CN110880760A - 一种低压配电网线损与无功补偿协同优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的是一种低压配电网线损与无功补偿协同优化方法。采用步骤S1：利用台区低压侧智能电表提供的用户电压和电流数据，考虑分布式电源并网的影响，获取精确的量测数据；步骤S2：以前推回代算法为主体，局部采用牛顿法、灵敏度法、回路法进行修正，建立准确的三相潮流计算模型；步骤S3：利用潮流计算后的数据和线路参数，对理论线损进行精确分析计算；步骤S4：以线损最小为优化目的，以无功补偿的经济性为约束条件，建立配电网无功补偿优化模型，实现线损和无功补偿的协同优化。一种基于多维数据融合的线损与无功补偿协同优化方法，实现配电台区的智能化管理与经济可靠运行。适宜作为基于多维数据融合的线损与无功补偿协同优化方法应用。

Description

一种低压配电网线损与无功补偿协同优化方法

技术领域

本发明涉及配电台区智能化自管理、经济可靠运行。特别是涉及一种基于多维数据融合的线损与无功补偿协同优化方法。

背景技术

配电网在电力***中负责将降压后的电能直接传送至用户并使用，成为电力生产、传输、消费的最后的环节，直接影响用户供电可靠性和供电质量。近几年，随着我国科技、经济等方面的突飞猛进，配电网相关技术得到了迅速的提升和发展。但是相对于输电网和高压配电网，我国中低压配电网自动化程度仍不理想。

随着人民生活质量的要求提高，企业单位设备电器精密程度增加，对供电企业的配电网配电质量、安全稳定性提出了更离的要求。国家电网公司在2014年提出，大中型城镇重要地区供电可靠性，即配电网电能在线率应大于99.990％，平均每位用电客户全年停电时间少于0.85小时为合格标准；农村及三线城市可靠性电能在线率应大于99.954％，平均每位用电客户全年停电时间少于4小时为合格标准。在供电可靠性需求增加的同时，配电网的规模也日益扩大，配电网线路数量剧增，线路结构、运行方式和类型的多样化也导致对配电网线路操作模式和故障处理方式的难度不断增加。同时，随着低压配电网精益管理要求不断提高，配电台区的功能呈现多样化和智能化的趋势，接入的信息和设备也成倍增加，涉及配变状态监测、无功补偿、漏保开关、电能表、分布式电源、电动汽车充电桩等10余种类型，传统的做法是安装很多分立设备和***。比如，电压质量监测***，无功补偿***，配变监测***、用电信息采集***等等。然而对比智能电网的要求，传统的台区建设模式需要做出改变，经济适用、一体化、智能化将是未来的方向。

发明内容

为了能够解决传统配电台区分立式设备、成本高和数据分析孤立的问题，本发明提出了一种低压配电网线损与无功补偿协同优化方法。该方法通过基于多维数据融合的线损与无功补偿协同优化方法，实现配电台区的智能化管理与经济可靠运行，解决传统配电台区分立式设备、成本高和数据分析孤立的技术问题。

本发明解决技术问题所采用的方案是：

一种低压配电网线损与无功补偿的协同优化方法，包括步骤如下：

步骤S1：利用配电台区低压侧智能电表提供的用户电压和电流数据，以及分布式电源并网相关数据，组成更为准确的量测数据集；

步骤S2；已前推回代方法为主体，局部采用牛顿法、灵敏度法、回路法进行修正，进行三相潮流分析，可处理PV型节点、PQ型节点等问题；

步骤S3：利用潮流计算后的数据和线路参数，对理论线损进行精确分析计算；

步骤S4：以线损最小为优化目的，以无功补偿的经济性为约束条件，建立配电网无功补偿优化模型，实现线损和无功补偿的协同优化。

进一步：所述步骤S1量测数据获取，量程数据的获取主要通过台区低压侧智能电表采集用户的电压与电流实时数据，此处智能电表的数据进行统一汇聚、处理，同时采集分布式电源并网后的相关数据，为协同优化提供数据基础。

