CN107959296A - 基于主动配电网的无功电压协调控制策略 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于主动配电网的无功电压协调控制策略，包括如下步骤：建立主动配电网电压优化模型；基于摄动法计算主动配电网中的电压灵敏度及影响因子；根据影响因子实现主动配电网全局无功电压优化计算；利用区域参数对区域内各点电压值进行估算，采用区域电压越限偏差作为实时电压优化参考量，实现局部电压优化；本发明通过全局优化以电压偏差最低为目标，采用摄动法对全局电压优化进行求解；对于区域电压优化，利用区域参数对区域内各点电压值进行估算，仍采用区域电压越限偏差作为实时电压优化参考量，对无功调节设备进行实时协调控制以确保网络的实时电压质量。

Description

基于主动配电网的无功电压协调控制策略

技术领域

本发明涉及配电网电压调控技术领域，具体涉及基于主动配电网的无功电压协调控制策略。

背景技术

对于近年来在国外兴起的主动配电网，其相对于传统配电网来说，大量分布式能源、储能系统和大量协调控制器的接入对配网运行管理提出了更高的要求。为适应对主动配电网的管理，主动配电网管理的目标是实现对整个网络的灵活应用，提高现有网络的资产利用率。要实施主动配电网的有效管理需要一系列的技术解决方案，特别是其赋予自动控制系统新的需求。

目前关于主动配电网电压控制的方法主要分为基于“触发式”电压控制策略和基于整体协调的电压控制策略两种。在主动配电网的“触发式”电压控制中，通常通过控制对象及时序的不同将整个电压控制分为一系列的控制环节，每个控制环节可以包含控制动作及计算等多部分组成，继而通过一定的判定条件对不同的控制环节进行触发，最终达到控制电压的目的。基于整体协调的电压控制策略是根据实时采集到的值，通过集中的运算统一输出所有控制设备的动作方式，再进行控制指令的下发。这种控制策略需要选取一种合适的核心算法来进行控制结果的计算，如传统的数学规划算法和人工智能算法等。

在传统配电网中，沿馈线潮流方向电压逐渐降低，在进行电压控制时通过首末端电压量测就可以判断该条馈线是否存在电压越限，电压控制相对简单。主动配电网中由于DG的接入，馈线上各负荷节点处的电压尤其是DG接入点处的电压会被明显抬高，与此同时，网络中的网络损耗、潮流分布等也会随之改变，从而使得网络中电压控制关键节点和控制目标函数的选择相比于传统配电网在很多个方面发生了改变，增加了电压控制的难度。因此，需要利用主动配电网能量管理技术，灵活接入大规模分布式能源、灵活安排运行方式，实现无功电压协调控制。保证证电能质量和供电可靠性，保证网络的安全可靠运行。

发明内容

本发明目的是提供一种基于主动配电网能量管理系统的电压优化控制策略，全局优化以电压偏差最低为目标，采用摄动法对全局电压优化进行求解；对于区域电压优化，利用区域参数对区域内各点电压值进行估算，仍采用区域电压越限偏差作为实时电压优化参考量，对无功调节设备进行实时协调控制以确保网络的实时电压质量。

本发明通过以下技术方案实现：

基于主动配电网的无功电压协调控制策略，包括如下步骤：

步骤1.建立主动配电网电压优化模型；

步骤2.基于摄动法计算主动配电网中的电压灵敏度及影响因子；

步骤3.根据影响因子实现主动配电网全局无功电压优化计算；

步骤4.利用区域参数对区域内各点电压值进行估算，采用区域电压越限偏差作为实时电压优化参考量，实现局部电压优化。

本发明进一步技术改进方案是：

其中，步骤1包括：

1-1.确定电压优化目标函数，主动配电网最优无功调节的目标函数是针对整个调度周期的电压波动进行优化，其优化目标如下：

上式F为以调度周期内所有关键节点电压波动最小为目标函数，其中ΔU(t)代表某一关键节点某一时刻的电压波动，∑表示对各个节点各个时段的电压差进行求和,l代表关键节点的个数，k代表选取的时间断面的个数，min代表求取最小值；

1-2.确定主动配电网无功电压最优调节的约束条件，首先配电网需要满足常规的节点电压约束、支路潮流约束以及储能单元的充放电功率约束函数；除此之外，主动配电网的无功电压最优调节的约束条件还包括如下；

P_f(t)＝PF(P_ESS-j(t)，Q_ESS-j(t))

Q_f(t)＝PF(P_ESs-j(t),Q_Ess-j(t))

