配电网谐波和电压综合治理分区主导治理节点选取方法

本发明涉及电能质量综合治理领域，具体涉及一种配电网谐波和电压综合治理分区主导治理节点选取方法。

背景技术：

1、现代配电网分布式电源的高渗透和电力电子设备的广泛应用，使电网电力电子化特征愈加显著，谐波和电压偏差问题更加严重，污染分布更加分散化、全网化，导致传统点对点治理模式无法满足治理需求。光伏、风电等dg出力的强随机性和可控负荷的自由投退，以及电能质量污染分布随电网运行状况变化而变化，使治理设备与被治理目标不能一直维持点对点治理关系，从而不可避免地出现异地治理模式。因此，探索一种新手段从电网侧对现代配电网中分散化、全网化的电能质量污染进行治理十分必要。

2、电能质量具有区域化特性，治理设备对其接入点及相邻节点的电能质量治理效果明显，而对其余节点的治理效果较弱。

3、现有的apf主要应用于点对点治理模式，如果在所有污染源处接入该设备来控制全网谐波水平，成本太大且不具有实际可行性，如何选取治理设备最佳安装位置最高效地控制电网谐波，这是配电网谐波和电压综合治理分区主导治理节点选取方法中最大的技术难题之一。

4、现有技术中，综合考虑电能质量区域化特征和节点影响因素，能够准确地选取适合的主导治理节点。然而，这些节点可能在电能质量方面存在较严重的问题，如谐波扩散、电压波动等。尽管传统点对点治理模式显著仍能满足一定的治理需求，但光伏、风电等dg出力的强随机性和可控负荷的自由投切，以及电能质量污染分布随电网运行状况变化而变化，使治理设备与被治理目标不能一直维持点对点治理关系，从而不可避免地出现异地治理模式。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，针对配电网中dg并网逆变器不参与治理、参与无功补偿、同时参与谐波治理和无功补偿的不同情形。本发明提出了一种配电网谐波和电压综合治理分区主导治理节点选取方法，针对现代配电网中电能质量污染分布特征与现代电能质量治理设备特点，建立采用louvain分区算法的电能质量综合分区模型，为治理设备选取候选安装位置。从规划配置层面保障电能质量治理的区域化以及候选治理节点选择的有效性，避免污染大范围传播。

2、本发明采取的技术方案为：

3、配电网谐波和电压综合治理分区主导治理节点选取方法，包括以下步骤：

4、步骤1：基于无功灵敏度和谐波灵敏度，建立兼顾谐波和电压偏差指标的电能质量综合分区模型；

5、步骤2：基于综合电压耦合度指标，采用louvain分区算法划分配电网区域；

6、步骤3：基于综合电压灵敏度指标，计算区域内节点的最大平均综合灵敏度值，并依据最大平均综合灵敏度值选取各区域主导治理节点，得到区域主导治理节点集合，确定主导治理节点。具体实施流程如图2所示。

7、所述步骤1中，在电力系统中，假设系统有n个节点，其中有m个pq节点，1个平衡节点，n-m-1个pv节点；

8、步骤1.1：计算基波电压/无功灵敏度；

9、电力系统极坐标形式下的功率方程为：

10、

11、其中：δpi表示注入节点i的有功功率变化量；δqi表示注入节点i的无功功率变化量；pi表示节点i的有功功率；qi表示节点j的无功功率；vi表示节点i的电压；vj表示节点j的电压；gij表示节点i与节点j之间的电导；bij表示节点i与节点j之间的电纳；δij表示节点i与节点j的相角差；n表示系统节点数；i表示节点i；j表示节点j。

