基于GPRS的配電網動態無功優化控制策略研究

陳蒙偉，章堅民，2*，徐謙，吳鑫淼，葉義

（1.杭州電子科技大學自動化學院，浙江杭州310018；2.浙江創維自動化工程有限公司，浙江杭州310012；3.浙江省電力經濟技術研究院，浙江杭州310007）

0 引言

對配電網進行無功優化是改善電能質量、提高電壓合格率、降低線損、減少碳排放和提高供電企業利潤的重要技術手段之一。國內外對配電網的無功優化做了大量的研究，但以前的研究往往注重優化方法本身，對于已裝有補償電容器的配電網，尚未能提出在實際運行中靈活有效的控制策略。文獻［1］利用調度自動化（SCADA）系統提供的有限線路運行參數和補償電容器運行現場的電壓和功率因數來自動控制電容器的投切，但這樣實現的動態補償無法確定電容器投切次數，也無法考慮區域范圍的無功控制。文獻［2］中的分時段無功研究對補償電容器采取實時自動控制的方法，這樣難以顧及負荷的全局變化，在實際運行中存在一系列問題。文獻［3］將控制變量的動作次數約束通過調解代價還原為經濟成本，并與當前時段下的電能損失費用共同構造目標函數，該建模方法較簡單，其帶來的計算快速的特性適用于在線環境，但是無功優化是按照全天計算整點24次，該方法難以顧及負荷的全局變化，存在運行的問題。

無線通信以其方便、快捷和廉價的優勢，彌補了有線通信的不足，尤其是覆蓋全國的通用分組無線電業務（GPRS）網絡已成為一種可持續利用和開發的資源［4］。

本研究以實測的實時數據和預測負荷數據為基礎，并通過GPRS信道進行傳送實時數據和命令數據，從而構建一種基于GPRS的配電網電容器投切策略。這樣可以從當前的運行狀態出發，實現配電網的無功功率預優化和在線實時無功優化控制，在保證運行電壓合格率的同時使系統的有功損耗最小，使系統的經濟效益和安全效益同時達到最佳。

1 硬件模型構成

1.1 硬件構成

近年來出現的智能電容器技術，就是集電容器組、復合開關、控制與通信于一體的無功補償裝置，開始在配網公變低壓側安裝應用，專變用戶采用隨器補償，變電站采用母線的集中無功補償，因此配電網的無功補償系統漸趨完備。基于GPRS數據通信的配電臺區示意圖如圖1所示。

圖1中，配變側的無功補償裝置接入配變終端，通過GPRS與控制中心實現通信，使得各配變低壓側的無功補償裝置具有了通信通道，因此形成了配電線路乃至整個配網的無功優化計算和控制、調度的通信平臺。

1.2 通信模塊及其組網方式

圖1 基于GPRS數據通信的配電臺區示意圖

本研究通過GPRS單元無線方式進行組網［5］，系統通過安裝在低壓側的智能節點全天候實時采集各監測點的電參量和節點自身的運行狀況，配電網數據終端設備（DTE）對采集數據進行必要的預處理并將數據打成IP包后，再通過GPRS空中接口傳入到GPRS網，最后通過GPRS數據傳輸終端到達數據分析處理總站。主站對數據進行綜合分析優化計算后，再以指令方式通過GPRS對必要的智能節點做電壓無功調節控制，研究者可通過對配電變電站的主機數據庫的查詢，了解電網的歷史運營狀況，實現系統的高度自動化。這種方式穩定性較強，而且性價比好。

2 優化模型和算法

2.1 優化模型

本研究只考慮配電網的一條饋線，變電站饋線母線保持恒定電壓，裝有帶通信的智能電容器作為無功補償裝置，采用一般的配電網優化模型［6］。

2.2 禁忌搜索（TS）算法和序優化理論

TS［7］是一種高效的啟發式優化技術，其核心思想是在搜索過程中將近期歷史上的搜索過程放在禁忌表中，阻止算法重復進入，這樣就有效地防止了搜索過程的循環。TS算法［8］主要包括2個重要思想：①用排序比較代替精確求值比較；②目標軟化，即當精確求解問題的最優解在計算量上較大時，從工程角度出發，最終結果可以放松到足夠好解即可，從而提高計算速度。

