CN107846025B - 用于调节电力系统电压的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电力系统，所述电力系统包括OLTC变压器，所述OLTC变压器包括相互感应耦合的多个一次和二次绕组。所述电力系统包括至少一个有载抽头变换器，所述至少一个有载抽头变换器耦连至所述一次和二次绕组的至少一个并可选择性配置以调节相互感应耦合的所述一次和二次绕组的一部分。所述电力系统还包括耦连至所述变压器并且位于其下游的多条母线。所述电力系统还包括至少一个处理器，所述至少一个处理器耦连至抽头变换器，并被配置成作为如基于通过每条母线传送的功率/电流的先验值估计的至少一条母线的估计电压值的函数，调节所述抽头变换器的电压带宽。所述先验值基本上基于通过所述有载抽头变换器的测量功率/电流传输。

Description

用于调节电力系统电压的系统和方法
技术领域
本发明大体上涉及电力系统领域，并且更具体地涉及包括带抽头变换器的变压器的电力分配系统和其操作方法。
背景技术
至少一些已知的电力系统包括被配置成通过使用有载抽头变换器调节电压的电力变压器。有载抽头变换(OLTC)变压器沿其绕组的至少一个有几个被称作“抽头”的连接点。对这些抽头位置中的每一个，选择特定的匝数。由于OLTC变压器的输出电压是由一次绕组与二次绕组的匝数比确定的，所以输出电压能够通过选择不同的抽头加以改变。要连接的抽头位置是由适当的控制器确定的，抽头选择通过有载抽头变换装置切换。由于涉及高压，并且在OLTC变压器处于负载下变换抽头，因此每次变换抽头时，产生电弧。电弧加速关联材料的恶化，由此往往降低抽头变换器机构的使用寿命。因此，通常期望尽可能不那么频繁地切换抽头。然而，在24小时时段上有几十次的抽头变换很平常，特别是在电力系统中可变和间歇性分布式发电(DG)和负载的比例越来越高。电力系统的操作员确定有载抽头变换的频率和数目之间的折衷，结果对抽头变换器造成磨损，在系统的一部分上的电压的质量由受影响的OLTC变压器维持。
许多已知的电力系统包括越来越多比例的分布式发电(DG)，诸如住宅屋顶上的光伏(PV)装置，以及连接至低压(LV)和中压(MV)电力网络和系统的负载，诸如电动车辆(EV)。因此，这些附加的DG和负载点显著地增大了由受影响的OLTC配电变压器维持的系统的一部分上的电压的可变性，由此提高了命令抽头变换的频率。在这些情况下，要被调节的临界电压(通常位于远程馈线末端)在空间上与位于馈线首端的OLTC偏离。由于非常大的成本，许多远程馈线末端并不包括电压、电流和功率测量仪器。因此，在远程馈线末端的电压通常是通过调节在馈线首端的OLTC处的电压来控制的。一些已知的配电系统已经确定，并且在许多情况下，在馈线的末端的电压调节的调节范围例如在确定的极限的+/-5％之内或在+/-10％之内。因此，在足够严格的带范围内调节在OLTC处的电压以有利于将馈线末端的电压保持在确定的参数内，其中，需要确定带范围的大小以在不需要在馈线末端的电压仪器的帮助下调节馈线末端的电压。
许多已知的OLTC控制系统不被配置成调节远程馈线电压，并且不对馈线两端的大量的DG和负载分布保持更低数目的抽头变换操作。例如，一些已知的OLTC控制系统实现了可变带宽，其中，在OLTC处的可允许电压带基于如由通过OLTC的测量功率流或电流指示的当前网络条件被连续地调节。然而，此方法假设在关联的馈线中测量的电流或功率流有最坏情况的电压下降和电压上升。例如，即便在午夜，假设最大的PV发电厂有最坏情况的电压上升。这些最坏情况的假设限制在OLTC处的可变电压带的范围，这可能导致为了促进将远程馈线末端的电压保持在设备参数的令人满意的裕度而不必要的抽头变换操作，即，一些已知的配电系统使馈线末端的电压的范围在确定的极限的+/-5％之内或+/-10％之内。
发明内容
在一方面，提供了一种电力系统。所述电力系统包括有载抽头变换(OLTC)变压器，所述有载抽头变换(OLTC)变压器包括多个一次绕组和多个二次绕组。所述一次绕组的至少一部分和所述二次绕组的至少一部分相互感应耦合。至少一个有载抽头变换器耦连至所述多个一次绕组和所述多个二次绕组的至少一个。所述至少一个有载抽头变换器可选择性配置，以调节相互感应耦合的所述一次绕组的所述至少一部分和所述二次绕组的所述至少一部分。所述电力系统还包括耦连至所述OLTC变压器的多条母线。所述多条母线位于所述OLTC变压器的下游。所述电力系统还包括耦连至所述至少一个有载抽头变换器的至少一个处理器。所述至少一个处理器被配置成作为如基于通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的先验值估计的所述多条母线的至少一条母线的估计电压值的函数，调节所述有载抽头变换器的电压带宽。功率和电流之一的先验值基本上基于通过所述有载抽头变换器的测量功率和测量电流传输之一。
进一步地，所述处理器还被配置成生成与以下的一个或多个关联的不确定性值：通过所述多条母线的所述每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值；以及所述多条母线的所述至少一条母线的估计电压值。
进一步地，所述处理器还被配置成对于所述先验值，生成所述多条母线的所述每条母线的以下之一：上功率参数和下功率参数；以及上电流参数和下电流参数。
进一步地，所述处理器还被配置成通过晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的所述每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值。
进一步地，所述处理器还被配置成通过所述晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的所述每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值的不确定性值。
进一步地，所述处理器还被配置成生成所述多条母线的所述每条母线的电压的估计值。
进一步地，所述处理器还被配置成至少部分地基于所述有载抽头变换器的调节电压带宽，生成用于所述至少一个有载抽头变换器的抽头位置命令。
进一步地，所述处理器还被配置成：生成所述多条母线的所述每条母线的第一电压估计值，其中，所述第一电压估计值基本上基于所述多条母线的所述每条母线的最坏情况的电压下降和电压上升的假设；生成所述多条母线的所述每条母线的第二电压估计值，其中，所述第二电压估计值是如基于所述先验值估计的所述多条母线的所述每条母线的估计电压值；以及将所述第一电压估计值与所述第二电压估计值进行比较。
在另一方面，提供了一种用于有载抽头变换(OLTC)变压器的抽头变换器。所述OLTC变压器包括多个一次绕组和多个二次绕组。所述OLTC变压器还包括多个抽头。所述多个抽头的每个抽头耦连至所述多个一次绕组和所述多个二次绕组的至少一个的不同部分。所述OLTC变压器耦连至所述OLTC变压器下游的多条母线。所述抽头变换器包括被配置成选择性接合所述多个抽头的一部分的抽头选择装置。所述抽头选择装置还包括耦连至所述抽头选择装置的驱动装置。所述抽头选择装置还包括耦连至所述驱动装置的至少一个处理器。所述至少一个处理器被配置成作为如基于通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的先验值估计的所述多条母线的至少一条母线的估计电压值的函数，调节所述有载抽头变换器的电压带宽。功率和电流之一的先验值基本上基于通过所述OLTC变压器的测量功率和测量电流传输之一。
进一步地，所述OLTC变压器包括多个一次绕组和多个二次绕组，所述OLTC变压器还包括多个抽头，所述多个抽头的每个抽头耦连至所述多个一次绕组和所述多个二次绕组的至少一个的不同部分，所述OLTC变压器耦连至所述OLTC变压器下游的多条母线，所述抽头变换器包括：抽头选择装置，所述抽头选择装置被配置成选择性接合所述多个抽头的一部分；驱动装置，所述驱动装置耦连至所述抽头选择装置；以及至少一个处理器，所述至少一个处理器耦连至所述驱动装置，所述至少一个处理器被配置成作为如基于通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的先验值估计的所述多条母线的至少一条母线的估计电压值的函数，调节所述有载抽头变换器的电压带宽，其中，功率和电流之一的所述先验值基本上基于通过所述OLTC变压器的测量功率和测量电流传输之一。
进一步地，所述处理器还被配置成生成与以下的一个或多个关联的不确定性值：通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值；以及所述多条母线的所述至少一条母线的估计电压值。
进一步地，所述处理器还被配置成对于所述先验值，生成所述多条母线的所述每条母线的以下之一：上功率参数和下功率参数；以及上电流参数和下电流参数。
