一种以全局最优为目标的电网自动电压控制方法及系统与流程

本发明涉及电力系统的电网自动电压控制技术，具体涉及一种以全局最优为目标的电网自动电压控制方法及系统。

背景技术：

自动电压控制(automaticvoltagecontrol，avc)是现代电网电压、无功控制的主要系统，通过对并网机组、电网动态无功补偿设备、并联电容\电抗器、变压器等无功电压源的自动统一调控，提高电网电压质量、降低网损，保证电网安全经济优质运行。

现有avc系统主要有两种模式：一种为三级控制模式，即整个控制系统分为三个层次：三级、二级电压控制为各级电网调控中心主站集中控制，控制时间常数一般是分钟级；三级电压控制根据状态估计结果，按全网最优经济为目标，计算得到各区域中枢母线电压期望值；二级电压控制将电网分为若干区域，根据scada实时采样数据，按中枢母线电压实时值与期望值偏离最小为目标，计算得到各无功电压源的状态期望值；一级电压控制为无功电压源就地控制，控制无功或母线电压跟踪期望值。一种为类九区图控制模式，即将电网分为若干区域后，根据区域中枢母线电压和无功的缺、盈，控制电容\电抗器投退或变压器分接头位置调整、发电机组增加或减少无功输出。

现有的两种模式优势在于对scada实时采样数据和状态估计结果依赖性较低，鲁棒性较好。但这两种模式都存在一个问题：即无法做到全局最优值。三级控制模式中三级电压控制中得到结果虽为全局最优值，但经过二级电压控制协调后，所得到的结果仅为具有与全局最优值相同得区域中枢母线电压的可行值，与真实的全局最优值相去甚远；类九区图控制模式中计算得到与上一时刻状态最接近的可行值，也不是全局最优值。此外，两种模式均需要对同一个调度范围内的电网进行人为分区，目前电网连接日益紧密，将电网分为相互影响很小的若干区域越来越困难，若分区不恰当，则可能造成控制的失衡。

随着电网无功、电压调控手段的丰富，scada实时采样数据准确性、及时性和完整性的提高，状态估计遥测合格率长期保持在99％以上，计算数据大幅度提高，以电网全局最优值为控制目标成为可能。因此，需要一种不需分区、以全局最优为控制目标的电网自动电压控制策略以及对应的实现系统。现有涉及电网自动电压控制的方法不少，但没有以全局最优为目标的控制策略、方法或系统。如申请号为20121042477.6的中国专利文献公开了一种多级自动电压无功控制系统avc协调控制方法，采用三级控制模式开展多级电网协调，需要对电网进行分层分区处理，且所得控制结果仅为可行值，非全局最优值；如申请号为201410383572.2的中国专利文献公开了一种无功优化控制方法及系统，将电网分层分区后，按实行九区图控制，其控制目标也不是全局最优。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种不需要进行电网分区，在满足电网各母线电压需求的同时以全局无功潮流最优为控制目标，能够进一步降低网损，实现电网全局最优经济运行的以全局最优为目标的电网自动电压控制方法及系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一方面，本发明提供一种以全局最优为目标的电网自动电压控制方法，实施步骤包括：

1)按计算周期获取电网实时状态数据和状态估计结果；

2)若状态估计结果收敛且遥测合格率大于等于门槛值，则跳转执行步骤3)，否则，跳转执行步骤4)；

3)根据状态估计结果，对所调度范围内的电网按全局优化方法计算得到各无功电压源的状态期望值，所述各无功电压源的状态期望值包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压、电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置；跳转执行步骤7)；

4)检查各母线电压是否超标，若母线电压超标，则执行步骤5)；否则执行步骤6)；

5)将各离散可调无功电压源的状态期望值均赋值为上一个计算周期的状态期望值，按上一个周期的母线电压期望值作为本周期母线电压期望值，根据实时数据，按协调二级电压控制方法计算得到各连续可调无功电压源的状态期望值；所述离散可调无功电压源的状态期望值包括电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置，且不包括连续可调无功电压源的状态期望值；所述连续可调无功电压源的状态期望值包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压，且不包括离散可调无功电压源的状态期望值；所述连续可调无功电压源包括电网动态无功补偿设备、并网新能源发电厂、并网常规水电机组、火电机组四种无功出力连续可调装置设备；跳转执行步骤7)；

