[发明专利]一种配电网电能质量节能增效方案优选方法

权利要求书

1.一种配电网电能质量节能增效方案优选方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤S1：采用Kmeans聚类方法将网络划分为各个子区域，再通过各子区域内的稳定性指标确定电能质量综合治理装置的最优布点；

步骤S2：考虑电能质量综合治理的两个目标：电能质量综合治理装置安装后的网络降损量和多目标电能质量综合治理装置的投资费用和自身的运行成本，进行配电网质量综合治理后节能潜力的量化计算；

配电网节能潜力的量化计算公式为：TES＝f₁-f₂-f₃，其中，f₁表示电能质量综合治理方案实施后的网络损耗降低值；f₂表示增加电能质量综合治理装置的投资费用；f₃表示多目标电能质量综合治理装置的运行成本；

步骤S3：考虑配电网规划改造场景即考虑线路新建或者改造以及变压器新建或者改造的投资成本，在配电网规划改造场景下进行配电网节能潜力的量化计算；

步骤S4：建立降损量目标函数F₁和投资费用的目标函数F₂，并进行优化得到电能质量治理优选方案；

所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11：利用Kmeans聚类方法对由配电网拓扑结构和参数构造的距离矩阵进行聚类分区，将整个配电网划分成多个子区域；

首先，由配电网的网络拓扑结构得出节点关联矩阵A，若配电网节点数目为n，则矩阵A＝(a_ij)_n×n是一个n×n阶的对称矩阵，矩阵A中的各元素按以下方式定义：

然后，提供配电网网络参数结合得出的关联矩阵A求各节点之间的电气距离矩阵D，矩阵D＝(d_ij)_n×n为n×n阶的对称矩阵，矩阵中元素d_ij表示节点i与节点j之间的距离；在4节点系统中所述矩阵D中各元素的值定义如下：

通过对距离矩阵D聚类分析，实现配电网的分区；

步骤S12：在每个分区中选择一个负荷中心作为电能质量综合治理装置的安装点，用以避免电能质量综合治理位置分布不均、治理范围重叠；

所述步骤S12具体包括以下内容：通过计算配电网各个分区内节点的稳定性指标数值，每个分区内稳定性指标数值最大的节点，即是电能质量综合治理装置的安装位置；

所述计算配电网稳定性指标数值的具体过程为：

流过配电网线路的电流为：θ_m和θ_n分别是电压V_m和V_n的角度，复功率为：S＝VI*，则

根据上面两个I_m的表达式交叉相乘，得到：

假设实部与虚部相等，电压的相角可以忽略不计，得到

将上面两个公式代入，得到：

为了保证上式的根是实根，需要满足

因此，稳定性指标的计算公式为：计算配电网不同分区内所有节点的稳定性指标数值，分区内稳定性指标数值最大的节点即是该分区内电能质量综合治理装置安装的候选节点；

步骤S2中所述电能质量综合治理装置安装后的网络降损量的具体计算过程为：

电能质量综合治理装置安装后即电能质量综合治理方案实施后的网络损耗降低值表示为：

f₁＝W_total＝K_e(ΔP_loss-peak×T_peak+ΔP_loss-medium×T_medium+ΔP_loss-light×T_light)

式中，K_e是网络降损量的成本；ΔP_loss-peak、T_peak分别为重载负荷水平时电能质量综合治理方案实施前后的网络降损量和重载负荷水平的持续时间；ΔP_loss-light、T_light分别为轻载负荷水平时电能质量综合治理方案实施前后的网络降损量和轻载负荷水平的持续时间；ΔP_loss-medium、T_medium分别为正常负荷水平时电能质量综合治理方案实施前后的网络降损量和正常负荷水平的持续时间；不同负荷水平持续时间总和为一年，T_peak+T_light+T_medium＝8760h；