进一步地，所述处理器还被配置成通过晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值。
进一步地，所述处理器还被配置成通过所述晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值的不确定性值。
进一步地，所述处理器还被配置成生成所述多条母线的每条母线的电压的估计值。
进一步地，所述处理器还被配置成至少部分地基于所述有载抽头变换器的调节电压带宽，生成用于所述抽头变换器的抽头位置命令。
进一步地，所述处理器还被配置成：生成所述多条母线的每条母线的第一电压估计值，其中，所述第一电压估计值基本上基于所述多条母线的每条母线的最坏情况的电压下降和电压上升的假设；生成所述多条母线的每条母线的第二电压估计值，其中，所述第二电压估计值是如基于所述先验值估计的所述多条母线的每条母线的估计电压值；以及将所述第一电压估计值与所述第二电压估计值进行比较。
在另一方面，提供了一种调节配电系统的至少一部分上的电压的方法。所述配电系统包括至少一个有载抽头变换(OLTC)变压器，所述OLTC变压器包括多个一次绕组和多个二次绕组。所述配电系统还包括抽头变换器，所述抽头变换器被配置成调节所述多个一次绕组和所述多个二次绕组之间的感应耦合。所述抽头变换器包括至少一个处理器。所述OLTC变压器耦连至所述OLTC变压器下游的多条母线。所述方法包括测量通过所述OLTC变压器传送的电功率流和电流流之一；并测量邻近所述二次绕组的电压。所述方法还包括通过所述至少一个处理器，作为如基于通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的先验值估计的所述多条母线的至少一条母线的估计电压值的函数，调节所述抽头变换器的电压带宽。功率和电流之一的先验值基本上基于通过所述OLTC变压器的测量功率和测量电流传输之一。
进一步地，还包括通过所述至少一个处理器，生成与通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的计算值关联的不确定性值。
进一步地，还包括通过所述至少一个处理器，对于所述先验值，生成所述多条母线的每条母线的以下之一：上功率参数和下功率参数；以及上电流参数和下电流参数。
进一步地，还包括通过所述至少一个处理器，通过晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值。
进一步地，还包括通过所述至少一个处理器，通过所述晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值的不确定性值。
进一步地，还包括通过所述至少一个处理器生成所述多条母线的每条母线的电压的估计值。
进一步地，还包括通过所述至少一个处理器，至少部分地基于所述抽头变换器的调节电压带宽，生成用于所述抽头变换器的抽头位置命令。
进一步地，还包括：通过所述至少一个处理器，生成所述多条母线的每条母线的第一电压估计值，其中，所述第一电压估计值基本上基于所述多条母线的每条母线的最坏情况的电压下降和电压上升的假设；通过所述至少一个处理器，生成所述多条母线的每条母线的第二电压估计值，其中，所述第二电压估计值是如基于所述先验值估计的所述多条母线的每条母线的所述估计电压值；以及将所述第一电压估计值与所述第二电压估计值进行比较。
附图说明
当参照附图阅读以下详细描述时，会更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，附图中相同的字符在所有图中代表相同的零件，其中：
图1为示例性计算装置的框图；
图2为可以包括图1所示的计算装置的示例性监测和控制系统的一部分的框图；
图3为既包括示例性输电网络又包括带分布式发电(DG)的示例性电力分配系统的示例性电力网络的一般示意图；
图4为图3所示的电力分配系统在区域4截取的一部分的分解示意图；
图5为可以与图3和4所示的电力分配系统一起使用的示例性抽头变换器装置的示意图；
图6为可以与图2所示的监测和控制系统一起使用的示例性系统状态估计系统的框图；
图7为可以在图3和4所示的电力分配系统中的处于第一配置的示例性的多个配电母线的示意图；
图8为对于图7所示的多个配电母线，先验母线电流和关联的不确定性值的示例性图形表示，用于确定先验母线电流和关联的不确定性值；以及
图9为可以用于图7所示的多个配电母线的晴天曲线和多云夏天的测量光伏(PV)分布的示例性图形表示，用于确定先验母线电流和关联的不确定性值。
除非另外指出，否则本文中提供的图旨在图示本公开的实施例的特征。这些特征被认为适用于包括本公开的一个或多个实施例的宽范围的系统。因此，附图不旨在包括本领域技术人员实践本文中公开的实施例所需的所有已知常规特征。
具体实施方式
在下文的说明书和权利要求中，将提到许多术语，这些术语将定义为具有以下含义。
单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述(the)”包括复数引用，除非上下文明确有其它指示。
“可选的”或“可选地”意味着随后描述的事件或情况可能出现或者可能不出现，并且该描述包括事件出现的情况和事件不出现的情况。
如本发明在说明书和权利要求中使用的近似性措词可以被应用以修饰可允许改变但不会导致与其有关的基本功能的变化的任何定量表示。因此，由一个或一些术语，诸如“大约”、“近似”和“基本上”修饰的值不局限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似性措词可以对应于用于测量该值的仪器的精度。这里以及在说明书和权利要求中，范围限制可以被组合和/或互换，这些范围被标识出并包括包含于其中的所有子范围，除非上下文或措词指示为其它。
如本文中使用的术语“处理器”和“计算机”以及相关术语例如“处理装置”、“计算装置”和“控制器”不局限于在本领域称作计算机的那些集成电路，而是广义地指微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器(PLC)和专用集成电路和其它可编程电路，并且这些术语在本文中可互换使用。在本文中描述的实施例中，存储器可以包括但不限于计算机可读介质，诸如随机存取存储器(RAM)；计算机可读非易失性介质，诸如闪存。替代性地，也可以使用软盘、光盘只读存储器(CD-ROM)、磁光盘(MOD)和/或数字通用盘(DVD)。同样，在本文中描述的实施例中，附加输入通道可以是但不限于与操作员接口关联的计算机外围设备，诸如鼠标和键盘。替代性地，也可以使用其它计算机外围设备，这可以包括例如但不限于扫描仪。而且，在示例性实施例中，附加输出通道可以包括但不限于操作员接口监视器。
而且，如本文中使用的术语“软件”和“固件”是可互换的，包括在存储器中的由个人计算机、工作站、客户端和服务器执行的任何计算机程序存储。
如本文中使用的术语“非瞬态计算机可读介质”旨在代表以短期和长期存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块和子模块或任何装置中的其它数据)的任何技术方法实现的任何有形的基于计算机的装置。因此，本文中描述的方法可以被编码为以有形的非瞬态计算机可读介质(包括但不限于存储装置和/或存储器装置)体现的可执行指令。这些指令在由处理器执行时使处理器执行本文中描述的方法的至少一部分。而且，如本文中使用的术语“非瞬态计算机可读介质”包括所有的有形、计算机可读介质，包括但不限于非瞬态计算机存储装置，包括但不限于易失性和非易失性介质，可移动和不可移动介质，诸如固件、物理和虚拟存储，CD-ROM，DVD和任何其它数字资源，诸如网络或互联网，以及待开发的数字手段，唯一例外是瞬态的传播信号。
而且，如本发明中使用的术语“实时”指以下的至少一个：关联事件的出现时间，预定数据的测量和采集时间，处理数据的时间以及对事件和环境的系统响应时间。在本文中描述的实施例中，这些活动和事件基本上瞬间发生。
此外，如本发明中使用的术语“可允许电压范围”和“可允许电压带”在本文中可互换使用，并且广义上指那些电压带/范围，即与电力分配系统内的有载抽头变换器(OLTC)关联的带宽，以调节一个或多个馈线临界母线并且固有地在变压器和临界母线之间的母线上的电压。同样，如本发明中使用的术语“确定的电压极限”广义上指与电力分配系统中的任何母线关联的那些电压带/范围和参数，其中，这些带、范围和参数通常基于规定要求，电力系统操作员偏好和设备额定值的一个或多个。因此，临界母线的确定的电压极限至少部分地定义在OLTC处的可允许电压带宽。
