CN101809839B - 控制电力分配 - Google Patents

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Abstract

本发明与控制电力分配区域中电力的分配有关。为了有效地控制所述分配区域中的电力分配，所述区域的变电站(3)具备分配控制器(19)或者智能变电站控制系统(ISCS)。所述分配控制器被连接到各种过程设备(21)，所述过程设备又被连接到所述区域的主设备(23)。所述过程设备将对应于所述主设备的数据发送到所述分配控制器，并且所述分配设备包括处理装置(29)，所述处理装置基于被接收的数据提出一组动作。另外，所述分配控制器包含协调装置(33)，所述协调装置从被提出的该组动作中选择最终的动作。在所述分配区域的主设备上实现所述最终的动作。

Description

控制电力分配
技术领域
本发明涉及电力分配领域。其不同于权利要求1的前序部分中所描述的用于控制电力分配的分配控制器。
背景技术
电力分配系统是电力传输网络和电力终端客户之间的接口。典型地，电力分配系统包含经电力线和开关连接到次级变电站的多个主变电站。主变电站含有将电压从输电网或者地区输电网(sub-transmission grid)的HV级减小到适合于区域传输的MV级的变压器。分配级别网络控制涉及与变电站和电力线的主设备相互作用的多件次级设备，即开关、抽头换接器、电容器组以及类似设备。分配地区、区域或者单元被指派给一个单个主变电站并且由电力明确连接的主设备(树形结构或者馈线结构)定义。然而，分配地区在网络拓扑结构的重新配置期间经受变化，潜在地导致分配地区与关联的次级设备的虚拟域之间的不一致。另外，在分配系统的较低电压级上的电力的分布式发电为分配级别网络控制产生一些不可忽视的协调任务。
举例来说，2007年6月的IEEE 2007电力工程协会全体会议上Per Lund的题为“The Danish Cell Project-Part 1：Background andGeneral Approach”的论文描述了单元控制器引导计划(CellController Pilot Project)，其目的在于开发用于存在于丹麦西部的大量分布式发电的优化管理和有效电力网利用的新的解决方案。为了这个目的，在主变电站处的每个150/60千伏变压器下面的60千伏(kV)网络部件通过断开被选择的变电站中足够多的60千伏线断路器并且从而将60千伏分配系统的另外组网的网络分区而被作为放射状网络操作。这些被放射状地操作的60千伏网络中的每一个于是定义60千伏分配单元，该分配单元将受具有多个功能并且具有到分配网络操作器(DNO)的网络控制中心(NCC)处的监督控制和数据捕获(SCADA)系统的链路的全自动单元控制器控制。
单元或者分配控制器也被称为智能变电站控制系统(ISCS)或者分配智能系统控制器(DISC)，其可以包含一个或者若干物理设备并且通常被置于分配地区的主变电站中。ISCS能够通过提供用于映射用于保护和控制的次级设备和较高级别的系统之间的信号的网关功能而对于NCC起变电站网关的作用。特别地，其能够在内部将来自各种主协议的过程数据变换到标准协议，例如IEC 61850标准数据模型，以及能够将来自标准数据模型的数据变换到通用从协议之一。
举例来说，ISCS通过现有的通信基础设施连接到NCC，这两者经主从类型的遥控协议通信，例如IEC 60870-5-101。多个其它协议，诸如SPA、LON-LAG和IEC 60870-5-103被用于将ISCS连接到为了保护和控制目的的次级设备或者过程设备。另一方面，IEC 61850标准协议基于客户端-服务器，这允许若干客户端访问来自相同服务器的数据。它们以标准化的面向对象的方式定义变电站内的数据的语义(semantics)，并且提供标准化的方法以在不同的工程工具之间以标准化的格式传递数据。
发明内容
本发明的目标是要优化电力分配。通过根据权利要求1的分配控制器和根据权利要求7的控制电力分配的方法来实现该目标。根据从属权利要求，另外优选的实施例显而易见。
