含分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)

朱濤，顧全，趙川，葉華，祝明樂，吳梟

1.云南電力調(diào)度控制中心，云南昆明650011 2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102 3.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096

含分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)

朱濤1，顧全2，趙川1，葉華1，祝明樂3，吳梟3

1.云南電力調(diào)度控制中心，云南昆明650011 2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京211102 3.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇南京210096

配電系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)智能調(diào)度的前提，分布式電源的不斷接入是智能電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢，在基于支路電流狀態(tài)估計(jì)方法的基礎(chǔ)上研究了分布式電源的接入對弱環(huán)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)結(jié)果的影響，并在改進(jìn)的IEEE36節(jié)點(diǎn)弱環(huán)系統(tǒng)上進(jìn)行了仿真。結(jié)果表明，分布式電源的加入，增加了配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的冗余度，能夠提高整個系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的精度，并且隨著分布式電源對配電網(wǎng)滲透水平的提高，系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的精度也在不斷增加;隨著分布式電源不斷地向根節(jié)點(diǎn)方向滲透，狀態(tài)估計(jì)精度在不斷減小。說明分布式電源遠(yuǎn)離根節(jié)點(diǎn)接入時，能獲得更好的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果。

智能電網(wǎng);分布式電源;弱環(huán);配電網(wǎng);狀態(tài)估計(jì)

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隨著智能配電網(wǎng)的不斷發(fā)展，分布式電源將會不斷地接入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行提出了新的要求，而對配電系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)智能調(diào)度的前提［1-3］。在保持系統(tǒng)可觀測的前提下，狀態(tài)估計(jì)能夠根據(jù)量測數(shù)據(jù)的冗余度提高數(shù)據(jù)的精度，估計(jì)出沒有量測裝置處的電氣信息，和潮流計(jì)算相比，狀態(tài)估計(jì)是前者的擴(kuò)展和延續(xù)，計(jì)算結(jié)果也更準(zhǔn)確，所以通過研究含分布式電源的配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)方法來分析分布式電源的滲透對配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的影響具有重要的意義。

當(dāng)配電網(wǎng)接入分布式電源之后，將由單電源供電變成多電源供電的系統(tǒng)，配電網(wǎng)的潮流也將發(fā)生改變，需要對配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)算法進(jìn)行必要的調(diào)整［4-5］。另外，分布式電源的接入增加了配電系統(tǒng)的量測量，對提高配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的精度將產(chǎn)生積極的影響［6］。本文在基于支路電流的狀態(tài)估計(jì)方法上，從分布式電源的接入容量及接入位置［7］兩大方面討論了分布式電源接入弱環(huán)配電網(wǎng)后對狀態(tài)估計(jì)的影響。

1　支路電流法

基于支路電流算法［8-9］的基本思想是，首先將支路功率量測，節(jié)點(diǎn)功率量測以及功率偽量測量轉(zhuǎn)換為支路電流的實(shí)部和虛部;然后以支路電流作為狀態(tài)量，采用最小二乘估計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，修正支路電流;根據(jù)更新后的支路電流，利用后代法求解各個節(jié)點(diǎn)的電壓向量;再利用所求得的節(jié)點(diǎn)電壓做量測變換，修正支路電流，求得各節(jié)點(diǎn)電壓，如此反復(fù)直到滿足收斂條件為止。該算法的特點(diǎn)是雅克比矩陣為常數(shù)陣，電流實(shí)部虛部三相解耦，所以算法運(yùn)算速度較快，能夠很好地處理功率量測。具體求解步驟如下:

1)研究配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，對各個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號，用根節(jié)點(diǎn)電壓初始化每一個節(jié)點(diǎn)電壓。

2)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成信息矩陣，即迭代時所用的雅可比矩陣A。

3)對各個量測量進(jìn)行量測變換，將實(shí)際量測(功率量測量)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的電流量。

4)根據(jù)狀態(tài)量修正公式求解狀態(tài)量支路電流。

5)用以下公式修正每一個功率量測量。

6)根據(jù)配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，利用后代法求解每個節(jié)點(diǎn)的電壓。

7)根據(jù)收斂條件判斷是否收斂，滿足收斂條件時迭代結(jié)束。

2　環(huán)網(wǎng)處理

當(dāng)配電網(wǎng)中出現(xiàn)環(huán)網(wǎng)情況時，只需將環(huán)網(wǎng)結(jié)線信息反應(yīng)到量測函數(shù)和雅克比矩陣中，并增加2個閉環(huán)點(diǎn)之間的支路電流狀態(tài)量，假設(shè)出現(xiàn)n個環(huán)網(wǎng)，即增加n個支路電流狀態(tài)量，分別表示n條閉環(huán)連接線上的支路電流，相應(yīng)的，雅克比矩陣也將增加n列，作為對應(yīng)閉環(huán)連接線上的支路電流狀態(tài)量與該行所要線性表示的量測量之間的關(guān)系。

