基于GPRS的配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化控制策略研究

陳蒙偉，章堅(jiān)民，2*，徐謙，吳鑫淼，葉義

（1.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018；2.浙江創(chuàng)維自動(dòng)化工程有限公司，浙江杭州310012；3.浙江省電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，浙江杭州310007）

0 引言

對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功優(yōu)化是改善電能質(zhì)量、提高電壓合格率、降低線損、減少碳排放和提高供電企業(yè)利潤(rùn)的重要技術(shù)手段之一。國(guó)內(nèi)外對(duì)配電網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化做了大量的研究，但以前的研究往往注重優(yōu)化方法本身，對(duì)于已裝有補(bǔ)償電容器的配電網(wǎng)，尚未能提出在實(shí)際運(yùn)行中靈活有效的控制策略。文獻(xiàn)［1］利用調(diào)度自動(dòng)化（SCADA）系統(tǒng)提供的有限線路運(yùn)行參數(shù)和補(bǔ)償電容器運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)的電壓和功率因數(shù)來(lái)自動(dòng)控制電容器的投切，但這樣實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)法確定電容器投切次數(shù)，也無(wú)法考慮區(qū)域范圍的無(wú)功控制。文獻(xiàn)［2］中的分時(shí)段無(wú)功研究對(duì)補(bǔ)償電容器采取實(shí)時(shí)自動(dòng)控制的方法，這樣難以顧及負(fù)荷的全局變化，在實(shí)際運(yùn)行中存在一系列問題。文獻(xiàn)［3］將控制變量的動(dòng)作次數(shù)約束通過調(diào)解代價(jià)還原為經(jīng)濟(jì)成本，并與當(dāng)前時(shí)段下的電能損失費(fèi)用共同構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，該建模方法較簡(jiǎn)單，其帶來(lái)的計(jì)算快速的特性適用于在線環(huán)境，但是無(wú)功優(yōu)化是按照全天計(jì)算整點(diǎn)24次，該方法難以顧及負(fù)荷的全局變化，存在運(yùn)行的問題。

無(wú)線通信以其方便、快捷和廉價(jià)的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)了有線通信的不足，尤其是覆蓋全國(guó)的通用分組無(wú)線電業(yè)務(wù)（GPRS）網(wǎng)絡(luò)已成為一種可持續(xù)利用和開發(fā)的資源［4］。

本研究以實(shí)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和預(yù)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并通過GPRS信道進(jìn)行傳送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和命令數(shù)據(jù)，從而構(gòu)建一種基于GPRS的配電網(wǎng)電容器投切策略。這樣可以從當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的無(wú)功功率預(yù)優(yōu)化和在線實(shí)時(shí)無(wú)功優(yōu)化控制，在保證運(yùn)行電壓合格率的同時(shí)使系統(tǒng)的有功損耗最小，使系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益同時(shí)達(dá)到最佳。

1 硬件模型構(gòu)成

1.1 硬件構(gòu)成

近年來(lái)出現(xiàn)的智能電容器技術(shù)，就是集電容器組、復(fù)合開關(guān)、控制與通信于一體的無(wú)功補(bǔ)償裝置，開始在配網(wǎng)公變低壓側(cè)安裝應(yīng)用，專變用戶采用隨器補(bǔ)償，變電站采用母線的集中無(wú)功補(bǔ)償，因此配電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng)漸趨完備?；贕PRS數(shù)據(jù)通信的配電臺(tái)區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1中，配變側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償裝置接入配變終端，通過GPRS與控制中心實(shí)現(xiàn)通信，使得各配變低壓側(cè)的無(wú)功補(bǔ)償裝置具有了通信通道，因此形成了配電線路乃至整個(gè)配網(wǎng)的無(wú)功優(yōu)化計(jì)算和控制、調(diào)度的通信平臺(tái)。

