CN112713594B - 一种微电网仿真控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微电网仿真控制系统，包括：仿真管理模块、运行管理模块和故障控制模块。本发明的一种微电网仿真控制系统，基于建模仿真实现对微电网的运行分析管理，同时建立异常模型进行异常事件监控预警，尤其是能实现精准合理的故障电流测算。

Description

一种微电网仿真控制系统
技术领域
本发明涉及微电网领域，具体涉及一种微电网仿真控制系统。
背景技术
建立在微电网计算理论上的微电网仿真技术是分析微电网复杂电磁和机电暂态过程、优化规划与运行、稳定性分析与控制等各项技术研究和测试的必需手段，是对微电网进行研究的基础。
对微电网的正确建模与仿真，能为微电网的运行控制、发电调度、故障处理和保护整定等提供参考，是对微电网进行合理规划和正确运行控制的保障。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的缺陷和不足，本发明一种微电网仿真控制系统，包括：仿真管理模块、运行管理模块和故障控制模块，其中。
所述仿真管理模块，用于。
微电网建模，包括微电源单元及单元级控制器的建模和微电网系统级控制器、系统整体运行控制及能量优化管理系统的建模。其中，对于微电网单元级控制器建模，首先对微电网系统中的各种供热、供电、储能单元及单元级控制器进行单元级建模，建立的模型包括系统各组成单元的数学模型、以可再生能源为初始能源的微电源单元输出功率的随机模型和储能单元的充放电控制模型。对于微电网系统级控制器及能量优化管理系统建模。建立的模型用于短期或超短期的可再生能源的能量预测和负荷需求预测、机组组合、经济调度、实时管理以及电力电子变换器的控制。
微电网仿真，包括：微电网元件的稳态与动态建模，包括微型燃气轮机、内燃机、燃料电池和光伏电池在内的分布式电源以及储能装置的计算模型及其相互转化；微电网及含微网的配电网的潮流计算、状态估计、短路电流计算和稳定性定义与分析；以及微电网全过程数字仿真。
所述运行管理模块，用于。
切换控制，当检测到微电网发生孤岛效应，或根据情况需要微电网独立运行时，断开与公共电网的连接转入独立运行模式。当公共电网供电恢复正常时，或根据情况需要微电网联网运行时，将处于独立运行模式的微电网重新联入公共电网。
机组控制，根据微电网的控制目标，选择对应的下降特性曲线作为微型电源的控制方式，利用频率有功下降曲线将系统不平衡的功率动态分配给各机组。
数据统计分析，通过仿真模型进行设备实时数据分析、设备历史数据分析、电网事件分析，对设备监控数据、检修数据和缺陷数据进行深度运行信息挖掘，包括告警分析、总量分析、频发信息分析、未复归信息分析、母线电压越限和设备油温分析、软压板统计分析、通信通道状态分析以及变压器挡位和直流系统运行状态分析。
所述故障控制模块，通过挖掘海量历史数据分析关联关系，建立设备故障异常模型，利用文本分析从非结构化的数据文本中辨识出设备故障异常，并不断训练修正，实现对恶劣天气趋势性预警、设备家族性缺陷趋势预警、典型异常信息热点侦测、频发信息侦测诊断、监控信息关联性侦测、跳闸时序匹配侦测、跳闸信息匹配侦测和故障电流测算。
其中，所述故障电流测算，包括以下步骤。
S10.初始化，读入网络参数和计算参数。
S20.读入一个电气岛,获取岛内的电源点。
S30.计算故障点到电源点的等值阻抗，包括。
（1）所述微电网节点标号替换。
（2）标号替换后进行潮流计算。
(3)取一个故障点进行计算；在求取故障点时，预先将选取的节点转化为计算母线点，可以只计算包括开关站和环网柜在内的厂站的母线，也可以计算所有的节点，还可以取馈线段中间点进行计算。
