CN109586301B - 基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法：对于选定的不完全可观的配电系统，输入电压控制的设定参数，设置电压观测节点；获取各电压观测节点当前电压偏差；将各观测节点按照电压偏差由大到小排为序列；判断节点的电压偏差是否超过电压控制的限值，且电压量测值位于控制死区之外；判节点是否有无功剩余容量；获取同步相量量测装置的历史量测数据，估计除节点外整个配电系统的戴维南等值模型参数；根据戴维南等值模型参数，计算表示节点处电压变化与节点处功率变化关系的电压功率灵敏度参数；根据电压功率灵敏度参数确定节点处的无功投入量。本发明有效解决了就地电压控制精度低的问题，达到了电压控制的目标。

Description

基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法

技术领域

本发明涉及一种配电网就地电压控制方法。特别是涉及一种基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法。

背景技术

新能源和需求响应资源的广泛接入，配电系统用户侧的随机性、波动性显著增强，对配电网的监测和控制水平提出了更高的要求。同步相量量测装置在配电网层面的应用，不但能够有效提高对配电网运行状态的感知能力，也为配电系统的参数辨识与运行控制提供了新的思路。随着新能源的接入，配电网发生电压越限的风险增大，对电压控制响应速度的要求不断提高，传统的通过有载调压变压器和电容器组进行电压调节，往往无法满足速度要求。利用逆变器的剩余容量，光伏和风机等新能源发电装置可以提供连续的无功调节能力，为解决配电网的电压越限问题提供了更加行之有效的手段。

电压无功控制是提高电压质量、保障电网安全运行的重要措施之一，是电压无功控制设备及时正确动作、避免运行风险发生的保证，其研究具有巨大的经济效益和社会效益。从电压控制的方式来看，主要分为集中控制和就地控制。相较于就地控制方法，集中电压控制对通信基础设施的要求较高，同时其问题的求解规模和复杂程度更高，计算速度受到很大制约，难于实现电压的快速调控。就地电压控制是根据本地量测数据，直接对电压进行控制的方式，对通信需求少，当节点电压越限时，能够实现快速响应，但是控制的精确性较差。精确获取就地电压控制的电压功率灵敏度参数，有助于提高就地电压控制的精确度。

不同于输电系统，目前配电网水平无法满足系统完全可观的要求，难以获得整个系统完整且准确的实时运行状态，实现系统可观，满足集中电压控制的量测需求。同时，现有基于模型的电压控制方法均依赖于精确的线路参数，当线路参数存在错误或者无法获取时，电压控制结果将会出现较大偏差。因此在有限的量测配置基础上，利用量测数据实现电压的快速调节是亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种利用同步相量量测装置的量测数据，估计电压无功的灵敏度参数，进而实现配电网就地电压控制的基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法，包括如下步骤：

1)对于选定的不完全可观的配电系统，输入电压控制的上限值、下限值和电压控制的时间步长和控制死区，设置电压观测节点，获取电压观测节点的节点编号构成集合Ω_O；

2)获取各电压观测节点当前的电压量测值，计算各电压观测节点的电压偏差；

3)将各观测节点的编号按照电压偏差由大到小依次排列为序列N，并令序列N的序号m＝1；

4)令节点编号i＝N_m，N_m表示序列N中的第m个元素，若节点i的电压偏差超过电压控制的上限值或下限值，且电压量测值位于控制死区之外，进入步骤5)，否则进入步骤9)；

5)判断编号为i的节点是否有无功剩余容量，若有则进入步骤6)，否则令m＝m+1，此时若m＞|N|进入步骤9)，若m≤|N|返回步骤4)，|N|表示序列N中元素的个数；