6)将各无功电压源的状态期望值均赋值为上一个计算周期的状态期望值，继续执行步骤7)；

7)将本计算周期的状态期望值以遥调或遥控指令下发给各无功电压源类型执行。

优选地，步骤3)中对所调度范围内的电网按全局优化方法计算得到各无功电压源的状态期望值的详细步骤包括：以全局网损最小为目标函数，以电网功率平衡、电压上下限、有功/无功出力上下限为边界条件，以无功电压源状态期望值为控制变量，按预设的在线优化算法，开展的电网最优潮流计算的方法，得到各无功电压源的状态期望值。

优选地，所述预设的在线优化算法的数学模型如式(1)和(2)所示；

minf(x)(1)

式(1)和(2)中，x为作为控制变量的各无功电压源的状态期望值，包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压、电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置，f(x)为目标函数，采用全局网损最小；g(x)为等式边界条件，采用电网有功/无功功率平衡；h(x)为不等式边界条件，采用母线电压上下限h^min、无功出力上下限h^max。

优选地，所述预设的在线优化算法采用原对偶内点法或牛顿拉夫逊方法。

优选地，步骤5)中按协调二级电压控制方法计算得到各连续可调无功电压源的状态期望值的详细步骤包括：以母线电压实时值与期望值偏差量最小为控制目标，以各连续可调无功电压源期望值本周期内可达到上下限为边界条件，按各连续可调无功电压源与母线电压的灵敏度，开展预设的母线电压优化控制方法，得到各连续可调无功电压源的状态期望值。

优选地，开展预设的母线电压优化控制方法的数学模型如式(3)和(4)所示；

式(3)和(4)中，vp和vp^ref分别为中枢母线实时电压和目标电压，cpg为连续可调无功电压源对中枢母线的灵敏度系数矩阵，δqg为连续可调无功电压源无功调整期望值，r和h为权重系数，θ为无功协调向量；qg、qg^max、qg^min分别为连续可调无功电压源当前无功出力、无功上限和下限，vc、vc^max、vc^min分别为关键母线当前电压、电压上限和下限，ccg为连续可调无功电压源对关键母线的灵敏度系数矩阵，cvg为连续可调无功电压源对控制母线的灵敏度系数矩阵，δvh^max为每次控制母线电压最大调节量。

优选地，步骤1)中的计算周期为分钟级，取值范围为1～60分钟；步骤1)中的计算周期为5分钟；步骤2)中的门槛值为99％。

另一方面，本发明还提供一种以全局最优为目标的电网自动电压控制系统，包括：

数据采集单元，用于按计算周期获取电网实时状态数据和状态估计结果；

中央控制单元，用于进行状态期望值计算，若状态估计结果收敛且遥测合格率大于等于门槛值，则根据状态估计结果，对所调度范围内的电网按全局优化方法计算得到各无功电压源的状态期望值，所述各无功电压源的状态期望值包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压、电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置；否则，检查各母线电压是否超标，若母线电压超标，则将各离散可调无功电压源的状态期望值均赋值为等于上一个计算周期的状态期望值，按上一个周期的母线电压期望值作为本周期母线电压期望值，根据实时数据，按协调二级电压控制方法计算得到各连续可调无功电压源的状态期望值；所述离散可调无功电压源的状态期望值包括电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置，且不包括连续可调无功电压源的状态期望值；所述连续可调无功电压源的状态期望值包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压，且不包括离散可调无功电压源的状态期望值；所述连续可调无功电压源包括电网动态无功补偿设备、并网新能源发电厂、并网常规水电机组、火电机组四种无功出力连续可调装置设备；否则若母线电压不超标，则将各无功电压源的状态期望值均赋值为等于上一个计算周期的状态期望值；

