主动配电网区域自适应性电压分层分区控制

骆　晨，陶　顺，赵晨雪，肖湘宁

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京　102206)



主动配电网区域自适应性电压分层分区控制

骆晨，陶顺，赵晨雪，肖湘宁

(新能源电力系统国家重点实验室(华北电力大学)，北京102206)

0　引　言

越来越多的分布式电源接入配网中使得其运行方式发生巨大的改变[1-2]，然而目前配网的管理方式十分落后，依旧使用传统的有载变压器分接头调节和可投切电容器等手段调控电压，安装地点固定，反应速度较慢，并且不能灵活地调节局部电压越限问题[3-4]。

针对上述问题，文献[5-8]考虑DG参与电压控制。文献[5]根据DG的无功出力和电容器补偿容量的特点，以网损和电压偏移为目标构建DG与电容器协调控制方法。文献[6]对DG的有功和无功实现直接控制，以满足接入点电压和线路热容量限制。文献[7] 基于聚类和竞争克隆机制的多智能体免疫算法实现对DG无功输出的优化控制，在满足配网各节点电压约束下降低网损。文献[8]同时考虑DG的有功、无功输出以及储能设备的充放电来实现一段时间内网络的DG利用率最大。

综上所述，文献[5-8]采用的都是集中控制方式，然而在实际配电网中，节点数目众多，拓扑结构复杂，信息量大，采用集中控制计算处理时间冗长，无法在较短的时间内对配网进行有效的调控。针对上述问题，本文提出了一种基于多代理系统框架下的分层分散控制模型。该模型以DG为中心，将传统的集中电压控制划分成多个随系统运行状态变化而具有自适应性的本地控制区域，各个LCZ依托各自DG无功输出的调节实现区域自治，并且与传统的有载变压器分接头调节相配合，实现电压的协调控制。

1　理论介绍

1.1分层分散控制架构

本文所提分层分散控制架构如图1所示。主动配电网被分成多个本地控制区域，各区域通过控制本区域内的DG和其他设备，保证所属控制区域内各节点电压均在规定的范围内。除了上述功能外，本地控制区域可以通过现有的通讯结构实现各区域间的信息交互，并且与配网层级的控制中心相配合，控制中心负责协调各区域之间运行，并且当LCZ请求电压调节协助时，调节有载变压器分接头档位，实现电压的综合协调控制。

图1　分层分散控制架构图

对于同一区域中的DG，应该根据自身的调压能力大小进行排序，无功备用容量大，对区域内电压影响大的DG应该优先使用。按照这样的排序原则，协调控制方法要求DG按顺序逐个为本地区域提供电压控制，仅有当DG现有投入容量不能满足调压需求时才会投入下一个DG。当所有DG投入都不能满足电压调节时，则需要请求调节有载变压器分接头进行协助调压。

1.2多代理系统理论

多代理系统通过其基本构成单元 Agent将复杂问题分解进行拆分，实现分布式处理。其核心理念是：每个Agent 具有独立处理任务及与其他 Agent 信息交互以共同实现复杂系统目标的能力[9]。Agent的结构与运行机制如图2所示。

图2　Agent结构与运行机制

2　LCZ区域识别与控制

2.1DG电压敏感度矩阵

各节点的电压灵敏度取决于网络阻抗，即由线路参数和拓扑结构决定。本文通过改变DG所在节点注入的有功或无功功率来识别本地控制区。系统中各节点的电压灵敏度可以由潮流计算中雅克比矩阵J的逆阵获得，则电压灵敏矩阵可表述为

(1)

式中：V、δ为各节点电压幅值与相角；P、V各节点注入有功、无功功率。灵敏度子矩阵[∂V/∂P]、[∂V/∂Q]分别表示由于DG输出的有功与无功变化所导致的各节点电压幅值变化。每个灵敏度子矩阵都是n×n阶，其中n表示配电网中节点个数。当节点m上DG的有功与无功输出发生变化分别为ΔPDG、ΔQDG时，系统中各节点电压变化量表述如下：

