专利名称：分布式电力无功优化的实时控制设备和方法
技术领域：
本发明涉及电力系统的无功优化控制，特别是分布式电力无功优化的实时控制设备和方法。
背景技术：
目前，电力系统一般通过专用通讯网络来传输采集的实时数据，从而进行分布式的无功优化控制。该类专用通讯网络的铺设和维护成本很高，并且在原有的专用通讯线路损坏的情况下，无法提供多条冗余通路可供使用。而现阶段的公共互联网无论是有线形式还是无线形式均已得到广泛应用，并且都可得到较为廉价的解决方案。但是，当此类公共网络用于解决如电力系统无功优化实时控制之类的数据传输时，其网络繁忙时会出现数据包丢失的现象，而这类分布式控制系统的实时优化状态对于输入状态和输出控制量的可靠性和实时性具有一定程度的要求。因此，在公共互联网络具有数据丢包的情况下，如何进行分布式电力无功优化的实时控制，该问题一直未能找到很好的解决方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够通过公共移动互联网采集并传输电力系统的实时状态数据，在存在数据丢包的情况下，实现一种分布式无功优化实时控制的设备和方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是提供一种分布式电力无功优化的实时控制方法，包括采集反映所述电力系统运行状态的实时数据；通过公共移动互联网络向所述电力系统的无功调节控制器传送所述实时数据进行无功优化计算，以得到优化的输出控制量；以及将所述优化的输出控制量通过所述公共移动互联网络传送给无功执行器以对所述电力系统进行分布式无功优化的实时控制。根据本发明的一个实施例，所述公共移动互联网络是采用GPRS或CDMA技术接入并基于TCP/IP协议的公共计算机互联网络。根据本发明的一个实施例，在所述无功优化计算之前，由于通过公共互联网传输的实时数据不可靠，因此对所述采集的实时数据进行状态估计，以得到能够真实反映所述电力系统当前运行状态的输入数据。根据本发明的一个实施例，所述状态估计包括以下步骤(1)对所述采集的实时数据进行网络拓扑结构处理和可观测性分析以确定实时状态信息；(2)对所述实时状态信息采用加权最小二乘法执行估计计算；(3)根据所述估计计算的结果采用加权参差检测法和残差搜索辨识法执行不良数据检测与辨识，根据检测与辨识的结果确定不良数据的具体位置；(4)根据所述检测与辨识的结果将良性数据保存以进行实时无功优化迭代计算。根据本发明的一个实施例，针对所述无功优化计算所得到的输出控制量，还执行了去冗-保持处理。
根据本发明的一个实施例，所述去冗-保持处理包括以下步骤A.对所述无功优化计算得到的输出控制量执行去冗操作，通过控制状态对角阵S将所述输出控制量中不可控的部分作为冗余量进行归零化处理，以保留可控的部分， ukk (k-1) = u(k-l) · S ；B.只对所述输出控制量的可控部分进行优化迭代计算，则所述Ukk(k-1)经过迭代计算得到新的优化值ukk (k)；C.执行保持操作，将所述不可控的部分Ubk通过以下算式保持为前一时刻历史值 Ubk (k-1)ubk (k) = u (k-1) · (I-S)；D.然后通过以下算式与所述可控优化值Ukk(k)共同形成实际输出的最优控制量 u (k) = ukk (k) +ubk (k)本发明还提供一种分布式电力无功优化的实时控制设备，它包括状态采集器，其用于采集反映所述电力系统运行状态的实时数据；无功调节控制器，其用于接收通过公共的移动互联网传送的所述实时数据，并运行无功优化迭代计算，以得到优化的输出控制量； 无功执行器，其用于通过所述公共的移动互联网接收所述优化的输出控制量，并根据该输出控制量对所述电力系统进行分布式无功优化的实时控制。其中，所述公共的移动互联网是采用GPRS或CDMA技术接入并基于TCP/IP协议的公共计算机互联网络。根据本发明的另一个优选实施例还包括状态估计装置，用于对所述采集的实时数据进行状态估计，以得到能够真实反映所述电力系统当前运行状态的输入数据。根据本发明的另一个优选实施例，所述无功调节控制器还执行去冗-保持处理。综上所述，本发明实现了将公共互联网，尤其是公共移动互联网技术应用于电力系统无功优化的分布式实时控制当中，并且基于新型网络化控制理论的建模方法，在反馈回路中采用状态估计，以及在前向通道中进行去冗-保持处理，很好地克服了公共通讯网络中由于数据丢包而对无功优化实时控制产生的不利影响。从实验室得到的实验结果曲线可以看到，采用本发明的设备和方法，可以实现分布式电力系统无功优化的次优控制，达到了比现有方法更好的优化效果。
