CN104426148A - 配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，包括静态无功集中优化控制子系统和动态电压分布就地控制子系统；在集中调度侧，静态无功集中优化控制子系统根据电容器组的投切次数限制要求以及负荷的变化确定电容器组的投切策略，并进行电容器组的控制；同时检测动态电压分布控制是否成功，如果不成功，则启动动态电压集中控制的策略；动态电压分布就地控制子系统根据本地的测量数据，以及负荷和电压的波动，自动调整动态无功补偿装置以及变压器分接头；同时检测静态无功集中优化控制是否成功，如果不成功，启动静态无功分布控制策略。与现有技术相比，本发明具有充分利用集中和分布控制的优点。

Description

配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统
技术领域
本发明涉及一种配电网控制技术，尤其是涉及一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统。
背景技术
在配电网运行过程中，无功/电压的合理控制和调整对于降低电网损耗、提高电能质量是至关重要的。对于配电网来说，无功电压控制和调整的手段相对较少，以电容器组、变压器分接头为主，由于受投资成本的限制，动态无功补偿装置，如SVC等配置较少。
配电网无功/电压静态集中与动态分布协调控制包括两个方面的内容：静态无功补偿装置(电容器组)的集中优化控制和动态无功补偿装置(如SVC等，包括变压器分接头)的就地分布控制。对于没有动态无功补偿装置(如SVC)等的配电网，就地分布控制主要是针对变压器分接头进行的。此外，当集中优化控制出现问题时，就地分布控制方式可作为集中优化控制的后备、也对静态无功补偿装置进行控制；反之亦然。也就是说，集中与分布控制是相互备用的。
经过对现有技术文献的检索发现，现有的配电网无功/电压控制和调整的方式分为两种。一种是就地控制的方式，就VQC控制，一般是根据九域图形成控制策略，对变压器的分接头和本地的电容器组进行控制，为了保持无功功率的就地平衡。因为九域图控制策略存在一定的缺陷，后来又陆续提出了改进九域图、甚至是十七域图的控制方式，如文献《变电站电压无功控制范围的整定计算方法》(电力系统自动化，2003，27(8)：70-74.)、《变电站电压无功控制策略和实现方式》(电力系统自动化，2001，25(15)：47-50.)、《电压无功综合控制装置控制原理的新讨论--由“九区图”到“五区图”》(电力系统自动化，2004，28(19)：92-95.)、《变电所电压和无功自动调节判据的研究》(中国电力，1995，28(7)：12-15)。一般来说，电容器组的容量不能被大范围的平滑调节，所以造成在很多运行方式下，无功功率是不可能就地平衡的，因此也就存在不同变电站之间无功的横向和纵向支持问题。从这个角度来说，就地控制的局限性显现出来，因为不是从全局的角度来考虑问题，优化的效果相对较差。此外，由于电气设备的动作次数存在一定限制，电容器组往往不能被频繁的投切，而对于局部负荷波动较大的情况，势必造成VQC(电压无功控制)控制系统频繁的启动和操作，这也是局部控制的主要缺点之一。另一种是集中控制的方式，即AVC(自动电压控制)控制，在调度或者主站侧统一对电容器组和变压器分接头进行控制，如文献《江苏电网AVC主站系统的研究和实现》(电力系统自动化，2004，29(22)：83～87.)、《安徽电网自动电压控制(AVC)系统设计及实现》(电力系统自动化，2004，28(8)：20～22.)，但由于配电网设备参数、测量数据、以及优化算法本身存在的计算效率方面的误差，所形成的决策方案往往难以实行。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，该方法在现有的调度自动化系统上，基于短期负荷预测，针对较大的负荷变化、在较长的时间段内进行全网的无功优化，以电容器组的优化投切为对象，以保障全网无功的基本平衡；在全网无功基本平衡的基础上，针对负荷的波动、在较短的时间段内进行动态无功补偿装置(如SVC和变压器分接头等)的就地分布控制。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，包括静态无功集中优化控制子系统和动态电压分布就地控制子系统；