就地控制执行单元，用于将本计算周期的状态期望值以遥调或遥控指令下发给各无功电压源类型执行。

优选地，所述数据采集单元具体为scada主站系统。

优选地，所述中央控制单元部署在调度控制中心作为自动电压控制avc三级控制系统中的三级和二级电压控制层，对于连续可调无功电压源，中央控制单元将状态期望值作为遥调指令下发；对于离散可调无功电压源，中央控制单元将状态期望值作为遥控指令下发；所述就地控制执行单元部署在各无功电压源，作为自动电压控制avc三级控制系统中的一级控制层，在满足安全边界条件的前提下，执行中央控制单元下发的遥调或遥控指令。

本发明以全局最优为目标的电网自动电压控制方法具有下述优点：本发明首先按计算周期获取电网实时状态数据和状态估计结果，若状态估计结果收敛且遥测合格率大于等于门槛值，则根据状态估计结果，对所调度范围内的电网按全局优化方法计算得到各无功电压源的状态期望值，否则，检查各母线电压是否超标，若母线电压超标，则将各离散可调无功电压源的状态期望值均赋值为上一个计算周期的状态期望值，按上一个周期的母线电压期望值作为本周期母线电压期望值，根据实时数据，按协调二级电压控制方法计算得到各连续可调无功电压源的状态期望值；若母线电压不超标，则将各无功电压源的状态期望值均赋值为上一个计算周期的状态期望值；最终，将本计算周期的状态期望值以遥调或遥控指令下发给各无功电压源类型执行，本发明不需对同一个调度范围内的电网分区，在实时数据质量(准确性、及时性、完整性)满足要求，即状态估计结果收敛且遥测合格率大于门槛值，以全局无功潮流最优为控制目标进行全局优化控制；在实时数据质量不满足要求时，采用协调二级电压控制方法仅有限度地调整连续无功电压源的无功出力，在实时数据质量满足要求时可进一步降低网损，实现电网全局最优经济运行；在实时数据质量不满足要求时，既最大程度保证了控制安全性，又有效地避免了电容\电抗器的频繁投且和变电器分接头频繁调整。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例系统的基本框架结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例以全局最优为目标的电网自动电压控制方法的实施步骤包括：

1)按计算周期获取电网实时状态数据和状态估计结果；

2)若状态估计结果收敛且遥测合格率大于等于门槛值，则跳转执行步骤3)，否则，跳转执行步骤4)；

3)根据状态估计结果，对所调度范围内的电网按全局优化方法计算得到各无功电压源的状态期望值，各无功电压源的状态期望值包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压、电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置；跳转执行步骤7)；

4)检查各母线电压是否超标，若母线电压超标，则执行步骤5)；否则执行步骤6)；

5)将各离散可调无功电压源的状态期望值均赋值为上一个计算周期的状态期望值，按上一个周期的母线电压期望值作为本周期母线电压期望值，根据实时数据，按协调二级电压控制方法计算得到各连续可调无功电压源的状态期望值；离散可调无功电压源的状态期望值包括电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置，且不包括连续可调无功电压源的状态期望值；连续可调无功电压源的状态期望值包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压，且不包括离散可调无功电压源的状态期望值；连续可调无功电压源包括电网动态无功补偿设备、并网新能源发电厂、并网常规水电机组、火电机组四种无功出力连续可调装置设备；跳转执行步骤7)；

6)将各无功电压源的状态期望值均赋值为上一个计算周期的状态期望值，继续执行步骤7)；

7)将本计算周期的状态期望值以遥调或遥控指令下发给各无功电压源类型执行。

本实施例中，步骤3)中对所调度范围内的电网按全局优化方法计算得到各无功电压源的状态期望值的详细步骤包括：以全局网损最小为目标函数，以电网功率平衡、电压上下限、有功/无功出力上下限为边界条件，以无功电压源状态期望值为控制变量，按预设的在线优化算法，开展的电网最优潮流计算的方法，得到各无功电压源的状态期望值。

本实施例中，预设的在线优化算法的数学模型如式(1)和(2)所示；

minf(x)(1)

