分布式电源和储能电站参与的电网三相平衡自动调节系统的制作方法

1.本发明涉及电网经济运行技术领域，尤其涉及一种分布式电源和储能电站参与的电网三相平衡自动调节系统。


背景技术：

2.目前在电网运行中普遍存在着三相不平衡状态，它增加了线损和变损，降低了电网的经济运行水平和安全稳定裕度。如何及时消除电网三相不平衡状态依然是目前业界难以解决的问题，原因是电网三相不平衡状态主要由负荷引起，负荷侧的电气运行方式不受电网调度部门的直接控制。以往电网调度采用重新摆布电网运行方式的方法进行负荷的三相平衡，即，将三相不平衡的负荷互补地放在一台变压器上供电，以实现将降低变损的目的，但此方法所需的操作时间很长，而且开关、刀闸等一次设备的操作工作量大，运行方式在转换过程中也会给电网安全稳定运行带来非常大的风险，对比风险与收益，上述做法得不偿失。


技术实现要素：

3.本发明针对上述问题，提供一种能及时消除电网三相不平衡状态的自动调节系统。
4.为了达到上述目的，本发明提供了一种分布式电源和储能电站参与的电网三相平衡自动调节系统，其包括：
5.电网三相不平衡感知模块，所述电网三相不平衡感知模块的输出端与三相不平衡电网分区模块的输入端相连，所述电网三相不平衡感知模块从调度主站自动化系统scada实时库中周期读取线路和变压器的三相电流，当三相电流的不平衡率计算结果超过10％，不平衡功率大于100kw且持续时间超过15分钟时，启动所述三相不平衡电网分区模块，并向所述三相不平衡电网分区模块发送出现三相不平衡状态的线路或变压器的对象id；
6.三相不平衡电网分区模块，所述三相不平衡电网分区模块的输出端与区域电网三相功率平衡计算与控制模块的输入端相连，所述三相不平衡电网分区模块读取调度主站自动化系统scada实时数据库中的网络拓扑数据，将所述对象id对应的线路或变压器及与所述线路或变压器有电气连接关系的分布式电源、储能电站、馈出变电站的母线、负荷划分成一个三相不平衡计算与控制的关联区域；
7.区域电网三相功率平衡计算与控制模块，所述区域电网三相功率平衡计算与控制模块通过通信报文的方式与通信接口及数字滤波模块远程通讯，所述区域电网三相功率平衡计算与控制模块从调度主站自动化系统的scada实时数据库中读取所述对象id对应的线路或变压器的三相电压、三相电流、三相平均功率因数，利用卡尔曼滤波算法估计出abc单相功率因数φa、φb、φc，计算出所述对象id的单相功率pa、pb、pc以及三相平均功率p1＝(pa+pb+pc)/3，进而计算出三相不平衡调节功率δa＝(p1-pa)、δb＝(p1-pb)、δc＝(p1-pc)；
8.通信接口及数字滤波模块，所述通信接口及数字滤波模块的输出端与逆变器三相不平衡出力控制模块的输入端相连，所述通信接口及数字滤波模块将所述三相不平衡调节功率δa、δb、δc作为输入控制量，利用卡尔曼滤波算法估计出分布式电源或储能电站逆变器的三相逆变器的单相脉宽调制控制量pwma、pwmb、pwmc，并将所述单相脉宽调制控制量发送至逆变器三相不平衡出力控制模块；
9.逆变器三相不平衡出力控制模块，所述逆变器三相不平衡出力控制模块将所述单相脉宽调制控制量pwma、pwmb、pwmc转换为三相逆变器的实际控制脉冲电信号，并调整分布式电源或储能电站逆变器的三相不平衡出力。
10.优选方式下，所述电网三相不平衡感知模块、三相不平衡电网分区模块、区域电网三相功率平衡计算与控制模块设置在调度主站自动化系统中；所述通信接口及数字滤波模块、逆变器三相不平衡出力控制模块布置在分布式电源和储能电站的控制系统中。
11.优选方式下，划分所述三相不平衡计算与控制的关联区域时，所述关联区域内分布式电源和储能电站的三相不平衡出力裕度大于关联区域内负荷的三相不平衡量。
