一种基于改进PID的分布式小水电自适应重合闸控制技术的制作方法

本发明属于小水电并网，具体涉及一种基于改进pid的分布式小水电自适应重合闸控制技术。

背景技术：

1、水力发电作为一个稳定的清洁能源供应者，在逐步淘汰化石能源、发展新能源。水电站运营中，并网重合闸控制对于电网的安全稳定运行具有重要意义。

2、水电站并网后，需要根据电网负荷变化和运行状态，实现合适的水轮机调速和重合闸控制，以维持电网频率稳定，保证供电可靠性。优化并网重合闸控制技术，将有助于推动清洁能源的发展，提高能源利用效率。尤其对于部分地区的分布式小水电大规模并网，因其引入后对电网运行的负面影响，需要找到行之有效的防范措施。

3、现有技术中分布式电源接入后，其对电网的主要影响体现在配电网功率影响(频率影响)、配电网电压影响、配电网线路损耗影响以及配电网继电保护影响四个方面，虽然也有部分控制技术，但仍存在以下问题：

4、1.水电站集群并网参数模拟的实时性不足；

5、2.传统pid控制技术控制具有延时性；

6、3.基于具体水电站构建pid控制动作指标问题。

7、基于上述背景技术的问题，研发人员提出了一种基于改进pid的分布式小水电自适应重合闸控制技术。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于改进pid的分布式小水电自适应重合闸控制技术，以解决小水电大规模并网时电网对于负荷响应慢的问题。

2、为了解决以上问题，本发明技术方案为：

3、一种基于改进pid的分布式小水电自适应重合闸控制技术，该技术分为以下步骤：

4、s1、分布式小水电集群并网对配电系统影响分析；

5、本发明着重从配电网电压、配电网线路电流和配电网继电保护三方面重点建模；

6、以分布式小水电配电网为核心，分析配电网模型和小水电并网母线等级参数，对各地区小水电历史电压水平、历史功率水平以及配电网历史数据开展综合分析；以进一步对小水电并网过电压及其并网过电流等并网参数进行数学建模；

7、s2、分布式小水电并网参数建模；

8、对水电站电压、频率、继电保护影响三方面进行数学建模和分析，使用ieee22节点配电系统作为研究对象，其中ieee22节点中仅由水电站、可控式发电设备所代表的dg设备，用户用电负荷数学模型，以及配电网阻抗矩阵所代表的阻抗矩阵表示；

9、进一步简化建模流程，采用统一的固定式模型在ieee22模型中对用户负荷进行建模；

10、s2.1、分布式小水电并网电压unode计算；

11、分布式小水电站电压取决于小水电集群发出功率的综合电压与水电站内部的电压损耗多少；

12、s2.2、分布式小水电并网母线电流ibus计算；

13、对传统水电站并网母线电流计算进行改进，构建可基于水电站实时工况自适应计算并网母线电流；

14、基于步骤s2.1中得到的水电站集群并网电压unode对计算电流的公式改进，如式(7)所示：

15、

16、式中：unode表示并网母线阻抗平均值；

17、phydro表示水电站集群发出的实际有功功率；

18、qhydro表示水电站集群发出的实际无功功率；

19、传统分布式水电站集群对于并网电流的计算直接使用并网母线额定电压un进行计算，此方法计算方法应用于水电站平水期和枯水期状态中；

20、传统计算水电站集群并网母线电流如下式所示：

21、

22、式中：un表示水电站并网母线的额定电流；

23、phydro表示水电站集群发出的实际有功功率；

24、qhydro表示水电站集群发出的实际无功功率；

25、对传统水电站并网母线的额定电流计算式(8)进行改进，构建可基于水电站实时工况自适应计算并网母线电流；

26、s2.3、水电站并网后输入负荷节点电流il计算；

27、小水电站的并网对配电网继电保护系统具有深远的影响，本发明研究小水电并网位置对继电保护系统造成的影响；

28、小水电接入配电网时，配电网会因小水电接入配电网中位置进行分段，形成具有不同电气特征的多个部分，进一步会改变其不同节点短路容量；

29、其影响以小水电位于保护的上游、下游位置，取典型短路点分别进行分析：将小水电接入b，规定保护1位于其上游，保护2，3位于其下游，保护4在相邻馈线始端；

30、设置is为系统侧流出的电流，il为流入负荷节点的电流，小水电发出的电流为ihydro，负荷节点的负荷功率为pl+jql，小水电接入节点距离变电站距离为l1，配电网总长度为l2；

31、由此计算流入负荷节点的电流il为：

32、

33、式中：usignal_phase为线路相电压；

34、归纳s2.1、s2.2、s2.3步骤内容，通过对水电站并网实时电压unode、并网母线电流ibus以及水电站并网后输入负荷节点电流il，初步实现了自适应重合闸的识别参数构建，下面将再进一步将对pid控制技术进行改进以实现对小水电站重合闸的自使用控制；

