配电网电压协调控制系统及其控制方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911047762.6 (22)申请日 2019.10.30 (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 寇鹏梁得亮高荣柳轶彬 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 贺小停 (51)Int.Cl. H02J 13/00(2006.01) H02J 3/16(2006.01) H02J 3/06(2006.01) (54)发明名称 一种配电网电压协调控制系统及其控制方 法 (57)摘要 一种。

2、配电网电压协调控制系统及其控制方 法， 包括配电网监控中心、 无线通信网络、 nH台混 合式配电变压器和nB条母线； 无线通信网络将各 台混合式配电变压器与配电网监控中心连接； 每 台混合式配电变压器与监控中心均含有无线传 输模块； 配电网采用辐射式拓扑结构， 包括供电 区域、 中压交流母线和高压主干网间接口， 中压 母线通过高压/中压变压器与高压主干输电网相 连。 本发明的控制系统采用无线通信网络， 并可 选择移动运营商作为网络载体， 具有永远在线、 实时通讯、 安全可靠、 覆盖面广、 拓展性强等优 点。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 110729817 A 2020.01.2。

3、4 CN 110729817 A 1.一种配电网电压协调控制系统， 其特征在于， 包括配电网监控中心、 无线通信网络、 nH 台混合式配电变压器和nB条母线； 无线通信网络将各台混合式配电变压器与配电网监控中 心连接； 每台混合式配电变压器与监控中心均含有无线传输模块； 配电网采用辐射式拓扑 结构， 包括供电区域、 中压交流母线和高压主干网间接口， 中压母线通过高压/中压变压器 与高压主干输电网相连。 2.根据权利要求1所述的一种配电网电压协调控制系统， 其特征在于， 混合式配电变压 器与无线传输模块间通过RS232接口连接； 无线传输模块通过无线传输模块接入无线通信 网络； 无线通信网络采用。

4、的通信协议包括远动通信规约、 TCP/IP协议和宽带无线通信协议； 具体的宽带无线通信协议选择GPRS或TD-LTE或WiMAX网络。 3.根据权利要求1所述的一种配电网电压协调控制系统， 其特征在于， 配电网所含nB条 母线中， 根据节点电压灵敏度分析方法， 确定nH条作为关键母线， 其余nB-nH条为非关键母 线； nH条关键母线通过混合式配电变压器与中压母线相连， nB-nH条非关键馈线通过传统配 电变压器与中压母线相连。 4.根据权利要求1所述的一种配电网电压协调控制系统， 其特征在于， 包括配电网整体 损耗的各节点电压协调控制、 通信系统故障情况下的混合式配电变压器本地电压控制和混 。

5、合式配电变压器一次侧无功功率控制。 5.根据权利要求4所述的一种配电网电压协调控制系统， 其特征在于， 计算中压母线上 各节点相对各混合式配电变压器一次侧无功功率的节点电压灵敏度系数， 围绕最小化中压 母线上各节点电压与其额定值偏差、 配电网整体损耗最小化等控制目标建立代价函数， 在 满足节点电压约束、 潮流方程约束、 各混合式配电变压器功率约束的前提下， 通过求解优化 控制问题， 得到各混合式配电变压器的一次侧无功功率参考指令， 实现配电网中各节点电 压分布的优化控制和配电网整体运行效率的提升。 6.根据权利要求4所述的一种配电网电压协调控制系统， 其特征在于， 在无线通信网络 故障情况下，。

6、 基于混合式配电变压器本地测量数据信息， 计算混合式配电变压器一次侧无 功功率参考指令， 实现本地母线的电压调节。 7.根据权利要求4所述的一种配电网电压协调控制系统， 其特征在于， 将混合式配电变 压器一次侧无功功率参考指令转化为其并联变流器q轴电流参考指令， 基于比例-积分控制 和前馈控制逻辑， 通过调节并联变流器， 令混合式配电变压器一次侧无功功率跟随其参考 指令。 8.一种配电网电压协调控制系统的控制方法， 其特征在于， 基于权利要求1至7任意一 项所述的一种配电网电压协调控制系统， 包括以下步骤： 1)在每个控制周期起始， 各个混合式配电变压器的本地控制器采集各条母线的有功功 率、 。

