CN107230979B - 一种电网自动电压优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电网自动电压优化控制方法，该方法首先考虑在不调整离散无功资源期望值，开关类设备不动作情况仅调整连续无功资源进行三级电压控制，实现电网电压与经济运行等控制目标；若无可行解或网损率过大，则先将离散无功资源期望值连续化与连续无功资源一起进行三级电压控制；优化后固定离散无功资源期望值，对连续无功资源再进行三级电压控制；二次优化后得到各区域中枢母线电压期望值，再进行二级电压控制，最终得到各连续无功资源期望值。本发明实现了离散、连续无功资源统一协调优化控制，优先考虑调整连续无功资源，以达到自动电压控制和最优经济运行等目标，有效降低了开关类设备动作次数，且建立在传统AVC系统基础上，便于实施。

Description

一种电网自动电压优化控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统的电网自动电压控制(AVC)技术，具体涉及一种电网自动电压优化控制方法，在传统自动化电压控制(AVC)系统基础上的考虑降低开关类设备动作次数的离散、连续无功资源协调优化控制。

背景技术

自动电压控制(Automatic Voltage Control，AVC)系统是现代电网电压、无功控制的主要系统，通过对电网无功资源的自动调控，提高电网电压质量、降低网损，保证电网安全经济优质运行。现代电网无功电压资源包括电源侧的各类并网机组和电网侧的动态无功补偿设备、并联电容\电抗器、变压器分接头等。从控制特性上，可分为连续无功资源(并网机组和电网动态无功补偿设备)与离散无功资源(并联电容\电抗器和变压器变比)两大类。

早期的AVC系统只能单独对其中一类资源进行统一协调控制。随着电网规模的不断扩大，电网结构日益复杂，电网侧动态无功补偿设备(如SVC、SVG、STATCOM、调相机等)不断增加，要求新一代AVC系统能对全网无功资源开展统一控制。AVC系统面临离散、连续无功源协调优化控制问题。

从控制设备类型上，连续无功资源和离散无功资源也是不同的，连续无功资源的控制设备均为电子类设备，期望值调整对其损耗很小，调整次数对设备寿命的影响基本可忽略不计；离散无功资源的控制设备均为断路器、变压器分接头等开关类设备，期望值调整对其损耗较大，动作次数直接影响设备寿命。故，从设备使用成本考虑，应尽量减小离散无功资源期望值的调整次数。

传统AVC系统中目前最主流的控制模式为三级控制模式，即整个控制系统分为三个层次：三级、二级电压控制为各级电网调控中心主站集中控制，控制时间常数一般是分钟级；三级电压控制根据状态估计结果，按全网最优经济为目标，计算得到各区域中枢母线电压期望值；二级电压控制将电网分为若干区域，根据SCADA实时采样数据，按中枢母线电压实时值与期望值偏离最小为目标，计算得到各无功资源的状态期望值；一级电压控制为无功资源就地控制，控制无功或母线电压跟踪期望值。这种模式优点是控制层级清晰、优化目标明确、技术成熟，最大的不足是没有考虑对离散无功资源的控制。

传统AVC系统中对离散无功资源的控制一般依靠所在变电站九区图控制模式及地区电网类九区图控制模式，根据目标电压和无功的缺、盈，控制离散无功资源调整。当某个离散无功资源调整次数过多、过密时，闭锁相应的控制设备，以限制调整次数。这种模式优点是控制方法简单，最大的不足是优化效果较差，无减低网损的功能。

因此，亟需一种在传统自动化电压控制(AVC)基础上考虑降低开关类设备动作次数的离散、连续无功资源协调优化控制方法。现有涉及电网自动电压控制的方法不少，但没有考虑降低开关类设备动作次数的离散、连续无功资源协调优化方法。如申请号为201310111454.1的中国专利文献公开了一种基于AVC系统的无功电压优化方法及装置，采用原对偶内点法、分支界定法及电压校正控制模型法来处理离散、连续无功源协调优化控制问题，未考虑降低开关类设备动作次数；如申请号为201410057500.9的中国专利文献公开了一种地区电网AVC控制方法，考虑历史经验和未来变化趋势，闭锁调整过多的离散无功资源控制设备，限制单个离散无功资源期望值调整次数，未涉及离散、连续无功源协调控制，也未考虑减低网损等优化目标；如申请号为201510079849.7的中国专利文献公开了一种AVC系统的控制方法，将连续无功资源离散化后作为离散无功资源参与优化控制，未考虑降低开关类设备动作次数，也未发挥连续无功资源连续可调的特性优势。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种在传统自动化电压控制(AVC)系统基础上实现离散、连续无功源的协调优化控制，在满足电网电压、无功控制目标的基础上降低开关类设备动作次数、降低网损，实现电网最优经济运行的电网自动电压优化控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种电网自动电压优化控制方法，实施步骤包括：