1.2 通信模塊及其組網(wǎng)方式

圖1 基于GPRS數(shù)據(jù)通信的配電臺(tái)區(qū)示意圖

本研究通過GPRS單元無(wú)線方式進(jìn)行組網(wǎng)［5］，系統(tǒng)通過安裝在低壓側(cè)的智能節(jié)點(diǎn)全天候?qū)崟r(shí)采集各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電參量和節(jié)點(diǎn)自身的運(yùn)行狀況，配電網(wǎng)數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的預(yù)處理并將數(shù)據(jù)打成IP包后，再通過GPRS空中接口傳入到GPRS網(wǎng)，最后通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端到達(dá)數(shù)據(jù)分析處理總站。主站對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析優(yōu)化計(jì)算后，再以指令方式通過GPRS對(duì)必要的智能節(jié)點(diǎn)做電壓無(wú)功調(diào)節(jié)控制，研究者可通過對(duì)配電變電站的主機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢，了解電網(wǎng)的歷史運(yùn)營(yíng)狀況，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高度自動(dòng)化。這種方式穩(wěn)定性較強(qiáng)，而且性價(jià)比好。

2 優(yōu)化模型和算法

2.1 優(yōu)化模型

本研究只考慮配電網(wǎng)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(wú)功補(bǔ)償裝置，采用一般的配電網(wǎng)優(yōu)化模型［6］。

2.2 禁忌搜索（TS）算法和序優(yōu)化理論

TS［7］是一種高效的啟發(fā)式優(yōu)化技術(shù)，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(fù)進(jìn)入，這樣就有效地防止了搜索過程的循環(huán)。TS算法［8］主要包括2個(gè)重要思想：①用排序比較代替精確求值比較；②目標(biāo)軟化，即當(dāng)精確求解問題的最優(yōu)解在計(jì)算量上較大時(shí)，從工程角度出發(fā)，最終結(jié)果可以放松到足夠好解即可，從而提高計(jì)算速度。

2.3 基于序優(yōu)化理論構(gòu)建無(wú)功優(yōu)化粗糙評(píng)估模型

序優(yōu)化理論的一個(gè)重要思想是目標(biāo)軟化，而配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù)是全天內(nèi)的總網(wǎng)損，顯然其值取決于潮流。若潮流計(jì)算程序運(yùn)行到算法收斂為止，此時(shí)計(jì)算所得目標(biāo)函數(shù)值是精確的。本研究采用配電網(wǎng)前推回代潮流計(jì)算，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)收斂精度ε＝0.0001時(shí)，潮流計(jì)算程序需運(yùn)行4～5步才能收斂。

根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，本研究按如下方式構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)值的粗糙評(píng)估模型：運(yùn)行1步潮流計(jì)算程序計(jì)算目標(biāo)函數(shù)值，因而此時(shí)計(jì)算所得的目標(biāo)函數(shù)值是不精確的，即粗糙的。通過這種粗糙的潮流計(jì)算替代原來(lái)精確的潮流計(jì)算方式，可以減少運(yùn)行步驟和時(shí)間。文獻(xiàn)［9］分析了無(wú)功優(yōu)化粗糙評(píng)估模型有效性。

2.4 動(dòng)態(tài)無(wú)功電壓在線優(yōu)化控制算法流程

考慮分段法帶來(lái)的時(shí)空解耦，本研究充分研究了分段法的應(yīng)用。設(shè)現(xiàn)時(shí)刻為tp，求解步驟如下：

（1）初始化，輸入網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼皵?shù)據(jù)等；

（2）獲取tp時(shí)刻系統(tǒng)的所有狀態(tài)和約束（如果有刷新），及未來(lái)t∈[tp~Tn]的負(fù)荷預(yù)測(cè)。將t按照預(yù)測(cè)負(fù)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(fù)荷（即第S大段下各時(shí)段負(fù)荷加權(quán)求平均），并對(duì)其平均負(fù)荷潮流用TS算法進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，迭代至指定次數(shù)后得到一組最優(yōu)解，其中潮流計(jì)算采用粗糙計(jì)算，記錄下最優(yōu)個(gè)體。

