CN108808691A - Avc的三级无功电压优化控制方法 - Google Patents

Abstract

AVC的三级无功电压优化控制方法：S1、对每个二级电压控制区域的中枢母线，人工指定多条默认的电压设定值曲线；S2、获取实时中枢母线电压数据；S3、得到状态估计结果；S4、对状态估计结果进行评估，若残差值大于某一门槛，则不可信，执行步骤S5，若残差值未大于某一门槛，则可信，执行步骤S6；S5、按照控制区域的平均电压设定值曲线作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值；S6、执行最优潮流计算，得到中枢母线电压值结果；S7、最优潮流计算的中枢母线电压值结果收敛，将电压设定值设定为V_meas+V_opf‑V_se；最优潮流计算的中枢母线电压值结果无法收敛或者最优潮流计算失败，根据当日的负荷情况从默认设定值曲线中取出一条使用作为中枢母线电压值的设定参考值。

Description

AVC的三级无功电压优化控制方法

技术领域

本发明涉及AVC的三级无功电压优化控制方法。

背景技术

自动电压控制系统(AVC)架构在EMS系统之上，能够利用电网实时运行的数据，从整个系统的角度，科学决策出最佳的无功电压调整方案，自动下发给各个子站装置，以电压安全和优质为约束，以系统运行经济性为目标，连续闭环的进行电压的实时优化控制。解决了无功电压优化控制方案的在线生成，实时下发，闭环自动控制等一整套分析、决策、控制；再分析，再决策、再控制的无功电压实时追踪控制问题。能够有效地克服传统电网无功电压管理机制中存在的不足，解决电网当前和未来面临的电压控制问题。

自动电压控制系统(AVC)主要的控制对象包括电厂发电机组和变电站的低压电容器、电抗器等无功设备，以及主变分接头等调压设备。发电机自动电压无功控制装置(AVC)是电厂侧自动电压-无功优化控制终端，是全网自动电压AVC控制系统的智能节点，具有无功分配、就地控制等智能决策功能，但发电机AVC装置的性能评估还没有专门检定方法。

随着华东电网的建设，华东电网直流接入规模越来越大，导致电源开机不足，电网无功需求较大。并且华东网调、上海市调已经将500kV、220kV电厂全面接入各级调度AVC控制，AVC系统子站(厂侧系统)的智能化控制要求不断提升，两个细则考核对电源侧的无功控制形成巨大压力。如何更好的利用子站(电源侧)无功源，保证电网的安全运行，对AVC子站的无功控制提出了更高的要求。

华东地区目前AVC采用基于软分区的三级电压控制模式，AVC控制模式的基于软分区的三级电压控制的体系结构如图1所示，三级控制基于全局电压无功优化计算，根据目前全网无功的分布，综合考虑电厂、变电站和下级关口的无功出力和备用情况，在考虑电压合格、潮流不越限等安全约束的条件下，以网损最小为优化目标进行优化计算，给出全网最优的无功电压优化目标值。

由于电网无功具有分布性和区域性的特点，AVC系统根据无功电压控制的特性将电网自动分为若干区域，每个区域选择主要的关键母线作为中枢母线，中枢母线的电压控制目标采用全局无功优化给定的目标。同一个区域内的设备在无功电压控制特性上具有强耦合性，区域间的设备则具备松耦合性，这种分区控制的思路符合电网无功分层分区控制的原则，同时这种分区时由系统在线自动完成的，是“软分区”，能适应电网的发展变化。

如图2所示为三级电压控制的执行方法，尽管最优潮流经过了多年的发展，但是工程应用上一直有较大的局限性，这主要是由于以下两个原因：

(1)算法收敛性不能得到保证，如果直接按照优化结果进行控制，鲁棒性得不到满足。

(2)最优潮流需要基于状态估计的结果，如果量测数据维护的不好，状态估计可能工作异常，最优潮流计算结果也不可信。

发明内容

本发明的目的在于提供AVC的三级无功电压优化控制方法，从最优潮流算法上加以改进，同时从工程应用上增加措施，保证结果的鲁棒性和可信性。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种AVC的三级无功电压优化控制方法，其特征是，包含：

S1、针对每个二级电压控制区域的中枢母线，人工设置多条默认的电压设定值曲线；

S2、在线获取实时中枢母线电压数据；

S3、得到实时中枢母线电压数据的状态估计结果；

S4、对状态估计结果进行评估，若状态估计的残差值大于某一门槛，则不可信，执行步骤S5，若状态估计的残差值未大于某一门槛，则可信，执行步骤S6；

S5、按照控制区域的平均电压设定值曲线作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值，跳转步骤S8；

