一种基于自适应模型预测控制的电压紧急控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统安全稳定控制技术研究领域，具体涉及一种基于自适应模型 预测控制的电压紧急控制方法。
【背景技术】
[0002] 现阶段负荷中心水平不断增长，远距离重负荷输电的局面将会日益突出，电力系 统的运行越来越接近其稳定极限，虽然电网在规划时保留了一定的电压稳定裕度，但在遭 受严重扰动时仍可能发生电压不稳定事故，需要及时采取紧急控制措施防止电压崩溃。
[0003] 按照时间尺度和动态演化特征电压稳定可以分为短期电压稳定和中长期电压稳 定。在中长期电压稳定问题的时间尺度下电力系统动态存在很多不确定性，难以建立一个 精确的数学模型来描述系统的全部动态行为，电压协调控制研究中采用的预测模型无法与 实际系统运行状态完全匹配。在这种情况下，一方面系统预测输出轨迹需要根据反馈信息 进行滚动校正；另一方面在电压偏离其优化参考值较多时，控制决策需要分多步实施，避免 单次控制决策量过大而加剧模型不匹配导致的控制效果偏差。
[0004] 模型预测控制（model predictive control，MPC)作为一种在线滚动的优化控制 方法，能够满足上述要求，适用于动态特性变化和存在不确定因素的复杂系统，已经广泛 应用于中长期电压控制研究，MPC方法的时域参数包括预测时域、控制时域、采样周期。它 在预测时域内通过最小化目标函数求解控制时域内应施加的最优控制序列，并以采样周期 为间隔反复重复上述优化过程。其计算时间和控制效果受时域参数的影响较大：在其他参 数不变的情况下，预测时域参数越小，计算速度越快，但可能会影响预测系统响应完整性， 进而影响优化结果的有效性；预测时域参数越大，预测准确度越高，但计算时间会大幅增 加。控制时域参数越小，单次优化求取的控制步数越少，相应计算时间越少，控制决策更加 激进，但会加剧预测模型不匹配对控制决策有效性的负面影响，降低优化效率；控制时域参 数越大，控制效果更加平滑，但计算时间也会随之增加。MPC方法能够有效解决中长期电压 控制问题，但国内外相关研究均缺乏对控制时域参数选择的量化分析，往往通过经验或枚 举法进行确定；且MPC算法本身在优化过程中的时域参数恒定，无法根据系统运行状态和 演化趋势自适应调整，以满足各优化阶段对控制决策的要求。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种基于自适应模型预测控制的电压紧急 控制方法。该方法根据故障后预测系统轨迹与调压能力评估在线确定初始预测时域与控制 时域参数，能够改善控制效果和计算时间，加快电压恢复和优化过程的收敛速度。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -种基于自适应模型预测控制的电压紧急控制方法，包括：
[0008] 步骤1 :负荷预测模型根据故障后的控制初始时刻的故障电网实时数据，确定预 测时域参数和评估目标节点，进一步得到评估目标节点电压对于备选控制的轨迹灵敏度；
[0009] 步骤2 :控制初始时刻与预测时域参数叠加，得到控制时域；初始化控制时域的采 样频率，划分控制时域的控制步数；根据评估目标节点电压对于备选控制的轨迹灵敏度和 相应控制步数下的极限调压能力指标，获取故障电网电压优化所需的最小控制步数；
[0010] 步骤3 :建立故障电网的电压协调控制模型并求解，得到控制时域内采样点处最 优控制序列，并将最优控制序列中的第一步控制施加于故障电网；
[0011] 步骤4 :控制时域的结束时刻确定为控制初始时刻，求取在控制初始时刻的预测 时域内的负荷节点电压的预测轨迹，并得到负荷节点电压对于备选控制的轨迹灵敏度；
[0012] 步骤5 :重复步骤2-4,直到负荷节点电压轨迹满足安全要求。