(4)求取故障点到电源点的最短路径，即故障点到电源点的最小路，将其节点顺序保存到结构数组中，该结构数组包括短路点和电源节点；在进行节点标号时，每个节点在扩展时保存扩展节点，最后用扩展节点进行上层节点的回溯，即可得到短路点的最短路径。
(5)从结构数组中取一个节点。
(6)如果节点上有负荷，则根据节点的负荷功率和当前电压求取负荷点的阻抗，将其并联累加到总阻抗。
(7)如果节点上有非最短路径上的支路，则用支路电流求取该支路及其下游的阻抗，将其并联累加到总阻抗。
(8)重复(5)-(7),计算全部节点所连的总阻抗。
(9)根据配电网的短路容量和阻抗比计算母线系统的等值阻抗。
S40.根据等值阻抗和故障点的稳态电压值，计算故障点的三相故障电流和两相故障电流。
S50.计算故障后的其他节点电压,根据节点电压计算各个支路的故障电流。
S60.重复S20-S50,完成整个网络的故障电流计算校验。
其中，所述标号替换后进行潮流计算，具体包括。
（21）初始化，设置最大迭代次数和收敛精度。
（22）读取电源数据，判断首端节点是否有量测。
如果首端没有量测，则根据空间负荷预测结果读取负荷点数据进行估计，所述读取负荷点数据以标号替换后的负荷节点的负荷值为准；负荷节点的负荷为根据运行方式得出的计算值。
如果首端有量测，则计算前后功率差值，对负荷点进行更正，具体地，当馈线首端在变电站内时，计算计算结果与量测值的偏差；即在首端，累加计算一个总的负荷值，计算这个总的负荷值与现有的电源点量测之间的差值，将这个差值平均分配到每一个负荷上面，根据馈线的网损对负荷点进行功率值修正，最后收敛值将是电源点的量测。
（23）计算各节点的注入；根据电压计算各个节点的注入，用变压器绕组的首末端电压计算绕组首末端的有功和无功值，包括在每次迭代中，获取上次迭代中的电容器的电压值，根据获取的电压值计算当次迭代中的电容器的无功注入和无功出力，其中每次迭代中的电容器的电压值都不相同。
（24）从最下层节点开始，一直到顶层电源点，根据当前层节点在上次迭代中的电压和功率，以及上层节点在上次迭代中的电压和功率，计算当前层与上层的连接支路中当前层节点到上层节点的功率损耗，并根据当前层节点的功率与所述功率损耗的总和，确定上层节点的功率注入；其中，若当前层有多个节点，则分别计算当前层每个节点到上层节点的功率损耗，并分别将当前层每个节点的功率加上每个节点对应的功率损耗，得到当前层与上层的支路中当前层每个节点到上层节点的功率注入，将当前层每个节点到上层节点的功率注入进行求和，得到上层节点的功率注入；在每个支路的末端节点处都存储本层节点对上级节点的功率值，即上层节点的功率注入。
（25）从每个支路的末端节点处获取全部所述上层节点的功率注入，根据获取的所述上层节点的功率注入和支路的阻抗值计算每个节点在当前迭代中的电压值；并根据每个节点在当前迭代中的电压值和上次迭代中的电压值，计算每个节点在前后两次迭代中的电压差值的绝对值dU。
(26)判断是否满足收敛条件，如果不满足，则重复(22)-(25)；如果满足收敛条件，则退出；所述收敛条件包括：电压差值的绝对值dU小于设定阈值，或者迭代次数大于给定的最大迭代次数；满足上述收敛条件其中之一则退出，停止迭代。
优选地，所述运行管理模块，还用于。
数据展示，展示全网监控相关业务情况，包括各电压等级集中监控变电站情况、集中监控变电站自动电压无功控制AVC情况、故障电流分布和变化情况、开关常态化操作统计、各电压等级调控中心设备缺陷情况、各地市遥信告警信号量分布情况和全省设备跳闸数量分布；同时可展示全网监控管理人员和监控运行人员情况，包括统计人员到位率、人员学历分布、人员年龄分布、人员所属公司级别，及人员承载力情况等。