S6、执行最优潮流计算，得到最优潮流计算的中枢母线电压值结果；

S7、如果最优潮流计算的中枢母线电压值结果是收敛的，当前中枢母线电压的量测值为V_meas，经过状态估计和最优潮流后的电压值分别为V_se和V_opf，则将经过三级电压控制计算后下发的电压设定值设定为V_meas+V_opf-V_se，将V_meas+V_opf-V_se作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值；

如果最优潮流计算的中枢母线电压值结果无法收敛或者最优潮流计算失败(无法得到电压范围内的值)，主站系统根据当日的负荷情况从默认设定值曲线中取出下一条曲线作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值；

S8、输出中枢母线电压值的设定参考值供二级电压控制使用。

上述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其中：

所述的某一门槛由用户设定。

上述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其中：

步骤S6中，只对安装了AVC子站装置的发电机参与优化计算，其余发电机考虑成PV节点或者PQ节点，从而保证优化结果和实际控制结果尽可能相符。

上述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其中，步骤S6中：

采用交叉逼近法的最优潮流算法得到中枢母线电压值结果，具体的：

最优潮流无功优化模型为如下形式：

其中，minf为求最优函数，P_Loss为线损，P_ij、P_ji分别为支路首端有功、支路末端有功；NL为所有支路的集合；

满足如下约束：

其中，h(x)是潮流方程；Q_Gi是支路无功；Q_Gmin、Q_Gmax是无功电源出力上下限；V_i、V_j是节点母线电压；V_min、V_max是母线电压的上下限；P_Gi、Q_Gi是电源点发出有功和无功；θ_ij为节点i、j的相位差；NB为节点数；NQG为无功电源总数；P_Di、Q_Di是电源点吸收有功和无功；G_ij、B_ij是注入有功线路电导、电纳；

交叉逼近算法的最优潮流计算指：

以x_P和x_Q来区分与有功和无功关系密切的变量，将最优潮流问题描述如下：

min f(x_P,x_Q)

s.t.P_E(x_P,x_Q)＝0

P_I(x_P,x_Q)≤0 (3)

Q_E(x_P,x_Q)＝0

Q_I(x_P,x_Q)≤0

min f(x_P、x_Q)求节点有功、无功和电压、功角最优值；其中x_P包括发电机有功出力P_G和节点电压相角θ；x_Q则包括无功电源出力Q_G、节点电压幅值V和可调变压器变比t；P_E和Q_E分别为节点有功、无功潮流方程；P_I和Q_I分别为与有功分量、无功分量关系密切的不等式约束条件；

假定式(3)的初始值足够地接近于最优值，并且满足局部凸性的假设条件，则根据凸对偶和部分对偶的结论，式(3)等价于：

或等价于：

上式中，λ_Q、μ_Q、λ_P、μ_P分别对应于(3)式在解点处的对偶变量；

由于解点处的对偶变量取值事先无法知道，因此交替求解(4)式和(5)两个子函数，直到两者求出的x_P,x_Q相同为止，最优值解出；

由于无功约束在(4)式中不出现，有功约束在(5)式中不出现，利用PQ解耦原理，在(4)式子问题中把和无功有关的变量当作常量处理，在(5)式子问题中把和有功有关的变量当作常数处理，将两个子问题可分别化简为：

和

求解这两个子问题，最后在最优解处有F_Q＝F_P。

上述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其中：

利用稀疏增广拉格朗日函数二次逼近算法使最优潮流算法达到最佳的计算效率，具体的该稀疏增广拉格朗日函数二次逼近算法包含以下步骤：

判断有功无功迭代选择标志KPQ是否等于0，等于0则执行有功迭代循环，否则执行无功迭代循环；

执行完有功迭代循环或无功迭代循环后，判断有功收敛标志位JUDP和无功收敛标志位JUDQ之和是否等于2，当有功无功子函数迭代都收敛时，JUDP和JUDQ之和等于2，则最优潮流计算完成，否则继续返回迭代开始，进行下一个潮流计算。

上述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其中，步骤S6中：

最优潮流计算的启动模式为周期模式或定点模式，以灵活地控制最优潮流计算时刻。

上述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其中：

最优潮流无功优化模型的约束条件还包含全网母线电压约束，各发电机无功出力约束，各调相机和SVC无功出力约束，各分区无功储备和关口功率因素约束，OLTC、电容器组和电抗器组的调节范围。

