基于线缆阻抗匹配弱电网稳压方法及系统

本发明涉及弱电网稳压，尤其涉及一种基于线缆阻抗匹配弱电网稳压方法及系统。

背景技术：

1、在电力供电系统中，线缆作为电能传输的基本物理元件，其等效阻抗沿线缆长度方向呈分布参数特性。在线路较短或采用大截面导体的强电网中，自变流器接入点（并网点）至上游等效电源之间的线缆阻抗较小，线缆两端的电压差可忽略，变流器在并网点的电气作用近似等效于直接作用于上游电源；在此种条件下，线缆作为传输通道，其阻抗与上游电源之间处于良好匹配状态，补偿电流流经线缆所产生的沿线压降不构成可观影响。

2、随着分布式电源接入与远端负荷供电需求的增长，弱馈电网中所采用的线缆呈现出单位长度阻抗较大、敷设距离较长、沿线分支与型号变更频繁等特点。此类线缆的等效阻抗显著偏离与上游等效电源之间的匹配状态——即并网点向系统侧看进的线缆阻抗与上游系统等效阻抗在量级上不再相称，线缆自身的串联阻抗成为不可忽略的物理因素。在此种线缆条件下，变流器为治理并网点处电能质量（包括电压偏差、谐波畸变与三相不平衡度）所注入的补偿电流，在流经该线缆时，会因线缆沿线的串联阻抗而在线缆上产生显著的沿线电压跌落。

3、补偿电流在线缆沿线分布阻抗上所产生的电压跌落，使并网点上游某一无电压监测的中间母线节点出现新增的电压偏差与波形畸变。该问题在线缆阻抗与上游系统等效阻抗匹配良好的强电网中并不显现，而在弱馈电网中——即线缆阻抗与上游系统等效阻抗不再相称、线缆自身成为电压跌落主要载体的条件下——成为限制补偿效果向沿线扩展的关键因素。

4、现有技术中，改善手段主要集中于线缆物理参数与配置的调整，例如：增大线缆导体截面以降低单位长度阻抗、缩短补偿装置至上游电源之间的线缆敷设距离、于线缆中间适当位置增设无功补偿元件或调压元件以分担沿线压降、采用低阻抗结构的特种线缆替换原有线缆。前述手段均通过改变线缆的物理参数或线缆通道的结构，使线缆阻抗与上游等效电源之间趋于匹配，以抑制补偿电流在沿线产生的电压跌落。然而，前述改善手段在工程实施中存在如下不足：其一，增大导体截面与替换特种线缆受限于既有线缆敷设条件、走线通道与改造成本，在已建成的线路上难以广泛实施；其二，沿线增设补偿元件需在线缆中间位置具备相应的物理安装空间与运行维护条件，在大量户外或地下敷设的线缆中实施困难；其三，前述手段均为对线缆物理参数的一次性调整，无法响应运行工况所引起的线缆等效阻抗时变，线缆阻抗与上游等效电源之间的匹配状态在工况变化后再次偏离。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于线缆阻抗匹配弱电网稳压方法及系统，以解决背景技术中提出的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于线缆阻抗匹配弱电网稳压方法，包括：

3、获取并网点处的补偿电流，以及并网点至系统等效电源之间的馈线沿线阻抗剖面，依据所述馈线沿线阻抗剖面与补偿电流，确定补偿电流流经馈线时沿馈线分布的电压跌落，并将其中电压跌落最大的节点作为目标节点，将所述并网点至所述目标节点之间的馈线段记为第一馈线段；

4、将所述补偿电流分解为若干电流分量，确定各电流分量的单位变化量分别在第一馈线段上引起的电压跌落变化量，并以其为元素构成灵敏度矩阵；

5、以所述目标节点处电压跌落幅值最小为求解目标，依据所述灵敏度矩阵求解得到再分配电流参数；

6、依据灵敏度矩阵与所述再分配电流参数，计算所述目标节点的预期电压跌落，以再分配电流参数对所述补偿电流进行再分配并注入馈线；

7、在再分配执行后，测量得到目标节点产生的实际电压跌落，将实际电压跌落与预期电压跌落相比较得到电压跌落偏差，在电压跌落偏差不大于设定偏差阈值时，依据电压跌落偏差修正灵敏度矩阵，在电压跌落偏差大于设定偏差阈值时，更新馈线沿线阻抗剖面，并重新确定目标节点，当更新前后的目标节点不一致时，依据更新后的目标节点重新构成灵敏度矩阵，并再次执行所述再分配，直至目标节点的电压跌落幅值不大于设定幅值阈值。

