CN107769218B

CN107769218B - 一种配电网无功电压的综合协调控制策略

Info

Publication number: CN107769218B
Application number: CN201711178583.7A
Authority: CN
Inventors: 谭瑾; 刘国峰; 王徐延; 马洲俊; 张昊亮; 徐同庆; 周科峰
Original assignee: State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd; Nanjing Power Supply Co of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Current assignee: Jiangsu Yuanneng Electric Power Engineering Co ltd; Nanjing Suyi Industrial Co ltd; Nanjing Power Supply Co of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Priority date: 2017-11-23
Filing date: 2017-11-23
Publication date: 2020-11-20
Anticipated expiration: 2037-11-23
Also published as: CN107769218A

Abstract

本发明涉及一种配电网无功电压的综合协调控制策略，属于配电网电压控制技术领域。该协调控制策略执行如下步骤，1）采集所述配电网的参数；2）建立所述配电网的等值网络；3）以步骤2的等值网络为基础计算所述配电网的电网电压偏移值；4）设置目标函数、约束条件；5）对所述目标函数和所述约束条件进行求解；6）采用分支定界法确定步骤5）中解或解集的整数解：7）根据步骤6）得到的整数解形成最终联调控制方案，并下达变压器档位和电容器组投切的控制命令。本发明基于考虑地区配电网设备的特点和通讯条件，以全局节点电压偏移度最小为目标进行优化，到了电网功率因数提高、网损下降的效果。

Description

一种配电网无功电压的综合协调控制策略

技术领域

本发明涉及一种配电网无功电压的综合协调控制策略，属于配电网电压控制技术领域。

背景技术

配电网运行状态受系统运行方式和负荷变化的影响较大，极易出现“高电压”和“低电压”问题。局部配电网由于长距离大半径供电，尤其是部分配电网负荷受工、企业生产时段和季节周期性变化等影响，在短时间特定时段负荷较重，频繁出现“低电压”问题，线路损耗较大；而在其它时间段里负荷较轻，容易出现“高电压”问题，导致变压器励磁电流激增、谐波分量增大、电压过高、网损增大等问题。特别在负荷大量集中在线路末端且无法进行配电网运行方式有效更改时，此情况更为突出。

常规线路无功补偿，主要针对线路供电半径长，且改造困难的沿海、山区，只需抬升末端电压即可解决问题。部分10千伏配电网，其线路负荷特点是工、企业与居民用电混合且无功缺额不稳定，负荷集中分布在线路后段。因此，线路上电压变化幅度大，甚至超过电压合格区间。虽然通过工程改造、用户侧投运无功补偿装置可以在一定程度上改善该情况，但存在费用高、现场施工及政处困难、对某线路某区域针对性不强、用户投入过大等问题。运行期措施是调节电网运行状态、改善电网无功电压状态最经济和最有效的手段，考虑全寿命周期下合理的运行期措施不但能优化电网运行状态，还能合理分配设备动作次数。配电网庞大复杂的规模决定了无法依靠人工调度的方式实施运行期措施。有的地区依靠自动无功补偿装置进行电容器组的自动投切，这是一种分散的调控方法，设备动作次数较多，易发故障，且动作策略是立足于局部电网的运行情况的，无法顾全到对全局的调节效果。

鉴于以上问题，急需一种合适的优化控制方法，以解决局部配电网中存在的以工、企业负荷为主且负荷集中分布在线路后段情况下突出的“高、低电压”问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提出一种具有集中调控和分层配合的配电网无功电压的综合协调控制策略。

