CN108493985A - 含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，包括获取配电网的基准电压和拓扑结构、馈线参数和首端电压、负荷接入位置及容量、无功补偿装置接入位置及容量、DG接入位置及容量，计算各节点的DG最大准入容量，如果DG集中并网则根据各节点的DG输出有功功率与该节点的DG最大准入容量之差识别电压越限，如果DG分散并网则折算为最末端DG的有功功率，再与末节点的DG最大准入容量比较识别电压越限。本发明可以指导电力工作者快速、准确的判断电压越限原因、识别电压薄弱环节并采取相应的调压方法，有利于实现分布式电源安全并网及调压，具有推广前景和现实意义。

Description

含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法

技术领域

本发明涉及一种含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，属于配电网电压保护技术领域。

背景技术

电压是衡量电网正常运行的重要指标，电压越限将导致部分用户设备无法正常运行，甚至危及***安全。作为电力分配的末端环节，配电网与用户密切关联，用户需求的大范围波动会直接引起配网馈线的电压越限。随着全球经济的快速发展，能源短缺和环境污染问题推动着全世界的能源***向着清洁化、智能化和低碳化转型。以风电、光伏、小水电为主要形式的分布式电源(DG)越来越多的并入配网，同样会对配网电压产生较大影响。对于阻抗比很小的输电***，除利用有载调压变压器进行电压调整外，无功电源的出力调节也可以有效改善电压质量，其电压控制设备较为集中。然而，配电网用户密集、设备多样、***参数较为复杂，很多情况下电容器组的无功补偿对电压的改善并不明显。合理的规划、控制配网中分布式电源的输出功率也可以缓解馈线较长、负载较重时的低电压问题，但分布式电源输出功率的间歇性也制约了其对电压问题的解决能力。导致配电网电压越限的因素众多，部分因素呈现波动性、随机性和不可控性。间歇性分布式电源的接入，时变随机负荷的需求，二者可能会放大配电网潮流的随机性和变化幅度，使配网更易发生轻载和重载的运行状况。重载时馈线电压易越下限，通常馈线末端会出现越下限极值；轻载时馈线电压易越上限，在馈线首段或DG接入点易出现电压越上限极值，因此，过电压也是限制分布式电源准入容量的主要原因之一。目前，缺乏直接判别配电网易发生电压越限的薄弱环节及越限原因的方法和工具，无法为避免电压越限的发生提供有效的配网规划和控制的参考。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，计算配网馈线各节点最大负荷可接入容量、最大DG准入容量，通过比较实际馈线接入情况来判别电压越限的薄弱环节，从而为电压越限治理提供有效的指导。

为解决上述技术问题，本发明提供一种含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，包括以下步骤：

1)获取配电网的基准电压和拓扑结构、馈线参数和首端电压U₀、负荷接入位置及容量、无功补偿装置接入位置及容量、DG接入位置及容量，其中，馈线参数包括馈线1,i上传输的有功功率P_1,i和无功功率Q_1,i，馈线1,i的电阻R_1,i，馈线1,i的电抗X_1,i；其中，1,i分别为馈线的首、末节点，i＝1,2,…,n；

2)计算各节点的DG最大准入容量；

3)如果DG集中并网则转入步骤4)，如果DG分散并网则转入步骤5)；

4)将各节点的DG输出有功功率与该节点的DG最大准入容量进行比较，当P_DG,k＞P_DG,kmax时，DG并网处的电压越上限；当P_DG,k＜P_DG,kmax时，DG出力不足情况下接入馈线前端导致末端电压越下限，识别结束，其中，P_DG,k为节点k的DG输出有功功率，P_DG,kmax为节点k的DG最大准入容量；对于馈线上的节点k，k＝1,2,…,n，定义：k∈(1,n/3)的节点为馈线前端、k∈(n/3,2n/3)的节点为馈线中端、k∈(2n/3,n)的节点为馈线末端；

5)将分散接入的所有DG的有功功率折算为馈线末端DG的有功功率P'_DG,nall；

6)将P'_DG,nall与末节点n的DG最大准入容量P_DG,nmax比较，当P'_DG,nall≤P_DG,nmax时，馈线总DG输出功率不会导致节点电压越上限，但是如果所有节点净负荷有功均为正，则末端电压容易越下限，如果所有节点净负荷有功均为负或零，则线路各节点电压正常，否则节点电压容易越下限；当P'_DG,nall＞P_DG,nmax时，DG并网节点电压容易越上限。

