CN106786630A - 一种含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法，该方法根据负荷的时变性和分布式电源出力的波动性，通过实时检测的节点电压偏差与无功偏差的关系，得出自主优化控制组合策略，调整控制变量，达到最优控制方式。与现有技术相比，本发明克服了通过负荷和分布式电源出力的预测数据来进行投切控制的传统模式，可实时确定并联电容器组的投切组数及分布式电源无功出力，克服了以往的固定投切模式，并在并联电容器组进行无功补偿保证无功充足后，将各智能配网自动化远方终端作为分布式控制终端结合馈线中的自动调压器灵活地控制电压，能显著地稳定电压幅值，具有较好的在线应用前景等优点。

Description

一种含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法

技术领域

本发明涉及配电网电压无功优化控制领域，尤其是涉及一种含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法。

背景技术

随着人们的节能环保和可持续发展意识日趋增强，分布式电源(DG)作为主要的清洁能源之一，其接入配电网的数目日趋增多。DG接入电网后由于其出力及用电负荷的波动性，将导致电压有较大波动。

国内外学者关于DG接入后配电网电压变化、配电网重构、有功无功优化、以及配电网电压控制方法等进行了大量研究，但大多是针对规划阶段，即都是针对负荷曲线的一段静态模型，来研究配电网无功补偿优化规划的，目前大多也没有对负荷的时变性和DG出力的波动性进行综合考虑。王旭强等提出的电压无功控制算法在DG渗透率较大时无法得到较好的控制效果。Malekpour A R,Liang R H等提出的根据前一天负荷情况的电压无功综合控制优化算法以及Niknam T提出的混沌改进蜜蜂交配优化算法控制均不适合用于动态模式。鉴于目前大量配网自动化远方终端(Remote Terminal Unit，RTU)已普遍应用于配电线路中，可考虑将其作为分布式控制终端结合馈线中的SVR进行调压，目前Elkhatib M E,Homaee O,Raghavendra P等也已进行了相关研究，但都未曾考虑到利用SVR进行调压必须保证电网无功充足的前提，否则有可能造成电网无功不足。

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能显著地稳定电压幅值的含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法，该方法根据负荷的时变性和分布式电源出力的波动性，通过实时检测的节点电压偏差与无功偏差的关系，得出自主优化控制组合策略，调整控制变量，达到最优控制方式，所述控制变量包括并联电容器组的最佳投切组数及分布式电源无功出力、各智能配网自动化远方终端的节点参数、最佳的变压器有载调压开关分接头和各馈线处自动调压器的分接头开关档位。

所述自主优化控制组合策略中，并联电容器组的最佳投切组数及分布式电源无功出力通过以下过程计算获得：

101)由线路中的电压损耗计算并联电容器组或分布式电源接入后线路中无功功率的变化：

其中，n为接入的并联电容器组和分布式电源的总数，X₁₁,X₂₂,X₃₃，…,X_nn称为各并联电容器之间的自电抗，其余称为相关并联电容器之间的互电抗，U_j、ΔU_j、ΔQ_j分别为接入编号为j的并联电容器组或分布式电源处节点的电压幅值、电压偏差和无功偏差；

将上式简写为：

ΔU＝X_U×ΔQ

得到节点电压偏差ΔU与无功偏差ΔQ的关系：

其中，J表示负荷节点注入无功功率对电压变化的灵敏度矩阵。可以由灵敏度矩阵分析确定系统中各节点功率变化与电压变化的关系，通过控制变量无功功率Q就可以调节电压U；

每个节点的无功增量：

102)分布式电源根据步骤1)中获得的ΔQ对应获得无功出力；

103)根据步骤1)中获得的ΔQ获得并联电容器组所需注入的无功功率，并确定每个并联电容器组所需投切的最佳投切组数step(j)：

式中，C_j表示第j个并联电容器组，step(j)为每个并联电容器组的投切组数，step₀(j)为起始投切级数，round为四舍五入函数，ΔQ_Cj为C_j对应节点处的无功增量，S_j为每组可投切功率。