本发明为了解决上述技术问题提出的技术方案是：一种配电网无功电压的综合协调控制策略，执行如下步骤，

1)采集所述配电网的主变压器二次侧电压、线路无功补偿点电压、配电变压器二次侧电压、用户电压；

2)建立所述配电网的等值网络，根据所述配电网络中的变压器电阻、变压器电抗、线路电阻、线路电抗、负荷功率以及无功补偿装置的无功容量建立所述配电网的等值网络；

3)以步骤2的等值网络为基础计算所述配电网的电网电压偏移值；

所述配电网的电网电压偏移度为所述配电网中各节点电压偏离期望值的均值，即

其中，N是节点数目，S_Vi为第i个节点的电压偏离期望值；

4)设置目标函数、潮流约束条件变压器档位约束条件和无功容量约束条件，所述目标函数为minf(x)＝minF_s，所述约束条件为

其中，P_Gi是第i个节点的发电机有功功率，P_Li是第i个节点的负荷有功功率，Q_Gi是第i个节点的发电机无功功率，Q_Li是第i个节点的负荷无功功率，V_i是第i个节点电压，V_j是第j个节点电压，G_ij是第i 个节点和第j个节点电导，B_ij是第i个节点和第j个节点电纳，θ_ij是第 i个节点和第j个节点相角，V_imin是第i个节点电压最小值，V_imax是第i 个节点电压最大值，I_imax是第i个节点的电流最大值，I_i是第i个节点的电流，k_i表示配电变压器的第i个分接头，k_imin表示第i个配电变压器的最小分接头，k_imax表示第i个配电变压器的最大分接头，Q_Cimin是所述配电网的无功补偿装置的投切容量最小值，Q_Ci是所述配电网的无功补偿装置的投切容量，Q_Cimax是所述配电网的无功补偿装置的投切容量最大值。

5)对所述目标函数和所述约束条件进行求解，具体如下，

A、k为迭代次数，让k＝0，设定最大迭代次数K_max＝100；

B、选择中心参数δ，令δ＝0.1；

C、设置计算精度的数值，取10^-6；

D、选取松弛变量l、u；

E、选取拉格朗日乘子y、z、w，y＝[10^-10,10^-10]；

F、计算Gap，Gap＝l^Tz-u^Tw，

其中，

l＝[l₁,l₂,l₃,l₄]^T，z＝[z₁,z₂,z₃,z₄]^T，

w＝[w₁,w₂,w₃,w₄]^T,u＝[u₁,u₂,u₃,u₄]^T，

l₁＝l₂＝l₃＝l₄＝1，z₁＝z₂＝z₃＝z₄＝1，

w₁＝w₂＝w₃＝w₄＝1，u₁＝u₂＝u₃＝u₄＝1；

G、判断Gap和计算精度的大小，若Gap小于计算精度值，输出所述变压器当前状态下的分接头档位和投切容量作为最优解；若Gap 大于或等于计算精度值，继续计算障碍因子μ，

r为不等式条件个数r＝4；

H、求解修正方程

其中，L是由(l₁，l₂，…l_r)组成的对角阵，U是由(u₁，u₂…u_r)组成的对角阵，Z是由(Z₁，Z₂…Z_r)组成的对角阵，W是由(W₁，W₂…W_r) 组成的对角阵；

其中，变量x，j＝1,2,3,4，h表示所述约束条件中的等式约束条件， g表示所述约束条件中的不等式约束条件，g_min为所述不等式约束条件最小的情况，g_max为所述不等式约束条件最大的情况；

其中，m为所述约束条件中等式约束条件的个数m＝2，n为变量中控制变量的个数n＝4，

I、计算步长，

其中，q＝1，2，3，4，z_q＝z_q-1+△z，l_q＝l_q-1+△l，u_q＝u_q-1+△u；

J、根据步骤H求解的结果更新变量x和拉格朗日乘子

K、判断k和最大迭代次数的关系，如果k小于最大迭代次数，则返回F，若k大于或等于所述最大迭代次数，则所述目标函数和所述约束条件无解；

6)采用分支定界法确定步骤5)中解或解集的整数解：

7)根据步骤6)得到的整数解形成最终联调控制方案，并下达变压器档位和电容器组投切的控制命令。

上述技术方案的改进是：步骤3)中的第i个节点的电压偏离期望值如下，

其中，V_i是第i个节点的电压；V_U1是节点电压的第一阀值上限、V_L1是是节点电压的第一阀值下限，V_U0是节点的第二阀值上限、V_L0是节点电压的第二阀值下限。