图1显示了根据本发明，无功优化实时控制系统的建模；图2显示了根据本发明，具有前向-反馈通道数据丢包的无功优化实时控制结构框图；图3显示了根据本发明采用经典遗传优化算法的实施例中，解决前向-反馈通道数据丢包算法的流程图；图4显示了一种IEEE 30节点系统的结构图；图5显示了一种IEEE 57节点系统的结构图；图6显示了在IEEE 30节点系统中不存在数据丢失、算法改进后和未改进三种情况下最优网损值的对比图；图7显示了在IEEE 57节点系统中不存在数据丢失、算法改进后和未改进三种情
5况下最优网损值的对比图；图8显示了去冗-保持处理中实际控制量u (k)的形成过程；图9显示了针对所采集的实时数据进行状态估计的步骤。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。所述无功优化实时控制方法将网络化控制模型与传统无功优化计算相结合，具体思路为通过传感器对电力系统的状态进行实时采集，将采集的数据通过公共的移动互联网传送给无功调节控制器进行无功优化算法求解，再将优化计算的结果通过公共的移动互联网传送给发电机、有载变压器、无功补偿设备等执行器进行无功调节的实际控制操作。其中，公共的移动互联网是采用GPRS或CDMA技术接入并基于TCP/IP协议的公共计算机互联网。由于GPRS或CDMA接入技术是目前移动互联网中广为流行的技术，用户可以从市场上得到收发模块或芯片级的整体解决方案；同时，将其应用于所述无功优化实时控制与应用于其它的数据通信系统，没有本质区别。因此关于接入技术，这里不再赘述。本发明主要解决分布式实时控制系统利用公共互联网通信情况下的数据丢失对于无功优化算法的影响。按照上述思路，构造基于网络化控制模型的无功优化问题的系统结构，如图1所示。采集的实时数据X(k)包括电网的电压、电流、设备工作状态等；无功优化计算的结果 u(k)为输出控制量，包括发电机输出电压、有载变压器档位、电容器无功补偿容量等信息；
τ sc为状态传感器至无功调节控制器的网络传输时延；τ ca为无功调节控制器到执行器的网络传输时延。在传统无功优化模型的基础上，引入分布式的网络化控制结构，就必须分析网络化控制系统中通过公共互联网络传输因素对无功优化算法及其性能的影响。针对网络化无功优化控制系统中前向通道与反馈回路同时存在数据丢包，导致部分输出控制变量不可控和部分输入状态数据丢失的情况，利用本发明所提出的去冗-保持处理与状态估计方法对无功优化算法同时进行改进，以减少公共网络中数据丢失对无功优化实时控制造成的影响。改进思路是在无功优化计算之前，首先进行状态估计，剔除网络传输所带来的采集数据丢失的不利影响，估计出系统实际的运行状态，为无功优化计算提供可靠的输入数据。在进行无功优化计算时，原有的优化算法操作可以保持不变，仅需将去冗-保持处理过程引入，以减少不可控输出量对无功优化造成的影响，最终，使电力系统尽快达到近似的最优状态。图2为具有前向-反馈通道数据丢包的无功优化实时控制结构图。状态估计法假定反馈回路中存在网络丢包而造成状态采集器采集到的部分实时状态数据丢失，则无功优化控制器将无法接受到完整的状态输入信息，此时进行的优化计算只能基于系统的部分状态信息，其优化结果将无法保证系统达到最佳的优化状态。因此，在无功优化计算前需要首先进行状态估计。此时，丢失的状态数据在无功优化控制器中会保持为前一时刻或上一次的量测值，它与真实值之间存在一定的误差，在此将其称作模拟量测值。