6)获取同步相量量测装置的历史量测数据，采用卡尔曼滤波方法估计除节点i外整个配电系统的戴维南等值模型参数；

7)根据步骤6)估计得到的戴维南等值模型参数，计算表示节点i处电压变化与节点i处功率变化关系的电压功率灵敏度参数；

8)根据步骤7)得到的电压功率灵敏度参数确定节点i处的无功投入量，返回步骤2)；

9)进入下一控制时步，返回步骤2)。

步骤1)中所述的电压观测节点为：具有无功调节资源及调节能力且装有同步相量量测装置的节点。

步骤7)中所述的计算表示节点i处电压变化与节点i处功率变化关系的电压功率灵敏度参数的方法为：

通过卡尔曼滤波获得参数估计值后，有如下关系式：

两边同时平方并分别对有功功率P_i与无功功率Q_i求偏导即得到电压功率灵敏度参数，如下式所示：

式中，S_P,i表示电压有功功率灵敏度参数，S_Q,i表示电压无功功率灵敏度参数，E_i、R_thi和X_thi分别表示戴维南等值参数的等效电源幅值、等效电阻和等效电抗，U_i表示节点i处当前的电压量测值。

步骤8)中确定节点i处的无功投入量包括：

1)计算当前电压量测值与电压限值之间的差值，如下式：

δU_i＝min{|U_min-U_i|,|U_max-U_i|}

式中，U_min表示电压控制下限值，U_max表示电压控制上限值，U_i表示节点i处当前的电压量测值；

2)根据δU_i和灵敏度参数，计算无功控制量，如下所示：

若U_i＜U_min：

若U_i＞U_max：

式中，ΔQ_i为正数代表发出无功，ΔQ_i为负数代表吸收无功；S_Q,i表示节点i处当前的电压无功灵敏度参数；Q_R,i为节点i处的无功剩余容量：

式中，P_DG,i表示分布式电源当前的无功功率，D_i表示分布式电源逆变器的容量。

本发明的基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法，利用同步相量量测装置的量测数据，采用卡尔曼滤波方法对配电网戴维南等值模型参数进行估计，根据模型参数计算电压功率灵敏度，利用电压功率灵敏度参数，最终实现了配电网就地电压控制。本发明的方法能够在系统不可观的情况下利用就地量测信息实现电压控制灵敏度参数的估计，将得到的电压控制灵敏度参数应用于本发明所提出的就地电压控制方法，既发挥了就地电压控制对量测数据、计算复杂度和通信配置需求小的优势，也有效解决了就地电压控制精度低的问题，达到了电压控制的目标。

附图说明

图1是本发明基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法的流程图；

图2是IEE33节点算例图；

图3是分布式电源及同步相量量测装置接入位置图

图4是负荷功率及分布式电源出力曲线图；

图5是电压控制前后18节点电压图；

图6是电压控制前后33节点电压图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法做出详细说明。

如图1所示，本发明的基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法，包括如下步骤：

1)对于选定的不完全可观的配电系统，输入电压控制的上限值、下限值和电压控制的时间步长和控制死区，设置电压观测节点，获取电压观测节点的节点编号构成集合Ω_O；

所述的电压观测节点为：具有无功调节资源及调节能力且装有同步相量量测装置的节点。

2)获取各电压观测节点当前的电压量测值，计算各电压观测节点的电压偏差；

3)将各观测节点的编号按照电压偏差由大到小依次排列为序列N，并令序列N的序号m＝1；

4)令节点编号i＝N_m，N_m表示序列N中的第m个元素，若节点i的电压偏差超过电压控制的上限值或下限值，且电压量测值位于控制死区之外，进入步骤5)，否则进入步骤9)；

5)判断编号为i的节点是否有无功剩余容量，若有则进入步骤6)，否则令m＝m+1，此时若m＞|N|进入步骤9)，若m≤|N|返回步骤4)，|N|表示序列N中元素的个数；

6)获取同步相量量测装置的历史量测数据，采用卡尔曼滤波方法估计除节点i外整个配电系统的戴维南等值模型参数；

所述的卡尔曼滤波方法估计节点i的戴维南等值模型参数包括：

(1)设

表示待估计的戴维南等值参数；

(2)设置状态变量的初值X_i,0以及误差协方差矩阵的初值C_i,0，并给过程噪声协方差矩阵T与量测噪声协方差矩阵R赋值，初始化时间指针k＝1，对应于当前时刻以前的第k个历史量测时刻；