1)获取电网实时状态数据和状态估计结果；

2)将全部离散无功资源按当前状态固定不变，进行第一次三级电压控制求解；所述全部离散无功资源包括并联电容、并联电抗以及有载调压变压器变比，当前状态包括投/切状态以及分接头位置；

3)若第一次三级电压控制有可行解，且第一次三级电压控制求解得到最优解一所对应的网损率小于预设门槛值，则跳转执行步骤4)，否则跳转执行步骤5)；

4)保持各离散无功资源的期望值不变，本计算周期内各离散无功资源状态不变，将最优解一中各区域的中枢母线电压值作为期望值，跳转执行步骤8)；

5)将全部离散无功资源的期望值连续化，与连续无功资源一起，进行第二次三级电压控制求解，跳转执行步骤6)；

6)第二次三级电压控制求解得到最优解二，将最优解二中离散无功资源的连续化的期望值取整，作为离散无功资源的期望值，本计算周期内各离散无功资源的状态将按期望值进行调整，跳转执行步骤7)；

7)确定离散无功资源的期望值后，再进行第三次三级电压控制求解，得到最优解三，将最优解三中各区域中枢母线电压值作为期望值，跳转执行步骤8)；

8)根据各区域的中枢母线电压期望值，进行二级电压控制求解，得到各连续无功资源的期望值。

优选地，步骤3)中网损率的计算函数表达式如式(1)所示；

lossrate＝(P_in-P_out)/P_in×100％ (1)

式(1)中，lossrate为网损率，P_in为电网各电源有功出力，P_out为电网总负荷。

优选地，步骤5)中将全部离散无功资源的期望值连续化时，并联电容的期望值连续化为[-Q_R，0]，其中Q_R为并联电容额定无功功率；并联电抗的期望值连续化为[0，Q_L]，其中Q_L为并联电抗额定无功功率；有载调压变压器变比的期望值连续化为[TR₁，TR₂]，其中TR₀、TR₁、TR₂分别为变压器分接头在当前位置、上调1档和下调1档对应的变比值，TR₁≥最小变比，TR₂≤最大变比。

优选地，步骤6)中将最优解二中离散无功资源的连续化的期望值取整时，对于并联电容，若其连续期望值Q_r的绝对值|Q_r|≥Q_R/2，取-Q_R为期望值，即该并联电容投，否则取0为期望值，即该并联电容切；对于并联电抗，若其连续期望值Q₁的绝对值|Q₁|≥Q_L/2，取Q_L为期望值，即该并联电抗投，否则取0为期望值，即该并联电抗切；对于有载调压变压器变比，若其连续期望值tr≥(TR₂+TR₀)/2，取TR₂为期望值，即变压器分接头上调1档，tr≤(TR₀+TR₁)/2，取TR₁为期望值，即变压器分接头下调1档，否则取TR₀为期望值，即变压器分接头档位不变。

优选地，步骤2)、步骤5)和步骤7)中的三级电压控制求解具体是指以全局网损最小为目标函数，以电网功率平衡、电压上下限、有功/无功出力上下限为边界条件，以连续量形式的无功资源期望值为控制变量，按照预设的在线优化算法，开展电网最优潮流计算，得到连续量形式的无功资源期望值。

优选地，步骤2)和步骤7)中的三级电压控制求解过程中连续量形式的无功资源期望值只包括连续无功资源期望值，步骤5)中的三级电压控制求解过程中连续量形式的无功资源期望值包括连续无功资源期望值和连续化的离散无功资源期望值。

优选地，所述预设的在线优化算法的数学模型如式(2)和(3)所示；

min f(x) (2)

式(2)和(3)中，x为作为控制变量的连续量形式的无功资源期望值；f(x)为目标函数，采用全局网损最小；g(x)为等式边界条件，采用电网有功/无功功率平衡；h(x)为不等式边界条件，h^min为母线电压下限、无功出力下限、h^max为母线电压上限、无功出力上限。

