主動配電網(wǎng)區(qū)域自適應性電壓分層分區(qū)控制

駱　晨，陶　順，趙晨雪，肖湘寧

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京　102206)

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主動配電網(wǎng)區(qū)域自適應性電壓分層分區(qū)控制

駱晨，陶順，趙晨雪，肖湘寧

(新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室(華北電力大學)，北京102206)

0　引　言

越來越多的分布式電源接入配網(wǎng)中使得其運行方式發(fā)生巨大的改變[1-2]，然而目前配網(wǎng)的管理方式十分落后，依舊使用傳統(tǒng)的有載變壓器分接頭調(diào)節(jié)和可投切電容器等手段調(diào)控電壓，安裝地點固定，反應速度較慢，并且不能靈活地調(diào)節(jié)局部電壓越限問題[3-4]。

針對上述問題，文獻[5-8]考慮DG參與電壓控制。文獻[5]根據(jù)DG的無功出力和電容器補償容量的特點，以網(wǎng)損和電壓偏移為目標構(gòu)建DG與電容器協(xié)調(diào)控制方法。文獻[6]對DG的有功和無功實現(xiàn)直接控制，以滿足接入點電壓和線路熱容量限制。文獻[7] 基于聚類和競爭克隆機制的多智能體免疫算法實現(xiàn)對DG無功輸出的優(yōu)化控制，在滿足配網(wǎng)各節(jié)點電壓約束下降低網(wǎng)損。文獻[8]同時考慮DG的有功、無功輸出以及儲能設(shè)備的充放電來實現(xiàn)一段時間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的DG利用率最大。

綜上所述，文獻[5-8]采用的都是集中控制方式，然而在實際配電網(wǎng)中，節(jié)點數(shù)目眾多，拓撲結(jié)構(gòu)復雜，信息量大，采用集中控制計算處理時間冗長，無法在較短的時間內(nèi)對配網(wǎng)進行有效的調(diào)控。針對上述問題，本文提出了一種基于多代理系統(tǒng)框架下的分層分散控制模型。該模型以DG為中心，將傳統(tǒng)的集中電壓控制劃分成多個隨系統(tǒng)運行狀態(tài)變化而具有自適應性的本地控制區(qū)域，各個LCZ依托各自DG無功輸出的調(diào)節(jié)實現(xiàn)區(qū)域自治，并且與傳統(tǒng)的有載變壓器分接頭調(diào)節(jié)相配合，實現(xiàn)電壓的協(xié)調(diào)控制。

1　理論介紹

1.1分層分散控制架構(gòu)

本文所提分層分散控制架構(gòu)如圖1所示。主動配電網(wǎng)被分成多個本地控制區(qū)域，各區(qū)域通過控制本區(qū)域內(nèi)的DG和其他設(shè)備，保證所屬控制區(qū)域內(nèi)各節(jié)點電壓均在規(guī)定的范圍內(nèi)。除了上述功能外，本地控制區(qū)域可以通過現(xiàn)有的通訊結(jié)構(gòu)實現(xiàn)各區(qū)域間的信息交互，并且與配網(wǎng)層級的控制中心相配合，控制中心負責協(xié)調(diào)各區(qū)域之間運行，并且當LCZ請求電壓調(diào)節(jié)協(xié)助時，調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭檔位，實現(xiàn)電壓的綜合協(xié)調(diào)控制。

圖1　分層分散控制架構(gòu)圖

對于同一區(qū)域中的DG，應該根據(jù)自身的調(diào)壓能力大小進行排序，無功備用容量大，對區(qū)域內(nèi)電壓影響大的DG應該優(yōu)先使用。按照這樣的排序原則，協(xié)調(diào)控制方法要求DG按順序逐個為本地區(qū)域提供電壓控制，僅有當DG現(xiàn)有投入容量不能滿足調(diào)壓需求時才會投入下一個DG。當所有DG投入都不能滿足電壓調(diào)節(jié)時，則需要請求調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭進行協(xié)助調(diào)壓。

1.2多代理系統(tǒng)理論

多代理系統(tǒng)通過其基本構(gòu)成單元 Agent將復雜問題分解進行拆分，實現(xiàn)分布式處理。其核心理念是：每個Agent 具有獨立處理任務及與其他 Agent 信息交互以共同實現(xiàn)復雜系統(tǒng)目標的能力[9]。Agent的結(jié)構(gòu)與運行機制如圖2所示。

