CN114243803B - 一种配电网电压控制方法、系统、装置及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种配电网电压控制方法、系统、装置及存储介质，配电网电压控制方法，包括步骤：获取区块内的最大电压和最小电压，其中，所述区块为配电网中两个测量仪表之间的馈线；判断所述最大电压或最小电压是否超过设定阈值；当所述最大电压或最小电压超出设定阈值时，通过控制FDS注入配电网的有功功率和无功功率调整配电网节点电压。本发明配电网电压控制方法，通过FDS的有功、无功功率实现电压控制，相较传统电压控制方法如有载变压器调压、无功补偿、网络重构等可以提高调节精度，加快响应速度。避免了传统电压控制中有载调压变压器变换分接头以及线路的频繁倒闸操作造成的器件磨损而导致的安全隐患。
Description
技术领域
本发明属于电网调节技术领域，具体涉及一种配电网电压控制方法、系统、装置及存储介质。
背景技术
随着分布式电源的大规模接入和用电需求的迅速增长，配电网面临现有调节能力不足，运行安全性、经济性下降等问题。因此，需要更加先进的智能配电技术以提升系统对分布式电源与负荷的接纳能力。随着先进电力电子技术的发展，具备灵活潮流控制能力的柔性多状态开关(Flexible Distribution Switch，FDS)可有效克服传统机械开关仅具有的通、断两种状态的不足，能够对潮流进行快速、精确调节，进而提高配电网运行控制的灵活性、经济性与可靠性，满足分布式电源消纳、高电能质量与高供电可靠性等定制电力需求。现有研究多基于传统的集中式控制开展，即认为配电网每个节点的运行情况均可量测采集，并通过通信系统上传给集中控制器，集中控制器对大量量测数据进行分析处理和优化计算，再生成最优控制指令下发给调节设备。然而，现阶段在配电网所有节点安装数据量测与采集装置并不现实，集中控制器对海量数据进行计算耗时长，不能满足系统的快速调节需求。
随着分布式光伏的大规模接入，多方主体参与运营，传统配电网逐步发展成为有源配电网，若进一步考虑“源-网-荷”之间的互动，配电网潮流将变得更加复杂。并且随着经济的发展和人民生活水平的提高，负荷也正处在快速增长的阶段。这些都给配电网电压控制带来巨大挑战。由于有源电网中的分布式电源存在波动性与间歇性等问题，传统调节方法如有载变压器调压、无功补偿、网络重构等受到调节精度、响应速度不足的影响，以及元件动作寿命的限制，大都难以解决由于有源电网中的分布式电源存在波动性与间歇性等而导致的电压频繁波动问题，因此无法满足有源配电网的运行需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种配电网电压控制方法、系统、装置及存储介质，以解决现有技术中，传统调节方法存在受到调节精度、响应速度不足影响的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供了一种配电网电压控制方法，包括如下步骤：
获取区块内的最大电压和最小电压，其中，所述区块为配电网中两个测量仪表之间的馈线；
判断所述最大电压或最小电压是否超过设定阈值；
当所述最大电压或最小电压超出设定阈值时，通过控制FDS注入配电网的有功功率和无功功率调整配电网节点电压。
可选的，所述最大电压为：安装在变电站母线、分布式电源接入点或者FDS接入点处的测量仪表所采集的电压。
可选的，所述最小电压的获取方式如下：
当且仅当带有分布式电源的节点的电压，比朝向另一个分布式电源的方向的相邻节点的电压高时，判定在这两个分布式电源之间有最小电压；
由其中一个分布式电源节点求取的电压最小值为：
式中，h代表分布式电源节点编号，r、x为相邻两个分布式电源之间的线路电阻与电抗；
将两个分布式电源节点求取的电压最小值中较小的一个作为最终的最小电压。
可选的，通过控制FDS注入配电网的有功功率和无功功率调整配电网节点电压，配电网节点电压的调整值与FDS注入功率的关系如下：
式中，Δ(Vi 2)是i节点电压变化量的平方，是FDS设备注入配电网的有功功率，/>是FDS设备注入配电网的无功功率，Δ(V0 2)是母线的电压变化量的平方，rk是节点的电阻，xk是节点的电抗。
