专利名称：配电网电能质量复合控制系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种配电网电能质量复合控制系统及其控制方法。
背景技术：
随着电力系统运行状态和负荷的变化，配电网的电压时刻发生变化，为了 给用户提供优质的电能，必须进行电能质量的综合控制。目前，配电网普遍 采用调整变压器分接头和投切电容器组来达到调整电压和降低损耗的目的。
国内无功补偿装置应用现状是静止无功补偿装置(SVC)应用较多，主要包 含两种机械式投切电容器(MSC) +晶闸管控制的电抗器(TCR)和晶闸 管投切电容器(TSC)。由于TSC型SVC只能有级调节，所以在实际运用中， MSC+TCR型SVC被广泛采用。
当前针对配电网优化运行提出的控制方法,但多为按照运行经验进行变压 器分接头和无功补偿装置的单一调节。统一调节技术目前国内有基于枚举算法的研究，是将变压器分接头与固定补偿电容器进行寻优控制以维持无功电 压在理想范围内，但这种方法寻优量少，没有考虑作为主要损耗来源的变压 器的经济运行和配电网整体的节能降耗。
变压器经济运行是配电网电能质量复合控制领域重要的一环，如果将变压 器经济运行参数纳入整体电能质量控制系统中来，对于寻优控制是十分必要 的，但目前的统一调节技术并没有考虑到变压器经济运行参数，使用的固定 补偿电容器组难以实现精确的无功补偿，调节精度粗糙。多数变电站恰恰为 追求高负荷率而使变压器满载甚至超载运行，单就变压器一项综合功率损耗就占配电网总损耗的30%以上，损耗巨大。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明在实测负荷水平下，根据系统无功和 电压的调整需求和经验经济运行数据，确定变压器(台/组)的投退、分接头
档位以及静止无功补偿装置svc的控制策略，使得在满足主变容量，功率因
数，变压器的经济负荷率，母线电压水平，变压器经济运行区间等约束条件 下达到提高电能质量，降低损耗的目的。
为达到上述目的，本发明采取了一种配电网电能质量复合控制系统，包括
工控机、DSP控制板、变压器决策终端和挂接在配电网上的SVC装置，其 中接入SVC装置的DSP控制板通过电压、电流互感器与配电网连接，SVC 装置、变压器决策终端均通过DSP控制板与工控机连接，其中高压静止无功 补偿装置SVC装置由星型连接的MSC (机械式投切电容器组)和三角形连 接的TCR (晶闸管控制电抗器)组成；变压器决策终端是连接到变压器分接 头和变压器支路断路器和隔离开关的投切开关，并经由SCADA系统连接到 工业控制计算机。
上述变压器决策终端可以是接受小电流数字信号并输出大电流驱动开关 动作的任何继电器电路，被用于控制变压器分接头档位调整和变压器投切开 关的投切。
相应的，本发明提供了一种配电网电能质量复合控制方法，包括如下步
骤
1)首先针对目前变电站工况进行多台变压器运行方式的判定，给出变压 器最佳组合运行方式作为寻优条件；2) 再针对确定的变压器运行方式提出经济运行负荷率，作为变压器经济
运行的优化参数参与综合寻优；
3) 建立变压器运行等效模型，将融合分接头投切信息的变压器参数值作 为基础数据录入计算机；
4) 将上述步骤得出的寻优条件以及基础运算数据综合得出多目标枚举寻 优控制策略并建立优化函数模型；
-' v-
5) 对优化函数模型中0-1逻辑变量采用枚举算法进行排列组合精细寻优， 结合各个寻优条件，得到功率损耗和电压波动最小的全局最优解。
本发明的详细过程是，首先将当前工况与主变容量，功率因数，变压器 经济负荷率，母线电压水平，变压器经济运行区间等约束条件进行比对，再 对优化模型中O-l逻辑变量采用枚举算法进行大规模排列组合精细寻优，结合 系统功率因数^，母线运行电压水平、变压器经济负荷率"、综合功率损耗A5、
母线电压水平^等经验数据的优化条件，寻优解决包含损耗最小，电压波动 最小，输出功率波动最小的最佳运行调整方案，其中变压器经济运行参数"参 与了实时的寻优过程；其中所述优化模型如下
minAP7%0^，；t，")
崎，\ {min I ^ (礼MC) — LI ， (Mr,Mc,M,) - &max |}
min AP(Mr，Mr,M,,/ )
(20)
