CN101277015A - 城市配电网综合节能方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种城市配电网综合节能方法及系统。通过采用高低压混合型先进节能技术及装备，在保证节能装备运行可靠性的同时，减少线路损耗和畸变损耗，实现配电网动态节能，并抑制负荷不平衡和闪变；并通过全局协同优化节能与控制，提高电能总体利用效率。跟传统方法相比配置更优化，装备更智能化，并且能够实现全局优化控制。

Description

城市配电网综合节能方法及系统

技术领域

本发明涉及城市配电网综合节能方法及系统。

背景技术

电力系统是一个非线性、大规模的复杂系统，其安全与经济运行的关键问题一直以来都是电力领域的重中之重。目前，电力系统趋向于大机组、大电网、超高压、特高压、高度自动化和远距离等方向发展。随着我国社会和经济的飞速发展，电网的规模日益扩大，西电东送、南北互供、全国联网的电网格局已初步形成，随之带来的一些安全、稳定问题也日益突出。

目前，我国输配电网节能技术和相关装备的发展相对滞后，输配电系统仍然存在无功补偿不足、电压稳定问题严峻、谐波污染严重、自动化水平不高、电力市场理论与技术不够完善等问题。这些都严重影响了输配电系统的安全与经济运行，制约了电力系统的发展和电力改革的步伐。最近欧洲和国内的几次停电事故给电网的安全、稳定运行敲响了警钟，电网运行中的一些安全、稳定问题日益暴露出来。在电网的经济运行方面，据国家电力信息网统计，2000年全国年电能损失达875亿度；国家信息中心经济预测部的统计表明，2005年全国年电能损失超过2千亿度。据美国官方统计，近20年来，全球范围内因电能质量引起的重大电力事故已达20多起，每年因电能质量扰动和电气环境污染引起的经济损失高达300亿美元。可见，为了保障现代电网的安全、稳定、经济运行，迫切需要新的技术来解决现代电网运行与控制中遇到的一些新的难题，并为电网的运行与控制提供相应的自动化装备和软件平台。

节能降耗和污染减排是“十一五”期间一项全社会任务，是构建和谐社会的重要因素。“十一五”规划中提出2010年单位GDP能耗下降20％，这个任务非常艰巨因此，紧紧围绕输配电网新型节能技术与装备研究和工程应用中的一系列关键性技术难题，开展了深入而有意义的研究工作，解决电网安全与经济运行问题，具有重大的理论和实际意义。随着我国城镇化水平的不断提高，如何提高城市配电网的整体节能将成为越来越重要的问题。

发明内容

针对上述现有技术，本发明旨在提供一种配电网综合节能方法及系统，能在优化了配置的同时又能够进行分散补偿，对输配电网实行了全局优化和协同控制提高电能总体利用率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种城市配电网节能系统，在配电网10KV侧连接有高压静止无功补偿器SVC与大功率混合型有源电力滤波器HAPF联合运行系统，所述HAPF由有源电力滤波器APF与基波谐振支路并联后，再与SVC中的无源电力滤波器PF部分串联组成，且通过该SVC中的PF部分串联接入电网；同时在配电网380V安装有户内外智能型无功补偿装置IVC；最后连接在高压侧的SVC、HAPF和低压侧的IVC通过数据总线与变电站自动化综合系统的服务器连接，所述服务器通过光纤连接到调度中心。

相应的，本发明还提供一种城市配电网节能方法，对低压侧的节能设备采用协同最优控制原理进行控制，使其满足以最小的投切量达到最佳无功补偿的效果；同时对高压侧的节能设备采用拉格朗日乘法最优化谐波畸变率和功率因数，寻求在满足配电网电流畸变率的情况下获得最佳的功率因数，从而得到一个最优解，最后通过调度中心对高压侧和低压侧进行整体监测和调度。

其中对低压侧的节能设备采用协同最优控制原理的控制步骤为：对所有控制器在同一时刻对各自节点采样，并将数据传送与之直接相连的相邻节点；控制器根据数据计算出满足约束条件的可能投切值；从一条支线路的最末端节点开始，求出满足约束条件的最优子策略和代价，若最小投切电容量都不能满足约束条件，则放弃该点而转移到同一支线路上沿变电所方向的下一邻近点重复上述计算；对全部节点都进行寻优后，从最后节点开始向前传递最优策略，通过该寻优过程，对低压侧的无功功率进行了补偿。