可选的，所述FDS注入配电网有功功率的约束条件为：
式中，Vi new是配电网通过FDS调整过后的节点新电压数值，Vi old是FDS参与调压之前该节点的电压实际数值，是FDS设备新注入配电网的有功功率，/>是FDS设备调整前注入配电网的有功功率，/>是FDS设备注入有功功率的最大限制，/>是FDS设备的功率限制，Mi是因FDS有功输入改变导致的节点电压变化的灵敏系数，/>和/>是配电网正常运行时电压的上下界；QFDSinj是FDS设备注入配电网的无功功率。
可选的，所述FDS注入配电网无功功率的约束条件为：
式中，是FDS设备新注入配电网的无功功率，/>是FDS设备注入无功功率的最大限制，/>是FDS设备的功率限制，PFDSinj是FDS设备注入配电网的有功功率，Vi new是配电网通过FDS调整过后的节点新电压数值，Vi old是FDS参与调压之前该节点的电压实际数值，Ki是因FDS有功输入改变导致的节点电压变化的灵敏系数，/>是FDS设备调整前注入配电网的无功功率，/>和/>是配电网正常运行时电压的上下界。
可选的，当FDS对配电网中的节点进行互联时，其运行满足以下有功功率传输约束：
式中，PFDS,k为FDS与配电网中节点k交换的有功功率，为该侧对应的换流器内部损耗，QFDS,k为FDS在节点k处的无功功率输出，A为换流器损耗系数；
FDS的容量约束与端口电压约束为：
Vmin≤|VFDS,k|≤Vmax,k＝a,b
式中，SFDS,k为与节点k相连侧换流器的额定容量，VFDS,k为节点k处电压，Vmax、Vmin为配电网电压的上、下限。
本发明的第二方面，提供了一种用于所述配电网电压控制方法的系统，包括：
获取模块，用于获取区块内的最大电压和最小电压，其中，所述区块为配电网中两个测量仪表之间的馈线；
判断模块，用于判断所述最大电压或最小电压是否超过设定阈值；
控制模块，用于当所述最大电压或最小电压超出设定阈值时，通过控制FDS注入配电网的有功功率和无功功率调整配电网节点电压。
本发明的第三方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的配电网电压控制方法。
本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现所述的配电网电压控制方法。
本发明的有益效果如下：
1、本发明配电网电压控制方法，通过FDS的有功、无功功率实现电压控制，相较传统电压控制方法如有载变压器调压、无功补偿、网络重构等可以提高调节精度，加快响应速度。避免了传统电压控制中有载调压变压器变换分接头以及线路的频繁倒闸操作造成的器件磨损而导致的安全隐患。
2、本发明配电网电压控制方法，无需对配电网中的所有节点进行监测，只需要在变电站母线，分布式电源(DG)接入点以及柔性多状态开关(FDS)接入点处测量线路运行数据。不需要处理电网全局的海量数据，只需要将关键节点的电压与功率数据与已知的线路参数便可以得到电压控制所需要的数据结果。降低了计算复杂度，极大限度上提高了计算速度。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例配电网电压控制方法流程图。
图2为本发明实施例中FDS接入配电网示意图。
图3为本发明实施例中最小电压位置判断示意图。
图4为本发明实施例中最小电压位置计算原理示意图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
本发明的第一方面，提供了一种分布式光伏大量接入背景下，基于FDS柔性互联的配电网电压控制方法，通过FDS有功、无功功率输出的协同控制策略对配电网电压进行快速调节，进而提升分布式光伏的消纳水平。
如图1所示，一种配电网电压控制方法，包括如下步骤：
获取区块内的最大电压和最小电压，其中，所述区块为配电网中两个测量仪表之间的馈线；
判断所述最大电压或最小电压是否超过设定阈值；
当所述最大电压或最小电压超出设定阈值时，通过控制FDS注入配电网的有功功率和无功功率调整配电网节点电压。
作为一种示例，所述最大电压为：安装在变电站母线、分布式电源接入点或者FDS接入点处的测量仪表所采集的电压。