上面两式的含义是指在整个调度周期内任一时刻馈线的出口功率与该时刻每个分布式电源出力、储能系统的充放电功率约束，其本质上是要求时时满足含分布式能源的配网潮流等式约束；其中P_f(t)和Q_f(t)分别代表任一时刻馈线出口的有功和无功，PF代表馈线出口功率与储能系统的充放电功率约束函数，P_ESS-j(t)和Q_ESS-j(t)分别代表储能系统的充放电有功和无功。

本发明进一步技术改进方案是：

步骤2包括：

2-1.初始状态的求解和记录，读取各储能系统的有功和无功出力，读取电网的初试运行参数，包括光伏的出力情况以及负荷的状态；利用外部平台的潮流计算函数对配电网内的初始潮流进行计算并记录其初始状态；

2-2.利用摄动法为系统设置微小的摄动，并对产生摄动后的系统重新进行潮流计算，具体来说，将各节点注入的无功作为摄动量，计算摄动后系统的变化；

2-3.根据加入摄动后的潮流计算结果，计算电压灵敏度矩阵和影响因子；灵敏度矩阵表示系统电压与功率变化的关系；影响因子可由灵敏度矩阵求得，代表节点之间电力联系的紧密程度。

本发明进一步技术改进方案是：

步骤3包括：

3-1.读取各节点的初始状态，通过量测装置读取各节点的电压以及无功功率，同时读取由步骤2计算所得的电压灵敏度数据；

3-2.目标电压的设置，用户通过控制界面选择优化的目标电压作为电压控制的目标，若用户未设置目标电压，则选择平均电压作为计算基础；

3-3.目标功率的估算，求取目标电压与实际电压的差值，当目标电压大于实际电压时，选用增加方向的灵敏度矩阵进行计算；反之使用减少方向的灵敏度矩阵；由各节点电压差值按照灵敏度矩阵求出功率差值，从而得到目标功率；

3-4.按照全局电压优化计算的结果，根据目标功率对各节点进行无功调节，从而实现配电网全局无功电压优化。

本发明进一步技术改进方案是：

步骤4包括：

4-1.估算馈线最大电压值和最小电压值，分布式发电接入馈线之前，馈线的电压最低点位于馈线的末端，馈线电压调节装置SVR在监测到电压最低点的电压低于电压下限值时，会调节SVR的分接头位置，抬高SVR下游节点的电压水平而当DG接入馈线以后，特别是靠近末端的位置时，馈线的电压最低点位置将会向上游前移，此时末端节点的电压由于DG的作用并不越限，因此SVR此时会拒动，而实际上馈线的电压最低点可能还是有发生电压越下限的现象，因此，为计算电压越限制，必须预先估计馈线上最大及最小电压值；

4-2.由于分布式发电会提升接入点的电压，当分布式发电的出力过大时，其电压甚至会超过首端电压，因此馈线的最大电压值肯定存在于分布式发电接入点或者馈线首端；

4-3.馈线的最小电压值需要根据馈线的潮流大小及方向进行判断得出，通过馈线在分段点以及T接分支节点安装的馈线终端装置(FTU)，其采集的功率及电压信息为馈线的最小电压值估计提供了必要的数据基础；

4-4.通过馈线电压最大值及电压最小值的估算，可以计算出馈线电压的最大越限值ΔU_f，最终经过死区控制和PI控制实现馈线无功-电压的实时闭环控制，对无功调节设备进行实时协调控制以确保网络的实时电压质量，实现区域的电压优化。

本发明与现有技术相比，具有以下明显优点：

一、本发明所提供的技术方案中，就全局和局部的电压优化分别提出了对应的控制策略，在全局优化的层面，主要通过摄动法对配电网电压优化进行计算，保证主动配电网关键节点24小时电压波动尽量的平缓；在局部优化控制层面，通过馈线电压协调控制器通过馈线FTU的采集数据估算馈线最大电压值和最小电压值，并求解出电压越限值，使得配电网局部保持电压不越限的稳定运行状态。

二、本发明所提供的技术方案，在保证配电网短时间电压稳定的前提下，针对整个调度周期的电压波动进行优化，能提高主动配电网运行的稳定性，对主动配电网的发展有重大意义。

附图说明

图1为本发明的一种基于主动配电网的无功电压协调控制策略流程图；

图2为本发明基于摄动法的电压灵敏度计算功能逻辑图；

图3为本发明基于影响因子的无功电压优化功能逻辑图；

图4为本发明中局部电压协调控制框图；。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图1-4，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种基于主动配电网的无功电压协调控制策略，包括如下步骤：

