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使用软正常开放点的中压配电网络中的馈线负载平衡
摘要：软正常开放点（SNOP）是安装在配电网的常开点上的电力电子设备。 这种电力电子设备能够控制潮流以平衡馈线之间的负载，减少网络损耗并调节电压。 研究了中压配电网馈线负载平衡的SNOP性能。 开发了两种不同类型SNOP的稳态模型：背靠背电压源换流器和统一潮流控制器。 使用SNOP的好处通过使用Powell的直接设置方法求解组合非线性优化来量化。 IEEE 33总线电力系统被用来证明SNOP的有效性。 考虑了不同数量和类型的SNOP器件。 通过将它们与传统的网络重新配置进行比较，显示了使用SNOP的优越性。
关键词：负载平衡，软常开点，背面反向电压源换流器，统一潮流控制器，鲍威尔直接集方法，网络重构。
1 简介
许多国家正在推广分布式能源（DER）的广泛应用，例如分布式发电机（DG）和储能，电动汽车以及可控负载。 这会导致配电网络中峰值电流和不希望的电压偏移增加，并增加馈线负载不平衡。 随着DER的增加，缓解这些问题变得更加困难和紧迫，特别是当负载和DG输出在同一馈线上快速连续发生大的变化时[1]。 此外，每个馈线由不同类型的负载组成，例如住宅，商业，工业等，并且DER连接在馈线之间并不均匀分布，因此网络的某些部分可能在一天的特定时间负载很重并在其他时间轻微加载。 需要更有效的方法来缓解这种过载状况。
配电网络重新配置是一种传统的馈线负载平衡工具[2]，它通过改变馈线的拓扑结构将负载从重负载馈线转移到轻负载馈线。 在分布式网络中，相邻馈线之间通常有许多常开点（NOP）。 这些NOP在关闭其他正常关闭点的同时关闭，以实现馈线之间的负载转移。 关于使用网络重新配置来进行负载平衡和供电恢复已经进行了大量的研究[3-5]。 DG输出和需求变得越来越动态，因此系统负载条件正在发生重大变化，这触发了自动网络重新配置的需要。 然而，这导致了远程控制交换机，相关的ICT（信息和通信技术）基础设施以及交换设备的不期望的磨损和撕裂的高成本。
另一种解决方案不需要网络拓扑结构的改变，就是使用电力电子设备，通过精确而灵活的方式控制电力流量，可以更有效地利用现有的网络容量[6]。 关于在传输网络中使用这些设备进行大容量电力传输存在大量信息[7]。 最近，为支持DG的增长[8,9]，已经提出在配电网中安装电力电子设备来代替NOP，即“软”常开点（SNOP）。 这些设备不是简单地打开/关闭NOP，而是通过在馈线之间提供快速和持续的功率流控制，能够促进馈线负载转移并优化网络电压分布。
研究了配有SNOP的配电网络的稳态行为，重点是馈线负载平衡和电压分布改进。 针对考虑不同类型的功率电子器件的稳态分析的SNOP建模以及确定最佳SNOP终端输出的技术被开发来量化SNOP的益处。
2 软常开节点的建模
如图1a所示，在配电网络中安装一个软常开点代替常开点。这样的位置允许设备控制活动。相邻馈线间的功率流与供给或吸收之间的流动。通过两个接口终端的无功功率。Fig.1b显示一种具有真实和反应性的SNOP模型。将功率投入节点I和J将这些能量注入作为决策变量，考虑SNOP集成的馈线上的功率流。由以下一系列递归方程计算[10]径向网络的功率流模型:
边界方程如下
代表了有功和无功功率从i-1、从i馈线和母线n流出。分别代表线路i-1和i之间的损失和母线n与SNOP之间的损失。为母线I上的有功功率和无功功率。代表节点i和i-1之间的电阻和电抗，是节点i的电压。类似的具有边界条件的递归功率流方程也适用于J支线。
背靠背电压源转换器(B2B)包括。两个电压源转换器(VSCs)通过a连接。常见的直流连接，如图1c所示。两个转换器提供快速、独立的控制主动和无功功率。P-Q平面的四个象限。使用了B2B模型。如图1b所示的SNOP注入模型:
功率平衡的操作限制，VSC考虑并制定了容量和端电压。如下(装置上的能量损失被忽略)：
代表连接到线路I和J之间的VSC提供的有功功率和无功功率，代表连接在支线I上的VSC的额定功率，
表示实际的和最大的电压。终端的交流界面。同样的约束也适用于另一侧的VSC连接到馈线J。
- 统一的功率流控制器(UPFC)模型。