作为应用于发明的实施例，FDS基于全控型电力电子器件实现，本发明采用两端型背靠背电压源换流器(back-to-back voltage source converter,B2B VSC)的拓扑结构，其接入配电网的形态如图1所示。FDS通过对所连馈线间的有功功率交换进行控制，可改善系统潮流分布，实现网损降低、均衡馈线负载等目标；通过对各端口无功功率分别进行调节，可缓解电压波动问题，改善系统电压分布。
作为一种示例，在本实施例中，当FDS对配电网中的节点a与b进行互联时，其运行满足以下有功功率传输约束：
式中，PFDS,k为FDS与配电网中节点k交换的有功功率，为该侧对应的换流器内部损耗，可由装置与配电网交换的有功、无功功率计算得出，如式(2)所示；其中，QFDS,k为FDS在节点k处的无功功率输出，A为换流器损耗系数。
FDS的容量约束与端口电压约束为：
Vmin≤|VFDS,k|≤Vmax,k＝a,b (4)
式中，SFDS,k为与节点k相连侧换流器的额定容量，VFDS,k为经过FDS调节后节点k处电压，Vmax、Vmin为配电网电压的上、下限。
式(1)-(4)为FDS在配电网中的稳态模型，采用该模型，FDS的有功、无功功率输出可直接代入配电网潮流计算。以图1中馈线1为例，其潮流计算如下：
式中，Pi、Qi分别为节点i流向节点i+1的有功、无功功率，Pload(i+1)与Qload(i+1)为节点i+1处的负荷，Ploss(i_i+1)、Qloss(i_i+1)为连接节点i与节点i+1的支路上的功率损耗，ri、xi为该支路阻抗；Vi为节点i的当前实际电压；Nbus为系统中节点总数；Pi+1是流入i+1节点的有功功率；Qi+1是流入i+1节点的无功功率；Vi+1是节点i+1的电压。i与i+1的含义为本节点与下一节点，是一种迭代关系。由于只能测量到配电网母线两侧节点的数据，所以本实施例中，通过迭代计算的方法，由两侧节点的数据计算得到配电网母线两侧之间节点的数据。
由于潮流方程中的线路损耗，即方程中的二次项，相比于支路功率则小得多，所以在计算过程中将二次项忽略。再将递推公式转化成从任意节点开始计算。则式(5)-(7)写作：
Pi+1＝Pi-Pload(i+1) (8)
Qi+1＝Qi-Qload(i+1) (9)
|Vi+1|2＝|Vi|2-2(riPi+xiQi),i∈{1,2,…,Nbus} (10)
式中，Vi是i点电压的实际值。
其次，建立描述配电网节点电压与FDS注入功率间关系的数学模型，依据该数学模型进行配电网电压的调整。
式中，是FDS设备注入配电网的有功功率，/>是FDS设备注入配电网的无功功率，Δ(V0 2)是母线的电压变化量的平方。Δ(Vi 2)是i节点电压变化量的平方，ΔVi是i节点需要调整的电压变化量；/>分别是节点新、旧电压的平方，也即节点i调节前后电压值的平方，Vi new就是配电网通过FDS调整过后的新电压数值，Vi old是FDS参与调压之前该节点的电压数值，与节点i的当前实际电压相同，是低于或者大于界限值的电压，需要被调整；/>分别是母线节点处新、旧电压的平方，新、旧电压代表当前实际电压与目标电压；rk是节点的电阻，xk是节点的电抗，与支路的阻抗相同。
为实现分布式控制下配电网的安全运行，并充分发挥FDS有功、无功功率控制各自的优点，对其功率控制进行解耦，并在此基础上建立配电网电压协同控制方法。
该方法首先通过调节FDS的有功输出控制配电网电压。
目标为最小化电压偏差：
需要满足的约束条件为：
式中，Vi new就是配电网通过FDS调整过后的该节点新电压数值，Vi old是FDS参与调压之前该节点的电压实际数值，是FDS设备新注入配电网的有功功率，/>是FDS设备调整前注入配电网的有功功率，/>是FDS设备注入有功功率的最大限制，/>是FDS设备的功率限制，Mi是因FDS有功输入改变导致的节点电压变化的灵敏系数，/>和/>是配电网正常运行时电压的上下界；QFDSinj是FDS设备注入配电网的无功功率。
在此基础上，为进一步改善系统电压分布，采用FDS无功控制进行协同。
目标函数为：
需要满足的约束条件为：
