地区电网电压无功实时控制系统及其闭环控制方法

摘要

本发明公开了地区电网电压无功实时控制智能系统及其控制方法。该系统包括：与电力系统相连的SCADA系统、与所述SCADA系统相连的EMS系统；与所述SCADA系统相连的电网仿真系统，用于根据混杂系统理论建模，完成电力系统电压无功实时控制的仿真；与所述电网仿真系统、所述EMS系统分别相连的电网测试系统，所述电网测试系统还与所述SCADA系统相连，用于完成电力系统无功控制最优方案。采用本发明，可以从全网角度进行仿真电力系统的非线性复杂行为，并由测试系统完成最终控制方案的生成，通过遥控或遥调控制电力系统电压稳定运行。对电网稳定、电力设备安全运行以及工农业生产都具有重大意义。

说明书

技术领域

本发明涉及电网自动控制技术领域，尤其涉及地区电网电压无功实时控制系统及其闭环控制方法。

背景技术

随着经济的逐步发展，国家用电负荷日益增大，电网的经济运行也日益受到重视。降低电网损耗，提高电力系统输电效率和电力系统运行的经济性以及控制自动化水平等成为关注的焦点。

采用有效手段降低网损，改善系统电压水平，已经成为直接关系电力企业自身经济效益的课题。电力系统电压和无功功率控制是一个关系到保证供电质量，满足用户无功功率需求和系统电压稳定的问题，同时也是减少线损，提高电网运行经济性的十分有效的措施。电压与无功功率关系密切，要维持整个系统的电压水平，就必须有足够的无功功率电源来满足系统负荷对无功功率的需求和补充无功功率损耗，而电力系统的电压控制也主要是通过控制无功功率的产生、流动和消耗来实现。智能电网的目标是要实现电网的安全稳定运行，降低大规模停电的风险，提高电网资产的利用率，提高用户用电的效率，可靠性和电能质量，而好的控制手段和信息技术的长足发展，提供了智能电网实现的良好技术条件。长期以来，在电压无功实时优化控制模式中，网络中各节点电压合格仅仅作为优化控制得约束条件。然而，系统运行电压水平取决于系统无功功率的平衡，无功功率的不足，将引起系统电压的下降，极端情况下可导致某些枢纽变电站母线电压大幅度下降，当电压低于临界电压时，产生电压崩溃，从而导致系统因失去同步而瓦解的灾难性事故。因此，在进行实时电压无功优化控制时，也要充分考虑到系统电压稳定问题，如何在电压无功实时优化控制过程中考虑电压稳定约束仍是一个有待解决的问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了地区电网电压无功实时控制系统及其闭环控制方法，能够完成电力系统电压无功实时的控制，保证电力系统电能质量。

本发明提供了地区电网电压无功实时控制系统，包括与电力系统相连的SCADA系统、与所述SCADA系统相连的EMS系统，还包括：与所述SCADA系统相连的电网仿真系统，用于接收所述SCADA系统对电力系统实时采集的数据，再根据混杂系统理论建模，完成电力系统电压无功实时控制的仿真，其建模对象包括发电机、线路、异步电动机、静止无功补偿器、有载调压变压器、移相变压器；与所述电网仿真系统、所述EMS系统分别相连的电网测试系统，用于接收所述电网仿真系统的仿真结果，以及接收所述EMS系统输出的电力系统无功重要节点信息，完成电力系统无功控制最优方案；所述电网测试系统还与所述SCADA系统相连，将所述电力系统无功控制最优方案传输给所述SCADA系统，由SCADA系统通过遥控遥调控制电力系统电压无功稳定运行。

相应地，本发明还提供了一种地区电网电压无功实时控制系统的闭环控制方法，所述地区电网电压无功实时控制系统包括与电力系统相连的SCADA系统、与所述SCADA系统相连的EMS系统，与所述SCADA系统相连的电网仿真系统，与所述电网仿真系统、所述EMS系统分别相连的电网测试系统，所述电网测试系统还与所述SCADA系统相连，所述闭环控制方法包括：

所述SCADA系统利用遥控/遥调功能采集电力系统的实时数据，并将所述实时数据传输给所述电网仿真系统；

所述电网仿真系统接收所述实时数据，再根据混所述实时数据完成电力系统的非线性复杂行为的仿真，获取仿真结果并将所述仿真结果传输给电网测试系统，所述仿真结果包括判断出节点电压不稳定点及其无功补偿装置的状态；