8、优选地，所述获取并网点处的补偿电流，以及并网点至系统等效电源之间的馈线沿线阻抗剖面，具体包括：

9、基于所述补偿电流所含的各频率分量与所述并网点处对应所述各频率分量的电压响应，确定所述并网点向系统侧的输入阻抗的频率特性；

10、将所述并网点至系统等效电源之间的馈线划分为若干分段，以所述输入阻抗的频率特性在各频率分量上的取值为约束，反演求解各所述分段的等效阻抗，得到所述馈线沿线阻抗剖面。

11、优选地，以补偿电流所含的各频率分量与对应的电压响应确定所述输入阻抗的频率特性，具体包括：

12、以所述补偿电流用于谐波电流抑制、负序与零序补偿及电压调节所固有的各频率分量作为激励，不另行向所述馈线注入探测信号；

13、以并网点处各频率分量的电压响应的变化量，与该频率分量对应的补偿电流的变化量之比，作为输入阻抗在该频率分量上的取值；

14、在所述补偿电流随运行工况变化而所含的频率分量发生变化时，将该运行工况下补偿电流新出现的频率分量上的输入阻抗取值并加入输入阻抗的频率特性。

15、优选地，反演求解各所述分段的等效阻抗，具体包括：

16、将所述馈线沿线各分段分别等效为包含串联阻抗与对地导纳的二端口网络，以各所述二端口网络的级联关系建立由各分段等效阻抗至所述并网点输入阻抗的对应关系；

17、依据所述对应关系计算输入阻抗在各频率分量上的取值，将计算所得取值与所述输入阻抗的频率特性的实测取值相比较，依据比较得到的偏差调整各所述分段的等效阻抗，直至所述偏差满足设定误差条件；

18、将相邻分段的等效阻抗之差限制在由所述馈线的线路型号及分段长度所确定的取值范围之内。

19、优选地，所述构成灵敏度矩阵，具体过程包括：

20、将所述补偿电流按谐波次与序分量分解为若干电流分量，每一电流分量对应一个谐波次与一个序分量的组合；

21、针对每一电流分量，依据所述馈线沿线阻抗剖面中所述第一馈线段的各分段等效阻抗在该电流分量所对应谐波次下的取值，确定该电流分量的单位幅值变化及单位相位变化分别在所述第一馈线段上引起的电压跌落变化量；

22、以各电流分量对应的所述电压跌落变化量为元素构成所述灵敏度矩阵，使灵敏度矩阵中的每一元素与一个电流分量相对应，所述元素表征对应的电流分量的变化与第一馈线段电压跌落之间的影响关系。

23、优选地，依据所述灵敏度矩阵求解得到再分配电流参数，具体过程包括：

24、确定所述补偿电流在所述并网点处对电压偏差、谐波畸变及三相不平衡度进行治理所对应的合成补偿量，以所述合成补偿量在再分配前后保持不变，作为求解所述再分配电流参数的约束条件；

25、依据所述灵敏度矩阵，确定所述目标节点处的总电压跌落与各所述电流分量的幅值及相位之间的对应关系；

26、在所述约束条件下，求解各所述电流分量的幅值与相位，将求解得到的各所述电流分量的幅值与相位作为所述再分配电流参数；

27、当不存在满足所述约束条件的幅值调整量与相位调整量时，求解一组幅值调整量与相位调整量，使所述总电压跌落最接近所述电压跌落限值，并以该组幅值调整量与相位调整量作为所述再分配电流参数。

28、优选地，在电压跌落偏差不大于设定偏差阈值时，依据电压跌落偏差修正灵敏度矩阵，具体包括：

29、依据修正过程中再分配电流参数中各所述电流分量的幅值与相位以及所述电压跌落偏差反推灵敏度矩阵相对其真实值的偏差，记为灵敏度偏差；

30、将当前修正后的电压跌落偏差相对于上一轮修正后的电压跌落偏差的下降幅度，记为偏差减小量，依据偏差减小量，以及预先建立的偏差减小量与修正系数之间的对应关系，确定本次修正过程的修正系数；