根据本发明，用于控制被指派给控制器的第一电力分配区域或者单元中的电力分配的分配控制器适用于被连接到第一控制域的过程设备或者次级设备。这些次级设备，诸如变电站智能电子设备IED和远程终端单元RTU，依次与被指派的第一区域的主设备相互作用。该控制器包含用于处理和评估来自连接到控制器的过程设备的数据的处理装置。该处理装置实现根据IEC 61850的逻辑节点和/或应用函数算法，并且取得和提出与被指派的第一区域的主设备有关并且由被指派的第一区域的主设备执行的动作或者命令。分配控制器还包含实现用于在被提出的动作或者命令由主设备执行之前协调它们的逻辑算法或者准则的协调装置。在本上下文中的协调被理解为包含按优先级排序、分等级、冲突解决、或者任何其它类型的合情合理的决策。
上述应用函数算法包含用于例如损失最小化、电压控制和拥塞管理的高级和复杂的程序(routine)，其由超过预先确定的门限和/或以其它方式违反特定的操作约束的某个在线变量触发。对应的动作或者命令包含在100毫秒的时间尺度上的控制、管理或者优化命令，或者与这些命令有关的参数设置的改变，或者保护设置的改变。因为由新的规则、网络结构的快速扩张、诸如风力或者PV的可再生间歇性发电的集成以及归因于能量市场的影响的改变的需求模式而导致的网络复杂度的增加，如今电力系统的操作状态正变得不那么可预测。这种增加的不可预测性可能最终使得不同的应用函数算法提出分歧的测量(diverging measure)。
因而，凡是由对过程设备提供的过程数据的处理产生的与电力分配系统的操作有关的矛盾的、竞争的或者重叠的要求之处，独立的协调步骤被调用。协调准则可以取决于电力分配系统和/或分配控制器的操作条件，并且可以基于例如预先确定的或者动态更新的因素或者来自电力分配系统的邻近的分配区域或者单元的输入而被独立地确定和调整，最终产生后者的进一步优化的操作以及计算资源的有效使用。
在根据本发明的第一分配控制器中，区域内范围(intra-region-wide)的协调或者决策制定被实现为协调装置，只要矛盾的动作被提出或者可能被提出就咨询该协调装置。协调装置回到(revert to)用于选择专门的应用函数算法的诸如按优先级排序或者分等级的顺序的准则，该专门的应用函数算法的提议将被执行或者被丢弃。因而，通过评估多个预先定义的应用函数由处理装置提出的动作在它们要求监督介入的情况下通过咨询对任何特定的提议组合指示怎样继续的表或者索引而被协调。
在优选的变体中，协调装置包括基于过去的操作经验协调被提出的动作的冲突解决能力。为了该目的，历史数据库存储多个先前遇到的操作条件和目标主设备的对应的被执行的动作，举例来说诸如开关操作历史。根据这些，结论被得到并且被合并入表或者索引，以及被应用到与先前的操作条件相似的任何当前情况。
在另外的优选变体中，分等级的顺序评估分歧动作的可能原因，即约束违反的类型和/或幅度。类型既涉及超过其门限的物理量也涉及所关心的那件设备，因而区分具有相同类型的主设备，诸如都遭受电压或者电流约束违反的两条线。幅度是绝对值或者是相对值，并且可以结合被指派给类型的权重来组合或者评估。
在本发明的第二实施例中，第一分配控制器适用于直接经光信道或者间接经较高的层级结构级别或者NCC中的数据集中器与被指派给第二或者邻近区域的第二或者对等分配控制器通信。第一控制器于是可以代表第一区域的主设备接收由第二控制器的处理装置取得的动作或者命令。同样地，第一控制器的协调装置可以基于来自第二控制器的输入来协调被提出的动作。来自第二控制器的决策支持输入可以是电压或者负载测量，或者可以是由第二域的过程设备估计的任何其它量，或者可以是对第一控制器的明确的问题或者请求的答复。通过这样将协调活动扩展到第一区域之外，多区域电力分配系统的操作性能和有效网络管理被改进。
在另外的实施例中，第一分配控制器适用于与过程设备通信，该过程设备又依次与被指派给第一控制器的第一区域的主设备相互作用，但是该第一分配控制器被直接连接到第二分配控制器。这允许第一控制器经第二控制器得到到其处理装置的必要数据输入，例如按照电力网络的重新配置和对所述主设备从第二区域到第一区域的对应的重新指派。换句话说，其中由连接到主变电站的主设备定义的分配区域不同于由连接到分配控制器的次级设备定义的控制域的情况被预期。
在控制包含被指派给至少两个非重叠的分配区域的多个主设备以及至少两个连接到又依次与相应的分配区域中的主设备相互作用的过程设备或者次级设备的分配控制器的电力分配网络上的电力分配的方法中，下列两个步骤被执行：
通过实现应用函数算法或者逻辑节点的第一控制器的处理装置并且基于来自连接到控制器的过程设备的数据，取得与被指派的第一区域的主设备有关并且由被指派的第一区域的主设备执行的控制、管理或者优化命令，以及