所述电网测试系统接收所述电网仿真系统的仿真结果，并且接收所述EMS系统输出的电力系统无功重要节点信息，完成电力系统无功控制最优方案并传输给所述SCADA系统；

SCADA系统根据所述电力系统无功控制最优方案控制电力系统电压无功稳定运行。

实施本发明，具有如下有益效果：

潮流电压的优化调节和无功电源的合理配置，是保证电网质量及降低网损的重要环节。本发明通过SCADA系统采集全网各节点遥测、遥信等实时数据进行在线分析和计算，在确保电网与设备安全运行的前提下，利用可编程Petri网络理论、混杂系统理论，从全网角度进行仿真电力系统的非线性复杂行为，并由测试系统完成最终控制方案的生成，通过遥控或遥调控制电力系统电压稳定运行。对电网稳定、电力设备安全运行以及工农业生产都具有重大意义。

附图说明

图1是本发明地区电网电压无功实时控制系统的整体结构示意图；

图2是本发明地区电网电压无功实时控制系统的电网仿真系统与电网测试系统的结构示意图；

图3是本发明地区电网电压无功实时控制系统的闭环控制方法的形成专家系统的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

图1是本发明地区电网电压无功实时控制系统的整体结构示意图，包括与电力系统相连的SCADA系统、与所述SCADA系统相连的EMS系统，还包括：

与所述SCADA系统相连的电网仿真系统，用于接收所述SCADA系统对电力系统实时采集的数据，再根据混杂系统理论建模，完成电力系统电压无功实时控制的仿真，其建模对象包括发电机、线路、异步电动机、静止无功补偿器、有载调压变压器、移相变压器。

与所述电网仿真系统、所述EMS系统分别相连的电网测试系统，用于接收所述电网仿真系统的仿真结果，以及接收所述EMS系统输出的电力系统无功重要节点信息，完成电力系统无功控制最优方案。

所述电网测试系统还与所述SCADA系统相连，将所述电力系统无功控制最优方案传输给所述SCADA系统，由SCADA系统通过遥控遥调控制电力系统电压无功稳定运行。

EMS系统中加入了按节点权重值的排序系统，仿真系统利用可编程Petri网络理论来仿真电力系统的非线性复杂行为，面向发电机、线路、异步电动机、静止无功补偿器、有载调压变压器、移相变压器分析，设计，编程。

需要说明的是，本发明在EMS系统中加入了按节点权重值的排序系统，电网仿真系统利用可编程Petri网络理论来仿真电力系统的非线性复杂行为，面向发电机、线路、异步电动机、静止无功补偿器、有载调压变压器、移相变压器分析，设计，编程。并采用混杂系统理论建模，将SCADA系统采集的实时数据经过模型的仿真，判断出节点电压不稳定点及其无功补偿装置的状态，最后由电网测试系统完成最终控制方案的生成，再通过SCADA系统的遥控或遥调控制电力系统电压稳定运行。

图2是本发明地区电网电压无功实时控制系统的电网仿真系统与电网测试系统的结构示意图。

如图2所示电网仿真系统具体包括：

外部控制事件输入模块，用于局部手动操作或作为远方调度的遥控命令，当发生外部扰动事件时，调节继电保护动作、FACTS设备控制、以及有载调压变压器。

局部时钟模块，用于根据电力系统的电压，功角，有功和无功等运行状态获取电力系统的动态方程，控制电力系统切换到新模式时的复位时刻。

看守模块，用于描述电力系统的代数方程式和约束条件式，当电力系统运行轨迹触到超曲面时，控制电力系统跃变到新的模式下运行。

需要说明的是，本发明的技术方案将SCADA数据采集系统采集的实时数据传输给EMS系统并对节点进行无功计算和排序。SCADA的数据同时传输给所述电网仿真系统，所述电网仿真系统完成电力系统电压无功实时控制的仿真。

电网仿真系统的仿真模型根据混杂系统理论建模，其建模对象包括发电机、线路、异步电动机、静止无功补偿器、有载调压变压器、移相变压器。其建模过程为：将电力系统分成离散状态逻辑层和连续状态层，由逻辑层进行协调各连续动态系统的模式切换，同时利用多Lyapunov函数方法进行系统逻辑分析。

所述电网仿真系统通过封装，完成对象的内部实施方法、操作执行细节、私有数据等的对外隐藏。以此保护对象免受非法修改，同时实现对象的有效封装，防止程序模块之间的相互依赖而导致程序不稳定。具体地，对发电机、线路、异步电动机、静止无功补偿器、有载调压变压器、移相变压器抽象出来的对象进行封装，完成对象设计和对象实施方案的可靠性。仿真完成电力系统控制方案的生成，生成的控制方案作为测试系统后台处理器的专家系统。

 如图2所示电网测试系统具体包括：

前台测试系统，用于获取所述仿真结果和所述电力系统无功重要节点信息，所述电力系统无功重要节点信息包括电力系统的状态量、电力系统的安全信息以及当节点发生故障时，电力系统的经济损失信息。

所述重要节点信息包括电力系统的状态量，例如是节点电压，电压相角，流过节点的功率；节点信息还包括当节点发生故障的时候，对整个电力系统的影响，例如经济损失；所述电力系统的安全性包括给电力系统安全性带来危害最大的状态信息。

