基于全網優化分布控制式電壓無功綜合控制系統的優化與控制設計

濟南鋼鐵股份有限公司檢修公司 王沫

濟南鋼鐵股份有限公司電力部門在變電站中使用無功補償成套裝置，原使用的此類裝置主要存在以下幾個問題：（1）動作頻繁。由于配電網早晚負荷波動較大，導致電壓經常運行在上下限范圍邊緣。原裝置由于缺乏有效的判據，使變壓器分接頭頻繁操作，補償電容頻繁投切。（2）原裝置由于分散裝設，只能補償裝置所在的站點，對區域電網則基本不起作用。且各裝置動作相互獨立，沒有考慮到相互間的影響，導致網損較高，同時缺乏協調也導致各站操作更加頻繁。（3）對電網的電壓/無功情況缺乏有效而系統的實時監控，手動控制勞動強度大，運行人員很難做到精度較高的控制和多進程實時控制。

本文主要介紹全網電壓無功優化的優化模型及算法和分布終端電壓無功綜合控制裝置的優化方案。全網的電壓無功優化計算程序，對全網的電壓無功進行優化計算機分析，得出全網電壓無功優化控制的策略，將該控制策略以定值的形式下發給各分布終端電壓無功綜合自動控制裝置，終端電壓無功綜合自動控制裝置根據定值對該站點的變壓器分接頭位置和電容器組實行自動優化選擇和控制投切，從而做到保證電壓合格率和降低配網線控的目的。

1 優化模型及算法

本文以整個系統的有功網損為目標函數。連續無功優化的非線性規劃模型為：

式中 f(x1,x2)為系統有功損耗；g(x1,x2)=0為潮流方程；x1=[QTG,QTC,VT,TTB]；QG,QC分別為發電機、無功補償裝置的無功出力向量；V為所有節點電壓幅值構成的列向量；TB為有載調壓變壓器的變比列向量；x1∈RN,N為有約束的優化變量總數；x1max,x1m in分別為優化變量的上、下限值；x2為除平衡節點外的其他節點電壓相角和平衡機的有功出力構成的列向量；x2∈Rn，n為系統節點數。引入松弛變量l、u，將不等式約束轉換成等式約束：

采用非線性內點法求解上述模型。

引入對數壁壘函數消去松弛變量的非負性，并對等式約束引入拉格朗日乘子，得到拉格朗日函數：

其中 y、w、z為拉格朗日乘子向量，且z≥0，w≤0，L為壁壘參數，且L≥0。根據Karush-Kuhn-Tucker最優性條件可得：

式中 e為單位列向量，e∈R；L，U，W，Z分別l，u，w，z的分量為對角元素的對角陣。用牛頓法求解上述方程，得到修正方程為：

求上述方程，可得到原變量和對偶變量的修正量。

2 優化方案

實時控制系統采用分層控制結構，如圖1所示。

圖1 分層式優化控制結構

系統的結構為分層分布式，分為三層，包括三種代理。其中，管理代理（Management 代理, 簡稱MA）是系統的最高層，負責確定無功補償設備的配置地點、劃分電網以及發起和協調區域優化代理的分布并行優化計算等工作。中間層系統由區域優化代理（Area Optim ization 代理, 簡稱AOA）組成，AOA分布在各區域電網內，根據區域電網的數據信息和相關參數，利用現有的無功優化軟件進行區域內尋優計算，通過相互協調實現全網無功優化，計算結果既能下發給本區域的無功電壓控制代理，也可上傳至管理代理，作為調度人員的決策參考。最底層系統由無功電壓控制代理（Voltage and Reactive Power Control 代理, 簡稱VRA）組成。VRA代表分散在電力系統中的發電機、并聯電容器、并聯電抗器和有載調壓變壓器等無功電壓設備的智能控制器，在正常情況下作為AOA的數據采集機構，并且接收AOA發來的本地節點的無功、電壓最優設定值。VRA根據這些最優設定值，調整無功、電壓的控制范圍。當它監測到本地節點的無功或者電壓越限時，自動控制無功源的出力和有載調壓變壓器分接頭的位置，確保本地節點電壓和無功功率運行在最優設定值附近，控制時間常數一般為幾秒。

由此可見，本系統的結構具有如下特點：傳統上由最高層系統承擔的無功優化計算現在分散到中間層系統的各AOA中，這樣，最高層的工作負擔大大減輕；中間層系統是全網優化的關鍵。

2.1 管理代理(MA)

管理代理是整個系統的管理、協調中心。它的結構如圖2所示。

圖2 MA的結構

MA各模塊的功能如下：

（1）通信模塊負責MA與AOA層之間的數據交換；

（2）數據庫中存放電網分區結果、無功補償設備配置結果、VRA的狀態數據、并行優化計算結果、并行優化計算的參數和各代理的設備信息等數據。

（3）知識庫中存放代理術語。可根據需要更新這些術語，同時也要更新其他代理知識庫中的代理術語。術語的更新必須遵循依賴性、集成化、一致性等原則。

（4）協調模塊由注冊模塊、報警模塊、推理模塊三部分組成，如圖3所示。

圖3 MA協調模塊結構

其中，注冊模塊管理各代理的注冊信息。每一個AOA在加入到系統之前，都需要在注冊模塊中注冊自己的網絡標識以及邊界節點信息；報警模塊提供各AOA的故障信息，若AOA通信過程中出現故障，則產生報警信息；推理模塊根據故障信息判斷AOA的運行狀況，并上傳至信息管理模塊。若某一AOA的相鄰AOA均產生該AOA的報警信息，則推理模塊判斷該AOA已不起作用，上報信息管理模塊，并將此AOA的注冊信息從注冊模塊中刪除。

