一种用于区域电网电压优化的虚拟电厂控制方法及系统与流程

1.本发明涉及配电网技术，特别是一种用于区域电网电压优化的虚拟电厂控制方法及系统。


背景技术：

2.随着可再生能源的迅速发展，大量以分布式光伏、分布式风电、小水电为代表的分布式电源进入配电网，给配电网的电压控制带来了很多问题。这些分布式电源在功率高峰时，会使配电网末端电压升高，造成电能质量下降、系统潮流方向改变等问题，在有些地方已严重影响正常的生产生活用电。而由于用户负荷分散、线路供电半径长、线径小、季节性配变重载甚至过载等问题，也会导致配电网尤其是线路末端出现低电压问题。过低的供电电压会导致部分电力设备效率下降，会使配电成本上升，对系统经济运行产生不利影响。但是对于进入配电网的大量点多面广的分布式电源，配电网系统由于缺乏有效工具和技术措施，无法进行有效的管理和控制。这使得由于配电网的电压稳定问题更加突出，不但造成电压质量下降，影响正常用电，还增加了配电网的线损。
3.同时，一方面虚拟电厂技术在我国快速发展，虚拟电厂是多种分布式资源的聚合，可通过先进的控制、通信、计量技术，将分布式电源、储能、柔性负荷等众多可调节资源聚合起来，作为一个整体参与电网统一调度，充分利用分布式资源发电及调节特性的协调互补性，实现资源的合理优化配置及利用。另一方面，分布式光伏逆变器、储能变流器、充电桩变流器等电力电子装置都是四象限变流器，具备有功和无功解耦控制的功能，具备无功功率精准调节的能力。目前，我国的分布式资源变流器(如光伏逆变器)大多以恒功率因数方式运行，其自身的无功功率可调节能力都被闲置，未得到开发利用。
4.因此，在建设了虚拟电厂的区域配电网中，可将虚拟电厂技术用于电压优化和稳定控制，在虚拟电厂控制系统中加入电压无功功率调节的功能，将虚拟电厂成员中具备无功功率可调节能力的部分，如光伏逆变器、储能变流器等组织调度起来，参与配电网电压优化控制。本发明中的方法及系统，与本地配电自动化系统进行信息交互，并接受配电自动化系统的命令，对配电网内的各节点电压进行控制。本发明实现了配电自动化系统与虚拟电厂控制系统的信息交互；优化了区域配电网内的电压情况，提高了电能质量，降低了线损；开发了以往闲置的无功功率可调节力量，从而减少了电网对无功和电压控制方面的投资，如在配电网中设置静止无功发生器、电容器组等的投资。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的目的是提供一种用于区域电网电压优化的虚拟电厂控制方法及系统，从而利用虚拟电厂中无功功率可调节资源进行配电线路电压的优化控制，以提高配电线路的电压电能质量并降低线损。
6.技术方案：本发明所述的一种用于区域电网电压优化的虚拟电厂控制方法，包括以下步骤：
7.s1：配电自动化系统根据配电线路(10kv或20kv)母线电压值和收集的本线路各节点的运行状态参数，与配电网内虚拟电厂控制系统进行数据交互，代入的参数包括电网网络数据、各节点实时电压数据、各节点的有功功率、无功功率、虚拟电厂无功功率裕量，启动avc(automatic voltage control自动电压控制)系统的电压控制功能；
8.s2：配网avc系统根据收集的数据进行判断，本配电线路是否有线损过高或者电压越限的情况，若有，则进行下一个流程，若无，则结束配网avc功能；
9.s3：如有线损过高或者电压越限的情况，则avc系统进行最优函数计算，代入最优目标函数进行计算，该目标函数以本配电线路的线损最小和电压偏差最小的加权和为最优目标，进行求解计算，得出各节点的电压设定值，所述的各节点包括虚拟电厂的虚拟节点；
10.s4：配网avc系统将虚拟节点的电压设定值下发给虚拟电厂控制系统，虚拟电厂控制系统计算得出虚拟电厂需要发出的总无功功率，进行判断，是否满足虚拟电厂总的实时无功功率裕量限制，如满足，则进入下一流程，如不满足，则返回上一流程再计算；
11.s5：若满足虚拟电厂总的实时无功功率裕量限制，虚拟电厂控制系统进行任务分配计算，得到内部各成员承担的无功功率；
12.s6：虚拟电厂控制系统将计算结果下发给各成员，各成员自己计算进行判断，是否满足自身的实时无功功率裕量限制，如满足，则进入下一流程，如不满足，则返回上一流程再计算；
