一种台区电能自适应调控的方法及装置

技术领域

本发明涉及电能调控技术领域，尤其涉及一种台区电能自适应调控的方法及装置。

背景技术

配电台区是电力系统的重要组成部分之一，其直接影响到台区地方经济发展以及台区用户的日常生活质量。当台区功率出现不平衡扰动，并导致一系列不正常现象，如谐波电流超过允许值、频率波动过大、恢复较慢，电压骤降、骤升、时高时低等现象，这必然会对与其连接的配电网造成不利影响。同时，目前由于大量的屋顶分布式光伏用户的接入，配电网出现逆向过电压、重过载的问题日益突出。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种台区电能自适应调控的方法及装置，通过建立台区三相功率平衡运行模型，并进行自适应调控，有效提高台区电能质量，提高电力资源利用率，实现台区源网荷储高效灵活协同和高质量发展。

本发明提供了一种台区电能自适应调控的方法，所述方法包括：

基于预设区域所设置的若干个数据采集单元采集预设区域中配电台区的实时电能数据；

将采集到的实时电能数据输入到台区三相功率平衡运行模型中，判断是否存在三相功率不平衡现象；

在判断存在三相功率不平衡现象时，基于台区电能自适应调控设备对存在的三相功率不平衡现象进行自适应调控；

在自适应调控完成后，对自适应调控结果进行精度评估。

进一步的，所述基于预设区域所设置的若干个数据采集单元采集预设区域中配电台区的实时电能数据包括：

基于预设区域所设置的若干个数据采集单元采集预设区域中配电台区电网线路上的电压数据和电流数据、负荷线路上的电压数据和电流数据、光伏线路上的电压数据和电流数据、以及储能装置线路上的电压数据和电流数据。