所述自主优化控制组合策略中，各智能配网自动化远方终端的节点参数包括支路参数、负荷类型、负荷参数、系统运行电压水平、分布式电源参数、智能配网自动化远方终端参数、系统基准电压初值、系统基准功率初值、并联电容器组补偿位置以及自动调压器安装位置。

所述自主优化控制组合策略中，最佳的变压器有载调压开关分接头通过以下过程确定：

201)获取变压器在不同分接头位置下的状态估计残差；

202)建立一后验概率递推公式：

其中，为第k次递推分接头位置i的后验概率，为第k次递推时分接头位置i的先验概率，为相关残差矢量，C_i为残差所对应的方差矩阵，为似然函数值；

203)遍历获得似然函数值大于似然函数加权平均值的分接头位置，即为最佳的变压器有载调压开关分接头。

所述自主优化控制组合策略中，各馈线处自动调压器的分接头开关档位根据以下公式计算：

其中，tap₀、tapr分别为调节前的初始档位以及设置的开关档位，U_max,feeders、U_min,feeders为系统或自动调压器所在馈线的电压极值，同时满足以下不等式约束：

U_max,feeders-U_min,feeders＜U_max,perm-U_min,perm

式中，U_max,perm、U_min,perm分别为系统所允许的电压最大值与最小值。

与现有技术相比，本发明考虑了并联电容器组的投切方式，克服了通过负荷和DG出力的预测数据来进行投切控制的传统模式，具有以下优点：

1、本发明首先通过最广泛应用于实际中的并联电容器组进行无功补偿，再将配网自动化远方终端结合馈线中的自动调压器进行调压以达到减小节点电压波动，稳定电压幅值，优化电网运行状态的目的。

2、本发明由推导的负荷节点注入无功功率对电压变化的灵敏度矩阵，确定SCB的实时投切组数及DG无功出力，克服了以往的固定投切模式。

3、本发明利用SCB进行无功补偿保证无功充足后，将RTU作为分布式控制终端结合馈线中的SVR灵活地控制电压，能显著地稳定电压幅值，具有较好的在线应用前景。

附图说明

图1为本发明含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法的流程图；

图2为本发明电压无功优化控制系统图；

图3为本发明算例IEEE33节点系统图；

图4为本发明采用不同优化方法(包括电压无功优化控制方法)后各节点电压分布图；

图5为本发明采用电压无功优化控制方法后所需投切的电容器组数图。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法，该方法根据负荷的时变性和分布式电源出力的波动性，通过实时检测的节点电压偏差与无功偏差的关系，得出自主优化控制组合策略，调整控制变量，达到最优控制方式，所述控制变量包括并联电容器组的最佳投切组数及分布式电源无功出力、各智能配网自动化远方终端的节点参数、最佳的变压器有载调压开关分接头和各馈线处自动调压器的分接头开关档位。如图1-图2所示，该方法包括以下步骤：

1)获取待优化馈线系统的当前的系统参数，包括支路参数、负荷类型、负荷参数、系统运行电压水平、分布式电源参数(包括不同分布式电源的接入位置、类型、容量和参数)、智能配网自动化远方终端(RTU)参数(包括RTU的接入位置、容量与参数)、系统基准电压初值、系统基准功率初值、并联电容器组补偿位置以及自动调压器安装位置等。

2)依据步骤1)提供的系统参数，由运行于调度中心的SCADA(SupervisoryControl And Data Acquisition，即数据采集与监视控制系统)上位机对系统进行配网潮流计算。

3)根据配网潮流计算结果获取各智能配网自动化远方终端的节点参数，包括智能配网自动化远方终端所在节点的电压变化量、同一馈线上相邻节点的有功功率和无功功率及所在节点的电压极值。

通过以下公式计算智能配网自动化远方终端所在节点的电压变化量b：

其中，i表示第i个智能配网自动化远方终端，U_dif,i为每个智能配网自动化远方终端所在节点处的电压最大值U_max,i和最小值U_min,i之间的差值，即U_dif,i＝U_max,i-U_min,i。