13.s7：若满足各成员的实时无功功率裕量限制，虚拟电厂各成员执行无功出力计划；
14.s8：虚拟电厂各成员执行无功出力计划后，进行执行过程记录和无功功率的计量，结束本次avc系统的动作。
15.所述步骤s3具体为：
16.配电自动化系统中的avc系统的电压控制功能的最优目标函数，以线路网损和电压偏差的加权和为最小为最优目标值；
17.最优目标如式1：
18.f＝α
·
minl+minu
ꢀꢀꢀ
(1)
19.式中，minl为配电网的网络损耗最小化目标，minu为配电网各节点的电压偏差最小化目标，α为加权系数；
20.其中配电网的网络损耗最小化目标如式2：
[0021][0022]
式中，i∈j表示节点i与节点j相连；g
ij
为连接节点i与节点j线路的导纳值；u
i，t
为t时段节点i的电压；θ
ij，t
为t时段节点i与节点j的相角差；
[0023]
其中配电网各节点的电压偏差最小化目标如式3：
[0024][0025]
式中，u
i，t
为t时段节点i的电压，u
i，rate
为节点i的额定电压；
[0026]
约束条件为：针对分布式光伏等分布式电源接入区域电网可能引起的电压越限，需要考虑网络安全约束，以保证电网的安全稳定并优先保证电能的持续可靠供应；网络安全约束如式4：
[0027]
[0028]
式中，和分别为节点i允许的电压下限和上限；s
l，t
为线路l的传输容量；和分别为线路l允许的传输容量下限和上限。
[0029]
所述步骤s1、s4-s7中所述的无功功率裕量的计算方法为：
[0030]
虚拟电厂中包含的各分布式资源的变流器(如光伏逆变器、储能变流器等)本身的视在功率s1，其最大值s
max
是固定的，变流器的有功功率p1不能在本功能中被调节，若变流器无功功率q1可被调节，其要收到视在功率的限制；变流器要根据变流器的实时有功功率，来算出其能发出的实时的无功功率裕量，如式5：
[0031][0032]
得到
[0033]
因此，此分布式资源的无功功率可调节裕量为：
[0034][0035]
式中，s
max
为变流器的最大视在功率，p1为变流器的有功功率，q1为变流器的无功功率。
[0036]
步骤s4中所述的虚拟电厂控制系统计算得出虚拟电厂需要发出的总无功功率的方法是：
[0037]
各分布式资源的变流器出口电压与其并网节点的电压差，取决于有功功率p、无功功率q和接入等效阻抗，遵循式7：
[0038][0039]
式中，δu为电压偏差量，p为有功功率，q为无功功率，un为节点额定电压，r和x分别为接入等效阻抗中的电阻和电抗；由式7可知，当得到了电压偏差量、有功功率、节点额定电压、等效阻抗后，即可求出所需注入配电网的无功功率q。
[0040]
所述步骤s5具体为：
[0041]
虚拟电厂内的各分布式资源的无功功率分配可通过下垂控制和节点电压实现，设虚拟电厂内有n个分布式资源成员，则如式8：
[0042]vi
＝v
0i-niqi，i＝1，2，3，
…
，n
ꢀꢀꢀ
(8)
[0043]
其中vi为分布式资源i的端电压，v
0i
为分布式资源i零输出时的端电压，qi为分布式资源i的无功出力，ni为分布式资源i的无功下垂系数；
[0044]
由于虚拟电厂内的分布式资源都连接在同一配电线路上，且出口端电压保持稳定，设各个分布式资源的端电压和零输出时的端电压都相等，则有式9：
[0045]
n1q1＝n2q2＝
…
＝n
nqn
ꢀꢀꢀ
(9)
[0046]
虚拟电厂内部的无功功率任务分配，按照各个分布式资源的实时无功功率裕量来进行分配，如式10：
[0047][0048]
其中qi为分布式资源i分配的无功功率任务，q
imax
是分布式资源i的最大无功功率裕量，q
max
是虚拟电厂总的最大无功功率裕量，q
total
是虚拟电厂得到的总的无功功率任务；
[0049]
设其中视在功率最大的分布式资源为1，则根据式10，即可求出分布式资源1的q1，再将求出的q1代入式8，求出n1；求出n1后，再代入式9，即可得出其他所有分布式资源下垂系
数ni；
[0050]
虚拟电厂控制系统将求出的所有分布式资源下垂系数ni下发给各个分布式资源的控制器，即开始执行无功功率可调节任务。
[0051]
