本发明涉及电力系统领域的控制技术，具体涉及一种直流电网分层控制系统及其设计方法。
背景技术：
我国水能资源、煤炭资源以及光伏、风电等新能源，主要集中于西北和西南地区，南北纵向距离长，东西地域覆盖面积广。从电源特性上看，丰枯期水电出力差异、新能源电力功率波动、火电可调控容量三者，具有较好的互补性；从负荷特性上看，跨多个时区的负荷具有较大的错峰容量。因此，西部电网大范围互联，将可综合发挥电源互济效益和错峰效益，提升西部电网整体运行效益。然而，通过交流电网将大范围的西部能源基地互联，伴随长距离交流输电的同步稳定、无功电压调节等问题，将会制约分散分布的各大型能源基地间电力交换能力，从而难以发挥联网运行效益。
直流电网是利用直流输电线路形成辐射状、网状等拓扑结构，用以连接分散分布的多个换流站，实现电力汇集、转运和调控的输电技术。在具备多类型电源、覆盖地域面积广的西北地区建设直流输电网，具有如下的显著技术优势：
(1)能源基地互联距离，不受同步稳定和无功电压调节约束；
(2)综合电源出力特性，统一汇集和外送，充分发挥互济效益；
(3)通过直流输电网进行功率快速支援，避免潮流在交流电网中转移穿越；
(4)一端故障多点支援，分散扰动冲击，消弱影响程度；
(5)整体提升外送通道和输变电设备利用率。
构建直流电网，连接大型水电基地、大型火电基地、大型风电基地以及大型光伏发电基地，实现多类型电源互济提升电网运行效率，是一种可行的网架构建方案。然而，目前针对直流电网，尚无控制系统设计方法，迫切需要提出相关方法支撑直流电网发展。
技术实现要素：
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种直流电网分层控制系统及其设计方法，采用换流站本体控制层、子网协调控制层、全网控制层，实现直流电网控制功能的多层级有效协同与配合，结构清晰、功能明确，可保障直流电网安全稳定运行。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种直流电网分层控制系统，其改进之处在于，所述控制系统包括直流电网全网协调控制层、与其连接的区域直流子网中多换流站协调控制层以及与区域直流子网协调控制层连接的电压源换流站VSC本体控制层；所述直流电网全网协调控制层和区域直流子网中多换流站协调控制层均采用主备控制方式；所述控制系统还包括分别与直流电网全网协调控制层和区域直流子网中多换流站协调控制层连接的直流电网广域量测系统WAMS。
进一步地，所述直流电网全网协调控制层用于调控多源广域互济、全网潮流优化计算、联络线潮流控制、故障紧急支援控制、区域直流子网故障隔离控制、交直流协调控制以及在线预警与辅助决策；
所述区域直流子网中多换流站协调控制层用于调控区域直流子网内直流支路潮流控制器，避免支路过负荷，包括：区域直流子网换流站功率分配、区域直流子网潮流优化、受扰特性优化和局部交直流协调控制。
进一步地，所述电压源换流站VSC本体控制层包括电压源换流站控制器，所述电压源换流站VSC本体控制层利用同步旋转dq0坐标系下的双环解耦控制策略实现，所述电压源换流站VSC本体控制层用于追踪目标设定值，控制电压源换流站VSC与交流电网交换的有功功率、无功功率，以及电压源换流站VSC直流侧电压和交流侧电压电气量。
本发明还提供一种直流电网分层控制系统设计方法，其改进之处在于，所述设计方法包括下述步骤：
(1)直流电网建模与潮流计算；
(2)直流电网中区域直流子网划分；
(3)电压源换流站VSC本体控制层设计；
(4)区域直流子网中多换流站协调控制层设计；
(5)多区域直流子网协调的直流电网全网协调控制层设计。
进一步地，所述步骤(1)中，依据直流电网的各电压源换流站VSC相互连接的拓扑结构，收集电压源换流站间互联线路长度和单位长度电阻数据，以及换流站运行功率数据，建立直流电网的潮流计算模型；执行直流电网潮流计算，获得直流电网中各直流线路的运行功率。
进一步地，所述步骤(2)中，分析直流电网拓扑互联结构特征，并依据直流电网中功率交换方向与大小，基于以下2项原则，将直流电网划分为若干个区域直流子网，各子网间通过直流联络线互联；
所述2项原则包括：原则1：电网结构中各直流子网间具有互联线路和互联断面；原则2：能够隔离故障，避免一个直流子网故障波及其他直流子网。
进一步地，所述步骤(3)中，利用同步旋转dq0坐标系下的双环解耦控制策略，实现电压源换流站VSC本体控制层的设计，追踪电压源换流站VSC与交流电网交换的有功功率、无功功率，以及电压源换流站VSC直流侧电压和交流侧电压电气量的目标设定值，控制电压源换流站；双环解耦控制策略如公式1)和式2)所示：
式中：分别为电压源换流站VSC输出d、q轴电压分量的期望值；KI、TI分别为电流比例积分调节器的比例系数和积分时间常数；Isdref、Isqref分别为电压源换流站VSC的d、q轴电流参考设定值；Isd、Isq分别为电压源换流站VSC的d、q轴电流实际值；Usd、Usq分别为电压源换流站VSC的d、q轴电压实际值；Lc为电压源换流站VSC交流电抗器漏感；ω为角频率。
