基于网络分区的多适配性输配网协同潮流算法研究.pdf

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第42卷第23期2014年12月1日电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVO1.42NO-23Dec.1.2014基于网络分区的多适配性输配网协同潮流算法研究高明,赵月辉,吴任博,黄凯涛,骆燕婷(1.广州供电局,广东广州510620;2.南京南瑞继保电气有限公司,江苏南京211102)摘要:针对传统算法不适用于榆配电网一体化潮流计算这一情况,提出输配协同潮流算法。该算法基于输配电网之间的电气连接关系及其各自网络结构特点,对整个网络进行区域划分,建立输配电网边界映射区,处理其失配功率,给出收敛判据。根据配电网部分不同地区的网络结构特征,采用适合的算法对配电网进行分区计算。针对一体化潮流计算时电网中负荷功率被人工置数的情况,给出相应处理方法。以广州输配电网为例进行了计算,验证了协同潮流算法的准确性和多适配性。关键词:输配电网一体化;协同潮流计算;网络分区;能量管理系统;配电管理系统Multi-suitabilitycooperativepowerflowforwholetransmissionanddistributionnetworksbasedonnetworkpartioningmethodGAOMing,ZHAOYue.hui,WURen.bo,HUANGKai.tao,LUOYah.ting—(1.GuangzhouPowerSupplyBureau,Guangzhou510620,China;2.NariRelaysElectricCo.,Ltd.,Nanjing211102,China)Abstract:Inallusiontothesituationthatthetraditionalalgorithmsdonotapplytopowerflowcalculationofintegratedtransmissionanddistributionnetwork,thispaperconstructsacooperativepowerflowcalculationalgorithm.Basedontheelectricalconnectionrelationshipandstructuralcharacteristicsofthesetwonetworks,thealgorithmmakesregiondivision,buildsboundarymappingarea,processesmismatchingpoweranddiscussesconvergencejudgements.Accordingtothestructurecharacteristicsindifferentregionsofdistribution,appropriatealgorithmisusedforeachdivision.Atreatmentmethodisgivenwhentheloadpowerismanuallyset.Thetra—nsmissionanddistributionnetworkofGuangzhouistakenasatestcaseandtheresultshowstheaccuracyandmultisuitabilityofthisalgorithm.Keywords:integratedtransmissionanddistribution;cooperativepowerflowcalculation;regiondivision;EMS;DMS中图分类号:TM744文献标识码:A—文章编号:1674.3415(2014)230063.060引言潮流分析在众多电网分析应用中处于基础地位,在能量管理系统(EMS)[1-2]中,它是静态安全分析、无功优化L3J等应用的基础;在配电管理系统(DMS)【4J中,它是解合环分析、负荷转供、网络重构[5-61等应用的基础。目前EMS与DMS中的电网分析应用都是基于各自的潮流计算功能,两个系统的潮流计算在对输配电网的边界部分进行了等值处理后,分别对各自系统内的电网模型进行计算。然而,在实际电网中输配电网之间是由电气设备相连的,两者之间存在相互影响。因此,对包含输配电网在内的整个电力系统进行一体化潮流计算,可获得更准确的潮流分布,同时为EMS和DMS中的其他电网分析应用提供良好的基础。EMS中潮流计算通常采用PQ分解法J,而DMS中潮流计算一般采用前推回代法及其改进算法。引。这是因为输配电网在网络结构、网络参数和网络规模上有很大差异,难以使用同一潮流计算方法对输配电网进行潮流计算。因此,对输配电网应分别采用其适用的潮流算法。通常情况下,EMS和DMS中都已有潮流计算功能,对输配电网进行一体化潮流计算时应充分利用系统已有的潮流计算功能,并避免对已有功能进行修改。