方法 本文根据配电网络的特点，通过构造特殊的节点与支路数据结构，形成配 电网络对应的树结构，完全确定配电网络拓扑结构和配电网参数信息。通过对 树的后序遍历回代修正节点电流，对树先序遍历前推修正节点电压，不断迭代 直至收敛，形成一种实用的配电网潮流计算方法，分析表明该方法无需分层搜 索、不用形成导纳矩阵。算例表明该方法编程简单、结果精确。 1 根据配电网构造树结构 配电网拓朴结构指配电网络各节点的连接关系，节点间连接关系唯一确定 了配电网拓朴结构，再加上配电网电压等级、各节点的负荷量、各支路的阻抗 这些要素可以表达配电网的所有信息2 4 1 ，为了表达配电网的所有信息构造如下 的节点结构体与支路结构体。 即有文献的配电网树结构的构造思路如下【2 5 】： 首先，构造节点结构体与支路结构体，如下所示： 节点结构体： 节点号，节点有功，节点无功 ) ； 支路结构体： 支路头节点，支路尾节点，支路电阻，支路电抗 ； 显然，节点结构体中没有包含节点如其他节点的连接信息，而节点间的连 接信息是确定配电网拓朴结构的关键要素。所以，即有的方法，还必须根据支 路结构体的信息，即支路的头节点与尾节点信息，通过相应的搜索分层才能确 定配电网各节点间的连接关系，这个过程程序实现较复杂。 本文为解决即有方法搜索分层复杂这一问题，构造如下的节点结构体： 节点结构体： 节点号，节点电压，节点电流，节点子节点1 ，节点子节点n ，指 向子节点1 的指针，指向子节点n 的指针，节点有功，节点无功 ) ； 其中，n 表示配电网络中节点的最大支路数，节点电流指节点流向所有子 节点的电流与节点负荷电流之和。节点的电流、电压是自定义结构类型，描述 如下： 电流结构体： 电流实部，电流虚部 ； 电压结构体： 电压实部，电压虚部) ： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 节点结构体中，各节点连接信息是通过节点的予节点指针来表示的，如果 配电网中最多含有3 条支路，即某节点与另外3 个节点连接，那么节点结构体 中的子节点指针个数为3 ，分别指向与其连接的3 个节点。根据这些子节点指 针信息，可以完全确定配电网的拓朴结构，不用进行复杂的分层搜索。 支路结构体仍然采用即有方法构造如下： 支路头节点，支路尾节点，支路电阻，支路电抗 ； 支路结构体中，支路头节点与支路尾节点是用来区分不同支路的要素，支 路电阻与支路电抗是支路的参数，这是潮流计算必不可少的参数信息。 配电网所有节点构成节点数组，所有支路构成支路数组，节点数组与支路 数组的元素为上述结构体类型。根据配电网的拓朴结构参数信息为节点数组与 支路数组赋值，则由节点数组与支路数组唯一确定了配电网的所有信息，即节 点数组与支路数组的组合和配电网一一对应。 2 配电网前推回代法计算步骤 为说明本实现方法的优越性，以图2 3 所示一个1o 节点的配电网模型来阐 述本方法的计算步骤。 ( 1 ) 初始化节点电压， 式中五。为0 点电压， ( 2 ) 回代计算 o 图2 - 3 配电网10 节点模型 即： 五，( 0 ) = 1 i - - - 0 ，1 ，9 。 即树根节点电压。 对树进行后序遍历修正各节点电流，即： ；j = 喝一j q | 毽j + ；。 七- - 1 式中 ；，一一节点的电流 9 ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 矗一一节点流向所有子节点电流之和 k = l ， ( 弓一g ) 甜，- - - - j 节点负荷电流 后序遍历节点的顺序为：5 、2 、6 、9 、8 、3 、7 、4 、1 、o 。本文在节点结 构体中包含了节点的所有子节点以及节点的负荷，所以按( 2 7 ) 式修正电流十分 方便。 ( 3 )前推计算 先序遍历树各节点，根据各节点的初始电压以及步骤( 2 ) 求得的各节点电流 修正各节点电压，即： 西_ = 西f 一木乃 ( 2 8 ) 式中： 舀，一一，节点的电压 z ；一一f 节点的电压 i ，一一，节点的电流 乙一一f 、间支路的阻抗 i 节点为，的父节点。 先序遍历节点的顺序为：0 、1 、2 、5 、3 、6 、8 、9 、4 、7 。由于节点结构 体包含了其所有子节点的信息，对遍历的每个节点，如有子节点，则根据( 2 8 ) 式修正子节点电压，除根节点外所有节点都是某个节点的子节点所以所有节点 的电压均得到修正。树的根节点即0 节点不用修正。在支路数组中，节点的头、 尾节点与支路阻抗是单值对应关系，因此，式中支路阻抗可以根据支路的头节 点和尾节点信息确定。 ( 4 ) 计算节点电压修正值 根据步骤( 3 ) 求得的各节点电压新值求电压修正量，即： a u j ( 1 ) = l u j ( 1 ) 一哆( o ) l ( 2 - 9 ) 并用新值代替旧值进行下一次迭代。 ( 5 ) 计算节点修正值最大值。 m = ( a u m ) )( 2 1 0 ) 式中，= o ，1 ，2 ，刀 ( 6 ) 判别收敛条件 m a ) 【( a u ，( 1 ) ) s( 2 1 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 式中，1 为迭代次数，s 为设定的阈值，当式( 2 1 1 ) 成立时，退出迭代，输出最 后电压值，否则重复步骤( 2 ) ( 6 ) ，直至满足式( 2 - 1 1 ) 为止。 总之，在回代过程中，对树进行后序遍历修正各节点电流，在前推过程中， 对树进行先序遍历修正各节点电压，直至收敛。经过上述迭代计算即可逼近各 点电压的真值。算法流程图如图2 4 所示。 图2 4 前推回代潮流计算流程图 从上述计算步骤可以看出：整个迭代过程中无需对节点进行分层搜索，无 须形成导纳矩阵，因为节点数组已经包含了节点间的连接信息。 3 算例分析 选取图2 5 所示i e e e 配电网3 3 母线系统在v c + + 6 0 上编写程序进行测 试，图2 5 测试系统的节点与支路参数见文献 2 附录部分。程序中收敛阈值设 为s ：1 0 6 。 性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2 页 2 22 32 42 52 62 72 82 93 03 13 2 ， il 1ili i卜lliillil1iiiili 91 | 23 4 56 7 8 91 0111 21 3 1 4 1 51 61 jill 1 81 92 02 1 图2 5 配电网3 3 母线测试系统 程序运行结果如下所示： 表2 1 算例程序运行结果 程序运行结果与文献 2 】附录部分结果一致。验证了本方法的有效性和准确 4 结论 针对配电网络的特点，在配电网络对应的树结构中使用特殊的节点与支路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 结构体，不需要形成导纳矩阵，也不需要搜索分层，以i e e e 配电网3 3 母线 测试系统为算例用c 语言编写程序进行测试，测试结果验证了本算法的有效 性、精确性。 2 4 分布式电源在潮流计算中的模型处理 包含分布式电源的配电网潮流计算与普通潮流计算的区别之一是分布式 电源的潮流计算模型与常规发电机组计算模型不一致【28 1 。在潮流计算中，常规 的发电机组一般可以取为p v 节点、p q 节点或者平衡节点，而分布式电源则 由于其特殊性，其节点是否能取为这3 种节点类型中的一种目前还没有得到充 分的研究，这与各种分布式电源的运行方式和控制特性有关。 以风力发电为例，对于采用不同类型发电机的风电机组，其在潮流计算中 的模型是不一样的。