约束条件为:<formula>formula see original document page 10</formula>
变压器分接头以及MSC电容器组所对应的二值逻辑变量组成的向量，&， 、，xri (i=l， 2， N)为二值逻辑变量，&,,&,&=1表示第i台变压器投入 运行，第i个分接头被选中以及第i组SVC电容器组投入，&,x,,.， &=0表示 第i台变压器退出运行，第i个分接头档位未被选中以及第i组SVC电容器 组退出；1333^/^"^^75约束条件表示变压器最佳运行区的经济负荷率。
本发明所述配电网电能质量复合控制系统及其控制方法，将变压器经济运 行与MSC+TCR型SVC进行协同寻优控制，首次提出将变压器经济运行参 数纳入综合寻优控制中来，提出首先优化变压器运行，再进行无功电压等电 能质量参数寻优的综合寻优控制策略，根据系统无功和电压调整需求综合考 量变压器运行方式和SVC的控制策略，给出复合控制系统的优化函数模型， 迅速、准确的得到最优运行方案。且经工程验证，具备多目标协同优化的电 能质量抬升能力。
'
图l为配电网新型电能质量复合控制系统框图； 图2为高压静止无功补偿装置SVC结构图；图3为双绕组变压器等效模型图； 图4为本发明所述控制方法的流程框图。
具体实施例方式
参见图1，本实施例提出一种配电网电能质量复合控制系统，包括工控机、 DSP控制板、变压器决策终端和挂接在配电网上，由星型连接的MSC (机械 式投切电容器组)和三角形连接的TCR (晶闸管控制电抗器)组成的SVC 装置，其中接入SVC装置的DSP控制板通过电压、电流互感器与配电网连 接，SVC装置通过DSP控制板与工控机连接，变压器决策终端直接经 SCADA与工控机相连。其中本实施例的变压器采用双绕组变压器，其等效 模型图见图3。
电压、电流传感器分别采集配电网母线电压和电流以及SVC装置输出电 流，经过调理后，再输入到DSP控制板，产生的控制信号通过光纤传输到现 场，并由触发电路产生与之相应的触发脉冲^分别控制MSC的通断及TCR 的导通角，从而实现投入电网无功的调节。变压器决策终端是连接到变压器 分接头和变压器支路断路器和隔离开关的投切开关，并经由SCADA系统连 接到工业控制计算机，结合寻优结果进行相应的投切操作。 所述寻优控制方法，包括步骤如下 (1)优化变压器运行工况 在复合控制系统进行优化前运行此决策模块，预先根据负荷水平、主变容 量和铭牌参数配置变压器组的经济运行方式，在此基础上再进行后续的优化 操作，可加快获得最优解以取得更大的节电效益。
判定标准如下以相同台数相同容量变压器组并列运行组合技术特性优劣判定为例设总台数为M，并列运行的为N时，(A^M)，则N台变压器组
合运行方式有e^种，设N台容量相同的变压器并列以I， H两种方式运行，
其综合损耗AP， ， APz 的计算公式为
<formula>formula see original document page 12</formula>
(23)
联立两式令Ai^ = A/^I得综合功率临界负载功率:<formula>formula see original document page 12</formula>(24)
可根据上式对变压器组的技术优劣进行划分并提供经济投运决策。不同台
数的相同容量的变压器组间比较可依据下式进行<formula>formula see original document page 12</formula>
不同台数的不同容量的变压器组间比较可依据下式进行:<formula>formula see original document page 12</formula>(26)
分列运行和特殊运行方式下的变压器组技术特性判定可参照上述计算方 法推广。由于配电网变压器运行状态一旦确定，不会频繁变动，为减少复合 控制系统负担，此独立模块不参与实时控制，只根据当前工况给出变压器组 的经济投运决策，录入枚举算法约束条件中。
实时采集配电网功率因数和母线运行电M水平以及变压器输电功率(用于计算功率因数)，当采集值不满足设定值时，工控机将采集值实时与设定值进 行对比并进行优化调节。这些约束条件是即得的，不需要推导。下面对变压 器经济运行约束条件进行详细推导。
(2)计算变压器经济运行负荷率
变压器经济运行的优化目标之一为负荷率"达到经验运行值或最优运行