再进一步：所述步骤S2前推回代方计算方法，具体实施原理如下：

已知配电网的始端电压和末端负荷，以馈线为基本计算单位。最初假设全网电压都为额定电压，根据负荷功率由末端向始端逐段推算，仅计算各元件中的功率损耗而不计算节点电压，求得各支路上的电流和功率损耗，并据此获得始端功率，这是回代过程；再根据给定的始端电压和求得的始端功率，由始端向末端逐段推算电压降落，求得各节点电压，这是前推过程；如此重复上述过程，直至各个节点的功率偏差满足允许条件为止；

含分布式电源的配电网三相潮流分析方法如下：

步骤1、将380V低压配电网实时测量数据引入潮流计算中，提高潮流计算的准确性；

步骤2、初始化节点电压幅值和相角值，以前推回代方法为主体，计算得到各个节点电压和幅值大小；

在这一步，利用用户、线路和拓扑数据采用前推回代法进行三相潮流计算；对每个采样时刻，从叶节点(即用户节点)开始迭代向上计算各支路电流，每条支路的某一相电流均由与该支路直接相连的下游支路该相电流累加得到，依次类推，直至计算到根节点；之后在每次迭代中从根节点开始逐渐向下计算各支路末端节点电压，每条支路末端节点电压通过该支路首端节点电压、该支路电流和该支路阻抗计算得到，依次类推；

步骤3、综合考量分布式能源并网因素，选取含有分布式电源的节点，并进行对称分量分析；

步骤4、将序分量代入分布式电源控制方程求解，判断PV节点是否无功越界；

步骤5、将序分量电流转换为三相电流，回路分析法计算***点回路电流注入值；回路法是以平面电路或非平面电路的一组独立回路电流为电路变量，并对独立回路用KVL列出用回路电流表达有关支路电压的方程的求解方法；回路电流是一种沿着回路边界流动的假想电流；通常选择基本回路为独立回路，回路电流就是相对应的连支电流；

步骤6、判断电流、电压的迭代误差是否小于阈值，若小于阈值则获得理想的潮流计算结果，结束计算；若超过阈值则返回步骤2，重新计算节点电压和幅值，并重复之后的步骤。

又进一步：所述步骤S3在潮流计算的基础上，对理论线损分析计算流程如下：

步骤1：初始化，将由智能电表量测得到的每个采样时刻的用户电压和电流数据、用户功率因数和所属相位、线路阻抗参数、网络拓扑信息等整理为可以处理的数据集；

步骤2：利用用户、线路和拓扑数据采用前推回代法进行三相潮流计算，计算每个采样时刻，各个节支路的电压、电流值，并初始化时刻时t=1；

步骤3：进行线损计算。首先，计算三相四线制线路中因三相电流不平衡而在零线上流过电流产生的损耗，即零线损耗，零线各段上的电流采用三相电流向量叠加计算的方法；然后，计算各相相线损耗之和，即三相供电线路损耗；最后，计算用户段线路损耗和电表损耗，即用户损耗。对每个采样时刻，利用潮流计算后的数据和线路参数，求出总损耗和线损率，并且t=t+1；

步骤4：比较时刻值t与考察时段内电表采样的总时刻数T，当t>T时，输出各种类型的损耗在总损耗中所占比例，用图表形式直观反映各种类型损耗的影响程度，将该时刻的线损信息保存在数据文件中，完成线损计算；当t<T时，重置t=1，返回步骤2进行潮流计算，直至得到理想的线损结果。

再进一步：所述步骤S4实现线损和无功补偿的协同优化具体如下：

步骤1：首先，确立线损最小的目标函数：

式中：nl为***总支路数；

为支路i-j的电导；

、

分别为节点i、j的电压；

、

分别为节点i、j的相角；

步骤2：建立约束条件。配电网无功优化的不等式约束包括控制变量约束以及状态变量约束，控制变量约束包括无功补偿容量约束和变压器分接头约束，且其均为离散变量。状态变量约束包括各节点的电压有效值大小约束。此外分布式电源具有接入容量约束；