每个安装有RTU节点电压的最大值和最小值均可由RTU自身计算得出，并且发送至上一个RTU作为其输入。计算步骤大致如下：线路最远SCB或DG处的RTU计算得该节点电压的最大值和最小值，然后发送相关数据给上一个RTU作为其输入，上一个RTU根据接收到的数据及自身测得的数据计算得自身节点处的节点电压极值，再发送相关数据给下一级，以此类推，直到处于控制中心的电压控制模块接收到各个RTU的节点电压极值，再由上位机控制程序计算出U_dif,i。

4)根据配网潮流计算结果计算各并联电容器组的最佳投切组数，计算公式如下：

其中，j为SCB的编号，C_j表示第j个SCB，step(j)为投切组数，step₀(j)为起始投切级数，round为四舍五入函数，ΔQ_Cj为节点的无功增量，S_j为每组可投切功率。

所述节点的无功增量ΔQ_Cj满足：

其中，ΔU、ΔQ分别为负荷节点电压和无功偏差列向量，i为节点编号，j为SCB的编号，J为负荷节点注入无功功率对电压变化的灵敏度矩阵。

所述的负荷节点注入无功功率对电压变化的灵敏度矩阵J的推导过程为：

当DG接入配电网系统时，将影响线路潮流和电压分布，导致节点电压升高。只考虑简单的DG接入2母线的配电系统时，母线1经配电线路到母线2，线路电压降可表示为

DG接入母线2处后，上式可改写为

配电网的结构区别于输电网，其支路参数X/R较小，所以上式中虚部可忽略。因此电压损耗为

ΔP,ΔQ分别为接入DG后线路上实际流过的无功和有功功率；电压损耗的幅值可表示为

在分析过程中，保持有功P不变，只考虑电压U和无功注入Q之间的增量关系时，上式可重写为

同理，当SCB安装点的负荷无功功率为ΔQ_C时，线路的无功潮流增量也为ΔQ_C，所以母线2的电压损耗为

当扩展到如图3所示的IEEE-33节点系统时，考虑在节点2处接入了DG₁，在节点9,15,26,30分别安装了并联电容器组C₂、C₃、C₄、C₅。安装了C₃的节点15的电压变化为

上式表示DG₁的无功出力为ΔQ_DG1，以及C₂、C₃、C₄、C₅分别补偿无功分量ΔQ_C2、ΔQ_C3、ΔQ_C4、ΔQ_C5后对节点15的电压变化影响。DG₁、C₂、C₃、C₄、C₅接入节点处的电压幅值分别为|U₁|、|U₂|、|U₃|、|U₄|、|U₅|。X₃₃称为C₃的自电抗，定义为变电站母线到电容器节点之间的线路电抗和。同样，X₃₁、X₃₂、X₃₄、X₃₅称为相关电容器之间的互电抗，定义为变电站母线到两个电容器之间所经过的共同的线路的电抗之和。所以，X₃₁、X₃₂、X₃₃、X₃₄、X₃₅的值分别为：

X₃₁＝x₁+x₂

X₃₂＝x₁+x₂+…+x₈+x₉

X₃₃＝x₁+x₂+x₃+…+x₁₄+x₁₅

X₃₄＝x₁+x₂+x₃+x₄+x₅

X₃₅＝x₁+x₂+x₃+x₄+x₅

其中，x_i表示母线节点i处的支路电抗。同理，C₁,C₂节点处的电压变化分别为

写成矩阵形式为

不失一般性，上式可拓展为

其中，n为投切的电容器组的编号，可简写为

ΔU＝X_U×ΔQ

从而可以由电压损耗ΔU计算无功功率的变化，由上式得节点电压偏差与无功偏差有如下关系

式中，ΔU、ΔQ分别为负荷节点电压和无功偏差列向量；J表示负荷节点注入无功功率对电压变化的灵敏度矩阵。可以由灵敏度矩阵分析确定系统中各节点功率变化与电压变化的关系，通过控制变量无功功率Q就可以调节电压U。