一种用于区域电网电压优化的虚拟电厂控制系统，所述系统采用了上述的一种用于区域电网电压优化的虚拟电厂控制方法，所述系统包括配电自动化系统的电压控制功能、虚拟电厂控制系统、分布式资源控制器；
[0052]
所述配电自动化系统的电压控制功能由avc系统来实现对配电网各节点电压控制；所述虚拟电厂控制系统包括系统的软件功能、系统架构和信息接入方式；所述的分布式资源控制器能够实现有功功率和无功功率的解耦控制，拥有无功功率精准调节的能力；
[0053]
所述的配电自动化系统的电压控制功能通过收集数据和优化计算，得出配电网内各节点的电压设定值并下发给包括虚拟电厂在内的各个设备，虚拟电厂控制系统接受电压无功调节任务后，将任务分配给下属各分布式资源执行，从而实现了配电网内大量分布式资源的电压优化管理；
[0054]
所述虚拟电厂控制系统共分为五层，分别是设备层、量测层、子站层、网络层、主站层；所述设备层包括分布式光伏、储能、电动汽车充电桩、楼宇用户等电气设备；所述量测层包括智能终端、智能电表、三相多功能监测设备、传感器、具备测量能力的储能变流器、逆变器等；所述子站层包括分布式资源控制器、第三方的控制系统等；所述网络层包括gprs、光纤、5g、电力专网等各种网络通讯方式；所述主站层包括虚拟电厂控制系统、与配电自动化系统、电力交易系统的安全接入装置等。
[0055]
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0056]
1、本发明实现了配电自动化系统利用虚拟电厂系统来协调优化配网各节点电压，提高电压合格率，降低了网损；
[0057]
2、本发明使得配电自动化系统能与虚拟电厂控制系统进行图模数据交互，接受外部系统采集的数据；
[0058]
3、本发明利用虚拟电厂，将以往无法利用的分布式资源的无功功率可调节资源聚合并利用起来，增强了配网无功功率可调节能力；
[0059]
4、本发明减少了电网对无功和电压控制方面硬件设备的投资。
附图说明
[0060]
图1为配电网线路示意图；
[0061]
图2为配电网线路转换图；
[0062]
图3为执行流程图；
[0063]
图4为虚拟电厂控制系统功能架构图；
[0064]
图5为虚拟电厂系统图。
具体实施方式
[0065]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
[0066]
一种用于区域电网电压优化的虚拟电厂控制方法，包括以下步骤：
[0067]
s1：配电自动化系统根据配电线路(10kv或20kv)母线电压值和收集的本线路各节
点的运行状态参数，与配电网内虚拟电厂控制系统进行数据交互，代入的参数包括电网网络数据、各节点实时电压数据、各节点的有功功率、无功功率、虚拟电厂无功功率裕量，启动avc(automatic voltage control自动电压控制)系统的电压控制功能。
[0068]
如图1所示例，在配电线路中，将连接在线路中的分布式资源，如分布式电源、储能、电动汽车充电桩等，聚合而成虚拟电厂。通过电路转换计算，对配电自动化系统的电压控制功能来说，将虚拟电厂视为配电线路中的一个独立主体，一个可双向能量流动的交流发电机，通过一个虚拟节点i接入配电网。avc功能计算时，也直接以虚拟节点i为对象。
[0069]
s2：配网avc系统根据收集的数据进行判断，本配电线路是否有线损过高或者电压越限的情况，若有，则进行下一个流程，若无，则结束配网avc功能。
[0070]
s3：如有线损过高或者电压越限的情况，则avc系统进行最优函数计算，代入最优目标函数进行计算，该目标函数以本配电线路的线损最小和电压偏差最小的加权和为最优目标，进行求解计算，得出各节点(包括虚拟电厂的虚拟节点)的电压设定值。
[0071]
配电自动化系统中的avc系统的电压控制功能的最优目标函数，以线路网损和电压偏差的加权和为最小为最优目标值；
[0072]
最优目标如式1：
[0073]
f＝α
·
minl+minu
ꢀꢀꢀ
(1)
[0074]
式中，minl为配电网的网络损耗最小化目标，minu为配电网各节点的电压偏差最小化目标，α为加权系数；
[0075]
其中配电网的网络损耗最小化目标如式2：
[0076][0077]
式中，i∈j表示节点i与节点j相连；g
ij
为连接节点i与节点j线路的导纳值；u