针对输配一体化的潮流计算,文献[13] ̄13文献[14】提出了基于主从分裂理论的全局潮流计算,此算法通过交换边界设备功率来消除边界失配功率,具有较好的网络适应性和收敛性,但其未指出如何匹配输配电网的边界设备及其状态。文献[15】在文献[13]和文献[14]的基础上提出了网格计算环境下的输配一体化潮流计算算法,此算法将配电网划分..64..电力系统保护与控制为多个部分,通过对各馈线潮流进行并行计算,提高了计算速度,但需要并行计算环境,且编程较为复杂。本文基于输电网与配电网的网络特点,将整个网络划分为输电区、配电区以及边界区。通过区域的划分,在潮流计算算法上对输电网和配电网进行解耦。针对配电网区域特征较明显的情况,对配电网进行分区潮流计算。提出协同潮流算法,建立边界映射区,对输电网采用PQ分解法、对配电网的不同分区分别采用前推回代法和改进的前推回代法,迭代调用输配电网的潮流计算功能,通过边界映射区对边界设备功率进行交换并进行收敛性判断。以广州输配电网为例,使用协同潮流计算软件,可准确地计算输配电网的潮流分布。1边界映射区建立EMS和DMS的网络模型通常是分别独立建模,一般只建立本调度监控范围内的电网详细模型,其余部分采用等值处理。各调度系统中电网模型中会有重复建立的部分,称之为关口电网。关口电网的厂站在各调度中的模型是不一样的。对于输电网和配电网模型而言,其关口电网主要为10kV电压等级设备。图1和图2分别为EMS和DMS中同一厂站的关口电网模型。线路】母线1母线2刀闸3开关2刀闸4负荷1负荷2图1EMS关口电网模型Fig.1EMSgatewayofgridmodelEMS关口电网模型中,110kV高压侧电网建模与实际电网一致,10kV低压侧电网将厂站外的馈线部分等值为负荷;DMS关口电网模型中,110kV高压侧电网部分使用等值电源代替,10kv部分与实际电网一致。对比图1与图2可知,两者重复的“”“”“”“”部分为母线2、开关1、开关2、刀闸1、“”“”“”“刀闸2、刀闸3、刀闸4。对于DMS的馈”“”线1而言,其馈线段1及其以下部分被等值为“”EMS中的负荷1,其他馈线等值方法同前所述。等值发电机……LL一一:L一一32:图2DMS关口电网模型Fig.2DMSgatewayofgridmodel因此,应针对关口电网部分建立五类边界设备映射关系:“”(1)厂站映射。建立厂站映射表,使EMS和DMS中关口电网模型包含的厂站能够匹配。“”(2)母线映射。建立母线映射表,使EMS和DMS中关口电网模型包含的10kV母线能够匹配。“”(3)开关刀闸映射。建立开关刀闸映射表,使EMS和DMS中关口电网模型包含的开关、刀闸能够匹配。——“——(4)负荷馈线映射。建立负荷馈”线映射表,使EMS中的10kV等值负荷与DMS“中的对应馈线能够匹配。负荷与馈线的匹配可由开”关刀闸映射表及其中设备的拓扑关系确定。“”(5)等值电源映射。建立等值电源映射表,使DMS中的等值电源与EMS中的被等值设备能够匹配。建立边界设备映射关系后,整个输配电网络被划分为输电网区、配电网区和边界映射区。其中输电网区与EMS中的网络模型一致,配电网区与DMS中的网络模型一致,二者通过边界映射区建立联系。2边界设备状态映射潮流计算功能是建立在拓扑分析功能基础之上的,拓扑分析功能形成了电气设备之间的连接关系并可由此得到电气设备的带电状态。EMS和DMS中的拓扑分析功能只对其各自的网络模型进行分析,由于网络模型对边界设备进行了等值,造成了输配电网模型在电气连接关系的割裂,导致输配电网关口电网模型中的边界设备状态的不一致,不能真实反映实际电网运行状态。因此需要进行边界设备状态映射。需要映射的设备状态如下:高明,等基于网络分区的多适配性输配网协同潮流算法研究.65.(1)排除状态映射。潮流计算中有时会排除某些设备,使之不参与计算。因此应通过状态映射使边界映射区中的设备排除状态保持一致。(2)开合状态映射。开关、刀闸的开合状态对拓扑分析结果有很大影响。因此应通过状态映射使边界映射区中的开关、刀闸的开合状态保持一致。(3)带电状态映射。当输电网的某些设备的带电状态发生变化后,配电网中设备的带电状态也会随之变化。因此应根据边界映射区中输电网设备的带电状态设置配电网设备的带电状态。建立边界设备状态映射后,当EMS和DMS中的设备状态发生变化后,边界映射区中的边界设备状态是一致的,与真实电网运行状态相符。3协同潮流计算3.1配电网区域划分由于配电网设备较多,且不同馈线问的电气耦合较弱,因此可根据其运行时的网络结构以及是否包含分布式电源进行分区潮流计算,并针对不同分区采用其适合的算法。对于不含分布式电源的馈线,当其为辐射状时,此馈线为一个分区,采用前推回代法;当其为弱环状时,此馈线及其相连馈线为一个分区,采用改进的前推回代法。对于含分布式电源的馈线,当分布式电源点可当作PQ节点且馈线为辐射状时,此馈线为一个分区,采用前推回代法;当分布式电源点不可当作PQ节点或馈线为弱环状时,此馈线及其相连馈线为一个分区,采用改进的前推回代法。通过对配电网进行区域划分,使得配电网不同区域的潮流计算可使用相应的最佳算法,提高潮流计算的效率、准确度和收敛性,避免了单一算法难以适应配电网复杂运行方式的缺陷。