采用聚类分析节点信息筛选方法，其筛选过程如下：

①将一些给定的节点信息样本根据其特征变量信息分为若干类，计算各类的聚类中心，并确定每一类的稳定属性；

②针对实际电力系统节点状态列表中的每一状态变化量，依据其特征变量相对于各类的隶属度将节点状态划归于每一类；

③当节点状态所属类别为不稳定类时，则认为该节点为重要信息节点；当节点信息所属类别为稳定类别时，则认为节点为不重要信息节点。

与所述前台测试系统相连的后台处理系统，用于将已有无功电压控制的经验或数据用规则表示出来，采用人工神经网络理论形成专家系统，再根据所述专家系统内形成的规则结合所述电力系统无功重要节点信息求取各个节点的电压控制手段。

与所述后台处理系统相连的测试终端，用于接收筛选出来的各节点信息，针对输入节点的信息，经过调整加权系数后确定各节点的最优控制方案。

所述后台处理系统包括：外部知识库、内部知识库和推理机。

所述外部知识库用于保存用户输入的专家知识并提供训练数据集，所述专家知识来自电力系统无功控制现场或实际的大量样本，或从领域专家或文献资料中获取的大量规则。

所述内部知识库是在神经网络内部以权值及连接隐含地表达的专家知识。

所述推理机是根据外部知识库提供的训练数据集，按照预设算法对神经网络进行训练，把训练数据集隐含的专家知识变换为神经网络内部的表达形式。

另外，后台处理系统支持通过数据接口，读取前台测试系统的节点信息，测试的过程中测试系统同步记录并保存数据，允许测试工程师随时决定开始、暂停或结束测试；系统暂停测试时数据也暂停记录，系统能对除暂停时间外的所有测试数据必须真实和完整地进行记录和保存。

一种地区电网电压无功实时控制系统的闭环控制方法，所述地区电网电压无功实时控制系统包括与电力系统相连的SCADA系统、与所述SCADA系统相连的EMS系统，与所述SCADA系统相连的电网仿真系统，与所述电网仿真系统、所述EMS系统分别相连的电网测试系统，所述电网测试系统还与所述SCADA系统相连，所述闭环控制方法包括：

所述SCADA系统利用遥控/遥调功能采集电力系统的实时数据，并将所述实时数据传输给所述电网仿真系统；

所述电网仿真系统接收所述实时数据，再根据混所述实时数据完成电力系统的非线性复杂行为的仿真，获取仿真结果并将所述仿真结果传输给电网测试系统，所述仿真结果包括判断出节点电压不稳定点及其无功补偿装置的状态；

所述电网测试系统接收所述电网仿真系统的仿真结果，并且接收所述EMS系统输出的电力系统无功重要节点信息，完成电力系统无功控制最优方案并传输给所述SCADA系统；

SCADA系统根据所述电力系统无功控制最优方案控制电力系统电压无功稳定运行。

需要补充说明的是，EMS系统对电力系统进行状态评估和潮流计算，然后按节点的权重值进行排序。节点在系统的权重值是节点出现不稳定之后系统的衰减系数，计算权重值从电压故障节点不能分别再与剩余节点相互连通，其权重值无法传播到其他节点，形成的直接损失值；另一种计算方法是剩余节点中的部分节点之间的路劲可能由于节点电压故障，原来所起到的桥梁作用丧失而不能连通，造成点间接分割集中的节点对之间的权值无发交换稳定值，形成的损失值。

 图3是本发明地区电网电压无功实时控制系统的闭环控制方法的形成专家系统的方法流程图，图3是根据混所述实时数据完成电力系统的非线性复杂行为的仿真，获取仿真结果的具体步骤流程图，包括：

S301：第一步、对系统的动态进行形式描述，分析其动态过程和混杂行为，确定出描述系统的连续状态变量和离散动态特征；

S302：第二步、建立Petri网模型，根据第一步的分析，抽取实际系统的离散事件，利用Petri网来刻画系统的离散动态行为，描述了混杂系统的逻辑层；

S303：第三步、定义局部时钟和模式约束，所述局部时钟为由微分方程刻画的系统各个元件的动态行为；

S304：第四步、校核模型，对所建混杂模型进行仿真分析。

采用人工神经网络理论形成专家系统确定最优控制方案，其过程如下，

保存用户输入的专家知识，这些专家知识来自电力系统无功控制现场或实际的大量样本，或从领域专家或文献资料中获取的大量规则，根据提供的训练数据集，按照预设算法对神经网络进行训练，把训练数据集隐含的专家知识变换为神经网络内部的表达形式；接收筛选出来的各节点信息，把从接收到的信息，经内部学习和处理，转化为针对性的解决办法，针对输入的节点信息，经过调整加权系数后，得到各节点的控制方案。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。