CN101728828B - 通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法，所述方法通过计算电源系统的无功功率和电压灵敏度，来分析无功功率补偿的位置和应用补偿设备的效果，从而改善电源系统的电压质量。所述优化系统电压控制方法包括步骤：通过计算机程序在测试系统的总线中确认电压违反变电所，所述电压违反变电所具有超过预定值参考值的电压；与确认的电压违反变电所相关地利用八个变电所至十个变电所配置本地系统；与配置的本地系统内的总线相关地利用缩小本地算法产生缩小的本地系统；与缩小的本地系统相关地通过确定用于将电压违反变电所的电压恢复到正常值的电压控制量来计算功率流；基于电压控制量和控制操作来计算优化目标函数值。

Description

通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法

本申请要求于2008年10月29日提交的第2008-0106744号韩国专利申请的优先权和权益，其全部公开通过引用包含于此。

技术领域

本申请涉及一种通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法，更具体地讲，涉及这样一种通过无功电源协调控制的优化系统电压控制方法，所述方法通过计算电源系统的无功功率和电压灵敏度，来分析无功功率补偿的位置和应用补偿设备的效果，从而改善电源系统的电压质量。

背景技术

近来，无功功率的供给和需求变得不稳定，这是因为在从远程电源的长距离功率传输过程中功率损耗增加，以及耗电装置的负载特性改变，这样会导致大规模的断电。

一种广泛地用于解决不稳定的无功功率供给的方法利用相位调节装置来调节无功功率。

在这样的情况下，当在电源系统中因缺少无功功率使得电压很低时，使用用于提供无功功率的电容器，或者中断消耗无功功率的无功器件(reactor)。相反，当在电源系统中因过多的无功功率而出现过电压(over-voltage)时，中断用于提供无功功率的电容器，或者使用消耗无功功率的无功器件。

利用相位调节装置来控制无功功率的优点在于，以相对简单的操作和相对低的成本来实现其期望的目的。

然而，根据用于控制相位调节装置的传统方法，因为仅基于设置有相位调节装置的总线(变电所)的电压来执行控制操作，所以有会在外围系统中出现过电压和低电压的可能性。

此外，因独立的控制而可能没有执行优化的控制操作，并且因为仅出于保持电压的目的来执行控制操作，所以这样导致电源系统的损耗增加。

发明内容

本发明致力于解决上述与现有技术相关的问题，本发明的一个目的在于提供一种通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法，所述方法可以解决不稳定的无功功率供给问题，由在从远程电源长距离功率传输过程中功率虽好增加、以及耗电装置的负载特性改变而导致该问题。

根据本发明的一方面，提供了一种通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法，所述方法包括步骤：通过计算机程序在测试系统的总线中确认电压违反总线，所述电压违反总线具有超过预定电压参考值的电压；与确认的电压违反总线相关地利用八个变电所至十个变电所配置本地系统；与配置的本地系统内的总线相关地利用缩小本地算法产生缩小的本地系统；与缩小的本地系统相关地通过确定用于将电压违反总线的电压恢复到正常值的电压控制量来计算功率流；基于电压控制量和控制操作来计算优化目标函数值。

产生缩小的本地系统的步骤可以利用下面的算法：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔQ}}_o\\ {\mathrm{\ΔQ}}_S\end{array}\right]\≈\left[\begin{array}{cc}{\∂Q}_o/{\∂V}_o& {\∂Q}_o/{\∂V}_S\\ {\∂Q}_S/{\∂V}_o& {\∂Q}_S/{\∂V}_S\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔV}}_o\\ {\mathrm{\ΔV}}_S\end{array}\right]$

其中，ΔQ₀表示没有包括在本地系统中的总线的无功功率的改变，ΔV₀表示没有包括在本地系统中的总线的电压的改变，ΔQ_S表示包括在本地系统中的总线的无功功率的改变，ΔV_S表示包括在本地系统中的总线电压的改变，其中，表示为子集的缩小的本地系统被细分为与具有变压器抽头、平行电容器、无功器件的每条总线相关的多个缩小的本地系统。