圖2　Agent結(jié)構(gòu)與運行機制

2　LCZ區(qū)域識別與控制

2.1DG電壓敏感度矩陣

各節(jié)點的電壓靈敏度取決于網(wǎng)絡(luò)阻抗，即由線路參數(shù)和拓撲結(jié)構(gòu)決定。本文通過改變DG所在節(jié)點注入的有功或無功功率來識別本地控制區(qū)。系統(tǒng)中各節(jié)點的電壓靈敏度可以由潮流計算中雅克比矩陣J的逆陣獲得，則電壓靈敏矩陣可表述為

(1)

式中：V、δ為各節(jié)點電壓幅值與相角；P、V各節(jié)點注入有功、無功功率。靈敏度子矩陣[?V/?P]、[?V/?Q]分別表示由于DG輸出的有功與無功變化所導致的各節(jié)點電壓幅值變化。每個靈敏度子矩陣都是n×n階，其中n表示配電網(wǎng)中節(jié)點個數(shù)。當節(jié)點m上DG的有功與無功輸出發(fā)生變化分別為ΔPDG、ΔQDG時，系統(tǒng)中各節(jié)點電壓變化量表述如下：

(2)

由上式可以看出DG可以對電壓靈敏度高的節(jié)點提供較好的電壓調(diào)節(jié)服務，然而對電壓靈敏度低的節(jié)點，DG調(diào)節(jié)的電壓影響很小。

2.2本地控制區(qū)域識別與控制

改變DG的無功注入量對所屬LCZ內(nèi)的節(jié)點電壓影響很大，所以確定DG可調(diào)度的無功容量對于LCZ的識別至關(guān)重要，公式如下：

(3)

式中：Qres,m表示第m個DG的額定最大無功出力(受功率因數(shù)限制)；Qgen,m表示第m個DG已發(fā)出的無功功率。

由式(3)可以看出ΔQDG,m是實時變化的。將ΔQDG,m帶入公式(2)可以得到系統(tǒng)各節(jié)點電壓變化量。本文以DG所在節(jié)點為LCZ的中心，通過閥值理論確定系統(tǒng)中各節(jié)點是否屬于該LCZ。電壓閥值ΔVth,m的設(shè)定一般根據(jù)現(xiàn)場實際情況和第m個DG自身容量相關(guān)。當電壓變化量小于ΔVth,m時，該節(jié)點受DG無功調(diào)節(jié)影響的很小，應排除在該DG所屬LCZ之外。相反，當電壓變化量大于ΔVth,m時，該節(jié)點受DG無功調(diào)節(jié)影響較大，應包含在DG所屬LCZ中。

通過上述過程確定每個DG所屬LCZ，對于不屬于任何LCZ的節(jié)點，即可認為該節(jié)點受DG的影響較小，不在DG調(diào)控計劃范圍之內(nèi)，當發(fā)生電壓越限時只能請求有載變壓器或電容器調(diào)節(jié)。當出現(xiàn)區(qū)域重疊的情況時，分析如下：

情況1：如果部分節(jié)點所屬LCZ不止一個，則根據(jù)其電壓影響情況選擇受影響大的LCZ作為其所屬LCZ。

情況2：當兩個LCZ的影響區(qū)域包含對方的中心節(jié)點(即DG所在節(jié)點時)，兩個LCZ合并成為一個LCZ，所以一個LCZ不一定只含有一個DG。

隨著系統(tǒng)運行狀態(tài)不斷發(fā)生變化，各個LCZ中DG對區(qū)域內(nèi)節(jié)點的電壓調(diào)節(jié)能力也隨之發(fā)生變化，所以LCZ也應該具有一定的自適應性而隨之改變。為了實現(xiàn)這個目標，需要將潮流計算過程中的雅可比矩陣傳輸給各個LCZ所屬Agent，各個Agent根據(jù)雅可比矩陣更新各自的靈敏度矩陣，從而更新各自的LCZ，具體的流程圖如圖3所示。

圖3　自適應性LCZ識別流程圖

3　兩層電壓控制

本文提出的多代理電壓調(diào)控框架分為兩層：①LCZ級電壓Agent控制：針對系統(tǒng)運行狀態(tài)變化更新所屬LCZ區(qū)域范圍，調(diào)控DG無功輸出以維持所屬區(qū)域內(nèi)的節(jié)點電壓，并且當區(qū)域電壓調(diào)節(jié)難以滿足要求時向上級Agent請求協(xié)助；②配網(wǎng)層級Agent控制：進行潮流計算檢測系統(tǒng)中各個節(jié)點的電壓，并將對應的雅克比矩陣發(fā)送給下層Agent。此外，配網(wǎng)層級Agent通過控制有載變壓器分接頭檔位協(xié)助LCZ調(diào)節(jié)系統(tǒng)節(jié)點電壓。根據(jù)此結(jié)構(gòu)，建立適用于有源配電網(wǎng)分層分散電壓控制研究的多代理系統(tǒng)框架如圖4所示。