如本发明中描述的用于嵌入电力分配系统内的有载抽头变换(OLTC)变压器中的抽头变换器的控制方案的实施例克服了已知控制系统的许多缺陷，并提供用于调节此配电系统上的电压的成本有效的方法。具体地，本发明中描述的实施例取代具有可变带宽的已知控制方案，在已知控制方案中，基于如由通过抽头变换器的测量功率流或电流传输指示的当前网络条件，连续地调节在OLTC变压器处的可允许电压带，其中这种已知的方案假设对于在OLTC变压器处的每个相应的测量电流或功率流的值，在关联的馈线中有最坏情况的电压下降和电压上升。这导致不必要的抽头变换操作。更具体地，使用附加信息实现对目前的网络状态的更加现实和准确的近似。使用诸如实际负载信息、每天时间数据以及太阳晴天数据之类的信息，生成电网中目前的负载需求和发电的先验值。此先验值具有不确定性，这种不确定性也被计算。通过使用上文描述的信息，抑制与先验值关联的这些不确定性。基于这些先验值、关联的不确定性以及在OLTC处的测量电流/功率，估计网络中每条母线的电流，并基于这些估计电流和这些估计母线电流的不确定性(即协方差)，估计具有关联的估计电压不确定性的网络中每条母线处的电压，包括推断临界电压。先验电流的不确定性越小，母线电压估计的不确定性越小。使用这些电压估计值和其不确定性计算在抽头变换器处的可允许电压带。此估计方法可以获得对普遍网络状态的更加准确的评估，而不是像基本可变带宽方法中那样总是假设有最坏情况。对通过馈线系统以及因此通过抽头变换器的功率/电流流的更加准确的估计有利于放宽限制。这又会加宽在OLTC变压器处的可允许电压范围，带来更少的抽头变换操作。
因此，本发明中描述的实施例在相对于大多数已知的抽头变换器控制系统减少抽头变换的同时，动态地和适应性调节电压，由此不管由于负载和分布式发电(DG)的快速变化造成的可变电力条件如何，都有利于对变压器下游的馈线的平滑和稳定的电压控制。减小抽头变换的次数有利于延长抽头变换器的使用寿命，提高对配电网络上的电压的调节。
图1是示例性计算装置105的框图，可以用来执行电力分配系统的监测和/或控制，更具体是与配电变压器关联的抽头变换器装置(图1中均未示出)。同样，在示例性实施例中，计算装置105监测和/或控制与电力分配系统关联的任何一件设备、任何系统和任何过程，例如但不限于电压调节器、分布式发电(DG)的至少一部分和监测装置(图1中均未示出)。计算装置105包括存储装置110和可操作地耦连至存储装置110用于执行指令的处理器115。在一些实施例中，可执行指令存储在存储装置110中。计算装置105可配置成通过对处理器115编程来执行本文中描述的一个或多个操作。例如，可以通过将操作编码为一个或多个可执行指令并在存储装置110中提供此可执行指令，来对处理器115编程。在示例性实施例中，存储装置110是能够存储和检索信息(诸如可执行指令和/或其它数据)的一个或多个装置。存储装置110可以包括一个或多个计算机可读介质。
存储装置110可以被配置成存储操作测量值，包括但不限于实时和历史变压器(高侧和低侧)和馈线电压值、抽头变换和/或任何其它类型的数据。同样，存储装置110包括但不限于充足的数据、算法和命令以促进监测和控制在关联的电力分配系统内的部件。
在一些实施例中，计算装置105包括耦连至处理器115的呈现接口120。呈现接口120给用户125呈现信息，诸如用户界面和/或报警。在一些实施例中，呈现接口120包括一个或多个显示装置。在一些实施例中，呈现接口120诸如通过使用人机接口(HMI)(图1中未示出)呈现与被监测和控制的电力分配系统关联的报警。同样，在一些实施例中，计算装置105包括用户输入接口130。在示例性实施例中，用户输入接口130耦连至处理器115，并接收来自用户125的输入。
通信接口135耦连至处理器115，并被配置成与一个或多个其它装置(诸如传感器或另一计算装置105)通信地耦连，并且在作为输入通道执行时，关于这些装置执行输入和输出操作。通信接口135可以从和/或向一个或多个远程装置接收数据和/或传送数据。例如，一个计算装置105的通信接口135可以将报警传送至另一计算装置105的通信接口135。
在示例性实施例中，用本地控制装置即本地化计算装置105执行变压器的抽头变换器(图1中均未示出)的控制。替代性地，此抽头变换器的控制作为更大更复杂的系统的一部分执行，如下文进一步讨论的。
图2是监测和控制系统即监测控制和数据采集(SCADA)系统200的一部分的框图，该系统可以用来监测和控制电力分配系统500的至少一部分。如本发明中使用的术语“SCADA系统”指可以监测和控制在多个站点、远程站点和远距离上的电力分配系统500的任何控制和监测系统。SCADA系统200包括被配置成执行监测和控制算法以及监测和控制逻辑的至少一个中央处理单元(CPU)215。CPU 215可以经由通信网络225耦连至其它装置220。在一些实施例中，CPU 215是计算装置105。在其它实施例中，CPU 215是控制器。
CPU 215与第一操作员230相接，例如不局限于经由用户输入接口130和/或呈现接口120。在一个实施例中，CPU 215给操作员230呈现关于电力分配系统500的信息，诸如报警。其它装置220与第二操作员235相接，例如不局限于经由用户输入接口130和/或呈现接口120。例如，其它装置220给第二操作员235呈现报警和/或其它操作信息。如本发明中使用的术语“操作员”包括以与操作和维护电力分配系统500关联的任何能力的任何人，包括但不限于切换操作人员、维修技师和电力调度设备主管。
电力分配系统500包括通过至少一个输入通道245耦连至CPU215的一个或多个监测传感器240。监测传感器240采集操作测量值，包括但不限于在电力分配系统500内生成并通过其传送的AC电压和电流。监测传感器240重复地例如周期性地、连续地和/或经请求传送在测量时间的运行测量读数。CPU 215接收并处理运行测量读数。在一个实施例中，这些数据可以在网络225上传送，并且可以由能够访问网络225的任何装置访问，这些装置包括但不限于桌面计算机、膝上型计算机和个人数字助理(PDA)(均未示出)。
尽管图2描绘了替代性实施例，但图2描绘的一些部件可以与单独的计算装置105(图1中示出)一起使用，例如但不限于监测传感器240。因此，计算装置105包括但不限于充足的数据、算法和命令以独立地促进对如本文中描述的电力分配系统500的电压控制，由此使得不需要SCADA系统200和通信网络225。
图3是示例性电力网络300的一般示意图。一般来说，电力网络300通常包括耦连至示例性电力分配系统500的发电和输电部分400。发电和输电部分400包括生成并向输电网403传送电力的多个发电厂402，输电网403包括超高压输电网404和高压输电网406，通过它们功率被传送至电力分配系统500。在示例性实施例中，超高压电网404包括大于大约265千伏(kV)的电压，高压输电网406包括介于大约110kV和大约265kV之间的电压。替代性地，超高压电网404和高压输电网406具有使能够操作如本发明中描述的电力分配系统500的任何电压。一些电力客户，诸如耗电量大的工厂，例如但不限于工厂408耦连至高压输电网406。电力网络300可以包括但不限于任何数目、类型和配置的电厂402、超高压输电网404、高压输电网406、工厂408和电力分配系统500。
同样，在示例性实施例中，电力分配系统500包括低功率消费者502和工业中功率消费者504。电力分配系统500还包括分布式发电(DG)506。DG 506包括但不限于城市电厂508、太阳能场510和风场512。尽管示出的电力分配系统500具有示例性数目和类型的分布式发电机506，但电力分配系统500可以包括任何数目和类型的分布式发电机506，包括但不限于各柴油发电机、微型涡轮机、太阳能采集器阵列、太阳能光伏(PV)阵列和风力涡轮机。
图4是在区域4截取的电力分配系统500(图3中示出)的使用计算装置105(图1中示出)的一部分的分解示意图。用任意单位的距离标记y-轴520和x-轴522。电力分配系统500包括低压馈线母线524，本发明中称作馈线524的首端。馈线524的首端耦连至多个馈线分段526。馈线分段526中的多个包括一个或多个配电母线(图4中未示出)，配电母线包括均配置了各种规模的多个负载528和太阳能PV阵列530。用较大直径的圆示出较大的负载528和PV阵列530。负载528在0.1千瓦(kW)和20kW之间变化。太阳能PV阵列530在3kW和85kW之间变化。替代性地，负载528和太阳能PV阵列530具有使能够操作如本文中描述的电力分配系统500的额定值的任何组合。在一个实施例中，至少一个电压互感器(PT)532可以耦连至馈线末端534，以在引起大部分的电压降之后测量馈线电压。PT 532测量馈线末端534的电压，并传送代表该电压的信号。仪器，诸如PT 532通常在馈线末端诸如馈线末端534不可用。电力分配系统500还可以包括电压调节器、电容器组、形式为柴油发电机的分布式发电机和通常与配电系统一起使用的其它装置(未示出)。