式中，是FDS设备新注入配电网的无功功率，/>是FDS设备调整前注入配电网的无功功率，/>是FDS设备注入无功功率的最大限制，Ki是因FDS有功输入改变导致的节点电压变化的灵敏系数；/>是FDS设备新注入配电网的无功功率；ωabsor是从连接的馈线中吸收无功功率的惩罚因子，引入了罚函数；PFDSinj是FDS设备注入配电网的有功功率。
接下来介绍基于本地量测的电压控制框架，该控制框架主要由两部分构成，分别是本地信息量测模块与信息处理与控制模块：
(1)本地信息测量模块
本地信息测量模块的测量信息都来自变电站母线、分布式电源(DG)接入点以及柔性多状态开关(FDS)接入点处的测量仪表。所获得的测量数分别为该节点的电压U和该节点相邻两条馈线的有功功率P以及无功功率Q。通过这些数据，就可以得到线路中潜在的最大电压，并通过电压估计法判断和计算该区块中是否存在最小电压以及计算线路最小电压所需要的数据。本实施例中，假定配电网的最大电压出现在变电站母线、分布式电源(DG)接入点以及柔性多状态开关(FDS)接入点之中，即每个区块的边界，测量仪表可以直接进行测量。
区块的定义：测量仪表一般安装在变电站母线、分布式电源(DG)接入点以及柔性多状态开关(FDS)接入点。每两个仪表之间的馈线，称之为一个区块。由于在推导时引入了“区块”的概念，将整个配电网划分成多个小区块，将全局性问题划分成多个类似的小问题。这为后续的检修以及将来可能的线路升级提供了极大的便利。
(2)信息处理与控制模块
本地信息测量模块将得到的线路运行参数通过通信系统上电压信息处理与控制模块。信息处理与控制模块中储存着线路的电阻电抗等参数，信息通过电压估计法在该模块进行加工处理，得到每个区块内的最小电压，并通过内置的基于FDS的配电网电压协同控制算法，在有需要的情况下对FDS发出指令，使其动作，对配电网的电压进行调整，减少电压波动，避免电压越限。
接下来介绍电压估计法。由两个步骤构成，第一步是检查是否存在最小电压，第二步是估算最小电压处的电压值。
下面提出一种检查是否存在最小电压的方法。
由于分布式电源的接入，该节点的电压升高。所以当且仅当带有分布式电源的节点的电压比其朝向另一个分布式电源的方向的相邻节点的电压高，线路上的最小电压将会出现在这两个分布式电源之间。如图2所示。
若：
V1＞V2 (20)
V5＞V4 (21)
则可以判定，在1节点与5节点之间存在一个电压最小值点。
为了计算上述不等式，需要配电网中的潮流递推方程。由于潮流方程中的线路损耗，即方程中的二次项，相比于支路功率则小得多，所以在计算过程中将二次项忽略。由式(10)、(20)、(21)可得。
上式中电压和一定非负，故简化为下式：
通过式(23)可以判断在该区块内是否存在电压最低点。其中r、x是线路参数，为固定值，P、Q可在1、5节点上的测量仪表得到。
估计电压的最小值
如图3所示，假设负荷在两个分布式电源节点的中间，本实施例考虑了电压最低的情况，以便得到最优的电压下界。
图3线路中点处的电压可以由1节点跟5节点两个方向分别求得。由式(10)可知，由1节点求得的电压最小值为
由5节点求得的电压最小值为
其中r、x为节点1跟节点5之间的线路电阻与电抗。
取V1min与V5min中的最小值作为此区块的电压最小值。
Vmin＝min{V1min,V5min} (26)
式(26)提供了一种仅通过测量分布式电源接入点数据就可以估算分布式电源所在线路上电压最小值的方法，该方法同样适用于测量变电站母线、FDS处运行信息的情况。
本发明实施例的第二方面，提供了一种用于上述配电网电压控制方法的系统，包括：
获取模块，用于获取区块内的最大电压和最小电压，其中，所述区块为配电网中两个测量仪表之间的馈线；
判断模块，用于判断所述最大电压或最小电压是否超过设定阈值；
控制模块，用于当所述最大电压或最小电压超出设定阈值时，通过控制FDS注入配电网的有功功率和无功功率调整配电网节点电压。
本发明实施例的第三方面，提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述的配电网电压控制方法。
本发明实施例的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现上述的配电网电压控制方法。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (9)
