CN112653154B - 基于边缘计算的分布式光伏配电网无功优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于边缘架构的分布式有源配电网无功优化控制方法。该方法针对大规模分布式新能源并网接入配电网场景，设计适应于该场景下的无功电压控制方法。本发明设计了一种基于边缘计算架构的分布式光伏无功控制边缘节点，通过无线网络与配网主站进行实时通讯，与配网主站中心共同完成配电网及节点相关的无功优化控制。本方法保留了集中控制和就地控制各自的优势，发挥了分布式能源设备调节速度快的特点，有效减少了通讯量，降低了系统对通信的要求，为解决目前配电网普遍存在的通讯困难、网络时延较长等问题提供了一种有效的优化控制方法。

Description

基于边缘计算的分布式光伏配电网无功优化控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，具体涉及基于边缘计算的分布式光伏配电网无功优化控制方法。

背景技术

随着全球工业化进程的加快，传统化石能源的大量开采和利用导致了资源利用紧张和环境恶化等问题。可再生能源，如风能、太阳能光伏，逐步成为人类可持续发展的重要选择。

分布式光伏发电的比重逐步加大，从而带来了一些突出问题。由于光伏本身具有随机性、间歇性和波动性，高比例光伏并网后会造成网络面临诸多风险。光伏在配电网中渗透率的提高，使得网络电压越限和波动的风险加剧，三相不平衡的问题更加突出，网络中的谐波含量增加以及配电网保护误动作。

分布式光伏的逆变器本身具备快速、连续的无功调节能力，是电力系统中的重要无功电源之一。同时如果在线路上加装可控的串联补偿装置则可以调整线路的电抗。将这些无功电压调节手段纳入配电网区域化无功电压控制，有助于增强电网的无功电压调控能力，提高电网运行的安全性及经济性。一旦分布式光伏纳入配电网的无功电压协调控制，系统监控人员就能够对线路上的无功电压情况做到“实时监视，自动控制”，能够在线根据需要优化分布式光伏无功出力或者调整线路电抗，调整并网点母线电压，提高母线电压的合格水平。

目前配网国内外在分布式光伏电源接入配电网的电压控制技术在集中式的协同控制和分散式的自治控制，这两种方式都存在一定的优势和缺点。光伏逆变器及储能调节响应速度快，集中式控制不能充分发挥光伏调节这种优点，而且当大规模的光伏并网时，对通讯要求会更高，而目前分布式光伏场站的安装地点分散，且多数为偏远地区离配电网主站距离较远，通信条件通常较为恶劣，配电网普遍存在通讯困难、网络时延较长问题；而纯就地控制虽不依赖于通信，控制计算量小等优点，但是传统的就地控制策略往往没有考虑全网的协调控制，无法充分利用光伏的调节能力。

如中国专利CN111490552A，公开日2020年8月4日，一种配电网无功优化方法，针对包含SNOP和DG的配电网，建立以系统有功网损和与上级电网无功交换功率最小为目标函数的无功优化模型，第一阶段优化OLTC的档位，忽略OLTC的动作次数约束条件，利用混合整数粒子群算法求解各个时段有载调压变压器OLTC的档位，采用聚类算法得到有载调压变压器OLTC一天中各个时段的档位，第二阶段优化有功网损与无功功率，将有载调压变压器OLTC一天中各个时段的档位作为已知值，采用标准粒子群算法求解智能软开关SNOP中第一变流器VSC1的有功功率、第一变流器VSC1的无功功率、第二变流器VSC2的无功功率、以及分布式电源DG的无功功率。其虽然能够优化配电网的无功分布和减小网损，具有一定的收敛性和寻优能力，但并没有考虑全网的协调控制，无法充分利用光伏的调节能力。

发明内容

实际工程应用中，配电网普遍存在通讯困难、网络时延较长等问题，而规模化分布式光伏接入通常存在大量本地实时数据处理和控制的问题。为解决上述问题，本发明提出了一种基于边缘计算架构的分布式光伏配电网无功优化控制方法,适应于典型分布式光伏接入配电网的无功优化方法。