在集中调度侧，静态无功集中优化控制子系统根据电容器组的投切次数限制要求以及负荷的变化确定电容器组的投切策略，并进行电容器组的控制；同时检测动态电压分布控制是否成功，如果不成功，则启动动态电压集中控制的策略；
动态电压分布就地控制子系统根据本地的测量数据，以及负荷和电压的波动，自动调整动态无功补偿装置以及变压器分接头；同时检测静态无功集中优化控制是否成功，如果不成功，启动静态无功分布控制策略。
所述的静态无功集中优化控制子系统包括数据采集模块、状态估计模块、负荷预测模块、拓扑分析模块、无功优化模块、专家系统无功就地平衡分析模块以及主站协调控制模块；
数据采集模块将采集的数据送入状态估计模块，状态估计模块对采集数据进行误数据的清理和电气设备参数的估计，状态估计模块的输出分别传送至负荷预测模块和拓扑分析模块，负荷预测模块采用相似搜索技术，在历史数据中选择与当前日最相近的负荷曲线进行加权拟合，从而形成当前日的负荷曲线，并对负荷高峰和低谷出现的时段进行预测和确定；拓扑分析模块进行拓扑的动态着色，并将不带电的部分去掉，生成计算分析所需要的网络拓扑数据；负荷预测模块和拓扑分析模块处理后的数据输出到无功优化模块，无功优化模块根据上述负荷预测的结果以及电容器组的投切次数限制，分别在高峰和低谷时段进行全网集中无功优化，采取梯度优化算法，以各个电容器组的容量作为优化的状态变量，分别采取“状态变量优化结果＞＝60％电容器组容量”作为电容器组“投”的决策依据和“状态变量优化结果＜＝40％电容器组容量”作为电容器组“切”的决策依据；
当优化失败时，专家系统无功就地平衡分析模块根据专家系统的规则库，自动形成电容器组的控制策略，同时，根据调度自动化系统的监测数据，当负荷达到高峰或低谷时，将上述策略通过通讯通道对电容器组进行实时控制；主站协调控制模块通过调度自动化系统监视动态电压分布控制的效果，当动态电压分布控制无法实现时，通过主站下发指令的方式对动态无功补偿装置和变压器分接头进行集中控制。
所述的状态估计模块对采集数据进行误数据的清理和电气设备参数的估计具体为：
1)空缺值处理：针对测量数据的缺失，采用相邻时段的数据来补充空缺数据；
2)误数据处理：采用相邻5个点数据的相互比较来判断数据是否是错误数据，如果所有数据差别不大，则认为测量数据是正确数据，否则认为是误数据，误数据首先被剔除，然后作为空缺数据处理；
3)噪声数据处理：噪声数据采取5个点数据的加权平均来进行处理；
4)参数估计：对于电气设备的参数，根据测量数据和潮流方程对电气设备的参数进行分析、调整和估计。
所述的负荷预测模块采用典型特征的欧几里得距离来衡量相近程度。
所述的拓扑分析模块采用两层设备链表来生成计算分析所需要的网络拓扑数据，具体为：
首先形成电气设备的连接关系表作为第一层的设备链表；然后将设备的属性数据，作为与第一层设备链表中的电气设备相对应的第二层设备链表，其中属性数据包括阻抗、导纳以及变压器变比；第一层设备链表用来进行设备的连接关系分析，第二层设备链表用来进行分析计算。
所述的专家系统无功就地平衡分析模块按照负荷节点无功负荷与无功补偿容量差值最小的原则，确定电容器组是否投切，同时考虑电容器组的投切次数限制以及负荷曲线的高峰和低谷时段；并按照节点电压幅值的高低确定变压器分接头和动态无功补偿装置的调整策略。
所述的主站协调控制模块检测电压就地分布控制的效果，当电压就地分布控制长时间无效时，从主站侧以集中的形式对各个变电站变压器分接头和动态无功补偿装置进行调整。
所述的动态电压分布就地控制子系统包括控制策略生成模块和子站协调控制模块；
控制策略生成模块根据就地采集的节点电压和功率因素参数，根据“改进九域图”进行动态无功补偿装置和变压器分接头的就地实时控制；子站协调控制模块监视调度自动化系统的工作状态，当通讯通道不畅通时，对静态电容器组采取就地分布控制的方式。