[0013] 所述步骤1中，预测时域参数的确定方法为：
[0014] 筛选首个负荷节点电压幅值跌落15%的仿真时间，并将该时间距离最近的采样周 期整数倍值作为预测时域参数。
[0015] 所述步骤1中，评估目标节点的确定依据为：
[0016] 在控制初始时刻与预测时域参数叠加后的时刻，若负荷节点的预测电压幅值低于 预设的评估目标节点电压阈值，则将负荷节点确定为评估目标节点。
[0017] 所述步骤2中，获取故障电网电压优化所需的最小控制步数的过程为：
[0018] 控制时域内的每一个控制步数，对应一个极限调压能力指标向量；若极限调压能 力指标向量内的元素均大于预设的评估目标节点电压阈值，则此时对应的控制步数为故障 电网电压优化所需的最小控制步数。
[0019] 所述步骤2中，获得极限调压能力指标的过程为：
[0020] 首先，将当前控制步数下的各个评估目标节点电压对于备选控制的轨迹灵敏度按 照评估目标节点为行且备选控制为列的形式，构建当前控制步数下的轨迹灵敏度矩阵；
[0021] 根据当前控制步数k下的轨迹灵敏度矩阵中元素的符号，确定预测电压幅值的增 量；
[0022] 根据线性系统的叠加性质，计算全部备选控制对于评估目标节点电压的最大调节 能力；
[0023] 最后，将目标节点电压在控制时域的结束时刻的预测值向量与当前控制步数k之 前的所有电压最大调节能力向量线性叠加，得到控制序列（AUl，Au2，…，AUk)的极限调压 能力指标，其中，A Ui为当前控制时域内第i个采样点处的控制调节量，i = 1，2···，k。
[0024] 所述步骤3中，故障电网的电压协调控制模型为：
[0027] 式中：K代表预测时域tp内的采样点数量，tp= (K_l)ts，ts为采样周期；m代表单 次优化控制决策的步数，1：。= mt s，t。为控制时域；Q、R分别为节点电压偏移和控制代价的对 角惩罚权重矩阵％为节点参考电压组成的向量，#为施加控制措施后的预测电压幅值组 成的向量；A u为控制输入变化值组成的向量，Δ u_为控制输入最大变化值组成的向量，u 为控制输入值组成的向量，u_为控制输入最大值组成的向量，1!_为控制输入最小值组成 的向量；向量P、Au和u的下标k代表其在预测时域内第（k+Ι)个采样点处（tn+kts)时 亥IJ的取值；Vsni代表当前优化控制步数为m时的极限调压能力指标，V th为评估目标节点电压 阈值组成的向量。
[0028] 所述电网系统控制输入包括自动电压调节器设定值、有载调压变压器分接头位置 和切负荷系数。
[0029] 所述步骤1中，采集故障后的控制初始时刻的故障电网实时数据，输入至负荷预 测模型后，采用隐式梯形法进行时域仿真，得到负荷节点电压幅值。
[0030] 本发明的有益效果为：
[0031] (1)构建极限调压能力指标所需的数据均来源于电压协调控制中预测环节的过程 量，仅需进行简单代数计算，几乎不消耗额外计算时间。
[0032] (2)根据故障后的电压偏移情况和备选控制的调压能力确定最小控制时域参数， 能够减少单次优化的计算时间和电压偏移。
[0033] (3)随着最优电压控制决策的实施，电压轨迹逐渐逼近其参考轨迹。基于自适应控 制时域的电压协调控制策略能够在优化过程中逐渐减少控制时域，加快整个优化过程的收 敛速度，节省在线计算资源。
【附图说明】
[0034] 图1为模型预测控制原理示意图。
[0035] 图2为本发明基于自适应模型预测控制方法的流程示意图。
[0036] 图3为IEEE 39节点系统的拓扑结构示意图。
[0037] 图4为本发明实施例中优化控制时间线示意图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
[0039] 如图2所示，基于自适应模型预测控制的电压紧急控制方法，包括：