(2)

由上式可以看出DG可以对电压灵敏度高的节点提供较好的电压调节服务，然而对电压灵敏度低的节点，DG调节的电压影响很小。

2.2本地控制区域识别与控制

改变DG的无功注入量对所属LCZ内的节点电压影响很大，所以确定DG可调度的无功容量对于LCZ的识别至关重要，公式如下：

(3)

式中：Qres,m表示第m个DG的额定最大无功出力(受功率因数限制)；Qgen,m表示第m个DG已发出的无功功率。

由式(3)可以看出ΔQDG,m是实时变化的。将ΔQDG,m带入公式(2)可以得到系统各节点电压变化量。本文以DG所在节点为LCZ的中心，通过阀值理论确定系统中各节点是否属于该LCZ。电压阀值ΔVth,m的设定一般根据现场实际情况和第m个DG自身容量相关。当电压变化量小于ΔVth,m时，该节点受DG无功调节影响的很小，应排除在该DG所属LCZ之外。相反，当电压变化量大于ΔVth,m时，该节点受DG无功调节影响较大，应包含在DG所属LCZ中。

通过上述过程确定每个DG所属LCZ，对于不属于任何LCZ的节点，即可认为该节点受DG的影响较小，不在DG调控计划范围之内，当发生电压越限时只能请求有载变压器或电容器调节。当出现区域重叠的情况时，分析如下：

情况1：如果部分节点所属LCZ不止一个，则根据其电压影响情况选择受影响大的LCZ作为其所属LCZ。

情况2：当两个LCZ的影响区域包含对方的中心节点(即DG所在节点时)，两个LCZ合并成为一个LCZ，所以一个LCZ不一定只含有一个DG。

随着系统运行状态不断发生变化，各个LCZ中DG对区域内节点的电压调节能力也随之发生变化，所以LCZ也应该具有一定的自适应性而随之改变。为了实现这个目标，需要将潮流计算过程中的雅可比矩阵传输给各个LCZ所属Agent，各个Agent根据雅可比矩阵更新各自的灵敏度矩阵，从而更新各自的LCZ，具体的流程图如图3所示。

图3　自适应性LCZ识别流程图

3　两层电压控制

本文提出的多代理电压调控框架分为两层：①LCZ级电压Agent控制：针对系统运行状态变化更新所属LCZ区域范围，调控DG无功输出以维持所属区域内的节点电压，并且当区域电压调节难以满足要求时向上级Agent请求协助；②配网层级Agent控制：进行潮流计算检测系统中各个节点的电压，并将对应的雅克比矩阵发送给下层Agent。此外，配网层级Agent通过控制有载变压器分接头档位协助LCZ调节系统节点电压。根据此结构，建立适用于有源配电网分层分散电压控制研究的多代理系统框架如图4所示。

图4　多代理系统框架图

3.1本地电压调节

当出现LCZ区域内节点电压越限时，区域层级Agent会控制所属区域内的DG进行无功调控，调节量为使电压越限的节点恢复正常电压水平。根据需要调节电压的节点位置不同可分为两类：第一类，相对于DG接入点，距配网主变压器节点(即电源节点)电器距离更近的节点；第二类，DG接入点或相对于DG接入点，距配网主变压器节点(即电源节点)电器距离更近的节点。当确定需要调节电压的节点位置种类和改变量后，LCZ所属Agent调整DG的无功输出如下所示：

(4)

(5)

3.2电压协调控制

当LCZ中DG无功调节不能保证区域内节点电压的安全要求时，LCZ所属Agent则向配网级Agent发送协助调压请求，并将相关电压越限信息发送给配网级Agent。配网级Agent在接受请求后，控制有载变压器分接头进行电压调节。此时配网级Agent的决策目标为：收集各LCZ所属Agent 信息后，在尽可能小地影响其他自治LCZ区域电压的情况下，保证越限LCZ中所有节点满足电压安全要求。