上述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其中，步骤S6中：

执行最优潮流计算时由人工选择控制变量的类型和数量，以及人工改变调整范围。

本发明与现有技术相比具有以下优点：三级控制基于全局电压无功优化计算，根据目前全网无功的分布，综合考虑电厂、变电站和下级关口的无功出力和备用情况，在考虑电压合格、潮流不越限等安全约束的条件下，以网损最小为优化目标进行优化计算，给出全网最优的无功电压优化目标值。在基于软分区的三级电压控制模式中，无功优化主要用于三级电压控制。三级电压控制的执行流程：在线获取实时数据，对目前状态进行计算评估，结果是可信的，可判断为最优潮流，对该状态下线损进行计算，如果达到最小且结果收敛的，则向二级电压控制值输出中枢母线电压值。如果结果不收敛，则向二级电压控制值输出预先设定的母线电压值，以达到全网最优的无功电压目标值。本发明从最优潮流算法上加以改进，同时从工程应用上增加措施，保证结果的鲁棒性和可信性。

附图说明

图1为现有技术中VC控制模式的基于软分区的三级电压控制的体系结构图；

图2为现有技术中AVC的三级无功电压控制方法流程图；

图3为本发明中AVC的三级无功电压优化控制方法流程图；

图4为本发明实施例中稀疏增广拉格朗日函数二次逼近算法的方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图2所示，现有的AVC的三级无功电压控制方法包含以下步骤：

S1’、在线获取实时中枢母线电压数据；

S2’、得到实时中枢母线电压数据的状态估计结果；

S3’、判断状态估计结果是否可信，若可信，跳转步骤S5’，若不可信，跳转步骤S4’；

S4’、采用预先设定的中枢母线电压设定值作为向二级电压控制输出的中枢母线电压幅值的设定参考值，跳转步骤S7’；

S5’、执行最优潮流计算，得到最优潮流计算的中枢母线电压值结果；

S6’、判断最优潮流计算的中枢母线电压值结果是否收敛，若收敛，将最优潮流计算的中枢母线电压值结果作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值并执行步骤S7’，若不收敛，返回步骤S4’；

S7’、输出中枢母线电压值的设定参考值供二级电压控制使用。

如图3所示，本发明提出了一种AVC的三级无功电压优化控制方法，从最优潮流算法上加以改进，同时从工程应用上增加措施，保证结果的鲁棒性和可信性，具体的，该方法包含：

S1、针对每个二级电压控制区域的中枢母线，人工指定多条默认的电压设定值曲线，一般可采用历年运行曲线作为该多条默认的电压设定值曲线；

S2、在线获取实时中枢母线电压数据；

S3、得到实时中枢母线电压数据的状态估计结果；

S4、对状态估计结果进行评估，若状态估计的残差值大于某一门槛，则不可信，执行步骤S5，若状态估计的残差值未大于某一门槛，则可信，执行步骤S6；具体的，所述的某一门槛由用户根据实际工况进行指定，允许用户设定一个门槛值，每次三级电压控制给出的中枢母线电压设定值与当前电压值之间的偏差不能超过这个门槛值，从而防止引起电网过大的扰动；

S5、按照控制区域的平均电压设定值曲线作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值，跳转步骤S8；

S6、执行最优潮流计算，得到最优潮流计算的中枢母线电压值结果；

S7、如果最优潮流计算的中枢母线电压值结果收敛，当前中枢母线电压的量测值为V_meas，经过状态估计和最优潮流后的电压值分别为V_se和V_opf，则将经过三级电压控制计算后下发的电压设定值设定为V_meas+V_opf-V_se，将V_meas+V_opf-V_se作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值；

如果最优潮流计算的中枢母线电压值结果无法收敛或者最优潮流计算失败(无法得到电压范围内的值)，主站系统根据当日的负荷情况从默认设定值曲线中取出一条使用作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值；