对于采用异步发电机的风电机组，它在向系统注入有功功 率的同时还要从系统吸收一定的无功功率，吸收无功功率的大小与机端电压、 以及滑差密切相关，因此也不能简单地把它处理为p q 或p v 节点，而是需要 计及其有功无功与异步发电机的转差与机端电压的关系。而基于双馈感应电机 的变速风电机组由于采用了变频器的控制，其发出的有功与无功功率能够得以 解耦控制，使其具有了类似于同步发电机的特性，在实际运行当中，其有功与 无功都是可控的。根据采用的运行模式的不同，变速风电机组甚至整个风电场 可以看作p q 节点和p v 节点【2 9 1 。 分布式电源与配电网互联的接口一般有3 种形式：同步发电机、异步发 电机、变频器。每种具体形式的分布式电源的典型容量范围及其与电网的接口 形式如表2 2 所示【3 0 】。 表2 2 分布式电源的容量及其与电网的接口 1 同步发电机组接口模型 采用同步发电机作为接口的分布式电源又分为两种：励磁电压恒定型和励 磁电压可调型。具有励磁电压调节能力的d g 可以看作p v 节点，在潮流计算 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 中处理方法与传统方法相同。励磁电压恒定型的分布式电源不具有电压调节能 力，因而在潮流计算中，采用这种接口形式的d g 其节点不能作为p v 节点， 而发出或吸收的无功与机端电压有关，潮流计算前不能确定，所以也不能看作 p q 节点，需要具体分析。 以隐极机为例。分布式电源的有功和无功出力与电压、功角等的关系如下： = 堡坠s i n 万 ( 2 - 1 2 ) = 竺g 迎c o s 万一逸 ( 2 1 3 ) x d工d 其中，分别为分布式电源的有功和无功出力；嘶为分布式电源 的空载电动势，由于无励磁调节系统，所以巨劢为常数；为机端电压；白为 分布式电源机组的同步电抗；万为功角。 在潮流计算中通常假定有功为己知，因此由以上两个公式可推出分布式电 源的无功出力。与机端电压u d 6 的关系为： = u 芯 白 ( 2 1 4 ) 由此可知，同步发电机组具有如下特点：输出的有功功率为确定值，而无 功功率则与有功功率和机端电压有关，即分布式电源的无功出力可以表示为有 功出力和机端电压的函数，在潮流计算中便可按照式( 2 1 4 ) 处理。 2 异步发电机接口模型 异步发电机由于没有励磁系统，需要从系统吸收无功，吸收的无功大小与 机端电压有关，因此不能简单地把它处理为p q 或p v 节点，在潮流计算中异 步电机的处理同样需要特殊考虑。下面以基于异步发电机组的风电机组为例进 行说明，图2 6 为普通异步发电机的r 型等值电路图。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 。i s k s 图2 - 6 普通异步发电机i 型等值电路 风电机组的原动功率只取决于当时的风速条件，在桨距角保持不变的条件 下，风速决定了其原动的输入机械功率。 只= 去胪j r 2 c p ( ，五) 嚆 ( 2 - 15 ) = 只一只。，一兄，一乞：一咒 ( 2 - 16 ) 式中，只为风电机组原动功率，z 为风电机组输出的有功功率，哦，为风 力机的损耗。 由 p 丽 ( 2 - 1 7 ) 可以得出与s 的关系，得 s ：一里墨：二鲨壁二兰竺! 冬垄：笙堡( 2 1 8 ) 2 e ( t + x ，) 2 、 7 将其代入无功功率表达式消去发电机转差，得出发电机无功功率与有功功 率的关系： 2 8 ( x , + z ) 2 一 d 2 司：r r + 、3 u ：群一4 艺霹雠s 七x 了噼s + x ，+ x 3 一。4 p 。