进一步的，所述将采集到的实时电能数据输入到台区三相功率平衡运行模型中，判断是否存在三相功率不平衡现象包括：

基于均值聚类算法提取采集到的实时电能数据的电能典型负荷曲线；

基于所述电能典型负荷曲线计算采集到的实时电能数据的三相功率不平衡度；

基于所述三相功率不平衡度判断是否存在三相功率不平衡现象。

进一步的，所述基于均值聚类算法提取采集到的实时电能数据的电能典型负荷曲线包括：

提取所述实时电能数据的若干个特征数据向量，并构建特征数据向量数据集矩阵；

构建均值聚类算法的目标函数，将所述特征数据向量数据集矩阵代入所述目标函数中，得到隶属度矩阵和聚类中心矩阵；

计算所述隶属度矩阵和所述聚类中心矩阵的迭代公式，并基于所述迭代公式计算得到所述实时电能数据的电能典型负荷曲线。

进一步的，所述基于所述电能典型负荷曲线计算采集到的实时电能数据的三相功率不平衡度包括：

随机提取所述电能典型负荷曲线上的若干个用电节点；

分别计算所述若干个用电节点三相的平均电能负荷功率向量；

基于所述若干个用电节点三相的平均电能负荷功率向量计算所述实时电能数据的三相功率不平衡度。

进一步的，所述基于台区电能自适应调控设备对存在的三相功率不平衡现象进行自适应调控包括：

基于四象限功率变换单元对存在三相功率不平衡现象的配电台区中的线路进行四象限功率调节。

进一步的，所述基于四象限功率变换单元对存在三相功率不平衡现象的配电台区中的线路进行四象限功率调节包括：

基于状态空间法搭建所述存在三相功率不平衡现象的配电台区的四象限功率调节动态模型；

基于所述四象限功率调节动态模型计算所述存在三相功率不平衡现象的配电台区的四象限运行动态特性；

提取所述四象限运行动态特性中的电压矢量，列出其在电压矢量作用下的相电流纹波变化率；

基于所述相电流纹波变化率对所述存在三相功率不平衡现象的配电台区中的直流母线电压进行调节。

进一步的，所述基于所述相电流纹波变化率对所述存在三相功率不平衡现象的配电台区中的直流母线电压进行调节包括：

基于若干组双向DC-DC变换器对所述存在三相功率不平衡现象的配电台区中的直流母线电压进行升压或降压操作。

进一步的，所述对自适应调控结果进行精度评估包括：

计算自适应调控后的经济效益，并与历史调控数据进行对比，制定对应配电台区的用电策略。

本发明还提供了一种台区电能自适应调控的装置，所述装置包括：

实时电能数据采集模块，用于基于预设区域所设置的若干个数据采集单元采集预设区域中配电台区的实时电能数据；

三相功率平衡运行模块，用于将采集到的实时电能数据输入到台区三相功率平衡运行模型中，判断是否存在三相功率不平衡现象；

自适应调控模块，用于在判断存在三相功率不平衡现象时，基于台区电能自适应调控设备对存在的三相功率不平衡现象进行自适应调控；

精度评估模块，用于在自适应调控完成后，对自适应调控结果进行精度评估。

本发明通过采集配电台区的实时电能数据，并建立台区三相功率平衡运行模型，通过均值聚类算法提取实时电能数据的电能典型负荷曲线，根据对配电台区中不同用电节点对应的用电设备的用电特征的提取和分类，进而计算台区实时电能数据的三相功率不平衡度，可快速、准确地分析并定位配电台区存在的三相功率不平衡现象，降低三相负荷不平衡度；通过四象限功率变换单元，结合空间矢量调制策略，实现潮流的四象限瞬时灵活控制，解决交流配电网系统增容受限的问题；通过多组双向DC-DC变换器对存在三相功率不平衡现象的配电台区中的直流母线电压进行调节，可进行双象限双向运行，器件数目少、体积重量小、效率高，可实现持续稳定供电，实现配电台区电网的自适应调控；进行精度评估，计算分析经济效益，制定合理的用电策略，可有效减小网损，提高电能的使用效率；总体可提升电压合格率，提高台区电能质量，满足智能台区需求侧动态响应管理模型，提高电力资源利用率，改善台区电能质量、增强配电网安全，提高用户满意度，实现台区源网荷储高效灵活协同和高质量发展。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明实施例中的台区电能自适应调控的方法流程图；

图2是本发明实施例中的建立台区三相功率平衡运行模型的流程图；

图3是本发明实施例中的提取实时电能数据的电能典型负荷曲线流程图；

图4是本发明实施例中的计算三相功率不平衡度的流程图；

图5是本发明实施例中的共发射极的绝缘栅双极晶体管式的电路拓扑结构图；

图6是本发明实施例中的共集电极的绝缘栅双极晶体管式的电路拓扑结构图；

图7是本发明实施例中的自适应调控的流程图；

图8是本发明实施例中采用的双向DC-DC变换器的电路结构示意图；

图9是本发明实施例中的台区电能自适应调控的装置架构图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。

另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本发明实施例一所涉及的一种台区电能自适应调控的方法，所述方法包括：基于预设区域所设置的若干个数据采集单元采集预设区域中配电台区的实时电能数据；将采集到的实时电能数据输入到台区三相功率平衡运行模型中，判断是否存在三相功率不平衡现象；在判断存在三相功率不平衡现象时，基于台区电能自适应调控设备对存在的三相功率不平衡现象进行自适应调控；在自适应调控完成后，对自适应调控结果进行精度评估。

在本实施例的一个可选实现方式中，如图1所示，图1示出了本发明实施例中的台区电能自适应调控的方法流程图，包括以下步骤：

S101、基于预设区域所设置的若干个数据采集单元采集预设区域中配电台区的实时电能数据；

在本实施例的一个可选实现方式中，基于若干个数据采集单元采集预设区域中配电台区电网线路上的电压数据和电流数据、负荷线路上的电压数据和电流数据、光伏线路上的电压数据和电流数据、以及储能装置线路上的电压数据和电流数据。

需要说明的是，所述电网线路、负荷线路、光伏线路以及储能装置线路上的电压数据和电流数据均包括谐波数据。

具体的，根据目前台区用电情况的发展，其包含的设备包括多种设备，不仅包括常规的用电设备以及用户，还包括部分采用新能源的用电设备，如电动汽车交流充电桩、电动汽车直流充电桩、分布式新能源设备(光伏)、储能装置，如此多的用电设备会导致复杂柔性负荷现象，包括因经济结构不同，出现的季节性负荷波动、部分工业设备由“煤转电”，出现的各种负荷转换问题。因此，对于实时电能数据的采集，需综合考虑以上情况，采集配电台区中对应线路上的电压数据和电流数据。