前述的步骤2)中，各节点DG并网的最大准入容量的计算方法为：

首先，计算各节点上DG输出的有功功率：

其中，P_DG,k为节点k上DG输出的有功功率，Q_DG,k为节点k上DG输出的无功功率，P_L,j为节点j上接入负荷的有功功率，Q_L,j为节点j上接入负荷的无功功率，λ_G为DG的功率因数，满足γ_G为仅由DG引起的网损引起的电压降落纵分量占由负荷引起的电压降落纵分量的比值，γL为仅由负荷引起的网损所引起的电压降落纵分量占由负荷引起的电压降落纵分量的比值，U_N为额定电压，P_L,i和Q_L,i为，ΔU_0,k∈(-0.07,0.07)，n为馈线上的节点数；

然后，取ΔU_0,k＝-0.07，带入公式(14)，得到节点k的DG最大准入容量P_DG,kmax。

前述的步骤4)中，当P_DG,k＞P_DG,kmax时，当DG接入馈线前端时，如果末端负荷过重或线路过长容易引起线路末端电压越下限；当DG接入馈线后端时，如果线路的前中部负荷过重，导致末端电压越上限而中端电压越下限。

前述的步骤4)中，当P_DG,k＜P_DG,kmax时，当DG接入馈线前端时，如果线路过长、末端负荷过重，容易导致线路末端电压越下限，当DG接入馈线中端时，如果末端负荷过重容易导致线路末端电压越下限，当DG接入馈线末端时，容易导致DG接入点之前的节点电压越下限。

前述的步骤5)中，折算的有功功率P'_DG,nall的计算方法为：

其中，η_i为折算系数，η_i＝P_DG,nmax/P_DG,imax，P_DG,i为节点i，i＝1,2,…,n上DG输出的有功功率。

前述的在无功补偿装置和DG出力允许的范围内，如仍无法使所有节点电压合格，则电压越限原因为新增负荷过重，计算各节点允许另外增加负荷，然后利用各节点新增的负荷容量与其最大准入负荷容量之差识别易发生电压越限的负荷节点；

所述各节点允许另外增加的负荷容量为：

其中，P_L,k为节点k新增的负荷容量，λ_L,k为新增负荷功率因数，满足：Q_L,k为节点k新增负荷无功功率；

节点k的最大准入负荷容量为：取ΔU_0,k为0.07-(U_k-min(U_i))，将其带入式(17)计算得到节点k的最大准入负荷容量P_L,kmax，其中，U_i为节点i的电压值，k≤i≤n。

本发明所达到的有益效果：

本发明针对配电网电压影响因素多的特点，根据获取的配电网的基准电压和拓扑结构、馈线参数和首端电压、负荷接入位置及容量、无功补偿装置接入位置及容量、分布式电源接入位置及容量，提供一种电压越限识别方法，可以指导电力工作者快速、准确的判断电压越限原因、识别电压薄弱环节并采取相应的调压方法，有利于实现分布式电源安全并网及调压，具有推广前景和现实意义。

附图说明

图1为本发明的电压降落机理分析电路图；

图2为本发明的多节点电压降落电路图；

图3为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，具体流程参见图3，包括以下步骤：

1)获取配电网的基准电压和拓扑结构、馈线参数和首端电压、负荷接入位置及容量、无功补偿装置接入位置及容量、分布式电源(DG)接入位置及容量。

2)根据配电网的拓扑结构分析配网发生电压降落的机理及影响电压越限的原因。

参见图1，馈线上单纯由负载引起末端电压表达式如下：

其中，U₀为馈线首端电压，U₁为变压器低压侧电压，U_i为节点i的电压值；K为有载调压变压器变比；P_1,i,Q_1,i分别为馈线1,i(1,i分别为馈线的首、末节点，i＝1,2,…,n)上传输的有功、无功功率；R_1,i为馈线1,i的电阻，X_1,i为馈线1,i的电抗。