35、s3、基于小水电站参数改进的pid控制技术；

36、通过分析水电站历史数据可得到较为精准水电站故障类型和各故障类型下的参数分布特征，建立专家控制系统；

37、引入水电站并网参数以对pid控制技术进行改进与计算；

38、s4、水电站并网重合闸控制体系构建：

39、基于s2中计算归纳的水电站运行参数构建水电站并网重合闸动作控制体系进行重合闸控制。

40、进一步的，s2中包含分布式小水电站的ieee22数学模型配电网阻抗矩阵将通过以下公式表示：

41、

42、式中：zl为配电网阻抗矩阵；

43、z11为节点1的自阻抗值；

44、z1n为节点1至节点n之间的阻抗值；

45、znn为节点n的子阻抗值；

46、对地并联导纳矩阵为：

47、

48、式中：y1/2为配电网导纳矩阵；

49、y11为节点1的自导纳值；

50、y1n为节点1至节点n的导纳值；

51、ynn为节点n的自导纳值。

52、进一步的，s2.1分为以下几个子步骤：

53、s2.1.1小水电集群发出功率的综合电压计算；

54、分布式小水电站电压波动特性取决于水电站所处季节，其中水电站功率出力可分为枯水期、丰水期以及平水期；

55、水电站并网过程中通常伴随有功功率和无功功率的大规模上网，由此造成的电压数值变动可由以下公式计算：

56、

57、式中：uhydro表示某水电站个体发出的实际电压；

58、in表示水电站并网母线的额定电流；

59、phydro表示该水电站发出的实际有功功率；

60、qhydro表示该水电站发出的实际无功功率；

61、假设某地小水电站集群共有水电站n座，进一步计算某地小水电站集群总功率的实际发电电压，某地小水电集群发出功率的综合电压计算如下：

62、

63、式中：utotal表示n个水电站集群发电的实际电压；

64、i'n表示水电站并网母线的额定电流；

65、p'hydro表示每座水电站发出的实际有功功率；

66、q'hydro表示每座水电站发出的实际无功功率；

67、s2.1.2水电站内部的电压损耗计算；

68、水电站捏电压损耗可用于进一步精确计算水电站并网的实际电压；水电站内部损耗电压和并网节点处电压可用以下公式表示：

69、

70、式中：uloss表示n个水电站集群输电过程中的总电压损耗；

71、un表示水电站并网母线的额定电流；

72、phydro,i表示第i座水电站发出的实际有功功率；

73、qhydro,i表示第i座水电站发出的实际无功功率；

74、ri表示第i座水电站的并网线路电阻；

75、xi表示第i座水电站的并网线路电抗；

76、s2.1.3分布式小水电站电压计算；

77、分布式小水电站电压，即水电站集群并网节点处电压可用以下公式表示：

78、unode＝uhydro-uloss   (6)

79、联合式(3)、式(4)、式(5)可精确构建水电站集群并网节点处的电压实际值unode。

80、进一步的，s2.2中对传统水电站并网母线的额定电流计算式(8)进行改进，构建可基于水电站实时工况自适应计算并网母线电流如下：

81、本发明基于步骤s2.1中得到的水电站集群并网电压unode对计算电流的公式改进，如式(9)所示：

82、

83、式中：unode表示并网母线阻抗平均值；

84、phydro表示水电站集群发出的实际有功功率；

85、qhydro表示水电站集群发出的实际无功功率。

86、进一步的，s3包括：

87、s3.1、基于专家控制系统获取参调比例系数；

88、专家控制系统包括以下组成部分：

89、1.知识库(knowledge base)：存储了特定领域的专家知识和经验，通常以规则、事实、推理规则等形式存在；

90、2.推理引擎(inference engine)：负责根据知识库中的规则和事实进行推理和决策，模拟人类专家的决策过程；

91、3.用户界面(user interface)：允许用户与专家系统进行交互，输入问题和获取系统的决策结果；

92、4.通常还包括知识获取模块(knowledge acquisition module)、解释器(explanatory interface)等辅助模块；

93、进一步构建专家控制系统体系：

94、1.数据收集与清洗；

95、收集与问题水电站相关的历史数据；这些数据可能包括传感器数据、业务记录、运行参数等，并基于水电站控制具体问题本发明侧重于对水电站出力功率、出力电压、出力电流进行提取；

96、为保障控制参数有效性，需要对收集到的历史数据进行清洗和预处理；这可能包括处理缺失值、异常值和噪声，进行数据转换和归一化，以确保数据质量和一致性；

97、2.建立知识库；

98、知识获取模块记录获取的水电站历史数据；传递到解释器解释、存储并传递到特定领域的专家处；经专家经验辨别后将水电站历史数据以规则、事实、推理规则等形式存储于知识库，作为后续推理引擎进行推理判断的依据；