i，t
为t时段节点i的电压；θ
ij，t
为t时段节点i与节点j的相角差；
[0078]
其中配电网各节点的电压偏差最小化目标如式3：
[0079][0080]
式中，u
i，t
为t时段节点i的电压，u
i，rate
为节点i的额定电压；
[0081]
约束条件为：针对分布式光伏等分布式电源接入区域电网可能引起的电压越限，需要考虑网络安全约束，以保证电网的安全稳定并优先保证电能的持续可靠供应；网络安全约束如式4：
[0082][0083]
式中，和分别为节点i允许的电压下限和上限；s
l，t
为线路1的传输容量；和分别为线路1允许的传输容量下限和上限。
[0084]
s4：配网avc系统将虚拟节点的电压设定值下发给虚拟电厂控制系统，虚拟电厂控制系统计算得出虚拟电厂需要发出的总无功功率，进行判断，是否满足虚拟电厂总的实时无功功率裕量限制，如满足，则进入下一流程，如不满足，则返回上一流程再计算。
[0085]
配网avc系统将虚拟节点的电压设定值下发给虚拟电厂控制系统，虚拟电厂控制系统计算得出虚拟电厂需要发出的总无功功率的方法是：
[0086]
各分布式资源的变流器出口电压与其并网节点的电压差，取决于有功功率p、无功功率q和接入等效阻抗，遵循式7：
[0087][0088]
式中，δu为电压偏差量，p为有功功率，q为无功功率，un为节点额定电压，r和x分别为接入等效阻抗中的电阻和电抗；由式7可知，当得到了电压偏差量、有功功率、节点额定电压、等效阻抗后，即可求出所需注入配电网的无功功率q。
[0089]
s5：若满足虚拟电厂总的实时无功功率裕量限制，虚拟电厂控制系统进行任务分配计算，得到内部各成员承担的无功功率。
[0090]
虚拟电厂内的各分布式资源的无功功率分配可通过下垂控制和节点电压实现，设虚拟电厂内有n个分布式资源成员，则如式8：
[0091]vi
＝v
0i-niqi，i＝1，2，3，
…
，n
ꢀꢀꢀ
(8)
[0092]
其中vi为分布式资源i的端电压，v
0i
为分布式资源i零输出时的端电压，qi为分布式资源i的无功出力，ni为分布式资源i的无功下垂系数；
[0093]
由于虚拟电厂内的分布式资源都连接在同一配电线路上，且出口端电压保持稳定，设各个分布式资源的端电压和零输出时的端电压都相等，则有式9：
[0094]
n1q1＝n2q2＝
…
＝n
nqn
ꢀꢀꢀ
(9)
[0095]
虚拟电厂内部的无功功率任务分配，按照各个分布式资源的实时无功功率裕量来进行分配，如式10：
[0096][0097]
其中qi为分布式资源i分配的无功功率任务，q
imax
是分布式资源i的最大无功功率裕量，q
max
是虚拟电厂总的最大无功功率裕量，q
total
是虚拟电厂得到的总的无功功率任务；
[0098]
设其中视在功率最大的分布式资源为1，则根据式10，即可求出分布式资源1的q1，再将求出的q1代入式8，求出n1；求出n1后，再代入式9，即可得出其他所有分布式资源下垂系数ni；
[0099]
虚拟电厂控制系统将求出的所有分布式资源下垂系数ni下发给各个分布式资源的控制器，即开始执行无功功率可调节任务。
[0100]
s6：虚拟电厂控制系统将计算结果下发给各成员，各成员自己计算进行判断，是否满足自身的实时无功功率裕量限制，如满足，则进入下一流程，如不满足，则返回上一流程再计算。
[0101]
s7：若满足各成员的实时无功功率裕量限制，虚拟电厂各成员执行无功出力计划。
[0102]
所述步骤s1、s4-s7中所述的无功功率裕量的计算方法为：
[0103]
虚拟电厂中包含的各分布式资源的变流器(如光伏逆变器、储能变流器等)本身的视在功率s1，其最大值s
max
是固定的，变流器的有功功率p1不能在本功能中被调节，若变流器无功功率q1可被调节，其要收到视在功率的限制；变流器要根据变流器的实时有功功率，来算出其能发出的实时的无功功率裕量，如式5：
[0104][0105]
得到
[0106]
因此，此分布式资源的无功功率可调节裕量为：
[0107]
[0108]
式中，s
max
为变流器的最大视在功率，p1为变流器的有功功率，q1为变流器的无功功率。
[0109]
s8：虚拟电厂各成员执行无功出力计划后，进行执行过程记录和无功功率的计量，结束本次avc系统的动作。