电力分配系统500还包括至少一个中压至低压(MV/LV)配电变压器550，其耦连至中压母线552(例如但不限于20kV)和馈线524的首端。在示例性实施例中，变压器550额定为630千伏安(kVA)。替代性地，变压器550具有使能够操作如本发明中描述的电力分配系统500的任何额定值。同样，在示例性实施例中，变压器550是带抽头变换器装置(图4中未示出，但在下文进一步描述)的OLTC变压器。PT 551耦连至邻近变压器550的中压母线552以测量母线552上的电压，并将代表母线552上的电压的信号传送至计算装置105(图1中示出)和SCADA系统200中的至少一个。类似地，PT 553耦连至邻近变压器550的馈线524的首端，以测量馈线524的首端上的电压，并将代表馈线524的首端上的电压的信号传送至计算装置105(图1中示出)和SCADA系统200中的至少一个。在至少一些实施例中，使用PT测量邻近抽头变换器的电压。
图5是可以与电力分配系统500(图3和4中示出)和计算装置105(图1中示出)一起使用的示例性有载抽头变换器600的示意图。在示例性实施例中，抽头变换器600是具有先通后断(make-before-break)接触器配置的旋转抽头选择器箱内类型(in-tank type)。替代性地，抽头变换器600是使能够操作如本发明中描述的电力分配系统500的任何类型的抽头变换器。OLTC配电变压器550包括通过抽头变换器600耦连至中压母线552的多个中压，即一次绕组554。OLTC配电变压器550还包括耦连至馈线524的首端的多个低压，即二次绕组556。在示例性实施例中，抽头变换器600物理耦连至一次绕组554。替代性地，抽头变换器600物理耦连至二次绕组556。
电力可以通过变压器550在双方向传送。具体地，当由负载528(图4中示出)汲取的功率大于变压器550下游的运行的DG(例如太阳能PV阵列530(图4中示出)、发电厂508、太阳能场510和风力场512(在图4中示出所有三个)和任何柴油发电机和微型涡轮机(均未示出))的总和的功率生成时，电力从一次绕组554传送至二次绕组556。在这些条件下，电力从一次绕组554流向二次绕组556，即如用前向箭头558所示的从高压输电网406流入电力分配系统500中，并且可以称作前向功率流或正向功率流。相反，如果变压器550的下游的DG正生成比由变压器550下游的负载528消费的更多的功率，则电力传输反向，电力从二次绕组556流向一次绕组554，即如用反向箭头560所示的从电力分配系统500流入高压输电网406中。这种情况可以称作反向功率流或负功率流。
抽头变换器600包括旋转抽头选择器602，旋转抽头选择器602包括第一或外接触部分604和第二或内接触部分606，两者均通过多个导管608耦连至中压母线552。绕组554通过导管609耦连至中压母线552。旋转抽头选择器602包括多个径向外凹槽610和被配置成与径向外凹槽610耦连的第一凹槽选择器臂612。径向外凹槽610配置有奇数1至15，该奇数1至15与在绕组554的增加部分耦连至一次绕组554的各部分的多个奇数编号的OLTC变压器抽头1至15对应。旋转抽头选择器602还包括多个径向内凹槽614和被配置成与径向内凹槽614耦连的第二凹槽选择器臂616。径向内凹槽614配置有偶数2至16，该偶数2至16与在绕组554的增加部分耦连至一次绕组554的各部分的多个偶数编号的OLTC变压器抽头2至16对应。
奇数编号的OLTC变压器抽头1至15和偶数编号的OLTC变压器抽头2至16限定多个OLTC变压器抽头618。
通过选择抽头1至16以提供一次绕组554的数目与二次绕组556的数目的预定比率，多个OLTC变压器抽头618的抽头1至16的选择调节一次绕组554和二次绕组556之间的感应耦合。绕组的这个比率促进预定的一次与二次电压比。在图6所示的示例中，匝数比随着从1至16增大抽头数而增大。匝数和电压的关系表示为：
VIN/VOUT＝T1/T2， 方程(1)
其中，VIN代表入口电压，即一次绕组554上的高压，VOUT代表出口电压，即二次绕组556上的低压，T1代表与一次绕组554关联的绕组匝数的数目，T2代表与二次绕组556关联的绕组匝数的数目。
抽头变换器600还包括耦连至抽头选择臂622的电动机620，电动机620被配置成选择性将第一凹槽选择器臂612和第二凹槽选择器臂616中的每一个分别移动到预定的奇数凹槽610和偶数凹槽614。抽头变换器600还包括与电动机620结合操作以选择16个抽头中的哪一个处于运行的至少一个开关624，例如但不限于转换开关。抽头变换器600还包括附加设备，例如但不限于过渡/限制电阻器。计算装置105耦连至电动机620和开关624，以如下文进一步描述地操作抽头变换器600。
操作中，选择多个OLTC变压器抽头618的1至16之一以提供一次绕组554与二次绕组556的第一预定比率。第一凹槽选择器臂612被定位到奇数编号为1至15的径向外凹槽610之一，第二凹槽选择器臂616被定位到偶数编号为2至16的径向内凹槽614之一。然而，在任意的一个时刻，开关624只选择第一凹槽选择器臂612和第二凹槽选择器臂616之一。因此，通过操作电动机620和抽头选择臂622，即当前与运行中的抽头不关联的臂612或616，来自计算装置105的命令选择性重新定位第一凹槽选择器臂612和第二凹槽选择器臂616之一。对于下次移动只有数目相邻的抽头可以选择，例如第一凹槽选择器臂612可以从凹槽1移动到凹槽3，但不从凹槽1到凹槽5或者不从凹槽1到凹槽15。一旦选择期望的抽头凹槽，计算装置105操作开关624以将之前未选择的凹槽选择器臂612或616选择为在新的抽头位置，然后以先通后断的方式将之前选择的臂612和616取消选择，由此建立一次绕组554与二次绕组556的第二预定比率。
图6是示例性系统状态估计系统700的框图，其可以与用来监测和控制电力分配系统500(图5中示出)的至少一部分的监测和控制系统即SCADA系统200(图2中示出)一起使用。在示例性实施例中，使用驻存在系统状态估计系统700的实现中的数学估计技术诸如但不限于卡尔曼滤波器702，估计OLTC变压器550(图4和5中示出)下游的电网电压。替代性地，使用使能够操作如本文中描述的系统状态估计系统700的数学估计技术。在系统状态估计系统700中实现的估计方法是如在卡尔曼滤波器702的线性估计器中实现的具有恒定电流(或功率)公式(formulation)的线性负载流问题。
系统状态估计系统700还包括输入模块704，输入模块704包括多个输入通道。输入模块704包括第一输入通道706，第一输入通道706接收实时测量值，诸如使用作为仪器套件的一部分的电流测量和电压测量装置(未示出)，包括监测传感器240(图2中示出)测量的邻近OLTC变压器550的二次绕组556(图5中示出)的电流(或功率)和电压测量值。此实时的变压器电流和电压测量值便于确定通过OLTC变压器550的电力传输的幅值和方向。
输入模块704还包括第二输入通道708，第二输入通道708接收来自许多个来源的先验信息，包括但不限于在OLTC变压器550下游的每条母线的平均母线电流作为通过变压器550的测量电流的函数的假设。如本文中使用的术语“先验(a priori)”指关于或指示、推理从理论推导以及从纯经验观察或经验生成的信息和数据的那些值。同样，此先验来源包括与每天时间有关的因素，例如每条母线上的估计负载值和/或历史记录负载值，至少部分地代表作为每天时间的函数在每条母线上的假定实时PV发电的晴天太阳能发电曲线(将在下文进一步讨论)。而且，这种先验来源包括关于负载消耗，即平均负载功耗的假定。
输入模块704还包括第三输入通道710，第三输入通道710接收电力分配系统500内的过程噪声的协方差数据(Q)，其中，协方差Q模拟给定母线中的电流将从一个区间步长变化到另一区间步长的可能性以促进不确定性评估。输入模块704还包括第四输入通道712，第四输入通道712接收观察到的变量的协方差数据(R)以模拟这些观察到的变量的不确定性，包括但不限于从来自SCADA系统200的OLTC变压器550处的电压和电流的实时测量值预期的噪声。协方差数据(R)还包括关于在OLTC变压器550下游的电力分配系统500内的个别母线电流的值采集的先验信息的不确定性。
系统状态估计系统700还包括输出模块714，输出模块714包括多个输出通道。输出模块714包括第一输出通道716，第一输出通道716将估计出的系统状态条件即被考虑的每个关联母线的估计母线电流传送至处理器，例如计算装置105(图5中示出)，其中，电流估计值被转换成每条母线的电压估计值。在示例性实施例中，使用在关联的馈线末端的临界电压的估计值生成抽头变换器600的命令。输出模块714还包括第二输出通道718，第二输出通道718传送母线电压的剩余不确定性。该值是电力分配系统500的关联部分的特定导纳即阻抗的倒数的函数，先验电流的不确定性越小，临界电压估计的不确定性越小。