步骤1.建立主动配电网电压优化模型；

步骤2.基于摄动法计算主动配电网中的电压灵敏度及影响因子；

步骤3.根据影响因子实现主动配电网全局无功电压优化计算；

步骤4.利用区域参数对区域内各点电压值进行估算，采用区域电压越限偏差作为实时电压优化参考量，实现局部电压优化。

其中，步骤1包括：

1-1.确定电压优化目标函数。主动配电网最优无功调节的目标函数不再像传统无功调节针对某一时间断面计算电压方差最小，而是应该针对整个调度周期的电压波动进行优化。主动配电网无功电压优化以下一调度周期的负荷预测以及间歇性可再生能源的发电预测数据为基础，通过优化计算求解出可调度分布式发电单元以及储能单元的调度策略，保证电网关键节点电压波动最小，其优化目标可以归纳总结如下：

式中F为以调度周期内所有关键节点电压波动最小为目标函数，ΔU(t)代表某一关键节点某一时刻的电压波动，∑表示对各个节点各个时段的电压差进行求和，l代表关键节点的个数，k代表选取的时间断面的个数，min代表求取最小值。

1-2.确定主动配电网无功电压最优调节的约束条件。首先配电网需要满足常规的节点电压约束以及支路潮流约束；除此之外，主动配电网的无功电压最优调节的约束条件还包括如下；

P_f(t)＝PF(P_ESS-j(t)，Q_ESS-j(t))

Q_f(t)＝PF(P_ESS-j(t),Q_ESS-j(t))

上面两式的含义是指在整个调度周期内任一时刻馈线的出口功率与该时刻每个分布式电源出力、储能系统的充放电功率约束，其本质上是要求时时满足含分布式能源的配网潮流等式约束。其中P_f(t)和Q_f(t)分别代表任一时刻馈线出口的有功和无功；PF代表馈线出口功率与储能系统的充放电功率约束函数。P_ESS-j(t)和Q_ESS-j(t)分别代表储能系统的充放电有功和无功。

同时，由于储能单元的充放电功率是有限值的、储能容量也将导致无功出力约束，约束条件还包括下面两式：

(其中和表示储能系统充放电功率的上下限值，S_ESS-j表示储能容量。

如图2所示，步骤2包括：

2-1.初始状态的求解和记录。读取各储能系统的有功和无功出力，读取电网的初试运行参数(包括光伏的出力情况以及负荷的状态)。利用外部平台的潮流计算函数对配电网内的初始潮流进行计算并记录其初始状态。

2-2.利用摄动法为系统设置微小的摄动，并对产生摄动后的系统重新进行潮流计算。具体来说，将各节点注入的无功作为摄动量，研究摄动后系统的变化。

于一个N节点的电力系统，将该系统潮流方程线性化可以得到：

式中ΔP为节点注入的有功功率变化量，ΔQ为节点注入的无功功率变化量；Δθ为节点电压相角变化量，ΔV为节点电压幅值变化量。当有功功率的变化对节点电压影响较小时，在电压控制中，可以令注入有功保持恒定，即ΔP≡0，所以该式可变为：

ΔV＝S_VQΔQ

(式中J_PθJ_PVJ_QθJ_QV为系统雅克比矩阵的分量，S_VQ＝[J_QV-J_QθJ_Pθ ^-1J_PV]^-1，即为电压幅值变化量ΔV对节点无功功率变化量ΔQ的灵敏度矩阵。)

2-3.根据加入摄动后的潮流计算结果，计算电压灵敏度矩阵和影响因子。

其中，步骤2-3包括：

a.节点加入无功的摄动量后必然会带来系统电压的变化，根据加入摄动后潮流计算的结果，对比系统的初始状态，计算出由无功摄动引起的各节点电压差值。假设无功的摄动量ΔQ_j施加于节点j，并把由此摄动引起的节点i的电压变化记作ΔU_i。由于除i节点的外的节点无功并未变化，ΔU_i/ΔQ_j即为灵敏度矩阵中的元素(S_VQ)_ij。

b.由于每次计算所加入的无功摄动量仅针对单一节点，其余节点的无功保持不变。需要针对不同节点分别施加无功的摄动量，利用摄动法进行多次求解，才能得到完整的电压灵敏度矩阵。

c.由于无功增加与减少时节点电压的变化情况有所不同，需要按照增加和减少两个方向进行灵敏度矩阵的计算。设置增加方向的摄动后，求解得到的是增加方向的灵敏度；反之设置减少方向的摄动后，求解得到的是减少方向的灵敏度。

d.影响因子计算。在电压灵敏度矩阵求取中，一般来说当i≠j时，灵敏度矩阵S_VQ中元素(S_VQ)_ij≠(S_VQ)_ji，但是两者差别一般不大，所以我们可以用来简单的衡量节点i和节点j之间相互影响的大小。I为影响因子矩阵，I的值越大，表示节点i和节点j之间相互的影响越大。