UPFC的配置不同于B2B的之一是UPFC中的VSCs与交流网络串联在一起。通过变压器(T 2)，如图1d所示。UPFC的有功和无功功率流控制原理。通过注入串联交流电压的幅值和相位来实现控制。如图1b所示的使用UPECM模型的SNOP功率注入模型:
- 背靠背电压源转换器（B2B）模型
反向电压源转换器（B2B）包括两个电压源转换器（VSCS）通过连接一个公用直流母线，如图。两转换器提供有功和无功功率的快速独立控制所有四个象限的p-q平面。使用B2B模型。当斯诺普注入模型示于图时：
功率平衡的操作限制容量和终端电压被考虑和制定。如下（设备丢失被忽略）：、
b.统一潮流控制器（UPFC）模型统一潮流协议在配置上与B2B不同。什么之中的一个
他在UPFC的工作与交流网络系列通过一个变压器（T2），如图1的操作。统一潮流控制器有功和无功潮流控制原理通过注入可控的串联交流电压实现的幅度和相位角。用的是ߩUPFC的模型当斯诺普功率注入模型示于图时：
为两个SNOP的相位差，是UPEC的有效阻抗。UPEC注入的串联电压由下式决定：
r代表UPEC工作的半径区域。
功率平衡的操作限制，除了串联侧VSC的容量之外，容量和终端电压与B2B相同。
- 软常开开关最优操作点
对馈线负荷平衡量化斯诺浦效益，有功和无功功率注入量的斯诺普装置通过求解组合确定。非线性约束优化问题。
A.目标函数
一个分支负荷指数测量，网络中每个分支的加载级别表示为
和是实际和额定支路电流。全网的负载均衡通过最小化负载平衡指标LBI实现
定义为支路负荷指数之和：
为网络中的分支数总和。
B.约束与惩罚函数
对配电网及SNOP约束设备被认为是。SNOP设备约束的
见（6）-（8）和（14）。网络约束表示如下
分别代表潮流等式、允许的最小和最大工作电压方程、在i母线和K分支的最大容量。
通过求解，考虑（17）的等式约束。后引入的负载流问题。平等（18）和（19）中所示的约束被包括到目标函数的罚函数法。在这种方法采用无约束最优化方法。直接求解变换后的目标函数。罚函数如下：
为惩罚常数，为是violations罚函数的snop装置约束，
网络电压和容量的限制；S表示决策变量向量。基于功率在第二节SNOP注入模型，有功和无功在两个接口端子上注入功率被指定为决策变量，对于一个SNOP来说，等同于，因此后者不包含在S内。因此，n个SNOP互相协作有序结合在一起，可以得到一个3n维空间，因此：
C.确定最优SNOP运行方式
一种基于Powell的数学优化方法用直接集（PDS）理论确定最优解来决定SNOP运行方式。
Powell直接集方法是一种直接搜索法。Powell等人提出的。[ 12 ]。而不是计算导数，它定义了运动的方向，以达到最优，即基于目标的搜索方向函数本身。因此，它很容易实现，并且不受诸如存在等限制性假设的限制目标函数的导数。这个方法是成功应用于解决困难或困难的问题不可能计算目标的导数函数[ 13 ] [14]。
PDS方法的全面回顾以及在[ 12 ]中给出了收敛性的数学证明。在该方法通过迭代得到最优解技术。在每次迭代中，依次搜索沿着3n线性无关的方向需要找到最优解。为了提高收敛，一个新方向（共轭方向）是在每次迭代之后生成。这样的方向已经被证明是更具代表性的搜索方向，即线索。以更有效的运动达到最低限度现有的。因此，它被添加到替换现有的一个,指导下一步的搜索过程迭代。
确定最佳斯诺浦操作的主要步骤，利用PDS法如图：
步骤1：定义初始的近似SNOP运行方式,定义3n个独立线性方向：这些线性的独立方向被选择为坐标初始方向。这意味着只有一个决策变量（21）在沿着这样一个方向搜索时会发生变化。收敛准则也是在这一步中指定的。
步骤2：为了提高收敛性，共轭方向是在每次迭代中生成的。两个子步骤是必须的：
——从开始迭代（K是迭代次数），按顺序在从3n个方向开始搜索，沿着各个方向，找到最小值。表达如下：
本文提出了一种一维搜索方法。黄金比例规则法[ 15 ]，采用此方法来计算最佳步长。方法[ 3 ]结合SNOP作为（1）配制的注入模型被实现为子程序计算目标函数。
——在搜索完3n个方向后，会生成一个共轭方向。
步骤4：找到新的近似的SNOP运行方式最优解(下一次迭代的起点）。通过搜寻，找到最小值目标函数。之后再沿着新方向，，用（22）式子，。
步骤5：收敛性检查:如果满足则k=k 1，重复步骤2-4，否则停止。