上述技术方案的改进是：所述步骤7)根据步骤6的优化结果，确定所述配电变压器优化的变量前与优化后的各个变量之间是否相同，若相同则保持该变量不变，若不同则对对应变量进行调整，从而形成联调控制方案。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：本发明采用上述技术方案的有益效果是：本发明基于考虑地区配电网设备的特点和通讯条件，通过主变压器二次侧电压、线路无功补偿点电压、配电变压器二次侧、用户电压，对于局部配电网中存在的以工、企业负荷为主且负荷集中分布在线路后段情况下突出的“高、低电压”问题，基于电压无功控制的原理，以全局节点电压偏移度最小为目标，对配电网运行参数进行优化，以高、中、低三层配电网的调节措施得到了电网功率因数提高、网损下降的效果，克服了传统分级调节所造成的无法达到全局最优的问题。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为配电网区域智能控制系统及装置。

图2为配电网中的线路变压器的等值电路图。

图3为无功电压控制等值电路。

图4为配电网等值电路图。

图5为原对偶内点法流程图。

图6为分枝定界法示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例的一种配电网无功电压的综合协调控制策略，执行如下步骤，

1)采集如图1所示的配电网的主变压器二次侧电压、线路无功补偿点电压、配电变压器二次侧电压、用户电压；

2)建立配电网的等值网络，根据配电网络中的变压器电阻、变压器电抗、线路电阻、线路电抗、负荷功率以及无功补偿装置的无功容量建立配电网的等值网络；

3)计算配电网的电网电压偏移值(以步骤2的等值网络为基础)；

配电网的电网电压偏移度为配电网中各节点电压偏离期望值的均值，即

其中，N是节点数目，S_Vi为第i个节点的电压偏离期望值；

其中的第i个节点的电压偏离期望值如下，

其中，V_i是第i个节点的电压；V_U1是节点电压的第一阀值上限、V_L1是是节点电压的第一阀值下限，V_U0是节点的第二阀值上限、V_L0是节点电压的第二阀值下限；

4)设置目标函数、潮流约束条件变压器档位约束条件和无功容量约束条件，目标函数为minf(x)＝minF_s，约束条件为

其中，P_Gi是第i个节点的发电机有功功率，P_Li是第i个节点的负荷有功功率，Q_Gi是第i个节点的发电机无功功率，Q_Li是第i个节点的负荷无功功率，V_i是第i个节点电压，V_j是第j个节点电压，G_ij是第i个节点和第j个节点电导，B_ij是第i个节点和第j个节点电纳，θ_ij是第i个节点和第j个节点相角，V_imin是第i个节点电压最小值，V_imax是第i个节点电压最大值，I_imax是第i个节点的电流最大值，I_i是第i个节点的电流，k_i表示配电变压器的第i个分接头，k_imin表示第i个配电变压器的最小分接头，k_imax表示第i个配电变压器的最大分接头，Q_Cimin是配电网的无功补偿装置的投切容量最小值，Q_Ci是配电网的无功补偿装置的投切容量，Q_Cimax是配电网的无功补偿装置的投切容量最大值。

5)对所述目标函数和所述约束条件进行求解，设置相关参数；

6)采用分支定界法确定步骤5)中解或解集的整数解：

7)根据步骤6)得到的整数解形成最终联调控制方案，并下达变压器档位和电容器组投切的控制命令，步骤7)根据步骤6的优化结果，确定配电变压器优化的变量前与优化后的各个变量之间是否相同，若相同则保持该变量不变，若不同则对对应变量进行调整，从而形成联调控制方案。

步骤1)面向用户电压的数据采集，具体包括：馈线首端的三相有功功率和无功功率、母线的三相电压、配电线路负荷电流、电压、功率因数、配变末端的三相有功功率、无功功率、电流、三相线电压和相电压，配变的档位(有载的和无载的)，补偿设备的开关位置，馈线联络开关位置、线路调压器档位、线路补偿电容器的开关位置等相关信息。

A、从SCADA系统、主网AVC系统获得馈线首端的三相有功功率和无功功率、母线的三相电压(线电压和相电压)、母联开关位置、馈线出线开关位置、相关的主网保护信息等。