本发明中不是直接将最优潮流后得到的母线电压值V_opf下发，这样做的目的是屏蔽掉可能由于状态估计造成的电压生数据和熟数据之间的过大偏差；

S8、输出中枢母线电压值的设定参考值供二级电压控制使用。

本实施例中，步骤S6中，只对安装了AVC子站装置的发电机参与优化计算，其余发电机考虑成PV节点或者PQ节点，从而保证优化结果和实际控制结果尽可能相符。

本实施例中，所述的步骤S6中：

采用交叉逼近法的最优潮流算法得到中枢母线电压值结果，具体的：

最优潮流无功优化模型为如下形式：

其中，minf为求最优函数，P_Loss为线损，P_ij、P_ji分别为支路首端有功、支路末端有功；NL为所有支路的集合；

满足如下约束：

其中，h(x)是潮流方程；Q_Gi是支路无功；Q_Gmin、Q_Gmax是无功电源出力上下限；V_i、V_j是节点母线电压；V_min、V_max是母线电压的上下限；P_Gi、Q_Gi是电源点发出有功和无功；P_Di、Q_Di是电源点吸收有功和无功；θ_ij为节点i、j的相位差；NB为节点数；I＝1，2，3……n；NQG为无功电源总数；G_ij、B_ij是注入有功线路电导、电纳；

交叉逼近算法的最优潮流计算指：

以x_P和x_Q来区分与有功和无功关系密切的变量，将最优潮流问题描述如下：

min f(x_P,x_Q)

s.t.P_E(x_P,x_Q)＝0

P_I(x_P,x_Q)≤0 (3)

Q_E(x_P,x_Q)＝0

Q_I(x_P,x_Q)≤0

其中，min f(x_P、x_Q)求节点有功、无功和电压、功角最优值；x_P包括发电机有功出力P_G和节点电压相角θ；x_Q包括无功电源出力Q_G、节点电压幅值V和可调变压器变比t；P_E和Q_E分别为节点有功、无功潮流方程；P_I和Q_I分别为与有功分量、无功分量关系密切的不等式约束条件；

假定式(3)的初始值足够地接近于最优值，并且满足局部凸性的假设条件，则根据凸对偶和部分对偶的结论，式(3)等价于：

或等价于：

上式中，λ_Q、μ_Q、λ_P、μ_P分别对应于(3)式在解点处的对偶变量；

由于解点处的对偶变量取值事先无法知道，因此交替求解(4)式和(5)两个子问题，直到两者求出的x_P,x_Q相同为止，最优值解出；

由于无功约束在(4)式中不出现，有功约束在(5)式中不出现，利用PQ解耦原理，在(4)式子问题中把和无功有关的变量当作常量处理，在(5)式子问题中把和有功有关的变量当作常数处理，将两个子问题可分别化简为：

和

求解这两个子问题，最后在最优解处有F_Q＝F_P。

较佳的，如图4所示，利用稀疏增广拉格朗日函数二次逼近算法使最优潮流算法达到最佳的计算效率，具体的该稀疏增广拉格朗日函数二次逼近算法包含以下步骤：

判断有功无功迭代选择标志KPQ是否等于0，等于0则执行有功迭代循环，否则执行无功迭代循环；

执行完有功迭代循环或无功迭代循环后，判断有功收敛标志位JUDP和无功收敛标志位JUDQ之和是否等于2，当有功无功子函数迭代都收敛时，JUDP和JUDQ之和等于2，则最优潮流计算完成，否则继续返回迭代，进行下一个潮流计算。

上述稀疏增广拉格朗日函数二次逼近算法全部程序采用稀疏矩阵和先进的稀疏矢量技术，计算效率相当高，基本达到在线应用的水平。

并且，步骤S6中：最优潮流计算的启动模式为周期模式或定点模式，以灵活地控制最优潮流计算时刻。当无功优化程序由于不收敛等其他原因无法给出有效解时，执行最优潮流计算时由人工选择控制变量的类型和数量，以及人工改变调整范围。

最优潮流无功优化模型的约束条件还包含全网母线电压约束，各发电机无功出力约束，各调相机和SVC无功出力约束，各分区无功储备和关口功率因素约束，OLTC、电容器组和电抗器组的调节范围。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种AVC的三级无功电压优化控制方法，其特征在于，包含：

S1、针对每个二级电压控制区域的中枢母线，人工设置多条默认的电压设定值曲线；

S2、在线获取实时中枢母线电压数据；

S3、得到实时中枢母线电压数据的状态估计结果；

S4、对状态估计结果进行评估，若状态估计的残差值大于某一门槛，则不可信，执行步骤S5，若状态估计的残差值未大于某一门槛，则可信，执行步骤S6；

S5、按照控制区域的平均电压设定值曲线作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值，跳转步骤S8；