状态估计基于该模拟量测值进行计算，估计出系统真实的运行状态，为无功优化提供准确的输入数据。状态估计的实现步骤如下(1)对通过网络传输来的采集数据进行网络拓扑结构处理和可观测性分析。网络拓扑结构处理是根据量测值估计电网的实际开关状态，纠正偶然出现错误的开关状态信息，以保证数据库中电网结线方式的正确性。可观测性分析是电力系统状态可估计的前提，即在给定网络和量测信息时，能够确定系统的状态信息。若该网络是可观测的，便可以进行状态估计。否则，将对不可观测的部分通过选择最小数目的附加量测，使之变成可观测。(2)进行状态估计，其中包括估计计算和不良数据检测与辨识。估计计算采用加权最小二乘法；不良数据检测与辨识分别采用加权残差检测法与残差搜索辨识法。不良数据检测是用于判断某次量测采样中是否存在不良数据。通过检测确知量测采样中存在不良数据后，确定不良数据具体的位置称为不良数据辨识。(3)将状态估计得到的良好数据存入系统数据库或文件，以便进行无功优化计算。状态估计是利用电力系统的实时量测信息，通过估计计算，以排除量测数据中噪声以及反馈通道中网络丢包的干扰，获得电力系统当前的运行状态。利用状态估计方法对数据进行实时处理，能够提高数据的精度，排除偶然的错误信息和数据，提高无功优化系统的控制与可靠性。状态估计的基本步骤如图9所示，一般包括模型假设、状态估计、数据检测、和辨识。模型假设是指在给出网络接线状态和网络参数的条件下，确定量测函数方程和量测误差方阵的过程。状态估计是计算状态估计值的过程，即使残差的加权内积达到最小的状态。数据检测即检查量测值中是否存在不良数据或网络接线状态中是否存在错误信息的过程。辨识是确定具体不良数据或网络接线错误的过程。在给定网络结线，支路参数和量测系统的条件下，电力系统状态估计的非线性量测方程为ζ = h (χ) +ν (1)式(1)中ζ为m维量测向量，包括支路有功与无功功率、结点注入有功和无功功率以及结点电压模值的量测；h(x)为由基尔霍夫基本电路定律所建立的非线性量测函数向量；X为各节点的电压模值与相角；V为量测噪声向量。电力系统状态估计数学方法有加权最小二乘法、快速分解法、正交化方法和混合法等。加权最小二乘估计法是在状态估计中应用最为广泛的一种方法，此方法不需要随机变量的任何统计特性，是在假设量测误差Iv1, v2，-,vj服从均值为零、方差为Oi2的正态分布条件下，以量测值Z与量测估计值f之差的平方和最小为目标准则的估计方法。按加权最小二乘估计法准则建立的目标函数为minJ(x) = [z-h(x)f W[z - h(x)\(2)
X其中，W= R-1 = diag{l/o/,l/o/，...，l/om2} (3)
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即给定量测矢量Z，状态估计矢量i是使目标函数达到最小时的χ值。式(3)中R 为测量误差的方差阵，Qi2为每个测量误差的方差。对目标函数求导数，就可以求得系统状态量估计值。h(x)是非线性函数，因此需要用迭代的方法求解。先假定状态量初值为x°，使 h (χ)在χ°处泰勒展开，当Χ°充分接近时i略去高阶项，使之线性化，由此得到状态变量修正量迭代线性方程如式G)，状态估计的非线性目标函数可以利用下式进行迭代求解(HtWH) Δ χ = HtW (z_h (χ))(4)式(4)中=为量测的雅克比矩阵；HTR4H为迭代方程的信息矩阵；Δχ为状态变量的修正量。若记应=W112H，Δ ζ ‘ = ff1/2 [z-h (χ)]，则式(4)可写成如下形式
权利要求