通过实现逻辑算法的第一控制器的协调装置基于来自第二或者邻近分配控制器的决策支持输入来协调动作。此处，决策支持输入最好专用光纤链路在两个控制器之间被传送。
本发明还涉及包括用于控制连接到电力分配区域的过程设备的分配控制器的一个或多个处理器的计算机程序代码装置的计算机程序产品，特别地，涉及包括在其中含有计算机程序代码装置的计算机可读介质的计算机程序产品。
附图说明
将参考首选的示例性实施例在下文中更详细地解释本发明的主题，首选的示例性实施例在附图中示出，其中：
图1示意性地示出电力传输网络；
图2描绘了主变电站的功能块；
图3示出分配控制器的构架；
图4示出电力变电站网络；以及
图5是示出用于在电力分配网络上控制电力分配的方法的流程图。
附图中所使用的参考符号及它们的含义以归纳的形式在参考符号列表中列出。原则上，一致的部件在图中具有相同的参考符号。
具体实施方式
图1示出包含具有经电力线和开关连接到次级变电站13的主变电站3的两个分配地区1的示例性电力分配系统。主变电站含有将电压从输电网或者地区输电网(sub-transmission grid)(未示出)的HV级减小到适合于区域传输的MV级的变压器。在次级变电站13中，抽头转换变压器依次将客户或者LV馈线(未示出)连接到MV级。该系统包含多个主设备，诸如受控的变压器5、电路断路器7、开关9(断开)和11(闭合)、用于分布式发电的电力源15以及受控电容器17。分配级别网络控制涉及与上述变电站、电力线及其它主设备相互作用的多件次级设备(未示出)。
可以被用于重新配置网络的开关11被置于次级变电站之间的线的末端。分配地区、区域或者单元1被指派给一个单个主变电站并且由电力明确连接的主设备(树形结构或者馈线结构)定义。因而，当通过断开闭合的开关11并且闭合断开的开关9中的一个来重新配置电力分配系统时，图1中的两个分配区域将变得相当不同。
图2示出包含布置在主变电站3中并且连接到四个过程设备21的分配控制器19的分配级别网络控制的示意性结构，其中过程设备21中的每一个依次连接到多个主设备23。分配控制器19是智能变电站控制系统(ISCS)，其能够执行许多网络控制和管理功能。其从过程设备21收集数据并且采取有关主设备23的状态变化的决策。举例来说，分配控制器19可以基于其从过程设备21收集的数据决定电力分配区域1中的电路断路器7的状态。过程设备21的例子包括但不限于智能电子设备(IED)和远程终端单元(RTU)。这些设备与主设备23以及分配控制器19通信。举例来说，它们可以将数据从主设备23传递到分配控制器19，并且将分配控制器19的决策传送到主设备23。
有了必要数据，分配控制器19可以执行各种控制和管理功能。网络控制功能的例子是电压控制、网络恢复和网络重新配置，而网络管理功能的例子是发电约束管理、网络损失减小和资产管理。分配控制器19也执行与电力分配区域1有关的各种优化功能。另外，由于分配控制器19负责对对应于主变电站3的区域的可靠的电力分配，其在从数秒到数分钟范围内的快速时间尺度上工作并且执行各种优化功能。举例来说，这些快速时间尺度的功能可以是当网络由于传输线中的故障而被断电时动态调整开关配置。这有助于在最短的可能时间中为尽可能多的客户恢复电力。分配控制器19也可以基于被选择的开关状态以及分布式电源15的电流负载模式和操作状态而调整其它本地控制器的设置。分配控制器19也负责协调各种其它分配控制器的动作以控制电压和无功潮流(reactive power flow)。
另外，分配控制器19基于分布式电源15的开关配置和连接/断开状态来调整主设备23的保护设置。在电力分配区域1中有负载变化的情况下，分配控制器19被配置用于调整开关配置并且使用需求侧管理或者能量存储设备使得所有网络部件的容量限制被满足。
上述功能由分配控制器19在其工作在快速时间尺度上时执行。当分配控制器19工作在数小时到数周的较慢时间尺度上时，其负责条件监视和资产寿命延长。为此，分配控制器19为电力传输网络的正常状态操作调整默认开关配置。此处，网络的正常状态操作指当在传输线或者任何其它网络部件中没有故障时的网络状态。分配控制器19的较慢时间尺度工作被执行以实现最小的操作损失以及使网络中的故障的影响最小化。这可以通过估计故障的可能性及其在经济上的后果来完成。分配控制器19可以使用来自条件评估系统的输入以使总的风险最小化。