优选地，所述预设的在线优化算法采用原对偶内点法或牛顿拉夫逊方法。

优选地，步骤8)中进行二级电压控制求解具体是指：以母线电压实时值与期望值偏差量最小为控制目标，以各连续无功资源期望值本周期内可达到的上下限为边界条件，按各类型母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度，开展预设的母线电压优化控制方法，得到各连续无功资源的期望值；所述各类型母线电压包括中枢母线电压、关键母线电压、控制母线电压。

优选地，所述预设的母线电压优化控制方法的数学模型如式(4)和(5)所示；

式(4)和(5)中，V_p和V_p ^ref分别为中枢母线实时电压和目标电压，C_pg为中枢母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度系数矩阵，ΔQ_g为连续无功资源无功调整期望值，r和h为权重系数，θ为无功协调向量；Q_g、Q_g ^max、Q_g ^min分别为连续无功资源当前无功出力、无功上限和下限，V_c、V_c ^max、V_c ^min分别为关键母线当前电压、电压上限和下限，C_cg为关键母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度系数矩阵，C_vg为控制母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度系数矩阵，ΔV_H ^max为每次控制母线电压最大调节量。

本发明的电网自动电压优化控制方法具有下述优点：本发明首先考虑在不调整离散无功资源期望值，即开关类设备不动作情况，仅调整连续无功资源，进行第一次三级电压控制，实现电网电压与经济运行等控制目标；若无可行解或网损率过大，则先将离散无功资源期望值连续化，与连续无功资源一起，进行第二次三级电压控制；优化后，固定离散无功资源期望值，对连续无功资源再进行第三次三级电压控制；二次优化后，得到各区域中枢母线电压期望值，再进行二级电压控制，最终，得到各连续无功资源期望值。本发明实现了离散、连续无功资源统一协调优化控制；优先考虑调整连续无功资源，以达到自动电压控制和最优经济运行等目标，有效降低了开关类设备动作次数；控制方法建立在传统AVC系统基础上，无需增加新的系统与硬件，也没有改变传统AVC控制模式，便于实施。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例电网自动电压优化控制方法的实施步骤包括：

1)获取电网实时状态数据和状态估计结果；

2)将全部离散无功资源按当前状态固定不变，进行第一次三级电压控制求解；全部离散无功资源包括并联电容、并联电抗以及有载调压变压器变比，当前状态包括投/切状态以及分接头位置；

3)若第一次三级电压控制有可行解，且第一次三级电压控制求解得到最优解一所对应的网损率小于预设门槛值，则跳转执行步骤4)，否则跳转执行步骤5)；

4)保持各离散无功资源的期望值不变，本计算周期内各离散无功资源状态不变，将最优解一中各区域的中枢母线电压值作为期望值，跳转执行步骤8)；

5)将全部离散无功资源的期望值连续化，与连续无功资源一起，进行第二次三级电压控制求解，跳转执行步骤6)；

6)第二次三级电压控制求解得到最优解二，将最优解二中离散无功资源的连续化的期望值取整，作为离散无功资源的期望值，本计算周期内各离散无功资源的状态将按期望值进行调整，跳转执行步骤7)；

7)确定离散无功资源的期望值后，再进行第三次三级电压控制求解，得到最优解三，将最优解三中各区域中枢母线电压值作为期望值，跳转执行步骤8)；

8)根据各区域的中枢母线电压期望值，进行二级电压控制求解，得到各连续无功资源的期望值。

本实施例中，步骤3)中网损率的计算函数表达式如式(1)所示；

lossrate＝(P_in-P_out)/P_in×100％ (1)

式(1)中，lossrate为网损率，P_in为电网各电源有功出力，P_out为电网总负荷。网损率的预设门槛值可根据电网运行情况调整，一般设为5％。

本实施例中，步骤2)中的全部离散无功资源包括并联电容、并联电抗以及有载调压变压器变比，当前状态包括投/切状态以及分接头位置；步骤5)中将全部离散无功资源的期望值连续化时，并联电容的期望值连续化为[-Q_R，0]，其中Q_R为并联电容额定无功功率；并联电抗的期望值连续化为[0，Q_L]，其中Q_L为并联电抗额定无功功率；有载调压变压器变比的期望值连续化为[TR₁，TR₂]，其中TR₀、TR₁、TR₂分别为变压器分接头在当前位置、上调1档和下调1档对应的变比值，TR₁≥最小变比，TR₂≤最大变比。