本发明的一种微电网仿真控制系统，基于建模仿真实现对微电网的运行分析管理，同时建立异常模型进行异常事件监控预警，尤其是能实现精准合理的故障电流测算。
附图说明
图1为本发明一种微电网仿真控制系统的结构图。
具体实施方式
如图1所示，本发明一种微电网仿真控制系统，包括：仿真管理模块、运行管理模块和故障控制模块，其中。
所述仿真管理模块，用于。
微电网建模，包括微电源单元及单元级控制器的建模和微电网系统级控制器、系统整体运行控制及能量优化管理系统的建模。其中，对于微电网单元级控制器建模，首先对微电网系统中的各种供热、供电、储能单元及单元级控制器进行单元级建模，建立的模型包括系统各组成单元的数学模型、以可再生能源为初始能源的微电源单元输出功率的随机模型和储能单元的充放电控制模型。对于微电网系统级控制器及能量优化管理系统建模。建立的模型用于短期或超短期的可再生能源的能量预测和负荷需求预测、机组组合、经济调度、实时管理以及电力电子变换器的控制。
微电网仿真，包括：微电网元件的稳态与动态建模，包括微型燃气轮机、内燃机、燃料电池和光伏电池在内的分布式电源以及储能装置的计算模型及其相互转化；微电网及含微网的配电网的潮流计算、状态估计、短路电流计算和稳定性定义与分析；以及微电网全过程数字仿真。
由于微电网中电力电子技术的应用、微网接入对原有配电系统特性的改变、微电网运行方式的不确定性等因素，微电网的计算仿真技术与目前的电网计算和仿真技术相比，需要考虑更多因素。
所述运行管理模块，用于。
切换控制，当检测到微电网发生孤岛效应，或根据情况需要微电网独立运行时，断开与公共电网的连接转入独立运行模式。当公共电网供电恢复正常时，或根据情况需要微电网联网运行时，将处于独立运行模式的微电网重新联入公共电网。
机组控制，根据微电网的控制目标，选择对应的下降特性曲线作为微型电源的控制方式，利用频率有功下降曲线将系统不平衡的功率动态分配给各机组。
数据统计分析，通过仿真模型进行设备实时数据分析、设备历史数据分析、电网事件分析，对设备监控数据、检修数据和缺陷数据进行深度运行信息挖掘，包括告警分析、总量分析、频发信息分析、未复归信息分析、母线电压越限和设备油温分析、软压板统计分析、通信通道状态分析以及变压器挡位和直流系统运行状态分析。
所述故障控制模块，通过挖掘海量历史数据分析关联关系，建立设备故障异常模型，利用文本分析从非结构化的数据文本中辨识出设备故障异常，并不断训练修正，实现对恶劣天气趋势性预警、设备家族性缺陷趋势预警、典型异常信息热点侦测、频发信息侦测诊断、监控信息关联性侦测、跳闸时序匹配侦测、跳闸信息匹配侦测和故障电流测算。
其中，所述故障电流测算，包括以下步骤。
S10.初始化，读入网络参数和计算参数。
S20.读入一个电气岛,获取岛内的电源点。
S30.计算故障点到电源点的等值阻抗，包括。
（1）所述微电网节点标号替换。
（2）标号替换后进行潮流计算。
(3)取一个故障点进行计算；在求取故障点时，预先将选取的节点转化为计算母线点，可以只计算包括开关站和环网柜在内的厂站的母线，也可以计算所有的节点，还可以取馈线段中间点进行计算。
(4)求取故障点到电源点的最短路径，即故障点到电源点的最小路，将其节点顺序保存到结构数组中，该结构数组包括短路点和电源节点；在进行节点标号时，每个节点在扩展时保存扩展节点，最后用扩展节点进行上层节点的回溯，即可得到短路点的最短路径。
(5)从结构数组中取一个节点。
(6)如果节点上有负荷，则根据节点的负荷功率和当前电压求取负荷点的阻抗，将其并联累加到总阻抗。
(7)如果节点上有非最短路径上的支路，则用支路电流求取该支路及其下游的阻抗，将其并联累加到总阻抗。
(8)重复(5)-(7),计算全部节点所连的总阻抗。