图3描绘了分配控制器19的详细构架。通过使用通信基础设施，分配控制器19可以收集和发送来自/去往其被指派的域中的过程设备21的数据、来自/去往网络控制中心(NCC)的数据以及来自/去往位于其它变电站中的其它分配控制器的数据。过程设备21通过首先从主设备23收集数据并且接着将其发送到分配控制器19来将必要数据从主设备23传递到分配控制器19。在分配控制器19处，主协议变换器25将过程设备21为数据传递所使用的各种通信协议变换到标准协议。这具有分配控制器19的功能变为独立于分配网络所使用的通信模型或者协议的优点。在转换到标准协议之后，必要数据被发送到通用数据模型(CDM)或者服务器27。
必要数据存在于临时数据存储或者抽象数据空间27并且可以被处理装置29使用。处理装置29可以通过通信的对称“请求和响应”和/或“周期性更新”方法来得到必要数据。在接收数据之后，处理装置29提出要在主设备23处被实现的“动作”或者决策。处理装置29包括处理必要数据和提出一组动作的多个算法31。算法31的例子包括但不限于控制算法、最优潮流算法以及类似的算法。另外，所提出的该组动作经临时数据存储27被传送到协调装置33。
在接收被提出的这组动作之后，协调装置33决定需要在主设备23处被实现的“最终”动作。在不同的被提出的动作之间有冲突的情况下，协调装置33基于提出这些动作的算法31的优先级决定最终的动作。举例来说，当两个算法提出彼此相互矛盾的动作时，如一个提出断开特定开关而另一个提出闭合该开关，协调装置33基于两个竞争的算法的优先级采取最终的决策。另外，算法31的优先级也可以基于电力系统和分配控制器19的操作条件而被动态地改变。协调装置33还可以利用来自历史数据库的额外信息来做出最终的决策。举例来说，来自历史数据库的额外信息可以是网络中的主设备的开关操作历史。根据本发明的实施例，在控制器的本地存储不足的情况下，历史数据库可以被包括在外部存储设备中，该外部存储设备可以通过使用通信接口由分配控制器19访问。
除了上述部件以外，分配控制器19也包括从协议变换器35，其被可通信地连接到临时数据存储27和较高的层级结构级别处的外部网络控制器，如NCC。类似于主协议变换器25，从协议变换器35通过将数据从分配控制器19的标准协议变换到NCC所使用的合适的通信协议来促进NCC和分配控制器19之间的通信，并且反之亦然(vice-versa)。
分配控制器19的功能通过使用临时数据存储27而包含网络及关联设备的抽象模型。在临时数据存储27中，每个网络元件由存在于操作分配控制器19的控制器软件中的抽象的CDM对象表示。这些CDM对象含有与分配控制器19相关联的过程设备提供的必要数据的镜像复制。另外，无论何时只要任何控制操作被执行或者决策被做出，对应的CDM对象就被更新并且关联的过程设备自动被通知并且被命令来执行操作。同样地，无论何时只要新的数据在过程设备处可用时，新的数据就被自动发送到控制器并且有关的CDM对象被更新。这种抽象模型使控制功能独立于在各种网络中所使用的通信模型和协议。
图4详细示出具有变电站3和变电站37以及NCC39的电力传输网络。通过使用通信基础设施，变电站3中的分配控制器19能够传递来自/去往变电站37中的分配控制器43和/或NCC 39的数据。通过在位于不同变电站中的这些分配控制器之间的必要数据交换和协调，由这些控制器完成的网络操作对于整个区域可以被优化。
在分配控制器例如控制器19内，协调器33负责变电站3内的过程设备21之间，以及变电站37内的过程设备41之间的通信。协调装置33可以使用来自过程设备21的必要数据和/或来自分配控制器43的决策支持输入以采取最终的操作决策。决策支持输入可以是例如历史数据或者来自过程设备41的必要数据。另外，在不同变电站处的协调器默认地具有相同的权利，然而在一些环境中，它们中的一个/若干个可以比其它具有更多的决策权利。举例来说，可能有分配控制器19比分配控制器43具有更多权利，并且可以因而拒绝由分配控制器43发送的任何建议或者数据的情况。
参考图4，变电站3中的分配控制器19可以通过使用专用链路，如光信道或者通过较高层级结构或者NCC 39中的数据集中器来与变电站37中的分配控制器43通信。NCC 39和分配控制器19之间的通信经从协议变换器35来完成。分配控制器19和43也可以通过它们各自的协调装置33和45直接通信。协调装置33和45通过通信的对称“请求和响应”和/或“周期性更新”方法彼此通信。