S102、将采集到的实时电能数据输入到台区三相功率平衡运行模型中，判断是否存在三相功率不平衡现象；；

在本实施例的一个可选实现方式中，如图2所示，图2示出了本发明实施例中的建立台区三相功率平衡运行模型的流程图，包括以下步骤：

S201、基于均值聚类算法提取采集到的实时电能数据的电能典型负荷曲线；

在本实施例的一个可选实现方式中，基于模糊C均值聚类算法提取采集到的实时电能数据的电能典型负荷曲线。

具体的，所述模糊C均值聚类算法(Fuzzy C-means)简称FCM算法，这是一种软聚类算法，相较于硬聚类算法在分类时有一个硬性标准，根据该硬性标准进行划分，分类结果非此即彼而言，软聚类算法引进了一个概念-隶属度，来表示每个对象之间的关系。隶属度在[0,1]之间，对于每个对象而言都有多个不同对应类的隶属度，且同一个对象的所有隶属度之和为1，该对象更接近于哪一方，隶属度就越高，相似度也越高。

这里针对采集到的实时电能数据而言，由于考虑到不同用电设备及用户的用电习惯不同，用电行为具有不确定性，体现为电能典型负荷曲线的不规律性，因此此处考虑采用以模糊C均值聚类算法为例的软聚类算法，使得得到的电能典型负荷曲线更为接近现实情况，更具备可信度。

在本实施例的一个可选实现方式中，如图3所示，图3示出了本发明实施例中的提取实时电能数据的电能典型负荷曲线流程图，包括以下步骤：

S301、提取所述实时电能数据的若干个特征数据向量，并构建特征数据向量数据集矩阵；

在本实施例的一个可选实现方式中，提取所述实时电能数据中每个电能数据的特征数据向量，根据所述每个电能数据的特征数据向量构建特征数据向量数据集矩阵。

具体的，构建特征数据向量数据集矩阵为X，X＝{x

S302、构建均值聚类算法的目标函数，将所述特征数据向量数据集矩阵代入所述目标函数中，得到隶属度矩阵和聚类中心矩阵；

在本实施例的一个可选实现方式中，构建模糊C均值聚类算法的目标函数。

具体的，所述构建模糊C均值聚类算法的目标函数的计算公式为：

约束条件为

上式中，A(M,N)为目标函数，M为隶属度矩阵，N为聚类中心矩阵，b为该特征数据向量数据集矩阵中包含的特征数据向量的数量，c为划分类的数量，g为模糊指数，且g＞1，

需要说明的是，聚类即为求上述目标函数在约束条件的最小值。

S303、计算所述隶属度矩阵和所述聚类中心矩阵的迭代公式，并基于所述迭代公式计算得到所述实时电能数据的电能典型负荷曲线。

在本实施例的一个可选实现方式中，对上述目标函数采用拉格朗日乘数法，计算得到所述隶属度矩阵和所述聚类中心矩阵的迭代公式。

具体的，计算公式包括：

上式中，v

在本实施例的一个可选实现方式中，基于上述迭代公式计算得到所述实时电能数据的电能典型负荷曲线的每个数据点，进而绘制电能典型负荷曲线。

这里采用模糊C均值聚类算法，可使采集到的实时电能数据的电能典型负荷曲线更为接近现实，更具备可信度。

S202、基于所述电能典型负荷曲线计算采集到的实时电能数据的三相功率不平衡度；

在本实施例的一个可选实现方式中，如图4所示，图4示出了本发明实施例中的计算三相功率不平衡度的流程图，包括以下步骤：

S401、随机提取所述电能典型负荷曲线上的若干个用电节点；

在本实施例的一个可选实现方式中，在步骤S303中得到的电能典型负荷曲线上随机提取若干个用电节点，包括不同类特征数据向量对应的用电节点。

S402、分别计算所述若干个用电节点三相的平均电能负荷功率向量；

在本实施例的一个可选实现方式中，分别计算所述若干个用电节点α相、β相、γ相的电力负荷功率向量，并将其平均计算，得到对应用电节点三相的平均电能负荷功率向量。

具体的，计算公式包括：

式中，P

S403、基于所述若干个用电节点三相的平均电能负荷功率向量计算所述实时电能数据的三相功率不平衡度。

在本实施例的一个可选实现方式中，计算公式包括：

式中，h为三相功率不平衡度，T为该用电节点电能负荷特征数据向量采样个数，P

S203、基于所述三相功率不平衡度判断是否存在三相功率不平衡现象。

在本实施例的一个可选实现方式中，预设三相功率不平衡阈值，判断步骤S403中得到的三相功率不平衡度是否大于阈值，若大于阈值，则判断存在三相功率不平衡现象，若小于或等于阈值，则判断不存在三相功率不平衡现象。