本发明通过所述拉格朗日乘法的优化步骤如下：

(1).测定电源电压和电流值；

(2).设定THD限定；

(3).计算电压，电流RMS值和相角；

(4).计算平均功率；

(5).形成拉格朗日目标函数；

(6).假定控制变量的初始值；

(7).使用牛顿-拉夫逊Newton-Raphson解变量；

(8).若算出的误差小于限定值，则可算出补偿量，否则返回(7)式重新求解，直到算出的误差小于限定值。

本发明的益处是：1)不同类型的无功补偿装置根据不同的应用场合安装于输配电网中，达到稳定系统电压，提高系统动态性能及暂态稳定性和改善供电电能质量的目的，为电力系统无功补偿提供一种全面的解决方案，达到节能降耗的效果。2)对配电网中的谐波进行动态实时治理，同时将主要特征谐波滤除，还能补偿一定程度的无功功率。使有源滤波器基本上不承受基波电压和基波电流，从而减小了有源滤波器的容量，降低有源谐波补偿系统的投资，提高性能价格比，达到了APF实用化及谐波抑制的目的。3)实现了全局协同优化节能，进行全局协同优化控制，提高电能总体利用效率。

综上所述，通过该城市配电网综合节能方法及系统，一改传统节能方式，通过优化配置，实现了配电网的全局优化协同控制，实现了全方位的电气节能降耗，具有很广阔的市场前景。

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明：

附图说明

图1是本发明中所述城市配电网综合节能系统结构示意图；

图2是本发明所述拉格朗日乘法的实现流程图。

具体实施方式

图1为城市配电网综合节能系统，在10KV侧采用SVC高压静止无功补偿器与大功率混合型有源电力滤波器HAPF联合使用，在SVC系统中增加了小容量的APF部分，APF与基波谐振支路并联后再与SVC结构中的无源部分相串联接入电网。该联合运行系统在具备SVC基本功能的同时，通过APF提高了无源滤波器的滤波性能，抑制无源部分与配电网等效阻抗间可能的谐振现象，并且可以实现对各次谐波的动态治理，能提高输配电系统的动、静态稳定性，改善输电系统的动态性能，实现输配电网节能损耗；在380V采用户内外智能型无功补偿装置IVC。最后连接在高压侧的SVC、HAPF和低压侧的IVC通过数据总线与变电站自动化综合系统的服务器连接，所述服务器通过光纤连接到调度中心。

本实施例提供城市配电网综合节能方法，是采用一种分布式结构的智能化变电站综合自动化系统，该系统利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调，保障现场工作的安全稳定运行。系统实现了一套完整的变电所智能化监控功能体系，它完成对变电所内主要设备和输配电线路的自动监视、测量、控制、保护，以及与上级系统通信等综合性的自动化功能，实现高、中、低压设备智能化监控的集成。通过这样的一个变电站综合自动化系统，实现了协同优化控制和管理节能。

其具体步骤为对低压侧的无功补偿设备采用协同最优控制原理进行控制，使其满足以最小的投切量达到最佳无功补偿的效果；同时对高压侧的节能设备采用拉格朗日乘法最优化谐波畸变率和功率因数，寻求在满足配电网电流畸变率的情况下获得最佳的功率因数，从而得到一个最优解，最后通过调度中心对高压侧和低压侧进行整体监测和调度。

上述协同最优控制原理为：对所有控制器在同一时刻对各自节点采样，并将数据传送与之直接相连的相邻节点；控制器根据数据计算出满足约束条件的可能投切值；从一条支线路的最末端节点开始，求出满足约束条件的最优子策略和代价，若最小投切电容量都不能满足约束条件，则放弃该点而转移到同一支线路上沿变电所方向的下一邻近点重复上述计算；对全部节点都进行寻优后，从最后节点开始向前传递最优策略。通过这样一个寻优过程，对低压侧的无功功率进行了很好的补偿。

参照图2，利用拉格朗日乘法求解的运行过程如下：

(1).测定电源电压和电流值；

(2).设定THD限定；

(3).计算电压，电流RMS值和相角；

(4).计算平均功率；

(5).形成拉格朗日目标函数；

(6).假定控制变量的初始值；

(7).使用牛顿-拉夫逊方法解变量；

(8).若算出的误差小于限定值，则可算出补偿量，否则返回(7)

                                                       式重新求解，直到算出的误差小于限定值。

其中上述步骤中(5)-(7)的具体步骤如下：

1.设置拉格朗日函数L＝f+λ·g+μ·u  (1)

其中f为目标函数，g表示等式约束，u为不等式约束，λ和μ为未知量。

2.设期望电流的均方根值I_sn＝K_n·V_n  (2)

其中K_n为n价补偿负载的等效导纳。

3.目标函数 $f=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_n^2{V}_n^2.---\left(3\right)$