下图为一个典型的由点生成的点序列的例子，PDS方法如图3所示。
4案例研究
一个33总线的配电网络被用来演示有效SNOPS馈线负载平衡。这个测试从[ 3 ]中提取的网络有一个分站，37个馈线，32个常闭开关，五个常开开关和额定电压12.66kv。真实和反应的总和在电力系统负荷3715千瓦和2300 kvar。图4显示测试网络的图表。馈线之间的开关被选择作为候选地方来安装SNOP。它们是在25和29, 3、18, 8和21, 12和22之间的联络开关。这种规格的SNOP单元容量为5MVA。
A使用SNOPs的馈线负载。
为了测试SNOP对馈线负载的性能，在平衡时，假定一个馈线的负载在该网络中，(如图4所示，从总线26到总线33)，这些均为重负载，即在正常的条件下，2.5倍以上的负载。
表中显示了不同数量的SNOP的影响，安装在负载平衡。观察该系统，负载平衡指数LBI降低了59.4%。SNOP。虽然这样的削减得到了进一步的改善，安装了更多的SNOPs，提高了速度。可以看出，添加的第四个条件的影响是边缘性的。图5a说明了当前的加载情况。每个分支，通过使用SNOPs，大量的装载。加载的分支(例如，从分支L1到L6和L25到。L30)通过将负载转移到该区域而显著降低。
通过SNOP控制轻轻地加载分支。正如所见。这个数字代表从L12到L24的负载水平增加了。
电压剖面也得到了改善，如图5b所示。
在32母线上的最小母线电压为0.82 p.u。重载应急。提高了17.3%。在系统负载均衡使用SNOPs后。
B.不同的馈线负载平衡方法比较：SNOP控制和网络重配置
重新配置分销网络是实现更好网络运营的传统方法。 为了研究SNOP对馈线负载平衡的好处，将SNOP的性能与网络重新配置进行比较。 与之前的情况一样，考虑了同样的偶然事件（一个馈线发生过载）。 本研究仅在网络中安装了一个SNOP（总线24和29之间）。
表I.在不同数量的SNOP安装中对系统负载平衡指数的影响
SNOP安装数量对负载平衡的影响
SNOP安装数量对系统电压分布的影响
表II给出了使用SNOP或配电网重新配置的负载平衡指数降低。 初始系统负载平衡指数（Base Case）为13.208，分别使用SNOP控制和网络重新配置，减少了43.45和59.40。 当前的加载曲线如图6a所示。 可以看出，通过仅使用一个SNOP来控制网络功率流，与使用网络重新配置来改变开关打开/关闭状态序列相比，可以在馈线负载平衡方面实现更好的性能。
图6b显示了电压分布曲线。 尽管通过使用SNOP控制或网络重新配置来改善总线电压，但使用SNOP控制的最小电压改进远高于使用网络重新配置的改进。 最小电压的改善百分比分别为6.8和12.7。 这些结果表明使用SNOP来缓解超负荷状况的优越性。
C.不同SNOP设备的比较：B2B和UPFC
不同类型的电力电子设备可以实现为SNOP，例如B2B或UPFC。 前面几节中使用的相同的过载应急是
用于比较这两个电力电子设备的负载平衡行为。 为了实现相同数量的负载平衡指数降低，也考虑了B2B和UPFC中所需的最小规模（VSC额定值），即通过SNOP接口终端将相同的功率量注入网络。 SNOP被放置在总线24和29之间。
表III列出了当达到相同的负载平衡指数减少量时，B2B和UPFC中VSC所需的最小尺寸结果。 可以看出，UPFC和B2B之间对VSC大小的要求差异很大。 对于UPFC，串联VSC所需的最小尺寸远远高于并联VSC所需的最小尺寸。 相比之下，B2B中的VSC之间的差异并不显着。 这意味着对于实施为SNOP的UPFC，VSC的大小可以根据连接类型（即串联或并联连接到网络的分流器）进行不同的设计。 还观察到UPFC中的两个VSC所需的尺寸远低于B2B中的尺寸。 这表明了UPFC在控制B2B上的功率流中的主要优势：针对功率流控制的特定要求，实施为SNOP的UPFC需要比B2B小的尺寸。
表二 用不同方法比较负载平衡
33总线配电系统
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资料编号：[16827]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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