CN102904257A

CN102904257A - 配电系统

Info

Publication number: CN102904257A
Application number: CN2012102591295A
Authority: CN
Inventors: B.米罗塞维奇; K.曼纳; A.武科耶维奇
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2013-01-30
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: US20130030584A1; EP2560263A3; US8731728B2; EP2560263A2; CN102904257B

Abstract

提供一种配电系统（10），其包括：具有电容器组控制器（44）的至少一个电容器组（40）、变压器（22）、具有电压调节装置控制器（16）的至少一个电压调节装置（14）以及控制器（26）。电容器组（40）选择性地连接到馈线（36）和电容器组控制器（44）。电容器组控制器（44）控制用于选择性地将电容器组（40）连接到馈线（36）的开关。变压器（22）经由馈线（36）将电力输送到配电系统（10）。变压器（22）将传输电压或次传输电压转换成配电电压。控制器（26）与电容器组控制器（44）、电压调节装置（14）和变压器（22）进行通信。控制器（26）选择性地开关至少一个电容器组（40）来调整馈线（36）中的电压。控制器（26）选择性地向电压调节装置（14）发送命令以更改源电压。

Description

配电系统

背景技术

本文公开的发明主题涉及配电系统，更确切地来说涉及具有至少一个电容器组和至少一个电压调节装置的配电系统。

发电系统产生两个功率分量。第一分量是以瓦特测量的实际功率，以及第二分量是以无功伏安（VAR）测量的无功功率。这两个功率分量均需要由系统生成并传送到服务用户。这是因为实际功率用于驱动诸如白炽灯照明的负载，而无功功率用在诸如电动机或变压器的装置中磁化电流的工作。

在美国，由配电系统输送到服务用户的所需电压通常在约114和约126伏特之间的范围。有时，公用设施提供商可能希望节省能源，尤其是为能源效率而提供激励的情况下。在本示例中，输送到服务用户的电压通常尽可能地保持为接近114伏特，同时也具有尽可能小的电压偏差。将输送到服务用户的电压保持为尽可能接近所需的降低值的一种方法是，采用在本领域中通称为电压和VAR优化（VVO）方案的一种方案。

VVO方案通常采用安装在分站（substation）的有载分接开关（LTC）和/或电压调节器（VR）和场内（infield）电压调节器以及电容器组。例如，配电系统所需的有功功率和无功功率的量可能具体根据当日时间以及季节性变化而改变。因此，有时使用VVO方案未能始终促成节能。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供一种配电系统，其包括：具有电容器组控制器的至少一个电容器组、变压器、具有电压调节装置控制器的至少一个电压调节装置以及控制器。该电容器组控制器控制用于选择性地将电容器组连接到馈线的开关。该变压器经由馈线将电力输送到配电系统。该变压器将传输电压或次传输电压转换成配电电压。控制器与电容器组控制器、电压调节装置和变压器进行通信。控制器选择性地开关电容器组以调整馈线上的电压，并通过电压调节装置来控制源电压。控制器包括用于接收确定配电系统在指定的未来日期的无调整的能量消耗的多个变量的控制逻辑。该无调整的能量消耗基于多个变量，并且是在控制器未选择性地开关至少一个电容器组以及未调整电压调节装置的情况下。控制器还包括用于估算配电系统在指定的未来日期的已调整的能量消耗的控制逻辑。所估算的已调整的能量消耗基于多个变量，并且是在控制器选择性地开关至少一个电容器组以及调整了电压调节装置的情况下。该控制器包括用于确定已调整的和无调整的能量消耗之间的能量消耗差的控制逻辑。该控制器包括用于向电容器组控制器和电压调节装置控制器发送信号的控制逻辑。该信号在指定的未来日期发送。