产生缩小的本地系统的步骤可以包括：基于利用缩小本地算法计算的电距离根据影响电压违反总线的总线的控制水平，来配置渐进系统。

产生缩小的本地系统的步骤可以包括：基于在缩小的本地系统中具有相位调节装置的总线，通过重复产生缩小的本地系统的步骤，来产生每个缩小的本地系统。

计算优化目标函数值的步骤可以利用下面的算法：

$\begin{array}{c}\mathrm{Min}\\ k_i\end{array}\underset{i=1}{\overset{u}{\mathrm{\Σ}}}\left|k_i\right|C_i+F(k_1,\·\·\·,k_n)$

s.t. $\underset{i=1}{\overset{u}{\mathrm{\Σ}}}\left|k_i\right|\≤N_{\mathrm{sw}}$

k_i∈{-1，0，1}

其中，k_i表示相位调节装置的切换，C_i表示相位调节装置的切换成本，F(k₁，...，k_n)表示用于确定相位调节装置的操作优先级的惩罚函数，N_sw表示在控制方法的一次重复计算步骤中能够允许的切换操作的最大次数，-1表示相位调节装置开路，0表示不切换，+1表示相位调节装置运行，其中，N_sw值越小，控制结果越稳妥。

即，根据k_i计算以寻找最小值的优化目标函数 $\underset{i=1}{\overset{u}{\mathrm{\Σ}}}\left|k_i\right|C_i+F(k_1,\·\·\·,k_n)$ 其中，k_i诸如为 $\underset{i=1}{\overset{u}{\mathrm{\Σ}}}\left|k_i\right|\≤N_{\mathrm{sw}}.$

k_i∈{-1，0，1}

当本地系统的电压在电压保持的范围内时，惩罚函数变为0。并且当本地系统的电压超出所述范围时，用户设置具体控制装置的操作的优先级或设定惩罚以挽回。惩罚函数的值越大，控制装置的操作被设置越晚。

使目标函数的值最小化的控制元件、控制量、控制操作可以被选择为目标函数的解。

附图说明

通过参照附图详细描述本发明的示例性实施例，对于本领域普通技术人员来说，本发明的上面和其他目的、特征、优点将变得更清楚，附图中：

图1是示出根据本申请实施例的通过协调控制无功电源的优选系统电压控制方法中使用的测试系统；

图2是优化系统电压控制方法的流程图；

图3是示出与电压控制相关的目标系统中S.C应用的状态的表；

图4是示出在目标系统中用于产生低电压的假设事故的列表的表；

图5是示出应用了假设事故之后目标系统中低电压(低于0.95PU)的出现状态的表；

图6是示出在将相位调节装置应用到第五总线之后目标系统中低电压总线状态的表；

图7和图8是示出在将另一相位调节装置应用到第五总线之后目标系统中低电压总线状态的表；

图9至图11是示出在将另一相位调节装置应用到第七总线之后目标系统中低电压总线状态的表；

图12和图13是示出在将另一相位调节装置应用到第九总线之后目标系统中低电压总线状态的表。

具体实施方式

下文中，将在下面参照附图详细描述本发明的示例性实施例，从而本发明所属领域的技术人员可以容易地实现本发明。

在整个说明书中，通过指示具有相似的结构和功能的相同元件的相同的标号来表示具有相似的结构和功能的元件。

图2是示出根据本申请实施例的通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法的流程图。

参照图2，通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法包括：电压违反总线确认步骤S1；本地系统配置步骤S2；缩小的本地系统产生步骤S3；功率流计算步骤S4；目标函数计算步骤S5。

下面，将参照图2至图13来详细描述根据本申请实施例的通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法。

首先，如图1中所示，具有总功率需求为6,247MW的测试系统包括十个发电机G1至G10、三十五条线路径1至35、十二个变压器。

然后，如图2中所示，执行电压违反总线确认步骤S1。即，确认具有超过预定参考值的电压的电压违反总线。

然后，基于电压违反总线确认步骤S1的结果来执行本地系统配置步骤S2。

在本地系统配置步骤S2中，与电压违反总线相关地利用八至十个变电所来配置本地系统。

将总线的数量限制为八至十条的原因在于缩小用于计算电距离的总线的数量。

参照图3至图5，示出了用于执行缩小的本地系统产生步骤S3的表，缩小的本地系统产生步骤S3即为从在本地系统配置步骤S2中划分的总线中产生缩小的本地系统。

图3是示出在与电压控制相关的目标系统中静态电容器(S.C)安装的状态的表。图4是示出目标系统中用于产生低电压的假设事故的列表的表。图4中示出的假设事故同时应用，以在目标系统中产生低电压。图5是示出在应用了假设事故之后目标系统中低电压(低于0.95PU)出现的状态的表。换句话说，参照图3至图5，仅对于在本地系统配置步骤S2中产生并在本地系统内的总线，在计算距电压控制目标总线的电距离之后，产生包括位于预定的电距离内的总线的缩小的本地系统。