如图3所示，步骤3包括：

3-1.读取各节点的初始状态。通过量测装置读取各节点的电压以及无功功率，同时读取由步骤2计算所得的电压灵敏度数据。

3-2.目标电压的设置。用户通过控制界面选择优化的目标电压作为电压控制的目标。若用户未设置目标电压，则选择平均电压作为计算基础。

3-3.目标功率的估算。求取目标电压与实际电压的差值，当目标电压大于实际电压时，选用增加方向的灵敏度矩阵进行计算；反之使用减少方向的灵敏度矩阵。由各节点电压差值按照灵敏度矩阵求出功率差值，从而得到目标功率。

3-4.按照全局电压优化计算的结果，根据目标功率对各节点进行无功调节，从而实现配电网全局无功电压优化。

如图4所示，步骤4包括：

4-1.估算馈线最大电压值和最小电压值。分布式发电接入馈线之前，馈线的电压最低点位于馈线的末端，馈线电压调节装置SVR在监测到电压最低点的电压低于电压下限值时，会调节SVR的分接头位置，抬高SVR下游节点的电压水平而当DG接入馈线以后，特别是靠近末端的位置时，馈线的电压最低点位置将会向上游前移，此时末端节点的电压由于DG的作用并不越限，因此SVR此时会拒动，而实际上馈线的电压最低点可能还是有发生电压越下限的现象。因此，为计算电压越限制，必须预先估计馈线上最大及最小电压值。

4-2.由于分布式发电会提升接入点的电压，当分布式发电的出力过大时，其电压甚至会超过首端电压，因此馈线的最大电压值肯定存在于分布式发电接入点或者馈线首端，馈线的最大电压值可表示为：

式中表示馈线的最大电压值，U_i表示分布式电源接入点电压，U₀表示馈线首端电压，max()表示求取最大值，i表示各个分布式电源对应的下标。

4-3.馈线的最小电压值就难以估计得出，需要根据馈线的潮流大小及方向进行判断。近几年配网自动化的大范围应用使得馈线在分段点以及T接分支节点都安装了馈线终端装置(FTU)等配网自动化终端设备，这些设备采集的功率及电压信息为馈线的最小电压值估计提供了必要的数据基础。

4-4.对于双端口区域，假设以流入母线的功率方向为正方向，如果区域两侧FTU测量到的功率值至少有一侧P,Q同时为负，则表明馈线电压最低点不在本双端域内，否则该双端域有可能存在馈线电压最低点，该双端域内最小电压估算值可按照下式估算：

式中，为双端域内最小电压估算值U₁、U₁分别为两端口的电压，P₁、P₂、Q₁、Q₂分别为两端口注入的有功和无功。

4-5.对于单端口区域，如果FTU测量到的功率值P,Q同时为负，则表明馈线电压最低点不在本单端区域内。否则该单端区域有可能存在馈线电压最低点，该单端区域内最小电压估算值可按照下式估算：

式中，为单端域内最小电压估算值，R,X分别代表单端区域内线路的总电阻和电抗值，U₄代表端口电压，P₄、Q₄代表端口注入功率。

4-6.对区域内各个可能出现电压最小值的区域进行电压估算，并从中求取最小值。最终馈线的最小电压估计值

式中代表馈线电压最小值，代双端区域电压最小值代表单端区域电压最小值。

4-7.通过馈线电压最大值及电压最小值的估算，可以计算出馈线电压的最大越限值ΔU_f：

式中U_max表示电压允许上限，U_min表示电压允许下限。

最终经过死区控制和PI控制实现馈线无功-电压的实时闭环控制，对无功调节设备进行实时协调控制以确保网络的实时电压质量，实现区域的电压优化。其中无功功率协调是用于协调馈线上的多个无功源，其协调策略可以采用按照电压-无功灵敏度指标排序后，由灵敏度指标最大的那个优先调节，以保证无功调节量最小

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (5)

1.基于主动配电网的无功电压协调控制策略，其特征在于：所述控制策略包括如下步骤：

步骤1.建立主动配电网电压优化模型；

步骤2.基于摄动法计算主动配电网中的电压灵敏度及影响因子；

步骤3.根据影响因子实现主动配电网全局无功电压优化计算；

步骤4.利用区域参数对区域内各点电压值进行估算，采用区域电压越限偏差作为实时电压优化参考量，实现局部电压优化。

2.根据权利要求1所述的基于主动配电网的无功电压协调控制策略，其特征在于：所述步骤1包括：

1-1.确定电压优化目标函数，主动配电网最优无功调节的目标函数是针对整个调度周期的电压波动进行优化，其优化目标如下：

上式F为以调度周期内所有关键节点电压波动最小为目标函数，其中ΔU(t)代表某一关键节点某一时刻的电压波动，∑表示对各个节点各个时段的电压差进行求和,l代表关键节点的个数，k代表选取的时间断面的个数，min代表求取最小值；