由式(1)可知，馈线的首端电压、阻抗和传输功率都会引起电压越限，可能采用的具体调压方式如下：

2a)采用发电机调压：对于不经升压直接供电的小型电力网，供电半径不长、网络损耗不大时，可采用改变发电机端电压改善电压质量；而对于多级电压控制的供电***，采用发电机调压对馈线末端电压改善效果不大，***无功不足情况下容易引起馈线上无功的重新分配，并与无功功率的经济分配产生矛盾。

2b)控制投切电容器组数调压：当负荷需要的无功较重、馈线无功缺额时，可以通过投切电容器组补偿无功，如图1所示的Q_C,i，无功补偿方式有变电站内集中补偿、线路分散无功补偿和用电设备就地无功补偿。

无功补偿改善末端电压表达式为：

式中，Q_C,i为节点i上投切电容器组的无功功率。

2c)减少馈线的阻抗可以降低传输路径上的功率损耗从而提高馈线末端电压。对于配网馈线进行改造，缩短供电半径，增大导线截面面积，但这种方法的投资成本大，不容易实施。

2d)输电网馈线上的电抗远远大于电阻，无功补偿装置对于改善馈线末端电压的灵敏度较大，而对于配电网馈线电阻大于电抗时，馈线上传输的有功功率对于电压下降的灵敏度较大，参见图1，DG补偿对于电压改善末端电压表达式为：

式中，P_DG,i为节点i上DG输出的有功功率，Q_DG,i为节点i上DG输出的无功功率。

3)参见图2，考虑到网络损耗对于电压降落纵分量的影响，通过前推回代法计算馈线潮流：

由式(4)-(7)可得：

式(4)-(7)中，ΔP_k-1,k为馈线k-1,k的有功损耗，ΔQ_k-1,k为馈线k-1,k的无功损耗；P”_k为节点k流入的有功功率，Q”_k为节点k流入的无功功率；P'_k为节点k流出的有功功率，Q'_k为节点k流出的无功功率；P_L,i为节点i上接入负荷的有功功率，Q_L,i为节点i上接入负荷的无功功率；R_k-1,k为馈线k-1,k的电阻，X_k-1,k为馈线k-1,k的电抗；U_k为节点k的当前电压值、ΔU_0,k为馈线0,k的电压降落纵分量，馈线节点k＝1,2,…,n。图2中，为节点k流入的视在功率。为节点k流出的视在功率。

考虑到正常运行的配电***电压降落一般不大，将馈线各节点电压均以额定电压U_N表示，馈线0,k上由网络损耗引起的电压降落纵分量记为由负荷引起的电压降落纵分量记为ΔU_L,0,k，则馈线0,k的电压降落纵分量可以表示为：

其中，

考虑到式(10)中，ΔP_m,m+1,ΔQ_m,m+1的值相对于ΔP_L,m,ΔQ_L,m很小，在计算中可忽略，则式(10)可以进一步简化为：

将网络损耗引起的电压降落纵分量占负荷引起的电压降落纵分量的比值，定义为压降比系数：

根据实际***的数据分析可知，正常情况下γ约为0.02～0.06。

4)根据各节点电压允许限值，当各节点负荷一定时，在考虑网络损耗的情况下含DG接入配电网的馈线0,k的电压降落纵分量为：

其中，P_DG,j为节点j(j＝1,2,…,n)上的DG输出有功功率，γ_L为仅由负荷引起的网损所引起的电压降落纵分量占由负荷引起的电压降落纵分量的比值；γG为仅由DG引起的网损引起的电压降落纵分量占由负荷引起的电压降落纵分量的比值。

4a)当仅有一个节点k接入DG时，由式(13)，节点k上的DG输出有功功率表达式为：

式中，P_DG,k为节点k上DG输出的有功功率，Q_DG,k为节点k上DG输出的无功功率；λ_G为DG的功率因数，则根据运行规范，通常ΔU_0,k∈(-0.07,0.07)。

4b)当有多个节点同时接入DG时，参见图2，n个节点都接入DG，定义DG功率折算系数η_k，可由下式计算得到：

η_k＝P_DG,nmax/P_DG,kmax (15)

其中，P_DG,nmax和P_DG,kmax分别为在馈线电压降落允许范围内，馈线末节点n和任意节点k上DG允许接入的最大准入容量。ηk值越小，节点k上的DG输出功率对电压降落的灵敏度越小，在不引起电压越上限约束下，这些节点可接入的DG容量就越大。