(9)根据配电网的短路容量和阻抗比计算母线系统的等值阻抗。
S40.根据等值阻抗和故障点的稳态电压值，计算故障点的三相故障电流和两相故障电流。
S50.计算故障后的其他节点电压,根据节点电压计算各个支路的故障电流。
S60.重复S20-S50,完成整个网络的故障电流计算校验。
其中，所述标号替换后进行潮流计算，具体包括。
（21）初始化，设置最大迭代次数和收敛精度。
（22）读取电源数据，判断首端节点是否有量测。
如果首端没有量测，则根据空间负荷预测结果读取负荷点数据进行估计，所述读取负荷点数据以标号替换后的负荷节点的负荷值为准；负荷节点的负荷为根据运行方式得出的计算值。
如果首端有量测，则计算前后功率差值，对负荷点进行更正，具体地，当馈线首端在变电站内时，计算计算结果与量测值的偏差；即在首端，累加计算一个总的负荷值，计算这个总的负荷值与现有的电源点量测之间的差值，将这个差值平均分配到每一个负荷上面，根据馈线的网损对负荷点进行功率值修正，最后收敛值将是电源点的量测。
（23）计算各节点的注入；根据电压计算各个节点的注入，用变压器绕组的首末端电压计算绕组首末端的有功和无功值，包括在每次迭代中，获取上次迭代中的电容器的电压值，根据获取的电压值计算当次迭代中的电容器的无功注入和无功出力，其中每次迭代中的电容器的电压值都不相同。
（24）从最下层节点开始，一直到顶层电源点，根据当前层节点在上次迭代中的电压和功率，以及上层节点在上次迭代中的电压和功率，计算当前层与上层的连接支路中当前层节点到上层节点的功率损耗，并根据当前层节点的功率与所述功率损耗的总和，确定上层节点的功率注入；其中，若当前层有多个节点，则分别计算当前层每个节点到上层节点的功率损耗，并分别将当前层每个节点的功率加上每个节点对应的功率损耗，得到当前层与上层的支路中当前层每个节点到上层节点的功率注入，将当前层每个节点到上层节点的功率注入进行求和，得到上层节点的功率注入；在每个支路的末端节点处都存储本层节点对上级节点的功率值，即上层节点的功率注入。
（25）从每个支路的末端节点处获取全部所述上层节点的功率注入，根据获取的所述上层节点的功率注入和支路的阻抗值计算每个节点在当前迭代中的电压值；并根据每个节点在当前迭代中的电压值和上次迭代中的电压值，计算每个节点在前后两次迭代中的电压差值的绝对值dU。
(26)判断是否满足收敛条件，如果不满足，则重复(22)-(25)；如果满足收敛条件，则退出；所述收敛条件包括：电压差值的绝对值dU小于设定阈值，或者迭代次数大于给定的最大迭代次数；满足上述收敛条件其中之一则退出，停止迭代。
优选地，所述运行管理模块，还用于。
数据展示，展示全网监控相关业务情况，包括各电压等级集中监控变电站情况、集中监控变电站自动电压无功控制AVC情况、故障电流分布和变化情况、开关常态化操作统计、各电压等级调控中心设备缺陷情况、各地市遥信告警信号量分布情况和全省设备跳闸数量分布；同时可展示全网监控管理人员和监控运行人员情况，包括统计人员到位率、人员学历分布、人员年龄分布、人员所属公司级别，及人员承载力情况等。
所述微电网节点标号替换，包括。
(11)初始化，节点标号N=1，将岛内的所有的节点都设为未处理。
(12)从电源点开始搜索，电源点N=1；将电源点作为起始节点加入到队列中。
(13)从队列中弹出一个节点D。
(14)判断是否进行了节点合并，若是，则利用计算母线恢复开关支路，并找到与节点D连接的所有支路，否则直接确定与节点D连接的所有支路。
(15)对节点D所连支路进行循环，将支路所连节点数累加，最后得到每个节点的度。
(16)查找除节点D外一个或多个最小度的节点E，如果节点E已处理，则剔除该最小度的节点后重新执行（15），如果节点E未处理则进入（17）。