步骤3：考虑无功补偿的经济性，建立优化模型。配电网中无功补偿装置的安装点数不宜太多，在进行分散无功优化配置计算时不仅要考虑各个安装点补偿容量的限制，还应考虑整个台区无功补偿装置安装点总数的限制。当无功优化模型采用分散补偿方式时，可选择台区中所有负荷节点作为候选安装节点。当候选点的补偿容量等于零，则该节点不需安装无功补偿装置；当候选点的补偿容量大于零，则该节点需要安装无功补偿装置。在本发明涉及的优化模型中，将所有负荷节点作为候选安装节点，通过求解优化模型来获得无功补偿装置的安装位置，能够避免无功补偿装置安装点选择的主观性；

步骤4：采用遗传算法对目标函数进行求解，在电流***环境下产生一组初始潮流解，通过上述约束条件的限制和目标函数及适应度函数的计算，对种群中个体的优劣程度进行评价，即进行一次潮流计算，淘汰适应值较低的个体，遗传适应值较高的优良个体，每次评价都要计算一次***潮流分布，得出***有功网损和节点电压是否越限等信息内容，采用惩罚函数对越限项进行惩罚，同时不断进行选择、交叉、变异等遗传操作，以便得到最优解。

积极效果，由于本发明采用步骤S1：利用台区低压侧智能电表提供的用户电压和电流数据，考虑分布式电源并网的影响，获取精确的量测数据；步骤S2：以前推回代算法为主体，局部采用牛顿法、灵敏度法、回路法进行修正，建立准确的三相潮流计算模型；步骤S3：利用潮流计算后的数据和线路参数，对理论线损进行精确分析计算；步骤S4：以线损最小为优化目的，以无功补偿的经济性为约束条件，建立配电网无功补偿优化模型，实现线损和无功补偿的协同优化。本发明针对配变台区智能化话、信息化、自动化、互动化的建设需求，在配电台区功能集成一体化的基础上，提出了一种基于多维数据融合的线损与无功补偿协同优化方法，实现配电台区的智能化管理与经济可靠运行。适宜作为基于多维数据融合的线损与无功补偿协同优化方法应用。

具体实施方式

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种低压配电网线损与无功补偿的协同优化方法，包括步骤如下：

步骤S1：利用配电台区低压侧智能电表提供的用户电压和电流数据，以及分布式电源并网相关数据，组成更为准确的量测数据集；

步骤S2；已前推回代方法为主体，局部采用牛顿法、灵敏度法、回路法进行修正，进行三相潮流分析，可处理PV型节点、PQ型节点问题；

步骤S3：利用潮流计算后的数据和线路参数，对理论线损进行精确分析计算；

步骤S4：以线损最小为优化目的，以无功补偿的经济性为约束条件，建立配电网无功补偿优化模型，实现线损和无功补偿的协同优化。

所述步骤S1量测数据获取，量程数据的获取主要通过台区低压侧智能电表采集用户的电压与电流实时数据，此处智能电表的数据进行统一汇聚、处理，同时采集分布式电源并网后的相关数据，为协同优化提供数据基础。

所述步骤S2前推回代方计算方法，具体实施原理如下：

已知配电网的始端电压和末端负荷，以馈线为基本计算单位。最初假设全网电压都为额定电压，根据负荷功率由末端向始端逐段推算，仅计算各元件中的功率损耗而不计算节点电压，求得各支路上的电流和功率损耗，并据此获得始端功率，这是回代过程；再根据给定的始端电压和求得的始端功率，由始端向末端逐段推算电压降落，求得各节点电压，这是前推过程；如此重复上述过程，直至各个节点的功率偏差满足允许条件为止；