同时,配电网区域划分在配电网内部进行,不影响输配电网问的区域划分。3.2分布式电源的处理分布式电源并入配电网后,会改变配电网的潮流分布。根据分布式电源并网方式的不同,在进行配电网部分的潮流计算时,应将其作为不同的节点类型处理Il"J。对于采用异步发电机组并网的分布式发电系统,由于异步发电机需要从电网吸收无功,在进行潮流计算时,认为其发出的有功功率是给定的,其无功功率受机端电压影响。因此可在每次迭代前,根据节点电压计算出无功功率后,将其当作PO节点处理。对于采用同步发电机组并网的分布式发电系统,当其励磁系统采用电压控制时,将其当作PV节点处理;当其励磁系统采用功率因数控制时,将其当作PQ节点处理。对于采用电力电子装置并网的分布式发电系统,如燃料电池、光伏电池等,当其并网点未发生无功越限时,将其当作PV节点处理,当其发生并网点无功越限时,把无功注入值设为无功输出限值后,将其当作PO节点处理。3.3协同潮流算法“”设边界映射区负荷一馈线映射表中的负荷及其对应馈线数量为m,且EMS中第i个负荷的有功功率、无功功率分别为尸E和,其对应的DMS中的馈线总消耗有功功率、无功功率分别为尸D和“”QD;边界映射区母线映射表中母线数量为n,且EMS的第,条母线电压为,,其对应的DMS的母线电压为,。因此,在实际电网中,应满足以下条件:…l尸Ef=PD(i=1,2,,m)…{QE=QD(i=1,2,,m)(1)…l=f(J=1,2,,)在输电网潮流计算中,是随尸Ef和QE变化的,由3.2节可知,PD和QD是随变化的,因此EMS和DMS各自进行潮流计算时,式(1)一般不成立,需要通过迭代计算使之得到满足。迭代收敛条件如下:Jmax{I尼一l<}:12一,)…{roax{I一Qo,I<eQ}(1,2,,(2)…lmax{j一f<ev}U=l,2,,式中,so、8v分别为有功功率、无功功率、电压的收敛精度。计算过程为(1)采用PQ分解法计算输电网潮流分布。计算收敛则转步骤(2),否则计算结束。“”(2)对于边界映射区母线映射表,将配电网母线电压,修正为,。(3)计算配电网潮流分布。计算收敛则转步骤(4),否则计算结束。(4)根据式(2)判断迭代是否收敛,若收敛或达到迭代次数上限则结束计算,否则转步骤(5)。“”(5)对于边界映射区负荷一馈线映射表,将输电网有功功率尸E修改为尸D,无功功率QE修正为QD,转步骤(1)。3.4人工置数的处理为模拟不同运行情况下电网的潮流分布,在进行潮流计算之前,通常会修改现有的电网断面,即.66.电力系统保护与控制对部分负荷的有功功率、无功功率进行人工置数。在进行协同潮流计算时,当边界映射区的输电网等值负荷功率被人工置数后,其数值在迭代过程中不应发生变化,因此3-3节中协同潮流计算过程的步骤(5)不再适用。应将被人工置数的边界映射区负“”荷功率分配到负荷一馈线映射表中对应的馈线中去。以负荷有功功率被人工置数为例,其计算流程如下:“”设边界映射区负荷一馈线映射表中的等值负荷被人工置数后有功功率为尸E,其对应的DMS中的馈线共有n个负荷,其中前m个负荷的有功功率被人工置数,其他负荷的有功功率未被人工置数,各负荷分配前的有功功率为尸D。若对馈线负荷的有功功率进行分配时采用平均分配策略,分配后负荷的有功功率计算公式为…PD:尸D(1,,)∑(PFl一)(3)—…f=f+上一(i=-t-1,,)(胛一mI4算例分析本文以广州输电网和某个区的配电网为研究对象,输电网包含的电压等级为10kv及其以上部分,配电网包含的电压等级为10kV及其以下部分。输配电网模型分别采用现有的EMS和DMS中的电网模型,模型相互独立。使用c++语言编制协同潮流计算程序,运行环境为Linux操作系统。协同潮流计算程序调用的输电网潮流计算功能采用PQ分解法,功率收敛精度为0.000lpu(功率基准值为100mVA);配电网潮流计算功能采用前推回代法及其改进算法,电压收敛精度为0.0001pu;边界映射区的功率收敛精度为0.0001pu(功率基准值为100kVA),电压收敛精度为0.0001pu。算例中,边界映射区设备数量与输配电网的设备数量统计见表1,其中输配电网模型中的同一设备只计一次。表1电网模型设备统计Table1Numberstatisticsofdevicesingrid由表1可知,边界映射区包含的设备数量占输配电网总设备数量比例极小,且只需建立一次,在迭代过程中无需修改,因此其所需内存空问与消耗时问也很小。迭代过程中需要交换的潮流数据主要为边界映射区的母线电压以及负荷、馈线的功率,由表1可以看出,需要交换的潮流数据占总潮流计算数据的比例也很小。算例中的每轮协同潮流计算过程中的输配电网潮流计算迭代次数统计见表2,其中配电网单馈线平均迭代次数为配电网各馈线迭代次数之和除以配电网总馈线个数。表2迭代次数统计T,le2Iterationsstatistics由表2可知,每轮协同潮流计算中,输配电网的潮流迭代次数变化不大。