(3)获取等值节点k时刻的电压量测值与电流量测值，对应于当前时刻以前的第k个历史量测时刻的数据，计算量测系数矩阵H_i,k与量测向量Z_i,k；

(4)状态一步预测：

(5)误差协方差矩阵一步预测：

C_i,k,k-1＝C_i,k-1+T

(6)滤波增益矩阵：

(7)状态估计：

(8)误差协方差矩阵估计：

C_i,k＝[I-K_i,kH_i,k]C_i,k,k-1

(9)判断相邻两次状态变量估计结果变化百分比是否小于设定的阈值，或者指针k是否达到上限，是则输出戴维南等值参数的最终估计结果

否则k＝k+1返回步骤4)。

其中，

与

分别表示k时刻流出等值节点处电流相量量测值的实部与虚部，

与

分别表示第k个历史量测时刻等值节点处电压向量的实部与虚部，

表示k时刻状态一步预测后得到的状态变量预测结果，C_i,k,k-1表示k时刻状态变量预测结果所对应的状态变量误差协方差矩阵，二者均是中间过程矩阵，H_i,k与Z_i,k分别表示第k个历史时刻的量测系数矩阵与量测向量，K_i,k表示第k个历史量测时刻的滤波增益矩阵，C_i,k表示第k个历史量测时刻的状态变量误差协方差矩阵；T为过程噪声协方差矩阵，R为量测噪声协方差矩阵。

7)根据步骤6)估计得到的戴维南等值模型参数，计算表示节点i处电压变化与节点i处功率变化关系的电压功率灵敏度参数；

所述的计算表示节点i处电压变化与节点i处功率变化关系的电压功率灵敏度参数的方法为：

通过卡尔曼滤波获得参数估计值后，有如下关系式：

两边同时平方并分别对有功功率P_i与无功功率Q_i求偏导即得到电压功率灵敏度参数，如下式所示：

式中，S_P,i表示电压有功功率灵敏度参数，S_Q,_i表示电压无功功率灵敏度参数，E_i、R_thi和X_thi分别表示戴维南等值参数的等效电源幅值、等效电阻和等效电抗，U_i表示节点i处当前的电压量测值。

8)根据步骤7)得到的电压功率灵敏度参数确定节点i处的无功投入量，返回步骤2)；

所述的确定节点i处的无功投入量包括：

1)计算当前电压量测值与电压限值之间的差值，如下式：

δU_i＝min{|U_min-U_i|,|U_max-U_i|}

式中，U_min表示电压控制下限值，U_max表示电压控制上限值，U_i表示节点i处当前的电压量测值；

2)根据δU_i和灵敏度参数，计算无功控制量，如下所示：

若U_i＜U_min：

若U_i＞U_max：

式中，ΔQ_i为正数代表发出无功，ΔQ_i为负数代表吸收无功；S_Q,i表示节点i处当前的电压无功灵敏度参数；Q_R,i为节点i处的无功剩余容量：

式中，P_DG,i表示分布式电源当前的无功功率，D_i表示分布式电源逆变器的容量。

9)进入下一控制时步，返回步骤2)。

下面给出具体实例：

采用IEEE 33节点算例对本发明提出的方法进行验证，IEEE 33节点算例的网络拓扑连接关系如图2所示，系统的基准容量为1MVA，基准电压为12.66kV。设C₀＝diag([0.00002 0.00002 0.000025 0.000025])，R＝diag([0.000000986 0.000001])，T＝0，0表示0矩阵。设置电压偏差的限值为5％，电压控制下限值为0.95，上限值为1.05，电压下限的控制死区为[0.949，0.951]，上限的控制死区为[1.049，1.051]。采用离线潮流计算生成各历史时间断面的量测数据，并加入0.1％的正态分布随机误差，表示同步相量量测装置的量测噪声。

