一种含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法技术

本发明专利技术公开了一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法，将分布式电源作为节点，根据配电网中各个电气元件的连接方式和参数，构建配电网系统模型；采用迭代式补偿电流法求解配电网负荷模型的短路电流，判断求解的短路电流是否收敛，如果不收敛进入下一步，否则保存结果并停止计算；将所有的恒功率负荷转换为恒阻抗负荷模型，并应用迭代式补偿电流法进行短路电流的计算，并计算配电网系统中各个节点的短路电压值；构造同伦方程，利用计算的短路电压值和电流值构建导纳矩阵，利用连续性方法，求解、更新导纳矩阵，得到收敛短路电流解。本发明专利技术使得短路计算的性能在收敛性、求解精度两方面同时得到了改善。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法。
技术介绍
近年来，风能以及太阳能等绿色可再生能源迅速发展，以此为载体的分布式发电技术也得到了大力的发展。分布式电源的接入改变了配电网的拓扑结构，使得电能可双向流动，对配电网络的运行以及维护带来更多挑战。具体分析，其影响具有两面性。一方面，分布式电源在负荷中心进行电能就地补偿从而降低电能在线路中流动引起的损耗，同时提高供电电压质量，提高供电可靠性，另一方面，短路故障发生时，分布式电源会向故障节点供给短路电流，使得故障电流增大，短路路径发生变化，影响继电保护系统的正常运行。实现精确的配电系统短路分析通常需要基于配电元件模型的准确构建。在传统的配电网短路计算中，负荷模型通常采用恒阻抗模型或直接忽略负荷，以简化短路的计算。但是，负荷模型的简化可能会较大程度的影响电力系统短路计算结果的准确性。当短路故障发生时，系统电压会下降，负荷所消耗的电能会影响系统供耗平衡，从而影响短路电流结果。当系统中实际负荷模型为恒电流模型时，如果采用恒阻抗模型，电能消耗与电压的平方成正比，从而比实际电能消耗低。与此相似，实际负荷为恒功率模型时，则电能消耗比实际电能多，从而加重供耗不平衡，影响短路计算结果的准确性。有两种方法可用于计算短路电流，且计算精度一致，这两种方法分别为序分量法和相分量法。序分量法将系统中三相元件用正序、负序和零序来表示，实现三序之间解耦。然而，这种方法不适用于不对称配电网络。相间不相等的互耦导致序网络之间的互耦效应，利用对称分量法没有优势；另外一个不用对称分量法的原因是发生故障的相是有限制的。比如，利用对称分量法分析线对地故障时只限于a相接地。如果一个单相分支线路和b相或c相连接并且需要计算短路电流，对称分量法则束手无策。相分量法对网络中元件采用三相建模，基于相分量法，发展了节点导纳矩阵修正法，叠加法，补偿电流法等进行短路电流分析。节点导纳矩阵修正法通过在故障节点接入很小的阻抗来模拟短路，并据此修改系统节点导纳矩阵，采用潮流计算方法进行短路计算。这种方法需要在迭代过程中不断进行节点导纳矩阵的修改，对于大系统而言，计算效率较低。叠加法和补偿电流法虽然一定程度上减少了计算量，但对于负荷模型的研究比较缺乏，一直以来都将负荷作为恒阻抗模型来处理，而当负荷为恒阻抗、恒功率和恒电流的复合模型时将出现迭代不收敛的情况。
技术实现思路
本专利技术为了解决上述问题，提出了一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法，本方法在短路解存在的情况下，采用三阶段的设计以保证对含有非线性负荷的配电短路计算的收敛性，可以处理配电网络中各种负荷模型，有较强的鲁棒性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法，包括以下步骤：(1)将分布式电源作为节点，根据配电网中各个电气元件的连接方式和参数，构建配电网系统模型，进行潮流计算；(2)采用迭代式补偿电流法求解配电网负荷模型的短路电流，判断求解的短路电流是否收敛，如果不收敛进入步骤(3)，否则保存结果并停止计算；(3)将所有的恒功率负荷转换为恒阻抗负荷模型，并应用迭代式补偿电流法进行短路电流的计算，并计算配电网系统中各个节点的短路电压值；(4)构造同伦方程，利用计算的短路电压值和电流值构建导纳矩阵，利用连续性方法，求解、更新导纳矩阵，得到收敛短路电流解。所述步骤(1)中，分布式电源包括同步发电机、异步发电机和经逆变器接入电网的分布式电源，将其看作PV节点、PQ节点或PI节点，当分布式电源作为PV节点计算短路电流发生不收敛时将转换成PQ节点。所述步骤(1)中，将负荷构建为恒功率模型、恒电流模型、恒阻抗模型或组合形成的ZIP模型。所述步骤(1)中，电气元件还包括变压器、调压器和电容器。所述步骤(1)中，构建故障模型，对于三相接地故障、单相接地故障以及相间故障，在故障节点接入对应阻值的阻抗来进行短路故障的模型。所述步骤(2)中，采用戴维南等值方法计算故障节点处短路电流。所述步骤(3)中，求解出故障点处的电流后，更新系统节点电流注入，即将故障点处的短路电流作为负的电流注入添加到故障前系统电流注入向量中。所述步骤(3)中，将恒功率负荷转换为恒阻抗模型，同时将网络中所有的恒功率负荷部分转换为恒阻抗模型，并建立系统节点导纳矩阵，计算包含变电站、分布式电源、负荷和短路电流的等效系统电流注入向量，计算网络各节点短路电压值。所述步骤(4)中，设定连续参数的初始值和步长，建立参数化导纳矩阵，通过参数方程计算系统电流注入，以节点电压值作为初始解，逐步增大连续参数的值，求解不同的连续参数值下，网络节点电压。