值，变压器综合功率损耗率的计算公式为
AP^l AP。+， xl00 (27)
-=丄为负荷率，^为变压器低压侧有功输入功率，;i-cos^为配网功率因
数，S为变压器负载视在功率，^为变压器额定容量。经济运行区间划分的 原则是在额定负载条件下的运行应属于经济运行区。
因此经济运行区上限值定为^=1，下限值所对应的损耗率应与额定负载损 耗率相等，A = A2。
联立上下限值的综合功率损耗值公式得
△A +巧 二_APo + ^/AA
^ + A尸o + A尺 A户。+ A/A尺
下限值为 Au=# = AZ (29)
GB/T13462-92规定变压器最佳运行区的负载系数的上限值为& =0'75 ， 按上述推导公式可得与最佳运行区上限值等效损耗率的综合功率最佳运行区 和下限值划分变压器经济运行区为 最佳运行区(优选)1'333A/S"^0'7'5 (30) 经济运行区 y^/^A^l (31)(30)式即为变压器经济运行的负荷率约束条件。
(3)建立变压器等效模型
考虑多台变压器以多种组合方式混合运行，首先将变压器、变压器分接头 编号录入计算机并采用二值逻辑变量表示变压器的退/投和对应分接头移开/ 选中。
已知短路损耗^^'、短路电压^%、空载损耗^^、空载电流7。％。变压器
的等值转换为低压侧参数为
<formula>formula see original document page 14</formula>
式中，M为主变分接头的数目；& (i=l， 2， Nt)为二值逻辑变量，对应
主变分接头档位，x""表示选中第i个档位，^=()表示第^个档位未被选中， 为了保证在一个决策方案中只有一个档位被选中，须满足式(38); 7" (kV) 为分接头第i个档位对应的电压；(kV)为所选择的分接头档位对应的电压; A为所选择的变压器的变比。 把变压器参数归算到高压侧有
<formula>formula see original document page 14</formula>(41)<formula>formula see original document page 15</formula>(43)
式中，x" (i=l， 2， ...， NT)为二值逻辑变量，与并联的变压器一一对应， ^=1表示第^'台主变投入运行，x,,=0表示第i台主变退出运行，为了保证在 一个决策方案中不出现全部主变都退出运行的情况，须满足式(43);所有上 述参数均录入计算机为综合寻优控制做底层数据。 (4)计算SVC需要补偿的无功
复合控制系统检测当前无功功率，根据公式A^-Sx(sin^-sin^)， Ag为 需要的补偿量，S为变压器当前视在功率，A， ^为补偿前后功率因数角， 为已知量。计算出MSC和TCR的投入量，其中对TCR投切量的控制关键是准 确控制晶闸管的触发角，得到所需的流过补偿电抗器的电流，从而使TCR向
电网注入的电流抵消电网中的无功电流。单相TCR基波电流有效值与晶 闸管导通角^的关系为
<formula>formula see original document page 15</formula> (44) 设TCR支路电压有效值为"，A-^^为TCR单项总的基波感抗值，是已 知量，TCR基波等效电纳的值为
7rcw (45) 根据实测的无功补偿量即可直接计算需要由MSC和TCR分别进行补偿的 容量，复合控制系统处理无功补偿的方式为主要由MSC进行大容量的无功补 偿，对过补偿的部分用TCR产生感性无功进行抵消，TCR的调整是跟随MSC的调整进行的，需要由TCR补偿的容量确定后即可由式(44)、 (45)确定需 要投入的电抗值，进而得到DSP控制器对晶闸管导通角的控制量。因此TCR 实时的参与枚举寻优，跟随MSC的调整做动态调整。 (5)建立综合寻优复合控制模型
设变压器、变压器分接头以及MSC电容器组所对应的二值逻辑变量组成
的向量分别为:
SVC补偿无功功率为:
〃
<formula>formula see original document page 16</formula>(46)
<formula>formula see original document page 16</formula>(47)
其中。n为跟随主补偿容量M " "^'动态参与复合寻优，由DSP控制板
