CN105914753B - 主动配电网电压实时模糊控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种主动配电网电压实时模糊控制方法，包括：根据各条馈线上传的馈线电压最大值和最小值推出配电系统的最大电压和最小电压，如果有馈线电压越限，则启动DG的无功功率模糊控制器FQC，通过分布式电源DG注入或吸收无功功率；如果DG的无功功率模糊控制器FQC不能将电压恢复到正常水平，而ΔVsys≤ΔV max–Δα，则启动变压器有载分接头模糊控制器FOC，由变压器有载分接头OLTC完成调压任务，否则启动FPC，减少ΔVsys；Δα为分接头的调整值。本发明主控单元的控制算法简单，所需的通讯数据少，计算量小，决策时间短，缓解了因OLTC和DG相互作用引起的过压和低压问题，提高了ADN对DG的消纳能力。

Description

主动配电网电压实时模糊控制方法

技术领域

本发明涉及一种主动配电网电压实时模糊控制方法。

背景技术

日益严重的环境污染以及传统化石燃料短缺等问题驱使分布式发电(Distributed Generation，DG)技术尤其是可再生能源(Renewable Energy Sources，RES)发电技术迅速发展，配电网中DG的渗透率迅速增长，传统配电网将逐步演变为具有众多可调可控资源的主动配电网(Active Distribution Network，ADN)。ADN通过灵活多变的网架结构和多种类型分布式电源、可控负荷等的协调控制实现大规模可再生能源并网，优化一次能源结构。

与传统配电网相比，主动配电网的SCADA系统和通信网络更加完善，远程测控终端(REMOTE TERMINAL UNIT，RTU)的分布更加广泛，解决了传统配电网可观测性差的问题，也给主动配电网电压控制提供了新的思路。现有的ADN电压控制方法主要是基于最优化理论的电压控制方法，该方法能够充分利用主动配电网中各类无功/电压调节设备进行整体调节，同时还能兼顾电网正常运行状态的优化。然而，这种控制方法存在如下几个问题：1)需要可再生能源发电及负荷预测的数据，预测数据的准确性对控制策略的有效性有较大的影响；2)对网络拓扑信息、各节点状态量和无功/电压调节设备参数等大量数据的统一处理导致计算趋于复杂化，计算时间长，难以满足主动配电网络对实时性的要求；3)优化计算方法存在收敛性问题。

主动配电网中规模化间歇式能源(如风能、太阳能等)的并网会加剧电压波动或者过电压导致其脱网，不仅严重制约主动配电网消纳可再生能源发电的能力，而且使配网电压质量下降，给配电网电压控制提出了新的挑战。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种适应于主动配电网的电压控制方法，确保主动配电网安全可靠运行的主动配电网电压实时模糊控制方法。

本发明主动配电网电压实时模糊控制方法，每一个分布式电源DG的母线处安装一个远程测控终端RTU，远程测控终端RTU，通过通信线路将数据传送至SCADA主机，SCADA主机将接收的数据送给配电管理系统DMS，配电管理系统DMS把决策指令通过SCADA主机和各RTU下达给相应的控制器，所述的控制方法具体包括：

根据各条馈线上传的馈线电压最大值和最小值推出配电系统的最大电压和最小电压，如果有馈线电压越限，则启动DG的无功功率模糊控制器FQC，通过分布式电源DG注入或吸收无功功率；

如果DG的无功功率模糊控制器FQC不能将电压恢复到正常水平，而ΔVsys≤ΔVmax Δα，则启动变压器有载分接头模糊控制器FOC，由变压器有载分接头OLTC完成调压任务，否则启动FPC，减少ΔVsys；Δα为分接头的调整值。

有益效果

本发明主动配电网电压实时模糊控制方法与现有技术具备如下有益效果：

1)OLTC和DG均采用模糊控制，控制规则简单，鲁棒性强；且所提出的三个模糊控制策略都是基于馈线或系统的电压最大和最小值，大大减少了通讯数据量，节省了数据存储空间。

2)由于馈线电压的最大值和最小值由馈线上分布的各RTU完成，减少了主控单元的计算量，缩短了决策时间，满足实时控制的要求。

3)通过协调控制OLTC和DG，缓解了因OLTC和DG相互作用引起的过压和低压问题，减少了OLTC的动作次数，有助于延长OLTC寿命；此外，本控制方法仅将消减DG有功作为紧急情况下的调压措施，避免了不必要的DG有功功率消减，提高了ADN对DG的消纳能力。