1.一种配电网电压控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取区块内的最大电压和最小电压，其中，所述区块为配电网中两个测量仪表之间的馈线；
判断所述最大电压或最小电压是否超过设定阈值；
当所述最大电压或最小电压超出设定阈值时，通过控制FDS注入配电网的有功功率和无功功率调整配电网节点电压；
所述最小电压的获取方式如下：
当且仅当带有分布式电源的节点的电压，比朝向另一个分布式电源的方向的相邻节点的电压高时，判定在这两个分布式电源之间有最小电压；
由其中一个分布式电源节点求取的电压最小值为：
式中，h代表分布式电源节点编号，r、x为相邻两个分布式电源之间的线路电阻与电抗；代表分布式电源节点h的有功功率；/>代表分布式电源节点h的无功功率；
将两个分布式电源节点求取的电压最小值中较小的一个作为最终的最小电压。
2.根据权利要求1所述的配电网电压控制方法，其特征在于，所述最大电压为：安装在变电站母线、分布式电源接入点或者FDS接入点处的测量仪表所采集的电压。
3.根据权利要求1所述的配电网电压控制方法，其特征在于，通过控制FDS注入配电网的有功功率和无功功率调整配电网节点电压，配电网节点电压的调整值Vi与FDS注入功率的关系如下：
式中，是i节点电压变化量的平方，/>是FDS设备注入配电网的有功功率，是FDS设备注入配电网的无功功率 ，/>是母线的电压变化量的平方，/>是节点的电阻，/>是节点的电抗。
4.根据权利要求3所述的配电网电压控制方法，其特征在于，所述FDS注入配电网有功功率的约束条件为：
式中，是配电网通过FDS调整过后的节点新电压数值，/>是FDS参与调压之前该节点的电压实际数值，/>是FDS设备新注入配电网的有功功率，/>是FDS设备调整前注入配电网的有功功率，/>是FDS设备注入有功功率的最大限制，/>是FDS设备的功率限制，/>是因FDS有功输入改变导致的节点电压变化的灵敏系数，/>是配电网正常运行时电压的上下界；/>是FDS设备注入配电网的无功功率。
5.根据权利要求3所述的配电网电压控制方法，其特征在于，所述FDS注入配电网无功功率的约束条件为：
式中，是FDS设备新注入配电网的无功功率，/>是FDS设备注入无功功率的最大限制，/>是FDS设备的功率限制，/>是FDS设备注入配电网的有功功率，/>是配电网通过FDS调整过后的节点新电压数值，/>是FDS参与调压之前该节点的电压实际数值，/>是因FDS有功输入改变导致的节点电压变化的灵敏系数，/>是FDS设备调整前注入配电网的无功功率，/>和/>是配电网正常运行时电压的上下界。
6.根据权利要求1所述的配电网电压控制方法，其特征在于，当FDS对配电网中的节点进行互联时，其运行满足以下有功功率传输约束：
式中，为FDS与配电网中节点/>交换的有功功率，/>为与节点k相连侧对应的换流器内部损耗，/>为FDS在节点/>处的无功功率输出，/>为换流器损耗系数；
FDS的容量约束与端口电压约束为：
式中，为与节点/>相连侧换流器的额定容量，/>为节点/>处电压，/>、/>为配电网电压的上、下限。
7.一种用于权利要求1所述配电网电压控制方法的系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取区块内的最大电压和最小电压，其中，所述区块为配电网中两个测量仪表之间的馈线；
判断模块，用于判断所述最大电压或最小电压是否超过设定阈值；
控制模块，用于当所述最大电压或最小电压超出设定阈值时，通过控制FDS注入配电网的有功功率和无功功率调整配电网节点电压。
8.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至6任一项所述的配电网电压控制方法。
9.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至6任一项所述的配电网电压控制方法。
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