考虑网络结构优化的含分布式电源的配电网多目标重构研究--《三峡大学》2016年硕士论文
考虑网络结构优化的含分布式电源的配电网多目标重构研究
【摘要】：随着国民经济的快速发展,配电网的经济、可靠运行成为如今电网运行的重要部分。传统的配电网重构优化研究主要是以降低有功网损、均衡负荷以及提高基于电力设备下的可靠性为目的,少有考虑网络自身拓扑结构优化。同时,随着分布式发电技术的快速发展,越来越多的分布式电源(DG)并入配电网,特别是出力具有随机性、间歇性的DG,使得传统的配电网重构方法不能完全适用含DG的配电网。因此,在配电网重构研究中,考虑网络结构优化和分布式电源出力随机性问题具有重要意义。本文首先根据接口模型的不同将DG分为PQ、PV、PI和PQ(V)等四种节点类型,并为每种节点类型DG建立了潮流计算数学模型。在分析比较传统潮流计算方法的基础上,结合各节点类型DG的潮流计算模型并引入节点等效注入功率模型,提出了能处理含不同类型DG的配电网前推回代算法,并以IEEE33算例验证了算法的可行性。其次,介绍了配电网网络结构优化过程中一些相关概念,从网络节点间自然连通的角度,基于等效最短路径提出了网络抗毁性指标作为配电网重构的一个新目标函数,用于优化网络拓扑结构。并利用一个简单的算例具体介绍了网络抗毁性指标的计算过程。再次,考虑到出力具有随机性、间歇性的分布式电源接入配电网,传统配电网方法具有局限性。以风电为例,通过风速概率密度函数以及风电出力模型,构建了多个风电出力随机变量及其对应概率,并在此基础上利用机会约束规划相关理论,以开关状态为优化变量,以风电出力为随机变量,以在置信水平下的网络损耗最小为另一个目标函数,建立了基于机会约束规划的含DG的配电网多目标重构模型。为了求解上述重构模型,结合配电网辐射状网络结构特点,利用基于生成树搜索策略、动态路径选择策略、多目标信息素更新策略对基本蚁群算法进行改进。最后,选用IEEE33和PGE69节点系统作为测试系统,验证了所建立的配电网重构模型的可行性和算法的有效性。
【学位授予单位】：三峡大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2016【分类号】：TM711
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400-819-9993导读：用牛顿-拉夫逊法计算潮流的流程：首先要输入网络的原始数据以及各节点的给定值，其计算步骤如下：，（1）按上一次迭代计算出的节点电压值和，计算各类节点的不平衡量、和，转入计算各线路潮流和平衡节点的功率，并打印输出计算结果，不收敛则继续计算，（3）计算雅克比矩阵的各元素，电力系统潮流计算中，更复杂的潮流计算，是潮流计算的基础方程式，本例应用结点导纳矩阵具体计算时，3.4潮流方程，网络方程是潮流计算的 ??P1??P1??P1??P1??P1??P1??P1????P1????e?f1?em?fm?em?1?fm?1?en?1?fn?1?1?????Q1??Q1??Q1??Q1??Q1??Q1??Q1??Q1?????e??f?e?f?e?f?e?f11mmm?1m?1n?1n?1????????????????P??P??P??P??P??P??P??Pmmmmmmmm??????e1?f1?em?fm?em?1?fm?1?en?1?fn?1?????Q??Q??Q??Q??Q??Q??Q??Q?mmmmmmmm?????e?f1?em?fm?em?1?fm?1?en?1?fn?1?1? J????Pm?1??Pm?1??Pm?1??Pm?1??Pm?1??Pm?1????Pm?1??Pm?1????e?f1?em?fm?em?1?fm?1?en?1?fn?1?1?????Vm?1??Vm?1??Vm?1??Vm?1??Vm?1??Vm?1??Vm?1??Vm?1??????e?f?e?f?e?f?e?f11mmm?1m?1n?1n?1????????????????P??P??P??P??P??P??P??Pn?1n?1n?1n?1n?1n?1n?1n?1??????e1??f1?em?fm?em?1?fm?1?en?1?fn?1????Vn?1??Vn?1??Vn?1??Vn?1??Vn?1??Vn?1????Vn?1??Vn?1????e?f1?em?fm?em?1?fm?1?en?1?fn?1?1??