[0110]
一种用于区域电网电压优化的虚拟电厂控制系统，所述系统采用了上述的一种用于区域电网电压优化的虚拟电厂控制方法，所述系统共分为五层，分别是设备层、量测层、子站层、网络层、主站层；所述设备层包括分布式光伏、储能、电动汽车充电桩、楼宇用户；所述量测层包括智能终端、智能电表、三相多功能监测设备、传感器、具备测量能力的储能变流器、逆变器；所述子站层包括分布式资源控制器、第三方的控制系统；所述网络层包括gprs、光纤、5g、电力专网；所述主站层包括虚拟电厂控制系统、与配电自动化系统、电力交易系统的安全接入装置。
[0111]
本发明中提交的方法及系统，适用于建设了虚拟电厂的配电线路(10kv或20kv)，以控制优化配电线路线损和电压偏差率为目的，以虚拟电厂为控制对象。配电自动化系统建立整个配电线路的无功电压监测，对整个配电线路进行电压优化计算，得出电压设定值并发给虚拟电厂控制系统去执行。如图1所示例，图中为一条辐射型的配电线路，从配电线路母线出线后，设依次有1到10个节点。其中2到6节点下的分布式资源，如分布式电源、储能、电动汽车充电桩等，聚合而成虚拟电厂，其他节点为负荷。将2到6节点下的分布式资源聚合，建设成虚拟电厂。如图2，通过电路转换计算，可将虚拟电厂视为一个可双向能量流动的交流发电机，通过一个虚拟节点i接入配电网，视为配电线路中的一个独立主体。根据虚拟电厂属下各成员的电网接入情况，也可设置多个虚拟节点。
[0112]
如图3所示为利用虚拟电厂参与配网无功电压控制方法的流程，首先启动配网自动化系统中的电压控制功能(avc系统)；配网avc系统根据收集的数据进行判断，本10kv配电线路是否有线损过高或者电压越限的情况，若有，则进行下一个流程，若无，则结束配网avc动作；如有线损过高或者电压越限的情况，则avc进行最优函数计算，得出计算结果；配网avc系统将计算结果下发给虚拟电厂控制系统，虚拟电厂控制系统计算进行判断，是否满足虚拟电厂总的实时无功功率裕量限制，如满足，则进入下一流程，如不满足，则返回上一流程再计算；若满足虚拟电厂总的实时无功功率裕量限制，虚拟电厂控制系统进行计算，得到内部各成员承担的无功功率；虚拟电厂控制系统将计算结果下发给各成员，各成员自行计算进行判断，是否满足自身的实时无功功率裕量限制，如满足，则进入下一流程，如不满足，则返回上一流程再计算；若满足各成员的实时无功功率裕量限制，虚拟电厂各成员执行无功出力计划；结束。
[0113]
本发明中的虚拟电厂控制系统，能完成与配电自动化系统的图模数据交互，在此模型基础上实现对配电网电压和线损的监视、控制、分析功能。虚拟电厂控制系统能完成分布式资源模型搭建、图形绘制等工作，并与配电自动化系统建立图模关系，建立“分布式资源-台区-中压配变”的关系，在此模型基础上实现监视、控制、分析功能。虚拟电厂控制系统的电压无功功率可调节功能获取配电自动化系统配网模型和数据，模型数据可以为cime文件格式，数据可以为e文件格式。配电自动化系统接收虚拟电厂平台转发的400v分布式光伏量测数据、台账信息。
[0114]
如图4所示为本发明中的虚拟电厂控制系统，功能模块主要包括档案管理、虚拟电
厂数据管理、预测功能、虚拟电厂构建、虚拟电厂调度控制、市场交易、需求响应、系统交互接口、电压无功功率可调节共九个功能模块。该系统首先通过参与用户的注册及数据管理，构建虚拟电厂，确定虚拟电厂的总资源量(包括总有功功率可调潜力、总无功功率裕量等)，然后聚合为统一主体，可参与电网调控，可参与电量交易、需求响应交易等电力交易，同时对参与虚拟电厂的用户及设备进行管理和维护。
[0115]
其中电压无功功率可调节功能模块，承担虚拟电厂参与配电网电压无功优化的任务，包含无功功率裕量、无功任务分配、电压偏差、执行结果四个子功能模块。无功功率裕量，功能是无功功率裕量实时计算，包括总的实时裕量和各主体的实时裕量。无功任务分配，功能是虚拟电厂内各成员的无功功率任务分配，即各成员实时承担的无功功率。电压偏差，功能是对虚拟电厂在配电网中的各个节点(包括虚拟节点)的电压进行实时监测，并实时显示实际电压与电压设定值的偏差。执行结果，功能是各成员在执行完本次电压和无功功率调节任务后，对执行情况进行记录，对执行结果进行计量。