一种动态调压调容的数字化柔性变压器

技术领域

本发明属于输配电变压器技术领域，具体是涉及一种动态调压调容的数字化柔性变压器。

背景技术

建设新型电力系统核心是提升电网新能源消纳能力，逐步提高新能源占比。分布式光伏已经成为光伏发展的主要形式，2022年，国内新增光伏装机87.41GW，分布式光伏再次超过地面集中式电站，占比达到58％。但是分布式光伏爆发增长会对配电网安全稳定运行带来新的挑战。在高渗透率配电网中，这种挑战主要是电压越限(过电压和低电压)、电压波动、三相不平衡、谐波等电能质量问题。其中，过电压直接影响用户安全用电，所以是最严重的技术风险，也是影响分布式光伏消纳，影响配电网承载能力最主要的原因，如图1所示。

为了提高配电网对分布式电源及新型负荷的承载能力，主要是更换变压器扩容和使用调压变压器两种模式。综合考虑投资以及分布式光伏带来的电压波动问题。使用调压变压器是一种经济有效的方法。

调压变压器分为有载调压与无载调压，有载调压是带电(带负载)进行调压操作，无载调压就是停电进行调压操作。在配电网运行中，停电操作将影响到供电可靠性指标，所以尽量避免。因此，配电网有载调压是主要方向。随着分布式光伏和分散式风机等的发展，由于其随机性、波动性和间歇性带了电网电压波动和越限问题，电网越来越需要灵活的电压调节能力，适应新能源的发展。因此，本发明提出一种基于人工智能的动态调压调容的数字化柔性变压器。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提供一种动态调压调容的数字化柔性变压器，实现更宽的电压调节范围，而且还能实现变压器的带载调容。

为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案如下：一种动态调压调容的数字化柔性变压器，包括A、B、C三相高低压侧绕组、铁芯以及变压器控制终端，每一相所述A、B、C三相高低压侧绕组由一个固定的高压主绕组和N个分段的高压调压绕组通过高压分接头开关模块链接构成，而且1+N个高压绕组共磁芯；每一相所述A、B、C三相高低压侧绕组的低压侧绕组由一个固定的低压主绕组和M个分段的低压调压绕组通过低压分接头开关模块链接构成，而且1+M个低压绕组共磁芯，高低压侧调节绕组还分别并联有旁路断路器CB1和CB2。

进一步地，所述分接头开关模块内部电路主要由磁保持继电器K、常规继电器J、电阻R和模块控制单元组成，所述磁保持继电器K为集成控制互锁联动的两个开关。

进一步地，所述常规继电器J和所述电阻R串联，所述电阻R两端分别与继电器K的常闭触点两端电相连，出外接端口①和③，端口①外接调压线圈的一端，所述继电器K的常开触点的静触头端出端口②，外接调压线圈的另一端。

进一步地，所述分接头开关模块还包括模块控制单元，所述模块控制单元为继电器的控制线圈及控制电路供电，接收所述变压器控制终端下发的控制信号，并控制所述继电器J和K的闭合或断开。

进一步地，所述分接头开关模块电路结构也可以采用磁保持继电器与全控器件(Mosfet或IGBT)的组合，主要由磁保持继电器K、两个Mosfet器件(G1和G2)、两个反并联的二极管(D1和D2)以及模块控制单元(MCU)组成。

进一步地，所述变压器控制终端的控制过程分为以下几个步骤：

(1)根据配电网上级调度系统给定的目标电压值与实际电网电压值计算得到电压偏差；

(2)根据电压偏差计算所述A、B、C三相高低压侧绕组每相高低压侧应投入或退出的调压模块及绕组数量；

(3)根据优化算法选择投入或退出的调压模块及绕组，依次投入或退出历史上动作次数最少的调压模块。

进一步地，在步骤(1)中，采集实际电网数据，并进行预处理，进行降噪和修复处理，采用线性插值法修复时间间隔较小的缺失数据以及采用均值平滑法处理失真数据，以获取电压、电流、负荷信息，电流I、电压U、负荷P之间的关系为：P＝UI。

进一步地，在步骤(3)中，具体计算步骤如下：

1).确定调压变压器的额定容量S_r和额定电压比V_r。(其中高压侧电压为V_h，低压侧电压为V_l，V_r＝V_h/V_l)；

2).根据电压偏差的大小ΔU，确定调压变压器的调压范围δ；

3).确定每个调压模块的调压能力η；

4).计算每相高低压侧应投入或退出的调压模块数量M，根据电压偏差的大小ΔU和调压模块的调压能力η，使用改进遗传算法确定需要投入或退出的调压模块数量，以实现电压调节和系统稳定的最优化；