进一步地，所述步骤(4)的区域直流子网中多换流站协调控制层设计包括下述步骤：
步骤41：区域直流子网中多电压源换流站采用带电压裕度的电压下垂控制，即基于换流站P/U一次下垂特性曲线，依据电压变化自动调整换流器功率的控制，，实现子网有功功率的自动平衡；
步骤42：设置区域直流子网协调控制主站，采用主备方式配置，基于直流电网广域量测系统WAMS监测网内运行状态，同时与直流电网系统主站和子网内换流器控制系统互联通信，一方面接收系统控制主站下发的子网间功率交换指令值，经协调分配决策，向区域内各换流站下发传输功率大小的设定值；
步骤43：区域直流子网协调控制主站监测网内直流线路功率水平，调节潮流控制器，均衡网内潮流。
进一步地，所述步骤(5)的多区域直流子网协调的直流电网全网协调控制层设计包括下述步骤：
步骤51：与各区域直流子网协调控制主站进行信息交互，收集区域直流子网运行状态，利用直流电网广域量测系统WAMS监测区域直流子网间运行功率状态，接受区域直流子网控制系统上传的控制请求指令，依据各区域直流子网运行状态，协调决策多区域直流子网协调控制策略，并下发至各子网控制主站；
步骤52：控制区域直流子网间互联直流线路上安装的潮流控制器，保障各线路功率均衡，不出现过负荷。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
本发明提供的一种直流电网分层控制系统及其设计方法，采用换流站本体控制层、子网协调控制层、全网控制层，实现直流电网控制功能的多层级有效协同与配合，结构清晰、功能明确，可保障直流电网安全稳定运行。
附图说明
图1是本发明提供直流电网分层控制系统设计流程图；
图2是本发明提供的电压源换流站本体控制层示意图；
图3是本发明提供的具体实施例的直流电网分层控制系统示意图；
图4是本发明提供的各层控制的功能定位示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
本发明提供一种直流电网分层控制系统，包括直流电网全网协调控制层、与其连接的区域直流子网中多换流站协调控制层以及与区域直流子网协调控制层连接的电压源换流站VSC本体控制层；直流电网全网协调控制层和区域直流子网中多换流站协调控制层均采用主备控制方式；所述控制系统还包括分别与直流电网全网协调控制层和区域直流子网中多换流站协调控制层连接的直流电网广域量测系统WAMS。
直流电网全网协调控制层用于调控多源广域互济、全网潮流优化计算、联络线潮流控制、故障紧急支援控制、区域直流子网故障隔离控制、交直流协调控制以及在线预警与辅助决策；
区域直流子网中多换流站协调控制层用于调控区域直流子网内直流支路潮流控制器，避免支路过负荷，包括：区域直流子网换流站功率分配、区域直流子网潮流优化、受扰特性优化和局部交直流协调控制。
电压源换流站VSC本体控制层包括电压源换流站控制器，电压源换流站VSC本体控制层利用同步旋转dq0坐标系下的双环解耦控制策略实现，电压源换流站VSC本体控制层用于追踪目标设定值，控制电压源换流站VSC与交流电网交换的有功功率、无功功率，以及电压源换流站VSC直流侧电压和交流侧电压电气量。
本发明提供一种直流电网分层控制系统设计方法，用于指导制定直流电网控制系统方案，该方法的流程示意图如图1所示，包括以下步骤：
(1).直流电网建模与潮流计算；
(2).直流电网中区域直流子网划分；
(3).电压源换流站本体控制层设计；
(4).区域直流子网中多换流站协调控制层设计；
(5).多区域直流子网协调的全网控制层设计。
在所述步骤(1)中，依据直流电网的拓扑结构方案，收集电压源换流站间互联线路长度、阻抗的网络结构与参数信息，以及换流站运行功率数据，建立直流电网的潮流计算模型。执行直流电网潮流计算，获得直流电网中各直流线路的运行功率。
在所述步骤(2)中，分析直流电网拓扑互联结构特征，并依据直流电网中功率交换方向与大小，基于以下2项原则，将直流电网划分为若干个区域直流子网，各子网间通过直流联络线互联。原则1：电网结构清晰，各直流子网间具有明确的互联线路和互联断面；原则2:可快速隔离故障，避免一个直流子网故障波及其他直流子网。
在所述步骤(3)中，利用同步旋转dq0坐标系下的双环解耦控制策略，实现电压源换流站(Voltage Source Converter,VSC)本体控制层的设计，追踪电压源换流站VSC与交流电网交换的有功功率、无功功率，以及电压源换流站VSC直流侧电压和交流侧电压电气量的目标设定值，控制电压源换流站；双环解耦控制策略如公式1)和式2)所示：