7、无功功率、 电压、 电流物理量的测量值； 2)判断无线通信网络是否工作正常； 若不正常， 则混合式配电变压器的本地控制器采 集根据其采集到的本地有功功率、 无功功率、 电压、 电流物理量测量值， 计算混合式配电变 压器的一次侧无功功率参考信号Q*HDT,i； 3)若无线通信网络工作正常， 配电网综合控制中心通过无线通信网络获取各条母线的 有功功率、 无功功率、 电压、 电流物理量的测量值； 4)根据所收集到的各条母线的有功功率、 无功功率、 电压、 电流物理量的测量值， 建立 权利要求书 1/2 页 2 CN 110729817 A 2 优化控制问题， 该问题的代价函数为： 该代价函数旨在通过。

8、求解nH台混合式配电变压器各自的一次侧无功功率增量最优值 Q*HDT,i， 最小化配电网范围内nB个节点电压VMV,j与额定值V*MV之间的偏差， 同时最小化配电网 范围内的整体损耗； 其中KQ,i为节点电压灵敏度系数、 Rij为ij支路电阻、 Pij为ij支路有功功 率、 Qij为ij支路无功功率； 该优化控制模型考虑如下约束条件： a)潮流方程约束， 包括中压交流母线上的有功功率潮流约束与无功功率潮流约束； 其中NB表示与节点j直接相邻的节点集合； b)节点电压约束， 保证中压母线上各节点电压在其额定值的0.95倍至1.05倍之间； c)混合式配电变压器功率约束， 确保各混合式配电变压器的。

9、有功功率PHDT,i与无功功率 QHDT,i的平方和小于其额定视在功率SHDTn,i的平方； 5)求解上述非线性优化控制问题， 得到各混合式配电变压器一次侧无功功率参考值 Q*HDT,i； 这些参考值作为控制信号， 经由GPRS无线通信网络下达至各混合式配电变压器本地 控制器， 具体执行。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110729817 A 3 一种配电网电压协调控制系统及其控制方法 技术领域 0001 本发明属于配电网设计和运行控制领域， 特别涉及一种配电网电压协调控制系统 及其控制方法。 背景技术 0002 随着能源短缺与环境恶化问题的日益凸显， 配电网的负荷结构和电源供给模式正 同。

10、时经历着深刻的变化。 在负荷结构方面， 电动汽车等储能型负荷比例的不断提升， 增加了 配电网负荷侧的不确定性。 而在电源供给模式上， 分布式可再生电源正越来越多的经由配 电网接入电力系统， 使得配电网的电源侧同样呈现出不确定性。 负荷侧和电源侧不确定性 的同时提升， 为配电网的安全高效运行带来了困难， 其中突出的一项就是配电网的电压控 制问题。 负荷侧和电源侧的双重不确定性， 使得配电网电压波动的幅度、 持续时间、 发生频 率都呈上升趋势， 而电压波动会严重影响配电网用户的供电质量、 系统损耗、 用电安全。 因 此， 提升配电网的电压调控能力， 对适应配电网负荷结构和供电模式的改变具有重要意义。

11、。 0003 当前， 以改善配电网电压和电能质量为目的的相关措施主要采用以下技术手段： 在配电网中安装各种额外的无功补偿设备， 通过这些无功补偿设备的分散化本地控制或集 中式协调控制， 来调节配电网中压母线各节点的电压。 从无功补偿设备角度看， 包括动态电 压恢复器、 动态电压调节器、 静止无功补偿器等。 虽然这些设备可以有效提升配电网的电压 质量， 但同时也存在各种不足。 比如， 动态电压恢复器只能应对欠压问题而对过压问题无能 为力， 动态电压调节器则占地面积过大， 而静止无功补偿器又投资过大。 从控制系统结构来 看， 分散式本地控制下各无功补偿设备完全独立工作， 控制系统结构简单但各个设备。