由此可见,协同潮流计算对输配电网各自的潮流计算稳定性影响很小。一般经过3~4次的输配协同迭代,协同潮流计算可以收敛。算例中,协同潮流计算前后的边界设备电压、功率失配量见表3。表3边界设备潮流对比Table3Comparisonofboundaryareadevicespower由表3可知,经过协同潮流计算,大大减小了边界设备的电压和功率失配量,提高了潮流计算的准确性。5结论本文对输配电网的结构特点及其各自适用的潮流算法进行分析,在此基础上提出将输配电网进行区域划分,使之在潮流计算应用层解耦。通过建立边界映射区,在EMS和DMS电网模型之问建立了电气连接关系。通过边界设备状态映射,使EMS和DMS中的设备状态同实际电网保持一致。提出高明,等基于网络分区的多适配性输配网协同潮流算法研究.67.协同潮流算法,消除了边界设备潮流不平衡,提高了输配电网潮流计算的准确性,实现了输配电网一体化潮流计算。针对诸如广州电网的特大型城市电网配电网部分网架结构复杂,部分地区为辐射状电网,部分地区为弱环状电网,部分地区包含分布式电源这些特性,提出了配电网分区计算,对于不同分区,根据其特征采用相应算法,使得配电网部分的潮流计算更具普适性。协同潮流算法可利用EMS和DMS现有的潮流计算功能,而无需进行修改,因此其可适用于多种EMS和DMS系统;同时,协同潮流计算过程中需要交换的边界数据量较少,即可应用于集中式计算环境,也可通过通信方式,使之应用于分布式计算环境,具有很强的适用性。这种先对全网进行输配分区,再对配电网内部进行分区的计算架构,使其在进行输配电网潮流计算时,可采用多种适用算法,具有较好的工程实用性和电网适配性。广州输配电网的算例说明,协同潮流算法适用于大规模输配电网一体化潮流计算,能够提高潮流计算的准确性。参考文献[1]AZEVEDOGP'FEIJOB,COSTAM.Controlcentersevolvewithagenttechnology[J].ComputerApplications—inPowerIEEE,2000,13(3):4853.[2]KEZUNOVICM。BOSEA.ThefutureEMSdesignrequirements[C]//SystemSciences(HICSS),2013:2354.2363.[3]宫一玉,吴浩,杨克难.一种基于潮流追踪的电力系统无功控制分区方法【J].电力系统自动化,2013,37(9)—2933.—GONGYi-yu,WUHao,YANGKenan.Anetworkpartitionmethodforpowersystemreactivepowercontrolbasedonpowerflowtracing[J].AutomationofElectric—PowerSystems,2013,37(9):2933.[4]陈竟成,张学松,于尔铿.配电管理系统fDMs)及其应用功能[J】.电力系统自动化,1999,23(18):45.48.—CHENJing-cheng,ZHANGXuesong,YUEr-keng.Distributionmanagementsystemanditsapplicationfunctions[J].AutomationofElectricPowerSystems,1999,23(18):45-48.[5]汲国强,吴文传,张伯明,等.以降损和载荷均衡为目标的地区电网网络重构快速算法[J].电网技术,2012,26(111:172.178.——JIGuoqiang,WUWenchuan,ZHANGBo-ming,eta1.Regionalnetworkreconflgurationalgorithmforlossreductionandloadingequilibrium[J].PowerSystemTechnology,2012,26(11):172-178.[6]王少林,唐巍,白牧可,等.考虑分布式电源出力调整的多目标配电网重构[J】_电力系统保护与控制,2012,40(181:117-122.—WANGShaolin,TANGWei,BAIMu-ke,eta1.Multi-objectiveoptimizationofdistributionnetworkreconfigurationconsideringadjustingtheoutputofdistributedgeneration[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(18):117-122.[7]STOTTB。ALSACO.Fastdecoupedloadflow[J].IEEETransonPAS,1974,93(3):859-869.[8]张立梅,唐巍.计及分布式电源的配电网前推回代潮流计算[J].电工技术学报,2010,25(8):123-130.ZHANGLi-mei,TANGWei.Back/forwardsweeppowerflowcalculationmethodofdistributionnetworkswithDGs[J].TransactionsofChinaElectrotechnicalSociety,2010,25(8):123-130.