3　分布式電源節(jié)點(diǎn)處理

在對含分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)進(jìn)行潮流計(jì)算和狀態(tài)估計(jì)時，需要根據(jù)不同的分布式電源建立不同的計(jì)算模型，根據(jù)分布式電源與配電網(wǎng)的3種接口［10-11］形式以及各種分布式電源的潮流計(jì)算模型［12］，可以將分布式電源分為4種節(jié)點(diǎn)類型，即PQ節(jié)點(diǎn)、PQ(V)節(jié)點(diǎn)、PV節(jié)點(diǎn)及I節(jié)點(diǎn)，具體分類如表1所示。

表1　不同分布式電源的節(jié)點(diǎn)分類

根據(jù)不同的節(jié)點(diǎn)類型，在對含分布式電源的配電網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)時，必須分別對以上4種節(jié)點(diǎn)類型進(jìn)行處理［13］:

1) PQ節(jié)點(diǎn)。PQ節(jié)點(diǎn)類型的分布式電源可以作為普通負(fù)荷節(jié)點(diǎn)考慮，因?yàn)榛谥冯娏鞯臓顟B(tài)估計(jì)需要的是成對測量的有功和無功量測，所以在狀態(tài)估計(jì)算法中，需要通過功率變換公式將其轉(zhuǎn)換為負(fù)荷電流量測。

2) PQ(V)節(jié)點(diǎn)。PQ(V)節(jié)點(diǎn)類型的分布式電源能夠輸出恒定的有功功率，但輸出的無功功率和節(jié)點(diǎn)電壓有關(guān)，因此需要將其先轉(zhuǎn)換成PQ節(jié)點(diǎn)，然后再計(jì)算其負(fù)荷電流量測，與PQ節(jié)點(diǎn)不同的是，在每次狀態(tài)估計(jì)之前，PQ(V)節(jié)點(diǎn)的輸出無功需要根據(jù)每次迭代后得到的電壓值進(jìn)行修正，然后結(jié)合測得的有功功率量測，將其轉(zhuǎn)換成負(fù)荷電流量測。

3) PV節(jié)點(diǎn)。PV節(jié)點(diǎn)［14-15］類型的分布式電源能夠輸出恒定的有功功率，并且節(jié)點(diǎn)電壓幅值維持穩(wěn)定，但是在狀態(tài)估計(jì)的過程中，需要的是注入節(jié)點(diǎn)的電流量測，因此，需要將PV節(jié)點(diǎn)的有功量測和電壓幅值量測轉(zhuǎn)換為負(fù)荷電流量測，處理方法和前推回代法類似，主要分為2部分:

a)將PV節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)換成PQ節(jié)點(diǎn)，有功功率量測不變，無功功率量測按功率因數(shù)為0.5或0.8取恒定值，然后就可以計(jì)算其節(jié)點(diǎn)負(fù)荷注入電流量測; b)每次迭代之后，PV節(jié)點(diǎn)的電壓幅值與給定的電壓幅值量測會不相等，采用疊加補(bǔ)償電流的方法來彌補(bǔ)這種電壓幅值差帶來的影響，使PV節(jié)點(diǎn)的電壓幅值與給定的電壓幅值量測值相等，具體的處理步驟與計(jì)算PV節(jié)點(diǎn)補(bǔ)償電流的步驟一致，此處不再累述。需要注意的是在每次迭代之后，如果出現(xiàn)PV節(jié)點(diǎn)的注入無功功率越限，那么將PV節(jié)點(diǎn)的無功注入設(shè)定為發(fā)電機(jī)的無功輸出上限，在此后的迭代中，該節(jié)點(diǎn)作為PQ節(jié)點(diǎn)加入運(yùn)算，不用考慮電壓幅值差帶來的影響。

4) I節(jié)點(diǎn)。I節(jié)點(diǎn)類型的分布式電源直接給出接入公共連接點(diǎn)處的電流幅值和相角，因此在狀態(tài)估計(jì)中只需直接作為負(fù)的負(fù)荷電流量測。

5)權(quán)重的選取。分布式電源作為實(shí)時量測量接入公共節(jié)點(diǎn)，使得該節(jié)點(diǎn)的量測誤差要比不接分布式電源時由負(fù)荷預(yù)測得到的偽量測的量測誤差小得多，所以對接入分布式電源的負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，應(yīng)該重新考慮權(quán)重的選擇，本文將分布式電源作為實(shí)時量測，在給定輸出上添加絕對值為其自身1%～3%不等的隨機(jī)誤差，權(quán)重置為1.0。