图5是示出用于控制电力分配系统上的电力分配的优选方法的流程图。作为例子，电力分配系统可以具有两个分配区域，对应于变电站3和37。变电站3和37中的每一个都包括分配控制器，像分配控制器19和43，分配控制器19和43还被连接到过程设备21和41。
在步骤47处，要在第一分配区域的主设备上执行的动作由分配控制器19的处理装置29提出。基于从过程设备21得到的数据提出该动作。在步骤49处，基于由第二分配区域的分配控制器43提供的输入或者数据通过协调装置33协调由处理装置29提出的动作。为了通信，分配控制器19和分配控制器43使用专用链路或者NCC 39。
标记列表
1     电力分配区域
3     主变电站
5     受控变压器
7     电路断路器
9     开关(断开)
11    开关(闭合)
13    次级变电站
15    分布式电源
17    受控电容器
19    分配控制器或者ISCS
21    过程设备
23    主设备
25    主协议变换器
27    临时数据存储
29    处理装置
31    算法
33    协调装置
35    从协议变换器
37    第二变电站
39    NCC
41    变电站37的过程设备
43    变电站37的分配控制器
45    变电站37的协调装置
47    第一流程图步骤
49    第二流程图步骤

Claims (8)

1.一种用于控制第一电力分配区域(1)中的电力分配的第一分配控制器(19)，其中所述第一控制器(19)适用于：
-被连接到过程设备(21)，所述过程设备(21)依次与被指派的第一区域(1)的主设备(23)相互作用，以及
-与被指派给第二电力分配区域的第二分配控制器(43)通信，
并且其中所述第一控制器(19)包含：
-处理装置(29)，所述处理装置(29)用于处理来自连接到所述第一控制器(19)的过程设备(21)的数据，以及用于提出与所述第一区域(1)的主设备(23)有关的动作，以及
用于协调被提出的动作的协调装置(33)，其特征在于：
-所述协调装置(33)适用于协调与所述第一区域(1)的主设备(23)有关并且由所述第一控制器(19)的处理装置(29)或者所述第二控制器(43)的处理装置(29)提出的动作，和/或
-所述协调装置(33)适用于基于来自所述第二控制器(43)的决策支持输入来协调被提出的动作。
2.根据权利要求1所述的分配控制器，其特征在于，所述协调装置(33)适用于基于按优先级排序的顺序或者分等级的顺序来协调被提出的动作。
3.根据权利要求2所述的分配控制器，其特征在于，所述按优先级排序的顺序或者分等级的顺序基于所述主设备(23)的操作历史。
4.根据权利要求2所述的分配控制器，其特征在于，所述按优先级排序的顺序或者分等级的顺序将引起被提出的动作的约束违反的类型和/或幅度考虑在内。
5.根据权利要求1所述的分配控制器，其特征在于，其适用于经专用链路或者经电力分配系统的网络控制中心(NCC)(39)与所述第二分配控制器(43)通信。
6.根据权利要求1所述的分配控制器，其特征在于，其适用于与连接到所述第二控制器(43)的过程设备(41)通信。
7.一种控制电力分配系统上的电力分配的方法，所述电力分配系统包含两个分配区域和连接到过程设备(21)的两个分配控制器(19，43)，所述过程设备(21)依次与各个分配区域中的主设备(23)相互作用，所述方法包含：
-通过所述两个分配控制器中的第一控制器(19)的处理装置(29)并且基于来自连接到所述控制器(19)的过程设备(21)的数据取得与被指派的第一区域的主设备(23)有关的动作，
-通过所述第一控制器(10)的协调装置(33)基于来自所述两个分配控制器中的第二分配控制器(43)的输入协调所述动作。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，其包含经专用链路或者经所述电力分配系统的网络控制中心(NCC)(39)在所述两个分配控制器(19，43)之间通信。
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