检测需要由TCR进行补偿的容量后得出晶闸管控制角。 变压器低压侧电压为
<formula>formula see original document page 16</formula>(48)
变压器功率损耗:
<formula>formula see original document page 16</formula> ( 49 )
变压器功率损耗^，系统低压侧电压^均为^^，^D，^的函数，控制参数 组成多目标枚举寻优控制方法优化函数如下minAPzO/o(&^W)
M，nM, {min ^ (Mr MC,M,) - Kimin | ， |& (Mr ,MC M,) — &max |}
沈
min AP(Mr,Mr,M,,y9)
1.333/^/^0.75
(50)
(51)
AT
,=1
A =犯痴g
即寻优解决包含损耗最小，电压波动最小，输出功率波动最小的最佳运 行调整方案，其中包含对SVC运行决策控制参数的设定。式(50) 二值函数 排列组合组合数目不大，复合控制系统主动将当前工况与主变容量，功率因 数，变压器经济负荷率，母线电压水平，变压器经济运行区间等非逻辑变量 的约束条件进行比对，将通过决策终端对变压器和SVC进行初步粗调之后将 粗调的非逻辑变量录入上述优化模型，再对优化模型中0-1逻辑变量采用枚 举算法进行大规模排列组合精细寻优，结合系统功率因数、母线运行电压 水平、变压器输电效率、经济负载系数"、综合功率损耗AS、变压器低压侧 电压水平^等经验数据的优化条件，能够迅速、精确的得到功率损耗和电压 波动最小的全局最优解。
权利要求
1、一种配电网电能质量复合控制系统，其特征在于包括工控机、DSP控制板、变压器决策终端和挂接在配电网上的SVC装置，其中接入SVC装置的DSP控制板通过电压、电流互感器与配电网连接；SVC装置、变压器决策终端均通过DSP控制板与工控机连接，其中高压静止无功补偿装置SVC装置由星型连接的机械式投切电容器组MSC和三角形连接的晶闸管控制电抗器TCR组成；所述变压器决策终端是连接到变压器分接头和变压器支路断路器和隔离开关的一组投切开关，其通过数据采集系统SCADA连接工控机。
2、 根据权利要求l所述配电网电能质量复合控制系统，其特征是，所述 DSP控制板以DSP控制器为核心，还包括检测模块、输入输出模块和通讯模 块。
3、 一种如权利要求1所述配电网新型电能质量复合控制系统的控制方法， 其特征是，包括如下步骤1) 首先针对目前变电站工况进行多台变压器运行方式的判定，给出变压 器最佳组合运行方式作为寻优条件；2) 再针对确定的变压器运行方式提出经济运行负荷率，作为变压器经济 运行的优化参数参与综合寻优；3) 建立变压器运行等效模型，将融合分接头投切信息的变压器参数值作 为基础数据录入计算机；4) 将上述步骤得出的寻优条件以及基础运算数据综合得出多目标枚举寻 优控制策略并建立优化函数模型；5) 对优化函数模型中0-1逻辑变量采用枚举算法进行排列组合精细寻优， 结合各个寻优条件，得到功率损耗和电压波动最小的全局最优解。
4、根据权利要求3所述配电网新型电能质量复合控制系统的控制方法， 其特征是，所述寻优条件包括系统功率因数2，母线运行电压水平、变压器经济运行负荷率"、综合功率损耗^、变压器低压侧电压水平^。
5、 根据权利要求3所述配电网新型电能质量复合控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤l中变电站工况包括负荷水平、主变容量、母线电压和铭 牌参数。
6、 根据权利要求3所述配电网新型电能质量复合控制系统的控制方法，其特征是，所述步骤2中变压器经济运行负荷率"的计算方法如下<formula>formula see original document page 3</formula>变压麟合功率损耗率羊，="4+ 00 (1)其中p-丄为负荷率，^为变压器低压侧有功输入功率，；i-cos^为配网功率因数，S为变压器负载视在功率，^为变压器额定容量；变压器最佳运行区的负载率的上限值为A^'75，结合式(1)，因此与 最佳运行区上限值等效损耗率的综合功率最佳运行区和下限值划分变压器经济运行区分别为最佳运行区 l'333^^/^0'75 (2)经济运行区 A/《/^1 (3)(2)式即为变压器经济运行的负荷率约束条件.