所述的改进九域图具体为：
与常规的九域图相比，其横坐标采取了无功偏差量：
ΔQ＝Q-Q0
其中：Q为无功负荷，ΔQ为无功偏差量；Q0为静态无功集中控制所确定的补偿量。
所述的子站协调控制模块，首先检测静态无功集中控制的效果，当发现无功集中控制超过设定之间或通讯通道不畅通时，按照常规的九域图来统一形成电容器组、变压器分接头的控制和调整策略。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明中综合考虑了测量系统、计算等方面的误差和干扰，在集中优化方面以静态电容器组为对象，由于电容器组的容量较大，可以实现无功的基本平衡；反之，因为就地控制以本地采集的数据为依据，不仅数据的准确度高，而且“改进九域图”的算法简单，可以针对无功缺额进行精确控制；这样就可以充分利用集中和分布控制的优点。
附图说明
图1是本发明系统的结构示意图；
图2是静态无功集中控制子系统的原理图；
图3是动态电压分布控制子系统的原理图；
图4改进九域图的基本原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例
本发明涉及到两个子系统，一个是静态无功集中优化控制子系统，安装于调度中心或者集控站内；一个是动态电压分布就地控制子系统，安装于各个变电站内部。无功补偿装置，包括静态的电容器组、动态的SVC以及变压器分接头都分布于变电站内部。
如图1所示，本实施例与调度中心的SCADA系统相连，SCADA系统作为本实施例的通讯和数据平台，从而实现静态无功集中与动态电压分布的协调控制。所述SCADA系统实现对电网的“遥控、遥测、遥调、遥信”，已经广泛的配置于各个电压等级的电网当中，特别是对于35kV以上电网。
如图2所示，本实施例的静态无功集中优化控制子系统包括：数据采集模块、状态估计模块、负荷预测模块、拓扑分析模块、无功优化模块、专家系统无功就地平衡分析模块以及主站协调控制模块。数据采集模块将采集的数据送入状态估计模块，状态估计模块实现误数据的清理和电气设备参数的估计，保证计算所需要数据的精度，状态估计模块的输出分别传送至负荷预测模块和拓扑分析模块，负荷预测模块实现短期负荷分布预测，采用相似搜索技术，在历史数据中选择与当前日非常相似的负荷曲线进行加权拟合，从而形成当前日的负荷曲线，并对负荷高峰和低谷出现的时段进行预测和确定；拓扑分析模块实现拓扑的动态着色，并将不带电的部分去掉，形成计算分析所需要的网络拓扑数据；负荷预测模块和拓扑分析模块处理后的数据输出到无功优化模块，无功优化模块根据上述负荷预测的结果以及电容器组的投切次数限制，分别在高峰和低谷时段进行全网集中无功优化，采取梯度优化算法，以各个电容器组的容量作为优化的状态变量，分别采取“状态变量优化结果＞＝60％电容器组容量”作为电容器组“投”的决策依据和“状态变量优化结果＜＝40％电容器组容量”作为电容器组“切”的决策依据。当优化失败时，专家系统就地平衡分析模块根据专家系统的规则库，自动形成电容器组的控制策略。同时，根据调度自动化系统的监测数据，当负荷达到高峰或低谷时，将上述策略通过通讯通道对电容器组进行实时控制。主站协调控制模块通过调度自动化系统监视动态电压分布控制的效果，当动态电压分布控制无法实现时，通过主站下发指令的方式对动态无功补偿装置和变压器分接头进行集中控制。
1、所述的状态估计模块，包括如下几部分内容。①空缺值：针对测量数据的缺失，采用相邻时段的数据来补充空缺数据；②误数据：采用相邻5个点数据的相互比较来判断数据是否是错误数据，如果所有数据差别不大，则认为测量数据是正确数据，否则认为是误数据。误数据首先被剔除，然后作为空缺数据处理；③噪声数据：由于受测量装置精度的影响，任何数据都包括噪声，噪声数据采取多点(5个点)数据的加权平均来进行处理；④参数估计：对于电气设备的参数，厂家提供的数据由于受设备使用环境的影响都或多或少的存在一定的误差。根据SCADA系统量测数据，根据潮流方程对电气设备的参数进行分析、调整和估计。