圖4　多代理系統(tǒng)框架圖

3.1本地電壓調(diào)節(jié)

當出現(xiàn)LCZ區(qū)域內(nèi)節(jié)點電壓越限時，區(qū)域?qū)蛹堿gent會控制所屬區(qū)域內(nèi)的DG進行無功調(diào)控，調(diào)節(jié)量為使電壓越限的節(jié)點恢復正常電壓水平。根據(jù)需要調(diào)節(jié)電壓的節(jié)點位置不同可分為兩類：第一類，相對于DG接入點，距配網(wǎng)主變壓器節(jié)點(即電源節(jié)點)電器距離更近的節(jié)點；第二類，DG接入點或相對于DG接入點，距配網(wǎng)主變壓器節(jié)點(即電源節(jié)點)電器距離更近的節(jié)點。當確定需要調(diào)節(jié)電壓的節(jié)點位置種類和改變量后，LCZ所屬Agent調(diào)整DG的無功輸出如下所示：

(4)

(5)

3.2電壓協(xié)調(diào)控制

當LCZ中DG無功調(diào)節(jié)不能保證區(qū)域內(nèi)節(jié)點電壓的安全要求時，LCZ所屬Agent則向配網(wǎng)級Agent發(fā)送協(xié)助調(diào)壓請求，并將相關(guān)電壓越限信息發(fā)送給配網(wǎng)級Agent。配網(wǎng)級Agent在接受請求后，控制有載變壓器分接頭進行電壓調(diào)節(jié)。此時配網(wǎng)級Agent的決策目標為：收集各LCZ所屬Agent 信息后，在盡可能小地影響其他自治LCZ區(qū)域電壓的情況下，保證越限LCZ中所有節(jié)點滿足電壓安全要求。

圖5為主變壓器Agent優(yōu)化決策時的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以看出配網(wǎng)級Agent進行電壓調(diào)節(jié)時并不需要全網(wǎng)的信息，各個自治LCZ的Agent僅需將自身邊界節(jié)點的電壓和輸入功率信息傳送給配網(wǎng)級Agent，當進行協(xié)調(diào)控時，各自治LCZ可以看作為一個等效的節(jié)點。

圖5　配網(wǎng)級Agent簡化系統(tǒng)示意圖

相對于系統(tǒng)內(nèi)其他節(jié)點，各等效節(jié)點具有電壓自我調(diào)整能力，即當?shù)刃Ч?jié)點電壓超過限值并小于各LCZ閥值電壓時，各等效節(jié)點能夠自我恢復到合格的電壓幅值范圍內(nèi)。由此可得對于一個調(diào)節(jié)周期內(nèi)，配網(wǎng)級Agent決策的數(shù)學模型目標函數(shù)為

(6)

約束條件為

(7)

(8)

tapmin≤tapt≤tapmax

(9)

式中：tapt為第t個調(diào)節(jié)周期內(nèi)變壓器分接頭所在檔位；tapmax和tapmin分別表示變壓器分接頭上下限；Vi為節(jié)點i的電壓；Vm為等效節(jié)點m(即第m個LCZ)電壓；Vmax和Vmin分別為規(guī)定的節(jié)點電壓上下限。

根據(jù)上述模型可以得出，配網(wǎng)級Agent決策有載變壓器分接頭參與電壓調(diào)節(jié)要求解的是一個離散變量的凸優(yōu)化問題。本文以分接頭所在檔位為初始解，對變量進行定步長尋優(yōu)，從而在檔位變化最小的情況下調(diào)節(jié)越限節(jié)點電壓。由圖5可以看出，由于自治LCZ等效成節(jié)點，減小了配網(wǎng)拓撲復雜性，降低了尋優(yōu)過程的計算量，能夠在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)與LCZ的電壓協(xié)調(diào)控制，保障全網(wǎng)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)。

4　算例分析

為了驗證本文所提方法的有效性及在電力系統(tǒng)中應用的可行性，本文采用美國IEEE33節(jié)點配電系統(tǒng)進行算例驗證[9]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，系統(tǒng)基準電壓為12.66kV。