本发明所采取的技术方案为：基于边缘计算的分布式光伏配电网无功优化控制方法，包括如下步骤：

S1：边缘节点对光伏站本身及其相关设备的电力量测进行采集；

S2：根据采集到的电力量测和节点参数计算出边缘节点的无功功率及其无功功率的可调节范围，将其上传至配网中心，配网中心结合全网模型、参数和数据进行优化处理；

S3：配网中心将处理后的结果再传至相关边缘节点，边缘节点根据接收到的计算结果连同本地的采集数据、设备参数进行本地计算，并对边缘节点内的可控设备下发调节指令。本方法在实现含分布式光伏配电网无功优化控制时，采用了基于边缘计算架构的分布式光伏边缘节点设计，边缘节点功能包括对应单个分布式光伏节点的数据采集分析、计算、通讯及相关设备的调控等，并和配网主站AVC中心一起通过云边协调完成配电网全网及分布式光伏站的无功电压优化控制，其中边缘节点的功能包括本地数据采集、实时计算本地调节能力、协调数据无线通讯上传、接收实时指令、完成本地节点无功优化策略计算，并向节点范围内可控设备下发指令以完成本地调控。

作为优选，所述步骤S1中边缘节点利用分布式光伏逆变器采集数据，所述光伏逆变器的无功实时调节能力计算公式为：

其中，

为光伏逆变器该时最大的无功可调能力，S_INV为最大可发功率，P_PV为实时有功输出。收集环节涉及的分布式光伏逆变器的电气结构与控制特性，控制灵活，反应速度快，能够实现快速控制并网点的有功和无功。根据有功无功处理能力示意图加上式根据实测的光伏出力P实时计算出光伏逆变器和光伏节点整体的实时无功出力允许范围。

作为优选，所述步骤S2中所述边缘节点无功功率的计算流程包括如下步骤：

S21：边缘节点开始计算；

S22：采集本地信息；

S23：读取云边协同信息；

S24：判断是否协同信息有效且设置为协同模式，若是，则进入步骤S25，若不是，则进入步骤S29；

S25：更新协同信息并计算节点电压无功策略；

S26：判断策略计算是否成功，若是，则进入步骤S27，若不是则，进入步骤S29；

S27：更新本地设备控制指令，更新节点协同无功调节能力；

S28：判断是否优化成功，若是，则进入步骤S211，若不是，则进入步骤S210；

S29：取用上一时刻有效信息或下垂控制信息；

S210：采用就地控制策略；

S211：本地调节指令下发协同信息上传；

S212：返回步骤S21。边缘节点提供协同和就地控制两种自动控制模式，以确保分布式光伏节点电压无功在任何情景下都在有效控制之下，并根据通信状态及参数配置自动在就地和协同模式之间切换。协同模式时，按前述功能定义完成边缘节点范围内计算和控制。而当通讯异常自动切换到或者手工设置到就地控制模式时，采用下垂控制等其它本地策略进行计算和调节。

作为优选，配电网的网损目标函数为：

式中，P_Loss为电网中线路损耗，N为电网节点数，P_Loss为流经i节点的电流，R_i，L为电网中i节点的等效电阻。配网网损以线损为主，占比超过70％，因此配电网的无功优化主要是网损目标最小，目标函数越小，无功优化的效果越明显。

作为优选，配电网的约束条件包括用于满足电网潮流平衡的功率平衡约束、节点电压约束、光伏边缘节点的无功出力约束、电容电抗装置约束和可调变压器等装置约束，所述节点电压约束关系式为：