假设在谐波、三相不平衡和电压偏差三种复合电能质量的扰动下，配电变压器和配电线路的附加损耗等于各个单一电能质量扰动下的附加损耗之和，则电能质量综合治理方案实施前后的网络降损量表示为：

ΔP_loss＝ΔP_loss-peak+ΔP_loss-medium+ΔP_loss-light

其中，ΔP_Transform和ΔP_Line分别是变压器和线路的损耗；HRI_h为第h次谐波含有率；I₁为基波电流的方均根值；R_T为基波时变压器绕组的等值电阻；K_T代表变压器的三相不平衡度系数；I_av为三相电流有效值的平均值，即I_av＝(I_A+I_B+I_C)/3，I_A、I_B、I_C为各相电流有效值；U_N为配电变压器的额定电压；P_o是额定电压下配电变压器的空载损耗；δ是电压偏差，δ＝(U-U_N)/U_N×100％；γ是与变压器电压偏差相关的系数：当|δ|＜7％时γ＝2，当7％≤|δ|＜10％时γ＝3.5，当|δ|≥10％时γ＝4；R_hL为电缆第h次谐波下的等值电阻，K_L代表线路的三相不平衡度系数，R_L为线路基波电阻；

步骤S2中所述多目标电能质量综合治理装置的投资费用的具体计算过程如下：

考虑增加电能质量综合治理装置的投资费用，投资费用如下式所示：

式中，K是折算系数；price_MOPQCD是电能质量综合治理装置的安装维护费用；m是安装设备的数目；price_S为设备的单位容量价格，S_MOPQCDi为安装的第i处的补偿容量；

由于电能质量综合治理设备的安装费用是一次性投资，需按照设备的使用年限进行折算，折算系数K的计算公式如下：

式中，r为设备折旧率；n_MOPQCD为设备的使用寿命；

步骤S2中所述多目标电能质量综合治理装置的自身运行成本的具体计算过程为：

多目标电能质量综合治理装置的自身运行成本与装置中使用的电力电子器件和主要元器件有关，直流侧的均压电阻损耗忽略不计；

三相四线制多目标电能质量综合治理装置的运行成本如下式所示：

f₃＝4m(P_sw+P_t+P_D+P_shunt)

其中，P_sw是多目标电能质量综合治理装置中使用IGBT的开关损耗，P_sw＝F_pwm*[E_on+E_off]；其中，F_pwm表示开关频率，E_on+E_off表示IGBT导通或者关断时候的热量；P_t是IGBT的通态损耗，P_t＝I_c*V_ce；其中，V_ce是管子的集电极与发射极间电压，I_c是集电极电流；P_D是IGBT的二极管损耗，其中管压降是0.7伏，P_D＝0.7*I_C；

步骤S3中所述在配电网规划改造场景下进行配电网节能潜力的量化计算的具体公式为：

其中price_Line表示规划要改造或新建的线路；price_type表示更换或改造线路由于线路类型不同额外产生的施工费或线路费用；表示配变更换所产生的费用；b是需要改造或者更换的变压器的个数；Length表示改造或更换导线长度；

所述步骤S4具体包括以下内容：

所述目标函数具体为：

minF₁＝K_e(ΔP_loss-peak×T_peak+ΔP_loss-medium×T_medium+ΔP_loss-light×T_light)

约束条件：等式约束即潮流约束条件如下式所示：

式中，P_i表示节点i的注入有功功率；Q_i表示节点i的注入无功功率；B_ij、G_ij分别表示节点i、j之间的电导电纳；N表示节点总数；

不等式约束条件：

U_imin≤U_i≤U_imax,i∈N_b

0≤S_MOPQCDi≤S_MOPQCDimax,i∈m

THD_i≤THD_max

其中U_imin、U_imax分别为节点电压的上限和下限，下限和上限分别为0.9、1.1区间内；S_imin、S_imax分别为线路潮流的上限和下限；S_MOPQCDimax表示电能质量综合治理装置容量的上限，10000kVA；THD_max根据国标是5％。