其中Vn为配电网n次电压RMS值。

4.当电压和电流移相角为零，瞬时功率的平均值

$P_{\mathrm{dc}}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n{\·I}_{\mathrm{sn}}=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2{K}_n---\left(4\right)$

5.式(1)中g可表达成 $g=P_{\mathrm{dc}}-\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2{K}_n=0---\left(5\right)$

6.设定电流THD限制为I_THD，则不等式约束u，作为K_n的函数可表示为

$\frac{{\mathrm{\Σ}}_2^n{I}_{\mathrm{sn}}^2}{I_{s1}^2}{\≤I}_{\mathrm{THD}}^2$

$\frac{{\mathrm{\Σ}}_2^n{K}_n^2{\·V}_n^2}{K_1^2{\·V}_1^2}\≤I_{\mathrm{THD}}^2---\left(6\right)$

$u={\mathrm{\Σ}}_2^n{K}_n^2{\·V}_n^2-I_{\mathrm{THD}}^2{K}_1^2{V}_1^2\≤0$

目标是最小化受式(1)、(5)和(6)约束的f。

L可表示为：

$L=\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_n^2{V}_n^2+\mathrm{\λ}(P_{\mathrm{dc}}-\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n^2{K}_n)+\mathrm{\μ}\·(\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_n^2{V}_n^2-I_{\mathrm{THD}}^2{K}_1^2{V}_1^2)---\left(7\right)$

其中λ和μ为未知量。

对于L受约束的局部最小值的必要条件为：

$\frac{\∂L}{\∂K_1}=b_1[2K_1(a-I_{\mathrm{THD}}^2\·\mathrm{\μ})-\mathrm{\λ}]=0---\left(8\right)$

$\frac{\∂L}{{\∂K}_n}=b_n[{2K}_n(a+\mathrm{\μ})-\mathrm{\λ}]=0---\left(9\right)$

其中 $a=\left({\mathrm{\Σ}}_1^n{V}_n^2\right)$ $b_n=V_n^2,$ n是所考虑谐波的阶次

$\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\λ}}=g=0$ $\frac{\∂L}{\∂\mathrm{\μ}}=u\≤0---\left(10\right)$

通过牛顿-拉夫逊方法解上述方程(8)-(10)得到K_n，从而便可获得了由K_n决定的在一个在可接受的电流THD内最优的功率因数的期望电流值，这样也获得了所需的补偿值。其中μ·u＝0和μ≥0为Kuhn-Tucher条件满足相对最小的目标函数。

Claims (4)

1、一种城市配电网综合节能系统，其特征在于，在配电网10KV侧连接有高压静止无功补偿器SVC与大功率混合型有源电力滤波器HAPF联合运行系统，所述HAPF由有源电力滤波器APF与基波谐振支路并联后，再与SVC中的无源电力滤波器PF部分串联组成，且通过该SVC中的PF部分串联接入电网；同时在配电网380V安装有户内外智能型无功补偿装置IVC；最后连接在高压侧的SVC、HAPF和低压侧的IVC通过数据总线与变电站自动化综合系统的服务器连接，所述服务器通过光纤连接到调度中心。

2.一种城市配电网综合节能方法，其特征在于，对低压侧的节能设备采用协同最优控制原理进行控制，使其满足以最小的投切量达到最佳无功补偿的效果；同时对高压侧的节能设备采用拉格朗日乘法最优化谐波畸变率和功率因数，寻求在满足配电网电流畸变率的情况下获得最佳的功率因数，从而得到一个最优解，最后通过调度中心对高压侧和低压侧进行整体监测和调度。

3.根据权利要求2所述城市配电网综合节能方法，其特征在于，所述对低压侧的节能设备采用协同最优控制原理的控制步骤为：对所有控制器在同一时刻对各自节点采样，并将数据传送与之直接相连的相邻节点；控制器根据数据计算出满足约束条件的可能投切值；从一条支线路的最末端节点开始，求出满足约束条件的最优子策略和代价，若最小投切电容量都不能满足约束条件，则放弃该点而转移到同一支线路上沿变电所方向的下一邻近点重复上述计算；对全部节点都进行寻优后，从最后节点开始向前传递最优策略，通过该寻优过程，对低压侧的无功功率进行了补偿。

4.根据权利要求2所述城市配电网综合节能方法，其特征在于，所述拉格朗日乘法的优化步骤如下：

(1).测定电源电压和电流值；

(2).设定THD限定；

(3).计算电压，电流RMS值和相角；

(4).计算平均功率；

(5).形成拉格朗日目标函数；

(6).假定控制变量的初始值；

(7).使用牛顿-拉夫逊解变量；

(8).若算出的误差小于限定值，则可算出补偿量，否则返回(7)式重新求解，直到算出的误差小于限定值。

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