31、所述对应关系中，所述减小量越大则所对应的修正系数越大；

32、以所述修正系数与所述灵敏度偏差对所述灵敏度矩阵的对应元素进行修正，得到修正后的灵敏度矩阵；

33、依据修正后的所述灵敏度矩阵，确定本次修正过程的所述电压跌落偏差；将本次修正过程的所述电压跌落偏差与上一次修正过程的所述电压跌落偏差相比较，得到本次修正过程的减小量，所述本次修正过程的减小量用于确定下一次修正过程的修正系数；

34、当连续设定次数的所述修正过程后所述电压跌落偏差仍不减小时，满足所述终止条件，判定所述灵敏度偏差超出所述灵敏度矩阵的可修正范围，终止所述修正过程。

35、优选地，在电压跌落偏差大于设定偏差阈值时，更新馈线沿线阻抗剖面并重新确定目标节点，具体过程包括：

36、在所述电压跌落偏差大于所述设定偏差阈值时，确定各分段在反演中的残差；

37、所述残差为各分段的输入阻抗计算值与输入阻抗实测值之间的偏差；

38、所述输入阻抗实测值为并网点处各频率分量的电压响应与对应补偿电流之比；

39、所述输入阻抗计算值为，依据反演求得的各分段等效阻抗，经各分段等效阻抗与所述并网点输入阻抗之间的对应关系计算所得的输入阻抗；

40、重新反演各分段的等效阻抗，得到更新后的馈线沿线阻抗剖面；

41、依据所述更新后的馈线沿线阻抗剖面，重新确定所述补偿电流在所述馈线各分段上产生的沿馈线分布的电压跌落，并重新获取电压跌落最大的节点；

42、当重新获取的电压跌落最大的节点与当前所述目标节点不一致时，以重新获取的电压跌落最大的节点作为更新后的目标节点，将所述并网点至所述更新后的目标节点之间的馈线段更新为所述第一馈线段；

43、当一致时，保持所述目标节点不变。

44、优选地，还包括按整定周期对所述补偿电流的变化进行响应，具体过程包括：

45、设定整定周期，在每一整定周期内，以该整定周期内并网点处的补偿电流及其所含的各频率分量，作为该整定周期内确定所述输入阻抗的频率特性、所述馈线沿线阻抗剖面、所述目标节点及所述灵敏度矩阵的依据；

46、以相邻两整定周期所确定的所述输入阻抗的频率特性，在各频率分量上的取值之差的绝对值之和，作为所述输入阻抗的频率特性的变化程度；

47、当所述变化程度大于设定变化阈值时，缩短所述整定周期；

48、当所述变化程度不大于所述设定变化阈值时，延长所述整定周期；

49、在相邻两所述整定周期之间，当所述补偿电流出现新增的频率分量时，将所述新增的频率分量补入所述输入阻抗的频率特性的取值点。

50、另外，本发明还公开一种基于线缆阻抗匹配弱电网稳压系统，用于实现上述的基于线缆阻抗匹配弱电网稳压方法，具体包括：

51、目标节点确定模块，用于获取并网点处的补偿电流，以及并网点至系统等效电源之间的馈线沿线阻抗剖面，依据所述馈线沿线阻抗剖面与补偿电流，确定补偿电流流经馈线时沿馈线分布的电压跌落，并将其中电压跌落最大的节点作为目标节点，将所述并网点至所述目标节点之间的馈线段记为第一馈线段；

52、灵敏度矩阵构成模块，用于将所述补偿电流分解为若干电流分量，确定各电流分量的单位变化量分别在第一馈线段上引起的电压跌落变化量，并以其为元素构成灵敏度矩阵；

53、再分配参数求解模块，用于以所述目标节点处电压跌落幅值最小为求解目标，依据所述灵敏度矩阵求解得到再分配电流参数；

54、再分配注入执行模块，用于依据灵敏度矩阵与所述再分配电流参数，计算所述目标节点的预期电压跌落，以再分配电流参数对所述补偿电流进行再分配并注入馈线；

55、偏差评估与迭代更新模块，用于在再分配执行后，测量得到目标节点产生的实际电压跌落，将实际电压跌落与预期电压跌落相比较得到电压跌落偏差，在电压跌落偏差不大于设定偏差阈值时，依据电压跌落偏差修正灵敏度矩阵，在电压跌落偏差大于设定偏差阈值时，更新馈线沿线阻抗剖面，并重新确定目标节点，当更新前后的目标节点不一致时，依据更新后的目标节点重新构成灵敏度矩阵，并再次执行所述再分配，直至目标节点的电压跌落幅值不大于设定幅值阈值。