含分布式电源的配电网三相潮流分析方法如下：

步骤1、将380V低压配电网实时测量数据引入潮流计算中，提高潮流计算的准确性；

步骤2、初始化节点电压幅值和相角值，以前推回代方法为主体，计算得到各个节点电压和幅值大小；

在这一步，利用用户、线路和拓扑数据采用前推回代法进行三相潮流计算；对每个采样时刻，从叶节点(即用户节点)开始迭代向上计算各支路电流，每条支路的某一相电流均由与该支路直接相连的下游支路该相电流累加得到，依次类推，直至计算到根节点；之后在每次迭代中从根节点开始逐渐向下计算各支路末端节点电压，每条支路末端节点电压通过该支路首端节点电压、该支路电流和该支路阻抗计算得到，依次类推；

步骤3、综合考量分布式能源并网因素，选取含有分布式电源的节点，并进行对称分量分析；

步骤4、将序分量代入分布式电源控制方程求解，判断PV节点是否无功越界；

步骤5、将序分量电流转换为三相电流，回路分析法计算***点回路电流注入值；回路法是以平面电路或非平面电路的一组独立回路电流为电路变量，并对独立回路用KVL列出用回路电流表达有关支路电压的方程的求解方法；回路电流是一种沿着回路边界流动的假想电流；通常选择基本回路为独立回路，回路电流就是相对应的连支电流；

步骤6、判断电流、电压的迭代误差是否小于阈值，若小于阈值则获得理想的潮流计算结果，结束计算；若超过阈值则返回步骤2，重新计算节点电压和幅值，并重复之后的步骤。

所述步骤S3在潮流计算的基础上，对理论线损分析计算流程如下：

步骤1：初始化，将由智能电表量测得到的每个采样时刻的用户电压和电流数据、用户功率因数和所属相位、线路阻抗参数、网络拓扑信息等整理为可以处理的数据集；

步骤2：利用用户、线路和拓扑数据采用前推回代法进行三相潮流计算，计算每个采样时刻，各个节支路的电压、电流值，并初始化时刻时t=1；

步骤3：进行线损计算。首先，计算三相四线制线路中因三相电流不平衡而在零线上流过电流产生的损耗，即零线损耗，零线各段上的电流采用三相电流向量叠加计算的方法；然后，计算各相相线损耗之和，即三相供电线路损耗；最后，计算用户段线路损耗和电表损耗，即用户损耗。对每个采样时刻，利用潮流计算后的数据和线路参数，求出总损耗和线损率，并且t=t+1；

步骤4：比较时刻值t与考察时段内电表采样的总时刻数T，当t>T时，输出各种类型的损耗在总损耗中所占比例，用图表形式直观反映各种类型损耗的影响程度，将该时刻的线损信息保存在数据文件中，完成线损计算；当t<T时，重置t=1，返回步骤2进行潮流计算，直至得到理想的线损结果。

所述步骤S4实现线损和无功补偿的协同优化具体如下：

步骤1：首先，确立线损最小的目标函数：

式中：nl为***总支路数；

为支路i-j的电导；

、

分别为节点i、j的电压；

、

分别为节点i、j的相角；

步骤2：建立约束条件。配电网无功优化的不等式约束包括控制变量约束以及状态变量约束，控制变量约束包括无功补偿容量约束和变压器分接头约束，且其均为离散变量。状态变量约束包括各节点的电压有效值大小约束。此外分布式电源具有接入容量约束；

步骤3：考虑无功补偿的经济性，建立优化模型。配电网中无功补偿装置的安装点数不宜太多，在进行分散无功优化配置计算时不仅要考虑各个安装点补偿容量的限制，还应考虑整个台区无功补偿装置安装点总数的限制。当无功优化模型采用分散补偿方式时，可选择台区中所有负荷节点作为候选安装节点。当候选点的补偿容量等于零，则该节点不需安装无功补偿装置；当候选点的补偿容量大于零，则该节点需要安装无功补偿装置。在本发明涉及的优化模型中，将所有负荷节点作为候选安装节点，通过求解优化模型来获得无功补偿装置的安装位置，能够避免无功补偿装置安装点选择的主观性；

