基于自动发现技术的电网电压精细自动化控制

0 引言

电网系统是现代发电网络的主体，其运行需要大量的能量，因此需要将风能、水能、太阳能等可再生能源接入电网，以节省能源的损耗，然而此类新能源在接入电网后，会不断出现功率扰动的现象，从而影响电网的稳定性。为提高电网电压的稳定性，研究人员在发电系统中补偿无功指令，以电网末梢的无功补偿降低电网电压与功率的差值[1，2]。但是这种方法片面而不合理，在配电系统面临电压的快速波动时，渗透率难以得到有效的控制，且经济成本也很高。因此在本文中基于自动发现技术，设计了一种电网电压精细自动化控制方法，以减小电压与功率的偏差，提高电网电压的稳定性。

1 基于自动发现技术设计电网电压精细自动化控制方法

1.1 提取电网电压流序分量

想要控制电网系统中的正序以及负序电压，需要正确提取电压流序分量。设可以灵活发电的分布式电源在滤波器内的输出电流与输入电压分别为：

式中，Iop和Uop分别表示在电源处的电流与电压值；ix，iy，ux，uy均为电网系统在零序通路中的电流与电压分量。在提取零序分量时，可以将静止的坐标系按照顺时针的方向旋转，得到不同角速度下的正序以及负序频率，再通过滤波的方式获取直流分量，具体程序如图1所示。

图1 静止坐标系法提取电压流序分量

如图1所示，在静止的坐标系中计算电压与电流的正负流序分量，将X作为有功功率，将Y作为无功功率，从窗口1到窗口4需要经过1Hz的滤波装置，将X1作为进入窗口，将Y4作为离开的窗口，可以得到基于无功瞬时功率的三相电压表达式：

式中，Py和Pw分别表示电网的有功功率和无功功率；u表示直流电的电压；X1，Y4分别表示滤波装置中的输入与输出窗口；表示有功功率的直流分量和交流分量；表示无功功率的直流分量和交流分量。因此在产生不平衡分量集合时，可以将电流与电压分别作为基频的正序分量，用以代替有功和无功的基频分量[3]。在计算电网节点的正序和负序电压的过程中可以建立目标方程式为：

式中，U+表示电网负载中的基频正序分量；U-表示电网负载基频的负序分量；分别表示有功功率的正序直流和交流分量；表示无功功率的正序直流和交流分量；同理，分别表示有功、无功功率的正序和负序直流交流分量。通过该方法得到的电网电压流序分量，可以得知电网中正序或负序电压的非正常变化，进而确定存在电压质量问题的节点。

1.2 基于自动发现技术优化单一目标参数

电压控制需要依据大量的数据建立模型，通过运行对象的变量特征进行选择，并把握其中的状态参数，挖掘不同变量之间的内部联系，以精细的规则提出自动发现的目标参数[4]。在电网的电压精细控制之下，各电压等级需要无视挠组电压的上限及下限，此时每个控制变量的取值区间为：

式中，Up表示节点p在电网中的控制电压参数；Up，min和Up，max分别表示当前取值范围下节点p的最小值和最大值。如母线电压的当前值为1.0，但是其最大最小取值区间约为0.96～1.14。在电压的分层分区运行过程中，需要建立一个目标区域的集合：

式中，Poi表示目标集合；表示电网中共有A台500kV的主变电压器；表示主变电压器外部共有B台500kV的低压母线；表示在主变电压器的中轴线上，共有C条220kV的中压母线；表示主变电压器中有D根220kV的高压母线。因此在整个电网的无功电压分区中，可以通过大量的数据运行数据，并提取相应的状态参数，根据需求分析，控制目标变量Up（p=1，2，...，P），在每一个Up的取值范围内均选择采样法进行样本估计，根据需求分析当前电网模型中的数据综合，并将每一个样本值进行仿真计算，结果需要一一保存在数据库中，以便后续使用。想要构建目标函数的优化参数模型，需要建立二次规划数学模型，并将单个电流控制环作为低通滤波的损耗消减装置。其中电压不平衡状态的传递函数为：

式中，he表示直流电压的有功功率；hp表示直流电压的无功功率；δ0表示电网电流引发的最大谐波次数；U0表示电压的有功输出控制频率；Y0表示电网在滤除信号时的无功输出频率。将其连接进校正系统中，为提高电流的质量，可以得到系统的功率指令：

式中，We表示电网系统在校正指令中输出的功率；表示正序电压的出力功率；表示负序电压的出力功率；Top表示低通滤波装置的电压幅值；yh表示有功功率在经过坐标转换后的直轴分带总量。以此建立电力输送状态下的非线性动力学方程：

式中，YPR（s）表示控制系统中的较大预测误差；Kp和Ki分别表示谐振系数在静止坐标系下的控制量与交流量；Posi表示系统传递函数的固定频率；ω0表示谐振频率；hs表示调解电压频率的幅值。在当前的电网状态下，可以以上述方法设置自动发现技术，优化单一目标参数，以提高电网电压偏差的控制能力。

1.3 自适应控制电网电压偏差

在电网系统中，通过单一目标参数建立逆变器与电网的连接机制，如果单一地区内的电压稳定性较为突出，可以在边远线路中提高电压的极限值，以电网电压作为等效电路的参考向量，将线路的电阻和电抗作为有功和无功电路的负载，设置电网电压的参考量：