在这样的情况下，如果包括在本地系统中的总线的子集表示为S，则构成缩小的本地系统的算法可以通过下面的式子来表示：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔQ}}_o\\ {\mathrm{\ΔQ}}_S\end{array}\right]\≈\left[\begin{array}{cc}{\∂Q}_o/{\∂V}_o& {\∂Q}_o/{\∂V}_S\\ {\∂Q}_S/{\∂V}_o& {\∂Q}_S/{\∂V}_S\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ΔV}}_o\\ {\mathrm{\ΔV}}_S\end{array}\right]$

其中，ΔQ₀和ΔV₀为与位于子集S外部的总线相关的因子，ΔQ_S和ΔV_S为与位于子集S中的总线相关的因子。

即，ΔQ₀可以表示没有包括在本地系统中的总线的无功功率的改变，ΔV₀可以表示没有包括在本地系统中的总线的电压的改变，ΔQ_S可以表示包括在本地系统中的总线的无功功率的改变，ΔV_S可以表示包括在本地系统中的总线电压的改变。

如上所述，因为在本地系统算法式中假设ΔV₀≈0，即，调节位于子集S中的相位调节装置不影响位于子集S外部的总线的电压的改变，所以可以如下表示上面的式子：

$\mathrm{\Δ}{Q}_S\≈[\∂Q_S/\∂V_S]\left[\mathrm{\Δ}{V}_S\right]$

$\mathrm{\Δ}{V}_S\≈[\∂V_S/{\∂Q}_S]\left[\mathrm{\Δ}{Q}_S\right]$

这里，与具有变压器抽头(tap)、平行电容器、无功器件的总线中的每条总线相关地产生表示为子集S的本地系统。

这样，利用本地系统算法来执行缩小的本地系统产生步骤。产生缩小的本地系统的原因在于选择在分析电压控制效果过程中施加电压惩罚(voltagepenalty)的总线。

然后，在功率流计算步骤S4中，通过与具有相位调节装置的电压违反总线中的每条总线相关地重复缩小的本地系统产生步骤S3，经由功率流计算，来确定用于将电压违反总线的电压恢复为正常值的电压控制量。

参照图6至图13，在目标函数计算步骤S5中，基于在功率流计算步骤S4中得到的每个电压控制量和控制操作(开路和运行)来计算用于优化的目标函数值。在这样的情况下，目标函数包括每条总线的电压违反值、循环无功流、与在上面配置的本地系统中的控制装置的应用和使用相关的权重值。

在目标函数计算步骤S5中使用的算法如下。

$\begin{array}{c}\mathrm{Min}\\ k_i\end{array}\underset{i=1}{\overset{u}{\mathrm{\Σ}}}\left|k_i\right|C_i+F(k_1,\·\·\·,k_n)$

s.t. $\underset{i=1}{\overset{u}{\mathrm{\Σ}}}\left|k_i\right|\≤N_{\mathrm{sw}}$

k_i∈{-1，0，1}

其中，k_i表示相位调节装置的切换，-1表示相位调节装置开路，0表示不切换，+1表示相位调节装置运行，N_sw表示在控制方法的一次重复计算步骤中可允许的切换操作的最大次数。

一般，因为系统操作员倾向于避免同时切断多个电压控制器，所以将N_sw设置为1，N_sw值越小，控制结果越稳妥。

通常，与电压无功功率控制相关的优化方法可以通过使有功功率损耗最小化或使无功功率的累积最大化来实现。考虑到相位调节装置开路和运行导致的成本，通过在系统中使在运行过程中的相位调节装置的数量最小化，并通过使在以后的电压控制过程中可用的相位调节装置的数量最大化，来实现优化方法。

然后，使利用上述的目标函数算法得到的结果最小化的控制元件、控制量、控制操作被选择为优化方法的解。然后，如果所有总线的电压被恢复为参考电压，或者如果不需要操作控制器，则优化方法终止。

下面，将参照图6至图13来详细描述目标函数计算步骤S5。

图6是示出在将相位调节装置应用到图1中示出的第五总线之后目标系统中低电压总线状态的表。即，可以看出，当将S.C 50MVAR应用到第五总线时，增加第十三总线的电压以落入参考值内，并且还增加其他六条总线的电压。

图7是示出在将另一相位调节装置应用到第五总线之后目标系统中低电压总线状态的表。

图8是示出在将另一相位调节装置应用到第五总线之后目标系统中低电压总线状态的表。

在将S.C 50MVAR额外地应用到第五总线(总量为150MVAR)之后，去除了第十五总线的低电压。

图9是示出在将另一相位调节装置应用到第七总线之后目标系统中低电压总线状态的表。

图10是示出在将另一相位调节装置应用到第七总线之后目标系统中低电压总线状态的表。

在将S.C 50MVAR应用到第七总线之后，仍然明显违反电压的总线为第七总线。因此，基于与每个控制器相关的控制效果的分析结果，决定将S.C50MVAR额外地应用到第七总线，以有效地改善第七总线的电压。

