一种通过海底电缆互联的海洋微电网群等值建模方法与流程

本发明涉及电力系统静态等值技术领域，特别涉及一种通过海底电缆互联的海洋微电网群等值建模方法。

背景技术

目前，越来越多的海洋微电网，如海洋可再生能源场、全电动船舶、海洋油气平台等相互连接，用以提高能源利用效率、更好地控制排放。不同类型的海洋微电网与“即插即用”功能的互连也变得越来越流行。因此，为了实现功能评估与相连海洋微电网系统运行特性分析，需要建立一个完整的海洋微电网模型。然而，由于这些海洋微电网相隔较远，且海洋环境恶劣多变，因此很难收集各局部微电网的详细数据来建立完整海洋微电网模型。在局部微电网模型和状态信息未知的情况下，对于某个特定的海洋微电网或者重点研究的内部电网而言，外部系统或外网是一个“黑箱”。因此，在只有内网数据的情况下，如何实现“黑箱”外网的有效等值，成为保证内网特性分析准确性的关键问题。

现有外网等值建模研究目前只针对陆地电网，而陆地外网等值建模较复杂，需要测量点值较多，且陆地电网通过输电线相连，在外网等值分析中，认为输电线路的参数是不变的，即不考虑输电线路参数的变化对等值效果的影响。颜伟,李世明,陈俊,卢建刚,郭琳,李钦,赵霞.基于内网实测信息的两端口外网静态等值参数估计方法[j].中国电机工程学报,2011,31(13):101-106；刘志文,刘明波.基于ward等值的多区域无功优化分解协调算法[j].电力系统自动化,2010,34(14):63-69.而海洋微电网之间通过海底电缆相连，采用长距离海底电缆传输电力时，不仅会如普通陆地输电线一样消耗一定的有功功率造成网损，还因海底电缆较大的电容效应，使得通过海底电缆的无功功率对电压的变化尤为敏感，但是更为重要的是海缆的参数会随着老化而改变，当海缆参数发生改变时，可能会影响整个海上系统的性能。m.runde,r.hegerberg,n.magnusson,e.ildstadandt.ytrehus,"cavityformationinmass-impregnatedhvdcsubseacables-mechanismsandcriticalparameters,"inieeeelectricalinsulationmagazine,vol.30,no.2,pp.22-33；kolstadml,atlerygg,sharifabadik,etal.integratingoffshorewindpowerandmultipleoilandgasplatformstotheonshorepowergridusingvsc-hvdctechnology[j].marinetechnologysocietyjournal,2014,48(48):31-44(14)。因此提出一种考虑海底电缆参数变化的海洋微电网群等值建模方法显得尤为重要。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有的海洋微电网群外网等值研究的不足而提供一种通过海底电缆互联的海洋微电网群等值建模方法。该方法在有限的数据交换和海底电缆参数变化情况下，基于公共连接点(pcc)测量数据的统计算法来估计海底电缆和海洋微电网完整等效模型，以满足“即插即用”功能，并针对该等值模型建立了海洋微电网的统一外网等值电路，基于协方差理论对其等效阻抗和等值电流源进行了估算。此外，等效阻抗可以反映海洋微电网的响应特性，因此可以用于实时控制。

本发明所提出的通过海底电缆互联的海洋微电网群等值建模方法包括以下实现方法及步骤：

(1)海洋微电网群分类

将与海洋群电网控制中心相连的海洋微电网定义为一个主微网，与之相连的其他海洋微电网定义为从微网，不同的海洋微电网通过海底电缆相互连接，如图1所示。主微网和海缆之间的连接点设置为pcc，从微网和主微网的电流分别是img和ipcc。与陆地电网类似，海洋微电网群的在线计算通常也要求将不感兴趣或不可观测的从微网，即外网部分，进行等值；主微网为研究电网，即内网部分。

(2)海洋微电网群从微网等值电路

一个海洋微电网可以是aes、发电厂或者是具有分布式发电机的平台，他们之间通过海底电缆和主微网连接，因此基于一种数学严谨的分析模型，在有限数据交换和对海底电缆参数变化情况下，建立海洋微电网的统一从微网等值电路，从微网等值电路的等值参数由边界节点的理想电压源ul和等效阻抗zmg组成。考虑到从微网和电缆的参数是未知的，因此将从微网和电缆作为一个整体，图1中的系统被转换成图2所示，此时从微网等值电路的等值参数为理想电流源il和等效阻抗zl，基于协方差理论对其等效阻抗和理想电流源进行估算。

(3)建立权重函数

根据采样点的采样时间建立时间权重函数如下式。样本点的时间与当前时间越近，得到的权重系数越大。

式中，t代表当前时间；ti表示第i个样本点的采集时间；t0表示采样起始时间。

(4)求解从微网等值电路的等值参数

根据一段时间内连接点pcc的电压幅值和相角、电流幅值和相角的量测值，并基于协方差理论，建立从微网等值电路的参数估算方程，并将等效阻抗估算方程与时间权重函数相结合。

式中，upcc和ipcc分别为连接点pcc的电压和电流值；d表示方差，d(ipcc)即为电流ipcc的方差计算；cov表示协方差，cov(upcc，ipcc)即为连接点电压upcc、电流ipcc的协方差计算；电压、电流均为矢量。