B、由加装在线路负荷中心或线路末端的无功补偿装置采集后，通过GPRS通讯获得配电线路负荷电流、电压、功率因数等参数。

C、从配电网自动化、负控系统接口或者直接与装置通讯获得配变末端的三相有功功率、无功功率、电流、三相线电压和相电压，配变的档位(有载的和无载的)，补偿设备的开关位置，馈线联络开关位置、线路调压器档位、线路补偿电容器的开关位置，相关设备的保护信息。

D、从用采系统或电压监测系统获得低压用户的电压值。

步骤2)配电网等值网络的建立，线路和变压器的等值电路如图 2-4所示，其中R为元件等值电阻，jx为元件的等值电抗，输入功率 S₁公式为S₁＝P₁+jQ₁，输入功率S₂公式为S₂＝P₂+jQ₂。电压无功控制原理图，U_s是电力系统电压，U₀是变压器一次侧电压，U₁是变压器二次侧电压，U_L1是负荷i的电压，P_Li+jQ_Li是负荷功率，K是变压器变比，Q_c是电容器无功输出，R_T和X_T是变压器的等值电阻和电抗。通过获取配电网络的结构参数和运行参数，包括变压器电阻和电抗、线路的电阻和电抗、负荷功率、无功补偿装置的无功容量，就可以建立配电网的等值网络，从而更好的进行潮流计算。

步骤3)计算电网电压偏移度，根据国家标准进行设定10kV、35kV、 220V不同电压等级的上下限：

A、35kV及以上供电电压偏差的绝对值之和小于标称系统电压的 10％；

B、10kV及以下三相供电电压允许的偏差为标称系统电压的±7％；

C、220V单相供电电压允许偏差为标称系统电压的+7％、-10％；

根据不同变电站的功率因数要求设定无功的上下限，因为110kV 及以下变电站不能向电网倒送无功，取功率因数上限为0.98，功率因数下限是0.9。

步骤5)求解非线性方程，流程图如图5所示，设置迭代次数，确定计算精度，挑选拉格朗日乘子，初始化各个变量，步骤如下：

A、k为迭代次数，让k＝0，设定最大迭代次数K_max＝100；

B、选择中心参数δ，令δ＝0.1；

C、设置计算精度的数值，取10^-6；

D、选取松弛变量l、u；

E、选取拉格朗日乘子y、z、w，y＝[10^-10,10^-10]；

F、计算Gap，Gap＝l^Tz-u^Tw，

其中，

l＝[l₁,l₂,l₃,l₄]^T，z＝[z₁,z₂,z₃,z₄]^T，

w＝[w₁,w₂,w₃,w₄]^T,u＝[u₁,u₂,u₃,u₄]^T，

l₁＝l₂＝l₃＝l₄＝1，z₁＝z₂＝z₃＝z₄＝1，

w₁＝w₂＝w₃＝w₄＝1，u₁＝u₂＝u₃＝u₄＝1；

r为不等式条件个数r＝4；

H、求解修正方程

I、计算步长，

J、根据步骤H求解的结果更新变量x和拉格朗日乘子

K、判断k和最大迭代次数的关系，如果k小于最大迭代次数，则返回F，若k大于或等于所述最大迭代次数，则所述目标函数和所述约束条件无解。

所述步骤6)采用分支定界法确定整数解，因为控制策略要求最后的解必须是整数解，由于步骤5)中求解得到的解(解集)不一定是整数解，需要利用分支定界法确定整数解。

具体步骤包括：

1、假设整数规划问题为A，它的松弛问题为B，首先基于原对偶内点法对B求解。

2、如果B没有解，那么A也没有可行解，计算停止。

如果B存在最优解，那么检查该解是否符合整数条件，如果B的最优解符合整数条件，那该解就是A的最优解。否则，针对B，随机选择一个不符合整数条件的X_i进行分支处理，假设b_i是不小于x_i的整数，给B增加两个约束条件x_i≤b_i和x_i≥b_i+1，并将其视为两个问题：

问题1：minf(x)

约束函数为：h(x)＝0；g_min<g(x)<g_max；x_i≤b_i；

问题2：minf(x)