从下文结合附图进行的描述，这些和其他优点和特征将变得更为显而易见。

附图说明

具体提出视为本发明的主题，并在本说明书中的结论处的权利要求中明确地要求保护。根据下文结合附图进行的详细描述，本发明的前述的和其他特征和优点是显而易见的，其中：

图1是具有分站控制模块的示范配电系统的示意图示；

图2是比较图1中的配电系统的功率消耗的多个曲线图的图示；

图3是图1中所示的分站控制模块采用的示范神经网络的图示；

图4是图1中所示的分站控制模块的框图；

图5是图1中所示的采用VVO方案和不采用VVO方案的配电系统的功率消耗的示例的图示；以及

图6是图1所示的用于确定是否要激活或停用VVO方案的过程的过程流程图。

该详细描述通过举例的方式参考附图解释了本发明的实施例，连同优点和特征。

具体实施方式

如本文所使用的，术语模块和子模块是指专用集成电路（ASIC）、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器（共享的、专用的或处理器组）和存储器、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能性的其他适合组件。

图1是由参考标号10指示的示范配电系统的示意图示。配电系统10包括具有电压调节装置14的分站20、电压调节器控制器16、断路器18、变压器22、有载分接开关（LTC）控制器24、分站控制器26、以太网开关28、无线通信装置30、天线32和帧中继34。变压器22连接到传输系统（未示出）并经由馈线36来输送电力。馈线36连接到多个电容器组40。每个电容器组40通过对应的开关元件42选择性地开关“导通”和“切断”。电容器组控制模块44控制用于选择性地开关电容器组40的开关元件42。每个电容器组控制器44具有与之关联的对应天线48。虽然图1示出多个电容器组40，但是要理解也可以包括一个电容器组40。电压调节装置14可以是馈线36上的电压调节器（VR）。作为备选，电压调节装置还可以是位于变压器22上的有载分接开关（LTC）。

在图示的实施例中，变压器22包括有载分接开关（LTC），其控制馈线36上的电压。虽然图1示出LTC，但是要理解还可以使用其他方法以通过变压器22（例如电压调节器）来调整配电电压。馈线36具有降低的电压点50，其表示馈线36可以具有的降低的容许电压。降低的电压点50处的降低的容许电压通常是114 V。如果沿着馈线36的电压高于或低于要求的极限（通常介于约114 V至约126 V之间），则LTC工作以在馈线36上提供可接受极限内的配电电压。

变压器22的配电电压由LTC控制模块24控制。变压器控制模块24与分站主控制模块26通信。分站主控制模块26连接到以太网开关28。以太网开关28连接到具有与之关联的天线32的无线通信装置30。此外，以太网开关连接到分站帧中继34。分站主控制模块26经由天线32和48与电容器组控制器44进行无线通信。图1示出可用于将分站主控制模块26与电容器组控制器44无线连接的两种不同方法。在第一方法中，无线通信装置30包括射频（RF）收发器（未示出），以及天线32以向天线48发送RF信号和从天线48接收RF信号。确切地来说，天线48各与对应的电容器组控制器44通信。每个电容器组控制器44也包括RF收发器（未示出）。分站主控制模块26向电容器组控制器44发送RF信号，其指示电容器组40是应该开关“导通”还是“切断”。应该注意，由于安全性考虑，至少一些公用设施提供商不让分站主控制模块26和电容器组控制器44彼此直接RF通信。相反，公用设施提供商可能提供网关，其中将RF信号从电容器组40的天线48发送到该网关，然后再发送到分站控制模块26。

在备选方法中，分站主控制模块26经由蜂窝网络与电容器组控制器44进行无线通信。在利用蜂窝网络方法的一个示范实施例中，分站主控制模块26通过蜂窝网络使用分站帧中继34、蜂窝网络60和天线48向电容器组40发送数据分组以及从电容器组40接收数据分组。