圖6　測試配電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖

測試的系統(tǒng)中主變壓器調(diào)壓的調(diào)節(jié)范圍為-10%～+10%，共17個檔位。初始變壓器檔位為1pu。兩臺容量均為1MW的DG接入系統(tǒng)，功率因數(shù)限制均為0.707，即無功輸出范圍為-1～+1Mvar，設(shè)電壓閥值ΔVth,1、ΔVth,2均為0.015pu。根據(jù)國家電網(wǎng)公司的規(guī)定，10kV配網(wǎng)各饋線節(jié)點允許的偏差為-7.5%～+7.5%[10]。

當DG僅發(fā)出有功功率時，則此時根據(jù)公式(3)得到此時DG1與DG2可調(diào)度的無功量ΔQDG，1、ΔQDG，2均為1Mvar，由此得到各節(jié)點的電壓變化量ΔV如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)各節(jié)點電壓變化量

由圖7可以看出，在DG所在節(jié)點11和29附近，電壓變化量最大，即DG的調(diào)節(jié)作用越強，而越靠近配電網(wǎng)上游，即主變壓器附近節(jié)點，DG的調(diào)節(jié)能力越弱，這也驗證了本文的觀點。其中各LCZ相關(guān)節(jié)點如表1所示。

表1　LCZ的相關(guān)節(jié)點

如圖8為3種場景下系統(tǒng)各節(jié)點的電壓分布：場景1，當DG的無功均輸出為0；場景2，僅有節(jié)點11的DG無功輸出為1Mvar；場景3，僅有節(jié)點29的DG無功輸出為1Mvar?？梢钥闯霎擠G無功輸出發(fā)生變化時，LCZ所屬節(jié)點電壓變化顯著，而LCZ外節(jié)點的電壓影響很小。

圖8　系統(tǒng)電壓分布對比圖

4.1針對系統(tǒng)運行條件改變LCZ的自適應性

當圖6所示系統(tǒng)中，節(jié)點2與節(jié)點22之間的饋線斷開連接，而此時為了保證正常供電節(jié)點24與節(jié)點29之間的聯(lián)絡(luò)開關(guān)閉合，其他網(wǎng)絡(luò)參數(shù)不發(fā)生變化，并在節(jié)點7接入新的DG3，其有功輸出為1MW，功率因數(shù)限值為0.89，即無功輸出范圍為-0.5～+0.5Mvar，為DG1與DG2的二分之一。電壓閥值ΔVth,1、ΔVth,2保持不變，ΔVth,3為0.075pu。

相對改變前系統(tǒng)運行條件，LCZ1中接入了新的DG3，LCZ2的系統(tǒng)拓撲發(fā)生了改變，所以在新的系統(tǒng)運行條件下，LCZ的劃分應隨之發(fā)生改變。由此得到各節(jié)點的電壓變化量ΔV如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)運行條件變化后各節(jié)點電壓變化量

對比圖7與圖9可以發(fā)現(xiàn)由于系統(tǒng)拓撲的改變，饋線3上的節(jié)點電壓變化量受DG2的影響很大，新的LCZ2將節(jié)點22～節(jié)點24包括其中。DG3的影響節(jié)點和DG1的影響節(jié)點一致，電壓變化量約為DG1的三分之一，故可以將兩個DG合并成一個區(qū)域。由此可得到新的LCZ劃分結(jié)果如圖10所示。

圖10　新的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)下LCZ的劃分

4.2配網(wǎng)級電壓協(xié)調(diào)控制

為了驗證電壓控制效果，本節(jié)運用PSCAD軟件進行仿真：DG1和DG2保持額定容量運行，可調(diào)度的無功容量均為1MVar。0.1s時在饋線5上的節(jié)點30、31、32增加0.5MW功率因數(shù)為0.9的負荷作為電壓波動的干擾源，選取饋線4和饋線5的末端節(jié)點17、32作為監(jiān)測節(jié)點，得到調(diào)控時間段內(nèi)節(jié)點電壓RMS值分別如圖11、圖12所示。

圖11　節(jié)點17的檢測電壓RMS值

圖12　節(jié)點32的檢測電壓RMS值

可以看出，0.1s時由于負荷的波動導致節(jié)點32電壓越限。LCZ2啟動自治電壓調(diào)節(jié)，0.6s時DG2輸出 1Mvar感性無功，對比該時刻節(jié)點17與節(jié)點32的電壓變化量可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)點32的電壓RMS變化量明顯高于節(jié)點17，即調(diào)節(jié)DG無功輸出對本LCZ范圍內(nèi)的節(jié)點電壓遠大于區(qū)域外的各節(jié)點，驗證模型的正確性。