2、所述的负荷预测模块，采用相似搜索技术，根据季节、气象条件、节假日、负荷水平等典型特征，按照与负荷历史数据中最相近的负荷曲线作为当前日的负荷曲线，其中衡量相近程度的指标采用典型特征的欧几里得距离。
3、所述的拓扑分析模块，采用两层设备链表，首先形成电气设备的连接关系表作为第一层的设备链表；然后将设备的属性数据，如阻抗、导纳以及变压器变比等作为第二层链表与第一层链表中的电气设备相对应。第一层设备链表用来进行设备的连接关系分析；而第二层的设备链表用来进行分析计算。
4、所述的无功优化模块，采用梯度优化算法，首先对无不等式约束的优化问题进行求解。当节点电压不等式约束不满足时，进行节点类型转换，将PQ(负荷)节点转换成PV(发电机)节点的方式来处理不等式约束。
5、所述的专家系统就地无功平衡分析模块，按照负荷节点无功负荷与无功补偿容量差值最小的原则，确定电容器组是否投切，同时考虑电容器组的投切次数限制以及负荷曲线的高峰和低谷时段。同样道理，按照节点电压幅值的高低确定变压器分接头和动态无功补偿装置的调整策略。
6、所述的主站协调控制模块，通过SCADA的通讯通道，检测电压就地分布控制的效果，当电压就地分布控制长时间无效时，从主站侧、以集中的形式对各个变电站变压器分接头和动态无功补偿装置进行调整。
如图3所示，所述的动态电压分布就地控制子系统包括控制策略生成模块和子站协调控制模块。控制策略生成模块根据就地采集的节点电压和功率因素等参数，在较短的时段内，根据“改进九域图”实现动态无功补偿装置和变压器分接头的就地实时控制；子站协调控制模块监视调度自动化系统的工作状态，当通讯通道不畅通时，对静态电容器组采取就地分布控制的方式。
1、所述的控制策略生成模块，使按照“改进的九域图”生成控制策略的，“改进的九域图”如图4所示。与常规的九域图相比，其横坐标采取了无功偏差量：
ΔQ＝Q-Q0
其中：Q为无功负荷，ΔQ为无功偏差量；Q0为静态无功集中控制所确定的补偿量。也就是说，电压就地分布控制是在无功集中控制的基础上进行的。
2、所述的子站协调控制模块，首先检测静态无功集中控制的效果，当发现无功集中控制长时间或通讯通道不畅通时，按照常规的九域图来统一形成电容器组、变压器分接头(包括动态无功补偿装置)的控制和调整策略。

Claims (10)

1.一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，包括静态无功集中优化控制子系统和动态电压分布就地控制子系统；
在集中调度侧，静态无功集中优化控制子系统根据电容器组的投切次数限制要求以及负荷的变化确定电容器组的投切策略，并进行电容器组的控制；同时检测动态电压分布控制是否成功，如果不成功，则启动动态电压集中控制的策略；
动态电压分布就地控制子系统根据本地的测量数据，以及负荷和电压的波动，自动调整动态无功补偿装置以及变压器分接头；同时检测静态无功集中优化控制是否成功，如果不成功，启动静态无功分布控制策略。
2.根据权利要求1所述的一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，所述的静态无功集中优化控制子系统包括数据采集模块、状态估计模块、负荷预测模块、拓扑分析模块、无功优化模块、专家系统无功就地平衡分析模块以及主站协调控制模块；
数据采集模块将采集的数据送入状态估计模块，状态估计模块对采集数据进行误数据的清理和电气设备参数的估计，状态估计模块的输出分别传送至负荷预测模块和拓扑分析模块，负荷预测模块采用相似搜索技术，在历史数据中选择与当前日最相近的负荷曲线进行加权拟合，从而形成当前日的负荷曲线，并对负荷高峰和低谷出现的时段进行预测和确定；拓扑分析模块进行拓扑的动态着色，并将不带电的部分去掉，生成计算分析所需要的网络拓扑数据；负荷预测模块和拓扑分析模块处理后的数据输出到无功优化模块，无功优化模块根据上述负荷预测的结果以及电容器组的投切次数限制，分别在高峰和低谷时段进行全网集中无功优化，采取梯度优化算法，以各个电容器组的容量作为优化的状态变量，分别采取“状态变量优化结果＞＝60％电容器组容量”作为电容器组“投”的决策依据和“状态变量优化结果＜＝40％电容器组容量”作为电容器组“切”的决策依据；