12.优选方式下，所述电网三相平衡自动调节系统为动态线性控制系统，所述供电线路或变压器的三相不平衡功率δa、δb、δc作为系统的控制量u(t)，所述供电线路或变压器的三相功率pa、pb、pc作为状态变量x(t)，所述分布式电源或储能电站逆变器的三相不平衡出力控制变量pwma、pwmb、pwmc作为状态转移矩阵φ(t+1；t)，在理想情况即无干扰无噪声的情况下，控制逻辑为：
13.pa(t+1)＝δa(t)+pwma(t)*pa(t)
14.pb(t+1)＝δb(t)+pwmb(t)*pb(t)
15.pc(t+1)＝δc(t)+pwmc(t)*pc(t)
16.优选方式下，实际控制系统中的干扰和噪声在卡尔曼滤波计算中通过协方差矩阵引入。
17.本发明的有益效果为：本发明采取分布式电源和储能电站为电网三相不平衡的解决方案提供新思路，即从电源侧而不是负荷侧来寻找实现局部电网的三相平衡方法，通过改变分布式电源和储能电站的三相逆变器的不平衡来平衡局部电网负荷的三相不平衡状态，该方案能够大幅减少上游供电变压器和供电线路的三相不平衡率，减少供电变压器和线路的损耗，从而提升电网的经济运行水平及安全稳定裕度。
附图说明
18.图1为本发明系统及功能结构框图；
19.图2为本发明自动控制原理图；
20.图3为逆变器三相不平衡出力控制工作原理图；
21.图4为本发明的应用算例。
具体实施方式
22.下面结合附图对本发明的具体实施方式作描述。
23.如图1所示，本发明由电网三相不平衡感知模块、三相不平衡电网分区模块、区域电网三相功率平衡计算与控制模块、通信接口及数字滤波模块、逆变器三相不平衡出力控
制模块组成，其中电网三相不平衡感知模块、三相不平衡电网分区模块、区域电网三相平衡计算与控制模块布置在调度主站自动化系统中，所述通信接口及数字滤波模块、三相逆变器单相控制模块即逆变器三相不平衡出力控制模块布置在分布式电源和储能电站的控制系统中。
24.具体地，本发明包括：电网三相不平衡感知模块，所述电网三相不平衡感知模块的输出端与三相不平衡电网分区模块的输入端相连，所述电网三相不平衡感知模块从调度主站自动化系统scada实时库中周期读取线路和变压器的三相电流，当三相电流的不平衡率计算结果超过10％，不平衡功率大于100kw且持续时间超过15分钟时，启动所述三相不平衡电网分区模块，并向所述三相不平衡电网分区模块发送出现三相不平衡状态的线路或变压器的对象id；
25.三相不平衡电网分区模块，所述三相不平衡电网分区模块的输出端与区域电网三相功率平衡计算与控制模块的输入端相连，所述三相不平衡电网分区模块读取调度主站自动化系统scada实时数据库中的网络拓扑数据，将所述对象id对应的线路或变压器及与所述线路或变压器有电气连接关系的分布式电源、储能电站、馈出变电站的母线、负荷划分成一个三相不平衡计算与控制的关联区域；
26.区域电网三相功率平衡计算与控制模块，所述区域电网三相功率平衡计算与控制模块通过通信报文的方式与通信接口及数字滤波模块远程通讯，所述区域电网三相功率平衡计算与控制模块从调度主站自动化系统的scada实时数据库中读取所述对象id对应的线路或变压器的三相电压、三相电流、三相平均功率因数，利用卡尔曼滤波算法估计出abc单相功率因数φa、φb、φc，计算出所述对象id的单相功率pa、pb、pc以及三相平均功率p1＝(pa+pb+pc)/3，进而计算出三相不平衡调节功率δa＝(p1-pa)、δb＝(p1-pb)、δc＝(p1-pc)；
27.通信接口及数字滤波模块，所述通信接口及数字滤波模块的输出端与逆变器三相不平衡出力控制模块的输入端相连，所述通信接口及数字滤波模块将所述三相不平衡调节功率δa、δb、δc作为输入控制量，利用卡尔曼滤波算法估计出分布式电源或储能电站逆变器的三相逆变器的单相脉宽调制控制量pwma、pwmb、pwmc，并将所述单相脉宽调制控制量发送至逆变器三相不平衡出力控制模块；
28.逆变器三相不平衡出力控制模块，所述逆变器三相不平衡出力控制模块将所述单相脉宽调制控制量pwma、pwmb、pwmc转换为三相逆变器的实际控制脉冲电信号，并调整分布式电源或储能电站逆变器的三相不平衡出力。