7、根据权利要求3所述配电网新型电能质量复合控制系统的控制方法，其 特征是，步骤3所述建立变压器运行等效模型包括如下步骤首先将变压器、变压器分接头编号录入计算机并采用二值逻辑变量表示 变压器的退/投和对应分接头移开/选中；已知短路损耗A^、短路电压「"％、空载损耗AP。、空载电流7。％，变压器 的等值转换为低压侧参数为<formula>formula see original document page 4</formula>式中，M为主变分接头的数目；&(i=l，2， Nt)为二值逻辑变量，对应主变分接头档位，《'^表示选中第i个档位，&=()表示第^个档位未被选中， 为了保证在一个决策方案中只有一个档位被选中，须满足式(10); (kV) 为分接头第i个档位对应的电压；^ (kV)为所选择的分接头档位对应的电压； A为所选择的变压器的变比； 把变压器参数归算到高压侧有<formula>formula see original document page 4</formula>式中，x" (i=l， 2，…，NT)为二值逻辑变量，与并联的变压器一一对应， "=1表示第''台主变投入运行，xn=0表示第i台主变退出运行，为了保证在 一个决策方案中不出现全部主变都退出运行的情况，须满足式(15);所有上 述参数均录入计算机为综合寻优控制做底层数据;。
8、根据权利要求3所述配电网新型电能质量复合控制系统的控制方法，其特征是步骤4所述基础运算数据还包括无功补偿容量的计算，检测当前无功功率，根据公式^ = 5><(^%—si,)计算出MSC和TCR的投入量，其中^ 为需要的补偿量，S为变压器当前视在功率，A， ^为补偿前后功率因数角， 为己知量；其中单相TCR基波电流有效值7^与晶闸管导通角^的关系为<formula>formula see original document page 5</formula> (16) 设TCR支路电压有效值为"，A^"^'^TCR单项总的基波感抗值，是己 知量，TCR基波等效电纳的值为<formula>formula see original document page 5</formula>(17)根据实测的无功补偿量即可直接计算需要由MSC和TCR分别进行补偿的 容量，TCR实时的参与枚举寻优，跟随MSC的调整做动态调整。
9、根据权利要求3所述配电网新型电能质量复合控制系统的控制方法， 其特征是，步骤4所述优化函数模型为<formula>formula see original document page 5</formula>(18)<formula>formula see original document page 6</formula> (19) 其中(18)式为优化函数模型，(19)式为约束条件，^^-^A…&、 M,&X2…x、 ^=&，&2'''^分别为变压器、变压器分接头以及MSC电容 器组所对应的二值逻辑变量组成的向量，& (i=l， 2， N)为二值逻 辑变量，^，x,，^;l表示第i台变压器投入运行，第i个分接头被选中以及 第i组SVC电容器组投入，^，^,,，&,=0表^第i台变压器退出运行，第i个 分接头档位未被选中以及第i组SVC电容器组退出。
全文摘要
本发明公开了一种配电网电能质量复合控制系统，包括工控机、DSP控制板、变压器决策终端和挂接在配电网上的SVC装置，其中接入SVC装置的DSP控制板通过电压、电流互感器与配电网连接，SVC装置、变压器决策终端均通过DSP控制板与工控机连接，其中高压静止无功补偿装置SVC装置由星型连接的MSC(机械式投切电容器组)和三角形连接的TCR(晶闸管控制电抗器)组成。本发明同时公开了一种与该控制系统相应的配电网新型电能质量复合控制方法，有效补偿系统无功功率，提高了功率因数和配电网电能质量总体水平，对配电网实现节能降耗综合管理有重大意义和工程应用价值。
文档编号H02J3/18GK101420126SQ20081014367
公开日2009年4月29日 申请日期2008年11月21日 优先权日2008年11月21日
发明者吕志鹏, 帅智康, 曾灿林, 杨翠翠, 莹 程, 安 罗, 马伏军 申请人:湖南大学