CN103078328B - 一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法,基于能量管理系统，利用三级控制模式、分解协调的全局闭环控制模式，进行节点负荷的立体化预测，采用系统级无功优化技术，分析电力系统无功电压的变化规律，根据电力系统调度自上而下的控制方法，按照地域内分层、层中分区和时域内分级的过程实施。本发明为电网统一的自动电压控制系统的工程实践提供设计思想，为电力系统的安全、经济、优质运行提供技术支撑。

Description

一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统自动电压控制领域，尤其涉及用于电网无功、电压闭环优化控制的一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法。

背景技术

随着技术的发展和社会的进步，电力用户对电能质量的要求越来越高；电网规模的发展壮大，驱使电网电压由分散的区域性控制向统一的全网控制的要求越来越迫切，亦即自动电压控制。电网统一的的自动电压控制是无功电压控制中追求的最高级形式，其优点在于在保证电压水平前提下，提高有功传输能力，并使系统的无功资源达到优化配置，但由于电压、无功自身特有的非线性特性，使其实现起来有其相当的复杂度。

专利号为CN03117719.0的中国专利：“电力系统自动电压控制方法”，虽然公开了一种地区电网自动电压控制方法，给出了控制区域划分后的无功设备工作方式的自动控制器设计，但其存在缺少控制区域划分合理性分析和缺少与上级电网协调等不足，更没有体现电网统一情况下的自动电压控制方法。

专利号为CN201010291701.7的中国专利：“电网自动电压控制系统间的协调量设计方法及其实施方法”，虽然给出了一种电网自动电压控制系统间的协调量设计方法及其实施方法，给出了电压区域控制偏差的定义并将其作为协调量以协调电网自动电压控制系统，但其缺乏对电压、无功自身的非线性特性的认识，没有从整体上给出自动电压控制方法，难以满足工程实际要求。

专利号为CN200910091358.9的中国专利：“基于双向协调约束的省级与地区电网协调电压控制方法”，虽然给出了一种基于双向协调约束的省级电网和地区电网协调电压控制方法，选择省级电网与地区各电网分界处变电站的变压器高压侧无功作为省级电网对地区电网的协调变量，但是该方法没有实现省级电网同地区电网电压控制系统间的互动，难以实现全局的经济性和安全性等方面的协调。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法，为大电网自动电压控制系统的工程实践提供设计思想，为电力系统的安全、经济、优质运行提供技术支撑。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法，它利用能量管理系统，采用三级控制、全局闭环控制模式，对电网节点负荷进行立体化预测以把握未来周期内电网各节点无功、电压变化规律，利用系统级无功优化方法进行优化电压控制决策，并按照地域内分层、层中分区和时域内分级的过程实施电压控制。

所述三级控制是指根据前瞻时间按照秒级、分钟级、小时级分为三级，即一级电压控制、二级电压控制和三级电压控制；

所述全局闭环控制模式是指按照分解协调的方法，时间级由远及近的顺序，在整个电网调度管辖范围内实施闭环控制。

所述节点负荷的立体化预测是以与三级电压控制模式相对应的分级负荷有功功率总量预报为基础，按照能量流拓扑以利用负荷总量与各层各区节点间的关联关系，从整体分析电网节点有功负荷的变化规律，并利用有功、无功以及功率因数间的关系间接预测未来周期内电网各节点无功、电压变化规律；

所述与三级电压控制模式相对应的分级负荷有功功率总量预报是指在三级电压控制中配套实施相应时间级的短期负荷预报，二级电压控制对应其相应时间级的超短期负荷预报或状态预估，对于未能预知的快速的负荷波动则由一级电压控制来处理；

所述系统级无功优化是指伴随着自动电压控制三级控制模式的实施，基于负荷预测的结果，按照地域内分层、层中分区方式，采用分解协调的方法进行无功优化；

所述地域内分层是指按照电压等级分层，每一电压等级视为一层，各层之间通过无功支撑点作为协调量进行层间反复循环折中协调，直至达到无缝对接；

所述无功支撑点是指把具有无功调节能力的一个厂或站及其所有无功调节设备的整体作为为单位的无功功率控制点；

所述层中分区是指基于厂、站概念，将层内的发电厂、变电站或开关站与网络在连接母线处分解，从而形成只包含输电线路的网络主系统和诸多个厂、站子系统，并将厂、站子系统在分解点等值后，对主系统进行无功优化，将优化后的分解点状态信息提供给子系统，判断子系统能否提供实现这个优化信息的控制条件，如此循环，直至协调量达到无缝对接；