式(1)和(2)中，x为作为控制变量的各无功电压源的状态期望值，包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压、电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置，f(x)为目标函数，采用全局网损最小；g(x)为等式边界条件，采用电网有功/无功功率平衡；h(x)为不等式边界条件，采用母线电压上下限h^min、无功出力上下限h^max。

本实施例中，预设的在线优化算法采用原对偶内点法或牛顿拉夫逊方法。

本实施例中，步骤5)中按协调二级电压控制方法计算得到各连续可调无功电压源的状态期望值的详细步骤包括：以母线电压实时值与期望值偏差量最小为控制目标，以各连续可调无功电压源期望值本周期内可达到上下限为边界条件，按各连续可调无功电压源与母线电压的灵敏度，开展预设的母线电压优化控制方法，得到各连续可调无功电压源的状态期望值。

本实施例中，开展预设的母线电压优化控制方法的数学模型如式(3)和(4)所示；

式(3)和(4)中，vp和vp^ref分别为中枢母线实时电压和目标电压，cpg为连续可调无功电压源对中枢母线的灵敏度系数矩阵，δqg为连续可调无功电压源无功调整期望值，r和h为权重系数，θ为无功协调向量；qg、qg^max、qg^min分别为连续可调无功电压源当前无功出力、无功上限和下限，vc、vc^max、vc^min分别为关键母线当前电压、电压上限和下限，ccg为连续可调无功电压源对关键母线的灵敏度系数矩阵，cvg为连续可调无功电压源对控制母线的灵敏度系数矩阵，为每次控制母线电压最大调节量。按各连续可调无功电压源(包括电网动态无功补偿设备、并网新能源发电厂、并网常规水、火电机组等无功出力连续可调的装置设备)与母线电压的灵敏度，通过式(3)和(4)得到各连续可调无功电压源的状态期望值(包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压，不包括离散可调无功电压源的状态期望值)。

本实施例中，步骤1)中的计算周期为分钟级，取值范围为1～60分钟。步骤1)中的计算周期为5分钟。步骤2)中的门槛值为99％。

如图2所示，本实施例以全局最优为目标的电网自动电压控制系统包括：

数据采集单元，用于按计算周期获取电网实时状态数据和状态估计结果；

中央控制单元，用于进行状态期望值计算，若状态估计结果收敛且遥测合格率大于等于门槛值，则根据状态估计结果，对所调度范围内的电网按全局优化方法计算得到各无功电压源的状态期望值，各无功电压源的状态期望值包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压、电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置；否则，检查各母线电压是否超标，若母线电压超标，则将各离散可调无功电压源的状态期望值均赋值为等于上一个计算周期的状态期望值，按上一个周期的母线电压期望值作为本周期母线电压期望值，根据实时数据，按协调二级电压控制方法计算得到各连续可调无功电压源的状态期望值；离散可调无功电压源的状态期望值包括电容和电抗器投或退状态、变压器分接头位置，且不包括连续可调无功电压源的状态期望值；连续可调无功电压源的状态期望值包括连续可调无功电压源的无功出力和并网电压，且不包括离散可调无功电压源的状态期望值；连续可调无功电压源包括电网动态无功补偿设备、并网新能源发电厂、并网常规水电机组、火电机组四种无功出力连续可调装置设备；否则若母线电压不超标，则将各无功电压源的状态期望值均赋值为等于上一个计算周期的状态期望值；

就地控制执行单元，用于将本计算周期的状态期望值以遥调或遥控指令下发给各无功电压源类型执行。

如图2所示，本实施例中数据采集单元具体为scada主站系统。

如图2所示，本实施例中中央控制单元部署在调度控制中心作为自动电压控制avc三级控制系统中的三级和二级电压控制层，对于连续可调无功电压源，中央控制单元将状态期望值作为遥调指令下发；对于离散可调无功电压源，中央控制单元将状态期望值作为遥控指令下发；就地控制执行单元部署在各无功电压源，作为自动电压控制avc三级控制系统中的一级控制层，在满足安全边界条件的前提下，执行中央控制单元下发的遥调或遥控指令。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。