農(nóng)網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制系統(tǒng)的研究

賴偉源 （廣東省高級技工學(xué)校廣州校區(qū)，廣東 廣州 510800）

近幾年隨著農(nóng)電系統(tǒng)的大力改造和發(fā)展，農(nóng)網(wǎng)或縣級供電企業(yè)在調(diào)度自動化、變電站綜合自動化等電力自動化水平上得到了空前和飛速的發(fā)展。迄今為止，農(nóng)網(wǎng)各級變電站基本上均安裝了電壓無功控制裝置，但上述電壓無功控制裝置最大限度只能實現(xiàn)局部電壓無功優(yōu)化控制，局部的電壓無功優(yōu)化策略與基于全局的電壓無功優(yōu)化策略有可能得出不同甚至完全相反的結(jié)論。局部電壓無功優(yōu)化的主要目的或作用是維持局部電壓的質(zhì)量；全局電壓無功優(yōu)化的主要目的或作用是在維持系統(tǒng)電壓質(zhì)量的前提下，盡可能使網(wǎng)損最小。

農(nóng)網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制管理系統(tǒng)通過調(diào)度自動化SCADA系統(tǒng)采集全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行電壓、支路無功功率和有功功率等實時數(shù)據(jù)，以電網(wǎng)有功功率損耗最少為目標(biāo)，以各節(jié)點(diǎn)電壓合格、系統(tǒng)潮流平衡等為約束條件，進(jìn)行綜合優(yōu)化處理后，形成有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)和無功補(bǔ)償設(shè)備投切控制指令，從而實現(xiàn)全局電壓無功優(yōu)化的目的。系統(tǒng)可以從全網(wǎng)角度有效地實現(xiàn)電網(wǎng)無功電壓的優(yōu)化與實時閉環(huán)控制，降低電網(wǎng)電能損耗，提高電網(wǎng)電壓質(zhì)量，增加電網(wǎng)設(shè)備輸電能力。

1 電網(wǎng)無功優(yōu)化計算方法概述

電力系統(tǒng)電壓/無功優(yōu)化計算方法，從本質(zhì)上講是一種大規(guī)模非線性約束條件下的極優(yōu)求解問題。

若將解析法與直接法（或搜索法）兩者相結(jié)合，則基本上可以實現(xiàn)上述目的。為此，我們選擇了由國外研究人員提出的序列二次規(guī)劃計算方法（Sequential Quadratic Programming）。順序二次規(guī)劃計算方法具有解析法和直接法等兩類方法的優(yōu)點(diǎn)，它不用解析列出梯度函數(shù)方程以及求解海賽矩陣，也不用像內(nèi)點(diǎn)法或外點(diǎn)法一樣要求解一系列的無約束極小問題，而是通過自適應(yīng)有限差分方法（Finite-differencing Derivatives）來自動計算梯度函數(shù)。

在農(nóng)網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制系統(tǒng)中，直接調(diào)用MATLAB/Optimization Toolbox這一商業(yè)化的優(yōu)化計算工具包來實現(xiàn)無功優(yōu)化計算。該優(yōu)化計算工具包中具有通用的、經(jīng)多方面反復(fù)測試過的SQP（序列二次規(guī)劃計算方法）求解程序。

圖1 無功優(yōu)化計算程序流程圖

2 系統(tǒng)運(yùn)行模式

農(nóng)網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制管理系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)版軟件，而且是基于3層（數(shù)據(jù)庫服務(wù)器—應(yīng)用服務(wù)器—客戶端）分布的應(yīng)用系統(tǒng)模式，并支持廣域網(wǎng)（遠(yuǎn)程客戶端）應(yīng)用。

系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖2所示。

3 系統(tǒng)的主要功能

3.1 一體化電網(wǎng)繪圖與拓?fù)浣?/h3>

主要是為用戶提供一種“可視化”的定義、描述、繪制電網(wǎng)的工具。電網(wǎng)圖形的繪制可直接根據(jù)系統(tǒng)提供的工具進(jìn)行操作，配網(wǎng)、臺區(qū)兩層電網(wǎng)既可各自繪制，也可一體化繪制。

3.2 數(shù)據(jù)接口

農(nóng)網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制管理系統(tǒng)作為一個專業(yè)應(yīng)用軟件，既與SCADA系統(tǒng)互聯(lián)，以提取相關(guān)信息，同時又應(yīng)該保持SCADA系統(tǒng)的相對獨(dú)立性。

圖2 農(nóng)網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制管理系統(tǒng)運(yùn)行模式

在農(nóng)網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制管理系統(tǒng)中我們采取的是單向數(shù)據(jù)接口設(shè)計，SCADA系統(tǒng)所采集的實時信息由前置機(jī)直接發(fā)送到無功優(yōu)化系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)庫中。該實時數(shù)據(jù)與SCADA系統(tǒng)界面所顯示的實時數(shù)據(jù)是完全同步的，并且這種采集方式只具有單向性，采集行為不影響調(diào)度系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3 網(wǎng)損分析

