一種含小水電配電網的規劃方法與流程
2023-05-31 15:23:36
本發明涉及一種配電網規劃領域，特別是一種含小水電配電網的規劃方法。
背景技術：
隨著新能源的開發利用力度不斷加大，小型水電站作為清潔能源的代表，進行適當開發不僅有解決用電需求的經濟效益，還具有推廣節能減排，實現可持續發展的環境效益。截至目前，我國已經建立小水電站約5萬座，裝機容量和發電量達到了75gw和200twh的水平，在水電裝機容量和發電量的25％和20％左右，農村及偏遠山區的小水電站開發成為我國新能源的重要開發資源。
對於小水電具有的出力不穩定，季節性明顯的特點，可能會造成配電網併網區域電壓質量下降，穩定性降低等問題。隨著配電網技術的不斷發展，，應用主動配電網(activedistributionnetwork,adn)，配電網重構(distributionnetworkreconstruction)，無功設備配置等方法，可以有效地解決水電併網所帶來的問題。同時，在配電網規劃階段，充分考慮小水電的出力特性，對網架結構進行優化，考慮多種運行方式下的運行結果等。對於合理的線路配置，找到靈活可靠，滿足經濟性和安全運行具有重要意義。
配電網作為直接面向用戶的低壓電網，隨著以小水電為代表的分布式電源不斷接入和滲透率不斷提高，其運行方式變得更加複雜。同時，從線路建設費用，電能質量等多個角度作為電網規劃的評價指標，來評價方案的優劣並選取合適的方案。
技術實現要素：
有鑑於現有技術的上述缺陷，本發明的目的就是提供一種含小水電配電網的規劃方法，能夠在不同情景下對小水電出力和負荷進行預測；並且能夠針對不同的接線方式和不同的補償設備容量配置的運行情況進行仿真；還能夠辨別電壓越限情況嚴重的方案；在此基礎上，採用優化算法計算得到綜合指標最小的方案作為可行的配電網規劃方式。
本發明的目的是通過這樣的技術方案實現的，一種含小水電配電網的規劃方法，它包括有：所述方法步驟如下：
s01：輸入歷史數據，並對歷史數據進行分析及預測；
s02：根據小水電的歷史運行數據建立小水電模型；
s03：針對用戶負荷種類和負荷未來的發展，在歷史數據的基礎上，根據近期負荷和遠期負荷建立用戶模型；
s04：根據用戶模型與小水電模型形成運行電壓要求的方案；
s05：對s04中不滿足要求的方案的運行電壓進行電壓調整；
s06：採用前推回代潮流進行仿真，仿真豐水期高負荷和枯水期低負荷兩種條件下的電壓水平；
s07：計算可靠性和評價指標，將配電系統的設備中的元件故障所造成的停電損失以附加項的形式加入電壓調整中的目標函數。
進一步，所述步驟s01中的歷史數據包括：小水電豐水期最大出力為pmax，枯水期最小出力為pmin，用戶基本負荷為p1，未來短期時間內的負荷為ksp1，長期內的負荷為klp1，負荷用電最高時刻對應的上限係數為kmax，用電最低時刻對應的下限係數為kmin；所述數據分析包括小水電數據分析和負荷數據分析。
進一步，所述步驟s05中的電壓調整過程所採用的調壓手段依次為：發電機勵磁調整、水電併網側採用無功補償設備、線路中間串聯調壓器和線路中間串聯調壓器；
所述發電機勵磁調整發出的無功功率：在豐水期低負荷採用進相運行，發出的無功功率為額定有功功率的1/kq1，枯水期高負荷採用滯相運行，發出的無功功率為額定有功功率的1/kq2；kq1為進相運行下的無功功率係數；kq2為滯相運行下的無功功率係數；
所述水電併網側採用無功補償設備容量的計算方法如下：
感性無功補償設備的容量計算公式為：
vkmax-vlimmax＝△vqqkllk
容性無功補償設備的計算公式為：
vlimmin-vkmin＝△vqqkclk