S103、基于台区电能自适应调控设备对存在的三相功率不平衡现象进行自适应调控；

在本实施例的一个可选实现方式中，若在步骤S203中，判断存在三相功率不平衡现象时，基于台区电能自适应调控设备对存在的三相功率不平衡现象进行自适应调控。

在本实施例的一个可选实现方式中，基于四象限功率变换单元对存在三相功率不平衡现象的配电台区中的线路进行四象限功率调节。

具体的，这里以绝缘栅双极晶体管(IGBT)和碳化硅(SiC)为代表的四象限功率变换器，结合数字信号处理技术进行四象限功率调节。

这里采用空间矢量调制(space vector modulation，SVM)策略进行调制。

具体的，如图5和图6所示，图5为共发射极的绝缘栅双极晶体管式的电路拓扑结构，图6为共集电极的绝缘栅双极晶体管式的电路拓扑结构。

在本实施例的一个可选实现方式中，如图7所示，图7示出了本发明实施例中的自适应调控的流程图，包括以下步骤：

S701、基于状态空间法搭建所述存在三相功率不平衡现象的配电台区的四象限功率调节动态模型；

在本实施例的一个可选实现方式中，状态空间法是利用一组首阶微分方程构建系统组件及整个系统的动态模型，使研究的系统结构具有弹性且多元化，在本实施例中较为匹配存在三相功率不平衡现象的配电台区的模拟。

S702、基于所述四象限功率调节动态模型计算所述存在三相功率不平衡现象的配电台区的四象限运行动态特性；

在本实施例的一个可选实现方式中，分别计算所述存在三相功率不平衡现象的配电台区中的四象限实功率、虚功率，包括该配电台区中电网线路上的实功率和虚功率、负荷线路上的实功率和虚功率、光伏线路上的实功率和虚功率、储能装置线路上的实功率和虚功率。

更多的，提取该配电台区线路上的总电阻，进而计算线路上的电流。

S703、提取所述四象限运行动态特性中的电压矢量，列出其在电压矢量作用下的相电流纹波变化率；

在本实施例的一个可选实现方式中，设第一电压矢量为

更多的，设第二电压矢量为

S704、基于所述相电流纹波变化率对所述存在三相功率不平衡现象的配电台区中的直流母线电压进行调节。

在本实施例的一个可选实现方式中，基于步骤S703中得到的相电流纹波变化率进行调节。

在本实施例的一个可选实现方式中，基于若干组双向DC-DC变换器对所述存在三相功率不平衡现象的配电台区中的直流母线电压进行升压或降压操作。

具体的，如图8所示，图8为本发明实施例中采用的双向DC-DC变换器的电路结构示意图，所示双向DC-DC变换器为隔离型，在输入、输出侧之间设置有高频变压器，在实现良好的电气隔离的同时，通过过合适的变压器变比设计可匹配不同的电压等级，拓宽了升、降压范围。

更多的，每一组双向DC-DC变换器在双象限中运行，一头连接直流母线，一头连接储能装置，其输入、输出电压极性不变，而输入、输出电流的方向可改变，在功能上相当于两个单向DC-DC变换器，具有总器件数目少、体积重量小、效率高和能够更快速性地进行两个方向功率流向转换等优点。

当出现负荷重、过载现象时，双向DC-DC变换器控制储能装置进行放电，控制光伏进行MPPT(Maximum Power Point Tracking，最大功率点跟踪)；当出现负荷较轻现象，控制储能装置进行充电。

需要说明的是，储能(蓄电池、超级电容)是改善配电网电能质量的有效途径，为减少电压跌落或电压偏差导致功率不稳定给配电网带来的一系列负面后果，需要加装一定容量的储能装置来平抑电网的功率波动，从而达到电力系统有功功率平衡。因为储能装置能够根据其结构特性消纳和输出功率，大容量的储能装置可以在电力系统中起到抑制电压波动，削峰填谷的作用。