99、3.专家控制系统运行；

100、专家控制系统是将水电站的实时数据采集并经解释器解释、存储并传递到知识库中；利用推理引擎分析，给出智能化的决策和控制；并显示在用户界面；专家与用户界面显示的内容进行交互，输入问题和获取系统的决策结果，并将其业也作为历史数据存储在知识库中；

101、4.专家控制系统优化与调整；

102、通过使用系统进行实际任务并分析结果，对系统进行优化和调整；包括改进知识库、调整模型参数等。

103、进一步的，s3还包括：s3.2、考虑水电站综合并网参数的pid控制系统构建；

104、基于s2步骤中小水电站运行参数的计算与归纳，构建基于水电站并网电压unode、并网母线电流ibus以及水电站并网后输入负荷节点电流il改进的pid控制系统，并利用s3.1中建立的专家控制系统(expert control system)分配各参数参调权值，构建与运行参数严格贴合的pid控制参数；

105、pid控制数学模型可通过以下数学模型描述：

106、

107、式中：α表示比例项、积分项、微分项的加权系数；

108、err(t)表示时刻t时的控制误差；

109、本实施例引入水电站并网参数以对pid控制技术进行改进，改进参数的pid控制模型数学表达式如下所示：

110、

111、式中：unode、ibus、il分别为s2中计算的水电站并网状态表征参数；

112、αnode、αbus、αl分别表示并网节点电压pid控制比例参数，并网母线电流pid控制比例参数和负荷电流pid控制比例参数；

113、βproportional、βintegral、βderivative总pid模型中比例项、积分项、微分项的加权系数。

114、进一步的，s4包括：

115、s4.1基于分布式小水电并网电压unode控制的重合闸动作体系；

116、为保证水电站过电压的可控性，设定丰水期母线过电压阈值为1.2un；

117、设定当unode＞1.2un时，系统检测小水电并网母线存在电压越限现象，控制小水电并网重合闸脱离母线；

118、当unode＜1.2un时，系统正常运行；

119、若系统由unode＞1.2un状态回落至电压unode＜1.2un状态后，系统控制并网重合闸重新并网；

120、通过以上动作评判体系，本发明实现了分布式小水电并网的大规模高效控制。

121、进一步的，s4还包括：

122、s4.2基于分布式小水电并网电流ibus控制的重合闸动作体系；

123、对水电站并网母线电流ibus分析建模；

124、为实现水电站重合闸控制的灵敏性，选择了母线电流ibus的电流爬坡数据δibus作为评判并网母线稳定程度的指标；

125、进一步评级指标设定δibus可行范围设定为ibus(t+δt)的20％；

126、δibus可通过以下公式表达：

127、

128、式中：δibus表示单位时间δt内母线电流爬坡数据；

129、ibus(t+δt)、ibus(t)分别表示t+δt时刻、t时刻的并网母线电流值；

130、与电压控制类似：

131、当δibus(t+δt)>ibus(t)*20％时，系统检测重合闸并网点存在电流爬坡越限现象，系统控制重合闸断开并网母线；

132、当δibus<ibus(t)*20％情况下，重合闸判断为正常运行；

133、当并网合闸点电流由δibus(t+δt)>ibus(t)*20％回落至δibus(t+δt)<ibus(t)*20％状态后，系统控制重合闸重新并网。

134、进一步的，s4还包括：s4.3基于负荷端负荷电流il的重合闸启停评判体系；

135、对于负荷节点电流il评判本发明设定为：

136、il(t)≤1.2in  (8)

137、式中：il(t)表示t时刻的负荷电流值；

138、in表示母线额定电流；

139、负荷端电流il(t)作为直接连接与配电设备连接电流，能够较为精准体现重合闸并网质量；

140、本发明设定负荷端电流越限上限为il(t)≤1.2*in；

141、设定当负荷端电流il(t)越限时，即il(t)≥1.2*in状态时，系统评定为“低质量并网”状态，为保证电流质量重合闸断开；

142、若il(t)≤1.2*in系统判定为“高质量并网”重合闸正常并网。

143、本发明的有益效果如下：

144、(1)本发明构建出了自适应重合闸的识别参数，给出了具体的计算方法，引入水电站并网参数以对pid控制技术进行了改进，建立了水电站并网重合闸控制体系，通过水电站并网重合闸控制，能够提高电网对于负荷波动的响应速度，降低电力系统的频率和电压波动范围，提高电网的稳定性，降低电网运行风险，维护电网安全稳定运行。

145、(2)相比现有技术，目前已有的小水电重合闸控制技术侧重于对某单独指标进行评判，缺乏多并网参数的综合考量。此外，目前已有研究成果缺乏对配电网端(用户负荷端)电气参数的建模与考量。本发明首先总结了已有水电站并网参数及并网控制策略的判据参数，并对其综合建模，构建小水电站重合闸控制综合控制体系。并且，本发明考虑目前研究缺陷，提出了配电网端(用户负荷端)电流判据参数，并与并网母线联合建模，实现多控制参数混合建模。