高壓配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化集中控制系統(tǒng)研究

任雷雷

（德州智能電氣設(shè)備有限公司，山東德州 253400）

現(xiàn)在很多的變電站在工作的時(shí)候都開(kāi)始應(yīng)用無(wú)功電壓綜合自動(dòng)控制裝置，無(wú)功電壓綜合自動(dòng)控制裝置在使用的時(shí)候有一個(gè)缺點(diǎn)就是只能采集一個(gè)運(yùn)行參數(shù)，很難控制電網(wǎng)變電站的電容器的調(diào)控。為了更好地進(jìn)行全局控制，需要在應(yīng)用時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化計(jì)算，從而使每個(gè)時(shí)段都能優(yōu)化連接，這樣既能合理分配投切次數(shù)，又能控制全網(wǎng)潮流。

1 高壓配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化運(yùn)行的特點(diǎn)

配電網(wǎng)全網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化配置能夠根據(jù)電壓等級(jí)的不同預(yù)測(cè)到電壓負(fù)荷的情況，根據(jù)無(wú)功優(yōu)化分層區(qū)無(wú)功平衡原則，通過(guò)無(wú)功潮流的方式補(bǔ)償和確定容量。

高壓配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化運(yùn)行就是在現(xiàn)有手段上，不變更配置調(diào)整無(wú)功資源運(yùn)行的方式以此來(lái)提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況。因?yàn)闊o(wú)功和電壓之間的關(guān)系比較密切，所以設(shè)備可以通過(guò)優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果找到最優(yōu)的運(yùn)行方式，這樣既能保證母線電壓的范圍，又能降低網(wǎng)損。

高壓配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化運(yùn)行時(shí)有以下特點(diǎn)存在。

（1）非線性：非線性既包括目標(biāo)函數(shù)內(nèi)容，又包括約束條件內(nèi)容。（2）離散性：離散控制變量包括：移相器分接頭位置、無(wú)功補(bǔ)償器投切等。（3）動(dòng)態(tài)性：電力系統(tǒng)會(huì)隨著流動(dòng)時(shí)間的變化而變化，除此之外流動(dòng)時(shí)間的變化還會(huì)影響到電壓的變量。（4）復(fù)雜性：在無(wú)功優(yōu)化的過(guò)程中會(huì)存在等式約束和不等式約束2種，約束條件的數(shù)目和電網(wǎng)規(guī)模也有著密不可分的關(guān)系。（5）魯棒性：電力系統(tǒng)的調(diào)壓不僅需要滿(mǎn)足正常工作時(shí)對(duì)負(fù)荷的要求，還需要滿(mǎn)足最大負(fù)荷的方式和最小負(fù)荷的方式2種。（6）多目標(biāo)：通過(guò)線損的方式提高電壓的質(zhì)量，重點(diǎn)突出目標(biāo)的多樣性。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方案

無(wú)功優(yōu)化系統(tǒng)主要由2臺(tái)計(jì)算機(jī)組成，2臺(tái)計(jì)算機(jī)分別負(fù)責(zé)不同的工作指令，其中一臺(tái)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)發(fā)命令、狀態(tài)評(píng)估等工作；另一臺(tái)計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)算限值、無(wú)功優(yōu)化等工作。無(wú)功優(yōu)化控制系統(tǒng)在工作的時(shí)候底層的數(shù)據(jù)采集和通信模塊會(huì)從調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行中進(jìn)行采集，采集完成之后把控制方案通過(guò)專(zhuān)用通道的方式傳送到變電站的無(wú)功電壓綜合自動(dòng)控制裝置中完成工作指令。