29.划分所述三相不平衡计算与控制的关联区域时，所述关联区域内分布式电源和储能电站的三相不平衡出力裕度大于关联区域内负荷的三相不平衡量，三相不平衡出力裕度选取分布式电源或储能电站当前出力的50％。
30.如图2所示，本发明的自动控制原理是基于一种动态线性控制系统，见图2(a)。其中，供电线路或变压器的三相不平衡功率作为系统的控制量u(t)，供电线路或变压器的三相功率作为状态变量x(t)，见图2(c)；分布式电源或储能电站逆变器的三相不平衡出力控制变量pwma、pwmb、pwmc作为状态转移矩阵φ(t+1；t)，见图2(d)；供电线路或变压器的三相不平衡功率的最新量测数据采用卡尔曼滤波算法进行重新计算，并得出新的控制量u(t)，见图2(b)，从而形成了一个闭环控制系统。在理想情况下，即无干扰无噪声的情况下，控制
逻辑如下：
31.pa(t+1)＝δa(t)+pwma(t)*pa(t)
32.pb(t+1)＝δb(t)+pwmb(t)*pb(t)
33.pc(t+1)＝δc(t)+pwmc(t)*pc(t)
34.实际控制系统中的干扰和噪声在卡尔曼滤波计算中通过协方差矩阵引入。
35.如图3所示，本发明通过改变控制变量pwma、pwmb、pwmc来调节分布式电源或储能电站逆变器的三相不平衡出力，用来抵消负荷侧的三相不平衡，从而实现上游供电线路或变压器的三相功率平衡的控制目标。
36.如图4所示，本发明的电网三相不平衡感知模块发现66kv变电站1的供电变压器1二次电流出现了三相不平衡，三相平均电流91a，不平衡电流大于15a，并且持续了15分钟。电网三相不平衡感知模块启动三相不平衡电网分区模块，并向其传递该变压器的对象id，三相不平衡电网分区模块通过读取调度主站自动化系统的网络拓扑，发现供电变压器1、母线1、储能电站1、若干10kv供电线路有电气连接关系，通过对10kv供电线路的三相平衡计算，发现供电变压器1的二次三相不平衡电流主要由10kv供电线路1和10kv供电线路2的三相不平衡电流引起，因此三相不平衡电网分区模块将供电变压器1、母线1、10kv供电线路1、10kv供电线路2、储能电站1划分为一个三相平衡自动调节区域。本发明的区域电网三相平衡计算与控制模块依据图2所示的控制逻辑，以1分钟周期计算并循环控制分布式电源或储能电站逆变器的三相不平衡出力，在15分钟内实现上游供电线路或变压器的三相功率平衡的控制目标。本发明的通信接口及数字滤波模块、三相逆变器单相控制模块作为末端执行器布置在分布式电源和储能电站的控制系统中，用来接收并执行区域电网三相平衡计算与控制模块发来的三相出力控制命令，调度自动化主站将最新采集到的66kv变电站1的供电变压器1的二次三相不平衡电流反馈到电网三相不平衡感知模块，电网三相不平衡感知模块发现供电变压器1的三相不平衡状态低于越限值后，三相不平衡电网分区模块和区域电网三相平衡计算与控制模块的计算进程退出运行。
37.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种分布式电源和储能电站参与的电网三相平衡自动调节系统，其特征在于，其包括：电网三相不平衡感知模块，所述电网三相不平衡感知模块的输出端与三相不平衡电网分区模块的输入端相连，所述电网三相不平衡感知模块从调度主站自动化系统scada实时库中周期读取线路和变压器的三相电流，当三相电流的不平衡率计算结果超过10％，不平衡功率大于100kw且持续时间超过15分钟时，启动所述三相不平衡电网分区模块，并向所述三相不平衡电网分区模块发送出现三相不平衡状态的线路或变压器的对象id；三相不平衡电网分区模块，所述三相不平衡电网分区模块的输出端与区域电网三相功率平衡计算与控制模块的输入端相连，所述三相不平衡电网分区模块读取调度主站自动化系统scada实时数据库中的网络拓扑数据，将所述