本实施例中，步骤6)中将最优解二中离散无功资源的连续化的期望值取整时，对于并联电容，若其连续期望值Q_r的绝对值|Q_r|≥Q_R/2，取-Q_R为期望值，即该并联电容投，否则取0为期望值，即该并联电容切；对于并联电抗，若其连续期望值Q₁的绝对值|Q₁|≥Q_L/2，取Q_L为期望值，即该并联电抗投，否则取0为期望值，即该并联电抗切；对于有载调压变压器变比，若其连续期望值tr≥(TR₂+TR₀)/2，取TR₂为期望值，即变压器分接头上调1档，tr≤(TR₀+TR₁)/2，取TR₁为期望值，即变压器分接头下调1档，否则取TR₀为期望值，即变压器分接头档位不变。

本实施例中，步骤2)、步骤5)和步骤7)中的三级电压控制求解具体是指以全局网损最小为目标函数，以电网功率平衡、电压上下限、有功/无功出力上下限为边界条件，以连续量形式的无功资源期望值为控制变量，按照预设的在线优化算法，开展电网最优潮流计算，得到连续量形式的无功资源期望值。

本实施例中，步骤2)和步骤7)中的三级电压控制求解过程中连续量形式的无功资源期望值只包括连续无功资源期望值，步骤5)中的三级电压控制求解过程中连续量形式的无功资源期望值包括连续无功资源期望值和连续化的离散无功资源期望值。本实施例中，预设的在线优化算法的数学模型如式(2)和(3)所示；

min f(x) (2)

式(2)和(3)中，x为作为控制变量的连续量形式的无功资源期望值；f(x)为目标函数，采用全局网损最小；g(x)为等式边界条件，采用电网有功/无功功率平衡；h(x)为不等式边界条件，h^min为母线电压下限、无功出力下限、h^max为母线电压上限、无功出力上限。本实施例中，三级电压控制求解过程中预设的在线优化算法采用原对偶内点法或牛顿拉夫逊方法。

本实施例中，步骤8)中进行二级电压控制求解具体是指：以母线电压实时值与期望值偏差量最小为控制目标，以各连续无功资源期望值本周期内可达到的上下限为边界条件，按各类型母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度，开展预设的母线电压优化控制方法，得到各连续无功资源的期望值；各类型母线电压包括中枢母线电压、关键母线电压、控制母线电压。本实施例中，预设的母线电压优化控制方法的数学模型如式(4)和(5)所示；

式(4)和(5)中，V_p和V_p ^ref分别为中枢母线实时电压和目标电压，C_pg为中枢母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度系数矩阵，ΔQ_g为连续无功资源无功调整期望值，r和h为权重系数，θ为无功协调向量；Q_g、Q_g ^max、Q_g ^min分别为连续无功资源当前无功出力、无功上限和下限，V_c、V_c ^max、V_c ^min分别为关键母线当前电压、电压上限和下限，C_cg为关键母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度系数矩阵，C_vg为控制母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度系数矩阵，ΔV_H ^max为每次控制母线电压最大调节量。

综上所述，本实施例电网自动电压优化控制方法在传统自动化电压控制(AVC)系统基础上实现离散、连续无功源的协调优化控制，在满足电网电压、无功控制目标的基础上降低开关类设备动作次数、降低网损，实现电网最优经济运行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种电网自动电压优化控制方法，其特征在于实施步骤包括：

1)获取电网实时状态数据和状态估计结果；

2)将全部离散无功资源按当前状态固定不变，进行第一次三级电压控制求解；所述全部离散无功资源包括并联电容、并联电抗以及有载调压变压器变比，当前状态包括投/切状态以及分接头位置；

3)若第一次三级电压控制有可行解，且第一次三级电压控制求解得到最优解一所对应的网损率小于预设门槛值，则跳转执行步骤4)，否则跳转执行步骤5)；

4)保持各离散无功资源的期望值不变，本计算周期内各离散无功资源状态不变，将最优解一中各区域的中枢母线电压值作为期望值，跳转执行步骤8)；

5)将全部离散无功资源的期望值连续化，与连续无功资源一起，进行第二次三级电压控制求解，跳转执行步骤6)；

6)第二次三级电压控制求解得到最优解二，将最优解二中离散无功资源的连续化的期望值取整，作为离散无功资源的期望值，本计算周期内各离散无功资源的状态将按期望值进行调整，跳转执行步骤7)；