附图说明

图1电压实时控制框架；

图2 RTU通信结构示意图；

图3 RTU本地数据测量示意图；

图4 FOC控制框图；

图5 FQC控制框图；

图6 FPC控制框图；

图7馈线电压最大值和最小值估算流程图；

图8协调控制策略流程图；

图9 Vs,min的隶属度函数；

图10 Vs,max的隶属度函数；

图11 ΔVsys的隶属度函数；

图12 ΔV max,DGi的隶属度函数。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

如图1所示实时电压控制框架。RTU采集现场数据并通过通信线路将数据传送给SCADA主机，主机再将接收的数据送给配电管理系统(Distribution Management System，DMS)，DMS根据收到的数据和本发明提出的控制算法制定电压控制决策，并把决策指令通过SCADA主机和各RTU下达给相应的控制器。

为实现该控制方法，需在每一个DG母线处安装一个RTU，同一条馈线上相邻RTU之间能够通过通信线路传输数据，如图2所示，每个RTU除了测量指定的本地参数外，还需估计邻近节点电压的最大值和最小值。测量参数如图3所示，包括本地母线电压及与该母线相连的馈线潮流。

模糊控制器间的协调控制策略如流程图8所示，控制目标是在最小化DG有功消减量的前提下确保OLTC有效运行。首先，根据各条馈线上传的馈线电压最大值和最小值推出配电系统的最大电压和最小电压，如果有馈线电压越限，则启动DG的无功功率模糊控制器FQC，通过DG注入或吸收无功功率解决电压越限问题。DG的无功功率模糊控制器FQC和FPC启动后都有一个时间延迟Δt_conv，以确保所有的DG变换器都能达到预期的功率参考值。考虑到变换器主控器设定时间一般为50-150ms，这里Δt_conv取为200ms。此外，协调算法的更新时间Δt取为5min。如果DG的无功功率模糊控制器FQC不能将电压恢复到正常水平，而ΔV_sys≤ΔV_max Δα(为分接头的调整值，确保OLTC有上或下调整的裕度)，则启动变压器有载分接头模糊控制器FOC，由OLTC完成调压任务，否则启动FPC，减少ΔV_sys。

本发明所述的方法的优点在于：1)不需要可再生能源发电及负荷预测的数据；2)主控单元的控制算法简单，所需的通讯数据少，计算量小，决策时间短，适于电压的在线控制；3)缓解了因OLTC和DG相互作用引起的过压和低压问题；4)减少了OLTC的动作次数，避免了不必要的DG有功功率消减，提高了ADN对DG的消纳能力。

实施例

本实施例主动配电网电压实时模糊控制方法，每一个分布式电源DG的母线处安装一个远程测控终端RTU，远程测控终端RTU，通过通信线路将数据传送至SCADA主机，SCADA主机将接收的数据送给配电管理系统DMS，配电管理系统DMS把决策指令通过SCADA主机和各RTU下达给相应的控制器，所述的控制方法具体包括：

根据各条馈线上传的馈线电压最大值和最小值推出配电系统的最大电压和最小电压，如果有馈线电压越限，则启动DG的无功功率模糊控制器FQC，通过分布式电源DG注入或吸收无功功率；

如果DG的无功功率模糊控制器FQC不能将电压恢复到正常水平，而ΔVsys≤ΔVmax Δα，则启动变压器有载分接头模糊控制器FOC，由变压器有载分接头OLTC完成调压任务，否则启动FPC，减少ΔVsys；Δα为分接头的调整值。

本实施例中基于RTU测量数据的馈线电压最大值和最小值估算，具体介绍：

对各馈线上的RTU进行编号，距首节点最近的编号为1，然后沿回路方向依次递增。距首节点最远的RTU完成附近节点最大值和最小值的估算后，将结果送给邻近的上游RTU，该RTU再根据接收的数据和自身的测量数据计算周围节点电压的最大值和最小值，整个过程一直持续到中央控制器接收到上传的馈线最大和最小电压估算值。其中，RTU_n所执行的具体计算过程如下：