图5为主变压器Agent优化决策时的系统结构，可以看出配网级Agent进行电压调节时并不需要全网的信息，各个自治LCZ的Agent仅需将自身边界节点的电压和输入功率信息传送给配网级Agent，当进行协调控时，各自治LCZ可以看作为一个等效的节点。

图5　配网级Agent简化系统示意图

相对于系统内其他节点，各等效节点具有电压自我调整能力，即当等效节点电压超过限值并小于各LCZ阀值电压时，各等效节点能够自我恢复到合格的电压幅值范围内。由此可得对于一个调节周期内，配网级Agent决策的数学模型目标函数为

(6)

约束条件为

(7)

(8)

tapmin≤tapt≤tapmax

(9)

式中：tapt为第t个调节周期内变压器分接头所在档位；tapmax和tapmin分别表示变压器分接头上下限；Vi为节点i的电压；Vm为等效节点m(即第m个LCZ)电压；Vmax和Vmin分别为规定的节点电压上下限。

根据上述模型可以得出，配网级Agent决策有载变压器分接头参与电压调节要求解的是一个离散变量的凸优化问题。本文以分接头所在档位为初始解，对变量进行定步长寻优，从而在档位变化最小的情况下调节越限节点电压。由图5可以看出，由于自治LCZ等效成节点，减小了配网拓扑复杂性，降低了寻优过程的计算量，能够在较短的时间内实现与LCZ的电压协调控制，保障全网电压在规定范围内。

4　算例分析

为了验证本文所提方法的有效性及在电力系统中应用的可行性，本文采用美国IEEE33节点配电系统进行算例验证[9]。系统结构图如图6所示，系统基准电压为12.66kV。

图6　测试配电网的结构图

测试的系统中主变压器调压的调节范围为-10%～+10%，共17个档位。初始变压器档位为1pu。两台容量均为1MW的DG接入系统，功率因数限制均为0.707，即无功输出范围为-1～+1Mvar，设电压阀值ΔVth,1、ΔVth,2均为0.015pu。根据国家电网公司的规定，10kV配网各馈线节点允许的偏差为-7.5%～+7.5%[10]。

当DG仅发出有功功率时，则此时根据公式(3)得到此时DG1与DG2可调度的无功量ΔQDG，1、ΔQDG，2均为1Mvar，由此得到各节点的电压变化量ΔV如图7所示。

图7　系统各节点电压变化量

由图7可以看出，在DG所在节点11和29附近，电压变化量最大，即DG的调节作用越强，而越靠近配电网上游，即主变压器附近节点，DG的调节能力越弱，这也验证了本文的观点。其中各LCZ相关节点如表1所示。

表1　LCZ的相关节点

如图8为3种场景下系统各节点的电压分布：场景1，当DG的无功均输出为0；场景2，仅有节点11的DG无功输出为1Mvar；场景3，仅有节点29的DG无功输出为1Mvar。可以看出当DG无功输出发生变化时，LCZ所属节点电压变化显著，而LCZ外节点的电压影响很小。

图8　系统电压分布对比图

4.1针对系统运行条件改变LCZ的自适应性

当图6所示系统中，节点2与节点22之间的馈线断开连接，而此时为了保证正常供电节点24与节点29之间的联络开关闭合，其他网络参数不发生变化，并在节点7接入新的DG3，其有功输出为1MW，功率因数限值为0.89，即无功输出范围为-0.5～+0.5Mvar，为DG1与DG2的二分之一。电压阀值ΔVth,1、ΔVth,2保持不变，ΔVth,3为0.075pu。

相对改变前系统运行条件，LCZ1中接入了新的DG3，LCZ2的系统拓扑发生了改变，所以在新的系统运行条件下，LCZ的划分应随之发生改变。由此得到各节点的电压变化量ΔV如图9所示。