这里进行自适应调控，可有效改善和优化配电台区线路电压的质量。

S104、对自适应调控结果进行精度评估。

在本实施例的一个可选实现方式中，在自适应调控完成后，计算自适应调控后的经济效益，并与历史调控数据进行对比，制定对应配电台区的用电策略。

具体的，计算和分析自适应调控后的经济效益，包括购电成本、发电成本、设备损耗成本、管理成本、线损等。

在本实施例的一个可选实现方式中，通过设置储能装置的转移峰荷模式和峰谷电价模式来实现经济效益最大化，其中转移峰荷模式以负荷峰谷值确定储能充放电起止时间范围，峰谷电价模式则以电价时段确定储能的充放电起止时间。

这里通过参考储能装置转移峰荷与峰谷电价两种模式的设计，可有效减少峰谷差、减小台区系统与外电网的交互功率，从而减小网损、延缓配网升级改造。

综上，本发明实施例一提供了一种台区电能自适应调控的方法，通过采集配电台区的实时电能数据，并建立台区三相功率平衡运行模型，通过均值聚类算法提取实时电能数据的电能典型负荷曲线，根据对配电台区中不同用电节点对应的用电设备的用电特征的提取和分类，进而计算台区实时电能数据的三相功率不平衡度，可快速、准确地分析并定位配电台区存在的三相功率不平衡现象，降低三相负荷不平衡度；通过四象限功率变换单元，结合空间矢量调制策略，实现潮流的四象限瞬时灵活控制，解决交流配电网系统增容受限的问题；通过多组双向DC-DC变换器对存在三相功率不平衡现象的配电台区中的直流母线电压进行调节，可进行双象限双向运行，器件数目少、体积重量小、效率高，可实现持续稳定供电，实现配电台区电网的自适应调控；进行精度评估，计算分析经济效益，制定合理的用电策略，可有效减小网损，提高电能的使用效率；总体可提升电压合格率，提高台区电能质量，满足智能台区需求侧动态响应管理模型，提高电力资源利用率，改善台区电能质量、增强配电网安全，提高用户满意度，实现台区源网荷储高效灵活协同和高质量发展。

实施例二

本发明实施例二提供了一种台区电能自适应调控的装置，如图9所示，图9示出了本发明实施例中的台区电能自适应调控的装置架构图，所述装置包括：

实时电能数据采集模块10，所述实时电能数据采集模块10用于基于预设区域所设置的若干个数据采集单元采集预设区域中配电台区的实时电能数据；

三相功率平衡运行模块20，所述三相功率平衡运行模型模块20用于将采集到的实时电能数据输入到台区三相功率平衡运行模型中，判断是否存在三相功率不平衡现象；

自适应调控模块30，所述自适应调控模块30用于在判断存在三相功率不平衡现象时，基于台区电能自适应调控设备对存在的三相功率不平衡现象进行自适应调控；

精度评估模块40，所述精度评估模块40用于在自适应调控完成后，对自适应调控结果进行精度评估。

综上，本发明实施例二提供了一种台区电能自适应调控的装置，用于执行实施例一中的台区电能自适应调控的方法，通过采集配电台区的实时电能数据，并建立台区三相功率平衡运行模型，通过均值聚类算法提取实时电能数据的电能典型负荷曲线，根据对配电台区中不同用电节点对应的用电设备的用电特征的提取和分类，进而计算台区实时电能数据的三相功率不平衡度，可快速、准确地分析并定位配电台区存在的三相功率不平衡现象，降低三相负荷不平衡度；通过四象限功率变换单元，结合空间矢量调制策略，实现潮流的四象限瞬时灵活控制，解决交流配电网系统增容受限的问题；通过多组双向DC-DC变换器对存在三相功率不平衡现象的配电台区中的直流母线电压进行调节，可进行双象限双向运行，器件数目少、体积重量小、效率高，可实现持续稳定供电，实现配电台区电网的自适应调控；进行精度评估，计算分析经济效益，制定合理的用电策略，可有效减小网损，提高电能的使用效率；总体可提升电压合格率，提高台区电能质量，满足智能台区需求侧动态响应管理模型，提高电力资源利用率，改善台区电能质量、增强配电网安全，提高用户满意度，实现台区源网荷储高效灵活协同和高质量发展。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。

另外，以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。