12、之间 缺乏协调， 不仅难以达到配电网整体电压优化控制目标， 还存在因各设备控制目标冲突而 引发配电网损耗提升问题； 反之， 在集中式的协调控制方案中， 多采用有线通信技术将监控 中心与各无功补偿设备连接， 由此存在受地形、 环境因素影响大、 建设周期长、 可扩展性低 等问题。 发明内容 0004 本发明的目的在于提供一种配电网电压协调控制系统及其控制方法， 以解决上述 问题。 0005 为实现上述目的， 本发明采用以下技术方案： 0006 一种配电网电压协调控制系统， 包括配电网监控中心、 无线通信网络、 nH台混合式 配电变压器和nB条母线； 无线通信网络将各台混合式配电变压器与配电网监控中。

13、心连接； 每台混合式配电变压器与监控中心均含有无线传输模块； 配电网采用辐射式拓扑结构， 包 括供电区域、 中压交流母线和高压主干网间接口， 中压母线通过高压/中压变压器与高压主 干输电网相连。 0007 进一步的， 混合式配电变压器与无线传输模块间通过RS232接口连接； 无线传输模 块通过无线传输模块接入无线通信网络； 无线通信网络采用的通信协议包括远动通信规 说明书 1/5 页 4 CN 110729817 A 4 约、 TCP/IP协议和宽带无线通信协议； 具体的宽带无线通信协议选择GPRS或TD-LTE或WiMAX 网络。 0008 进一步的， 配电网所含nB条母线中， 根据节点电压。

14、灵敏度分析方法， 确定nH条作为 关键母线， 其余nB-nH条为非关键母线； nH条关键母线通过混合式配电变压器与中压母线相 连， nB-nH条非关键馈线通过传统配电变压器与中压母线相连。 0009 进一步的， 包括配电网整体损耗的各节点电压协调控制、 通信系统故障情况下的 混合式配电变压器本地电压控制和混合式配电变压器一次侧无功功率控制。 0010 进一步的， 计算中压母线上各节点相对各混合式配电变压器一次侧无功功率的节 点电压灵敏度系数， 围绕最小化中压母线上各节点电压与其额定值偏差、 配电网整体损耗 最小化等控制目标建立代价函数， 在满足节点电压约束、 潮流方程约束、 各混合式配电变压 。

15、器功率约束的前提下， 通过求解优化控制问题， 得到各混合式配电变压器的一次侧无功功 率参考指令， 实现配电网中各节点电压分布的优化控制和配电网整体运行效率的提升。 0011 进一步的， 在无线通信网络故障情况下， 基于混合式配电变压器本地测量数据信 息， 计算混合式配电变压器一次侧无功功率参考指令， 实现本地母线的电压调节。 0012 进一步的， 将混合式配电变压器一次侧无功功率参考指令转化为其并联变流器q 轴电流参考指令， 基于比例-积分控制和前馈控制逻辑， 通过调节并联变流器， 令混合式配 电变压器一次侧无功功率跟随其参考指令。 0013 进一步的， 一种配电网电压协调控制系统的控制方法，。

16、 包括以下步骤： 0014 1)在每个控制周期起始， 各个混合式配电变压器的本地控制器采集各条母线的有 功功率、 无功功率、 电压、 电流物理量的测量值； 0015 2)判断无线通信网络是否工作正常； 若不正常， 则混合式配电变压器的本地控制 器采集根据其采集到的本地有功功率、 无功功率、 电压、 电流物理量测量值， 计算混合式配 电变压器的一次侧无功功率参考信号Q*HDT,i； 0016 3)若无线通信网络工作正常， 配电网综合控制中心通过无线通信网络获取各条母 线的有功功率、 无功功率、 电压、 电流物理量的测量值； 0017 4)根据所收集到的各条母线的有功功率、 无功功率、 电压、 电。

17、流物理量的测量值， 建立优化控制问题， 该问题的代价函数为： 0018 0019 该代价函数旨在通过求解nH台混合式配电变压器各自的一次侧无功功率增量最 优值Q*HDT,i， 最小化配电网范围内nB个节点电压VMV,j与额定值V*MV之间的偏差， 同时最小化 配电网范围内的整体损耗； 其中KQ,i为节点电压灵敏度系数、 Rij为ij支路电阻、 Pij为ij支路 有功功率、 Qij为ij支路无功功率； 该优化控制模型考虑如下约束条件： 0020 a)潮流方程约束， 包括中压交流母线上的有功功率潮流约束与无功功率潮流约 束； 0021 说明书 2/5 页 5 CN 110729817 A 5 00。