将任何电容器组40开关“导通”或“切断”将更改沿馈线36的电压和电压降。分站主控制模块26、LTC控制模块24、电容器组40、开关元件42、电容器组控制器44和天线48是电压和VAR优化（VVO）方案64的一部分。VVO方案64用于选择性地将电容器组40“导通”和“切断”以调整馈线36上的电压。控制器26还包括用于经由电压调节装置14选择性地调整源电压的控制逻辑。确切地来说，控制器26包括用于向电压调节器控制器16和LTC控制器24之一或二者发送信号的控制逻辑。控制器26还可以包括用于向电压调节器控制器44、LTC控制器24和电压调节器控制器16发送新设置值的控制逻辑。控制器26还可以包括用于向电容器组控制器44、LTC控制器24和电压调节器控制器16发送降低（LOWER）或提高（RAISE）命令或新设置值的控制逻辑。在示范实施例中，VVO方案64可以用于降低馈线36上的实际功率损耗。在公用设施提供商期望提高电力系统效率的情况下，尤其是为降低能量消耗提供激励的情况下，一般采用此方法。在又一个实施例中，可以使用VVO方案来降低峰值时段期间能量消耗量，因为峰值消耗时段期间产生的功率倾向于是所产生的能量成本最高的类型。

VVO方案64的行为通常取决于多种因素。即，根据多种因素，VVO方案64可以工作以在某些状况期间降低能量消耗量，而在另一组状况期间增加能量消耗量。这是因为负载基于诸如但不限于以下的多个变量而变化：当日时间、季节性变化、周内星期、诸如环境温度、湿度和太阳负载的气象数据、降低的电压点50处的馈线36的线端（end-of-line）电压、服务用户消耗的能量、长期季节性和长期环境状况。这些变量由远程装置传送到分站控制模块26或由分站控制模块26计算。

例如，服务用户能量消耗量倾向于根据当日时间而变化。确切地来说，在一个示例中，在中午/下午相对于凌晨，服务用户倾向于消耗更多能量。季节性变化也会影响服务用户能量消耗量。这是因为服务用户倾向于在不同环境状况期间改变能量消耗习惯，从而改变所需的负载混合。例如，夏季期间，环境温度常常升高。因此，服务用户倾向于运行空调单元。空调单元代表这样的温度受控负载，其在较低电压下消耗较少功率，但将运行更长，因此使得总能量消耗保持相同。相比之下，诸如白炽灯照明的恒定阻抗负载与电压的平方成比例地消耗功率，并且因此在降低电压时减少消耗的能量。周内星期也可能影响服务用户所需的负载。例如，图2是特定公用设施在周日和周一的预期每小时能量消耗的示范图示。如图2所示，周日与周一之间的负载分布说明变化的能量消耗习惯。还应该注意，在所示的图示中，在周日采用VVO方案64将倾向于导致增加的能量消耗，但是，在周一采用VVO方案64将倾向于导致降低的能量消耗。

诸如环境温度、湿度和太阳负载的气象数据也倾向于会影响服务用户能量消耗量。这是因为服务用户倾向于在不同环境状况期间改变能量消费习惯，从而改变所需的负载混合。通常通过在指定时间区间获取天气信息数据（即，逐个小时的天气预报）来确定气象数据。长期季节性和长期环境状况也会影响服务用户能量消耗量。这是因为能量消耗取决于同一天观察的先前温度趋势。还应该注意，在一天的过程中观察的温度分布还将根据季节变化而改变。

再次参考图1，分站主控制模块26包括用于接收数据的控制逻辑，该数据指示当日时间、周内星期和诸如环境温度、湿度和太阳负载的气象数据。例如，在一个实施例中，天线32从气象站（未示出）接收指示次日的天气预报的无线通信信号。例如，从气象站发送的数据可以提供次日的逐个小时的气象报告。天线32然后将这些无线通信信号发送到分站控制模块26。