上述方程中雅克比矩阵的各元素，可以对上式求偏导数获得。 当时 ???Pi??Qi????(Gijei?Bijfi)??ej?fj????Pi??Qi???Bijei?Gijfi? ?fj?ej????V2i??V2i???0?ej?fj??当时
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对于PQ节点
对于PV节点
从以上表达式可以看到，雅克比矩阵有以下特点： （1）雅克比矩阵各元素都是节点电压的函数，它们的数值将在迭代过程中不断的改变。 （2）雅克比矩阵的子块中的元素的表达式只用到导纳矩阵中的对应元素。若，则必有。因此，式中分块形式的雅克比矩阵同节点导纳矩阵一样稀疏，修正方程的求解同样可以用稀疏矩阵的求解技巧。 （3）雅克比矩阵的元素或子块都不具有对称性。 用牛顿-拉夫逊法计算潮流的流程：首先要输入网络的原始数据以及各节点的给定值
并形成节点导纳矩阵。输入节点电压初值和，置迭代计数k=0。然后开始进入牛顿法的迭代过程。在进行第k+1次迭代时，其计算步骤如下： （1）按上一次迭代计算出的节点电压值和，计算各类节点的不平衡量、和。 （2）按条件校验收敛，即 <
如果收敛，迭代到此结束，转入计算各线路潮流和平衡节点的功率，并打印输出计算结果。不收敛则继续计算。 （3）计算雅克比矩阵的各元素。 （4）解修正方程式，求节点电压的修正量和。 （5）修正各节点的电压 ei(k?1)?ei(k)??ei(k),fi(k?1)?fi(k)??fi(k) （6）迭代计数加1，返回第一步继续迭代过程。
3 详细设计过程 3.1节点类型 电力系统潮流计算中，节点一般分为如下几种类型： PQ节点：节点注入的有功功率无功功率是已知的 PV节点：节点注入的有功功率已知，节点电压幅值恒定，一般由无功储备比较充足的电厂和电站充当； 平衡节点：节点的电压为1*exp(0°)，其注入的有功无功功率可以任意调节，一般由具有调频发电厂充当。 更复杂的潮流计算，还有其他节点，或者是这三种节点的组合，在一定条件下可以相互转换。 对于本题目，节点分析如下： 节点1给出有功功率为2，无功功率为1， PQ节点。 节点2给出有功功率为0.5，电压幅值为1.0，PV节点。 节点3电压相位是0，电压幅值为1，平衡节点。 3.2待求量 节点1待求量是V，；
节点2待求量是Q，； 节点3待求量是P，Q。 3.3导纳矩阵 导纳矩阵分为节点导纳矩阵、结点导纳矩阵、支路导纳矩阵、二端口导纳矩阵。 结点导纳矩阵：对于一个给定的电路(网络)，由其关联矩阵A与支路导纳矩阵Y所确定的矩阵。 支路导纳矩阵：表示一个电路中各支路导纳参数的矩阵。其行数和列数均为电路的支
路总数。 二端口导纳矩阵：对应y于二端口网络方程，由二端口参数组成 节点导纳矩阵：以导纳的形式描述电力网络节点注入电流和节点电压关系的矩阵。它给出了电力网络连接关系和元件特性的全部信息，是潮流计算的基础方程式。
本例应用结点导纳矩阵 具体计算时，根据如下公式：
由题给出的导纳可求的节点导纳矩阵如下：
进而节点导纳矩阵为：
3.4潮流方程 网络方程是潮流计算的基础，如果给出电压源或电流源，便可解得电流电压分布。然而，潮流计算中，这些值都是无法准确给定的，这样，就需要列出潮流方程。 对n个节点的网络，电力系统的潮流方程一般形式是