56、本发明有益效果：

57、1、本发明提供的基于线缆阻抗匹配弱电网稳压方法，通过对补偿电流按谐波次与序分量进行频谱再分配，在保持补偿电流于并网点处的合成补偿量不变的前提下，抑制补偿电流流经馈线分布阻抗时在上游中间母线节点处所产生的电压跌落。由于再分配前后补偿电流在并网点处对电压偏差、谐波畸变及三相不平衡度治理所对应的合成补偿量保持相等，并网点处的电能质量治理效果不因再分配而削弱，从而在不牺牲并网点治理能力的前提下实现了对上游电压跌落的抑制。相较于通过增大线缆导体截面、缩短线缆敷设距离、增设沿线补偿元件或替换特种线缆等改变线缆物理参数以抑制沿线电压跌落的方式，本发明无需改变线缆的物理参数或线缆通道的结构，不受既有线缆敷设条件、走线通道及改造成本的限制，在已建成的线路上即可实施；相较于通过限制补偿电流幅值以减小沿线压降、从而牺牲并网点治理能力的方式，本发明在合成补偿量不变的约束下完成抑制，治理能力与电压跌落抑制二者得以兼顾。

58、2、本发明仅依据并网点单点的多频测量即可反演获取馈线沿线阻抗剖面，无需在带电运行的馈线沿线布设电压或电流传感器。由于馈线沿线各分段的等效阻抗以不同的权重编码于并网点输入阻抗随频率变化的特性之中，本发明以补偿电流所含的多个频率分量为激励，由并网点处各频率分量的输入阻抗联立反演各分段等效阻抗，从而在仅有并网点单点测量的条件下获取原本需要沿线多点测量才能得到的空间阻抗分布。相较于现有改善手段中需在线缆中间位置增设元件、从而要求相应物理安装空间与运行维护条件的方式，本发明不要求在馈线沿线设置任何测量或补偿装置，避免了在大量户外或地下敷设的线缆中加装装置的施工困难与运行风险；并且，本发明复用补偿电流自身为治理电能质量所固有的多频成分作为反演激励，不另行向馈线注入探测信号，使阻抗反演不对馈线电能质量造成二次污染。

59、3、本发明通过对再分配执行后目标节点的实际电压跌落与预期电压跌落进行比较，依据所得电压跌落偏差的大小，分别经灵敏度矩阵修正或馈线沿线阻抗剖面更新两条路线进行校正，并在再分配改变沿线电压跌落分布后重新确定目标节点。当电压跌落偏差较小时，经灵敏度矩阵修正使再分配所依据的灵敏度矩阵保持准确；当电压跌落偏差较大时，经馈线沿线阻抗剖面更新及目标节点重选，使抑制对象始终为当前电压跌落最严重的上游中间母线节点。相较于现有改善手段均为对线缆物理参数的一次性调整、无法响应运行工况所引起的线缆等效阻抗时变的不足，本发明以上述比较与校正构成闭环，使补偿电流引起的电压跌落抑制效果在线缆等效阻抗随运行工况变化时仍得以持续维持，克服了一次性调整在工况变化后匹配状态再次偏离的问题。

60、4、本发明通过按整定周期对补偿电流的变化进行响应，并依据输入阻抗频率特性的变化程度自适应调整整定周期。在每一整定周期内，以该周期内补偿电流及其所含的各频率分量重新确定输入阻抗频率特性、馈线沿线阻抗剖面、目标节点及灵敏度矩阵；当输入阻抗频率特性的变化程度较大时缩短整定周期以加快跟随，当变化程度较小时延长整定周期以降低重算频次。由此，本发明在补偿电流随负荷与运行工况持续变化时既能及时跟随线缆等效阻抗的时变、维持对上游电压跌落的抑制效果，又在工况平稳时减少重复运算，兼顾了对工况变化的跟随性与运算的经济性。