V_i ^min≤V_i≤V_i ^max i＝1...N_PQ

其中，V_i ^min，V_i ^max分别为最小和最大电压幅度限制，

所述光伏边缘节点的无功出力约束的关系式为：

其中，QG_,i表示光伏节点并网实时无功出力，

和/>

代表边缘节点i实时的调节能力，所述电容电抗装置约束关系式为：

所述节点电压约束关系式为：

通过功率平衡约束、节点电压约束、光伏边缘节点的无功出力约束、电容电抗装置约束和可调变压器等装置约束等约束关系式保持配电网的平稳运行。

作为优选，所述步骤S2中所述优化处理方法包括二次松驰无功优化计算，所述二次松驰无功优化计算流程包括如下步骤：

S41：平台接口开始接收数据；

S42：获取电网模型参数及数据；

S43：含边缘节点模型拓扑分区；

S44：判断是否有节点电压无功超限，若是，则进入步骤S46，若不是，则进入步骤S45；

S45：进行灵敏度设备裕度择优法校正；

S46：判断基态潮流是否收敛，若是，则进入步骤S47，若不是则，进入步骤S49；

S47：进行二次松弛无功优化；

S48：判断是否优化成功，若是，则进入步骤S410，若不是，则进入步骤S49；

S49：进行二次电压校正控制；

S410：调节指令；

S411：返回步骤S41。配网主站AVC中心负责全网无功优化计算和协调控制，通过边缘节点实现分布式光伏接入和控制，配网中心结合全网模型、参数和数据进行优化处理，提高配电网电压质量，使光伏站电压无功调节能力得到了有效的利用，进而整体提高了配电网的电压无功调节能力。

作为优选，所述边缘节点包括基础平台、用于实现用户接口UI和核心计算功能的功能层、用于解决不同分布式能源采用不同协议和规范的差异性问题的信息层和用于完成节点与智能采集和控制设备通讯的通信层。边缘节点参照智能电网用户接口领域的IEC62939标准，其设计和配置包括基础平台、功能层、信息层和通信层。其中基础平台层采用现有的嵌入式平台。边缘计算(EC)主要为应用功能层的内容：包括用户接口UI、核心计算功能等；而边缘节点的信息层设计主要要解决不同分布式能源采用不同协议和规范的差异性问题，保证节点的扩展性和升级，实现即插即用。而通信层解决协议适配，支持典型和标准协议，完成节点与智能采集和控制设备的通讯，并具备关键电压无功数据读取、有功无功调节控制指令接收和发送等功能。

作为优选，所述边缘节点装置安装在分布式光伏场场站内，所述边缘节点装置设有4G/5G通信装置。边缘节点装置安装在分布式光伏场场站内，由于分布式光伏场站的安装地点分散，通讯条件恶劣，因此给装置配备4G/5G通信；边缘节点与电网主控站之间采用无线通讯，通讯条件好的可以采用有线通信。

本发明的实质性效果是：通过无线网络与配网主站进行实时通讯，与配网主站中心共同完成配电网及节点相关的无功优化控制。本方法保留了集中控制和就地控制各自的优势，发挥了分布式能源设备调节速度快的特点，有效减少了通讯量，降低了系统对通信的要求，为解决目前配电网普遍存在的通讯困难、网络时延较长等问题提供了一种有效的优化控制方法。

附图说明

图1为本发明整体实施步骤的流程图。

图2为光伏电气结构及控制特性示意图。

图3为光伏逆变器的有功无功出力能力示意图。

图4为本发明的边缘节点计算流程示意图。

图5为本发明的二次松驰无功优化计算流程示意图。

图6为本发明实例的标准33节点测试系统示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

一种基于边缘计算的分布式光伏配电网无功优化控制方法，如图1所示，本发明通过边缘节点完成对光伏站及并网周边的电压无功的感知、相关设备的自动调控，边缘节点与配电网主站AVC协同控制，实时交互，实现含分布式光伏配电网无功电压的有效控制。

