配电台区智能（高级）终端高级应用系统前期设计技术的讨论

配电台区智能（高级）终端高级应用系统前期设计技术的讨论

中国现代电网量测技术平台
张春晖

2017年3月18日

2017年3月4日，本文作者发表的«顺应智能配电网建设高端技术的需求，推进配电台区智能（高级）终端系列产品开发应用的产业化探索»指出:为拓展配电台区智能（高级）终端的应用领域，其高级应用功能设计有4项:

•提高配电台区低压电网多指标，自趋优运营能力

•在现场自主进行紧急事件处理

•多路径优化搜索

•实现配电网与用户互动，即具有多通信方式网关功能。

作为技术创新产品的前期设计，本文汇集智能化相关资料并经提炼后，将重点叙述运用配电台区智能（高级）终端，构建配电台区低压电网多输入多输出（mimo）在线监测，控制，补偿闭环优化系统的框架设计与参考技术，供配电台区智能（高级）终端高级应用系统方案设计的参考。

1）优化控制理论:"电力混成控制论"

鉴于由清华大学学者提出的"电力混成控制论"构建的先进能量管理系统，已经在上海电网应用解决大电网的多重目标趋优控制问题，体现了技术创新的思路 。本文将"电力混成控制论"作为智能（高级）终端高级应用功能的设计技术基础。

下面的内容摘录于清华大学学者:«智能电网基础»。

一是，"电力混成控制论主导思想:将一切不满足要求和不满足状态都分类定义为事件，通过控制使得系统回归至无事件运行状态，则系统的各项指标（稳定性，电能质量和经济性）一定是足够满意的"。

二是，"电力混成控制论"的运行架构:由最高决策指挥层，中间处理与操作层，底层（混成控制指令接收和执行装置）组成。

三是，本文参照"电力混成控制论"的集合论语言，描述配变台区低压电网运营达到多指标，自趋优的智能控制过程:

•式（1）: e=e^d
式中，由低压电网实测到的运营指标数据d，经逻辑判断（逻辑函数）e^,确定是否形成指标异常事件e。

•式（2）:c=f(e)
式中，由指标异常事件e，运用逻辑函数f，判断事件类型并将其转化为控制命令c。

•式（3）:o=f^(c)
式中，一个由控制命令集c，运用逻辑函数f^,由命令转化为操作指令集o。

•式（4）:o=f^[f(e)]
式中，操作指令集o是指标异常事件集合e的一个复合逻辑函数。

•式（5）:x*=y(x o_)
式中，整个低压电网运营状态x受控，可以通过时间离散的操作指令o_ ,加以改变为x*。

•式（6）:a(o)---->e€0
式中，操作指令作用的结果a 是使指标异常事件集合e成为空集。

式（6），意味着配电台区低压电网实现了多指标 ，自趋优运营的高端目标。

由上可见，配电台区低压电网始终处于指标异常事件发现，处理和消除的过程。
2）配电台区低压电网运营有哪些考核电能质量，经济性的指标及其调控措施？

一是，多指标,主要有:

•电压及电压合格率

•电流及有功功率限额

•无功功率及功率因数限值

•三相负荷不平衡度

•电压/电流谐波含有率

•线损率等

二是，低压电网多指标的调控手段，主要有:

•有载调压配变，用以调节电压

•电容器补偿/动态无功补偿 ，用于调节基波无功功率及功率因数/电压/线损

•有载换相负荷开关 ，用于调节三相负荷不平衡/线损

•有载调容配变，用于调节线损

•有源滤波器 ，固定谐波次数的滤波器，用于调节谐波含有率，由畸变功率引起的低功率因数，线损

•高压断路器及电力负荷管理终端，用于配电变压器过负荷时，进行报警，跳闸。

由此可见，低压电网运营的电能质量，经济性各指标及其调节手段之间，有内在联系，相互影响。多指标因超限运用综合调控时，需要引入各指标加权的方法来处理。

«智能电网基础»指出:

"自趋优是指电网在运营过程中，具有使状态自动保持在多指标趋优状态集合内的能力。使电网运营状态点使得各类指标达到一定的标准 ，即趋近最优状态是合理的而且是可能的。
多指标趋优而不是多指标最优，是因为计算速度 ，求解难度等原因"。
3）配电台区多指标运营优化模型

参照湖南大学学者:«具有谐波抑制功能的综合电能质量控制系统设计»提出的"多目标电压无功谐波优化算法",结合配电台区多指标运营情况 ，本文下面将叙述配电台区配电台区多指标运营优化模型设计概要。

•该优化系统设计，一方面，以配电台区运营可靠性为基础，将电压及电压合格率达标，电流及有功功率不超限，无功功率及功率因数不超限，三相负荷不平衡度不超标 ，谐波含有率达标，线损不超限作为目标要求，运用优化方法，得出其控制参数的最优解。另一方面，以有载调压配变分接头调节量，电容无功补偿器/动态无功补偿器的补偿量，有载换相负荷开关切换能力，有源滤波技术补偿量，有载调容配变功率调节量为控制变量，建立配电台区多指标运营优化模型。

•配电台区多指标运营优化模型主要包括下列内容:

该优化系统可靠度计算方法

联合概率密度函数计算，并取最小值。该函数等于各目标指标与其加权因子的乘积之和。其中，加权因子的数值，取决于各目标指标的数量级及重要程度。

有载调压配变分接头的电压百分率调节范围

电容器无功补偿/动态无功补偿调节范围

有载调容配变的调容范围

有源滤波技术的谐波补偿范围

有载换相负荷开关的电流切换 限值。
4）从不同类型案例中汇集提炼出bp神经网络设计参考技术

本部分内容摘要于重庆大学，重庆市电科院:«基于前馈神经网络的电网高精度检测»，海河大学:«基于信息融合的光伏并网逆变器故障诊断»，中国电科院:«一种多维影响下运行电能表计量性能评估方法»，北京邮电大学:«智能信息技术»，并按需要进行编排。

bp前馈神经网络工作过程

这里，三个参考案例的bp前馈神经网络，都采用输入层，隐含层，输出层3层拓扑结构，各层节点之间按一定规则互联成网。

"（bp）前馈神经网络使用梯度下降法，有2部分组成:信息正向传播和误差逆向传播。信息正向传播过程中，输入信号从输入层经隐层单元逐层传播，最后传向输出层，每一层神经元状态只影响下一层神经元状态。如果在输出层不能得到期望的输出，则转向误差逆向传播，将输出信号的误差沿原来的连接通路返回。用迭代运算求解权值，通过修改各层神经元的权值，使得误差信号减小，直至达到期望目标。只有1个隐含层的3层神经网络，只要隐节点足够多，就可以以任意精度逼近一个非线性函数"。

bp前馈神经网络设计概要:

一是 ，网络输入量进行归一化处理

输入层各神经元（节点）为一维输入，多维输出结构。输入量是低压电网运营的电压，电流，功率等数据。对每个输入量进行归一化处理（计算公式:略），即可得到输入层各元素之间的函数关系，即各输入层神经元（节点）实测到的输入值与各输入层神经元（节点）经归一化后的输出值之间的函数关系。

二是，bp前馈神经网络参数选取

"在进行bp前馈神经网络设计时，一般从网络的层数，各层神经元（节点）的个数以及训练函数三个方面来考虑"。

•隐含层节点数的确定

"隐含层节点数直接影响网络的容量，泛化能力，学习速度和输出特性。从网络容量和函数逼近的通用性考虑，隐含单元数越多越好。从网络的泛化能力来考虑 ，每增加一层，计算容量将呈指数倍增加，从而训练时间变长，还容易陷入局部极小量，而得不到最优"。

"由最小二乘法对隐含层进行拟合，得到隐含层节点数的计算式":

隐含层节点数=[0.43mn+（0.12•n平方）+2.54m+0.77n+0.35+0.51]的开方

隐含层节点数还可由经验公式计算选定 :

隐含层接点数=[（m+n）的开方+a]，式中，1pi控制器 单元（并输出调整命令）---->触发器单元---->被控制对象---->被测电流（并反馈至模糊pi控制器输入端）。

"实现模糊调整可以选取以下规则":

"如果稳态偏差大，那么就增加比例系数"

"如果响应震荡，那么就增加微分系数"

"如果响应迟缓，那么就增加比例系数"

"如果稳态偏差太大，那么就调整积分系数"

"如果超调量太大，那么就减少比例系数"。

模糊pi控制器的优点:"当被控制对象参数或运行条件改变时，就能自动在线调整pi的参数，达到智能控制的作用"。

•综合电能质量控制系统

湖南大学学者:«具有谐波抑制功能的综合电能质量控制系统设计»

该综合电能质量控制（调节）装置由有载调压变压器，并联补偿电容器组和注入式并联有源电力滤波器（hapf）组成。

该系统采用多目标电压，无功，线损，谐波函数及其加权因子的优化算法，从全局进行系统优化。

有源部分只承受很小的谐波电压，有效降低有源部分的容量。

注入式并联有源电力滤波器的复合控制部分，采用复合电流的模糊pi控制技术。

•抑制不对称负荷动态无功补偿时向电网注入的谐波含量

南京理工大学:«计及谐波抑制的不对称负荷动态无功补偿方法»

"晶闸管相控电抗器（tcr）配合电力电容器，可以校正功率因数，稳定系统电压，还可以补偿三相负荷的不平衡"。

"在不对称程度较为严重的场合，对tcr的分相控制会使tcr向电网注入包括3次谐波在内的高次谐波"。

基波电压与高次谐波电流均产生无功功率。根据功率平衡理论，无功补偿的目标使无功矩阵中各项元素为0。在实际控制应用中，采用（可调）加权对角阵进行计算。

"采用改进的无功补偿策略，能有效降低在负荷严重不对称情况下tcr向电网注入的谐波成分 。在电网中谐波成分较大时 ，还能综合考虑谐波因素和无功补偿的性能指标，给出较为合理的触发角控制tcr，明显减少母线上含有的电流谐波成分。从理论上可以考虑任意次谐波成分"。

•超级智能开关（南京捷泰电力设备公司）

该新产品"集测量，保护，控制，故障录波，电能质量监测，配变监测 ，负荷管理和通信功能于一体。产品功能国际领先，国内外无同类产品"。

该新产品"采用插拔式结构，"三段式保护功能"，"测量与保护一体化电流互感器"，"通过校验台进行计量校验的断路器"。

该新产品主要技术指标:

额定电压:ac,400v

额定电流:250a
,400a,630a

额定运行短路分断能力:42.5ka。

说明:本文以上叙述配电台区智能（高级）终端第1 项高级应用功能的前期设计技术，还有3项高级应用功能:"在现场自主进行紧急事件处理","多路径优化搜索" ,"实现配电网与用户互动，即具有多通信方式网关功能"的前期设计技术,将由本文作者另撰写专题文章发布。

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