图7是电力分配系统500中的处于第一配置的示例性多个配电母线的示意图。图8是多个配电母线(图7中示出)的先验母线电流和关联的不确定性值的示例性图形表示，用于确定先验母线电流和关联的不确定性值。提供图7和图8以便于描述用来确定先验母线电流和电压并提供两个相对简单的示例的逻辑和算法的推导。
如上面描述的，电力分配系统500包括耦连至中压母线552(有时称作松驰节点)和馈线524的首端的OLTC配电变压器550。在示例性实施例中，PT 551耦连至邻近变压器550的中压母线552，以测量母线552上的电压，并将代表母线552上的参考电压(vref)的信号传送至SCADA系统200(图2中示出)的至少一个计算装置105(图1中示出)。电流互感器(CT)730耦连至中压母线552以测量母线552上的电流，并将代表变压器550的一次侧上的电流的信号i1(t)传送至计算装置105。假设参考电压vref基本上是恒定的，松驰节点电流i1(t)随变压器550下游的负载和DG发电变化。在示例性实施例中，假设DG发电基本上是PV发电。
同样，在示例性实施例中，电力分配系统500包括耦连至包括多个配电母线的馈线分段526的馈线524的首端，多个配电母线包括配置有各种规模的多个负载528和太阳能PV阵列530。在示例性实施例中，有五条配电母线，即母线2、母线3、母线4、母线5和母线6。中压母线552即松驰节点552被认为是母线1。只示出母线2和母线3带负载528，只示出母线6带太阳能PV阵列530。具体地，母线2包括负载734，母线2能够吸收最多0.01千安(kA)的电流，母线3包括负载736，并且母线3能够吸收最多0.08kA的电流，母线6包括太阳能PV阵列738，其中，PV发电机738能够产生最多-0.03kA的电流值。在母线4和5上没有任何负载或DG。
而且，在示例性实施例中，PT 553耦连至邻近变压器550的馈线524的首端，以测量馈线524的首端上的电压，并将代表馈线524的首端上的电压的信号vTC(t)传送至计算装置105。电流互感器(CT)732耦连至邻近变压器550的馈线524的首端，以测量馈线524的首端上的电流，并将代表变压器550的二次侧上的电流的信号iTC(t)传送至计算装置105。在馈线524的首端下游基本上没有任何电压和电流测量仪表。因此，使用下文描述的方法分别确定即推断在第i个母线的电压和电流，即vi(t)和ii(t)。
第i个母线的电压和电流，即vi(t)和ii(t))是分别使用下面描述的方法、逻辑和算法确定即推断出的。在时间t的复电压值vU代表未知电压值v2(t)、v3(t)、...vN(t)的N-1x 1矩阵，其中，N是被考虑的母线的最大母线数的数字标识符，并且其中，在示例性实施例中，此值是6，代表在馈线末端534的母线6(图7中示出)。在N-1x 1向量中采集未知电压值：
中压母线552即在抽头变换变压器550的一次侧上的松驰节点552被认为是母线1。其电压是恒定和已知的，并称作参考电压vref，并且其写成：
vC＝vref. 方程(3)
在变压器550的二次侧上的电压等于母线2上的电压，因此由以下给出：
vTC(t)＝v2(t). 方程(4)
通过对所有母线电流求和，即通过以下求出通过变压器550传送的电流：
根据欧姆定律，在各母线和变压器550处的电压和电流之间的关系可以写成：
其中，iU(t)＝i1(t)，即，松驰节点552上的电流。Y.，.矩阵代表网络的不同元件之间的阻抗矩阵。块矩阵yU，C具有1×1的大小，并且用小写字母标示，用于强调其是标量。块矩阵和/>分别具有N-1×1和1×N-1的大小。这些变量用粗体小写字母y标示，用于强调其是向量。向量被认为是列方式的。使用转置符号代表作为行向量的列向量/>
对于增强的抽头变换器操作，网络中当前普遍的电压电平只用在提供的变压器550处的电压和电流测量值确定。因此，我们对vu和iC之间的关系感兴趣，其中，求解vu以便确定用于调节的临界电压。从方程(3)和(6)，并假设YC，U是可逆的：
vU(t)＝BiC(t)+Avref，其中 方程(7)
B＝(YC，U)-1，以及 方程(8)
因此，从方程(5)至(9)获得以下方程系：
其中，l是其元素均为1的适当大小的向量，在变压器550处的测量电压是：
vTC＝vU1＝v2. 方程(11)
以下控制方法使用采样区间为Δt的离散时间控制器，例如CPU215和计算装置105(均在图2中示出)。第k个采样区间定义为：
[t0+kΔt，t0+(k+1)Δt)]， 方程(12)
其中，t0是采样开始的时刻。给定连续时间变量x(t)，x(t)的采样形式用x(t)表示，即对于所有k，x(k)＝x(t0+kΔt)。
在每个区间k，选择适当的抽头位置，使得网络中每条母线的电压被界定在规定限制内。临界母线定义为有从馈线首端起的最大电压上升或下降的那条母线，其中，超过电压参数的最大电势是存在的，即可能出现确定的电压极限的电势违背，例如电压超限。如上文中描述的，对临界母线的确定的电压极限至少部分地定义在OLTC处的可允许电压范围/带。
在运行时，即在t＝t0之后，控制器测量vTC(k)和iTC(k)的值，但没有关于在不同母线即母线3-6处的电压值或电流值的任何信息。不过，为了用抽头选择器602(图5中示出)选择正确的抽头位置，需要关于所有母线电压即vU(k)或至少临界母线电压的信息。方程(10)系通过一组线性方程，将vTC(k)和iTC(k)与vU(k)关联。原理上，此系统很适合拉尔曼滤波器方法。不过，在各母线处的电流的值不能只基于vTC(k)和iTC(k)从方程(10)唯一地导出，原因是方程(10)系是由N个线性方程表征的，其中，有两个已知变量。因此，当N大于3时，此信息不足以唯一地找出母线的电流(或电压)的值。
为了克服系统的完整可观测性的缺少，先验电流的值的不确定性能够通过使用利用最大和最小母线电流值的信息降低。例如，母线电流的极限可以设置成最大和最小可允许电流值，以基于所连接的负载和发电机组的物理极限确定每条母线的可能电流范围。因此，使用关于母线电流的物理限制来构建先验电流。此先验电流用以下信息生成：母线电流的实际值会达到确定的可能范围内，并且先验信息是通过概率测量表示的，即更具体地，由于卡尔曼滤波器702(图6中示出)生成高斯分布。假如有高斯分布，先验电流设置在确定的可能范围的中点。从可能的电流范围的宽度导出关于此先验值的不确定性。
使用由卡尔曼滤波器702使用的方程(13)的第一动态方程(下文所示的虚线上面)模拟计算出的母线电流，测量值w(k)对测量的变量的突然变化是由于母线上的电流的突然变化或者由于测量值(w(k))的大的误差造成的可能性加权。重写方程(10)，加入先验电流(i0(k))，并考虑与真实的和推导出的测量值(v(k))有关的不确定性，推导第二方程系(13)(下文所示的虚线下面)：
其中，I是单位矩阵，并且其中：
其中，单位矩阵I在虚线框中示出。向量w(k)和v(k)分别代表假定从具有零平均值和协方差矩阵Q(k)和R(k)的高斯分布得出的独立过程噪声(均在图6中示出)。向量i0(k)代表母线电流的值的先验信息。此向量的值能够基于使用附加信息，像每天时间离线计算出(下面进一步讨论)。
向量w(k)的协方差即Q(k)模拟给定母线中的电流将从一个步长k变成另一步长的可能性。向量v(k)的协方差即R(k)模拟关于变量vTC(k)、iTC(k)和i0(k)的不确定性。v(k)的前两个元素代表我们从vTC(k)和iTC(k)的实际测量值预期的噪声的量。v(k)的其它元素模拟先验值i0(k)的预期准确性(下面进一步讨论)。
随着先验电流值作为“虚拟”或“假”测量变量的加入，由方程(13)描述的系统现在是可观察的，滤波器诸如卡尔曼滤波器702可以用来估计每条母线处的电流。因此，作为输出，卡尔曼滤波器702将产生所有母线电流的估计值以及关联的协方差或不确定性。
假定协方差为P(k)的估计母线电流值在每条母线处的电压能够如以下估计：
并且每个电压估计值的不确定性由以下给出：
其中，B由方程(8)定义，A由方程(9)定义。
由方程(16)中的描述的并如通过第二输出通道718确定的电压估计的不确定性代表在已经测量变压器550处的电流并且已经完成步长k的估计之后，母线电压的剩余不确定性。母线电压因此还有母线电压的剩余不确定性是网络的特定导纳的函数。这意味着假如先验电流有相同的不确定性，则在不同的电网上可以得到母线电压的不同的不确定性。作为估计的母线电流和网络导纳的函数，得到母线电压(参见方程(15))。因此，先验电流的不确定性越小，估计的不确定性越小。
如上面描述的，先验电流的可能值由每条母线的上极限和下极限界定。这些极限可由最大和最小允许电流或者使用物理和气候限制给出(均在下面进一步描述)。i C(k)代表iC(k)的下边界，代表上边界。在每个区间k，以下成立：