所述时域内分级是指三级电压控制模式在时间上相互配合，三级控制启动周期为小时级，按粗细结合的不等时段划分原则；二级控制的启动周期为分钟级，以同步发电机自动电压调节器为主的一级控制的响应周期为秒级，从而保证控制时间常数依次递减，使控制在时间上得以解耦。

本发明的有益效果：

1.用于省级或地区级电网自动电压控制系统的设计指导，侧重从系统的功能框架、系统的控制模式和控制算法给以设计指导。

2.用于指导现有运行的自动电压控制系统的升级改造，侧重从实施的可行性、控制的模式和控制算法的收敛可靠性方面予以指导。

3.用于指导电网公司节能降损、提高经济效益和提高电网运行的安全性和可靠性。

附图说明

图1是自动电压控制的三级控制模式示意图；

图2是分解协调的自动电压控制框架示意图；

图3A、3B是分解协调方法原理说明图；

其中，101～电网无功优化控制模块；102～层间设定值；103～层内无功优化或层内区域无功优化的控制器；104～主导点设定值；105～厂或站的自动控制装置；106～三级电压控制；107～二级电压控制；108～一级电压控制；201～能量管理系统和数据采集与监视控制系统；202～能量管理系统历史数据库；203～网络拓扑结构和状态估计数据模块；204～绘图系统；205～负荷预测或状态估计和预估模块；206～厂站接线分析或系统接线分析模块；207～潮流计算模块；208～分解协调的无功优化模块；209～电网分层模块；210～层内分解协调模块；211～层间分解协调模块；212～下达控制指令模块；301～第一厂站；302～母线a；303～网络；304～母线b；305～第二厂站；401～第一子系统；402～母线a′；403～母线a；404～主系统；405～母线b；406～母线b′；407～第二子系统。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

首先阐述电网统一的的自动电压控制的三级控制模式,请参考图1。

如图1所示，三级控制模式包括一级电压控制108、二级电压控制107和三级电压控制106。

其中，所述电网无功优化控制模块101包括若干个层内无功优化或层内区域无功优化的控制器103，所述层内无功优化或层内区域无功优化的控制器103包括若干厂或站的自动控制装置105；所述电网无功优化控制模块101和层内无功优化或层内区域无功优化的控制器103之间由层间设定值102协调；所述层内无功优化或层内区域无功优化的控制器103与厂或站的自动控制装置105之间由主导点设定值104协调；所述若干电网无功优化控制模块101构成了三级电压控制106；所述若干层内无功优化或层内区域无功优化的控制器103构成了二级电压控制107；所述若干厂或站的自动控制装置105构成了一级电压控制108。

一级电压控制108由具有一定无功电压支撑能力的厂或站的自动控制装置105，如发电厂自动电压调节器和变电站电压无功控制器等组成,属本地控制，仅用本地的信息。控制时间常数一般为几秒。在这级控制中,控制设备通过保持输出变量尽可能地接近其整定值来补偿电压的快速和随机的变化。

二级电压控制107由不同的层组成，层内分区,每一层包括若干个层内无功优化或层内区域无功优化的控制器103；通过修改一级电压控制设备的的整定值来协调区域内一级控制器的行为。控制时间常数为几十秒到分钟级，控制的主要目的是保证层内主导节点电压等于主导点设定值104。由超前负荷预报和状态估计的有机结合，进行分解协调的优化，主要针对具备连续调节能力的设备，提供保持电压水平的厂站控制策略。二级电压控制107基于潮流雅可比阵最小特征值的决策法或基于优化后拉格郎日乘子的分析法等电气距离分析法选择主导节点。