在一个方法中，经由公用设施后台（back office）65将服务用户消耗的能量传送到分站控制模块26。确切地来说，公用设施后台65接收指示能量消耗量的数据。该数据通常一天一次地发送到公用设施后台65，但是还可以使用其他时间增量。公用设施后台65通过蜂窝网络60发送信息，并发送到控制器26。作为备选，在蜂窝网络60不可用的情况下，可以使用具有多个仪表82的计量系统80。可以使用仪表82从服务用户收集能量消耗数据。

在一个实施例中，分站主控制模块26包括用于计算长期季节性和长期环境状况的控制逻辑。例如，在一个实施例中，时间序列模块分析对时间序列温度数据进行分析以便提取温度数据的关键特征，并识别当前温度与时间序列温度数据之间的关系。确切地来说，在一个示例中，时间序列模型是自回归求和移动平均（ARIMA）模型。将ARIMA模型拟合到温度序列数据以预测或预报未来长期季节性和长期环境状况。然后使用ARIMA模型的系数作为输入来预测未来长期季节性和长期环境状况。

分站主控制模块26包括用于基于多个变量确定能量消耗预测模型的控制逻辑，这些变量诸如但不限于当日时间、季节性变化、周内星期、诸如环境温度、湿度和太阳负载的气象数据、降低的电压点50处的馈线36的线端电压、服务用户消耗的能量、长期季节性和长期环境状况。例如，在一个实施例中，使用ARIMA模型的系数、气象数据的测量、作为独立变量的周内星期和作为相关变量的服务用户消耗的能量来构建能量消耗预测模型。在一个示例中，能量消耗预测模型按每小时时间增量确定预测的能量消耗，但是要理解，能量预测模型还可以按预测其他时间增量预测能量消耗。许多变量之间的关系可以是非线性的，并且可以包括彼此之间的更高阶相互作用（例如，周内星期与环境温度之间的相互作用）。因为一些变量之间（例如周内星期与环境温度之间）的强相关性，变量之间也可能存在共线性。

在一个方法中，可以使用神经网络来设计能量消耗预测模型，但是要理解也可以使用其他方法。例如，在另一个实施例中，可以根据样本大小和所需的预测精确度而代之以使用广义相加模型或多变量自适应样条。现在转到图3，其中示出示范多层神经网络拓扑90。在所示的实施例中，神经网络90包括输入层、隐层94和输出层96。输入层92包括多个输入，诸如ARIMA模型的系数、指定时间增量（即每个小时）处的环境温度、周内星期、指定时间增量处的当日时间以及降低点50处的馈线36的线端电压。

在一个实施例中，可以复制输入层92的每个输入并将其发送到隐层94中的所有节点。来自输入层92进入隐层94的节点的输入值通常乘以权重。来自输入层92的输入值乘以权重，然后将所得的加权输入相加到一起得到单个数值，如图3中符号∑所示。在离开隐层94的每个节点之前，将该单个数值经过称为sigmoid的非线性数学函数，其中sigmoid的输出介于0与1之间。然后将来自隐层94的输出发送到输出层96的每个节点。输出层96的节点将从隐层94接收的值组合并修改以得到两个输出值，这两个输出值是VVO状态“导通”和VVO状态“切断”。即，这两个输出值指示VVO方案64被激活（VVO状态“导通”）和停用（VVO状态“切断”）情况下消耗的能量。在一个实施例中，分站控制模块26不会激活VVO方案64，除非能量节省高于指定的阈值。例如，在一个实施例中，分站控制模块26可以包括用于在估算的能量节省为指定的阈值或高于指定的阈值时激活VVO方案的控制逻辑。

可以训练神经网络90来预计下一天的能量消耗。现在转到图4，其为图示由分站主控制模块26执行的VVO方案控制的框图。确切地来说，可以向分站主控制模块26提供训练数据集100，其包含来自分站20或馈线36的历史数据，这些历史数据包含VVO方案64被激活以及被停用情况下的数据取样。确切地来说，该数据通常包含多个变量，诸如但不限于当日时间、季节性变化、周内星期、诸如环境温度、湿度和太阳负载的气象数据、降低的电压点50处的馈线36的线端电压、服务用户消耗的能量、长期季节性和长期环境状况。