（i=1,2，?，n） 其中, ,即PQ分别为节点的有功功率无功功率。 3.5修正方程 计算节点1的不平衡量 ?P=P1s?P(0)1(0)1?P1s?[e(0)1?(Gj?13(0)1jje?B1jf(0)j)?f(0)1?(Gj?131jfj(0)?B1je(0)j)]??2 ?Q (0)1?Q1s?Q(0)1?Q1s?[f(0)1?(Gj?13(0)1jje?B1jf(0)j)?e(0)1?(Gj?131jfj(0)?B1je(0)j)]??1 包含总结汇报、党团工作、工作范文、人文社科、考试资料、办公文档、资格考试、IT计算机、专业文献、教学教材、教程攻略、应用文书、外语学习、旅游景点、行业论文、出国留学以及【精品】牛顿-拉夫逊法潮流计算毕业论文说明书等内容。本文共4页
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节点类型扩展潮流计算的应用研究
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　　摘要：近几年来随着电力网的不断扩大，如何确定一个优质经济的运行方式使电压水平最优，有功和无功损耗最小，这无论从生产观点来看，还是从满足用户的需求来看都需要确定一个最佳方案。潮流计算的目的就是在于寻求一个最佳的系统运行方式。对于电网电压调节和潮流模型匹配等许多应用场合,可采用基于节点类型扩展的潮流计算方法，本文主要研究节点类型扩展潮流计算方法在电网电压调节和潮流模型匹配中的应用。首先，分析节点类型扩展潮流计算在节点电压调节问题中的可用性及研究现状；然后,在分析已有潮流匹配方法不足的基础上,提出基于规则的综合方法来研究配电网的重构题。
　　关键词：潮流；节点类型；电压调节；电网重构
　　 从20世纪50年代开始人们利用电子计算机进行潮流计算，先后采用了各种不同的方法：（1）以节点导纳矩阵为基础的高斯-赛德尔迭代法（简称导纳法）；（2）以计算机储存表征系统接线和参数的阻抗矩阵为基础的阻抗法；（3）以阻抗矩阵为基础的分块阻抗法；（4）牛顿-拉夫逊法牛顿法；（5）在牛顿法的基础上，得到了P-Q分解法。基于协调方程的经典经济调度方法虽然方法简单，计算速度快，适应实时计算，但是协调方程式不能计及安全性约束（包括节点电压越界及线路过负荷等）。随着配电系统规模的不断扩大，人们开始将经济性和安全性统一考虑起来。而以数学规划为模型的潮流计算能够很好地处理约束条件。配电系统潮流计算是以电力系统最优潮流为基础的，它在配电系统的经济调度、电网规划、复杂配电系统的可靠性分析、传输阻塞的经济控制等方面得到广泛应用。
　　1潮流计算的意义
　　(1)在电网规划阶段,通过潮流计算,合理规划电源容量及接入点,合理规划网架,选择无功补偿方案,满足规划水平的大、小方式下潮流交换控制、调峰、调相、调压的要求。
　　(2)在编制年运行方式时,在预计负荷增长及新设备投运基础上,选择典型方式进行潮流计算,发现电网中薄弱环节,供调度员日常调度控制参考,并对规划、基建部门提出改进网架结构,加快基建进度的建议。
　　(3)正常检修及特殊运行方式下的潮流计算,用于日运行方式的编制,指导发电厂开机方式,有功、无功调整方案及负荷调整方案,满足线路、变压器热稳定要求及电压质量要求。
　　(4)预想事故、设备退出运行对静态安全的影响分析及作出预想的运行方式调整方案。
　　2潮流计算模型的研究现状
　　2.1在电力市场定价中应用
　　实时电价方面潮流计算的扩展主要是考虑对偶变量提供的丰富的经济信息及影响实时电价的各种因素，计算其对生产费用的灵敏度，并将其组合在一起构成实时电价。缺陷是数学上还不够严格，各种相关因素不易考虑周全。
　　2.2在输电网络管理中的应用
　　由于电力工业市场化程度和人们环保意识的增强，电力公司试图延缓对新输电网络和配电网络的投资；另一方面，电力需求的不断增加，电力网络中的潮流将继续增长，这必然造成现有电力网络运行困难。研究电力市场下输电网络管理的相关问题已刻不容缓。
　　2.3动态潮流计算方法的确定