S6、执行最优潮流计算，得到最优潮流计算的中枢母线电压值结果；

S7、如果最优潮流计算的中枢母线电压值结果是收敛的，当前中枢母线电压的量测值为V_meas，经过状态估计和最优潮流后的电压值分别为V_se和V_opf，则将经过三级电压控制计算后下发的电压设定值设定为V_meas+V_opf-V_se，将V_meas+V_opf-V_se作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值；

如果最优潮流计算的中枢母线电压值结果无法收敛或者最优潮流计算失败，主站系统根据当日的负荷情况从默认设定值曲线中取出下一条曲线作为向二级电压控制输出的中枢母线电压值的设定参考值；

S8、输出中枢母线电压值的设定参考值供二级电压控制使用。

2.如权利要求2所述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其特征在于：

所述的某一门槛由用户指定。

3.如权利要求1所述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其特征在于：

步骤S6中，只对安装了AVC子站装置的发电机参与优化计算，其余发电机考虑成PV节点或者PQ节点，从而保证优化结果和实际控制结果尽可能相符。

4.如权利要求1所述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其特征在于，步骤S6中：

采用交叉逼近法的最优潮流算法得到中枢母线电压值结果，具体的：

最优潮流无功优化模型为如下形式：

其中，minf为求最优函数，P_Loss为线损，P_ij、P_ji分别为支路首端有功、支路末端有功；NL为所有支路的集合；

满足如下约束：

其中，h(x)是潮流方程；Q_Gi是支路无功；Q_Gmin、Q_Gmax是无功电源出力上下限；V_i、V_j是节点母线电压；V_min、V_max是母线电压的上下限；P_Gi、Q_Gi是电源点发出有功和无功；θ_ij为节点i、j的相位差；NB为节点数；NQG为无功电源总数；P_Di、Q_Di是电源点吸收有功和无功；G_ij、B_ij是注入有功线路电导、电纳；

交叉逼近算法的最优潮流计算指：

以x_P和x_Q来区分与有功和无功关系密切的变量，将最优潮流问题描述如下：

min f(x_P、x_Q)求节点有功、无功和电压、功角最优值；其中x_P包括发电机有功出力P_G和节点电压相角θ；x_Q则包括无功电源出力Q_G、节点电压幅值V和可调变压器变比t；P_E和Q_E分别为节点有功、无功潮流方程；P_I和Q_I分别为与有功分量、无功分量关系密切的不等式约束条件；

假定式(3)的初始值足够地接近于最优值，并且满足局部凸性地假设条件，则根据凸对偶和部分对偶的结论，式(3)等价于：

或等价于：

上式中，λ_Q、μ_Q、λ_P、μ_P分别对应于(3)式在解点处的对偶变量；

由于解点处的对偶变量取值事先无法知道，因此交替求解(4)式和(5)两个子问题，直到两者求出的x_P,x_Q相同为止，最优值解出；

由于无功约束在(4)式中不出现，有功约束在(5)式中不出现，利用PQ解耦原理，在(4)式子问题中把和无功有关的变量当作常量处理，在(5)式子问题中把和有功有关的变量当作常数处理，将两个子问题可分别化简为：

和

求解这两个子问题，最后在最优解处有F_Q＝F_P。

5.如权利要求4所述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其特征在于：

利用稀疏增广拉格朗日函数二次逼近算法使最优潮流算法达到最佳的计算效率，具体的该稀疏增广拉格朗日函数二次逼近算法包含以下步骤：

判断有功无功迭代选择标志KPQ是否等于0，等于0则执行有功迭代循环，否则执行无功迭代循环；

执行完有功迭代循环或无功迭代循环后，判断有功收敛标志位JUDP和无功收敛标志位JUDQ之和是否等于2，当有功无功子函数迭代都收敛时，JUDP和JUDQ之和等于2，则最优潮流计算完成，否则继续返回迭代开始，进行下一个潮流计算。

6.如权利要求1所述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其特征在于，步骤S6中：

最优潮流计算的启动模式为周期模式或定点模式，以灵活地控制最优潮流计算时刻。

7.如权利要求4所述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其特征在于：

最优潮流无功优化模型的约束条件还包含全网母线电压约束，各发电机无功出力约束，各调相机和SVC无功出力约束，各分区无功储备和关口功率因素约束，OLTC、电容器组和电抗器组的调节范围。

8.如权利要求1所述的AVC的三级无功电压优化控制方法，其特征在于，步骤S6中：

执行最优潮流计算时由人工选择控制变量的类型和数量，以及人工改变调整范围。