(17)将节点E作为本层的扩展节点加入到队列，同时将节点E的节点标号替换为M,其中M=N+l；并将节点E设为已处理。
(18)判断队列是否为空，如果不为空，则循环(13)-(17)，将队列中所有的扩展节点全部搜索到，如果为空，则将替换的扩展节点的节点标号写入到电源点、支路、负荷和电容器设备中。
其中，上述仿真管理模块、运行管理模块和故障控制模块通过对应的进程和线程实现模块功能，各模块之间通过逻辑连接或电连接，各模块具体功能可由物理处理器执行存储器中存储的程序代码实现。
本发明的一种微电网仿真控制系统，基于建模仿真实现对微电网的运行分析管理，同时建立异常模型进行异常事件监控预警，尤其是能实现精准合理的故障电流测算。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (2)

1.一种微电网仿真控制系统，其特征在于，包括：仿真管理模块、运行管理模块和故障控制模块，其中，
所述仿真管理模块，用于：
微电网建模，包括微电网单元及单元级控制器的建模和微电网系统级控制器、系统整体运行控制及能量优化管理系统的建模；其中，对于微电网单元级控制器建模，首先对微电网系统中的各种供热、供电、储能单元及单元级控制器进行单元级建模，建立的模型包括系统各组成单元的数学模型、以可再生能源为初始能源的微电网单元输出功率的随机模型和储能单元的充放电控制模型；对于微电网系统级控制器及能量优化管理系统建模；建立的模型用于短期或超短期的可再生能源的能量预测和负荷需求预测、机组组合、经济调度、实时管理以及电力电子变换器的控制；
微电网仿真，包括：微电网元件的稳态与动态建模，包括微型燃气轮机、内燃机、燃料电池和光伏电池在内的分布式电源以及储能装置的计算模型及其相互转化；微电网及含微网的配电网的潮流计算、状态估计、短路电流计算和稳定性定义与分析；以及微电网全过程数字仿真；
所述运行管理模块，用于：
切换控制，当检测到微电网发生孤岛效应，或根据情况需要微电网独立运行时，断开与公共电网的连接转入独立运行模式；当公共电网供电恢复正常时，或根据情况需要微电网联网运行时，将处于独立运行模式的微电网重新联入公共电网；
机组控制，根据微电网的控制目标，选择对应的下降特性曲线作为微型电源的控制方式，利用频率有功下降曲线将系统不平衡的功率动态分配给各机组；
数据统计分析，通过仿真模型进行设备实时数据分析、设备历史数据分析、电网事件分析，对设备监控数据、检修数据和缺陷数据进行深度运行信息挖掘，包括告警分析、总量分析、频发信息分析、未复归信息分析、母线电压越限和设备油温分析、软压板统计分析、通信通道状态分析以及变压器挡位和直流系统运行状态分析；
所述故障控制模块，通过挖掘海量历史数据分析关联关系，建立设备故障异常模型，利用文本分析从非结构化的数据文本中辨识出设备故障异常，并不断训练修正，实现对恶劣天气趋势性预警、设备家族性缺陷趋势预警、典型异常信息热点侦测、频发信息侦测诊断、监控信息关联性侦测、跳闸时序匹配侦测、跳闸信息匹配侦测和故障电流测算；
其中，所述故障电流测算，包括以下步骤：
S10.初始化，读入网络参数和计算参数；
S20.读入一个电气岛,获取岛内的电源点；
S30.计算故障点到电源点的等值阻抗，包括：
（1）所述微电网节点标号替换；
（2）标号替换后进行潮流计算；
(3)取一个故障点进行计算；在求取故障点时，预先将选取的节点转化为计算母线点，可以只计算包括开关站和环网柜在内的厂站的母线，也可以计算所有的节点，还可以取馈线段中间点进行计算；
(4)求取故障点到电源点的最短路径，即故障点到电源点的最小路，将其节点顺序保存到结构数组中，该结构数组包括短路点和电源节点；在进行节点标号时，每个节点在扩展时保存扩展节点，最后用扩展节点进行上层节点的回溯，即可得到短路点的最短路径；