本发明的整体架构可以分为以下收集、处理、反馈三个环节，包括如下步骤：

S1：边缘节点对光伏站本身及其相关设备的电力量测进行采集；其中边缘节点利用分布式光伏逆变器采集数据，光伏逆变器的无功实时调节能力计算公式为：

其中，

为光伏逆变器该时最大的无功可调能力，S_INV为最大可发功率，P_PV为实时有功输出。收集环节涉及的分布式光伏逆变器的电气结构与控制特性，如图2所示，控制灵活，反应速度快，能够实现快速控制并网点的有功和无功。如图3所示，根据有功无功处理能力示意图加上式根据实测的光伏出力P实时计算出光伏逆变器和光伏节点整体的实时无功出力允许范围。边缘节点包括基础平台、用于实现用户接口UI和核心计算功能的功能层、用于解决不同分布式能源采用不同协议和规范的差异性问题的信息层和用于完成节点与智能采集和控制设备通讯的通信层。边缘节点参照智能电网用户接口领域的IEC62939标准，其设计和配置包括基础平台、功能层、信息层和通信层。其中基础平台层采用现有的嵌入式平台。边缘计算(EC)主要为应用功能层的内容：包括用户接口UI、核心计算功能等；而边缘节点的信息层设计主要要解决不同分布式能源采用不同协议和规范的差异性问题，保证节点的扩展性和升级，实现即插即用。而通信层解决协议适配，支持典型和标准协议，完成节点与智能采集和控制设备的通讯，并具备关键电压无功数据读取、有功无功调节控制指令接收和发送等功能。

S2：根据采集到的电力量测和节点参数计算出边缘节点的无功功率及其无功功率的可调节范围，将其上传至配网中心，配网中心结合全网模型、参数和数据进行优化处理；边缘节点装置安装在分布式光伏场场站内，边缘节点装置设有4G/5G通信装置。边缘节点装置安装在分布式光伏场场站内，由于分布式光伏场站的安装地点分散，通讯条件恶劣，因此给装置配备4G/5G通信；边缘节点与电网主控站之间采用无线通讯，通讯条件好的可以采用有线通信。如图4所示，步骤S2中边缘节点无功功率的计算流程包括如下步骤：

S21：边缘节点开始计算；

S22：采集本地信息；

S23：读取云边协同信息；

S24：判断是否协同信息有效且设置为协同模式，若是，则进入步骤S25，若不是，则进入步骤S29；

S25：更新协同信息并计算节点电压无功策略；

S26：判断策略计算是否成功，若是，则进入步骤S27，若不是则，进入步骤S29；

S27：更新本地设备控制指令，更新节点协同无功调节能力；

S28：判断是否优化成功，若是，则进入步骤S211，若不是，则进入步骤S210；

S29：取用上一时刻有效信息或下垂控制信息；

S210：采用就地控制策略；

S211：本地调节指令下发协同信息上传；

S212：返回步骤S21。边缘节点提供协同和就地控制两种自动控制模式，以确保分布式光伏节点电压无功在任何情景下都在有效控制之下，并根据通信状态及参数配置自动在就地和协同模式之间切换。协同模式时，按前述功能定义完成边缘节点范围内计算和控制。而当通讯异常自动切换到或者手工设置到就地控制模式时，采用下垂控制等其它本地策略进行计算和调节。

如图5所示，步骤S2中优化处理方法包括二次松驰无功优化计算，二次松驰无功优化计算流程包括如下步骤：

S41：平台接口开始接收数据；

S42：获取电网模型参数及数据；

S43：含边缘节点模型拓扑分区；

S44：判断是否有节点电压无功超限，若是，则进入步骤S46，若不是，则进入步骤S45；

S45：进行灵敏度设备裕度择优法校正；

S46：判断基态潮流是否收敛，若是，则进入步骤S47，若不是则，进入步骤S49；

S47：进行二次松弛无功优化；

S48：判断是否优化成功，若是，则进入步骤S410，若不是，则进入步骤S49；

S49：进行二次电压校正控制；

S410：调节指令；

S411：返回步骤S41。配网主站AVC中心负责全网无功优化计算和协调控制，通过边缘节点实现分布式光伏接入和控制，配网中心结合全网模型、参数和数据进行优化处理，提高配电网电压质量，使光伏站电压无功调节能力得到了有效的利用，进而整体提高了配电网的电压无功调节能力。