　　配电系统实际是一个动态变化的系统，各个时段之间相互影响。单个时段最优控制行为的简单总和并不能达到整个研究时段内的整体最优；前一时段到后一时段控制变量的转移有困难或者不可能（如机组爬升率限制）。因此有必要在潮流计算中考虑和时间相关的约束。目前所考虑的主要是机组的爬升率的限制。
　　2.4含FACTS元件的潮流计算
　　FACTS作为变革性的前沿技术实现对交流输电系统的快速灵活控制，以提高系统整体运行水平。由于统一潮流控制器（UPFC），可控移相器（TCPAR），可控串联补偿器（TCSC）等FACTS元件的引入，其支路潮流控制功能对潮流计算问题的建模提出了挑战。需要增加新的状态变量和约束条件，模型中不但要修改系统中FACTS元件关联节点的注入功率方程，约束条件中要计及其内部约束方程和控制目标整定方程，同时还要考虑FACTS元件的所有状态变量的运行可行域。现有文献提出的FACTS元件的稳态模型主要有节点等效注入功率模型、阻抗模型及通用的电压源模型。
　　2.5随机潮流计算
　　在电力市场环境下，由于加进了更多的人为因素，不确定性进一步加大，例如发电机、输电线或系统故障，需求负荷的变化以及电价变化等。所以最近处理不确定性的配电系统潮流计算问题引起了极大的关注。参数配电系统潮流计算、配电系统潮流计算灵敏度分析、模糊配电系统潮流计算等处理该问题的技术先后被提出来。
　　2.6电压稳定的潮流计算
　　在潮流计算中考虑电压稳定就是要把电压稳定条件加入到潮流计算的约束集中去，这就需要找到能反映电压稳定裕度的指标，只有当规划和运行人员知道系统的安全电压稳定裕度指标后，才能有恰当的措施以防治电压崩溃事故的发生。目前，在潮流计算中考虑电压稳定性有两种模型：一是使电压稳定性最大化，即把电压稳定指标作为目标函数。二是把电压稳定作为约束的潮流计算VSCOPF，大部分计及电压稳定的潮流计算采用第二种模型。
　　 3 配电系统潮流计算的确定
　　 配电系统潮流计算是指结构参数及负荷情况给定的配电系统稳定运行中，在满足节点功率平衡及各种运行约束指标下，通过控制变量的优选，找到能满足所有指定的约束条件，并使系统的一个或多个性能指标达到最优时的潮流分布。配电系统潮流计算具有全面规划的优点，不但考虑系统有功负荷，而且考虑系统无功负荷的最优分配；不但考虑各发电单元的有功上、下限，还可以考虑各发电单元的无功上、下限和各节点电压大小的上、下限等。
　　 由于配电网络是一个简单的辐射型树状网络，这种网络中R／X比相对较大，对某些传输线来说甚至大于1.0，因此P－Q分解法和牛顿－拉夫逊法都不适合配电网潮流计算。所以，本文应用了一种基于功率合计方法的辐射型配电网潮流算法（PSRDNLF）。用来选择配电网重构最佳方式的规则是基于系统的运行经验，并基于系统的运行经验形成综合规则进行配电网最佳重构计算。这种基于规则的配电网优化重构综合算法在多个县区供电局的配电网络中得到实际运用。
　　4电力配电网重构算法
　　配电网络是电力系统中最广泛的一部分，在输送有功、无功的同时，会产生很多的功率损耗。配电网经济运行是在保证配电网安全运行，满足供电量及供电质量的基础上，通过技术措施最大限度降低变压器与供电线路有功损耗和无功消耗。配电网路重构就是要找到一个辐射状的运行结构，使系统在满足运行约束的条件下，功率损耗最小。因此，配电网络重构是降低配电网线损的有效途径，通过网络重构还可以均衡负荷、消除过载提高供电电压质量。 本文提出了一种基于规则综合方法网络重构(DNRC)的配电网经济运行方案。所建立DNRC模型考虑了线路功率约束，其目标是使系统的功率损耗最少。为了得到精确的支路电流和系统的功率损耗，文中应用了一种配电网潮流计算的混合算法。为证明本文方法的可行性和有效性，本文对配电网络系统进行了计算和分析。
　　4.1DNRC的数学模型
　　DNRC的目的就是找到一种辐射状的运行结构，使配电系统在满足运行约束的条件下功率损耗最小。如此，以下的模型可以描述DNRC问题。
　　约束条件： klPl PlmaxlNL （2）
klQl Qlmax lNL（3）
　　 ViminViVimaxiN（4）
gi(P, k) = 0（5）