(5)从结构数组中取一个节点；
(6)如果节点上有负荷，则根据节点的负荷功率和当前电压求取负荷点的阻抗，将其并联累加到总阻抗；
(7)如果节点上有非最短路径上的支路，则用支路电流求取该支路及其下游的阻抗，将其并联累加到总阻抗；
(8)重复(5)-(7),计算全部节点所连的总阻抗；
(9)根据配电网的短路容量和阻抗比计算母线系统的等值阻抗；
S40.根据等值阻抗和故障点的稳态电压值，计算故障点的三相故障电流和两相故障电流；
S50.计算故障后的其他节点电压,根据节点电压计算各个支路的故障电流；
S60.重复S20-S50,完成整个网络的故障电流计算校验；
其中，所述标号替换后进行潮流计算，具体包括：
（21）初始化，设置最大迭代次数和收敛精度；
（22）读取电源数据，判断首端节点是否有量测；
如果首端没有量测，则根据空间负荷预测结果读取负荷点数据进行估计，所述读取负荷点数据以标号替换后的负荷节点的负荷值为准；负荷节点的负荷为根据运行方式得出的计算值；
如果首端有量测，则计算前后功率差值，对负荷点进行更正，具体地，当馈线首端在变电站内时，计算计算结果与量测值的偏差；即在首端，累加计算一个总的负荷值，计算这个总的负荷值与现有的电源点量测之间的差值，将这个差值平均分配到每一个负荷上面，根据馈线的网损对负荷点进行功率值修正，最后收敛值将是电源点的量测；
（23）计算各节点的注入；根据电压计算各个节点的注入，用变压器绕组的首末端电压计算绕组首末端的有功和无功值，包括在每次迭代中，获取上次迭代中的电容器的电压值，根据获取的电压值计算当次迭代中的电容器的无功注入和无功出力，其中每次迭代中的电容器的电压值都不相同；
（24）从最下层节点开始，一直到顶层电源点，根据当前层节点在上次迭代中的电压和功率，以及上层节点在上次迭代中的电压和功率，计算当前层与上层的连接支路中当前层节点到上层节点的功率损耗，并根据当前层节点的功率与所述功率损耗的总和，确定上层节点的功率注入；其中，若当前层有多个节点，则分别计算当前层每个节点到上层节点的功率损耗，并分别将当前层每个节点的功率加上每个节点对应的功率损耗，得到当前层与上层的支路中当前层每个节点到上层节点的功率注入，将当前层每个节点到上层节点的功率注入进行求和，得到上层节点的功率注入；在每个支路的末端节点处都存储本层节点对上级节点的功率值，即上层节点的功率注入；
（25）从每个支路的末端节点处获取全部所述上层节点的功率注入，根据获取的所述上层节点的功率注入和支路的阻抗值计算每个节点在当前迭代中的电压值；并根据每个节点在当前迭代中的电压值和上次迭代中的电压值，计算每个节点在前后两次迭代中的电压差值的绝对值dU；
(26)判断是否满足收敛条件，如果不满足，则重复(22)-(25)；如果满足收敛条件，则退出；所述收敛条件包括：电压差值的绝对值dU小于设定阈值，或者迭代次数大于给定的最大迭代次数；满足上述收敛条件其中之一则退出，停止迭代。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述运行管理模块，还用于：
数据展示，展示全网监控相关业务情况，包括各电压等级集中监控变电站情况、集中监控变电站自动电压无功控制AVC情况、故障电流分布和变化情况、开关常态化操作统计、各电压等级调控中心设备缺陷情况、各地市遥信告警信号量分布情况和全省设备跳闸数量分布；同时可展示全网监控管理人员和监控运行人员情况，包括统计人员到位率、人员学历分布、人员年龄分布、人员所属公司级别，及人员承载力情况。
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