12、将上式线性化，得到修正方程式为：

13、

14、其中：δp、δq分别为注入节点的有功功率、无功功率变化量；δv、δδ分别为节点电压的幅值之比δv/v、相位差；

15、h(n-1)×(n-1)、n(n-1)×m、mm×(n-1)、lm×m表示雅可比矩阵的子矩阵；j为雅可比矩阵。

16、无功功率对电压偏差的偏导能够通过求解子矩阵l获得。

17、当i≠j时，

18、

19、其中：lij表示节点i与节点j之间的雅可比子矩阵；

20、当i＝j时，

21、

22、其中：bii表示节点i与节点i之间的自电纳；

23、然后可求得基波电压/无功灵敏度为：

24、

25、其中：vi和qi分别为节点i的基波电压和节点j的无功功率。

26、步骤1.2：求得各节点的谐波灵敏度；

27、nh次谐波补偿容量可表示为：

28、

29、其中：表示nh次谐波补偿容量；表示节点i的nh次等效电导；表示节点i的nh次谐波电压。

30、本发明以节点等效电导的增量对其余各节点谐波电压的治理程度，表示谐波灵敏度如下式所示。

31、

32、其中：为节点j处nh次谐波电压，为节点i接入的nh次等效电导。

33、将各次谐波灵敏度的均方根形式定义为谐波灵敏度eij，如下式所示，

34、

35、其中：nh和h分别为考虑的谐波总数和最大谐波次数，nh表示nh次谐波。

36、并将其作为区域主导治理节点选取的依据，以保证主导治理节点的有效性。

37、各节点的谐波注入电流是已知量，其可通过历史数据预测获取，因而节点i处的谐波灵敏度是等效电导的因变量，所以可求得各节点的谐波灵敏度，如下式所示。

38、

39、其中：表示为节点1处nh次谐波电压；为节点i处nh次谐波电压；表示为节点n处nh次谐波电压；

40、表示为节点1处nh次等效虚拟电导；表示为节点i处nh次等效虚拟电导；表示为节点n处nh次等效虚拟电导；

41、y′11表示不包含部分的节点1自导纳；yii为不包含部分的节点i自导纳；y′nn表示不包含部分的节点n自导纳；

42、yi1表示节点i和节点1之间的互导纳；yn1表示表示节点n和节点1之间的互导纳；

43、y1i表示表示节点1和节点i之间的互导纳；yni表示表示节点n和节点i之间的互导纳；

44、y1n表示表示节点1和节点n之间的互导纳；yin为节点i和节点n之间的互导纳；

45、表示节点1处nh次谐波注入电流；为节点i处nh次谐波注入电流；表示节点n处nh次谐波注入电流。

46、步骤1.3：基于谐波灵敏度和无功灵敏度，通过加权法定义综合电压灵敏度指标；

47、为了实现对谐波和电压偏差污染的综合治理，基于谐波灵敏度和无功灵敏度sij，通过加权法定义综合电压灵敏度指标wij，如下式所示。

48、

49、其中：和s′ij表示分别对和sij进行归一化计算。

50、τ表示谐波的重要程度，具体计算如下式所示。

51、

52、其中：dthi和avdi分别表示节点i处电压总谐波畸变率(total harmonicsdistortion,thd)和电压偏差绝对值(absolute of votage deviation,avd)，δdthi和δavdi分别为安装治理设备前节点i处谐波电压畸变率和电压偏差绝对值超出规定限值的部分。

53、采用min-max规范化方法对各指标数据进行归一化处理，如下式所示。

54、

55、其中：x′i表示标准化值；xi表示原始值；min(x)表示最小值；max(x)表示最大值i＝1,2,...,q，q表示第q个指标数据；

56、步骤1.4：计算节点间综合电压耦合度及电气距离；

57、根据上述无功灵敏度指标和谐波灵敏度指标，可得到系统内任意两节点的电压变化量关系，两节点基波电压变化之间的关系如下式所示。

58、

59、其中：δvi和δvj分别为节点i和节点j的基波电压变化量，aij为节点间基波电压耦合度。

60、类比于上式，节点i和节点j之间的nh次谐波电压关系如下式所示。

61、

62、其中：和分别为节点i和节点j的nh次谐波电压变化量，为节点i和节点j的nh次谐波电压耦合度；表示节点i的nh次谐波电压；表示节点j的nh次谐波电压；表示节点j的nh次等效电导。

63、为了表示节点之间的总谐波电压耦合关系，将nh次谐波电压耦合度的均方根形式定义为节点之间的总谐波电压耦合度γij，如下式所示。

64、

65、综合考虑节点间谐波和基波电压耦合度，定义节点间综合电压耦合度ψij为：

66、ψij＝τα′ij+(1-τ)γ′ij

67、其中：α′ij和γ′ij分别表示对αij和γij进行归一化。

68、电气距离dij＝-lg(ψij,ψji)。

69、所述步骤1中，电能质量综合分区模型

70、分区原则是结合配电网结构，根据节点间灵敏度强弱或电气距离的远近对网络进行分区。电能质量综合分区模型包含两个模块：综合电压灵敏度模块、节点间综合电压耦合度及电气距离模块；

71、综合电压灵敏度模块用于反映电能质量问题对电网中不同节点电压的影响程度；通过分析电网中各个节点的电压灵敏度，有助于确定哪些节点更容易受到电能质量问题的影响。节点间综合电压耦合度及电气距离模块用于反映电网中不同节点之间的相互影响程度，有助于确定电能质量问题在电网中的传播路径和影响范围，以便采取相应措施来改善电能质量。

72、所述步骤2:如图1所示包括如下步骤:

73、步骤2.1：将配电网中每个节点看作一个社团，根据系统结构和相关参数，计算节点间的综合电压耦合度；

74、节点间的综合电压耦合度表达式：ψij＝τα′ij+(1-τ)γ′ij；

75、步骤2.2：计算节点间电气距离dij和相连节点线路的权重aij，进一步，计算网络初始模块度qmod0，如下式所示：

76、

77、其中：m＝0.5×∑i,jaij，为配电网中相连节点间线路权重的和；

78、ki＝∑jaij，为与节点i相连线路权重的和；

79、ci和cj表示节点i和j所在社团的编号，当ci＝cj，则δ(ci,cj)＝1，反之δ(ci,cj)＝0；

80、dij为节点i和节点j之间的电气距离；n为配电网的节点数。

81、ψij表示节点i与节点j之间综合电压耦合度；ψji表示节点j与节点i之间综合电压耦合度；

82、步骤2.3：任意选取节点i和节点j组合成新社团，并重新求耦合并后的模块度，如下所示：

83、

84、步骤2.4：计算合并前后的模块度增值量，同时记录节点i与所有节点组合时的模块度增量值，如果其最大值大于0，则将节点i分配到最大值对应节点所在社团，否则保持不变；

85、模块度增值量δqmod计算如下式所示。

86、δqmod＝qmod-qmod0

87、其中：qmod为步骤2中的步骤2.3求解得到的模块度，qmod0为步骤2中的步骤2.2计算得到的网络初始模块度。

88、步骤2.5：将已划分的社团压缩为一个新节点，且该节点的权重为叠加后新权重，此时系统构成一个新网络，再重复步骤2.3；

89、步骤2.6：进行凝聚，重复步骤2.1，直到所有节点形成一个社团；

90、步骤2.7：选取最大值模块度对应的分区结果为最优分区，并输出分区结果。

91、以每个节点为初始社团，随机选择两个节点组成新社团，计算组合前后模块度变化值，依据模块度增值最大值原则进行迭代、社团凝聚。

92、所述步骤3中，基于综合电压灵敏度wij，计算区域内节点的最大平均综合灵敏度值，并依据最大值选取区域主导治理节点，具体如下式所示。

93、

94、其中：zl为区域l内最大平均综合电压灵敏度值。wij,l表示区域l内综合电压灵敏度；τ表示谐波的重要程度；表示区域l内节点ij间的h次谐波灵敏度的归一化值；si'j,l表示区域l内节点ij间的无功灵敏度的归一化值。

95、本发明一种配电网谐波和电压综合治理分区主导治理节点选取方法，技术效果如下：

96、1)本发明步骤1中，将谐波和电压偏差两个方面的电能质量问题纳入考虑，能够更全面、更准确地评估电网的电能质量状况。

97、步骤1.1中，通过计算电网的基波电压和无功灵敏度，有利于发现潜在的问题区域和节点。步骤1.2中，通过计算各节点的无功谐波灵敏度，有助于识别哪些节点受到谐波影响最为严重。

98、步骤1.3中，可以调整不同指标的权重，以反映谐波问题和无功问题对电压的相对重要程度。

99、步骤1.4中，通过计算节点间综合电压耦合度及电气距离，可以帮助确定电能质量问题在电网中的传播范围和路径和电网中不同节点之间的互相影响程度。

100、2)本发明步骤2中，可以在保证划分的综合性和合理性的前提下，自动地将电网划分为不同的区域。

101、步骤2.1中，通过计算节点间的综合电压耦合度，可以精准地定位电网中存在的电压相关问题。

102、步骤2.2中，通过计算节点间电气距离和相连节点线路的权重，可以更好地理解电网的结构和拓扑关系。

103、步骤2.3中，可以促进社团内紧密连接和社团间稀疏连接的形成，提高网络的模块度。步骤2.4中，将节点分配到能够使得模块度增加最大的社团，可以使得电网的社团结构更加优化，提高整体的模块度。

104、步骤2.5中，将已划分的社团压缩为一个新节点后，可以简化网络结构，降低复杂度。步骤2.6中，在每一次合并过程中，都会根据模块度的变化情况来决定是否继续合并，以达到最优的社团划分结果。

105、步骤2.7中，最优分区的结果会使得社团内节点之间的联系更加紧密。使得网格的社团结构更加合理和稳定。

106、3)本发明步骤3能够实现重点治理、优化资源配置。

107、4)本发明采用分区治理思想对配电网中分散全网分布的谐波和电压偏差污染进行治理，并选取区域主导治理节点为治理设备候选安装位置，从规划配置层面保障电能质量治理的区域化以及候选治理节点选择的有效性，避免污染大范围传播。