先根据本地测量参数估算其与RUT_n+1之间的电压：

再利用从RUT_n+1传上来的数据计算节点n与n+1之间最终估算值：

通过比较RUT_n+1节点电压V_n+1、上游RUT_n的估算电压V_{est n+1,f}及下游RUT_n+2估算电压V_{est n+1,b}，得到RUT_n+1周围的最大电压V_{max n+1}和最小电压V_{min n+1}，即：V_{max n+1}＝max(V_n+1,V_{est n+1,b},V_{est n+1,f})，V_{min n+1}＝min(V_n+1,V_{est n+1,b},V_{est n+1,f})。

然后，还需估算RUT_n与RUT_n-1之间的电压：

最后，RUT_n将V_n、V_{est n,b}、V_{est n,n-1}以及其下游RUT附近节点的最小和最大电压值一起上传给上游的RUT_n-1。整个流程图如图4所示。

本实施例中，OLTC模糊控制(FOC)方法具体介绍：

目前，大多数OLTC都是应用线路压降补偿器(Line Drop Compensators，LDC)进行电压调节，然而DG的引入改变了电压分布，使电压调节更加复杂。首先，变电站到馈线末端的电压不再都是降低趋势，因此，传统的固定目标调压不再有效；其次，间歇式RES的出现使基于本地测量的LDC电压估计误差更大，影响了调压效果。因此，基于本地测量的固定调节目标的传统OLTC控制器不再适用于ADN。为此，本发明提出了基于模糊理论的控制方法，控制器结构如图4所示。变压器有载分接头模糊控制器FOC以配电网系统的最大电压V_s,max和最小电压V_s,min为输入，模仿操作员的控制经验，实时调整ΔV使V_s,max和V_s,min在正常允许范围内，从而保证所有母线电压都在正常范围内。具体设计方法如下：

①输入输出变量的模糊空间划分：

为简化规则描述，输入变量均划分为三个模糊子集：V_s,max正常(N)、高(H)、很高(VH)，V_s,min很低(VL)、低(L)、正常(N)，隶属度函数采用三角形函数和梯形函数，如图9、10所示。输出变量ΔV划分为5个模糊子集：NB(负大)、NS(负小)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)，每个子集均为单值模糊集，取值分别为-2，-1，0，1，2。

②模糊控制规则：

表1变压器有载分接头模糊控制器FOC模糊控制规则

③模糊推理：采用Mamdani推理方法。先由控制规则确定输入输出的模糊关系，然后采用模糊合成运算由实际的模糊输入推理得到模糊输出。

④去模糊精确化处理：模糊推理得到控制变量的模糊值后，采取面积重心法去模糊求得控制变量的精确值：

⑤归一化处理：为了使控制器输出在规定论域内，比例因子K_c取ΔV_max/2，其中ΔV_max为预期的最大电压偏离值。

传统配电网中OLTC是主要的调压设备，然而在ADN中，大规模可再生能源的并入加剧了电网电压的波动，可能导致OLTC频繁动作，缩短其寿命；并且，当系统的最大电压和最小电压同时超越限定值时，OLTC无法正确调节电压在正常范围内。而另一方面，DG可以通过提供无功功率支持和消减有功功率参与系统的电压调节。

本实施例中DG的无功功率模糊控制(FQC)方法具体介绍：

图5为DG的无功功率模糊控制器FQC控制框图。输入为DG所连馈线的电压最大值V_f,max和最小值V_f,min，输出为ΔV_F，然后通过积分器输出V_F。DG的无功功率模糊控制器FQC采用与变压器有载分接头模糊控制器FOC同样的模糊控制规则(如表1)和推理方法。

为了合理分配同一馈线上所有DG的无功功率，引入电压关于无功功率的灵敏度因子K_Q，该因子正比于灵敏度S_VQ(i,j)。其中，i为DG的本地母线编号，j为馈线上电压最大或最小的母线电压编号。而电压灵敏度矩阵可由离线的配电网潮流计算(如式(4))中的雅可比矩阵取逆得到。

DG所能提供的无功功率大小受其功率因素和无功功率容量曲线的限制。因此，DG的无功功率限定值由式(5)决定：

其中，

式中，P_DGi、S_DGi、λ_DGi、V_DGi、V_DGi ^max、X_i分别为为母线i处DG的有功功率、额定容量、功率因数、DG并网节点PCC的电压、最大逆变电压、包括DG并网变压器和滤波器的总电抗。