三级电压控制106以能量管理系统作为决策支持系统,以负荷有功功率总量预报为基础，间接预测未来一周期内电网各节点无功、电压变化规律，以全系统的经济运行为优化目标,并考虑安全性指标,最后给出层间联系设定值，供二级电压控制107使用。在三级电压控制106中充分考虑到协调的因素,利用整个系统的全局信息来进行优化计算,它的时间常数在十几分钟到小时级。三级电压控制106基于负荷预测结果，具有前瞻性，且各级都有各自的控制目标,下级控制以上级控制的输出作为自己的控制目标，通过分层分级,很自然地实现了电压的多目标控制。

接下来结合图2说明分解协调的自动电压控制框架。

能量管理系统和数据采集与监视控制系统201将数据信息分别传输给能量管理系统历史数据库202和网络拓扑结构和状态估计数据模块203，所述网络拓扑结构和状态估计数据模块203将数据传输给厂站接线分析或系统接线分析模块206，所述厂站接线分析或系统接线分析模块206将数据传输给潮流计算模块207、分解协调的无功优化模块208的电网分层模块209、负荷预测或状态估计和预估模块205，所述分解协调的无功优化模块208内的电网分层模块209将数据传输给分解协调的无功优化模块208的层内分解协调模块210和层间分解协调模块211，所述层内分解协调模块210将数据传输给层间分解协调模块211。所述层间分解协调模块211将数据传输给下达控制指令模块212，所述能量管理系统历史数据库202将数据传输给负荷预测或状态估计和预估模块205，所述负荷预测或状态估计和预估模块205将数据传输给电网分层模块209，所述网络拓扑结构和状态估计数据模块203还接收来自绘图系统204的数据。

基于所述电网统一的分解协调的自动电压控制方法设计的电压控制系统以现有的能量管理系统为基础，并通过数据采集与监视控制系统获取遥测、遥信数据，并通过其下发遥控遥调指令，其通讯方式可为104规约或IEC61970协议，不建议采用延时较长的E格式文件交互。

电压优化控制计算依赖于以网络拓扑结构和状态估计数据模块203为基础的厂站接线分析和系统接线分析，该分析可由基于堆栈技术的拓扑分析方法或由拓扑分析的高斯消元算法完成。

自动电压控制系统中最核心部分为分解协调的无功优化模块208，该无功优化模块基于分解协调思想实现。若将同一电压等级构成的电网称为网络层，附在相应网络层的发电厂或变电站或开关站称为厂、站区域，网络层中纯由输电线路构成的集合称为网络区域，则分解是指将厂、站区域从网络层中分离出来，由此构成以网络区域为主系统404，以厂、站区域为子系统的单独分离处理问题模式，如图3A所示，第一厂站301通过母线a302与网络303连接，第二厂站305通过母线b304与网络303连接；按分解协调的原理，将主系统404与子系统间关联点（如母线a和b）作为分解与协调点，如图3B所示，其将图3A中母线a302拆分成了母线a403与母线a′402，将图3A中母线a304拆分成了母线a405与母线b′406，第一子系统401与母线a′402连接，第二子系统407与母线b′406连接；主系统404与母线a403和母线b405连接；母线a403与母线a′402关联；母线b405与母线b′406关联，而协调则是指子系统与主系统404在满足主系统404一定优化目标下使其子系统与主系统404无缝连接的处理手段。

基于能量管理系统历史数据库202实施短期的负荷预测，如日负荷预测。基于预测结果进行对应时间级的动态无功优化，以全系统的经济运行为目标，充分考虑安全约束，决策层间联系设定值，供二级电压控制107使用。基于能量管理系统历史数据库202和当前运行数据实施超短期的负荷预测，如半小时超短期负荷预测或状态预估，基于其结果进行对应时间级的动态无功优化，优先保证安全指标，兼顾追求经济性，综合决策一级电压控制器的整定值。

山东电网的自动电压控制是指对220kV及以上系统无功电压的自动控制。

按分解协调的原理，将山东电网在地域内分为三个层次（500kV层、220kV层及配电层）、在时域内分为三个时间级（秒至分钟的控制时间级、5～30分钟准控制时间级及24小时的日调度时间级）进行分解协调。各层以对应电压等级的网络层为主系统404，以对应电压等级的子系统为子系统，以进行分解协调优化控制。