5).根据调压变压器的额定容量和额定电压比S_r/V_r，计算出每相高低压侧的绕组数量。

进一步地，所述遗传算法的具体过程：对初始样本N进行编码，然后确定电压偏差的大小ΔU及每个调压模块的调压能力η，计算个体适应度fitness，执行变异交叉操作、小生境计算以及梯度计算，判断是否满足条件，若满足条件(是)，得出最优结果，若不满足条件(否)返回重新确定电压偏差的大小ΔU及每个调压模块的调压能力η。

进一步地，适应度计算公式如下：确定最小电压偏差ΔU

其中

(1)本发明在10kV下每级调压250V，继电器J和K容易选择；调节速度快，接入或退出过程均可在1～2个周波内完成；直接从调压线圈取能，简单方便；每级分接头开关模块结构相同，可标准化，适合批量生产。

(2)本发明利用优化算法，能够使得以调压绕组的历史累计投入次数，保证每个绕组平均承担投入或退出的操作次数，这样提高了绕组开关的寿命。

附图说明

图1为配电网接入点电压示意图；

图2为本发明动态调压调容数字化柔性变压器结构图；

图3为本发明A相绕组对比结构图；

图4为本发明磁保持继电器式分接头开关模块电路图；

图5为本发明单个分段调压线圈接入或退出的工作过程流程图；

图6为本发明复合式分接头开关模块电路图；

图7为本发明复合式辅助电路的原理图；

图8为本发明有载调压变压器分接头控制系统流程图；

图9为本发明遗传算法步骤图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图2所示，一种动态调压调容的数字化柔性变压器，包括A、B、C三相高低压侧绕组、铁芯以及变压器控制终端，每一相所述A、B、C三相高低压侧绕组由一个固定的高压主绕组和N个分段的高压调压绕组通过高压分接头开关模块链接构成，而且1+N个高压绕组共磁芯；每一相所述A、B、C三相高低压侧绕组的低压侧绕组由一个固定的低压主绕组和M个分段的低压调压绕组通过低压分接头开关模块链接构成，而且1+M个低压绕组共磁芯，高低压侧调节绕组还分别并联有旁路断路器CB1和CB2。

旁路断路器CB1和CB2的作用是：当调压绕组或机构出现故障时，保护控制断路器CB1或CB2合闸，保证变压器不会因为故障而停电，仍能继续运行。

本发明有载调压调容柔性变压器高压侧绕组由一个固定的高压主绕组和N个分段的高压调压绕组通过高压分接头开关模块链接构成，而且1+N个高压绕组共磁芯；低压侧绕组由一个固定的低压主绕组和M个分段的低压调压绕组通过低压分接头开关模块链接构成，而且1+M个低压绕组共磁芯，如图3所示(变压器为三相对称结构，本图仅以A相为例)。

如图4所示，调压用分接头开关模块内部电路结构主要由磁保持继电器K(集成控制互锁联动的两个开关)、常规继电器J、电阻R和模块控制单元组成。常规继电器J和电阻R串联，两端分别与继电器K的常闭触点两端电相连，出外接端口①和③，端口①外接调压线圈的一端，继电器K的常开触点的静触头端出端口②，外接调压线圈的另一端。

分接头开关模块还包括模块控制单元，其功能：1、从调压绕组线圈取能，变换成控制单元的直流电源，为继电器的控制线圈及控制电路供电；2、接收上级控制系统下发的控制信号，也采集并反馈各继电器的触点位置状态信号；3、控制继电器J和K的闭合或断开。

单个分段调压线圈接入或退出的工作过程如图5所示，无论调压线圈接入还是退出，总是先连通继电器J与电阻R的串联电路，继电器J闭合，然后变换继电器K的常闭(常开)触点为常开(常闭)状态，变换完成后继电器J断开。

分接头开关模块电路结构也可以采用磁保持继电器与全控器件(Mosfet或IGBT)的组合，如图6所示，电路主要由磁保持继电器K(集成控制互锁联动的两个开关)、两个Mosfet器件(G1和G2)、两个反并联的二极管(D1和D2)以及模块控制单元(MCU)组成。

无论调压线圈接入还是退出，总是先触发辅助电路(Mosfet或I GBT、与二极管的通路)导通，然后控制磁保持继电器K的常闭(常开)触点为常开(常闭)状态，变换完成后辅助电路断开。如图7的复合式辅助电路的原理与图4的磁保持继电器式分接头开关模块电路相比，因为采用电力电子全控器件，所以复合式分接头开关模块电路能够真正实现无弧操作。