约束函数为：h(x)＝0；g_min<g(x)<g_max；x_i≥b_i+1

分支定界法如图6所示：

X是需要规整的变量，(以本专利为例，需要规整的变量就是变压器的分接头档位和投切容量)，首先利用该方法依次对图6中的左右两个分支求解，假如先计算左分支，如果能够得到最优解，则输出最优解，否则认定其所求解的支路无解，然后再计算右分支，得到的最优解就是最优解，然后回到上一层分支，对最优解进行保存，否则，继续返回上一层。

配电网中能够实现检测的节点就是主变二次侧、线路无功补偿点、配变二次侧、用户。控制变量是主变压器变比k₁，线路无功补偿容量 Q_c1，配电变压器变比k₂，线路无功补偿容量Q_c2，

x＝{θ₁,V₁,θ₂,V₂,θ₃,V₃,θ₄,V₄,k₁,k₂,Q_C1,Q_C1}

将表1中数据带入到本实施例的方法中进行优化，

表1优化前各变量数值

名称	数值
		主变压器二次侧电压	10kv
主变压器档位	2档
		主变压器功率因数	0.91
线路无功补偿点电压	9.4kV
		线路无功补偿功率因数	0.93
配电变压器二次侧电压	365V
		配变档位	6档
配变功率因数	0.86
		用户电压	188V

优化得到的调整方案：

配电变压器由6档调整到7档，无功补偿装置再投入20kvar无功容量，总投入无功容量为50kvar。线路方面无功补偿装置投入150kvar无功容量，总投入无功容量为450kvar。

表2各变量优化后数值

通过优化后的结果可以看出，配变功率因数得以提高，用户电压也从原来的188V升达到了205V，符合了标准(234.5V>用户电压>198V)，实现了减少了线损，优化电力网络的效果。

本方法中的赋予的初值可以根据实际情况进行调整，例如若需较快得到运算结果可以适当调整迭代次数以及计算精度或其他参数，除此之外还有其他合适的初值赋予方式，在此就不一一赘述。

本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims

1.一种配电网无功电压的综合协调控制策略，其特征在于执行如下步骤，

其中，N是节点数目，S_Vi为第i个节点的电压偏离期望值；

其中，P_Gi是第i个节点的发电机有功功率，P_Li是第i个节点的负荷有功功率，Q_Gi是第i个节点的发电机无功功率，Q_Li是第i个节点的负荷无功功率，V_i是第i个节点电压，V_j是第j个节点电压，G_ij是第i个节点和第j个节点电导，B_ij是第i个节点和第j个节点电纳，θ_ij是第i个节点和第j个节点相角，V_imin是第i个节点电压最小值，V_imax是第i个节点电压最大值，I_imax是第i个节点的电流最大值，I_i是第i个节点的电流，k_i表示配电变压器的第i个分接头，k_imin表示第i个配电变压器的最小分接头，k_imax表示第i个配电变压器的最大分接头，Q_Cimin是所述配电网的无功补偿装置的投切容量最小值，Q_Ci是所述配电网的无功补偿装置的投切容量，Q_Cimax是所述配电网的无功补偿装置的投切容量最大值；

5)对所述目标函数和所述约束条件进行求解，具体步骤如下，

A、k为迭代次数，让k＝0，设定最大迭代次数K_max＝100；

B、选择中心参数δ，令δ＝0.1；

C、设置计算精度的数值，取10^-6；

D、选取松弛变量l、u；

E、选取拉格朗日乘子y、z、w，y＝[10^-10,10^-10]；

F、计算Gap，Gap＝l^Tz-u^Tw，

其中，

l＝[l₁,l₂,l₃,l₄]^T，z＝[z₁,z₂,z₃,z₄]^T，

w＝[w₁,w₂,w₃,w₄]^T,u＝[u₁,u₂,u₃,u₄]^T，

l₁＝l₂＝l₃＝l₄＝1，z₁＝z₂＝z₃＝z₄＝1，

w₁＝w₂＝w₃＝w₄＝1，u₁＝u₂＝u₃＝u₄＝1；