首先通过分站主控制模块26中的数据过滤器102来发送训练数据100。数据过滤器102去除通常无法用于预测能量消耗的数据。例如，数据过滤器102滤掉间歇期间或分站控制模块26与数据收集设备（即，气象站）之间无通信的期间收集的数据。然后将来自数据过滤器102的过滤的数据发送到能量消耗预测模块104以开发能量消耗模型（即，图3所示的神经网络90）。能量模型104计算VVO方案64被激活和被停用情况下的能量消耗。然后将这些能量消耗值发送到增强框106。确切地来说，在一个实施例中，在每小时的基础上计算VVO方案64被激活和被停用情况下的能量消耗。将每小时能量消耗值发送到增强框106。增强框106然后确定次日要激活VVO方案64的小时数。例如，图5是VVO方案64被激活和被停用的情况下的一个能量估算的示范说明。在公用设施提供商期望节省能量的情况下，增强框106则选择在时间T1和T2之间激活VVO方案64。

再次转到图4，增强框106然后向控制器框108发送控制信号。控制器框108发送指示是否应该激活VVO方案64的信号。在一个示范实施例中，还可以为了调节能量消耗模型而随机地激活和停用VVO方案64。确切地来说，如果在持续指定时间量上预测的能量消耗和实际能量消耗之间的误差超过指定的极限，则可以随机地激活或停用VVO方案64。

图6是图示控制分站主控制模块26以激活或停用VVO方案64的方法200的过程流程图。方法200开始于202，其中向分站主控制模块26提供多种因素。参考图1，在一个实施例中，这些变量是当日时间、季节性变化、周内星期、诸如环境温度、湿度和太阳负载的气象数据、降低的电压点50处的馈线36的线端电压、服务用户消耗的能量、长期季节性和长期环境状况。这些变量由远程装置传送到分站主控制模块26或由分站主控制模块26计算。然后，方法200可以进行到204。

在204中，分站主控制模块26包括用于预测未激活VVO方案64的情况下消耗的能量的控制逻辑。在一个示例中，能量预测模型按每小时时间增量确定预测的能量消耗。在一个方法中，使用广义相加模型或多变量自适应样条（MARS）取代神经网络来创建能量预测模型。然后，方法200可以进行到206。

在206中，分站主控制模块26包括用于预测在激活VVO方案64的情况下消耗的能量的控制逻辑。然后，方法200可以进行到208。

在208中，分站主控制模块26包括用于确定激活VVO方案64与停用VVO方案64的情况下消耗的能量之间的差的控制逻辑。然后，方法200可以进行到210。

在210中，分站主控制模块26包括用于在期望的约束下选择激活VVO方案64的时间段的控制逻辑。确切地来说，可以使用VVO方案64来努力降低馈线36上的实际功率中的实际功率损耗。在公用设施提供商期望提高供电系统效率的情况下，尤其是提供激励的情况下，一般采用此方法。然后，方法200可以终止，或在202处重新开始。

虽然本发明是仅结合数量有限的实施例来详细描述的，但是应该容易地理解，本发明并不限于此类公开的实施例。相反，本发明能够修改为并入前文未描述的任何数量的变化、替换、替代或等效布置，但是它们与本发明的精神和范围相符。此外，虽然描述了本发明的多种实施例，但是要理解，本发明的多个方面可以仅包括描述的实施例的一些。因此，本发明不应视为由前文描述限定，而是仅由所附权利要求的范围来限定。

