电力系统配电网潮流计算算法的研究

 2022-01-17 11:01

论文总字数:18141字

目 录

1.绪论 1

1.1配电网潮流计算的研究背景及意义 1

1.2配电网自动化研究的现状 1

1.3配电网潮流计算的现状 2

2.配电网的特点和模型: 4

2.1配电网的特点 4

2.2 配电网的数学模型 5

3.潮流计算算法的要求及简介: 6

3.1 潮流计算算法的要求 6

3.2 牛顿法 6

3.3 PQ分解法 9

3.4前推回代法 10

3.5回路阻抗法 13

3.6潮流计算算法的比较 13

3.6.1收敛能力 13

3.6.2 算法的稳定性 14

3.6.3 比较分析结果 14

4.算例分析 15

4.1 IEEE-10节点系统算例 15

4.2 IEEE-33节点系统算例 17

4.3 分析比较 20

5.总结 20

参考文献 21

致谢 22

附录A 23

电力系统配电网潮流计算算法的研究

杜俊成

,China

Abstract:With the modern society development and progress and people's living level increasing, the whole society of power demand more and more, the optimal planning of distribution network, the research trend of computing algorithm to society's long-term development has a profound significance. Is introduced in this paper the mathematical model of the distribution network, describes the flow calculation principle and algorithm, to compile the back / forward sweep distribution power flow calculation program, in IEEE-10 system and ieee-33 system operation results, the forward and backward substitution method is applicable to radiation type distribution network tidal current calculation conclusion.

Key words:power distribution network;power flow calculation;Newton method; the back / forward sweep method;

1.绪论

1.1配电网潮流计算的研究背景及意义

现代社会的发展日新月异,人民生活的水平日益提高,人们也需要越来越多高质量、可靠的电力供应来满足生产生活的需要。国家制定执行了一系列相关的政策和法律法规,促进相关监督机构和管理机构来保证供应部门提供安全可靠的电力。在我国,由于输电网基本配备了EMS能量管理系统,促进我国自动化水平的提高,但在实际中存在着诸如设备陈旧、损耗严重、电能质量较差等等问题。我国的高压输电网面临着严峻的考验,高压输电网的自动化发展任重而道远。

在我国电力系统当中,大型发电厂所处的位置距离负荷中心比较远,电能是通过发电厂进行发送的。电能传送到负荷中心,需要经过高压输电网络或者是超高压输电网络。在负荷中心,电能按照相应的电压等级分配给不同的用户。在电力网中,配电网络主要的功能就是分配电能。对配电网进行分类,依据地域差别或者是接受的对象来分,可以分为城市配电网以及农村配电网[[1]]。城市配电网的电能分配和供应区域是一个城市及其郊区。同理,农村配电网的电能分配和供应区域是县(县级市)范围内的农村、乡镇、县城。依据电压等级进行分类,可以分为高压配电网,其电压范围上限是110kV,下限是35kV;中压配电网,它的范围是在6kV到10kV之间;最后是低压配电网,它的电压最低是220V,最高是380V。

1956年,J.B.Word开创了研究电力系统潮流计算的先河,自此开始发展,至今经久不衰。针对配电网的特点,学者们呕心沥血,经过多年研究,目前已经研究出几个潮流算法,诸如牛顿法、PQ分解法、回路阻抗法和前推回代法等。我国现今的配电网大多为环网结构、开环运行,即具有辐射形树枝状结构,仅有一个电源点,因此线路功率单向流动。用户直接接受配电网提供的电力,电压水平一直保持在一个范围内,范围是3到35kV,输电容量低于2MW,这样会导致线路的电阻R与电抗X没有多大差别,甚至有些线路出现Rgt;X[[2]]。

在此情况下,几种潮流计算算法的缺点暴露无遗。牛顿法需要导纳矩阵的存在,同时丢失了雅克比矩阵的对角优势,不易收敛;回路阻抗法则需要在复杂的节点和支路上耗费大量的时间。相对而言,前推回代法依据配电网络呈现的辐射状的特性,处理数据更为方便快捷,运算结果更为准确,不需要进行复杂运算,因此在辐射状潮流运算中普遍使用[[3]]。

1.2配电网自动化研究的现状

在20年代末期,国外配电网在自动化方面开始起步,在发展初期,自动化系统包含的模板只有独立的与自动化相关的模块,一开始是在自动化设备进行互相之间的融合的基础上进行设计的,在与配电自动化相关的理论和实践技术的发展下,相关的关注重视下,出现了在FTU的基础上和通信网络技术的基础上的配电自动化,随着科技的进步,技术的创新以及研究的深入,配电自动化研发的趋势变为建立以多功能模块一体化为核心的配电自动化系统,这样不但能够保证系统的集中化,而且能够实现不断开拓和发展配电系统的多功能性。至今为止,在国外的某些地区,已经构建了相对来说比较完善的配电网管理系统。该系统的高级性能大约有140多种,实现了多种系统一体化的配电网管理系统,其中的子系统包括变动所自动化、远程测控、馈线分段开关测控和用户负荷量控制等等系统[[4]]。