控制系統(tǒng)在工作的時(shí)候每隔1h 會(huì)更新一次，更新之后的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)拓?fù)浞治鲞M(jìn)入到無(wú)功優(yōu)化數(shù)據(jù)庫(kù)中。拓?fù)浞治瞿K能夠通過(guò)人工輸入的方法來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支路關(guān)聯(lián)配置表；如果在使用的時(shí)候發(fā)現(xiàn)有變位信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)候就可以把分析完的變位信號(hào)儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。在控制命令啟動(dòng)的時(shí)候要對(duì)預(yù)測(cè)進(jìn)行計(jì)算或者修正，之后把預(yù)測(cè)好的母線負(fù)荷存進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

當(dāng)系統(tǒng)存儲(chǔ)完成之后可以通過(guò)查詢(xún)數(shù)據(jù)庫(kù)的方法進(jìn)行儲(chǔ)存，在完成預(yù)測(cè)負(fù)荷之后狀態(tài)估計(jì)模塊就可以對(duì)這些預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

電壓無(wú)功優(yōu)化模塊可以根據(jù)通過(guò)分析負(fù)荷曲線、變電站內(nèi)容等信息找出未來(lái)時(shí)段、變電站母線電壓分布情況，進(jìn)而計(jì)算出變電站最佳無(wú)功限制曲線和最佳電壓限制曲線圖。

無(wú)功優(yōu)化控制系統(tǒng)的啟動(dòng)可以由使用用戶(hù)自己設(shè)定，用戶(hù)可以利用每天監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)計(jì)算出電網(wǎng)的實(shí)際有功損耗。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠顯示實(shí)際負(fù)荷和預(yù)測(cè)負(fù)荷的誤差情況，當(dāng)誤差大于設(shè)定值的時(shí)候就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)負(fù)荷預(yù)測(cè)修正計(jì)算過(guò)程，結(jié)束完成之后計(jì)算出電壓限制和無(wú)功限制等數(shù)據(jù)信息。

控制系統(tǒng)主要功能包括以下幾種：①預(yù)測(cè)母線負(fù)荷；②分析負(fù)荷特性；③計(jì)算潮流內(nèi)容；④優(yōu)化計(jì)算信息；⑤修改參數(shù)；⑥控制優(yōu)化和分析運(yùn)行效益；⑦查詢(xún)和修改VQC 限制。

3 動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

在建立動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的時(shí)候先設(shè)置電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，然后以24h 的電能損耗為主要目標(biāo)函數(shù)，以變壓器分接頭位置和無(wú)功補(bǔ)償量為控制變量進(jìn)行建立。在研究高壓、中壓配電線路補(bǔ)償基礎(chǔ)上，對(duì)低壓線路無(wú)功補(bǔ)償采用了“三分之二法則”，以此作為低壓配電線路無(wú)功優(yōu)化補(bǔ)償基本模式。所謂“三分之二法則”指的是以一段僅有首段的電源線路為研究對(duì)象，無(wú)功負(fù)荷作用于其中，將其等分為3份，則在線路三分之二處屬于無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安裝最佳地點(diǎn)，同時(shí)期無(wú)功補(bǔ)償容量約占三分之二的總無(wú)功負(fù)荷，具體如圖1所示。

所謂的無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)配置，指的是在低壓配電網(wǎng)中，確定無(wú)功補(bǔ)償裝置安裝最佳地點(diǎn)和補(bǔ)償最佳容量的。具體步驟如下所示。

（1）按“三分之二法則”對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置進(jìn)行最佳配置，如式（1）所示，同時(shí)將無(wú)功補(bǔ)償裝置的安裝最佳地點(diǎn)設(shè)置在主線無(wú)功負(fù)荷分布的三分之二處。

圖1 線路無(wú)功負(fù)荷分布和優(yōu)化前后無(wú)功潮流圖

（2）首先對(duì)無(wú)功分布負(fù)荷在各段主線的分布進(jìn)行標(biāo)定，然后把具有一個(gè)分叉主線等效轉(zhuǎn)換成2條無(wú)分叉主線按線路負(fù)荷分布情況，把有分叉主線等效轉(zhuǎn)換成兩條無(wú)分叉主線，如式（2）、式（3）所示。

