考慮安全約束條件的電網運行損耗優化控制系統設計

陶用偉

（貴州電網有限責任公司凱里供電局，貴州 凱里 556000）

在國家經濟發展水平不斷提升的背景下，對于電網供電量的需求越來越大，因此為了控制電網運行中的資源損耗，設計一個電網損耗控制系統。已知現階段的電力系統由各種電壓變電所、輸配電線路組成，主要有變電、輸電以及配電等工作環節[1]。

傳統設計方法的控制系統，由于忽略了約束參數的重要性，導致單一約束條件下系統的運行穩定性較差，使損耗控制效果并不理想，因此文中考慮安全約束條件，設計一個電網運行損耗優化控制系統。該系統充分考慮系統的使用安全性約束條件，通過優化各項控制模量，增強系統在執行控制任務過程中的穩定性，提高抗干擾性，降低電網運行損耗，在很大程度上節約了資源，為國家戰略性發展目標的實現提供技術支持[2]。

1 電網運行損耗優化控制系統硬件設計

電網運行損耗優化控制系統中，由于設備種類繁多復雜，且連接位置相對分散，除了變送電外還有許多配置環節，因此為保證系統運行的穩定性，在電網運行損耗優化控制系統中添加了監控模塊。電網運行損耗控制系統主要包括4個部分：上位機監控模塊、系統控制器、EtherCAT從站以及現場儀表等各類執行機構。為保證控制系統數據的實時監控以及穩定通訊，對傳統系統控制器即主站控制器進行替換，圖1為主控器實物圖[3]。

圖1 主控器實物圖

主控器作為電網運行損耗優化控制系統的核心設備，能夠保證軟件平臺的運行、程序的運算、控制命令的生成以及數據的存儲。文中選用的主控器利用其自身的PC控制技術，實現人機交互性更強的數據采集、存儲、處理以及反饋，實現系統硬件運行的穩定和軟件的兼容。主控器結合控制平臺對電網系統內各分布式電源、各負荷回路展開實時監控和管理，實現系統整體的穩定運行。

2 電網運行損耗優化控制系統軟件設計

在系統硬件設置的基礎上，在考慮安全約束條件的前提下，設計電網運行損耗優化控制系統的軟件，確保所有控制程序在約束條件的限制下，能夠在安全的范圍內執行損耗優化控制任務，提升系統的穩定性能。

2.1 設定電網運行損耗基本控制規則

電網運行時，其兩側饋線輸出的功率分別影響負荷分布和系統阻抗與兩側電壓差值；同時，兩側饋線輸出的功率是獨立存在的，根據上述電網運行的基本特征，設定電網運行損耗基本控制規則。

調節兩側母線電壓差，改變電網運行時的循環功率，實現兩側饋線出力的調節。當電力控制系統由開環運行狀態轉入閉環運行狀態時，通過執行合環操作，實現具有保護作用的電網運行損耗控制規則的設定。假設在負荷相對穩定的條件下，忽略其電壓特性，設循環功率為?，在電網兩側功率變化量Δp大小相同、方向相反的情況下，得到圖2所示的電網運行穩態控制規律等值電路圖[4]。

圖2 電網運行等值電路圖

假定A側饋線出口處的裝置串聯補償電壓為Ua，補償后出口處的電壓為Ub，得到循環功率?與串聯補償電壓Ua和Ub之間的關系為：

2.2 設置系統安全約束條件

安全約束條件作為保證系統平穩運行的重要參數，直接影響電網的運行效果，因此在電網運行損耗優化控制系統軟件設計中，引入其約束條件。根據已經獲得的電網控制規則，設定的安全約束條件包括機組運行約束和系統約束兩方面[7]。

式中：fi（t）表示機組i在t時刻的出力約束函數；Fi（t）表示機組i在t時刻的連續運行約束函數。系統約束包括功率平衡安全約束和旋轉備用安全約束。設B（t）表示t時段內系統B的總負荷；Z（t）表示同時段內系統的旋轉備用容量[9]，則功率平衡安全約束和旋轉備用安全約束條件可設置為：

式中：n表示約束次數。通過上述公式完成對系統安全約束條件的設置，保證電網運行損耗優化控制系統在上述安全約束條件的限制下平穩運行。

2.3 優化電網運行損耗控制參數

在完成約束條件設置的基礎上，優化電網運行損耗控制參數，利用小信號穩定性分析法實現控制參數的優化，使控制系統在遭受小干擾時，可以保持系統同步運行的能力。小信號穩定性分析方法圍繞控制系統狀態矩陣的基本特征展開，根據狀態矩陣得到的系統特征值為：