变压器控制终端的控制过程分为以下几个步骤：

(1)根据配电网上级调度系统给定的目标电压值与实际电网电压值计算得到电压偏差；

(2)根据电压偏差计算A、B、C三相高低压侧绕组每相高低压侧应投入或退出的调压模块及绕组数量；

(3)根据优化算法选择投入或退出的调压模块及绕组，依次投入或退出历史上动作次数最少的调压模块。

具体算法过程：

数据采集：采集电网数据，并进行预处理，以获取电压、电流、负荷等信息。电流I、电压U、负荷P之间的关系为：P＝UI。

数据预处理：如果将数据直接用变压器分接头控制，将严重影响实际控制的可靠性、有效性。因而在采样数据初始化过程中，对数据进行降噪和修复处理，消除干扰数据是非常重要的。对于缺失数据，采用线性插值法修复时间间隔较小的缺失数据：

式中：x

对于失真数据，由于电压、电流、负荷等数据参数是连续采样且顺序传回的，因此相邻时段采样的数据不会发生急剧突变；如果某一时刻采样数据变化范围大于或小于其前后监测值的10％，则认为该采样数据失真；采用均值平滑法处理：

式子中，

通过对以上参数采集及预处理，为后续相关参数计算及控制策略顺利进行提供可靠保障。

目标电压计算和电压偏差：根据配电网上级调度系统给定的目标电压值U

调压模块及绕组数量计算：根据电压偏差的大小，结合调压变压器的特性和设计参数，计算每相高低压侧应投入或退出的调压模块及绕组数量。

1.确定调压变压器的额定容量S_r和额定电压比V_r；(其中高压侧电压为V_h，低压侧电压为V_l，V_r＝V_h/V_l)；

2.根据电压偏差的大小ΔU，确定调压变压器的调压范围δ；

3.确定每个调压模块的调压能力η；

4.计算每相高低压侧应投入或退出的调压模块数量M。根据电压偏差的大小ΔU和调压模块的调压能力η，可以确定需要投入或退出的调压模块数量；

5.计算每相高低压侧的绕组数量。根据调压变压器的额定容量和额定电压比S_r/V_r，计算出每相高低压侧的绕组数量。具体计算方法根据变压器的设计参数和绕组连接方式而定。

利用优化算法遗传算法，根据电压偏差的大小ΔU、及每个调压模块的调压能力η，寻找最佳的分接头选择方案，以实现电压调节和系统稳定的最优化。

如图9所示，遗传算法的具体过程：对初始样本N进行编码，然后确定电压偏差的大小ΔU及每个调压模块的调压能力η，计算个体适应度fitness，执行变异交叉操作、小生境计算以及梯度计算，判断是否满足条件，若满足条件(是)，得出最优结果，若不满足条件(否)返回重新确定电压偏差的大小ΔU及每个调压模块的调压能力η。

1.编码与初始群体生成：使用基于排挤的小生境算法，依据个体之间的相似性将种群分为若干个小生境，并排挤掉同一小生境中的较差个体，这样各小生境中的最优个体便认为是局部最优解邻域内的一点，个体之间的相似性用编码串之间的海明距离来度量，y

显然d

2.交叉算子和变异算子计算：对于交叉概率(P

式子中：

3.适应度计算：

以个体适应度的大小来评定个体的优胜劣汰，从而决定其遗传机会的大小；确定最小电压偏差ΔU

其中

4.梯度计算：

在种群中选择一个个体x,维数为m,设目标函数为f(x)。在一般的基于微分寻优的方法中通过按梯度向量所指的方向寻找最优解，目标函数f(x)的m维梯度向量为

本发明主要计算电压偏差ΔU及每个调压模块的最大调压能力η对变压器分接头的灵敏度

由于梯度向量是指向目标函数值增大的方向，表明进行梯度运算后的目标函数值比原来的目标函数值大。因此，朝着梯度方向就能得到函数f(x)的极大值,即x

为此，本发明提出改进的梯度算法：对种群中的每个个体施加梯度算子运算，运算后的个体适应度值小于原来的适应度值，则说明梯度运算的移动向量过大，就先将此个体沿着负梯度方向移动一个单位，并使步长减小，以此提高计算的精度；而当进行梯度运算后的个体的适应度值大于或者等于原来的个体适应度值时，则说明此个体已经进行了梯度的优化计算。总之，使施加梯度算子后的个体能够向极大值方向推进。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。