式中，Ufg表示电网电压在保持不变的情况下，单位功率的因数；Ui表示节点i在线路中的负荷规模；Pip和Put分别表示电网电压的馈线连接有功功率和无功功率；Ri表示i节点中的电阻负载。为解决分布式电源连接进入电网系统的电压越限问题，可以在提高电网电压稳定性的同时，在有功和无功输出的节点中制作独立控制的框图，以表明无功功率参考值的设置合理性[5]。在分布式系统中，可以依据功率因数将Li转变为Lp，并降低有功出力的额定功率，其表达式为：

式中，βx表示有功出力电压的角度参数；Pi，Pmin，Pmax分别表示功率输出的额定值、最小值以及最大值。在控制了这个并网节点的有功出力之后，可以在电网电压未越过极限时降低电网的有功和无功损耗。在兼顾有功和无功的最小网损时，若逆变器的输出不断增大，则网损会越来越大，此时左右逆变装置的目标函数为：

式中，Hmin表示左右两边逆变装置的最小网损值；表示功率输出；i表示当前状况下逆压变压器的数量，通常情况下i=1，2，2，…，n。通过馈线并网连接的电压阈值计算电压的约束条件，此时：

其中Uy表示分布式发电系统在线路中输送的功率值。又可以得到不同并网对无功功率的给定值：

式中，μ和θ分别表示电网逆变装置中的并网参数；Uuy表示馈线末端的电压分布给定值；Uhg表示馈线起始端电压分布的给定值。此时可以通过不同的数值分析逆变装置吸收功率的综合，其中的目标函数可以跟随约束条件的变化而变化。如果电网电压在自动化的控制过程中实现了精细控制，则此时的补偿能力就会很弱，直接导致每一个感性分布式系统的补偿量能够与以最大的效果控制电网电压的偏差。通过以上公式，可以得到电网电压偏差的自适应控制方法，在自动化的结构中，降低电压偏差值，就可以保证电网的稳定运行。

2 仿真分析

2.1 电网系统结构设置

为测试上文方法在电网电压精细化自动控制中的有效性，设计智能电网系统结构如图2所示。

图2 电网系统结构图

在图2所示的电网结构中，共连接有R1-R5五个负载，以及S1-S7七个电网节点，此时电网系统的整体电压等级为380V每个线路的电阻值与电抗值为0.3457+j0.15（Ω）。假设五个负载均只能发出有功功率，则可以得到七个节点在该电网系统中的有功出力上下限如表1所示。

表1 有功出力参数

在有功出力的过程中，欠电压与过电压的比例越小，则该电网电压精细控制结果越好，此时可以根据表1计算电网电压的欠电压与过电压参数。

式中，Uk和Pk分别表示电网在过电压时的实时电压与实时功率；Ui表示电网中第i个节点的有功输出电压；U0表示电压初始值；Pmax表示有功输出上限功率；Pi表示第i个电网节点有功输出的初始值；Uf和Pf分别表示电网在欠电压时的实时电压与实时功率；P0表示电压有功输出下限。根据以上公式，可以计算不同时间段内电网过电压与欠电压时的功率与电压数值，并以此判断电网电压精细自动化控制的精确度。

2.2 电网输出电压与功率

在仿真实验中，计算系统的有功功率，设置算法的最大迭代次数为100，初始收敛精度为0.3，使算法可以收敛至稳定状态，则此时可以在算法中计算各节点的稳态电压与功率输出初始值与差值，如表2所示。

表2 各节点输出电压与功率结果

如表2所示，在本文算法中，各节点的输出电压均在0.97～1.02之间，输出功率的取值范围则为0～16，其欠电压与过电压均不超过初始电压与功率的20%，符合电压与功率范围的要求。因此，分别通过式(14)和式(15)计算电网在有功功率时的过电压与欠电压偏差如图3和图4所示，再对比表2，分析文中方法对电网电压的精细化控制效果。

如图3所示，在电网电压的测试中，七个节点在100次迭代以后所能得到的有功输出电压分别为0.998、0.997、0.990、0.986、0.984、0.982、0.981。相较于表2中的输出电压，该方法下的七个节点电压均在0.98～0.10之间。在电网功率的测试中，七个节点在100次迭代以后的七个有功功率值分别为0.11、0.06、0.08、0.09、0、0、0.03，与表2中的输出功率相比，该方法下的电网输出功率测试值范围为0～0.11，较表2中的输出功率数据结果更接近理想值。通过以上两组数据的对比可知，基于自动发现技术的电网电压精细自动化控制方法，在电压的控制方面效果更好。

图3 电网电压及功率测试结果

3 结语

本文设计了一种基于自动发现技术的电网电压精细自动化控制方法，在提取了电网电压的正序、负序电压分量后，通过该技术优化了单一目标参数。精细控制电网电压，可以节省电网的能源，提高其对电网电压的调节能力，在有功功率以及无功功率下均最大程度降低功率以及电压的波动。在未来进一步的优化中，可以针对智能配电系统，对电压控制区域的物理结构进行系统的划分，并设计自适应分区算法，以提高电压分层控制模型对二级装置以及一级装置的控制能力。