部件列表

10 配电系统

20 分站

14 电压调节装置

16 电压调节器控制器

18 断路器

22 变压器

24 有载分接开关（LTC）控制器

26 控制器

28 以太网开关

30 无线通信装置

32 天线

34 帧中继

36 馈线

40 电容器组

42 开关元件

44 电容器组控制器

48 天线

50 电压点

60 蜂窝网络

64 电压和VAR优化（VVO）方案

65 公用设施后台

80 计量系统

82 仪表

90 神经网络

92 输入层

94 隐层

96 输出层

100 训练数据

102 数据过滤器

106 增强框

108 控制器框1

200 方法。

Claims

1. 一种配电系统（10），包括：

馈线（36）；

至少一个电容器组（40），选择性地连接到所述馈线（36）和电容器组控制器（44），所述电容器组控制器（44）控制用于选择性地将所述至少一个电容器组（40）连接到所述馈线（36）的开关；

变压器（22），用于通过所述馈线（36）将电力输送到所述配电系统（10），所述变压器（22）将传输电压和次传输电压的其中之一转换成配电电压；

至少一个电压调节装置（14），连接到电压调节装置控制器（16）；以及

控制器（26），与所述电容器组控制器（44）、所述至少一个电压调节装置控制器（16）和所述变压器（22）通信，所述控制器（26）选择性地开关所述至少一个电容器组（40）以调整所述馈线（36）上的电压，所述控制器（26）选择性地通过所述至少一个电压调节装置（14）控制源电压，所述控制器（26）包括：

用于接收确定所述配电系统（10）的能量消耗的多个变量的控制逻辑；

用于估算所述配电系统（10）在指定的未来日期的无调整的能量消耗的控制逻辑，所述无调整的能量消耗基于所述多个变量，所述控制器（26）未选择性地开关所述至少一个电容器组（40），以及所述控制器（26）未调整所述至少一个电压调节装置（14）；

用于估算所述配电系统（10）在指定的未来日期的已调整的能量消耗的控制逻辑，所调整的能量消耗基于所述多个变量，所述控制器（26）选择性地开关所述至少一个电容器组（40），以及所述控制器（26）调整所述至少一个电压调节装置（14）；

用于确定所调整的能量消耗和所述无调整的能量消耗之间的差的控制逻辑；以及

用于向所述电容器组控制器发送信号的控制逻辑，所述信号指示所述控制器（26）是否将开关所述至少一个电容器组（40）以及所述电压调节装置控制器（16）调整所述至少一个电压调节装置（14），所述信号在所指定的未来日期发送。

2. 如权利要求1所述的配电系统(10)，其中所指定的未来日期是次日。

3. 如权利要求1所述的配电系统(10)，其中所述多个变量选自一集合，所述集合包括：当日时间、季节性变化、周内星期、环境温度、湿度、太阳负载、降低的电压点（50）处的所述馈线（36）的线端电压、消耗的能量、长期季节性和长期环境状况。

4. 如权利要求3所述的配电系统(10)，其中所述控制器（26）包括用于从环境温度和负载计算时间序列和季节性变量的控制逻辑。

5. 如权利要求1所述的配电系统(10)，其中所述控制器（26）包括用于开发能量消耗预测模块的控制逻辑，所述能量消耗预测模块用于利用所调整能量消耗和所述无调整能量消耗确定能量消耗。

6. 如权利要求5所述的配电系统(10)，其中所述能量消耗预测模型是神经网络（90）、广义相加模型和多变量自适应样条的其中之一。

7. 如权利要求6所述的配电系统(10)，其中所述神经网络（90）包括输入层（92）、隐层（94）和输出层（96）。

8. 如权利要求5所述的配电系统(10)，其中所述能量消耗预测模型按每小时时间增量预测能量消耗。

9. 如权利要求1所述的配电系统(10)，其中所述控制器（26）选择性地开关所述至少一个电容器组（40）以及选择性地调整所述至少一个电压调节装置（14）以降低能量消耗。

10. 如权利要求1所述的配电系统(10)，其中所述控制器（26）选择性地将所述至少一个电容器组（40）接入所述配电系统（10）和与所述配电系统（10）断开，以及选择性地调整所述变压器（22）以提高能量消耗。