所述線路中間串聯調壓器：在每段線路1/2處假裝串聯調壓器，其調壓範圍為額定值的1±2.5％，在豐水期低負荷時1-2.5％，枯水期高負荷1+2.5％；比較線路各處串聯調壓器後的效果，選取發電機併網節點電壓質量最好的作為調壓器串聯位置；
電壓質量的判定指標為：
△v＝|ve-vkmin|+|vkmax-ve|
其中，vkmax為仿真出現的豐水期低負荷節點電壓最高值；vkmin為仿真出現的枯水期高負荷節點電壓最低值；δvq為單位長度線路傳輸單位無功功率所引起的壓降，lk為主幹節點到併網節點的距離，qkl和qkc分別為投入的感性無功和容性無功容量；ve為額定電壓，δv越小說明電壓質量越高；vlimmax和vlimmin分別為該節點電壓上限和下限值。
進一步，步驟s06中前推回代潮流中支路ij有功功率和無功功率損耗有下關係：
在上述求得的首末端功率分布和根節點電壓基礎上，由如下關係：
仿真易出現電壓下降的情景，即豐水期高負荷和枯水期低負荷兩種條件下的電壓水平；
其中，ei為各個節點i電壓的實部；fi為各個節點i電壓的虛部；rij為支路ij電阻；xij為支路電抗；pi為i節點負荷的有功功率；qi為i節點負荷的無功功率；根節點電壓為ei+jfi；首末端功率分布為pi，qi，pj，qj。
進一步，步驟s07中所述的可靠性和評價指標計算過程為：
電網元件利用兩狀態模型描述，對於狀態的持續時間滿足指數分布：
f(t)＝1-ei-λt
將停電損失造成的費用作為評價指標的一部分加以修正，和經濟性指標一起，表達式為：
其中，t為故障發生的時間；λ為各類元件服從的時間分布係數；z為電網建設規劃的總費用，包含電網建設投資c1，電網運行費用c2以及缺電成本費用c3；αi為電網結構優化變量，βi為電網運行優化變量，γ為可靠係數，根據可靠性要求一般取大於1的數；ri為第i個目標年的電網建設計劃。
進一步，步驟s07中還包括有評價指標的修正，在採用無功補償措施後各種運行方式下電壓均處於95％～105％範圍內的方案，評價指標增加修正項△c1、△c2和△c3，評價指標的修正公式如下：
上述公式為對產生的附加運行費用、附加設備費用、附加設備與運行方式所可能產生的停電進行缺點成本修正；
其中，△c1為設備費用修正值；△c2為運行費用修正值；△c3為缺點成本修正。
進一步，步驟s04中的方案選擇包括選擇指標參數z最好的作為可行方案；對於與指標參數z相同的方案，對豐水期低負荷和枯水期低負荷兩種運行方式下的電壓水平進行評價，採用△v＝|ve-vkmin|+|vkmax-ve|進行評價；
其中，vkmax為豐水期低負荷節點電壓最高值；vkmin為枯水期高負荷節點電壓最低值；ve為額定電壓，δv越小說明電壓質量越高；△v較小則作為優先方案。
由於採用了上述技術方案，本發明具有如下的優點：能夠在不同情景下對小水電出力和負荷進行預測；並且能夠針對不同的接線方式和不同的補償設備容量配置的運行情況進行仿真；還能夠辨別電壓越限情況嚴重的方案；在此基礎上，採用優化算法計算得到綜合指標最小的方案作為可行的配電網規劃方式。
本發明的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述，並且在某種程度上，基於對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書和權利要求書來實現和獲得。
附圖說明
本發明的附圖說明如下：
圖1為本發明的整體流程圖。
圖2為本發明的電壓調整流程圖
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
實施例1：如圖1和圖2所示；一種含小水電配電網的規劃方法，它包括有：方法步驟如下：