先验电流向量的值定义为两个限制向量之间的平均值，即：
方程(17)意味着母线电流的有界均匀分布。但是，卡尔曼滤波器方法固有地假定无界高斯分布。因此，由方程(18)给出的电流向量被定义为高斯分布的平均值，协方差矩阵R(k)代表先验电流向量周围的不确定性区间。此不确定性区间由iC(k)的下边界即i C(k)和指示iC(k)的上边界的限定。为达到此效应，第i个母线电流经受由以下定义的不确定性：
其中，Ri+1，i+1(k)代表协方差矩阵R的对角元素。因数将母线电流的有界均匀分布与无界高斯分布相关联。更具体地，如以下给出的，假设Xσ对应于不确定性区间的一半：/>
X的可能值是2或3，不过也可以使用其它因数。与X＝3相比，X＝2的值导致更宽的高斯曲线，更类似均匀分布。而且，在后一种情况中比在前一种情况中，iC的值更可能接近极限即接近和i C。因此，在此将使用X＝2的值。而且，非对角元素可以包括于矩阵R中，用于对母线中的电流间的相关性建模。能够对PV电流进行此操作，例如为了简洁，可以假设相关性为1。相关性为1暗示由相互邻近的PV板生成的功率遵循相同模式。独立于特定的配电网络，先验电流的不确定性的降低通常产生在母线处的估计电压的不确定性的降低。通过考虑对电流的物理限制和在运行时收集的附加信息降低先验电流的不确定性的方法在下面进一步讨论。
如上面描述的，图8是多个配电母线即母线2、3和6(图7中示出)的先验母线电流和关联的不确定性值的示例性图形表示，用于确定先验母线电流和关联的不确定性值。同样，如上面描述的，先验电流向量的区间可以基于由在不同母线处的负载或装机PV容量强加的物理限制限定，或者由允许特定电流流的网络的物理限制限定。此外，母线2至6处的电流的不确定性还可以基于在变压器550处测量的值加以限制。
在第一示例中，电流iTC(k)是确定性的，不受噪声的影响。在此第一示例中，并且参照图7，负载734和736分别安装在母线2和母线3上。PV发电机738耦连至母线6。负载由正电流值表征，PV发电由负电流值表征。在此示例中，i2(k)≥0，i3(k)≥0，i4(k)＝0，i5(k)＝0和i6(k)≤0。母线2上的负载能够吸收最多0.01千安(kA)的电流，母线3上的负载能够吸收最多0.08kA的电流。PV发电机738能够产生最多-0.03kA的电流值。在变压器550处的测量实时电流iTC(k)是-0.03kA。由于对电流的约束，电流的唯一可允许组合是i1(k)＝0，i2(k)＝0，i6(k)＝-0.03kA。此导出的电流振荡是唯一的，关于估计电流没有任何不确定性。
图8包括第一图形802，第一图形802代表作为在变压器550处的测量电流的函数的推断母线电流。图形802包括y-轴804，y-轴804代表如由系统状态估计系统700推断出的先验电流向量其从-0.04kA以0.02kA的增加延伸至0.08kA。图形802还包括x-轴806，x-轴806代表在变压器550处的测量电流iTC(k)，其从-0.04kA以0.02kA的增加延伸至0.1kA。图形802还包括母线2的曲线808、母线3的曲线810和母线6的曲线812。母线4和5具有0kA的定义电流值，并不具有曲线。
图8还包括第二图形822，第二图形822代表作为在变压器550处的测量电流的函数的推断母线电流的推断不确定性。图形822包括y-轴824，y-轴824代表如由系统状态估计系统700推断出的先验电流向量(图形802中示出)的不确定性R(k)。y-轴824从0kA以0.005kA的增加延伸至0.04kA。图形822还包括x-轴826，x-轴826代表在变压器550处的测量电流iTC(k)，其从-0.04kA以0.02kA的增加延伸至0.1kA。x-轴826与x-轴806线性对应。图形822还包括母线2的曲线828，母线3的曲线830和母线6的曲线832。母线4和5具有0kA的定义电流值，不具有曲线。图形802和822还包括虚线836和838，其分别代表在变压器550处的测量实时电流iTC(k)为-0.03kA。曲线808、810和812分别指示i1(k)＝0，i2(k)＝0，i6(k)＝-0.03kA，曲线828、830和832指示不确定性为0。因此，推断为-0.03kA的母线6的电流值被用作实时“虚拟”或“假”的等效测量电流，以基于已知的系统导纳通过线性计算类似地推断母线6上的关联临界电压，然后使用该实时推断临界电压作为输入以确定适当的抽头位置。
在第二示例中，与第一示例类似，电流iTC(k)是确定性的，不受噪声的影响。在此第二示例中，并再次参照图7，只在母线2和母线3上安装负载。PV发电机738耦连至母线6。负载由正电流值表征，PV发电由负电流值表征。在此示例中，i2(k)≥0，i3(k)≥0，i4(k)＝0，i5(k)＝0和i6(k)≤0。母线2上的负载能够吸收最多0.01 kA的电流，母线3上的负载能够吸收最多0.08kA的电流。PV发电机738能够产生最多-0.03kA的电流值。在变压器550处的测量实时电流iTC(k)是0.04kA。在此情况下，尽管显然母线3正在消耗一些电流，不过，电流消耗的精确值是未知的，但由于存在至少一些电流消耗，所以i3(k)的可允许值的范围比原始区间[0(kA)，0.08(kA)]更小。
假如给出在变压器550处的测量实时电流的特定值，确定每条母线的最小和最大可能的电流值。此问题用公式表示为两个单独的线性优化问题。母线j处的最小电流写成：
类似地，母线i处的最大允许电流可以写成：
此优化例程产生依从于iTC的i C和将此代入方程(18)和(19)产生/>和协方差矩阵R。对网络产生的作为iTC的函数的先验值/>和其关联的不确定性在图8中分别由虚线846和848示出。对于此第二示例，为0.04kA的测量iTC导致对于母线2、3和6的先验电流/>分别为大约0.005kA、0.05kA和-0.015kA。同样，对于此第二示例，这些电流与不同权重(即对于母线2、3和6分别为0.01kA、0.04kA和0.03kA)的不确定性关联。因此，对于为0.04kA的测量iTC，母线3的电流可以在/>加/减相应不确定性的一半的范围内，即0.05kA±[(0.04kA)/2]。因此，例如对于母线3和为0.04kA的测量iTC，iTC依从性的引入导致先验电流的可能的区间大小从无iTC依从性的[0kA，0.08kA]降低到有iTC依从性的[0.03kA，0.07kA]。因此，包括母线估计值的不确定性的降低的电流区间与已知的系统导纳结合，促进用于控制OLTC变压器550的相对更宽的电压带宽，这又带来更少的抽头变换操作。
图7和8中描述的示例在上文描述作为通过母线2至6中的每一个传送的电流计算值的函数限定可允许电压范围，即负载抽头变换器变压器550的带宽。替代性地，作为通过母线2至6中的每一个传送的功率计算值的函数，调节负载抽头变换器变压器550的可允许电压范围。
图9是可以用于多个配电母线即母线2至6(图7中示出)的晴天曲线952和多云夏天的测量PV分布954的示例性图形表示950，用于确定先验母线电流和关联的不确定性值。图形950包括y-轴956，y-轴956代表每个机组的PV功率(pu)，其从0.0pu以0.1pu增加延伸至1.0pu。图形950还包括x-轴958，x-轴958代表单位为小时的时间，其在一天24小时内从00:00(当地子夜)以3小时增加延伸至00:00(当地子夜)。
对于此示例，使用如在图9中描绘的在夏天的多云天气的PV分布954。尽管通过引入iTC依从性，限制先验不确定性，但由于阳光的变化在一整天中估计的不确定性是相当大的。具体地，对于PV板，诸如太阳能PV阵列738，可以进一步限制先验不确定性。例如，在只有PV发电机连接至特定母线时并且在此情况下已知电流总是从PV发电机流出，在夜晚PV发电的值会是0，每天的最大产出将由装机PV容量并且由太阳位置限制。此信息对该母线的电流产生时变边界，这能够用来更好地找出协方差矩阵R的合适值和i0(k)的预期值。
通常，基于所称的晴天曲线和PV板的最大额定值，能够确定每条母线电流(或功率)的相应时变界限。均假设这些信息元素是已知的并且不受不确定性的影响。晴天曲线限制PV电厂的发电能力。可以作为其地理位置、倾向、PV功率额定值及其它的函数，得到所有PV电厂一年的每一天的该曲线。因此，除了iTC依从性之外，引入第三时间依从维度。此晴天曲线952与多云夏天的PV分布954相比较的一个示例示于图9中。曲线954中示出的生成的PV功率通常在由晴天曲线952给出的限制以下。
由晴天曲线952引入的时间依从性将基本上改变方程(21)和(22)中的值。在夏天，在辐射达到最高值的白天，以及在太阳位置在最高点的正午，最大PV发电是可能的。在此时，曲线将正好与图8所示的曲线相同。不过，实际中，这些曲线在一天的每个时刻以及一年的每一天是不同的。