配电管理系统(DMS)主要包括的系统有:配电自动化系统(DAS)、地理信息系统(GIS)、配电网重构、管理信息系统(MIS)和需求侧管理(DSM)。主要能够实现的功能有三类,分别是:配电网分析、负荷管理功能和SCADA功能。配电网分析由网络结线分析(又称网络拓扑),潮流计算(包括三相潮流),负荷预报,短路流计算,线损计算,状态估计,电压/无功优化等组成。配电网分析软件可以使相关技术人员在分析、研究、控制和管理配电系统方面更加得心应手。

与国外发达国家相比较而言,在配电自动化系统方面,我国起步晚,开始研究的时候远远落在了发达国家之后,与此同时,我国将精力主要投入于输电网的建设和发展,忽略了配电自动化的建设,导致配电自动化发展远远落后于发达国家。随着配电网络的迅速兴起和快速发展,人们对于电的需求量越来越多,这样会要求供电的可靠性达到一个更高的水平,需要我国加快对配电网的发展和建设。文献[4]中提出,完善我国配电网自动化系统建设的途径主要有:增加设立RTU、FTU馈线远方终端,从而能够提升整个网络整体的自动化程度;建立快捷有效的通信通道,从而能够更有效率的传递数据资料、及时反馈信息,进行实时监控和检测。与此同时,对于加强建设馈线自动化,能够有效的提高供电的可靠性能,快速判断故障出现的原因及位置,从而快速解决问题,及时恢复供电[[5]]。

最近几年来,我国加大了对配电网建设的投资力度,加强对该技术的研究和发展,随着一次电气设备的技术不断改进发展,从而促进我国配电自动化系统的快速发展,为充分应用该系统各种功能奠定基础。现今,在我国重点发展城市,对于配电网络的应用结构越来越合理化,一次设备为配电自动化的应用创造了良好的发展环境,各类通信技术在该系统中的应用越来越得心应手,促进配电自动化系统的发展,使该技术的研究走向成熟。

1.3配电网潮流计算的现状

电力系统通过建立和发展,相关人员为了更好地完善潮流计算,投入了相当多的人力和精力为了更好地研发。一开始,潮流计算是相关人员手算来得出最后的结果。在当时,计算机技术并没有完善,电力系统基本都是规模不大的,因此,通过手算就能得出准确的结果,完成分析。但是,电力系统在发展,规模在扩大,需要计算的数据越来越多,需要计算的速度越来越快,难以实现,手工计算不能满足电力系统的需要。又因为电力系统的结构比较复杂,规模比较庞大,难以进行大规模电网潮流计算。

在上世纪中期,计算机技术开始普及,也运用在了电力行业并影响电力行业的发展。相关研究人员开始尝试使用优良的计算机技术来计算潮流。但是,相关人员的创新能力不足,在当时最常见最普遍的潮流计算方法是导纳矩阵的迭代,迭代次数不多。虽然这种方法具有简单、易操作、占用内存空间小的优势,但是这种方法在经过多次迭代之后,并不能持续收敛。所以在这种情况下产生了用节点阻抗矩阵来计算的算法。新产生的这种算法收敛性稳定,但在运算过程中消耗的内存较大,解题的数量及方程式在增多,不能进行很好的计算和储存[[6]]。

在此之后,相关人员开始使用传统的牛拉法来进行运算。牛拉法运用的基本理论是:首先通过泰勒级数展开方程式;其次,去除式中的高次项,通过线性方程式求解;再之后,通过多次迭代完成计算。这种方法的优势是能够进行二次收敛并能获得不错的效果。在这段时间内,大多数都在使用这种方法。直到上世纪末,新的潮流方法--快速解耦法开始出现。快速解耦法是基于牛拉法的原理上提出的。它具有的优越性有计算速度快,占用内存小等。在以上提到的几种算法,都可以运用在高压输电网中。但是电力系统又存在中压和低压网络,这两种系统与高压的特点存在差异性[[7]]。如:(1)中压和低压网络的线路和阻抗的比值较大。(2)扩大电线和电缆的数量会导致电阻越来越大,直到大于电抗。(3)系统容量较低。(4)电压水平较低。

随着我国经济飞速增长,输电网以外的电网出现许多问题。随着“和平与发展”的社会主题的深入,新能源的广泛运用,为了能更好得融入响应国家的政策,配电网也变得更加复杂。在这种情形下,传统的潮流计算方法比如牛拉法、快速解耦法在计算时会出现各种问题,比如说计算量大且复杂,计算效果不好,收敛性不好甚至无法收敛等情况。

在上世纪末期,在各国,随着电力行业相关机构越来越重视配电网,对其进行监督和管理,相关研究人员扩大了对配电网潮流计算的研究规模。我国的电网把注意力集中到如何提高电能的质量以及如何加强其可靠性,当前最重要的是分析潮流计算的参数[[8]]。

配电网有多种结构并且各种结构下的参数特性不同,这样的特点会决定配电网潮流计算的算法不能沿用传统算法。在此之前,可以进行潮流计算的方法,比如牛拉法,这种方法计算慢,需要的存储容量大。配电网是馈线构成的,在采用传统方法时,则需要同时计算若干个馈线,计算量大并且收敛性能不好。

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