由权重函数(1)和参数估计方程(2)，解得等效阻抗zl：

由等效阻抗求等效电流源il：

与现有技术相比，本发明方法具有如下优点：

(1)本发明所提出的外网等值建模方法应用场合是海洋微电网群，相比陆上外网等值方法更加简洁、合理，在不需要知道更多外网详细信息的基础上，基于海洋微电网群特点和协方差理论，可用于解决“黑箱外网”的静态等值问题。

(2)本发明所提出的等值建模方法充分考虑了海底电缆的参数变化情况，消除了海缆参数变化对等值效果的影响，使等值结果更加准确。

(3)本发明所提出的等值建模方法对测量数据进行了时间加权处理，保证了等效阻抗和等效电源的准确性，使所得外网等值参数对内网运行特性变化的适应能力强，等值效果好。

附图说明

图1是海洋微电网群结构图

图2是考虑电缆参数变化的海洋微电网群结构图。

图3是实施例中应用到本发明方法的海洋微电网群系统接线图，图中数字表示节点编号。该系统中节点19-23为外网节点(从微网节点)，节点18为边界节点，其余为内网节点(主微网节点)，即图中虚框部分为需要等值的外网。

图4为实施例中考虑海缆参数变化的外网等值后的系统接线图，虚线框内为外网(从微网)等值电路，其等值参数为等效阻抗zl和等效电流源il。

图5为在内网(主微网)负荷发生变化情况下，静态潮流计算得到在三种等值方法下的系统主微网各节点vae值和节点电压值变化曲线图，vae值和节点电压值均是标幺值。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，以使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，不能理解为对本发明包括范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容做出一些非本质的改进和调整。

图3所示是渤海地区某实际大型海上平台电网与海上移动平台电网相联结构图。图中虚线框内单线图描绘了移动海上平台的电气接线图，其余部分为渤海某大型海上平台电网结构，两个微电网通过第4、第18节点间长10公里的海底电缆相联。节点1、10、19分别连接了燃气轮机发电机，两个海上微电网均为放射状结构。应用本发明方法对图3中虚线框内的外网进行等值。其步骤如下：

(1)海洋微电网群分类

将与控制中心相的连海洋微电网定义为主微网，其余与之相连的是从微网，即图3虚线框内的移动海上平台是从微网，虚线框外的是主微网。海洋微电网群分类后，主从微网间通过海底电缆相连，图3中节点4和18之间的连线即为海底电缆。

(2)建立海洋微电网外网等效电路

基于一种数学严谨的分析模型，对图3虚线框内的移动海上平台进行等值，则海洋微电网等效电路被表示为由一个理想电压源和等效阻抗组成的电路。考虑到从微网和电缆的参数是未知的，因此将从微网和电缆作为一个整体，图3中的等效系统被转换成图4所示的等效模型，待求的外网等值电路的参数为理想电流源il和等效阻抗zl。

(3)求解外网等值电路的等值参数

根据一段时间内连接点pcc电压和电流的一组量测值，基于协方差理论，建立外网等值电路的参数估算方程，并进行求解，说明如下：

通过测量装置，如微相测量单元或智能仪表，获取边界节点一段时间内的状态信息，即电压、电流幅值和相角。通过采集到的采样点的采样时间，由权利要求书式(1)求出各量测值的时间权重系数。将测量电压、电流值和权重系数代入权利要求书式(3)中，即计算出等效阻抗，再由式(4)求出等效电流源。

为验证本发明方法的有效性，以图3所示的渤海地区某实际大型海上平台电网与海上移动平台电网相联结构图为例，验证本发明方法的等值精度。参加比较的方法有两个：(1)pq等值方法；(2)pv等值方法。

需要特别说明的是：pv等值和pq等值方法，即是根据互联时获得的从微网的短路容量、发电机功率等参数将其等值为pv节点或pq节点。

为定量说明三种等值方法的精度，定义两个评价指标：节点电压绝对误差的平均值(vae)和节点电压值。vae越大，则反映在测试时段负荷变化条件下,等值模型的误差越大，反之，则说明等值模型的准确度越高。节点电压绝对误差的平均值定义如下：

式中，xn是通过潮流计算得到的等值模型的节点n的电压值；是完整模型下节点n的电压值，可作为各等值模型节点n的电压参考值；n是该时间段内的采样点数。

内网(主微网)负荷发生变化，图5为静态潮流计算得到在三种等值方法下的系统主微网各节点vae值和节点电压值，vae值和节点电压值均是标幺值。

由图5的仿真结果表明：(1)经过本发明方法等值后计算得到的主微网节点vae值比经过pv、pq等值方法后计算得到的vae值都小，说明本发明提出的等值方法相较另两种等值方法的准确度更高。(2)由图中电压波动曲线可以看出经三种等值方法后计算得到的电压值和实际值的变化趋势基本相同，经pv等值和pq等值后计算得到的节点电压值偏离实际值较大，即误差较大。而经本发明方法等值后计算得到的节点电压值更加接近实际值，误差最小。