根據(jù)文獻[10]電壓偏差要求，此時節(jié)點32依然低于允許范圍，僅依靠DG調(diào)節(jié)不滿足安全運行要求。1.1s時變壓器調(diào)節(jié)分接頭，變壓器低壓側(cè)電壓由1.0pu抬高至1.025pu，可以看出此時節(jié)點32的電壓RMS值為11.73kV，滿足電壓安全運行要求的范圍內(nèi)。

5　結(jié)　論

本文針對目前配電網(wǎng)節(jié)點數(shù)眾多，信息量大，而集中控制計算處理時間冗長，無法在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)對配網(wǎng)有效控制的情況下，提出一種基于多代理系統(tǒng)框架下的分層分散控制模型。該模型以DG為中心，將傳統(tǒng)的集中電壓控制劃分成多個LCZ，各個LCZ依托各自DG無功輸出的調(diào)節(jié)實現(xiàn)區(qū)域自治，并且與傳統(tǒng)的有載變壓器分接頭調(diào)節(jié)相配合，實現(xiàn)電壓的協(xié)調(diào)控制。

① 通過算例分析可以表明，當系統(tǒng)的運行狀態(tài)發(fā)生變化，針對拓撲改變和DG輸出變化，本文所提的LCZ分區(qū)識別方法具有較強的自適應性，隨系統(tǒng)運行變化，LCZ相應發(fā)生改變。

② 相比于傳統(tǒng)配網(wǎng)的調(diào)壓手段，本文所提方法不僅充分利用DG無功調(diào)節(jié)能力，在多代理系統(tǒng)框架下將配網(wǎng)進行合理分區(qū)，并與傳統(tǒng)調(diào)壓手段相配合，在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)對配網(wǎng)電壓進行有效控制。

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(責任編輯：林海文)

Hierarchical and Distributed Voltage Control with Regional Adaptability in Active Distribution Networks

LUO Chen，TAO Shun，ZHAO Chenxue，XIAO Xiangning

(State Key Laboratory for Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources(North China Electric Power University), Beijing 102206, China)

針對主動配電網(wǎng)集中控制周期長，調(diào)節(jié)有載變壓器分接頭響應速度慢，難以有效地解決局部電壓越限等問題，提出一種新型電壓分層分散控制方法。該方法基于多代理系統(tǒng)架構(gòu)，以分布式電源為中心將配網(wǎng)劃分為多個隨系統(tǒng)運行狀態(tài)變化而具有自適應性的本地控制區(qū)域，充分利用分布式電源無功輸出調(diào)節(jié)能力，從而實現(xiàn)電壓分區(qū)自治控制，并且在分散控制架構(gòu)下實現(xiàn)與傳統(tǒng)變壓器調(diào)節(jié)手段相配合的配網(wǎng)綜合電壓調(diào)控。最后基于IEEE33節(jié)點配電測試系統(tǒng)對所提方法的有效性進行了分析與驗證。

主動配電網(wǎng)；分布式電源；本地控制區(qū)域；分層分散控制；多代理系統(tǒng)

Due to the fact that the centralized control cycle of active distribution network is long and the response speed of on-load transformer tap is slow, it is difficult to effectively solve such problems as the local voltage off-limit. In this paper, a new hierarchical and distributed voltage control method is proposed. Based on multi-agent system architecture, the distributed grid is divided into several local control zones (LCZs) that their sizes are adaptive to different system state, and the adjustment ability of reactive power output for distributed generation (DG) is used to realize distributed autonomous voltage control. In addition, the comprehensive voltage control of distribution network is realized by combining with adjustment method of traditional transformer in the decentralized control framework. In the end, the effectiveness and validation of proposed method is verified based on IEEE-33 node test distribution system.

active distribution; distributed generation; local control zone; hierarchical distributed control; multi-agent system

1007-2322(2016)03-0029-06

A

TM732

2015-06-04

駱晨(1990-)，男，通信作者，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)無功優(yōu)化與電壓控制，E-mail:luche1990@163.com；陶順(1972-)，女，副教授，主要研究方向為智能配電網(wǎng)和電能質(zhì)量等，E-mail:taoshun@ncepu.edu.cn；

趙晨雪(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向為電能質(zhì)量，E-mail:zcx_1990@163.com；

肖湘寧(1953-)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為新能源電網(wǎng)、電力系統(tǒng)電能質(zhì)量等，E-mail:xxn@ncepu.edu.cn。