（5）信息管理模塊面向用戶，有以下幾個功能：

整個系統的地理信息圖便于用戶察看各代理的狀態信息和無功優化計算結果、了解電網的運行情況，用戶可直接進行添加、編輯代理的操作。

形成供電可靠性、電壓合格率等各種統計報表和電壓、電流等狀態曲線。

設置DPVROA-APP的參數。

（6）無功補償設備配置模塊用于確定補償地點。

（7）全網無功優化發起模塊負責向AOA下發全網優化參數，在較大的負荷擾動或網絡拓撲結構變化之后，盡快啟動全網無功優化計算。

本方案中，管理代理MA為選配的待擴展模塊，在多區域聯網優化之前，該代理被禁用。

2.2 區域優化代理（AOA）

AOA根據當前的狀態數據，進行區域優化計算，并與相鄰AOA協商，實現全網無功優化。它的結構如圖4所示。

圖4 AOA的結構

AOA各模塊的功能如下：

（1）知識庫中存放代理的基本知識及可供選用的優化算法。AOA可根據區域電網的特點自主選擇優化算法。

（2）優化計算模塊進行區域電網優化計算，即采用知識庫中的優化算法求解，結果存放在數據庫中。

（3）數據庫根據所存放數據的特點，分為3部分：參數數據庫、歷史數據庫和實時數據庫。

參數數據庫存放本地AOA、相鄰AOA、及區域內VRA的網絡標識。實時數據庫中存放實時數據、區域優化計算的初始值和中間結果，每一次迭代計算得到的結果都將替代上一次迭代計算的結果。其中實時數據包括區域內部節點的狀態數據、邊界節點的狀態數據、線路參數以及相鄰區域邊界節點的狀態數據。歷史數據庫存放優化參數和優化的最終結果。

（4）協商模塊負責與相鄰AOA協調，協商邊界節點參數。AOA每一次迭代計算結束后，將主動向相鄰AOA查詢邊界節點參數，然后與自己的計算結果比較，決定是否繼續迭代計算。若比較結果小于規定的某一閾值，則停止本次優化；否則修改參數，進入下一次迭代。

（5）通信模塊根據功能分為三個子模塊：

子模塊1：接入最底層系統。一方面接收由VRA采集的實時狀態數據，另一方面根據優化結果下發控制命令。

子模塊2：與相鄰AOA通信，交換邊界節點參數。

子模塊3：與MA通信。一方面接收MA發來的DPVROA-APP的參數或協調信息，另一方面將優化計算的結果上傳給MA或向MA發送請求信息。

2.3 無功電壓控制代理（VRA）

無功電壓控制代理跟蹤本地節點的無功、電壓變化，自動調節無功源的出力或調壓變壓器分接頭的位置，使得無功、電壓運行在最優設定值附近。它由知識庫、推理模塊、決策模塊、數據采集模塊等組成，結構如圖5所示。

圖5 VRA的結構

VRA的功能如下：

（1）數據采集模塊感知本地節點狀態的變化，采集本地節點的電壓、電流、有功功率、無功功率、有載調壓變壓器分接頭位置等狀態數據，并存放到數據庫中。

（2）數據庫中存放本地節點的狀態數據、本地代理的網絡標識。

（3）通信模塊采用ACL與所屬的AOA進行通信，一方面將數據庫中的數據傳給AOA，另一方面接收AOA發來的優化計算結果。

（4）知識庫中存放代理術語、九區圖中無功和電壓上下限的整定規則、無功電壓控制策略。

（5）決策模塊根據無功、電壓最優設定值和上下限整定規則，確定九區圖的控制范圍。

（6）推理模塊根據節點無功、電壓的測量值和控制策略，自動調節無功源的無功出力或者有載調壓變壓器的分接頭位置，使得本地節點電壓和無功功率運行在控制范圍之內。

2.4 優化指標

開放性：系統可與調度自動化系統接口，從而使用調度自動化系統的數據或向其提供數據。系統的算法庫、元件庫可供操作員添加或修改，使系統保持最新狀態。

可擴展性：通過MA的管理，使算法能夠自動適應電網的變化，能夠實現多區域互聯下的電網無功優化。

準最優性：保證電網中各節點運行在電壓/無功的最優值附近。

3 結束語

采用全網優化分布控制式電壓無功綜合控制系統，根據投運以來的運行情況分析，該系統的安全可靠性和補償效果均比以前所使用的同類產品有了較大的提高，從而起到了提高電壓質量、降低線路損耗的作用。無功優化控制軟件的應用為我局提供了較為系統的、先進的電壓無功管理手段，大大降低了網損，減少了裝置的頻繁動作。

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