当ΔU_0,k＝-0.07时，按照式(14)计算节点n的DG最大准入容量P_DG,nmax。

将馈线上任意节点注入的DG有功功率均通过η_k折算到馈线末端节点，并聚合为一个等效DG，从而，将馈线DG分散接入引起的电压问题转化为末端节点集中接入引起的电压问题，折算并聚合到馈线末节点n的DG有功功率为：

并将由式(16)折算得到的实际DG总的输出容量比较判断整条馈线是否有越上限的可能，当P'_DG,nall≤P_DG,nmax时，馈线总DG输出功率不会导致节点电压越上限；P'_DG,nall＞P_DG,nmax时，DG并网点电压易越上限。

5)在无功补偿装置和DG出力允许范围内，如仍无法使所有节点电压合格，则电压越限的原因可能是负荷远距离接入或馈线重负荷运行，令负荷为PQ节点模型，考虑网损情况下，在馈线已有负荷的情况下，各负荷节点允许另外增加的负荷容量为：

式中，P_L,k为节点k新增负荷有功功率，λ_L,k为新增负荷功率因数，即,

为保证新增负荷节点电压及新增负荷节点之后的节点电压均不越限，此时ΔU_0,k的最大值为0.07-(U_k-min(U_i))，其中，k≤i≤n，此时最低的节点电压刚好达到临界最低值，计算得到的新增负荷容量即为保证电压不越限的最大准入负荷容量，记为P_L,kmax，进而利用实际的负荷容量与最大准入负荷容量之差识别易发生电压越限的负荷节点。

6)具体实施时，参见图3，可由步骤4)计算DG并网的最大准入容量，指导电力工作者根据实际DG的接入容量是否满足DG最大准入容量来判断节点电压是否越上限，DG集中并网时，当P_DG,k＞P_DG,kmax时，DG并网处的电压越上限，根据DG接入馈线的位置，还存在如下情况：当DG接入馈线前端时，如果末端负荷较重或线路过长容易引起线路末端电压越下限，当DG接入馈线后端时，如果线路的前中部负荷较重，导致末端电压越上限而中端电压越下限；当P_DG,k＜P_DG,kmax时，DG出力不足情况下接入馈线前端导致末端电压越下限，根据DG接入馈线的位置，具体越限情况如下：当DG接入馈线前端时，如果线路较长、末端负荷较重，容易导致线路末端电压越下限，当DG接入馈线中端时，如果末端负荷较重容易导致线路末端电压越下限，当DG接入馈线末端时，DG接入点之前的节点电压可能越下限。对于馈线上的节点i，i＝1,2,…,n本发明中定义：i∈(1,n/3)为馈线前端、i∈(n/3,2n/3)为馈线中端、i∈(2n/3,n)为馈线末端。

DG分散接入电网时，由式(16)将分散接入的所有DG的有功出力折算为馈线末端DG的有功功率P'_DG,nall，然后与末节点n的DG最大准入容量P_DG,nmax比较判别电压越限情况，从而识别薄弱的DG并网节点，具体为：当P'_DG,nall≤P_DG,nmax时，馈线总DG输出功率不会导致节点电压越上限，但是如果所有节点净负荷有功均为正，则末端电压可能越下限，如果所有节点净负荷有功均为负或零，则线路各节点电压正常，否则节点电压可能越下限。当P'_DG,nall＞P_DG,nmax时，DG并网节点电压易越上限。

最后，在无功补偿装置和DG出力允许的范围内，根据上述步骤5)计算各节点允许增加的最大负荷容量，比较负荷的均匀分布、集中于前端、中端和后端分布时末端电压降落不同，指导电力工作者根据实际的新增节点负荷识别易发生电压越下限的薄弱的负荷节点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取配电网的基准电压和拓扑结构、馈线参数和首端电压U₀、负荷接入位置及容量、无功补偿装置接入位置及容量、DG接入位置及容量，其中，馈线参数包括馈线1,i上传输的有功功率P_1,i和无功功率Q_1,i，馈线1,i的电阻R_1,i，馈线1,i的电抗X_1,i；其中，1,i分别为馈线的首、末节点，i＝1,2,…,n；