1-2.确定主动配电网无功电压最优调节的约束条件，首先配电网需要满足常规的节点电压约束、支路潮流约束以及储能单元的充放电功率约束函数；除此之外，主动配电网的无功电压最优调节的约束条件还包括如下；

P_f(t)＝PF(P_ESS-j(t)，Q_ESS-j(t))

Q_f(t)＝PF(P_ESS-j(t)，Q_ESS-j(t))

上面两式的含义是指在整个调度周期内任一时刻馈线的出口功率与该时刻每个分布式电源出力、储能系统的充放电功率约束，其本质上是要求时时满足含分布式能源的配网潮流等式约束；其中P_f(t)和Q_f(t)分别代表任一时刻馈线出口的有功和无功，PF代表馈线出口功率与储能系统的充放电功率约束函数，P_ESS-j(t)和Q_ESS-j(t)分别代表储能系统的充放电有功和无功。

3.根据权利要求1或2所述的基于主动配电网的无功电压协调控制策略，其特征在于：所述步骤2包括：

2-1.初始状态的求解和记录，读取各储能系统的有功和无功出力，读取电网的初试运行参数，包括光伏的出力情况以及负荷的状态；利用外部平台的潮流计算函数对配电网内的初始潮流进行计算并记录其初始状态；

2-2.利用摄动法为系统设置微小的摄动，并对产生摄动后的系统重新进行潮流计算，具体来说，将各节点注入的无功作为摄动量，计算摄动后系统的变化；

2-3.根据加入摄动后的潮流计算结果，计算电压灵敏度矩阵和影响因子；灵敏度矩阵表示系统电压与功率变化的关系；影响因子可由灵敏度矩阵求得，代表节点之间电力联系的紧密程度。

4.根据权利要求1或2所述的基于主动配电网的无功电压协调控制策略，其特征在于：所述步骤3包括：

3-1.读取各节点的初始状态，通过量测装置读取各节点的电压以及无功功率，同时读取由步骤2计算所得的电压灵敏度数据；

3-2.目标电压的设置，用户通过控制界面选择优化的目标电压作为电压控制的目标，若用户未设置目标电压，则选择平均电压作为计算基础；

3-3.目标功率的估算，求取目标电压与实际电压的差值，当目标电压大于实际电压时，选用增加方向的灵敏度矩阵进行计算；反之使用减少方向的灵敏度矩阵；由各节点电压差值按照灵敏度矩阵求出功率差值，从而得到目标功率；

3-4.按照全局电压优化计算的结果，根据目标功率对各节点进行无功调节，从而实现配电网全局无功电压优化。

5.根据权利要求1或2所述的基于主动配电网的无功电压协调控制策略，其特征在于：所述步骤4包括：

4-1.估算馈线最大电压值和最小电压值，分布式发电接入馈线之前，馈线的电压最低点位于馈线的末端，馈线电压调节装置SVR在监测到电压最低点的电压低于电压下限值时，会调节SVR的分接头位置，抬高SVR下游节点的电压水平而当DG接入馈线以后，特别是靠近末端的位置时，馈线的电压最低点位置将会向上游前移，此时末端节点的电压由于DG的作用并不越限，因此SVR此时会拒动，而实际上馈线的电压最低点可能还是有发生电压越下限的现象，因此，为计算电压越限制，必须预先估计馈线上最大及最小电压值；

4-2.由于分布式发电会提升接入点的电压，当分布式发电的出力过大时，其电压甚至会超过首端电压，因此馈线的最大电压值肯定存在于分布式发电接入点或者馈线首端；

4-3.馈线的最小电压值需要根据馈线的潮流大小及方向进行判断得出，通过馈线在分段点以及T接分支节点安装的馈线终端装置(FTU)，其采集的功率及电压信息为馈线的最小电压值估计提供了必要的数据基础；

4-4.通过馈线电压最大值及电压最小值的估算，可以计算出馈线电压的最大越限值ΔU_f，最终经过死区控制和PI控制实现馈线无功-电压的实时闭环控制，对无功调节设备进行实时协调控制以确保网络的实时电压质量，实现区域的电压优化。