（1）實時網(wǎng)損分析

可計算全網(wǎng)、各線路、各變壓器的理論、統(tǒng)計功率（有功、無功）損耗，并可查看具體的計算過程。

（2）實時網(wǎng)損統(tǒng)計分析

可對電網(wǎng)的理論、統(tǒng)計功率（有功、無功）損耗進(jìn)行相互對比分析；可將分析結(jié)果以圖形（餅圖、柱圖、點(diǎn)圖）和數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行顯示。

（3）網(wǎng)損變化趨勢分析

將電網(wǎng)有功功率損耗變化趨勢和電網(wǎng)無功功率損耗變化趨勢以波形圖的方式顯示出來進(jìn)行系統(tǒng)分析。

3.4 電壓無功優(yōu)化

通過調(diào)度自動化SCADA系統(tǒng)采集全網(wǎng)各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行電壓、支路無功功率和有功功率等實時數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合優(yōu)化處理后，形成有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)調(diào)節(jié)和無功補(bǔ)償設(shè)備投切控制指令，從而實現(xiàn)全局電壓/無功優(yōu)化的目的。

系統(tǒng)分析全網(wǎng)在運(yùn)行的設(shè)備和線路的損耗方程式，調(diào)用優(yōu)化工具進(jìn)行計算，實時計算出電壓/無功優(yōu)化控制策略，并用圖形的方式顯示每次迭代計算的結(jié)果，給用戶計算過程的直觀顯示，輸出求解結(jié)果，給出電壓/無功優(yōu)化控制指令。

4 實際應(yīng)用注意事項

4.1 電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)的更新

從目前農(nóng)網(wǎng)的實際情況看，電網(wǎng)的基本參數(shù)基本上可以保證其準(zhǔn)確性。電網(wǎng)運(yùn)行參數(shù)中有載調(diào)壓側(cè)檔位也基本上可以實時采集上來。但無載調(diào)壓側(cè)的檔位，目前還需要人工錄入和適時修改。此外，變電站內(nèi)主變設(shè)備、站外線路等發(fā)生改變時，也需要在程序中對相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行修改。

4.2 遙調(diào)、遙控問題

當(dāng)采用系統(tǒng)優(yōu)化計算方法這種控制策略時，當(dāng)值調(diào)度員應(yīng)該理解這一新的控制方法與傳統(tǒng)方法的不同之處：

（1）傳統(tǒng)方法在實施遙調(diào)、遙控時所涉及的設(shè)備（主變、電容器）基本上是單一的，即只涉及遙調(diào)一個主變分接開關(guān)或遙控一組母線電容器的投切問題；

（2）采用系統(tǒng)無功優(yōu)化計算方法這種策略時，優(yōu)化計算出來的結(jié)果一般涉及對所有有載分接開關(guān)、所有母線補(bǔ)償電容器的遙調(diào)和遙控問題。

因此，當(dāng)采用新的控制策略時，當(dāng)值調(diào)度員應(yīng)具備電力系統(tǒng)無功優(yōu)化計算的一些基本理論知識。優(yōu)化計算結(jié)果求解出來后，遙調(diào)、遙控的實現(xiàn)最好循序漸進(jìn)，由人工干預(yù)執(zhí)行遙調(diào)、遙控到最終的閉環(huán)自動遙調(diào)、遙控。

5 結(jié)論與展望

農(nóng)網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制管理系統(tǒng)是一個全新的電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制方式。根據(jù)現(xiàn)場試運(yùn)行的情況，若采用優(yōu)化計算程序，電網(wǎng)有功功率損耗在理論上可以減少10%～30%左右。概括起來，農(nóng)網(wǎng)電壓及無功優(yōu)化控制管理系統(tǒng)具有以下幾個方面的作用或效益：

(1）減少電網(wǎng)電能損耗，降損節(jié)能。

(2）綜合考慮了所有電壓/無功調(diào)節(jié)手段，提高了設(shè)備或裝置的利用率和利用效果。

(3）為電網(wǎng)配置電壓/無功調(diào)節(jié)設(shè)備提供了一個新的、科學(xué)的工具。

(4）可以節(jié)省電網(wǎng)自動化建設(shè)方面的投資。

很顯然，若電網(wǎng)全部采用VQC控制方式，則投資遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一個電網(wǎng)只購置一套無功優(yōu)化計算軟件的投資。同時，由于本控制系統(tǒng)不額外增加任何硬件裝置，可以免除大量的現(xiàn)場硬件維護(hù)，從而節(jié)省維護(hù)費(fèi)用。