S3：配网中心将处理后的结果再传至相关边缘节点，边缘节点根据接收到的计算结果连同本地的采集数据、设备参数进行本地计算，并对边缘节点内的可控设备下发调节指令。

配电网的约束条件包括用于满足电网潮流平衡的功率平衡约束、节点电压约束、光伏边缘节点的无功出力约束、电容电抗装置约束和可调变压器等装置约束，节点电压约束关系式为：

V_i ^min≤V_i≤V_i ^max i＝1...N_PQ

其中，V_i ^min，V_i ^max分别为最小和最大电压幅度限制，

光伏边缘节点的无功出力约束的关系式为：

其中，Q_G,i表示光伏节点并网实时无功出力，

和/>

代表边缘节点i实时的调节能力，电容电抗装置约束关系式为：

节点电压约束关系式为：

通过功率平衡约束、节点电压约束、光伏边缘节点的无功出力约束、电容电抗装置约束和可调变压器等装置约束等约束关系式保持配电网的平稳运行。配网网损以线损为主，占比超过70％，因此配电网的无功优化主要是网损目标最小，目标函数越小，无功优化的效果越明显。配电网的网损目标函数为：

式中，P_Loss为电网中线路损耗，N为电网节点数，P_Loss为流经i节点的电流，R_i，L为电网中i节点的等效电阻。

本实施例在实现含分布式光伏配电网无功优化控制时，采用了基于边缘计算架构的分布式光伏边缘节点设计，边缘节点功能包括对应单个分布式光伏节点的数据采集分析、计算、通讯及相关设备的调控等，并和配网主站AVC中心一起通过云边协调完成配电网全网及分布式光伏站的无功电压优化控制，其中边缘节点的功能包括本地数据采集、实时计算本地调节能力、协调数据无线通讯上传、接收实时指令、完成本地节点无功优化策略计算，并向节点范围内可控设备下发指令以完成本地调控。

本发明与分布式光伏站结合，利用其站点的实际历史数据，对线路负荷及光伏发电进行仿真计算，标准33节点测试系统如图6所示。

根据图6及功率基准值求得的电压幅值结果如表1所示。在未考虑到分布式能源控制的情况下，会有13、14、15等多个节点越限的情况。

表1标准模型计算结果精度(1.0*10-6)

之后在2、19、24、4、7、12、17、21、30、32等节点配置分布式光伏电源，并且将数据按照天气类型划分成晴、雨、阴三组数据，对不同类型的线路负荷及光伏发电进行仿真计算。

仿真结果按照不通过天气类型分别得到表2、表3和表4的结果。

表2带分布式有源模型计算结果精度(1.0*10-6)

0	1.000000	11	1.000000	22	0.998977
						1	1.000000	12	0.997371	23	1.000000
2	0.999243	13	0.997129	24	0.996766
						3	1.000000	14	0.997204	25	0.99947
4	0.997953	15	0.997381	26	1.000000
						5	0.999197	16	1.000000	27	0.999939
6	1.000000	17	0.999445	28	1.00031
						7	0.997613	18	1.000000	29	1.000000
8	0.998707	19	0.996435	30	0.999567
						9	1.00034	20	0.995733	31	1.000000
10	1.00018	21	0.995098	32	0.99974

表3带分布式有源模型计算结果(雨天)精度(1.0*10-6)

0	1.000000	11	1.000000	22	0.998938
						1	1.000000	12	0.997311	23	1.000000
2	0.9992	13	0.997097	24	0.996766
						3	1.000000	14	0.99716	25	0.999438
4	0.997783	15	0.997304	26	1.000000
						5	0.999144	16	1.000000	27	0.999967
6	1.000000	17	0.999445	28	1.00036
						7	0.997491	18	1.000000	29	1.000000
8	0.998675	19	0.996435	30	0.999559
						9	1.00042	20	0.995733	31	1.000000
10	1.00022	21	0.995098	32	0.99974