[9]吕学勤,吴辰宁.含分布式电源的配电网潮流计算改进方法研究[J].电力系统保护与控制,2012,40(21):48.51.LOXue-qin.WUChen-ning.ModifiedpowerflowcalculationmethodofdistributiongridwithDGs[J].PowerSystemProtectionandControl,2012,40(21):48.51.[10]张学松,柳焯,于尔铿,等.配电网追赶法潮流[Jj.中—国电机工程学报,1997,17(6):382385.—ZHANGXuesong,LIUZhuo,YUEr-keng,eta1.Aloadflowtechniquefordistributionsystembasedontriangularstepbystepmethod[J].ProceedingsoftheCSEE,1997,—17(6):382385.[11]SHIMOHAMMADID,HONGHWSEMLYENA,eta1.Acompensationbasedpowerflowforweaklymesheddistributionandtransmissionnetworks[J].IEEETransonPowerSystems,1988,5(2):753-762.[12]代江,王韶,祝金锋.含分布式电源的弱环配电网络潮流计算[J].电力系统保护与控制,2011,39(10):37-41.46.—DAIJiang,WANGShao,ZHUJinfeng.Powerflowmethodforweaklymesheddistributionnetworkwith.68.电力系统保护与控制distributedgeneration[J].PowerSystemProtectionandControl2011,39(10):37-41,46.——[13]孙宏斌,张伯明,相年德.发输配全局潮流计算第一部分:数学模型和基本算法[J】.电网技术,1998,—22(12):3942.SUNHong-bin,ZHANGBo-ming,XIANGNian-de.——Globalpowerflowcalculationpart1:modelandmethod[J].PowerSystemTechnology,1998,22(12):39.42.——[14]孙宏斌,张伯明,相年德,等.发输配全局潮流计算第二部分:收敛性、实用算法和算例[J】.电网技术,—1999,23(1):5053.SUNHong-bin,ZHANGBo-ming,XIANGNian-de,eta1.Globalpowerf——lowcalculationpart2:convergence.practicalalgorithmandnumericaltest[J].PowerSystem—Technology,1999,23(1):5053.[15]陈羽,刘东,廖庆,等.网格计算环境下输配电网联合潮—流计算【J].电力系统保护与控制,2012,40(5):4247.CHENYu,LIUDong,LIAOHuai-qing,eta1.Transmissionanddistributionnetworksunitedpowerflowundergridcomputingenvironment[J].Power—SystemProtectionandControl,2012,4O(5):4247.[16]陈海焱,陈金富,段献忠.含分布式电源的配电网潮—流计算[J].电力系统自动化,2006,30(1):3540.———CHENHaiyan,CHENJinfu,DUANXianzhong.StudyonpowerflowcalculationofdistributionsystemwithDGs[J].AutomationofElectricPowerSystems,2006,—30(1):3540.[17]彭彬,刘宁,吴迪.配电网潮流计算中的分布式电源建模[JJ.电力系统及其自动化学报,2011,23(2):152.156PENGBin,LIUNing,WUDi.Modelingofdistributedgenerationfordistributionsystempowerflow—calculation[J].ProceedingsoftheCSUEPSA,2011,—23(2):152156.—收稿日期:2014-0217;—修回Et期:2014-0317作者简介:高明(1978-),男,硕士,从事EMS与调度信息化运维与研究工作;赵月辉(1987-),男,通信作者,硕士,从事调度自动—化和配网自动化研究工作。Email:zyhhyz1987@qq.corn
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