分别在IEEE 33节点算例的12、14、18、30和33节点接入分布式电源，如图3所示，分布式电源的类型和容量如表1所示，分布式电源的无功功率可以连续调节；在节点18和节点33安装同步相量量测装置，设置为电压观测节点；将1天分成96个离散的时间断面，电压控制的时间步长为15分钟，进行电压控制，负荷曲线以及光伏和风机的出力系数曲线如图4所示。节点18和节点33的电压控制结果如图5和图6所示。

从图5和图6中可看出，对于多分布式电源多观测节点的场景，本发明所提出的算法能够同时将18节点和33节点的电压控制在合理范围内，实现了电压控制的目标；因此本发明的方法适用于多观测节点、多个分布式电源在多时间尺度电压控制上的应用。

表1分布式电源参数

Claims (4)

1.一种基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对于选定的不完全可观的配电系统，输入电压控制的上限值、下限值和电压控制的时间步长和控制死区，设置电压观测节点，获取电压观测节点的节点编号构成集合Ω_O；

2)获取各电压观测节点当前的电压量测值，计算各电压观测节点的电压偏差；

3)将各观测节点的编号按照电压偏差由大到小依次排列为序列N，并令序列N的序号m＝1；

4)令节点编号i＝N_m，N_m表示序列N中的第m个元素，若节点i的电压偏差超过电压控制的上限值或下限值，且电压量测值位于控制死区之外，进入步骤5)，否则进入步骤9)；

5)判断编号为i的节点是否有无功剩余容量，若有则进入步骤6)，否则令m＝m+1，此时若m>|N|进入步骤9)，若m≤|N|返回步骤4)，|N|表示序列N中元素的个数；

6)获取同步相量量测装置的历史量测数据，采用卡尔曼滤波方法估计除节点i外整个配电系统的戴维南等值模型参数；

7)根据步骤6)估计得到的戴维南等值模型参数，计算表示节点i处电压变化与节点i处功率变化关系的电压功率灵敏度参数；

8)根据步骤7)得到的电压功率灵敏度参数确定节点i处的无功投入量，返回步骤2)；

9)进入下一控制时步，返回步骤2)。

2.根据权利要求1所述的基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法，其特征在于，步骤1)中所述的电压观测节点为：具有无功调节资源及调节能力且装有同步相量量测装置的节点。

3.根据权利要求1所述的基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法，其特征在于，步骤7)中所述的计算表示节点i处电压变化与节点i处功率变化关系的电压功率灵敏度参数的方法为：

通过卡尔曼滤波获得参数估计值后，有如下关系式：

两边同时平方并分别对有功功率P_i与无功功率Q_i求偏导即得到电压功率灵敏度参数，如下式所示：

式中，S_P,i表示电压有功功率灵敏度参数，S_Q,i表示电压无功功率灵敏度参数，E_i、R_thi和X_thi分别表示戴维南等值参数的等效电源幅值、等效电阻和等效电抗，U_i表示节点i处当前的电压量测值。

4.根据权利要求1所述的基于同步相量量测等值的智能配电网就地电压控制方法，其特征在于，步骤8)中确定节点i处的无功投入量包括：

(1)计算当前电压量测值与电压限值之间的差值，如下式：

δU_i＝min{|U_min-U_i|,|U_max-U_i|}

式中，U_min表示电压控制下限值，U_max表示电压控制上限值，U_i表示节点i处当前的电压量测值；

(2)根据δU_i和灵敏度参数，计算无功控制量，如下所示：

若U_i<U_min：

若U_i>U_max：

式中，ΔQ_i为正数代表发出无功，ΔQ_i为负数代表吸收无功；S_Q,i表示节点i处当前的电压无功灵敏度参数；Q_R,i为节点i处的无功剩余容量：

式中，P_DG,i表示分布式电源当前的有功功率，D_i表示分布式电源逆变器的容量。

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