18、22 0023 其中NB表示与节点j直接相邻的节点集合； 0024 b)节点电压约束， 保证中压母线上各节点电压在其额定值的0.95倍至1.05倍之 间； 0025 0026 c)混合式配电变压器功率约束， 确保各混合式配电变压器的有功功率PHDT,i与无功 功率QHDT,i的平方和小于其额定视在功率SHDTn,i的平方； 0027 0028 5)求解上述非线性优化控制问题， 得到各混合式配电变压器一次侧无功功率参考 值Q*HDT,i； 这些参考值作为控制信号， 经由GPRS无线通信网络下达至各混合式配电变压器本 地控制器， 具体执行。 0029 与现有技术相比， 本发明有以下技术效果： 00。

19、30 本发明只需在配电网内关键母线处安装混合式配电变压器， 节约了投资成本。 与 传统配电变压器相比， 混合式配电变压器在投资成本没有明显增加的前提下， 对配电网调 控能力显著提升。 同时， 在电力电子器件故障的情况下， 混合式配电变压器可按传统变压器 模式继续运行， 具有较强的可靠性和容错能力。 0031 本发明的控制策略可实现多台混合式配电变压器的协调优化控制， 优化配电网中 压母线上的节点电压分布， 使得各节点电压与额定值之间的误差平方和最小化， 从而减小 了配电网中压母线上的电压波动。 同时， 所述控制策略还可最小化配电网整体损耗， 提升配 电网运行效率。 0032 本发明的控制系统采。

20、用无线通信网络， 并可选择移动运营商作为网络载体， 具有 永远在线、 实时通讯、 安全可靠、 覆盖面广、 拓展性强等优点。 0033 本发明在无线通信系统出现故障或严重延迟时， 所述基于无线通信网络的控制系 统可切换至本地控制模式， 最大程度上满足本地母线电压控制的要求， 具有较好的容错性。 附图说明 0034 图1为本发明一种基于混合式配电变压器和无线通信的配电网电压协调控制系统 结构图。 0035 图2为本发明中所用混合式配电变压器结构示意图。 0036 图3为混合式配电变压器本地控制器和无线通信模块架构图。 0037 图4为中压母线节点电压协调控制架构图。 0038 图5为基于混合式配电。

21、变压器和无线通信的配电网电压协调控制流程图。 0039 图6为无线通信网络故障状态下的配电网节点电压本地控制框图。 具体实施方式 0040 以下结合附图对本发明进一步说明： 0041 为了更加清晰说明本发明的目的、 技术方案及优点， 以下结合附图及实施例对本 说明书 3/5 页 6 CN 110729817 A 6 发明作进一步详细说明。 应当理解， 此处所述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于 限定本发明。 0042 请参见附图1所示， 本发明中的一种包含混合式配电变压器和无线通信的配电网 电压协调控制系统， 包括配电网监控中心、 无线通信网络、 nH台混合式配电变压器、 nB条母 线。

22、。 这里nH和nB均为大于等于1的自然数。 0043 被控配电网的中压母线通过高压/中压变压器与高压主干输电网相连， 并采用辐 射式拓扑结构连接各条低压母线。 假定各低压母线负荷变化服从相互独立的高斯分布， 基 于雅可比矩阵获得各节点电压相对各低压母线无功功率的灵敏度， 根据灵敏度排序， 在nB 条低压母线中寻找灵敏度nH条作为关键母线， 余下(nB-nH)条低压馈线作为非关键母线。 用 附图2所示的混合式配电变压器连接关键母线和中压母线。 0044 参加附图2， 图中T1为混合式配电变压器中的主变压器， 配电网功率主要通过其传 递至低压馈线， W1、 W2、 W3分别为T1的一次侧绕组、 二。

23、次侧绕组、 控制绕组。 其中W1与配电网中 压母线相连， W2与低压馈线相连， W3与并联变流器CVp相连。 图中T2为混合式配电变压器中的 隔离变压器， 当二次侧电压偏离额定值时， 由其负责负荷供电的一小部分。 W4和W5分别为T2 的变流器侧绕组和网侧绕组， W4与串联变流器CVs相连， W5与W1串联。 CVp与CVs通过直流环节 实现背靠背连接， 其中CVp负责控制直流环节电压和T1一次侧无功功率， CVs负责控制二次侧 电压。 0045 混合式配电变压器的本地控制系统架构如附图3所示。 本实施例中的混合式配电 变压器本地控制器通信模块采用GPRS模块， 但在具体实施时亦可根据实际情况。