（3）轉(zhuǎn)換后兩條無(wú)分叉主線分別按無(wú)分叉主線進(jìn)行最優(yōu)配置，如式（4）、式（5）、式（6）所示。

4 計(jì)算方法

在計(jì)算的時(shí)候因?yàn)闊o(wú)功優(yōu)化系統(tǒng)控制變量比較多，導(dǎo)致搜索空間也比較大，要想完成搜索任務(wù)就需要引入先進(jìn)的優(yōu)化搜索技術(shù)。

在計(jì)算的時(shí)候可以通過(guò)以下幾方面提高優(yōu)化算法的計(jì)算效率：

4.1 通過(guò)提高潮流計(jì)算的效率的方式提高優(yōu)化算法的計(jì)算效率

在計(jì)算遺傳算法求解無(wú)功優(yōu)化問(wèn)題的時(shí)候可以根據(jù)軟件編程的方式進(jìn)行計(jì)算，為了減少計(jì)算時(shí)間，可以在計(jì)算的初期適當(dāng)降低潮流計(jì)算的準(zhǔn)確度，在計(jì)算后期的時(shí)候在提高潮流計(jì)算的準(zhǔn)確度，這樣就可以在保證計(jì)算準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上提高潮流計(jì)算的效率。

在遺傳算法的群體中每1個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度計(jì)算量都非常大，所以在選擇的時(shí)候群體都會(huì)受到影響，在計(jì)算的時(shí)候要先做檢查，確定完成之后再進(jìn)行判斷。在所有的基因中，會(huì)有幾個(gè)不同的基因存在，要想讓基因保持相同，可以通過(guò)調(diào)整計(jì)算經(jīng)驗(yàn)的方式來(lái)改變現(xiàn)狀，這樣對(duì)于相同的個(gè)體就可以做一次潮流計(jì)算，既計(jì)算出了個(gè)體潮流的初始值，又提高了潮流計(jì)算的效率。

4.2 利用專(zhuān)家知識(shí)指導(dǎo)變異位置與方向的方法提高優(yōu)化算法的計(jì)算效率

在計(jì)算優(yōu)解的過(guò)程中，要想得到可行解才能消除電壓無(wú)功的越限，這樣就可以得到需要的最優(yōu)解。因?yàn)闊o(wú)功功率的傳輸距離比較短，所以在進(jìn)行的時(shí)候需要調(diào)整無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備位置和變壓器的電壓情況。如果在調(diào)整的時(shí)候沒(méi)有合適的調(diào)節(jié)手段，就需要調(diào)節(jié)距離電氣最近的控制變量。

在研究的時(shí)候可以通過(guò)消除電壓的越限來(lái)確定優(yōu)先變異的基因位置和方向，這樣可以減少搜索時(shí)存在的盲目性，不僅如此還能在增加算法搜索能力的基礎(chǔ)上提高潮流收斂的速度。

4.3 通過(guò)優(yōu)化編碼的方法提高優(yōu)化算法的計(jì)算效率

在編碼運(yùn)行的時(shí)候需要先處理變壓器的控制變量以此來(lái)減少染色體的長(zhǎng)度。在運(yùn)行的時(shí)候需要在數(shù)組的下標(biāo)編制上相對(duì)應(yīng)的編碼，減少變比和檔位的換算和查找。在設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)的時(shí)候可以使用映射法來(lái)區(qū)分個(gè)體之間的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在編制的時(shí)候還可以隨著迭代次數(shù)的增加而加大懲罰的力度，盡可能地將搜索控制在可行域中間。

5 無(wú)功電壓綜合自動(dòng)控制裝置限值的計(jì)算

無(wú)功電壓綜合自動(dòng)控制裝置限值在計(jì)算的時(shí)候要以最優(yōu)曲線為主進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算的時(shí)候需要先設(shè)定電壓和無(wú)功限值之間的寬度。之后在計(jì)算出變電站的最優(yōu)無(wú)功補(bǔ)償量和變壓器分接頭的檔位，以此計(jì)算出最佳的無(wú)功、電壓的上下限的數(shù)值。

