Power Flow Solution in Unbalanced 3-Wire MV and 4-Wire LV Networks Using Symmetrical and Eigen-basis Coordinates

📄 arXiv: 2511.17104v1 📥 PDF

作者: Abduljalil S. Aljadani, Firdous U. Nazir, Bikash C. Pal, Izudin Džafić, Rabih A. Jabr

分类: eess.SY

发布日期: 2025-11-21

备注: 10 pages, 7 figures. Submitted to Journal of Modern Power Systems and Clean Energy

💡 一句话要点

提出一种基于对称坐标和特征基坐标的潮流计算方法，用于不平衡三线MV和四线LV网络。

🎯 匹配领域: 支柱四：生成式动作 (Generative Motion)

关键词: 潮流计算 不平衡配电网 特征向量分解 对称坐标 四线LV网络 Volt/Var控制 分布式电源

📋 核心要点

  1. 传统对称坐标潮流计算方法在应用于三相四线LV网络时精度不足，无法准确计算中性线对地电压。
  2. 该论文提出一种基于特征向量分解的潮流计算方法，通过对角化四线LV线路导纳矩阵来提高计算效率。
  3. 实验结果表明，该方法能有效减少计算量，并在IEEE标准测试系统中显著加速Volt/Var控制的执行时间。

📝 摘要（中文）

分布式电源的大量渗透对配电网络的低压(LV)和中压(MV)部分都产生了影响。优化集成MV/LV网络的潮流计算对于现代配电网络的实时管理至关重要。传统的对称坐标方法主要局限于三相网络的三线模型，当应用于三相四线LV段时，常常导致潮流计算的不准确。本文提出了一种用于集成三线MV和四线LV网络的新型潮流计算方法。该方法利用特征向量分解来对角化四线LV线路的导纳矩阵，提高了潮流计算的计算效率，并准确计算了中性线对地电压。案例研究结果表明，总线导纳矩阵的LU因子中非零元素的数量减少了50%以上，并且与相坐标模型相比，在IEEE 123节点测试系统上的Volt/Var控制(VVC)执行时间加速了2.78倍，在IEEE 8500节点测试系统上加速了3.63倍。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决集成三线MV和四线LV网络中的不平衡潮流计算问题。传统对称坐标方法在处理四线LV网络时，由于忽略了中性线的影响，导致计算精度下降，无法准确计算中性线对地电压。此外，直接采用相坐标进行计算，计算量大，效率低。

核心思路：论文的核心思路是利用特征向量分解来对角化四线LV线路的导纳矩阵。通过转换到特征基坐标系，可以解耦网络方程，从而简化计算过程，提高计算效率。同时，该方法能够准确考虑中性线的影响，从而提高潮流计算的精度。

技术框架：该方法首先对四线LV线路的导纳矩阵进行特征值分解，得到特征向量矩阵。然后，利用该特征向量矩阵将网络方程转换到特征基坐标系。在特征基坐标系下，网络方程变为对角形式，可以更容易地求解。最后，将求解结果转换回原始相坐标系，得到各节点的电压和电流。整个流程包括：1. 构建网络导纳矩阵；2. 对四线LV线路导纳矩阵进行特征值分解；3. 将网络方程转换到特征基坐标系；4. 求解特征基坐标系下的网络方程；5. 将结果转换回相坐标系。

关键创新：该方法最重要的技术创新点在于将特征向量分解应用于四线LV网络的潮流计算。通过特征向量分解，可以将复杂的网络方程解耦为多个独立的方程，从而大大简化了计算过程。与传统的相坐标方法相比，该方法可以显著减少计算量，提高计算效率。与传统的对称坐标方法相比，该方法可以准确考虑中性线的影响，从而提高计算精度。

关键设计：论文的关键设计在于如何选择合适的特征向量分解方法以及如何处理特征基坐标系下的网络方程。论文采用了一种基于功率不变性的特征向量分解方法，保证了在坐标变换过程中功率的守恒。在特征基坐标系下，论文采用了一种基于牛顿-拉夫逊算法的潮流计算方法，可以快速准确地求解网络方程。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，与相坐标模型相比，该方法在IEEE 123节点测试系统上的Volt/Var控制(VVC)执行时间加速了2.78倍，在IEEE 8500节点测试系统上加速了3.63倍。此外，总线导纳矩阵的LU因子中非零元素的数量减少了50%以上，表明该方法能有效减少计算量，提高计算效率。这些结果验证了该方法在实际应用中的有效性和优越性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于配电网的实时监控、优化调度和故障诊断。通过提高潮流计算的效率和精度，可以更好地管理分布式电源的接入，提高电网的稳定性和可靠性。此外，该方法还可以用于评估配电网的电压稳定性和潮流分布，为电网规划和设计提供依据。未来，该方法有望应用于智能电网的能量管理系统，实现配电网的智能化运行。

📄 摘要（原文）

The large penetration of distributed generations impacts both the secondary low-voltage (LV) and the primary medium-voltage (MV) segments of the distribution network. Optimizing power flow calculations for the integrated MV/LV networks is crucial for the real-time management of modern distribution networks. Traditional methods in symmetrical coordinates are primarily limited to the three-wire model of three-phase networks, often leading to inaccuracies in power flow calculations when applied to three-phase four-wire LV segments. This paper introduces a novel power flow method for integrated three-wire MV and four-wire LV networks. Using eigenvector decomposition to diagonalize the admittance matrix of four-wire LV lines, the proposed method improves the computational efficiency of power flow calculations and accurately calculates the neutral-to-ground voltage. The results of the case studies show over 50\% reduction in the number of non-zero elements in the LU factors of the bus admittance matrix, and speed-up factors of 2.78 on the IEEE 123-node test system and 3.63 on the IEEE 8500-node test system in execution times for Volt/Var control (VVC), compared to the phase coordinates model.