式中：φ表示描述系統特征值的參數；I表示離散參數；k表示系統狀態矩陣[10]。引入優化指標重新整理式（4），得到全新的特征參數：

式中：β表示離散后引入的約定參數；λ表示振蕩幅值。已知該特征值φ所對應的振蕩模式可描述為式（6）的形式：

其中：hφ表示特征值φ的振蕩模量；ω表示權重指數；t表示振蕩時段；ε表示特約參量。當λ＜0時，特征值實部對應振蕩幅值，虛部對應振蕩頻率，則有：

根據時間的變化特性，當振蕩的幅值趨近于0時，振蕩呈現衰減狀態，則衰減速度的阻尼比為：

其中：Wn表示n個振蕩模式的參與狀態。根據振蕩頻率，結合式（8）和式（9），計算振蕩幅值的靈敏度指標為：

式中：f[*]表示靈敏度計量函數；e表示常數值。當s≥0.95時，實現對控制參數λ的優化[12]。

2.4 設計電網運行損耗分層控制模式

根據控制規則、安全約束條件以及優化后的控制參數，設計電網運行損耗分層控制模式。分層控制模式可分為兩大類，包括有功功率分配和無功功率分配[13]。

已知現有條件下，電網系統在穩態運行中所有逆變器的運行頻率相同，即存在：

根據電網運行損耗一般控制方程，得出有功功率分配控制模式：

但由于電網中的逆變器與系統公共母線之間在線路阻抗上存在電壓不同、負荷分布不均勻的問題，導致逆變器虛擬輸出電壓也不相同，圖3為優化阻尼比后，兩電網并聯運行的等效模型示意圖[14]。

圖3中，優化后的控制參數和設置的安全約束條件在一定程度上抵消了干擾數據，因此得到無功率分配控制方程為：

圖3 電網并聯運行的等效模型

式中：Q0表示初始運行功率；Qn表示所有逆變器的總運行功率；x表示分配系數；Δx表示約束后的分配值；μ表示分批基準[15]。通過上述兩個層面的電網功率分配模式設計，實現對電網運行損耗的分層控制，至此在考慮安全約束條件下，電網運行損耗優化控制系統設計完畢。

3 實驗測試

為驗證設計的優化控制系統的穩定性，提出實驗測試要求，檢驗考慮安全約束條件下，所設計優化控制系統的穩定性。為了讓實驗測試結果更具有說服力，將該系統與傳統控制系統進行對比，根據對比分析結果，得出具體實驗結論。

3.1 實驗準備

建立實驗測試平臺，將監控設備、主站控器、從站控制器、逆變器以及各個通訊器，與測試計算機之間建立連接，搭建的實驗測試環境如圖4所示。

圖4 實驗測試環境

實驗測試系統，從主站服務器的實時數據庫中將電網運行損耗數據提取至工作站，確保系統控制程序在工作站中正常運行。設置實時測試數據提取程序，按照該程序得出兩個電網運行損耗控制系統的測試結果。實驗共分成兩組進行，其中A組為測試實驗組，B組為測試對照組，每一組均進行3次損耗控制實驗測試，每次實驗測試時間分別設定為12小時、24小時和48小時。

3.2 結果分析

設置文中設計的控制系統為實驗A組，傳統設計方法下的控制系統為對照B組，圖5為實驗測試對比結果。

根據上述3組測試結果可知，文中設計的電網運行損耗優化控制系統，在3個運行時段的測試下，其穩定性指標一致保持相對平穩的狀態。而傳統設計方法下的電網運行損耗控制系統，在0～48小時的3段檢測內，其穩定性曲線波動越來越劇烈，只在12小時測試內，有較為穩定的測試結果，超出該時段后，該系統波動較大，無法控制自身運行的穩定性，導致無法合理控制電網運行損耗。上述結果說明，文中設計系統的控制穩定性較好，能夠實現電網運行損耗的優化控制[16]。這是由于該系統根據優化后的控制參數和設置的安全約束條件，在一定程度上抵消了干擾數據，從而提高了控制結果的穩定性。

為了進一步驗證文中設計系統的應用效果，以抗干擾性為實驗指標，對傳統系統和文中設計系統進行比較，結果如圖6所示。其中，抗干擾性用數值進行表示，數值越大，表示抗干擾性能越好。

圖6 抗干擾性實驗測試對比結果

分析圖6可知，文中設計的系統在實驗測試時間內，抗干擾系數明顯高于傳統系統，并且變化波動較小，相比較之下，傳統系統的波動較大，說明文中設計的系統能夠抵御外界干擾因素帶來的影響，保障電網的穩定運行，進一步說明了考慮安全約束條件的電網運行損耗優化控制系統的有效性。

4 結束語

文中設計的電網運行損耗控制系統，在傳統系統設計的基礎上，通過設定一系列穩定性指標或因素，增加系統在執行控制任務時的運行穩定性，使系統可以處在一個長時間穩定的工作狀態，實現了系統的運行安全，保證電網運行損耗的有效控制。但設計的系統沒有著重說明軟件的兼容性，在今后的研究工作中，可以針對這一問題展開討論。