2)计算各节点的DG最大准入容量；

3)如果DG集中并网则转入步骤4)，如果DG分散并网则转入步骤5)；

4)将各节点的DG输出有功功率与该节点的DG最大准入容量进行比较，当P_DG,k＞P_DG,kmax时，DG并网处的电压越上限；当P_DG,k＜P_DG,kmax时，DG出力不足情况下接入馈线前端导致末端电压越下限，识别结束，其中，P_DG,k为节点k的DG输出有功功率，P_DG,kmax为节点k的DG最大准入容量；对于馈线上的节点k，k＝1,2,…,n，定义：k∈(1,n/3)的节点为馈线前端、k∈(n/3,2n/3)的节点为馈线中端、k∈(2n/3,n)的节点为馈线末端；

5)将分散接入的所有DG的有功功率折算为馈线末端DG的有功功率P′_DG,nall；

6)将P′_DG,nall与末节点n的DG最大准入容量P_DG,nmax比较，当P'_DG,nall≤P_DG,nmax时，馈线总DG输出功率不会导致节点电压越上限，但是如果所有节点净负荷有功均为正，则末端电压容易越下限，如果所有节点净负荷有功均为负或零，则线路各节点电压正常，否则节点电压容易越下限；当P'_DG,nall＞P_DG,nmax时，DG并网节点电压容易越上限。

2.根据权利要求1所述的含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，其特征在于，所述步骤2)中，各节点DG并网的最大准入容量的计算方法为：

首先，计算各节点上DG输出的有功功率：

其中，P_DG,k为节点k上DG输出的有功功率，Q_DG,k为节点k上DG输出的无功功率，P_L,j为节点j上接入负荷的有功功率，Q_L,j为节点j上接入负荷的无功功率，λ_G为DG的功率因数，满足γ_G为仅由DG引起的网损引起的电压降落纵分量占由负荷引起的电压降落纵分量的比值，γ_L为仅由负荷引起的网损所引起的电压降落纵分量占由负荷引起的电压降落纵分量的比值，U_N为额定电压，P_L,i和Q_L,i为，ΔU_0,k∈(-0.07,0.07)，n为馈线上的节点数；

然后，取ΔU_0,k＝-0.07，带入公式(14)，得到节点k的DG最大准入容量P_DG,kmax。

3.根据权利要求2所述的含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，其特征在于，所述步骤4)中，当P_DG,k＞P_DG,kmax时，当DG接入馈线前端时，如果末端负荷过重或线路过长容易引起线路末端电压越下限；当DG接入馈线后端时，如果线路的前中部负荷过重，导致末端电压越上限而中端电压越下限。

4.根据权利要求2所述的含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，其特征在于，所述步骤4)中，当P_DG,k＜P_DG,kmax时，当DG接入馈线前端时，如果线路过长、末端负荷过重，容易导致线路末端电压越下限，当DG接入馈线中端时，如果末端负荷过重容易导致线路末端电压越下限，当DG接入馈线末端时，容易导致DG接入点之前的节点电压越下限。

5.根据权利要求2所述的含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，其特征在于，所述步骤5)中，折算的有功功率P′_DG,nall的计算方法为：

其中，η_i为折算系数，η_i＝P_DG,nmax/P_DG,imax，P_DG,i为节点i，i＝1,2,…,n上DG输出的有功功率。

6.根据权利要求2所述的含分布式电源的配电网电压越限薄弱环节的识别方法，其特征在于，在无功补偿装置和DG出力允许的范围内，如仍无法使所有节点电压合格，则电压越限原因为新增负荷过重，计算各节点允许另外增加负荷，然后利用各节点新增的负荷容量与其最大准入负荷容量之差识别易发生电压越限的负荷节点；

所述各节点允许另外增加的负荷容量为：

其中，P_L,k为节点k新增的负荷容量，λ_L,k为新增负荷功率因数，满足：Q_L,k为节点k新增负荷无功功率；

节点k的最大准入负荷容量为：取ΔU_0,k为0.07-(U_k-min(U_i))，将其带入式(17)计算得到节点k的最大准入负荷容量P_L,kmax，其中，U_i为节点i的电压值，k≤i≤n。