所述步骤(4)中，判断网络节点电压是否收敛，如果收敛，则求解各支路电流，否则采取步长控制策略，调整连续参数的步长，重新建立参数化导纳矩阵，直到连续参数为1，求解配电网中各支路的电流，否则，重新更新连续参数并继续建立参数化导纳矩阵。本专利技术的有益效果为：(1)本专利技术提出了利用同伦增强的补偿电流法来解决该问题，使得短路计算的性能在收敛性、求解精度两方面同时得到了改善；(2)通过引入辅助函数和辅助参数，将不好求解的困难问题通过转化为简单问题，以求解出的简单问题的解为出发点，再通过辅助参数由0到1的变化逐渐还原至原困难问题，同伦方法给出了初始点的一种估计方法，使得初始点更加接近真实解；(3)处理含有非线性负荷的配电系统短路计算问题是与传统方法相比具有良好的收敛性和较强的鲁棒性，当系统中含有恒功率负荷时，传统的短路计算方法可能会遇到不收敛的问题；(4)适用范围广，可以用于处理配电网络中各种负荷模型；(5)强调了不同负荷模型对短路电流计算值的影响，为继电保护提供了更精准的整定值。附图说明图1为IEEE-13节点系统图；图2为IEEE-8500节点单线图；图3为三阶段通论增强的短路电流算法流程图图4为同伦过程流程图；图5为三相接地故障示意图；图6为IEEE-13节点算例在三相短路故障迭代过程中的收敛情况示意图；图7为IEEE-8500节点算例迭代过程收敛情况示意图。具体实施方式：下面结合附图与实施例对本专利技术作进一步说明。1系统模型的建立1.1分布式电源稳态模型分布式电源包括同步发电机、异步发电机和经逆变器接入电网的分布式电源，他们可以看作PV节点、PQ节点或PI节点。在此专利中，当分布式电源作为PV节点计算短路电流发生不收敛时将转换成PQ节点。1.2负荷模型一般来说负荷模型包括恒功率模型、恒电流模型、恒阻抗模型以及三者的组合负荷模型(ZIP)。三相负荷可以使平衡或不平衡的星形接地或角形不接地和单相或两箱接地。组合负荷模型可由如下两式表示其中UN为额定电压，PN、QN为额定有功功率和无功功率，ap、bp、cp、aq、bq、cq为系数且满足ap+bp+cp＝1，aq+bq+cq＝1。(1)式中负荷有三部分构成，第一部分表示恒阻抗负荷，第二部分表示恒电流负荷，第三部分表示恒功率负荷。1.3变压器模型详细的变压器模型对于短路电流的分析和计算是十分必要的。尤其是模型应该包括：三相分接头，铁芯损耗和铜损，励磁电流，绝缘换相装置，中性点接地阻抗。用变压器的短路阻抗和励磁电流来计算导纳矩阵，三相变压器接地类型包括本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法，其特征是：包括以下步骤：(1)将分布式电源作为节点，根据配电网中各个电气元件的连接方式和参数，构建配电网系统模型，进行潮流计算；(2)采用迭代式补偿电流法求解配电网负荷模型的短路电流，判断求解的短路电流是否收敛，如果不收敛进入步骤(3)，否则保存结果并停止计算；(3)将所有的恒功率负荷转换为恒阻抗负荷模型，并应用迭代式补偿电流法进行短路电流的计算，并计算配电网系统中各个节点的短路电压值；(4)构造同伦方程，利用计算的短路电压值和电流值构建导纳矩阵，利用连续性方法，求解、更新导纳矩阵，得到收敛短路电流解。

【技术特征摘要】
1.一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法，其特征是：包括以下步骤：(1)将分布式电源作为节点，根据配电网中各个电气元件的连接方式和参数，构建配电网系统模型，进行潮流计算；(2)采用迭代式补偿电流法求解配电网负荷模型的短路电流，判断求解的短路电流是否收敛，如果不收敛进入步骤(3)，否则保存结果并停止计算；(3)将所有的恒功率负荷转换为恒阻抗负荷模型，并应用迭代式补偿电流法进行短路电流的计算，并计算配电网系统中各个节点的短路电压值；(4)构造同伦方程，利用计算的短路电压值和电流值构建导纳矩阵，利用连续性方法，求解、更新导纳矩阵，得到收敛短路电流解。2.如权利要求1所述的一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法，其特征是：所述步骤(1)中，分布式电源包括同步发电机、异步发电机和经逆变器接入电网的分布式电源，将其看作PV节点、PQ节点或PI节点，当分布式电源作为PV节点计算短路电流发生不收敛时将转换成PQ节点。3.如权利要求1所述的一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法，其特征是：所述步骤(1)中，将负荷构建为恒功率模型、恒电流模型、恒阻抗模型或组合形成的ZIP模型。4.如权利要求1所述的一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法，其特征是：所述步骤(1)中，电气元件还包括变压器、调压器和电容器。5.如权利要求1所述的一种基于同伦的含分布式电源和非线性负荷的短路电流计算方法，其特征是：所述步骤(1)中，构建故障模型，对于三相接地故障、单相接地故障以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴奎华，吴健，梁荣，冯亮，杨波，孙伟，郑志杰，杨慎全，张晓磊，刘晓明，王轶群，李昭，李勃，杜鹏，
申请(专利权)人：国网山东省电力公司经济技术研究院，国家电网公司，
类型：发明
国别省市：山东;37