步骤4：采用遗传算法对目标函数进行求解，在电流***环境下产生一组初始潮流解，通过上述约束条件的限制和目标函数及适应度函数的计算，对种群中个体的优劣程度进行评价，即进行一次潮流计算，淘汰适应值较低的个体，遗传适应值较高的优良个体，每次评价都要计算一次***潮流分布，得出***有功网损和节点电压是否越限等信息内容，采用惩罚函数对越限项进行惩罚，同时不断进行选择、交叉、变异等遗传操作，以便得到最优解。

本发明的优点：

1、本发明针对配变台区智能化话、信息化、自动化、互动化的建设需求，在配电台区功能集成一体化的基础上，提出了一种基于多维数据融合的线损与无功补偿协同优化方法，实现配电台区的智能化管理与经济可靠运行。

2、相比于传统线损计算方法，新方法在采集的数据来源上从月/代表日提升到智能电表所设量测间隔的密度，在计算方法上更精确。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低压配电网线损与无功补偿协同优化方法，其特征是：包括步骤如下：

步骤S1：利用配电台区低压侧智能电表提供的用户电压和电流数据，以及分布式电源并网相关数据，组成更为准确的量测数据集；

步骤S2；已前推回代方法为主体，局部采用牛顿法、灵敏度法、回路法进行修正，进行三相潮流分析，可处理PV型节点、PQ型节点问题；

步骤S3：利用潮流计算后的数据和线路参数，对理论线损进行精确分析计算；

步骤S4：以线损最小为优化目的，以无功补偿的经济性为约束条件，建立配电网无功补偿优化模型，实现线损和无功补偿的协同优化。

2.根据权利要求1所述的一种低压配电网线损与无功补偿协同优化方法，其特征是：所述步骤S1量测数据获取，量程数据的获取主要通过台区低压侧智能电表采集用户的电压与电流实时数据，此处智能电表的数据进行统一汇聚、处理，同时采集分布式电源并网后的相关数据，为协同优化提供数据基础。

3.根据权利要求1所述的一种低压配电网线损与无功补偿协同优化方法，其特征是：所述步骤S2前推回代方计算方法，具体实施原理如下：

已知配电网的始端电压和末端负荷，以馈线为基本计算单位；

最初假设全网电压都为额定电压，根据负荷功率由末端向始端逐段推算，仅计算各元件中的功率损耗而不计算节点电压，求得各支路上的电流和功率损耗，并据此获得始端功率，这是回代过程；再根据给定的始端电压和求得的始端功率，由始端向末端逐段推算电压降落，求得各节点电压，这是前推过程；如此重复上述过程，直至各个节点的功率偏差满足允许条件为止；

含分布式电源的配电网三相潮流分析方法如下：

步骤1、将380V低压配电网实时测量数据引入潮流计算中，提高潮流计算的准确性；

步骤2、初始化节点电压幅值和相角值，以前推回代方法为主体，计算得到各个节点电压和幅值大小；

在这一步，利用用户、线路和拓扑数据采用前推回代法进行三相潮流计算；对每个采样时刻，从叶节点(即用户节点)开始迭代向上计算各支路电流，每条支路的某一相电流均由与该支路直接相连的下游支路该相电流累加得到，依次类推，直至计算到根节点；之后在每次迭代中从根节点开始逐渐向下计算各支路末端节点电压，每条支路末端节点电压通过该支路首端节点电压、该支路电流和该支路阻抗计算得到，依次类推；