当优化失败时，专家系统无功就地平衡分析模块根据专家系统的规则库，自动形成电容器组的控制策略，同时，根据调度自动化系统的监测数据，当负荷达到高峰或低谷时，将上述策略通过通讯通道对电容器组进行实时控制；主站协调控制模块通过调度自动化系统监视动态电压分布控制的效果，当动态电压分布控制无法实现时，通过主站下发指令的方式对动态无功补偿装置和变压器分接头进行集中控制。
3.根据权利要求2所述的一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，所述的状态估计模块对采集数据进行误数据的清理和电气设备参数的估计具体为：
1)空缺值处理：针对测量数据的缺失，采用相邻时段的数据来补充空缺数据；
2)误数据处理：采用相邻5个点数据的相互比较来判断数据是否是错误数据，如果所有数据差别不大，则认为测量数据是正确数据，否则认为是误数据，误数据首先被剔除，然后作为空缺数据处理；
3)噪声数据处理：噪声数据采取5个点数据的加权平均来进行处理；
4)参数估计：对于电气设备的参数，根据测量数据和潮流方程对电气设备的参数进行分析、调整和估计。
4.根据权利要求2所述的一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，所述的负荷预测模块采用典型特征的欧几里得距离来衡量相近程度。
5.根据权利要求2所述的一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，所述的拓扑分析模块采用两层设备链表来生成计算分析所需要的网络拓扑数据，具体为：
首先形成电气设备的连接关系表作为第一层的设备链表；然后将设备的属性数据，作为与第一层设备链表中的电气设备相对应的第二层设备链表，其中属性数据包括阻抗、导纳以及变压器变比；第一层设备链表用来进行设备的连接关系分析，第二层设备链表用来进行分析计算。
6.根据权利要求2所述的一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，所述的专家系统无功就地平衡分析模块按照负荷节点无功负荷与无功补偿容量差值最小的原则，确定电容器组是否投切，同时考虑电容器组的投切次数限制以及负荷曲线的高峰和低谷时段；并按照节点电压幅值的高低确定变压器分接头和动态无功补偿装置的调整策略。
7.根据权利要求2所述的一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，所述的主站协调控制模块检测电压就地分布控制的效果，当电压就地分布控制长时间无效时，从主站侧以集中的形式对各个变电站变压器分接头和动态无功补偿装置进行调整。
8.根据权利要求1所述的一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，所述的动态电压分布就地控制子系统包括控制策略生成模块和子站协调控制模块；
控制策略生成模块根据就地采集的节点电压和功率因素参数，根据“改进九域图”进行动态无功补偿装置和变压器分接头的就地实时控制；子站协调控制模块监视调度自动化系统的工作状态，当通讯通道不畅通时，对静态电容器组采取就地分布控制的方式。
9.根据权利要求8所述的一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，所述的改进九域图具体为：
与常规的九域图相比，其横坐标采取了无功偏差量：
ΔQ＝Q-Q0
其中：Q为无功负荷，ΔQ为无功偏差量；Q0为静态无功集中控制所确定的补偿量。
10.根据权利要求8所述的一种配电网无功/电压的静态集中与动态分布协调控制系统，其特征在于，所述的子站协调控制模块，首先检测静态无功集中控制的效果，当发现无功集中控制超过设定之间或通讯通道不畅通时，按照常规的九域图来统一形成电容器组、变压器分接头的控制和调整策略。
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