2.3 基于序優化理論構建無功優化粗糙評估模型

序優化理論的一個重要思想是目標軟化，而配電網無功優化問題的目標函數是全天內的總網損，顯然其值取決于潮流。若潮流計算程序運行到算法收斂為止，此時計算所得目標函數值是精確的。本研究采用配電網前推回代潮流計算，根據運行經驗，當收斂精度ε＝0.0001時，潮流計算程序需運行4～5步才能收斂。

根據這個特點，本研究按如下方式構建目標函數值的粗糙評估模型：運行1步潮流計算程序計算目標函數值，因而此時計算所得的目標函數值是不精確的，即粗糙的。通過這種粗糙的潮流計算替代原來精確的潮流計算方式，可以減少運行步驟和時間。文獻［9］分析了無功優化粗糙評估模型有效性。

2.4 動態無功電壓在線優化控制算法流程

考慮分段法帶來的時空解耦，本研究充分研究了分段法的應用。設現時刻為tp，求解步驟如下：

（1）初始化，輸入網絡拓撲及數據等；

（2）獲取tp時刻系統的所有狀態和約束（如果有刷新），及未來t∈[tp~Tn]的負荷預測。將t按照預測負荷分為S大段，如：第一大段t∈[tp...tm1] ；第二段∈[tm1...tm2]；…；第S-1段∈[tms-2...tms-1]；第S段∈[tms-1...tn]。

（3）求得第S大段的平均負荷（即第S大段下各時段負荷加權求平均），并對其平均負荷潮流用TS算法進行優化計算，迭代至指定次數后得到一組最優解，其中潮流計算采用粗糙計算，記錄下最優個體。

（4）把該電容器投切方案代入該大段中各負荷段（第S大段中的各時段負荷）進行逐一地解配網潮流，進行完整的潮流計算，計算出各時段的損耗和電壓。

（5）若所有負荷段都已計算完畢，轉向步驟（6），否則轉向步驟（3），計算下一個(S=S+1)負荷段。

（6）輸出各時段補償電容的投入容量和總有功損耗。

3 策略設計

3.1 目前電壓無功控制策略存在的問題

目前的控制策略主要是：根據電網的典型日負荷運行曲線，將日負荷劃分為多個負荷時段，在不同時段采取不同的電壓無功整定值。顯然，這種策略是基于負荷的歷史數據和運行經驗，其優化值只能隨時間按典型日負荷曲線要求發生改變。由于負荷的季節性、地區性差別以及休假日和工作日的差異，勢必造成電壓無功控制的滯后效應或盲目、頻繁動作，甚至發生誤動作，影響系統的安全與穩定。

3.2 無功控制總策略設計

本研究提出了一種基于GPRS的實時無功協調控制策略，以達到配電網無功優化控制的目的。該策略分為兩個階段：

（1）在地區配電網無功優化系統的基礎上，引入短期和超短期負荷預測，并根據系統負荷曲線變化趨勢，將一個調度周期（24 h）內的負荷分成幾個負荷水平時段，進行基于負荷預測的無功電壓控制策略調整，得到電容器投切的基本調度時間表；

（2）每個電容器按照調度時間表進行基本方案的投切，同時實時監測配電網絡負荷的情況，如果網絡負荷較預測負荷有大幅度波動或者節點電壓越限，則通過采集到的負荷實時數據進行重新無功優化計算，產生電容器新的投切方案，反之按原方案執行。

無功協調控制策略流程如圖2所示。

圖2 基于GPRS的實時無功協調控制策略

4 算例分析

4.1 算例數據

本研究以34節點配電系統為例進行分析，網絡參數、節點負荷數據見文獻［10］，系統網絡結構如圖3所示。

圖3 配電系統網絡結構圖

設該系統電容器組配置位置及容量如表1所示。

表1 電容器組數據

4.2 算例模擬條件

筆者運用Matlab進行仿真計算來檢驗本研究所提出策略的有效性。

預測負荷模式數據如圖4所示。

圖4 預測負荷模式數據

為了模擬負荷波動，本研究假設了2個前提：①假設負荷以正態分布N(un,σ2)的概率發生波動，其中un為根據預測負荷數據得到的每小時負荷平均值，σ為模擬設定的標準差；②假設負荷每15 min波動一次，這樣相當于在一天內模擬96次負荷波動。