式中：分别为电压源换流站VSC输出d、q轴电压分量的期望值；KI、TI分别为电流比例积分调节器的比例系数和积分时间常数；Isdref、Isqref分别为电压源换流站VSC的d、q轴电流参考设定值；Isd、Isq分别为电压源换流站VSC的d、q轴电流实际值；Usd、Usq分别为电压源换流站VSC的d、q轴电压实际值；Lc为电压源换流站VSC交流电抗器漏感；ω为角频率。
在步骤(4)中，区域直流子网中多电压源换流器采用带电压裕度的电压下垂控制，实现子网有功功率的自动平衡；设置区域直流子网协调控制主站，采用一主一备方式配置，基于直流电网广域量测系统(WideArea MeasurementSystem,WAMS)监测网内运行状态，同时与直流电网系统主站和子网内换流器控制系统互联通信，一方面接收系统控制主站下发的子网间功率交换指令值，经协调分配决策，向区域内各换流站下发功率设定目标值；区域直流子网协调控制主站监测网内直流线路功率水平，调节潮流控制器，均衡网内潮流。
区域直流子网中多换流站协调控制层设计包括下述步骤：
步骤41：区域直流子网中多电压源换流站采用带电压裕度的电压下垂控制，即基于换流站P/U一次下垂特性曲线，依据电压变化自动调整换流器功率的控制，，实现子网有功功率的自动平衡；
步骤42：设置区域直流子网协调控制主站，采用主备方式配置，基于直流电网广域量测系统WAMS监测网内运行状态，同时与直流电网系统主站和子网内换流器控制系统互联通信，一方面接收系统控制主站下发的子网间功率交换指令值，经协调分配决策，向区域内各换流站下发传输功率大小的设定值；
步骤43：区域直流子网协调控制主站监测网内直流线路功率水平，调节潮流控制器，均衡网内潮流。
在所述步骤(5)中，多区域直流子网协调的系统控制层，与各区域直流子网协调控制主站进行信息交互，收集子网运行状态，利用WAMS监测区域直流子网间运行功率状态，接受子网控制系统上传的控制请求指令，依据各子网运行状态，协调决策多子网协调控制策略，并下发至各子网控制主站；控制子网间互联直流线路上安装的潮流控制器，保障各线路功率均衡，不出现过负荷。
多区域直流子网协调的直流电网全网协调控制层设计包括下述步骤：
步骤51：与各区域直流子网协调控制主站进行信息交互，收集区域直流子网运行状态，利用直流电网广域量测系统WAMS监测区域直流子网间运行功率状态，接受区域直流子网控制系统上传的控制请求指令，依据各区域直流子网运行状态，协调决策多区域直流子网协调控制策略，并下发至各子网控制主站；
步骤52：控制区域直流子网间互联直流线路上安装的潮流控制器，保障各线路功率均衡，不出现过负荷。
实施例
本实施例以我国远景西部直流送端电网构建设想方案作为实施例，对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
(1).直流电网建模与潮流计算：
如图2所示我国远景西部直流送端电网构建设想方案，收集电压源换流站间互联线路长度、阻抗的网络结构与参数信息，以及换流站运行功率数据，建立直流电网的潮流计算模型。执行直流电网潮流计算，获得直流电网中各直流线路的运行功率。
(2).直流电网中区域直流子网划分
依据图3所示各电压源换流站地理位置的集中分布情况，并结合直流电网潮流计算得到的潮流分布特性，综合2项直流子网组网原则，即原则1：电网结构清晰，各直流子网间具有明确的互联线路和互联断面，原则2:可快速隔离故障，避免一个直流子网故障波及其他直流子网，将直流电网划分为7个直流子网，如图3所示。
(3).电压源换流站本体控制层设计
对电压源换流站本体，设计双环解耦控制器，如图2所示。外环控制器实现对有功功率Pd、直流电压ud、和无功功率Qp、交流电压Up等电气量的控制，比例积分型PI调节器输入为各电气量与目标设定值之间的偏差信号，输出为VSC交流d轴和q轴电流的目标值ipdref、ipqref；内环控制器采用dq轴解耦控制，输入为外环控制器输入的d轴和q轴电流的目标值与运行值之间的偏差，经内环比例积分型PI调节器，输出VSC输出电压的d轴和q轴期望值Upq、Upd。
(4).区域直流子网中多换流站协调控制层设计
对于直流电网中的各区域直流子网，均配置区域直流子网协调控制主站，采用一主一备方式配置。区域内各换流站与协调控制主网通信，上传本换流站运行状态信息，同时接受控制主站下发的协调控制指令。协调控制主站同时接收广域量测系统采集上送的直流子网中各线路传送功率，并向网内线路上安装的潮流控制器下发调节指令，调节网内潮流分布，优化运行状态。
(5).多区域直流子网协调的全网控制层设计
多区域直流子网协调的系统控制层，与各区域直流子网协调控制主站进行信息交互，收集子网运行状态，利用WAMS监测区域直流子网间运行功率状态，接受子网控制系统上传的控制请求指令，依据各子网运行状态，协调决策多子网协调控制策略，并下发至各子网控制主站；控制子网间互联直流线路上安装的潮流控制器，保障各线路功率均衡，不出现过负荷。本发明提供的各层控制的功能定位示意图如图4所示。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。