4　算例分析

電源的弱環(huán)配電網(wǎng)三相狀態(tài)估計(jì)程序，采用不同的接入策略，將典型的分布式電源接入IEEE36弱環(huán)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，從分布式電源的接入容量和接入位置分析其對弱環(huán)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的影響。系統(tǒng)電壓基準(zhǔn)值取6.062 kV，視在功率基準(zhǔn)值取100 kVA，迭代精度選擇10-5，節(jié)點(diǎn)16和22、節(jié)點(diǎn)24和29構(gòu)成2個環(huán)網(wǎng)，圖1所示為含分布式電源的弱環(huán)配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖，算例中接入IEEE36弱環(huán)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的分布式電源類型及參數(shù)如表2所示。

圖1　含分布式電源的IEEE36節(jié)點(diǎn)弱環(huán)配電網(wǎng)

表2　接入弱環(huán)配電網(wǎng)的分布式電源類型

本文利用MATLAB仿真軟件編寫了含分布式

本文考慮了4種情況下分布式電源接入對弱環(huán)配電網(wǎng)［16］狀態(tài)估計(jì)結(jié)果的影響，分析結(jié)果如下:

1)單種分布式電源接入弱環(huán)網(wǎng)

分別將5種分布式電源接入IEEE36節(jié)點(diǎn)弱環(huán)配電網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，選取異步風(fēng)力發(fā)電接入該弱環(huán)配電網(wǎng)為例進(jìn)行分析，表3列出系統(tǒng)A相部分支路有功功率的狀態(tài)估計(jì)值和量測值的絕對誤差比較。從表3可以看出，支路10、12、19和24沒有支路功率量測數(shù)據(jù)，除了支路19的狀態(tài)估計(jì)絕對誤差稍大之外，其他4條支路的狀態(tài)估計(jì)絕對誤差都在1%以內(nèi)，說明通過狀態(tài)估計(jì)可以得到?jīng)]有安裝量測設(shè)備處的支路功率信息，而且精度較高。對量測絕對誤差和狀態(tài)估計(jì)絕對誤差取平均值，可以得到量測平均絕對誤差為1.816%，狀態(tài)估計(jì)平均絕對誤差為1.557%，所以加入異步風(fēng)力發(fā)電后提高了狀態(tài)估計(jì)的精度。

(2)多種分布式電源接入弱環(huán)網(wǎng)

對每種分布式電源接入弱環(huán)配電網(wǎng)進(jìn)行比較分析，純?nèi)醐h(huán)網(wǎng)以及5種分布式電源分別接入弱環(huán)網(wǎng)時，系統(tǒng)支路功率狀態(tài)估計(jì)值的平均絕對誤差與純輻射狀配電網(wǎng)時支路功率狀態(tài)估計(jì)值的平均絕對誤差的比較見表4所示。

表3 A相支路有功功率狀態(tài)估計(jì)值和量測值的絕對誤差比較

表4　支路功率量測值和支路功率狀態(tài)估計(jì)值的平均絕對誤差比較

由表4可以看出，弱環(huán)配電網(wǎng)的支路功率狀態(tài)估計(jì)平均絕對誤差比輻射狀配電網(wǎng)稍小，而弱環(huán)配電網(wǎng)在5種分布式電源分別接入的情況下，支路功率狀態(tài)估計(jì)值的平均絕對誤差要比純輻射狀配電網(wǎng)和弱環(huán)配電網(wǎng)的平均絕對誤差都小，說明配電網(wǎng)的弱環(huán)結(jié)構(gòu)提高了配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的精度，而各種分布式電源的加入，提高了弱環(huán)配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的精度。從函數(shù)運(yùn)算的角度分析，分布式電源的加入，增加了實(shí)時量測量，提高了公共節(jié)點(diǎn)處量測數(shù)據(jù)的權(quán)值，相當(dāng)于增加了狀態(tài)估計(jì)的冗余度，狀態(tài)估計(jì)精度也隨之得到了提高。弱環(huán)配電網(wǎng)增加了閉環(huán)線路上的支路電流，增加了狀態(tài)量的維數(shù)，使得狀態(tài)估計(jì)的冗余度減少，但是相對于輻射狀配電網(wǎng)，其潮流方向發(fā)生了改變，影響了狀態(tài)估計(jì)的精度。

3)分布式電源的接入容量對狀態(tài)估計(jì)的影響

以工頻同步熱電聯(lián)產(chǎn)為例，將其接入該系統(tǒng)，接入節(jié)點(diǎn)為35節(jié)點(diǎn)，其接入有功容量從200 kW依次增加到1 600 kW，功率因數(shù)仍取cosφ=0.85，其A相電壓幅值狀態(tài)估計(jì)值和潮流值的平均絕對誤差如表5所示。由表5可以看出，隨著工頻同步熱電聯(lián)產(chǎn)接入容量的不斷增加，A相電壓幅值狀態(tài)估計(jì)值的平均絕對誤差在不斷減小，其估計(jì)精度也在不斷提高，說明接入容量的增加提高了接入點(diǎn)量測量在狀態(tài)估計(jì)中的權(quán)重，或者是提高了與接入節(jié)點(diǎn)相關(guān)的其它節(jié)點(diǎn)量測量的權(quán)重。因此，隨著分布式電源對配電網(wǎng)滲透水平的提高，接入容量的不斷增加，對配電網(wǎng)狀態(tài)估計(jì)的影響是樂觀的。