在晴天的正午前后，连接至母线6的PV电厂的先验电流和关联的不确定性的时间和依从iTC的先验电流(未示出)表明按照图9中描绘的晴天曲线952几乎最大的PV发电是可能的。而且，PV电厂的先验电流的区间大小还被进一步降低。此效应在早晨和夜晚期间是特别明显的。例如，参照图7，当在凌晨4:00测量电流iTC＝0.04时，先验PV电流是0kA，不存在任何的不确定性。得出只依从iTC的先验电流区间为大约[0kA，0.03kA]，其中，为大约-0.015kA的先验电流(参照图8)与近似0.03kA的不确定性关联。因此，先验电流的区间大小从0.03kA降低到零。相比之下，在正午时间期间的此时间依从性的效应表明估计值的不确定性不会降低得很大。预期有此效应，原因是在白天的这个时间期间PV发电会接近其最大值，使得具有时间依从性的先验信息非常类似于只依从iTC的先验电流。不过，如上文描述的，在清晨和夜晚期间，先验值的不确定性因此还有估计值的不确定性被大大降低。
在一些实施例中，系统状态估计系统700还被配置成对母线2至6中的每一个生成第一电压估计值。这些第一电压估计值基本上基于通过OLTC变压器550的测量电流传输。此外，这些第一电压估计值假设在OLTC变压器550处的每个测量电流或功率流有最坏情况，并且基于在关联的馈线中有最坏情况的电压下降和电压上升的假设。例如，即便在午夜，假设有最大的PV发电站的最坏情况的电压上升。这些最坏情况的假设限制在OLTC变压器550处的可允许电压带宽的范围，这可能导致不必要的抽头变换操作，以有利于将在远程馈线末端即临界母线的电压保持在设备参数和/或规定要求的令人满意的裕度。相比之下，系统状态估计系统700还被配置成也基于通过OLTC变压器550的测量电流传输以及使用例如但不限于卡尔曼滤波器的随机滤波技术，生成母线2至6中每一个的第二电压估计值。
系统状态估计系统700还被配置成将第一电压估计值与第二电压估计值进行比较。如果第二电压估计值提供对母线2至6中每一个的电压的更乐观的估计，则在OLTC变压器550处的可允许电压带宽的极限比使用最坏情况的假设时的极限更宽，由此减少不必要的抽头变换操作的次数。替代性地，如果第二电压估计值提供对母线2至6中每一个的较不乐观的估计，即第二电压估计值比基于最坏情况假设的第一电压估计值更坏，则生成的在OLTC变压器550处的可允许电压带宽的极限要与第一电压估计值即最坏情况一致。
如本文中描述的用于嵌入电力分配系统内的负载抽头变换(OLTC)变压器中的抽头变换器的上述控制方案克服了已知控制系统的许多缺陷，并提供用于调节此配电系统上的电压的成本有效的方法。具体地，本文中描述的实施例取代具有可变带宽的已知控制方案，在已知控制方案中，基于如由通过抽头变换器的测量功率流或电流传输指示的当前网络条件，连续地调节在OLTC变压器处的可允许电压带，其中这种已知的方案假设对于在OLTC变压器处的每个相应的测量电流或功率流的值，在关联的馈线中有最坏情况的电压下降和电压上升。这导致不必要的抽头变换操作。更具体地，使用附加信息实现对目前的网络状态的更加现实和准确的近似。使用诸如实际负载信息、每天时间数据以及太阳晴天数据之类的信息，生成电网中目前的负载需求和发电的先验值。此先验值具有不确定性，这种不确定性也被计算。通过使用上文描述的信息，抑制与先验值关联的这些不确定性。基于这些先验值和关联的不确定性以及通过OLTC的测量电流或功率流，估计网络中每条母线的电流，并基于这些估计电流和这些估计母线电流的不确定性(即协方差)，估计具有关联的估计电压不确定性的网络中每条母线处的电压，包括推断在馈线末端的临界电压。先验电流的不确定性越小，母线电压估计的不确定性越小。使用这些电压估计值和其不确定性计算在抽头变换器处的可允许电压带。此估计方法可以获得对普遍网络状态的更加准确的评估，而不是像基本可变带宽方法中那样总是假设有最坏情况。对通过馈线系统以及因此通过抽头变换器的功率/电流流的更加准确的估计有利于放宽限制。这又会加宽在OLTC变压器处的可允许电压范围，带来更少的抽头变换操作。
因此，本文中描述的实施例在相对于大多数已知的抽头变换器控制系统减少抽头变换的同时，动态地和适应性调节电压，由此不管由于负载和分布式发电(DG)的快速变化造成的可变电力条件如何，都有利于对变压器下游的馈线的平滑和稳定的电压控制。减小抽头变换的次数有利于延长抽头变换器的使用寿命，提高对配电网络上的电压的调节。
本文中描述的方法、系统和设备的示例性技术效果包括以下的至少一个：(a)提供适应性和可变的抽头变换器控制方案，其取决于抽头变换器上的功率流，因此作为当前网络状态的函数调节在抽头变换器处的可允许电压范围，由此不管由于负载和分布式发电的快速变化造成的可变电力条件如何，都有利于对OLTC变压器下游的馈线的平滑和稳定的电压控制；(b)大大地减少用来调节配电变压器下游的馈线上的电压的抽头变换的次数；(c)大大地减少抽头变换的次数，由此延长使用寿命，并降低抽头变换器的维护成本；以及(d)利用附加信息，诸如每天时间和太阳晴天数据，确定电网中目前的负载需求和发电的先验值，由此估计网络中在每条母线处的电压，包括从抽头变换变压器处的测量值推断在馈线的末端的临界电压。
用于将电力传送至配电变压器下游的客户负载的电力分配系统和操作这些系统和装置的方法的示例性实施例不局限于本文中描述的特定实施例，而是系统的部件和/或方法的步骤可以与本文中描述的其它部件和/或步骤独立地和分开地加以利用。例如，所述方法还可以与需要电力传输的其它系统和关联方法结合使用，并不局限于只用如本文中描述的输配电系统和方法实践。而且，关于目前被配置成传送和接收电力的许多其它的输电应用(例如但不限于在偏远地区和工业设施中的配电系统)能够实现和使用此示例性实施例。
尽管可能在一些图中示出本发明的各个实施例的特定特征而在其它图中没有示出，但这只是出于方便。根据本发明的原理，一幅图的任何特征可以与任何其它图的任何特征结合地引用和/或要求保护。
一些实施例涉及使用一个或多个电子或计算装置。这些装置通常包括处理器、处理装置或控制器，诸如通用中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、微控制器、精简指令集计算机(RISC)处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑电路(PLC)、现场可编程门阵列(FPGA)、数字信号处理(DSP)装置和/或能够执行本文中描述的功能的任何其它电路或处理装置。本文中描述的方法可以被编码为以计算机可读介质(包括但不限于存储装置和/或存储器装置)体现的可执行指令。这些指令在由处理装置执行时使处理装置执行本文中描述的方法的至少一部分。上文的示例只是示例性的，因此不旨在以任何方式限制术语处理器和处理装置的定义和/或含义。
本书面说明书使用示例来公开实施例(包括最佳模式)，还使任意本领域技术人员能够实践实施例(包括制造和使用任意装置或系统和执行任意结合的方法)。本发明公开的可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这样的其他示例具有与权利要求书的文字语言并非不同的结构元件、或者如果这样的其他示例包括与权利要求书的文字语言具有非实质性区别的等同结构元件，则这样的其他示例意欲落入权利要求的范围内。

Claims (18)

1.一种电力系统，包括：
用于电力分配系统的有载抽头变换OLTC变压器，所述电力分配系统由监测控制和数据采集SCADA系统控制，所述有载抽头变换OLTC变压器包括多个一次绕组和多个二次绕组，所述一次绕组的至少一部分和所述二次绕组的至少一部分相互感应耦合，所述OLTC变压器还包括多个抽头，所述多个抽头中的每个抽头耦合到所述多个一次绕组和所述多个二次绕组中的至少一个的不同部分，所述OLTC变压器的所述二次绕组耦合到多条母线；
至少一个有载抽头变换器，所述至少一个有载抽头变换器耦合至所述多个一次绕组的至少一个，并耦合至所述多个二次绕组的至少一个，所述至少一个有载抽头变换器可选择性配置，以调节相互感应耦合的所述一次绕组的所述至少一部分和所述二次绕组的所述至少一部分；
耦合至所述OLTC变压器的多条母线，所述多条母线位于所述OLTC变压器的下游；以及
至少一个处理器，所述至少一个处理器耦合至所述至少一个有载抽头变换器，所述至少一个处理器被配置成生成所述多条母线中的至少一条母线的估计电压值，所述至少一个处理器还被配置成基于以下来调节作为所述多条母线中的至少一条母线的所述估计电压值的函数的所述有载抽头变换器的电压带宽：
邻近所述二次绕组的实时测量值；并且其特征在于
通过所述多条母线中的每条母线传送的功率和电流之一的先验值，其中功率和电流之一的所述先验值基于通过所述OLTC变压器的测量功率和测量电流传输之一；以及
电力分配系统内的过程噪声的第一协方差数据Q，所述第一协方差数据Q对所述多条母线中的给定母线中的电流将从一个区间步长改变到另一个区间步长的可能性进行建模，以促进不确定性评估；以及