当某馈线V_f,max或V_f,min越限时，DG的无功功率模糊控制器FQC启动，增加或减小ΔV_F，馈线上所有DG根据它们的电压灵敏度向系统注入无功功率，使馈线电压恢复到正常水平。

提出的DG的无功功率模糊控制器FQC有如下优点：

①减轻OLTC的调压负担；

②无论电压越限发生在馈线的什么位置，馈线上所有可调DG都会提供无功支持，增加了解决电压问题所需的无功功率容量。

这里需说明的是，上述变压器有载分接头模糊控制器FOC适用于辐射状配电网，当配电网为环网时，只需将输入改为V_s,max和V_s,min即可。

本实施例中DG的有功功率消减模糊控制FPC方法具体介绍：

当系统电压的最大值V_s,max和最小值V_s,min之差超过标准电压上限V_Upp和下限V_Low之差ΔV_max，且DG由于无功容量的限制不能提供所需的无功功率时，需要通过如下两种方式解决电压越限问题：①减少DG的有功输出以降低V_s,max；②切掉部分负荷以增加V_s,min。由于负荷卸载影响用户用电，通常只用于紧急状态下，故采取消减DG有功功率的措施。为此，提出DG有功功率消减模糊控制(FPC)方法，如图6所示。FPC有两个输入和一个输出。输入ΔV_sys和ΔV_,DGi ^max分别定义为：

ΔV_sys＝V_s,max-V_s,min；ΔV_,DGi ^max＝V_DG(i)-V_Upp (6)

输入变量ΔV_sys和ΔV_max，DGi的三个模糊子集定义为：正常(N)、高(H)、很高(VH)，隶属度函数采用梯形函数和三角函数，如图11、12所示。输出变量β_i划分为5个单值模糊子集：U(很高)、H(高)、M(中)、L(低)、ZE(零)，每个子集均为模糊集，取值分别为1，0.75，0.5，0.25，0。模糊控制规则如表2所示。模糊推理和去模糊精确化处理方法与变压器有载分接头模糊控制器FOC相同。

表2 FPC模糊控制规则

有功功率消减仅用于最大电压等于V_s,max的馈线上DG单元。为了合理分配该馈线上所有DG的有功功率消减量，引入电压关于有功功率的灵敏度因子K_P，该因子正比于灵敏度S_VP(i,j)(按上式(4)进行计算)。FPC的输出变量β_i乘以灵敏度因子K_P后得到DG(i)的有功功率消减因子γ_i。γ_i再乘以的DG(i)原有功功率整定值P⁰ _DG(i)便得到有功功率的当前整定值P_DGi ^pref。

在分布式储能单元(ESS)调压中的应用

分布式储能单元通常和DG单元一样，通过电力电子变换器接入配电网，其有功功率和无功功率都可以通过接口变换器进行调节。因此，ESS可以应用所提出的DG的无功功率模糊控制器FQC对电网提供无功-电压支持。与可再生能源不同的是，ESS是可调电源，具有双向潮流(充电和放电)。在放电期间，ESS和DG单元一样，故可直接应用FPC，不需任何改动。而在充电期间，ESS相当于负荷，因此可参与低压状态下的调压。但这种情况下，需要对输入变量稍作修改，由变量ΔV_min，ESSi替代FPC的第二个输入变量ΔV_DGi ^max。ΔV_ESSi ^min定义为：

ΔV_ESSi ^min _i＝V_Low-V_ESSi (7)

式中，V_ESSi为ESS并入电网的节点电压。

对本发明应当理解的是，以上所述的实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细的说明，以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限定本发明，凡是在本发明的精神原则之内，所作出的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种主动配电网电压实时模糊控制方法，首先基于模糊控制理论设计了DG的无功功率模糊控制器FQC、有功功率消减模糊控制器FPC和变压器有载分接头模糊控制器FOC，然后通过协调控制策略对这三种控制器进行协调控制，实现配电网馈线电压的实时控制，其中，协调控制策略为：如果有馈线电压越限，则启动DG的无功功率模糊控制器FQC，通过分布式电源DG注入或吸收无功功率；如果DG的无功功率模糊控制器FQC不能将电压恢复到正常水平，则启动变压器有载分接头模糊控制器FOC，由变压器有载分接头OLTC完成调压任务，如果仍存在电压越限，则启动有功功率消减模糊控制FPC，减小系统电压的最大值V_s,max和最小值V_s,min之差ΔV_sys。