表4带分布式有源模型计算结果(阴天)精度(1.0*10-6)

从计算结果可以看出，在所有的天气情况下，光伏节点电压在合格范围内，原先的越限节点13、14、15等均合格，配网的无功电压得到了有效的控制。

以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于边缘计算的分布式光伏配电网无功优化控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：边缘节点对光伏站本身及其相关设备的电力量测进行采集；

S2：根据采集到的电力量测和节点参数计算出边缘节点的无功功率及其无功功率的可调节范围，将其上传至配网中心，配网中心结合全网模型、参数和数据进行优化处理；

所述步骤S2中所述边缘节点无功功率的计算流程包括如下步骤：

S21：边缘节点开始计算；

S22：采集本地信息；

S23：读取云边协同信息；

S24：判断是否协同信息有效且设置为协同模式，若是，则进入步骤S25，若不是，则进入步骤S29；

S25：更新协同信息并计算节点电压无功策略；

S26：判断策略计算是否成功，若是，则进入步骤S27，若不是则，进入步骤S29；

S27：更新本地设备控制指令，更新节点协同无功调节能力；

S28：判断是否优化成功，若是，则进入步骤S211，若不是，则进入步骤S210；

S29：取用上一时刻有效信息或下垂控制信息；

S210：采用就地控制策略；

S211：本地调节指令下发协同信息上传；

S212：返回步骤S21

S3：配网中心将处理后的结果再传至相关边缘节点，边缘节点根据接收到的计算结果连同本地的采集数据、设备参数进行本地计算，并对边缘节点内的可控设备下发调节指令；

配电网的网损目标函数为：

式中，P_Loss为电网中线路损耗，N为电网节点数，R_i,L为电网中i节点的等效电阻；

配电网的约束条件包括用于满足电网潮流平衡功率平衡约束、节点电压约束、光伏边缘节点的无功出力约束、电容电抗装置约束和可调变压器等装置约束，所述节点电压约束关系式为：

V_i ^min≤V_i≤V_i ^max i＝1...N_PQ

其中，V_i ^min，V_i ^max分别为最小和最大电压幅度限制，

所述光伏边缘节点的无功出力约束的关系式为：

其中，Q_G,i表示光伏节点并网实时无功出力，

和/>

代表边缘节点i实时的调节能力，所述电容电抗装置约束关系式为：

所述节点电压约束关系式为：

所述步骤S2中所述优化处理方法包括二次松驰无功优化计算，所述二次松驰无功优化计算流程包括如下步骤：

S41：平台接口开始接收数据；

S42：获取电网模型参数及数据；

S43：含边缘节点模型拓扑分区；

S44：判断是否有节点电压无功超限，若是，则进入步骤S46，若不是，则进入步骤S45；

S45：进行灵敏度设备裕度择优法校正；

S46：判断基态潮流是否收敛，若是，则进入步骤S47，若不是则，进入步骤S49；

S47：进行二次松弛无功优化；

S48：判断是否优化成功，若是，则进入步骤S410，若不是，则进入步骤S49；

S49：进行二次电压校正控制；

S410：调节指令；

S411：返回步骤S41。

2.根据权利要求1所述的基于边缘计算的分布式光伏配电网无功优化控制方法，其特征在于，所述步骤S1中边缘节点利用分布式光伏逆变器采集数据，所述光伏逆变器的无功实时调节能力计算公式为：

其中，

为光伏逆变器实时最大的无功可调能力，S_INV为最大可发功率，P_PV为实时有功输出。

3.根据权利要求1所述的基于边缘计算的分布式光伏配电网无功优化控制方法，其特征在于，所述边缘节点包括基础平台、用于实现用户接口UI和核心计算功能的功能层、用于解决不同分布式能源采用不同协议和规范的差异性问题的信息层和用于完成节点与智能采集和控制设备通讯的通信层。

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