7)确定离散无功资源的期望值后，再进行第三次三级电压控制求解，得到最优解三，将最优解三中各区域中枢母线电压值作为期望值，跳转执行步骤8)；

8)根据各区域的中枢母线电压期望值，进行二级电压控制求解，得到各连续无功资源的期望值；

步骤5)中将全部离散无功资源的期望值连续化时，并联电容的期望值连续化为[-Q_R，0]，其中Q_R为并联电容额定无功功率；并联电抗的期望值连续化为[0，Q_L]，其中Q_L为并联电抗额定无功功率；有载调压变压器变比的期望值连续化为[TR₁，TR₂]，其中TR₀、TR₁、TR₂分别为变压器分接头在当前位置、上调1档和下调1档对应的变比值，TR₁≥最小变比，TR₂≤最大变比。

2.根据权利要求1所述的电网自动电压优化控制方法，其特征在于，步骤3)中网损率的计算函数表达式如式(1)所示；

lossrate＝(P_in-P_out)/P_in×100％ (1)

式(1)中，lossrate为网损率，P_in为电网各电源有功出力，P_out为电网总负荷。

3.根据权利要求1所述的电网自动电压优化控制方法，其特征在于，步骤6)中将最优解二中离散无功资源的连续化的期望值取整时，对于并联电容，若其连续期望值Q_r的绝对值|Q_r|≥Q_R/2，取-Q_R为期望值，即该并联电容投，否则取0为期望值，即该并联电容切；对于并联电抗，若其连续期望值Q₁的绝对值|Q₁|≥Q_L/2，取Q_L为期望值，即该并联电抗投，否则取0为期望值，即该并联电抗切；对于有载调压变压器变比，若其连续期望值tr≥(TR₂+TR₀)/2，取TR₂为期望值，即变压器分接头上调1档，tr≤(TR₀+TR₁)/2，取TR₁为期望值，即变压器分接头下调1档，否则取TR₀为期望值，即变压器分接头档位不变。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的电网自动电压优化控制方法，其特征在于，步骤2)、步骤5)和步骤7)中的三级电压控制求解具体是指以全局网损最小为目标函数，以电网功率平衡、电压上下限、有功/无功出力上下限为边界条件，以连续量形式的无功资源期望值为控制变量，按照预设的在线优化算法，开展电网最优潮流计算，得到连续量形式的无功资源期望值。

5.根据权利要求4所述的电网自动电压优化控制方法，其特征在于，步骤2)和步骤7)中的三级电压控制求解过程中连续量形式的无功资源期望值只包括连续无功资源期望值，步骤5)中的三级电压控制求解过程中连续量形式的无功资源期望值包括连续无功资源期望值和连续化的离散无功资源期望值。

6.根据权利要求4所述的电网自动电压优化控制方法，其特征在于，所述预设的在线优化算法的数学模型如式(2)和(3)所示；

min f(x) (2)

式(2)和(3)中，x为作为控制变量的连续量形式的无功资源期望值；f(x)为目标函数，采用全局网损最小；g(x)为等式边界条件，采用电网有功/无功功率平衡；h(x)为不等式边界条件，h^min为母线电压下限、无功出力下限、h^max为母线电压上限、无功出力上限。

7.根据权利要求4所述的电网自动电压优化控制方法，其特征在于，所述预设的在线优化算法采用原对偶内点法或牛顿拉夫逊方法。

8.根据权利要求1所述的电网自动电压优化控制方法，其特征在于，步骤8)中进行二级电压控制求解具体是指：以母线电压实时值与期望值偏差量最小为控制目标，以各连续无功资源期望值本周期内可达到的上下限为边界条件，按各类型母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度，开展预设的母线电压优化控制方法，得到各连续无功资源的期望值；所述各类型母线电压包括中枢母线电压、关键母线电压、控制母线电压。

9.根据权利要求8所述的电网自动电压优化控制方法，其特征在于，所述预设的母线电压优化控制方法的数学模型如式(4)和(5)所示；

式(4)和(5)中，V_p和V_p ^ref分别为中枢母线实时电压和目标电压，C_pg为中枢母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度系数矩阵，ΔQ_g为连续无功资源无功调整期望值，r和h为权重系数，θ为无功协调向量；Q_g、Q_g ^max、Q_g ^min分别为连续无功资源当前无功出力、无功上限和下限，V_c、V_c ^max、V_c ^min分别为关键母线当前电压、电压上限和下限，C_cg为关键母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度系数矩阵，C_vg为控制母线电压对各连续无功资源的无功的灵敏度系数矩阵，ΔV_H ^max为每次控制母线电压最大调节量。