（4）把該電容器投切方案代入該大段中各負(fù)荷段（第S大段中的各時(shí)段負(fù)荷）進(jìn)行逐一地解配網(wǎng)潮流，進(jìn)行完整的潮流計(jì)算，計(jì)算出各時(shí)段的損耗和電壓。

（5）若所有負(fù)荷段都已計(jì)算完畢，轉(zhuǎn)向步驟（6），否則轉(zhuǎn)向步驟（3），計(jì)算下一個(gè)(S=S+1)負(fù)荷段。

（6）輸出各時(shí)段補(bǔ)償電容的投入容量和總有功損耗。

3 策略設(shè)計(jì)

3.1 目前電壓無(wú)功控制策略存在的問題

目前的控制策略主要是：根據(jù)電網(wǎng)的典型日負(fù)荷運(yùn)行曲線，將日負(fù)荷劃分為多個(gè)負(fù)荷時(shí)段，在不同時(shí)段采取不同的電壓無(wú)功整定值。顯然，這種策略是基于負(fù)荷的歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其優(yōu)化值只能隨時(shí)間按典型日負(fù)荷曲線要求發(fā)生改變。由于負(fù)荷的季節(jié)性、地區(qū)性差別以及休假日和工作日的差異，勢(shì)必造成電壓無(wú)功控制的滯后效應(yīng)或盲目、頻繁動(dòng)作，甚至發(fā)生誤動(dòng)作，影響系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定。

3.2 無(wú)功控制總策略設(shè)計(jì)

本研究提出了一種基于GPRS的實(shí)時(shí)無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略，以達(dá)到配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化控制的目的。該策略分為兩個(gè)階段：

（1）在地區(qū)配電網(wǎng)無(wú)功優(yōu)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入短期和超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)，并根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷曲線變化趨勢(shì)，將一個(gè)調(diào)度周期（24 h）內(nèi)的負(fù)荷分成幾個(gè)負(fù)荷水平時(shí)段，進(jìn)行基于負(fù)荷預(yù)測(cè)的無(wú)功電壓控制策略調(diào)整，得到電容器投切的基本調(diào)度時(shí)間表；

（2）每個(gè)電容器按照調(diào)度時(shí)間表進(jìn)行基本方案的投切，同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)配電網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的情況，如果網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較預(yù)測(cè)負(fù)荷有大幅度波動(dòng)或者節(jié)點(diǎn)電壓越限，則通過采集到的負(fù)荷實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新無(wú)功優(yōu)化計(jì)算，產(chǎn)生電容器新的投切方案，反之按原方案執(zhí)行。

無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略流程如圖2所示。

圖2 基于GPRS的實(shí)時(shí)無(wú)功協(xié)調(diào)控制策略

4 算例分析

4.1 算例數(shù)據(jù)

本研究以34節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、節(jié)點(diǎn)負(fù)荷數(shù)據(jù)見文獻(xiàn)［10］，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 配電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)該系統(tǒng)電容器組配置位置及容量如表1所示。

表1 電容器組數(shù)據(jù)

4.2 算例模擬條件

筆者運(yùn)用Matlab進(jìn)行仿真計(jì)算來(lái)檢驗(yàn)本研究所提出策略的有效性。

預(yù)測(cè)負(fù)荷模式數(shù)據(jù)如圖4所示。

圖4 預(yù)測(cè)負(fù)荷模式數(shù)據(jù)

為了模擬負(fù)荷波動(dòng)，本研究假設(shè)了2個(gè)前提：①假設(shè)負(fù)荷以正態(tài)分布N(un,σ2)的概率發(fā)生波動(dòng)，其中un為根據(jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)得到的每小時(shí)負(fù)荷平均值，σ為模擬設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)差；②假設(shè)負(fù)荷每15 min波動(dòng)一次，這樣相當(dāng)于在一天內(nèi)模擬96次負(fù)荷波動(dòng)。