三级电压控制106基于日负荷预测进行动态无功优化，动态无功优化的实现基于遗传算法和改进的非线性原对偶内点法的混合算法，决策各无功调节设备的基点位置和主导节点的整定目标值。二级电压控制107基于30min时间级的超前负荷预测以进行动态无功优化，动态无功优化的实现基于改进的非线性原对偶内点法，决策各无功调节设备出力和主导节点整定目标值的修正量。一级电压控制108由发电机自动电压调节器和变电站的电压无功控制器完成。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法,其特征是，它利用能量管理系统，采用三级控制、全局闭环控制模式，对电网节点负荷进行立体化预测以把握未来周期内电网各节点无功、电压变化规律，利用系统级无功优化方法进行优化电压控制决策，并按照地域内分层、层中分区和时域内分级的过程实施电压控制；所述节点负荷的立体化预测是以与三级电压控制模式相对应的分级负荷有功功率总量预报为基础，按照能量流拓扑以利用负荷总量与各层各区节点间的关联关系，从整体把握电网节点有功负荷的变化规律，并利用有功、无功以及功率因数间的关系间接预测未来周期内电网各节点无功、电压变化规律。

2.如权利要求1所述的一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法，其特征是，所述三级控制是指根据前瞻时间按照秒级、分钟级、小时级分为三级，即一级电压控制、二级电压控制和三级电压控制；

所述全局闭环控制模式是指按照分解协调的方法，时间级由远及近的顺序，在整个电网调度管辖范围内实施闭环控制。

3.如权利要求1所述的一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法，其特征是，所述系统级无功优化是指伴随着自动电压控制三级控制模式的实施，基于负荷预测的结果，按照地域内分层、层中分区方式，采用分解协调的方法进行无功优化。

4.如权利要求1所述的一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法，其特征是，所述地域内分层是指按照电压等级分层，每一电压等级视为一层，各层之间通过无功支撑点作为协调量进行层间反复循环折中协调，直至达到无缝对接；所述无功支撑点是指把具有无功调节能力的一个厂或站及其所有无功调节设备的整体作为为单位的无功功率控制点。

5.如权利要求1所述的一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法，其特征是，所述层中分区是指基于厂、站概念，将层内的发电厂、变电站或开关站与网络在连接母线处分解，从而形成只包含输电线路的网络主系统和诸多个厂、站子系统，并将厂、站子系统在分解点等值后，对主系统进行无功优化，将优化后的分解点状态信息提供给子系统，判断子系统能否提供实现这个优化信息的控制条件，如此循环，直至协调量达到无缝对接。

6.如权利要求1所述的一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法，其特征是，所述时域内分级是指三级电压控制模式在时间上相互配合，三级控制启动周期为小时级，按粗细结合的不等时段划分原则；二级控制的启动周期为分钟级，以同步发电机自动电压调节器为主的一级控制的响应周期为秒级，从而保证控制时间常数依次递减，使控制在时间上得以解耦。

7.如权利要求2所述的一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法，其特征是，

所述一级电压控制由具有无功电压支撑能力的厂站综合自动控制装置通过保持输出变量尽可能地接近设定值来补偿难以预知的负荷扰动引起的电压变化，控制时间常数为秒级；

所述二级电压控制分层分区,由超前负荷预报和状态估计的有机结合，进行分解协调的优化，基于电气距离分析法选择主导节点，通过修改一级控制器的整定值来协调区域内一级控制器的行为以保证层内主导节点电压等于设定值，控制时间常数为几十秒到分钟级；所述电气距离分析法是指潮流雅可比阵最小特征值的决策法或基于优化后拉格郎日乘子的分析法；

所述三级电压控制以负荷有功功率总量预报为基础，间接预测未来一周期内电网各节点无功、电压变化规律，以全系统的经济运行为优化目标,并考虑安全性指标,给出层间联系设定值，供二级电压控制使用,其时间常数在十几分钟到小时级。

8.如权利要求1所述的一种电网统一的分层分级协调的自动电压控制方法，其特征是，所述与三级电压控制模式相对应的分级负荷有功功率总量预报是指在三级电压控制中配套实施相应时间级的短期负荷预报，二级电压控制对应其相应时间级的超短期负荷预报或状态预估，对于未能预知的快速的负荷波动则由一级电压控制来处理。