图11是示出在将另一相位调节装置应用到第七总线之后目标系统中低电压总线状态的表。

在将S.C 50MVAR额外地应用到第七总线(总量为100MVAR)之后，仍然明显违反电压的总线为第七总线。因此，基于与每个控制器相关的控制效果的分析结果，决定将S.C 50MVAR额外地应用到第七总线，以有效地改善第七总线的电压。

图12是示出在将另一相位调节装置应用到第九总线之后目标系统中低电压总线状态的表。

在将S.C 50MVAR额外地应用到第七总线(总量为150MVAR)之后，仍然明显违反电压的总线改变为第八总线。因此，基于与每个控制器相关的控制效果的分析结果，决定将S.C 50MVAR额外地应用到第九总线，以有效地改善第八总线的电压。

图13是示出在将另一相位调节装置应用到第九总线之后目标系统中低电压总线状态的表。

在将S.C 100MVAR应用到第九总线之后，仍然明显违反电压的总线改变为第四总线。因此，基于与每个控制器相关的控制效果的分析结果，决定将S.C 100MVAR额外地应用到第九总线(总量为200MVAR)，以有效地改善第四总线的电压。

然后，基于与每个控制器相关的控制效果的分析结果，决定将S.C100MVAR额外地应用到第九总线(总量为300MVAR)，以解决第四总线的电压违反。结果，所有总线的电压落入参考值内。

如上所述，根据本申请的实施例的通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法可以以这样的方式用在最小的调节量有效地控制系统电压，即，系统操作员考虑到电压和无功功率控制而设置有效的控制区域，并基于控制区域内的功率信息来计算每条总线的电压和无功电源之间的灵敏度，以在最佳位置操作相位调节装置。

本领域技术人员应该明白的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明的上述示例性实施例进行各种修改。因此，本发明意在覆盖所有这样的修改，只要它们落入权利要求及其等同物的范围内。

Claims (6)

1.一种通过协调控制无功电源的优化系统电压控制方法，所述方法包括步骤： 

通过计算机程序在测试系统的总线中确认电压违反总线，所述电压违反总线具有超过预定电压参考值的电压； 

与确认的电压违反总线相关地利用八个变电所至十个变电所内的总线配置本地系统； 

与配置的本地系统内的总线相关地利用缩小本地算法产生缩小的本地系统； 

与缩小的本地系统相关地通过确定用于将电压违反总线的电压恢复到正常值的电压控制量来计算功率流； 

基于电压控制量和控制操作来计算优化目标函数值。 

2.如权利要求1所述的优化系统电压控制方法，其中，产生缩小的本地系统的步骤利用下面的算法： 

其中，ΔQ₀表示没有包括在本地系统中的总线的无功功率的改变，ΔV₀表示没有包括在本地系统中的总线的电压的改变，ΔQ_S表示包括在本地系统中的总线的无功功率的改变，ΔV_S表示包括在本地系统中的总线的电压的改变， 

表示为子集的缩小的本地系统被细分为与具有变压器抽头、平行电容器、无功器件的每条总线相关的多个缩小的本地系统。 

3.如权利要求1所述的优化系统电压控制方法，其中，产生缩小的本地系统的步骤包括：基于利用缩小本地算法计算的电距离，根据影响电压违反总线的总线的控制水平，来配置渐进系统。 

4.如权利要求1所述的优化系统电压控制方法，其中，产生缩小的本地系统的步骤包括：通过基于在缩小的本地系统中具有相位调节装置的总线重复产生缩小的本地系统的步骤，来产生每个缩小的本地系统。 

5.如权利要求1所述的优化系统电压控制方法，其中，计算优化目标函数值的步骤利用下面的算法： 

k_i∈{-1，0，1} 

其中，k_i表示相位调节装置的切换，C_i表示相位调节装置的切换成本，F(k₁，...，k_n)表示用于确定相位调节装置的操作优先级的惩罚函数，N_sw表示在控制方法的一次重复计算步骤中能够允许的切换操作的最大次数，-1表示相位调节装置开路，0表示不切换，+1表示相位调节装置运行， 

其中，N_sw值越小，控制结果越稳妥。 

6.如权利要求5所述的优化系统电压控制方法，使目标函数的值最小化的控制元件、控制量、控制操作被选择为目标函数的解。 

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