　　 gi (Q, k) = 0 （6）
gi (V, k) = 0（7）
(k) = 0 （8）
　　其中：
　　Pl : 支路l上传输的有功功率；
　　Ql : 支路l上传输的无功功率；
　　Rl : 支路l的电阻；
　　Vi : 节点i的电压；
　　Kl : 表示支路l拓扑情形，如果支路l是闭合的，则Kl＝1；如果支路l是断开的则Kl＝0;
　　N : 节点集；
　　NL : 支路集。
　　 下标“min”和“max”表示约束的上限和下限。
　　 在上面的模型中，公式（2）和（3）表示有功功率和无功功率的约束。公式（4）表示节点电压的约束。公式（5）-（6）表示Kirchhoff的第一和第二定律。公式（8）表示拓扑约束以确保每个所选拓扑结构的辐射性。它包括两个方面的约束：
　　可行性：网络中所有的节点必须和某些支路相连，也就是说没有孤立的节点。
　　放射性：网络中支路的数量要比节点的数量小1（kl *NL=N-1）。
　　 所以，最后的网络结构必须是辐射型的，而且所有的负荷必须保持相连。
　　 4.2方法实施
　　 本文用基于规则的综合方法来研究配电网的重构题。算法包括改进的启发式算法和基本规则。通过支路交换方法决定开关的动作，以此来减少网络的损耗，同时满足系统的负荷。在研究中为了得到精确的系统功率损耗表达式，支路功率将通过放射性配电网络的潮流算法来计算。我们知道在配电网络中R/X相对较大，对某些传输线来说甚至大于1.0。在这种情况下，P-Q分解法不适于配电网络的潮流计算。由于配电网络仅仅是一个简单的辐射型树状结构，所以用牛顿-拉夫逊法也是复杂的而且是费时的。因此，在本文中运用了一种基于辐射型配电网功率流的功率合计方法(PSRDNLF)。PSRDNLF计算由三部分组成：
　　 ⑴ 基于图论对所有的辐射型网络进行节点优化计算。因此，根据优化后的节点和根节点间的距离将所有支路分为不同的层次。
　　 ⑵ 从树的顶端节点到根节点来计算支路的有功功率和无功功率。
　　 ⑶ 从根节点到顶端节点，也就是从第一个层次到最后一个层次，来计算节点电压。
　　 初始条件是给定的根节点的电压以及负荷节点的有功和无功功率。在最后，所有节点注入功率的偏差可以被计算出来。如果偏差小于给定的允许误差，迭代计算就可以停止。
　　 如果配电网中有多个电源，一个电源将会被选为参考/松弛电源，其他的电源将被看作负的负荷。
　　 不像传统的基于试探方法的支路交换，本文将开关支路分为三种：
　　 ⑴ 第一种：这些开关支路将根据设备的维护安排表在短时期内予以保持。
　　 ⑵ 第二种：这些开关支路的功率流几乎达到它们功率限制的最大值(比如90％)。
　　 ⑶ 第三种：其他的开关支路在系统的运行条件下都有足够的功率传输能力。
　　 这样，根据工程师的实际的系统运行经验，下面的规则被应用于改进的试探方法：
　　如果开关支路使得系统的功率损耗增加，不要开关它们。
　　 如果开关支路使得系统的功率损耗减少，但引起系统过负荷，也不要开关它们。
　　 如果开关支路属于上面提到的第一种，而且可以使得系统的功率损耗减少，就选择使功率损耗减少最多的一个，
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不等式,方程组,潮流
【判断题】潮流计算中，PQ节点一般选负荷节点及没有调整能力的发电节点。
A. 对 B. 错
【判断题】调度员潮流是指为达到某一最优目标所做的潮流计算。
A. 对 B. 错
【判断题】调度员潮流模块的电网数据来源为经过状态估计处理过的熟数据。
A. 对 B. 错
【论述题】潮流计算中有哪些节点类型，并说明各节点类型的具体含义。
【判断题】电网实时监测与预警中的网络分析应用主要包括网络拓扑分析，状态估计，调度员潮流，灵敏度分析，静态安全分析，可用输电能力，短路电流计算等功能模块。
A. 对 B. 错
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