本实施例中，采用不同优化方法(包括电压无功优化控制方法)后各节点电压分布如图4所示，采用电压无功优化控制方法后所需投切的电容器组数如图5所示。

5)根据配网潮流计算结果确定最佳的变压器有载调压开关分接头(OLTC，On LoadTap Changer)，具体过程为：

501)获取变压器在不同分接头位置下的状态估计残差：

且状态估计的量测方程为

z＝h(x)+ε

式中：z∈R^m为节点电压幅值、节点注入有功和无功、支路有功和无功的量测矢量；x∈Rⁿ为包含电压幅值和相角的状态矢量；h(x)为状态矢量到量测量的非线性映射；为状态量的估计值；ε～N(0,R)为量测误差，为量测误差方差矩阵。

502)建立一后验概率递推公式：

其中，为第k次递推分接头位置i的后验概率，为第k次递推时分接头位置i的先验概率，为相关残差矢量，C_i为残差所对应的方差矩阵，为似然函数值。

503)遍历获得似然函数值大于似然函数加权平均值的分接头位置，即为最佳的变压器有载调压开关分接头，即可终止递推。

6)根据配网潮流计算结果计算各馈线处SVR的分接头开关档位，公式如下：

其中，tap₀、tapr分别为调节前的初始档位以及设置的开关档位，U_max,feeders、U_min,feeders为系统或SVR所在馈线的电压极值，同时满足以下不等式约束：

U_max,feeders-U_min,feeders＜U_max,perm-U_min,perm

式中，U_max,perm、U_min,perm分别为系统所允许的电压最大值与最小值。

7)根据步骤4)-步骤6)获得电压无功优化控制策略，即获得下一时刻的系统参数，从而根据下一时刻的系统参数控制变量，实行自主优化选择和投切控制，达到最优控制方式。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (2)

1.一种含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法，其特征在于，该方法根据负荷的时变性和分布式电源出力的波动性，通过实时检测的节点电压偏差与无功偏差的关系，得出自主优化控制组合策略，调整控制变量，达到最优控制方式，所述控制变量包括并联电容器组的最佳投切组数及分布式电源无功出力、各智能配网自动化远方终端的节点参数、最佳的变压器有载调压开关分接头和各馈线处自动调压器的分接头开关档位。

2.根据权利要求1所述的含多类型分布式电源的电压无功优化控制方法，其特征在于，所述自主优化控制组合策略中，并联电容器组的最佳投切组数及分布式电源无功出力通过以下过程计算获得：

101)由线路中的电压损耗计算并联电容器组或分布式电源接入后线路中无功功率的变化：

其中，n为接入的并联电容器组和分布式电源的总数，X₁₁,X₂₂,X₃₃，…,X_nn称为各并联电容器之间的自电抗，其余称为相关并联电容器之间的互电抗，U_j、ΔU_j、ΔQ_j分别为接入编号为j的并联电容器组或分布式电源处节点的电压幅值、电压偏差和无功偏差；

将上式简写为：

ΔU＝X_U×ΔQ

得到节点电压偏差ΔU与无功偏差ΔQ的关系：

$\mathrm{\Δ}Q=X_U^{-1}\×\mathrm{\Δ}U=J\×\mathrm{\Δ}U$

其中，J表示负荷节点注入无功功率对电压变化的灵敏度矩阵；

每个节点的无功增量：

${\mathrm{\ΔQ}}_{C_j}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}(J_{C_{ij}}\×{\mathrm{\ΔU}}_j),i=1,2,3...,n;$

102)分布式电源根据步骤1)中获得的ΔQ对应获得无功出力；

103)根据步骤1)中获得的ΔQ获得并联电容器组所需注入的无功功率，并确定每个并联电容器组所需投切的最佳投切组数step(j)：

$step\left(j\right)=step\left(j\right)+{\mathrm{step}}_0\left(j\right)=round\left(\frac{{\mathrm{\ΔQ}}_{Cj}}{S_j}\right)$

式中，C_j表示第j个并联电容器组，step(j)为每个并联电容器组的投切组数，step₀(j)为起始投切级数，round为四舍五入函数，ΔQ_Cj为C_j对应节点处的无功增量，S_j为每组可投切功率。