s01：輸入歷史數據，並對歷史數據進行分析及預測；
s02：根據小水電的歷史運行數據建立小水電模型；
s03：針對用戶負荷種類和負荷未來的發展，在歷史數據的基礎上，根據近期負荷和遠期負荷建立用戶模型；
s04：根據用戶模型與小水電模型形成運行電壓要求的方案；
s05：對s04中不滿足要求的方案的運行電壓進行電壓調整；
s06：採用前推回代潮流進行仿真，仿真豐水期高負荷和枯水期低負荷兩種條件下的電壓水平；
s07：計算可靠性和評價指標，將配電系統的設備中的元件故障所造成的停電損失以附加項的形式加入電壓調整中的目標函數。
步驟s01中的歷史數據包括：小水電豐水期最大出力為pmax，枯水期最小出力為pmin，用戶基本負荷為p1，未來短期時間內的負荷為ksp1，長期內的負荷為klp1，負荷用電最高時刻對應的上限係數為kmax，用電最低時刻對應的下限係數為kmin；數據分析包括小水電數據分析和負荷數據分析。
對於滿足條件的電網改建規劃方案，若在豐水期低負荷和枯水期高負荷兩種情景存在電壓越限的情況，採用以下方法進行電壓調整：步驟s05中的電壓調整過程所採用的調壓手段依次為：發電機勵磁調整、水電併網側採用無功補償設備、線路中間串聯調壓器和線路中間串聯調壓器；
s051：發電機勵磁調整發出的無功功率：在豐水期低負荷採用進相運行，發出的無功功率為額定有功功率的1/kq1，枯水期高負荷採用滯相運行，發出的無功功率為額定有功功率的1/kq2；kq1為進相運行下的無功功率係數；kq2為滯相運行下的無功功率係數。當調節後在豐水期低負荷和枯水期低負荷兩種情境下，各個節點的電壓範圍處於額定值的95％～105％外則進入下一步驟s052，處於範圍內則進行步驟s07的指標評價。
s052：水電併網側採用無功補償設備：包括感性無功補償設備和容性無功補償設備，典型代表為晶閘管控並聯電感(tcr)和晶閘管控並聯電容(tcs)，補償容量採用下方法計算：
根據線路的等效電路，首端電壓u1和末端電壓u2滿足關係：
其中，p2、q2為線路末端負荷的有功無功需求，r、x為線路的等效電阻、電抗，△u、δu分別為電壓降落的縱分量、橫分量。線路的電抗x>>r，發電機端電壓維持不變情況下，隨著發電機輸送功率增大電壓不斷升高，電壓最高出現在豐水期(發電機功率最大)低負荷(用戶用電最小)情況下，而電壓最低出現在枯水期高負荷情況下，對這兩種方式進行仿真潮流計算可以得到出現的節點電壓最高值vkmax和vkmin。
水電併網側採用無功補償設備容量的計算方法如下：
感性無功補償設備的容量計算公式為：
vkmax-vlimmax＝△vqqkllk
容性無功補償設備的計算公式為：
vlimmin-vkmin＝△vqqkclk
線路中間串聯調壓器：在每段線路1/2處假裝串聯調壓器，其調壓範圍為額定值的1±2.5％，在豐水期低負荷時1-2.5％，枯水期高負荷1+2.5％；比較線路各處串聯調壓器後的效果，選取發電機併網節點電壓質量最好的作為調壓器串聯位置；
電壓質量的判定指標為：
△v＝|ve-vkmin|+|vkmax-ve|
其中，vkmax為仿真出現的豐水期低負荷節點電壓最高值；vkmin為仿真出現的枯水期高負荷節點電壓最低值；δvq為單位長度線路傳輸單位無功功率所引起的壓降，lk為主幹節點到併網節點的距離，qkl和qkc分別為投入的感性無功和容性無功容量；ve為額定電壓，δv越小說明電壓質量越高；vlimmax和vlimmin分別為該節點電壓上限和下限值。
考慮到小水電運行方式的變化以及變壓器的無功損耗，集中吸納方式下，並聯配置容量上限一般低於主幹線小水電容量30％。當調節後在豐水期低負荷和枯水期低負荷兩種情境下，各個節點的電壓範圍處於額定值的95％～105％外則進入步驟s053，處於範圍內則進行步驟s07的指標評價。