2.根据权利要求1所述的主动配电网电压实时模糊控制方法，其特征在于，变压器有载分接头模糊控制器FOC以V_s,max和V_s,min为输入，实时调整节点电压的幅值变化ΔV使V_s,max和V_s,min在正常允许范围内，从而保证所有母线电压都在正常范围内，具体包括：

输入变量均划分为三个模糊子集：V_s,max正常(N)、高(H)、很高(VH)，V_s,min很低(VL)、低(L)、正常(N)，隶属度函数采用三角形函数和梯形函数，输出变量ΔV划分为5个模糊子集：NB(负大)、NS(负小)、ZE(零)、PS(正小)、PB(正大)，每个子集均为单值模糊集，取值分别为-2，-1，0，1，2；

建立模糊控制规则；

模糊推理：采用Mamdani推理方法，先由控制规则确定输入输出的模糊关系，然后采用模糊合成运算由实际的模糊输入推理得到模糊输出；

去模糊精确化处理：模糊推理得到控制变量的模糊值后，采取面积重心法去模糊求得控制变量的精确值；

归一化处理：为了使变压器有载分接头模糊控制器FOC输出在规定论域内，比例因子K_c取ΔV_max/2，其中ΔV_max为预期的最大电压偏离值。

3.根据权利要求2所述的主动配电网电压实时模糊控制方法，其特征在于，DG的无功功率模糊控制器FQC输入为DG所连馈线的电压最大值V_f,max和最小值V_f,min，输出为ΔV_F，然后通过积分器输出V_F，具体包括：

建立模块模糊控制规则；

引入电压关于无功功率的灵敏度因子KQ，该因子正比于灵敏度SVQ(i,j)，其中，i为DG的本地母线编号，j为馈线上电压最大或最小的母线电压编号，而电压灵敏度矩阵可由离线的配电网潮流计算如下式(4)中的雅可比矩阵取逆得到

式中，ΔV、Δθ分别为节点电压的幅值变化量、相角变化量，ΔP、ΔQ分别为注入节点的有功功率变化量、无功功率变化量，S_θP、S_θQ、S_VP、S_VQ分别为节点电压相角关于注入节点有功功率的灵敏度、节点电压相角关于注入节点无功功率的灵敏度、节点电压幅值关于注入节点有功功率的灵敏度、节点电压幅值关于注入节点无功功率的灵敏度；

DG的无功功率限定值由式(5)决定：

其中，

式中，P_DGi、S_DGi、λ_DGi分别为母线i处DG的有功功率、额定容量、功率因数；

分别为母线i处分布式发电机的无功功率极限值、功率因数决定的无功容量、逆变器容量决定的无功容量、最大逆变电压决定的无功容量；

当某馈线V_f,max或V_f,min越限时，DG的无功功率模糊控制器FQC启动，增加或减小ΔV_F，馈线上所有DG根据它们的电压灵敏度向系统注入无功功率，使馈线电压恢复到正常水平。

4.根据权利要求3所述的主动配电网电压实时模糊控制方法，其特征在于，DG的有功功率消减模糊控制器FPC有两个输入和一个输出，输入ΔV_sys和ΔV_DGi ^max分别定义为：

ΔV_sys＝V_s,max-V_s,min；ΔV_DGi ^max＝V_DG(i)-V_Upp (6)

式中，V_DG(i)、V_Upp分别为DG并网节点的电压、电压上限值；

输入变量ΔV_sys和ΔV_DGi ^max的三个模糊子集定义为：正常(N)、高(H)、很高(VH)，隶属度函数采用梯形函数和三角函数，输出变量β_i划分为5个单值模糊子集：U(很高)、H(高)、M(中)、L(低)、ZE(零)，每个子集均为模糊集，取值分别为1，0.75，0.5，0.25，0；有功功率消减仅用于最大电压等于V_s,max的馈线上DG单元，引入电压关于有功功率的灵敏度因子K_P，该因子正比于灵敏度S_VP(i,j)按公式(4)进行计算，FPC的输出变量β_i乘以灵敏度因子K_P后得到DG(i)的有功功率消减因子γ_i，γ_i再乘以的DG(i)原有功功率整定值P⁰ _DG(i)便得到有功功率的当前整定值P_DGi ^pref。

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