4.3 算例分析

在初始預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)運(yùn)行狀態(tài)下，系統(tǒng)總有功網(wǎng)損為4.096 MW。本研究采用預(yù)測(cè)負(fù)荷合理分段來(lái)達(dá)到對(duì)動(dòng)作約束的時(shí)空解耦，8分段無(wú)功優(yōu)化動(dòng)作次數(shù)比較如表2所示。

表2 8分段無(wú)功優(yōu)化動(dòng)作次數(shù)比較

表2中，8時(shí)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(jì)算得到的系統(tǒng)網(wǎng)損為2.911 MW，網(wǎng)損下降率為28.73%。由表2可見，優(yōu)化結(jié)果電容器一天內(nèi)投切次數(shù)最多為3次，從而有效地減少個(gè)電容器的投切次數(shù)，說(shuō)明了基于預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)無(wú)功優(yōu)化有較好的效果（其中編號(hào)Cn-m代表電容器組裝在的節(jié)點(diǎn)n上的第m個(gè)電容器）。

在8分段預(yù)優(yōu)化基礎(chǔ)上加入模擬實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的無(wú)功優(yōu)化仿真結(jié)果比較如表3、表4所示。

將該算法應(yīng)用于該系統(tǒng)，計(jì)算一次靜態(tài)無(wú)功優(yōu)化需要的時(shí)間是0.35 s，滿足系統(tǒng)在線計(jì)算的時(shí)間需求。表3顯示了以N(un,0.1)的概率發(fā)生負(fù)荷波動(dòng)對(duì)電容器設(shè)備動(dòng)作次數(shù)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(fù)荷量占原預(yù)測(cè)負(fù)荷的比值體現(xiàn)的。表3中數(shù)據(jù)顯示，設(shè)定的差值越小則所帶來(lái)的電容器投切次數(shù)會(huì)增加，反之亦反。表4中比較了該配電網(wǎng)絡(luò)按原補(bǔ)償量和重新優(yōu)化計(jì)算后的補(bǔ)償量這兩種方式補(bǔ)償，所產(chǎn)生的不同網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電壓和有功損耗。在升降10%、20%、30%負(fù)荷時(shí)，若按原來(lái)電容器方案投切，就會(huì)帶來(lái)不同程度的電壓和損耗問題，而在采取重新優(yōu)化計(jì)算后，節(jié)點(diǎn)最低電壓和有功損耗都有明顯的改善，因此在檢測(cè)出負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí)應(yīng)用上述無(wú)功控制策略是有必要的。

綜合表3、表4可見，在負(fù)荷波動(dòng)概率一定的情況下，若比較的差值設(shè)定的太小，則帶來(lái)電容器動(dòng)作次數(shù)大量增加；反之，顯然電容器動(dòng)作次數(shù)增加不會(huì)太明顯，但會(huì)造成策略對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)的協(xié)調(diào)能力降低。因此應(yīng)當(dāng)綜合考慮電容器動(dòng)作次數(shù)和負(fù)荷波動(dòng)大小給電網(wǎng)造成影響的程度，以合理設(shè)定該策略的比較差值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究提出了一種在預(yù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上進(jìn)行在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制的無(wú)功電壓優(yōu)化策略，具有如下特點(diǎn)：

（1）預(yù)優(yōu)化控制引入在線實(shí)時(shí)優(yōu)化控制策略，能綜合考慮負(fù)荷波動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況，在較短時(shí)間內(nèi)給出優(yōu)化效果良好的無(wú)功調(diào)度方案。

（2）GPRS具有實(shí)時(shí)性好、可靠性高、投資小的特點(diǎn)，為配電網(wǎng)區(qū)域無(wú)功優(yōu)化提供了新的平臺(tái)、新的選擇。

（3）調(diào)度員可以按照調(diào)度需要和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的改變來(lái)調(diào)整設(shè)定比較的差值，使得整個(gè)無(wú)功優(yōu)化系統(tǒng)更實(shí)用。

表3 負(fù)荷波動(dòng)對(duì)設(shè)備動(dòng)作次數(shù)的影響

表4 兩種補(bǔ)償方式下的最低電壓和網(wǎng)損的比較

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