s053：線路中間串聯調壓器；分別在每段線路1/2處假裝串聯調壓器，其調壓範圍為額定值的1±2.5％，在豐水期低負荷時1-2.5％，枯水期高負荷1+2.5％。比較線路各處串聯調壓器後的效果，選取發電機併網節點電壓質量最好的作為調壓器串聯位置。電壓質量的判定指標為：
△v＝|ve-vkmin|+|vkmax-ve|
其中，ve為額定電壓，δv越小說明電壓質量越高。當調節後在豐水期低負荷和枯水期低負荷兩種情境下，各個節點的電壓範圍處於額定值的95％～105％外則加以排除。
針對形成的電網改造建設方案，仿真易於出現電壓質量下降的情景(豐水期高負荷和枯水期低負荷兩種)下的電壓水平，對結果進行分析，對於明顯超出範圍的方案進行排除。潮流仿真採用前推回代潮流，步驟s06中前推回代潮流中支路ij有功功率和無功功率損耗有下關係：
在上述求得的首末端功率分布和根節點電壓基礎上，由如下關係：
仿真易出現電壓下降的情景，即豐水期高負荷和枯水期低負荷兩種條件下的電壓水平；
其中，ei為各個節點i電壓的實部；fi為各個節點i電壓的虛部；rij為支路ij電阻；xij為支路電抗；pi為i節點負荷的有功功率；qi為i節點負荷的無功功率；根節點電壓為ei+jfi；首末端功率分布為pi，qi，pj，qj。
二者交替迭代，直到滿足了收斂條件停止。對於方案是否滿足合格的方案電壓條件為：各個節點的電壓範圍為額定值的95％～105％，處於該範圍外為電壓不合格。對於嚴重不合格方案的電壓判別條件為：存在節點電壓範圍低於85％或高於115％，則判斷為嚴重電壓不合格發難，直接排除。
步驟s07中的可靠性和評價指標計算過程為：對於配電系統的設備如變壓器，饋線，分支線等元件，利用兩狀態模型描述，即工作狀態和故障狀態，並且對於狀態的持續時間滿足指數分布，累積概率分布函數為：
f(t)＝1-ei-λt
在此基礎上，計算得到停電的預期時間，將停電損失造成的費用作為評價指標的一部分加以修正，和經濟性指標一起，表達式為：
其中，t為故障發生的時間；λ為各類元件服從的時間分布係數；z為電網建設規劃的總費用，包含電網建設投資c1，電網運行費用c2以及缺電成本費用c3；αi為電網結構優化變量，βi為電網運行優化變量，γ為可靠係數，根據可靠性要求一般取大於1的數；ri為第i個目標年的電網建設計劃。
步驟s07中還包括有評價指標的修正，在採用無功補償措施後各種運行方式下電壓均處於95％～105％範圍內的方案，評價指標增加修正項△c1、△c2和△c3，評價指標的修正公式如下：
上述公式為對產生的附加運行費用、附加設備費用、附加設備與運行方式所可能產生的停電進行缺點成本修正；
其中，△c1為設備費用修正值；△c2為運行費用修正值；△c3為缺點成本修正。
步驟s04中的方案選擇包括選擇指標參數z最好的作為可行方案；對於與指標參數z相同的方案，對豐水期低負荷和枯水期低負荷兩種運行方式下的電壓水平進行評價，採用△v＝|ve-vkmin|+|vkmax-ve|進行評價；
其中，vkmax為豐水期低負荷節點電壓最高值；vkmin為枯水期高負荷節點電壓最低值；ve為額定電壓，δv越小說明電壓質量越高；△v較小則作為優先方案。
本發明具有的有益效果：能夠在不同情景下對小水電出力和負荷進行預測；並且能夠針對不同的接線方式和不同的補償設備容量配置的運行情況進行仿真；還能夠辨別電壓越限情況嚴重的方案；在此基礎上，採用優化算法計算得到綜合指標最小的方案作為可行的配電網規劃方式。
最後說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。