24、替换为 WiMAX、 TD-LTE、 网通信等其他通信模块。 GPRS无线通信模块通过RS232接口与混合式配电 变压器的本地控制系统连接。 混合式配电变压器的本地控制系统包括CVp控制器和CVs控制 器。 其中CVp控制器采集混合式配电变压器本地无功功率QHDT、 二次侧电流iLabc、 一次侧电流 isabc、 CVp输出电流i3abc， 经由GPRS无线通信模块从监控中心得到混合式配电变压器本地无 功功率参考值Q*HDT， 由此计算出CVp调制信号， 实际控制CVp。 调制信号的计算基于矢量控制 和前馈控制方法， 其具体框图参见附图4。 0046 请参见附图5所示的基于混合式配电变压器和。

25、无线通信的配电网电压协调控制流 程图， 在无线通信网络支持下， 配电网中压母线节点电压的控制由配电网综合控制中心以 及各个混合式配电变压器的本地控制器协同实现。 现对该协调控制方法进行说明： 0047 1)在每个控制周期起始， 各个混合式配电变压器的本地控制器采集各条母线的有 功功率、 无功功率、 电压、 电流等物理量的测量值。 0048 2)判断无线通信网络是否工作正常。 若不正常， 则混合式配电变压器的本地控制 器采集根据其采集到的本地有功功率、 无功功率、 电压、 电流等物理量测量值， 计算混合式 配电变压器的一次侧无功功率参考信号Q*HDT,i， 计算框图参加附图6。 0049 2)若。

26、无线通信网络工作正常， 配电网综合控制中心通过无线通信网络获取各条母 线的有功功率、 无功功率、 电压、 电流等物理量的测量值； 0050 2)根据所收集到的各条母线的有功功率、 无功功率、 电压、 电流等物理量的测量 值， 建立优化控制问题， 该问题的代价函数为： 说明书 4/5 页 7 CN 110729817 A 7 0051 0052 该代价函数旨在通过求解nH台混合式配电变压器各自的一次侧无功功率增量最 优值Q*HDT,i， 最小化配电网范围内nB个节点电压VMV,j与额定值V*MV之间的偏差， 同时最小化 配电网范围内的整体损耗。 其中KQ,i为节点电压灵敏度系数、 Rij为ij支。

27、路电阻、 Pij为ij支路 有功功率、 Qij为ij支路无功功率。 该优化控制模型考虑如下约束条件： 0053 a)潮流方程约束， 包括中压交流母线上的有功功率潮流约束与无功功率潮流约 束。 0054 0055 0056 其中NB表示与节点j直接相邻的节点集合。 0057 b)节点电压约束， 保证中压母线上各节点电压在其额定值的0.95倍至1.05倍之 间。 0058 0059 c)混合式配电变压器功率约束， 确保各混合式配电变压器的有功功率PHDT,i与无功 功率QHDT,i的平方和小于其额定视在功率SHDTn,i的平方。 0060 0061 3)求解上述非线性优化控制问题， 得到各混合式配。

28、电变压器一次侧无功功率参考 值Q*HDT,i。 这些参考值作为控制信号， 经由GPRS无线通信网络下达至各混合式配电变压器本 地控制器， 具体执行。 0062 由此， 经由配电网综合控制中心计算出各个混合式配电变压器的一次侧最优无功 功率设定值， 并由各个混合式配电变压器的本地控制器驱动其跟踪最优无功功率设定值， 可实现配电网中压母线节点电压分布的最优控制。 0063 本领域的技术人员容易理解， 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以 限制本发明， 凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改， 等同替换和改进等， 均应包含 在本发明的保护范围之内。 说明书 5/5 页 8 CN 110729817 A 8 图1 图2 说明书附图 1/3 页 9 CN 110729817 A 9 图3 图4 说明书附图 2/3 页 10 CN 110729817 A 10 图5 图6 说明书附图 3/3 页 11 CN 110729817 A 11 。