表5　不同容量接入下A相電壓幅值狀態(tài)估計(jì)平均絕對誤差

4)分布式電源的接入位置對狀態(tài)估計(jì)的影響

將工頻同步熱電聯(lián)產(chǎn)接入不同的節(jié)點(diǎn)，有功輸出仍為P=400 kW，cosφ=0.85。

接入節(jié)點(diǎn)的順序按照從饋線末端向根節(jié)點(diǎn)靠近，如依次接入節(jié)點(diǎn)35、節(jié)點(diǎn)27、節(jié)點(diǎn)17和節(jié)點(diǎn)4，然后對系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，在不同接入節(jié)點(diǎn)的情況下，其A相電壓幅值狀態(tài)估計(jì)值和潮流值的平均絕對誤差如表6所示。

表6　不同接入節(jié)點(diǎn)下A相電壓幅值狀態(tài)估計(jì)平均絕對誤差

由表6可以看出，隨著分布式電源不斷地向根節(jié)點(diǎn)方向滲透，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)A相電壓幅值狀態(tài)估計(jì)值和潮流值的平均絕對誤差也在不斷地增大，說明分布式電源遠(yuǎn)離根節(jié)點(diǎn)接入時，能獲得更好的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果。

5　結(jié)束語

文中在基于支路電流的狀態(tài)估計(jì)算法的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行了改進(jìn)，提出了處理弱環(huán)網(wǎng)的方法，對4類分布式電源節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行了討論，提出這4類節(jié)點(diǎn)在狀態(tài)估計(jì)中的處理方法，以改進(jìn)的IEEE36節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)為算例，從分布式電源的接入容量和接入位置等方面進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明，分布式電源的加入，增加了狀態(tài)估計(jì)的冗余度，修正了接入節(jié)點(diǎn)處量測在狀態(tài)估計(jì)中的權(quán)重，能夠提高整個系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的精度，并且隨著分布式電源對配電網(wǎng)滲透水平的提高，接入容量的不斷增加，系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)的精度也在不斷增加。最后通過把分布式電源的接入節(jié)點(diǎn)從根節(jié)點(diǎn)處不斷得向根節(jié)點(diǎn)靠近，并分別進(jìn)行狀態(tài)估計(jì)，從各節(jié)點(diǎn)電壓幅值狀態(tài)估計(jì)平均絕對誤差可以看出，隨著分布式電源不斷地向根節(jié)點(diǎn)方向滲透，狀態(tài)估計(jì)精度在不斷減小，說明分布式電源遠(yuǎn)離根節(jié)點(diǎn)接入時，能獲得更好地狀態(tài)估計(jì)結(jié)果。

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State estimation for the weakly meshed distribution network
with the distributed power

ZHU Tao1，GU Quan2，ZHAO Chuan1，YE Hua1，ZHU Mingle3，WU Xiao3

1.Yunnan Electric Power Dispatching and Controlling Center，Kunming 650011，China 2.Nanjing Nari-Relays Electric Co.Ltd.，Nanjing 211102，China 3.School of Electrical Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China

The state estimation for a distribution system is the premise of intelligent scheduling of distribution networks，and the continuous access of distributed power is the inevitable trend of the development of the smart grid.With the algorithm of state estimation based on branch currents，the impacts of the access of the distributed generation on the result of state estimation for the weakly meshed distribution network are researched in this paper.The simulation on the improved weakly meshed system of the IEEE36 node shows that，the access of distributed power can increase the redundancy of state estimation，and improve the accuracy of state estimation on the whole system.With the improvement of the penetration level of the distribution network by the distributed generation，the state estimation accuracy is also increasing; with the penetration of distributed generations to the root node，the state estimation accuracy decreases，and it can be explained that，the more away from the root node，the better the state estimation results can be got.

smart grid; distributed power; weakly meshed distribution; distribution network; state estimation

TK8

A

1009-671X(2015) 04-025-05

10.3969/j.issn.1009-671X.201411009

2014-11-14.網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-07-27.

國家科技支撐計(jì)劃重大資助項(xiàng)目(2013BAA01B00) ;國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51377021).

朱濤(1978-)，男，高級工程師，博士.

朱濤，E-mail: zhutaoddjz@163.com.