图9　系统运行条件变化后各节点电压变化量

对比图7与图9可以发现由于系统拓扑的改变，馈线3上的节点电压变化量受DG2的影响很大，新的LCZ2将节点22～节点24包括其中。DG3的影响节点和DG1的影响节点一致，电压变化量约为DG1的三分之一，故可以将两个DG合并成一个区域。由此可得到新的LCZ划分结果如图10所示。

图10　新的网络参数下LCZ的划分

4.2配网级电压协调控制

为了验证电压控制效果，本节运用PSCAD软件进行仿真：DG1和DG2保持额定容量运行，可调度的无功容量均为1MVar。0.1s时在馈线5上的节点30、31、32增加0.5MW功率因数为0.9的负荷作为电压波动的干扰源，选取馈线4和馈线5的末端节点17、32作为监测节点，得到调控时间段内节点电压RMS值分别如图11、图12所示。

图11　节点17的检测电压RMS值

图12　节点32的检测电压RMS值

可以看出，0.1s时由于负荷的波动导致节点32电压越限。LCZ2启动自治电压调节，0.6s时DG2输出 1Mvar感性无功，对比该时刻节点17与节点32的电压变化量可以发现，节点32的电压RMS变化量明显高于节点17，即调节DG无功输出对本LCZ范围内的节点电压远大于区域外的各节点，验证模型的正确性。

根据文献[10]电压偏差要求，此时节点32依然低于允许范围，仅依靠DG调节不满足安全运行要求。1.1s时变压器调节分接头，变压器低压侧电压由1.0pu抬高至1.025pu，可以看出此时节点32的电压RMS值为11.73kV，满足电压安全运行要求的范围内。

5　结　论

本文针对目前配电网节点数众多，信息量大，而集中控制计算处理时间冗长，无法在较短的时间内实现对配网有效控制的情况下，提出一种基于多代理系统框架下的分层分散控制模型。该模型以DG为中心，将传统的集中电压控制划分成多个LCZ，各个LCZ依托各自DG无功输出的调节实现区域自治，并且与传统的有载变压器分接头调节相配合，实现电压的协调控制。

① 通过算例分析可以表明，当系统的运行状态发生变化，针对拓扑改变和DG输出变化，本文所提的LCZ分区识别方法具有较强的自适应性，随系统运行变化，LCZ相应发生改变。

② 相比于传统配网的调压手段，本文所提方法不仅充分利用DG无功调节能力，在多代理系统框架下将配网进行合理分区，并与传统调压手段相配合，在较短的时间内实现对配网电压进行有效控制。

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(责任编辑：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)

针对主动配电网集中控制周期长，调节有载变压器分接头响应速度慢，难以有效地解决局部电压越限等问题，提出一种新型电压分层分散控制方法。该方法基于多代理系统架构，以分布式电源为中心将配网划分为多个随系统运行状态变化而具有自适应性的本地控制区域，充分利用分布式电源无功输出调节能力，从而实现电压分区自治控制，并且在分散控制架构下实现与传统变压器调节手段相配合的配网综合电压调控。最后基于IEEE33节点配电测试系统对所提方法的有效性进行了分析与验证。

主动配电网；分布式电源；本地控制区域；分层分散控制；多代理系统

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

骆晨(1990-)，男，通信作者，硕士研究生，主要研究方向为电力系统无功优化与电压控制，E-mail:luche1990@163.com；陶顺(1972-)，女，副教授，主要研究方向为智能配电网和电能质量等，E-mail:taoshun@ncepu.edu.cn；

赵晨雪(1990-)，女，硕士研究生，主要研究方向为电能质量，E-mail:zcx_1990@163.com；

肖湘宁(1953-)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为新能源电网、电力系统电能质量等，E-mail:xxn@ncepu.edu.cn。