6 高壓配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化集中控制系統(tǒng)研究案例

本文在研究的時(shí)候選擇3種類(lèi)型的變電站，分別是330 kV變電站、220 kV 變電站、110 kV 變電站，在電網(wǎng)中一共有42個(gè)節(jié)點(diǎn)，36條線路，在運(yùn)行的時(shí)候先用遺傳算法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化對(duì)比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化之前系統(tǒng)有3個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓值比下限低，經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后發(fā)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓都有一定程度的提高，有功功率的損耗也呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。試行運(yùn)行之后能夠發(fā)現(xiàn)遺傳算法在使用時(shí)候能充分滿(mǎn)足在線計(jì)算的要求。

7 配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化配置的原則

在配電網(wǎng)中，無(wú)功功率具有一定流動(dòng)性，其是保障配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。無(wú)功功率的流動(dòng)性不利于減低電網(wǎng)損耗，提高電能質(zhì)量。因此，降低或避免無(wú)功功率在配電網(wǎng)中的流動(dòng)性，對(duì)提高配電網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量具有積極作用。基于此，無(wú)功優(yōu)化配置應(yīng)按照“分級(jí)分區(qū)補(bǔ)償、就地平衡”的原則進(jìn)行，按照以下幾方面要求實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的合理布局。

（1）在配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中，應(yīng)堅(jiān)持配電網(wǎng)總體和局部平衡的相統(tǒng)一性。這是由于不合理的無(wú)功電源布局會(huì)導(dǎo)致局部無(wú)功電力的不平衡，進(jìn)一步影響變電站或線路的無(wú)功電力，進(jìn)而產(chǎn)生大量流動(dòng)的無(wú)功功率問(wèn)題。具有長(zhǎng)途交換或輸送的無(wú)功功率，嚴(yán)重增加了配電網(wǎng)的電網(wǎng)損耗。

（2）在配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中，堅(jiān)持低壓配電補(bǔ)償為主，其他補(bǔ)償方案為輔的原則。變電站以補(bǔ)償主變壓器無(wú)功損耗為主，在無(wú)功傳輸降低方面則集中在變電站以上輸配電線中，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)損耗的降低。鑒于低壓配電網(wǎng)的線損在配電網(wǎng)整體上所占比例較高，這就要求在配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中，堅(jiān)持低壓配電補(bǔ)償為主，其他補(bǔ)償方案相結(jié)合。

（3）在配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中，堅(jiān)持電力部門(mén)補(bǔ)償和用戶(hù)補(bǔ)償相統(tǒng)一原則。物攻的就地補(bǔ)償、就地平衡是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無(wú)功功率輸送降低、用戶(hù)電壓質(zhì)量提高以及用戶(hù)功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)那疤釛l件，這就要求低壓側(cè)補(bǔ)償過(guò)程匯總采用較多配電變壓器，同時(shí)確保電力部門(mén)補(bǔ)償和用戶(hù)補(bǔ)償相結(jié)合。

（4）在配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中，堅(jiān)持以配網(wǎng)降損為主，以降損和調(diào)壓為輔的原則。由于配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化配置以實(shí)現(xiàn)無(wú)功電力就地平衡為目的，以實(shí)現(xiàn)電壓質(zhì)量改善和電網(wǎng)損耗降低為目標(biāo)，因此需在配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償過(guò)程中，以配網(wǎng)降損為主，以降損和調(diào)壓為輔，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)纳鐣?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)以上方式能夠發(fā)現(xiàn)在高壓配電網(wǎng)中應(yīng)用無(wú)功優(yōu)化集中控制系統(tǒng)，能夠從優(yōu)化和控制的角度提高系統(tǒng)電壓的合格率、降低系統(tǒng)的總線損。從而提高電網(wǎng)管理的水平，最終提高電力輸送效率。