2 ( x , + z ) 3 耳( 卅耳+ 届再甄再万) 以 ( 2 - 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 与式( 2 1 4 ) 有相似之处，即分布式电源的无功功率都可以表示为有 功功率和机端电压的函数，不同之处在于：式( 2 1 4 ) 中的无功功率为正值，即 同步发电机在发出有功的同时也发出无功；而式( 2 ，19 ) 中的无功功率为负值， 即异步发电机在发出有功的同时需要从系统吸收无功。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 在潮流计算中，若已知风速，则风电场的有功功率为已知，或直接已知有 功功率的数据，无功功率则可以表示为有功功率与节点电压的函数，风电场节 点的有功、无功功率便可按照( 2 1 6 ) 、( 2 1 9 ) 式进行计算。 3 变频器接口模型 一些分布式电源并网运行，需要通过电力电子装置( 整流器或逆变器) 与系 统接口，如燃料电池、太阳能光伏发电、储能系统、微型燃气轮机、基于双馈 感应发电机的风电机组等。其中燃料电池、太阳能光伏和储能系统发出的是直 流电，需要通过电压源逆变器与电网接口；微型燃气轮机发出的是高频交流电， 需要通过a c d c a c 或a c a c 变频后才能并网；双馈发电机组转子侧发出的 电流频率低，是同步频率的s 倍( s 为转差率，大约o 1 o 2 之间) ，因此需要通 过变频器把转子电流频率变为工频5 0 h z 后才能并网。 对于采用变频器接口的分布式电源而言，输出的有功和无功与变频器的控 制策略有关，潮流计算中需要结合变频器的控制策略对分布式电源进行处理。 以基于双馈感应电机的变速风电机组为例。由于风电机组采用了变频器的 控制，其发出的有功与无功功率能够得以解耦控制，使其具有了类似于同步发 电机的特性，在实际运行当中，其有功与无功都是可控的。根据采用的运行模 式的不同，风电机组甚至整个风电场都可以看作p q 节点或者p v 节点。 在恒功率因数控制模式下，变速风电机组或风电场的功率因数保持恒定， 其有功功率和无功功率之间为线性关系，可以看作p q 节点；在恒电压控制模式 下，风电机组的无功功率根据机端电压与设定电压之间的偏差能够在一定的范 围内进行调节，此时可以将其看作为p v 节点，当无功功率超过极限时，无功 功率维持在极限值不变，此时风电机组由p v 节点转化为p q 节点【3 。 各种模型接口的分布式电源在潮流计算中最终都化归为p q 节点来处理， 这部分研究不是本文的重点，因此简化起见，本文将分布式电源作为具有恒定 功率因数的p q 节点，将其视为“负的负荷”，处理方法与普通的p q 节点相同。 2 5 本章小节 本章主要讨论含分布式电源的配电网潮流计算。首先，详细阐述了目前最 常用的前推回代法，并针对以往前推回代法实现方法编程复杂等问题，提出一 种简单实用的方法，算例证明此方法正确可靠。最后分析了分布式电源接入配 电网常用接口模型以其在潮流计算中的处理方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 7 页 第3 章基于最优网损的分布式电源接入研究 3 1 配电网无功优化基本理论 3 1 1 配电网无功损耗及无功特性 本论文研究含分布电源的无功优化软件实现问题，所以从尽量减小网损角 度将分布式电源接入配电网以达到与后续无功优化目标一致，因此，有必要在 本章前面部分介绍配无功优化的基本理论。 在配电网中无功损耗包括以下几个部分： ( 1 ) 大多数用电设备都要消耗无功功率。白炽灯和一些电热设备不消耗无 功功率，同步电机可以消耗也可以发出无功功率，而用电设备中的异步电动机 消耗的无功功率最大。 。 ( 2 ) 配电变压器也是配电网中无功功率的主要消耗者之一，其消耗的无功 功率主要包括励磁无功功率损耗和漏感无功损耗。 ( 3 ) 电力线路上的无功功率损耗包括串联电抗和并联电纳中的无功功率损 耗。串联电抗始终消