1.一种分布式电力无功优化的实时控制方法，其特征在于，所述方法包括 采集反映电力系统的运行状态的实时数据；通过公共的移动互联网向所述电力系统的无功调节控制器传送所述实时数据进行无功优化计算，以得到优化的输出控制量；以及将所述优化的输出控制量通过所述移动互联网传送给无功调节的执行器，以对所述电力系统进行分布式无功优化的实时控制。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述公共的移动互联网是采用GPRS或CDMA 技术接入并基于TCP/IP协议的公共计算机互联网。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述无功优化计算之前，对所采集的实时数据进行状态估计，以得到能够真实反映所述电力系统当前运行状态的输入数据。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述状态估计包括以下步骤对所采集的实时数据进行网络拓扑结构处理和可观测性分析以确定实时状态信息； 对所述实时状态信息采用加权最小二乘法执行估计计算；根据所述估计计算的结果，采用加权参差检测法和残差搜索辨识法执行不良数据检测与辨识，根据检测与辨识的结果确定不良数据的具体位置；根据所述检测与辨识的结果将良性数据保存以进行实时无功优化计算。
5.如权利要求1到3中任一项所述的无功优化实时控制方法，其特征在于，针对所述无功优化计算所得到的输出控制量，还执行了去冗-保持处理。
6.如权利要求5所述的无功优化实时控制方法，其特征在于，所述去冗-保持处理还包括以下步骤A对所述无功优化计算得到的输出控制量执行去冗操作，通过控制状态对角阵S将所述输出控制量中不可控的部分作为冗余量进行归零化处理，以保留可控的部分，ukk(k-1)= u(k-l) · S ；B只对所述输出控制量的可控部分进行优化迭代计算，则所述ukk(k-1)经过迭代计算得到新的优化值ukk(k)；C执行保持操作，将所述不可控的部分Ubk通过算式Ubk(k) = u (k-1) · (I-S)保持为前一时刻历史值ubk (k-Ι)；D然后通过以下算式与所述可控优化值UkkGO共同形成实际输出的最优控制量U (k) =ukk (k) +ubk (k)。
7.一种分布式电力无功优化的实时控制设备，包括状态采集器，其用于采集反映电力系统运行状态的实时数据； 无功调节控制器，其用于接收通过公共的移动互联网传送的所述实时数据，并运行无功优化迭代计算，以得到优化的输出控制量；无功执行器，其用于通过所述公共的移动互联网接收所述优化的输出控制量，并根据该输出控制量对所述电力系统进行分布式无功优的实时控制。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，所述公共的移动互联网是采用GPRS或CDMA 技术接入并基于TCP/IP协议的公共计算机互联网络。
9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，还包括状态估计装置，用于对所述采集的实时数据进行状态估计，以得到能够真实反映所述电力系统当前运行状态的输入数据。
10.如权利要求7-9中任一项所述的设备，其特征在于，所述无功调节控制器包括去冗-保持处理装置，以对优化的输出控制量执行去冗-保持操作。
全文摘要
本发明公开了一种分布式电力无功优化的实时控制方法，所述方法包括采集反映电力系统的运行状态的实时数据；通过公共的移动互联网向所述电力系统的无功调节控制器传送所述实时数据进行无功优化计算，以得到优化的输出控制量；以及将所述优化的输出控制量通过所述移动互联网传送给无功调节的执行器，以对所述电力系统进行分布式无功优化的实时控制。本发明实现了将公共互联网，尤其是公共移动互联网技术应用于电力系统无功优化的分布式实时控制当中，并且基于新型网络化控制理论的建模方法，在反馈回路中采用状态估计，以及在前向通道中进行去冗-保持处理，很好地克服了公共通讯网络中由于数据丢包而对无功优化实时控制产生的不利影响。
文档编号H02J3/18GK102280892SQ201110218299
公开日2011年12月14日 申请日期2011年8月1日 优先权日2011年8月1日
发明者兰浩, 刘琴, 张伟, 彭可, 李仲阳, 盘清琳, 黄丹, 龙小华 申请人:湖南师范大学