用来对这样的观测变量的不确定性进行建模的观测变量的第二协方差数据R，其包括从来自所述SCADA系统的OLTC变压器处的电压和电流的实时测量值预期的噪声，以及在OLTC变压器下游的电力分配系统内的个体母线电流值上收集的先验知识周围的不确定性；
其中所述处理器还被配置成
生成所述多条母线的每条母线的电压的估计值，且还配置成
至少部分地基于所述有载抽头变换器的调节电压带宽，生成用于所述有载抽头变换器的抽头位置命令。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其中，所述处理器还被配置成生成与以下的一个或多个关联的不确定性值：
通过所述多条母线的所述每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值；以及
所述多条母线的所述至少一条母线的估计电压值。
3.根据权利要求1所述的电力系统，其中，所述处理器还被配置成对于所述先验值，生成所述多条母线的所述每条母线的以下之一：
上功率参数和下功率参数；以及
上电流参数和下电流参数。
4.根据权利要求1所述的电力系统，其中，所述处理器还被配置成通过晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的所述每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值。
5.根据权利要求4所述的电力系统，其中，所述处理器还被配置成通过所述晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的所述每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值的不确定性值。
6.根据权利要求1所述的电力系统，其中，所述处理器还被配置成：
生成所述多条母线的所述每条母线的第一电压估计值，其中，所述第一电压估计值基于所述多条母线的所述每条母线的最坏情况的电压下降和电压上升的假设；
生成所述多条母线的所述每条母线的第二电压估计值，其中，所述第二电压估计值是如基于所述先验值估计的所述多条母线的所述每条母线的估计电压值；以及
将所述第一电压估计值与所述第二电压估计值进行比较。
7.一种配置成耦合至电力分配系统的有载抽头变换OLTC变压器的有载抽头变换器，所述电力分配系统由监测控制和数据采集SCADA系统控制，所述OLTC变压器包括多个一次绕组和多个二次绕组，所述OLTC变压器还包括多个抽头，所述多个抽头的每个抽头耦合至所述多个一次绕组和所述多个二次绕组的至少一个的不同部分，所述OLTC变压器的所述二次绕组耦合至多条母线，所述有载抽头变换器包括：
抽头选择装置，所述抽头选择装置被配置成选择性接合所述变压器中的一侧上的一部分；
驱动装置，所述驱动装置耦合至所述抽头选择装置；以及
至少一个处理器，所述至少一个处理器耦合至所述驱动装置，所述至少一个处理器被配置成生成所述多条母线中的至少一条母线的估计电压值，所述至少一个处理器还被配置成基于以下来调节作为所述多条母线中的至少一条母线的所述估计电压值的函数的所述有载抽头变换器的电压带宽：
邻近所述二次绕组的实时测量值；并且其特征在于
通过所述多条母线中的每条母线传送的功率和电流之一的先验值，其中功率和电流之一的所述先验值基于通过所述OLTC变压器的测量功率和测量电流传输之一；以及
电力分配系统内的过程噪声的第一协方差数据Q，所述第一协方差数据Q对所述多条母线中的给定母线中的电流将从一个区间步长改变到另一个区间步长的可能性进行建模，以促进不确定性评估；以及
用来对这样的观测变量的不确定性进行建模的观测变量的第二协方差数据R，其包括从来自所述SCADA系统的OLTC变压器处的电压和电流的实时测量值预期的噪声，以及在OLTC变压器下游的电力分配系统内的个体母线电流值上收集的先验知识周围的不确定性；
其中所述处理器还被配置成
生成所述多条母线的每条母线的电压的估计值，且还配置成
至少部分地基于所述有载抽头变换器的调节电压带宽，生成用于所述有载抽头变换器的抽头位置命令。
8.根据权利要求7所述的有载抽头变换器，其中，所述处理器还被配置成生成与以下的一个或多个关联的不确定性值：
通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值；以及
所述多条母线的所述至少一条母线的估计电压值。
9.根据权利要求7所述的有载抽头变换器，其中，所述处理器还被配置成对于所述先验值，生成所述多条母线的所述每条母线的以下之一：
上功率参数和下功率参数；以及
上电流参数和下电流参数。
10.根据权利要求7所述的有载抽头变换器，其中，所述处理器还被配置成通过晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值。
11.根据权利要求10所述的有载抽头变换器，其中，所述处理器还被配置成通过所述晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值的不确定性值。
12.根据权利要求7所述的有载抽头变换器，其中，所述处理器还被配置成：
生成所述多条母线的每条母线的第一电压估计值，其中，所述第一电压估计值基于所述多条母线的每条母线的最坏情况的电压下降和电压上升的假设；
生成所述多条母线的每条母线的第二电压估计值，其中，所述第二电压估计值是如基于所述先验值估计的所述多条母线的每条母线的估计电压值；以及
将所述第一电压估计值与所述第二电压估计值进行比较。
13.一种调节配电系统的至少一部分上的电压的方法，所述配电系统由监测控制和数据采集SCADA系统控制，所述配电系统包括至少一个有载抽头变换OLTC变压器，所述至少一个有载抽头变换OLTC变压器包括多个一次绕组和多个二次绕组以及有载抽头变换器，所述有载抽头变换器被配置成调节所述多个一次绕组和所述多个二次绕组之间的感应耦合，所述有载抽头变换器包括至少一个处理器，所述OLTC变压器的所述二次绕组耦合至多条母线，所述方法包括：
测量通过所述OLTC变压器传送的电功率流和电流流之一；
测量邻近所述二次绕组的电压；
生成所述多条母线的至少一条母线的估计电压值；以及
通过所述至少一个处理器，基于以下来调节作为所述多条母线的至少一条母线的估计电压值的函数的所述有载抽头变换器的电压带宽：
邻近所述二次绕组的电压测量值；并且其特征在于
通过所述多条母线中的每条母线传送的功率和电流之一的先验值，其中功率和电流之一的所述先验值基于通过所述OLTC变压器的测量功率和测量电流传输之一；以及
电力分配系统内的过程噪声的第一协方差数据Q，所述第一协方差数据Q对所述多条母线中的给定母线中的电流将从一个区间步长改变到另一个区间步长的可能性进行建模，以促进不确定性评估；以及
用来对这样的观测变量的不确定性进行建模的观测变量的第二协方差数据R，其包括从来自所述SCADA系统的OLTC变压器处的电压和电流的实时测量值预期的噪声，以及在OLTC变压器下游的电力分配系统内的个体母线电流值上收集的先验知识周围的不确定性；其中所述处理器还被配置成
生成所述多条母线的每条母线的电压的估计值，且还配置成
至少部分地基于所述有载抽头变换器的调节电压带宽，生成用于所述有载抽头变换器的抽头位置命令。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括通过所述至少一个处理器，生成与通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的计算值关联的不确定性值。
15.根据权利要求13所述的方法，还包括通过所述至少一个处理器，对于所述先验值，生成所述多条母线的每条母线的以下之一：
上功率参数和下功率参数；以及
上电流参数和下电流参数。
16.根据权利要求13所述的方法，还包括通过所述至少一个处理器，通过晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括通过所述至少一个处理器，通过所述晴天太阳辐射数据和每天时间数据的一个或多个，生成通过所述多条母线的每条母线传送的功率和电流之一的所述先验值的不确定性值。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括：
通过所述至少一个处理器，生成所述多条母线的每条母线的第一电压估计值，其中，所述第一电压估计值基于所述多条母线的每条母线的最坏情况的电压下降和电压上升的假设；
通过所述至少一个处理器，生成所述多条母线的每条母线的第二电压估计值，其中，所述第二电压估计值是如基于所述先验值估计的所述多条母线的每条母线的所述估计电压值；以及
将所述第一电压估计值与所述第二电压估计值进行比较。
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