对象id对应的线路或变压器及与所述线路或变压器有电气连接关系的分布式电源、储能电站、馈出变电站的母线、负荷划分成一个三相不平衡计算与控制的关联区域；区域电网三相功率平衡计算与控制模块，所述区域电网三相功率平衡计算与控制模块通过通信报文的方式与通信接口及数字滤波模块远程通讯，所述区域电网三相功率平衡计算与控制模块从调度主站自动化系统的scada实时数据库中读取所述对象id对应的线路或变压器的三相电压、三相电流、三相平均功率因数，利用卡尔曼滤波算法估计出abc单相功率因数φa、φb、φc，计算出所述对象id的单相功率pa、pb、pc以及三相平均功率p1＝(pa+pb+pc)/3，进而计算出三相不平衡调节功率δa＝(p1-pa)、δb＝(p1-pb)、δc＝(p1-pc)；通信接口及数字滤波模块，所述通信接口及数字滤波模块的输出端与逆变器三相不平衡出力控制模块的输入端相连，所述通信接口及数字滤波模块将所述三相不平衡调节功率δa、δb、δc作为输入控制量，利用卡尔曼滤波算法估计出分布式电源或储能电站逆变器的三相逆变器的单相脉宽调制控制量pwma、pwmb、pwmc，并将所述单相脉宽调制控制量发送至逆变器三相不平衡出力控制模块；逆变器三相不平衡出力控制模块，所述逆变器三相不平衡出力控制模块将所述单相脉宽调制控制量pwma、pwmb、pwmc转换为三相逆变器的实际控制脉冲电信号，并调整分布式电源或储能电站逆变器的三相不平衡出力。2.根据权利要求1所述分布式电源和储能电站参与的电网三相平衡自动调节系统，其特征在于，所述电网三相不平衡感知模块、三相不平衡电网分区模块、区域电网三相功率平衡计算与控制模块设置在调度主站自动化系统中；所述通信接口及数字滤波模块、逆变器三相不平衡出力控制模块布置在分布式电源和储能电站的控制系统中。3.根据权利要求1所述分布式电源和储能电站参与的电网三相平衡自动调节系统，其特征在于，划分所述三相不平衡计算与控制的关联区域时，所述关联区域内分布式电源和储能电站的三相不平衡出力裕度大于关联区域内负荷的三相不平衡量。4.根据权利要求1所述分布式电源和储能电站参与的电网三相平衡自动调节系统，其特征在于，所述电网三相平衡自动调节系统为动态线性控制系统，所述供电线路或变压器的三相不平衡功率δa、δb、δc作为系统的控制量u(t)，所述供电线路或变压器的三相功率pa、pb、pc作为状态变量x(t)，所述分布式电源或储能电站逆变器的三相不平衡出力控制变量pwma、pwmb、pwmc作为状态转移矩阵φ(t+1；t)，在理想情况即无干扰无噪声的情况下，控制逻辑为：
pa(t+1)＝δa(t)+pwma(t)*pa(t)pb(t+1)＝δb(t)+pwmb(t)*pb(t)pc(t+1)＝δc(t)+pwmc(t)*pc(t)5.根据权利要求1、4所述布式电源和储能电站参与的电网三相平衡自动调节系统，其特征在于，实际控制系统中的干扰和噪声在卡尔曼滤波计算中通过协方差矩阵引入。

技术总结
本发明公开了一种分布式电源和储能电站参与的电网三相平衡自动调节系统，包括设置于调度主站自动化系统中电网三相不平衡感知模块、三相不平衡电网分区模块、区域电网三相功率平衡计算与控制模块，和布置在分布式电源和储能电站的控制系统中的通信接口及数字滤波模块、逆变器三相不平衡出力控制模块；电网三相不平衡感知模块连接于三相不平衡电网分区模块，三相不平衡电网分区模块连接于区域电网三相功率平衡计算与控制模块；区域电网三相功率平衡计算远程通信于控制模块与通信接口及数字滤波模块，通信接口及数字滤波模块连接于逆变器三相不平衡出力控制模块。本发明能够提升电网的经济运行水平及安全稳定裕度。升电网的经济运行水平及安全稳定裕度。


技术研发人员：石文江 商懿 阴晓光 苑杉 冯帆 吴玉琼 贾磊 李涵 盖俏宇 秦珺晗
受保护的技术使用者：国家电网有限公司
技术研发日：2023.07.18
技术公布日：2023/10/11