4.3 算例分析

在初始預測數據運行狀態下，系統總有功網損為4.096 MW。本研究采用預測負荷合理分段來達到對動作約束的時空解耦，8分段無功優化動作次數比較如表2所示。

表2 8分段無功優化動作次數比較

表2中，8時段分為［1，7］［7，8］［8，11］［11，13］［13，15］［15，20］［20，22］［22，24］。通過本研究算法計算得到的系統網損為2.911 MW，網損下降率為28.73%。由表2可見，優化結果電容器一天內投切次數最多為3次，從而有效地減少個電容器的投切次數，說明了基于預測數據的動態無功優化有較好的效果（其中編號Cn-m代表電容器組裝在的節點n上的第m個電容器）。

在8分段預優化基礎上加入模擬實時數據的無功優化仿真結果比較如表3、表4所示。

將該算法應用于該系統，計算一次靜態無功優化需要的時間是0.35 s，滿足系統在線計算的時間需求。表3顯示了以N(un,0.1)的概率發生負荷波動對電容器設備動作次數的影響。其中比較的差值（如圖2所示）是以升高或降低了的負荷量占原預測負荷的比值體現的。表3中數據顯示，設定的差值越小則所帶來的電容器投切次數會增加，反之亦反。表4中比較了該配電網絡按原補償量和重新優化計算后的補償量這兩種方式補償，所產生的不同網絡節點電壓和有功損耗。在升降10%、20%、30%負荷時，若按原來電容器方案投切，就會帶來不同程度的電壓和損耗問題，而在采取重新優化計算后，節點最低電壓和有功損耗都有明顯的改善，因此在檢測出負荷波動較大時應用上述無功控制策略是有必要的。

綜合表3、表4可見，在負荷波動概率一定的情況下，若比較的差值設定的太小，則帶來電容器動作次數大量增加；反之，顯然電容器動作次數增加不會太明顯，但會造成策略對電網負荷波動的協調能力降低。因此應當綜合考慮電容器動作次數和負荷波動大小給電網造成影響的程度，以合理設定該策略的比較差值。

5 結束語

本研究提出了一種在預優化的基礎上進行在線實時優化控制的無功電壓優化策略，具有如下特點：

（1）預優化控制引入在線實時優化控制策略，能綜合考慮負荷波動的網絡運行狀況，在較短時間內給出優化效果良好的無功調度方案。

（2）GPRS具有實時性好、可靠性高、投資小的特點，為配電網區域無功優化提供了新的平臺、新的選擇。

（3）調度員可以按照調度需要和網絡運行狀況的改變來調整設定比較的差值，使得整個無功優化系統更實用。

表3 負荷波動對設備動作次數的影響

表4 兩種補償方式下的最低電壓和網損的比較

（

）：

［1］周云成，樸在林.10 kV配電網無功優化自動化控制系統設計［J］.電力系統保護與控制，2011，39（2）：125-130.

［2］蔡昌春，丁曉群，王寬，等.動態無功優化的簡化方法及實現［J］.電力系統自動化，2008，32（5）：43-46，58.

［3］張勇軍，俞悅，任震，等.實時環境下動態無功優化建模研究［J］.電網技術，2004，28（12）：12-15.

［4］陳華凌，劉持奇.基于GPRS的無線通信的電力負荷管理終端設計［J］.機電工程，2010，27（4）：112-114.

［5］林添順.基于GPRS的新型配電網自動化通信系統設計及實用性分析［J］.電力系統保護與控制，2008，36（19）：44-47.

［6］楊悅，李國慶.配電網動態無功優化空間-時間解耦的一種新方法［J］.電力系統保護與控制，2010，38（21）：39-43.

［7］曾令全，羅富寶，丁金嫚，等.禁忌搜索-粒子群算法在無功優化中的應用［J］.電網技術，2011，31（2）：130-133.

［8］LIU Hao-ming，HOU Yun-he，CHEN Xing-ying.A Hybrid Algorithm of Ordinal Optimization and Tabu Search for Reactive Power Optimization in Distribution System［C］//Proceedings of the 3rd International Conference on DRPT，2008，Portugal：［s.n.］，2008：1318-1324.

［9］余暢，林峰，劉皓明，等.基于序優化禁忌混合算法的配電網無功優化［J］.繼電器，2008，36（6）：20-25.

［10］CHIS M，SALAMA M M A，JAYARAM S.Capacitor placement in distribution systems using heuristic search strategy［J］.IEEE Proceeding Generation Transmission and Distribution，1997，144（3）：225-230.