步骤3、综合考量分布式能源并网因素，选取含有分布式电源的节点，并进行对称分量分析；

步骤4、将序分量代入分布式电源控制方程求解，判断PV节点是否无功越界；

步骤5、将序分量电流转换为三相电流，回路分析法计算***点回路电流注入值；回路法是以平面电路或非平面电路的一组独立回路电流为电路变量，并对独立回路用KVL列出用回路电流表达有关支路电压的方程的求解方法；回路电流是一种沿着回路边界流动的假想电流；通常选择基本回路为独立回路，回路电流就是相对应的连支电流；

步骤6、判断电流、电压的迭代误差是否小于阈值，若小于阈值则获得理想的潮流计算结果，结束计算；若超过阈值则返回步骤2，重新计算节点电压和幅值，并重复之后的步骤。

4.根据权利要求1所述的一种低压配电网线损与无功补偿协同优化方法，其特征是：所述步骤S3在潮流计算的基础上，对理论线损分析计算流程如下：

步骤1：初始化，将由智能电表量测得到的每个采样时刻的用户电压和电流数据、用户功率因数和所属相位、线路阻抗参数、网络拓扑信息等整理为可以处理的数据集；

步骤2：利用用户、线路和拓扑数据采用前推回代法进行三相潮流计算，计算每个采样时刻，各个节支路的电压、电流值，并初始化时刻时t=1；

步骤3：进行线损计算；

首先，计算三相四线制线路中因三相电流不平衡而在零线上流过电流产生的损耗，即零线损耗，零线各段上的电流采用三相电流向量叠加计算的方法；然后，计算各相相线损耗之和，即三相供电线路损耗；最后，计算用户段线路损耗和电表损耗，即用户损耗，

对每个采样时刻，利用潮流计算后的数据和线路参数，求出总损耗和线损率，并且t=t+1；

步骤4：比较时刻值t与考察时段内电表采样的总时刻数T，当t>T时，输出各种类型的损耗在总损耗中所占比例，用图表形式直观反映各种类型损耗的影响程度，将该时刻的线损信息保存在数据文件中，完成线损计算；当t<T时，重置t=1，返回步骤2进行潮流计算，直至得到理想的线损结果。

5.根据权利要求1所述的一种低压配电网线损与无功补偿协同优化方法，其特征是：所述步骤S4实现线损和无功补偿的协同优化具体如下：

步骤1：首先，确立线损最小的目标函数：

式中：nl为***总支路数；

为支路i-j的电导；

、

分别为节点i、j的电压；

、

分别为节点i、j的相角；

步骤2：建立约束条件；

配电网无功优化的不等式约束包括控制变量约束以及状态变量约束，控制变量约束包括无功补偿容量约束和变压器分接头约束，且其均为离散变量，状态变量约束包括各节点的电压有效值大小约束，此外分布式电源具有接入容量约束；

步骤3：考虑无功补偿的经济性，建立优化模型，配电网中无功补偿装置的安装点数不宜太多，在进行分散无功优化配置计算时不仅要考虑各个安装点补偿容量的限制，还应考虑整个台区无功补偿装置安装点总数的限制，当无功优化模型采用分散补偿方式时，可选择台区中所有负荷节点作为候选安装节点，当候选点的补偿容量等于零，则该节点不需安装无功补偿装置；当候选点的补偿容量大于零，则该节点需要安装无功补偿装置，在本发明涉及的优化模型中，将所有负荷节点作为候选安装节点，通过求解优化模型来获得无功补偿装置的安装位置，能够避免无功补偿装置安装点选择的主观性；

步骤4：采用遗传算法对目标函数进行求解，在电流***环境下产生一组初始潮流解，通过上述约束条件的限制和目标函数及适应度函数的计算，对种群中个体的优劣程度进行评价，即进行一次潮流计算，淘汰适应值较低的个体，遗传适应值较高的优良个体，每次评价都要计算一次***潮流分布，得出***有功网损和节点电压是否越限等信息内容，采用惩罚函数对越限项进行惩罚，同时不断进行选择、交叉、变异等遗传操作，以便得到最优解。