地區(qū)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度輔助決策系統(tǒng)

侯廣松，徐愛(ài)軍，王朝明

(1.菏澤供電公司，山東 菏澤274016；2.河海大學(xué)，江蘇 南京210098；3.南京軟核科技有限公司，江蘇南京210012)

地區(qū)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，實(shí)質(zhì)是節(jié)能調(diào)度，就是在現(xiàn)有電網(wǎng)結(jié)構(gòu)條件下，通過(guò)調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式減少電能損耗，從而獲得節(jié)電效益的調(diào)度方式。地區(qū)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的前提是變電站具備2臺(tái)及以上主變，并具備2路及以上電源進(jìn)線，電網(wǎng)運(yùn)行方式選擇增多。經(jīng)濟(jì)調(diào)度理念的發(fā)展，經(jīng)歷了從經(jīng)驗(yàn)判斷到科學(xué)分析[1]、從變電站到網(wǎng)[2]的過(guò)程，用于電網(wǎng)線損分析計(jì)算的軟件已成熟[3]并在各級(jí)電網(wǎng)經(jīng)營(yíng)企業(yè)投入使用。目前，電能綜合管理系統(tǒng)（EMS）已在各級(jí)電網(wǎng)調(diào)度機(jī)構(gòu)普遍投入運(yùn)行，電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度也將從離線分析進(jìn)入實(shí)時(shí)分析階段，為調(diào)度運(yùn)行人員經(jīng)濟(jì)調(diào)度提供在線的輔助決策。變壓器的在線經(jīng)濟(jì)運(yùn)行控制已投入實(shí)用[4]，在線的全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度系統(tǒng)也必將進(jìn)入實(shí)用階段。文中提出了一種用于地區(qū)級(jí)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度決策系統(tǒng)方案。

1 全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原理

地區(qū)電網(wǎng)在節(jié)能發(fā)電調(diào)度確定的220 kV和500 kV網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化220 kV及以下變電站內(nèi)的變壓器經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、110 kV線路及以下的線路經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和AVC系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)的全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。隨著分布式電源的逐步接入，地方小電廠也逐步增多，分布式電源的優(yōu)化調(diào)度也將納入到全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的范疇內(nèi)。

有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行方式的骨架。運(yùn)行方式人員的主要工作就是在安全約束的前提下，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。無(wú)功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行是在有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)功潮流的進(jìn)一步優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)電壓合格率滿足考核的目標(biāo)下，通過(guò)電容器和分接頭檔位的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)無(wú)功潮流的優(yōu)化分布，從而實(shí)現(xiàn)降損節(jié)能的目標(biāo)。從全局考慮電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，即將有關(guān)于全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的元素綜合考慮，有著重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值，全網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析的過(guò)程如圖1。

地區(qū)電網(wǎng)的運(yùn)行方式有其自身的特點(diǎn)。一般而言，地區(qū)電網(wǎng)220 kV變電站及以下的變電站，呈輻射狀結(jié)構(gòu)。有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的關(guān)鍵在于有功的均衡分布。均衡分布有幾個(gè)層面：同一斷面下、同一電壓等級(jí)下，不同變電站有功的均衡分布；不同斷面下，同一變電站有功的均衡分布；不同相的有功均衡分布。

有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行涉及到電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的改變，因此傳統(tǒng)的最優(yōu)潮流方法并不適用。有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行時(shí)，變壓器開(kāi)關(guān)投切、線路開(kāi)關(guān)投切等均為離散量，故特定斷面的有功優(yōu)化問(wèn)題本質(zhì)上是一個(gè)大規(guī)模非線性整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題。文中采用基于遺傳算法結(jié)合專家系統(tǒng)規(guī)則的模式實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的有功經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，如圖2所示。

系統(tǒng)的無(wú)功功率對(duì)電壓影響極大，無(wú)功功率不足，將引起電網(wǎng)電壓下降，而無(wú)功過(guò)剩將引起電網(wǎng)電壓偏高，合理調(diào)整變壓器分接頭，是提高電網(wǎng)電壓水平的一種調(diào)壓手段，但其作用僅僅是通過(guò)改變電網(wǎng)中的無(wú)功潮流分布來(lái)提高局部的電壓水平。要維持整個(gè)系統(tǒng)的電壓水平，除了必需有足夠的無(wú)功補(bǔ)償容量、實(shí)行無(wú)功分區(qū)分壓就地平衡外，還要有足夠的無(wú)功備用容量，以保證負(fù)荷增加后的電壓質(zhì)量。

非線性混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題的求解應(yīng)充分利用非線性混合整數(shù)規(guī)劃領(lǐng)域的最新研究成果，采用分枝定界法結(jié)合原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法求解大規(guī)模非線性混合整數(shù)規(guī)劃問(wèn)題，即采用分枝定界法進(jìn)行離散量?jī)?yōu)化，采用原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法進(jìn)行連續(xù)量?jī)?yōu)化。

原對(duì)偶內(nèi)點(diǎn)法實(shí)際上是對(duì)常規(guī)內(nèi)點(diǎn)法的一種改進(jìn)。其基本思路是：引入松弛變量將函數(shù)不等式約束化為等式約束及變量不等式約束；用拉格朗日乘子法處理等式約束條件，用內(nèi)點(diǎn)障礙函數(shù)法及制約步長(zhǎng)法處理變量不等式約束條件；導(dǎo)出引入障礙函數(shù)后的庫(kù)恩－圖克最優(yōu)性條件，并用牛頓－拉夫遜法進(jìn)行求解；取足夠大的初始障礙因子以保證解的可行性，而后逐漸減小障礙因子以保證解的最優(yōu)性。首先考慮如下的非線性規(guī)劃問(wèn)題：

式中：x為n維向量；h為m維向量；g為r維向量。

引入松弛變量將不等式約束化為等式約束及變量不等式約束，即將式（3）改為：

2 工程實(shí)現(xiàn)

2.1 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行理論的工程簡(jiǎn)化

對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原理加一定的約束條件使計(jì)算簡(jiǎn)化：（1）對(duì)主變高壓側(cè)并列的變電站按主變壓器的經(jīng)濟(jì)特性擇優(yōu)選擇，在輸電網(wǎng)潮流優(yōu)化計(jì)算中將變電站高壓側(cè)負(fù)荷按照恒功率處理。（2）將地區(qū)電網(wǎng)根據(jù)輸電變電站電源的不同劃分為幾個(gè)不同的區(qū)域，分區(qū)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算以減少計(jì)算量。（3）根據(jù)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)考慮繼電保護(hù)配合等因素置入約束條件以濾除不可能的分區(qū)方式。（4）分區(qū)按各種可能的運(yùn)行方式計(jì)算輸電網(wǎng)有功損耗擇優(yōu)。（5）不考慮變壓器調(diào)檔和電容器投停，在計(jì)算時(shí)按主變檔位和電容器的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)不變（因無(wú)功優(yōu)化為單獨(dú)系統(tǒng)）。

2.2 接駁方式

電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行系統(tǒng)與SCADA系統(tǒng)及電能表集抄系統(tǒng)接駁，如圖3所示。因主要由調(diào)度值班人員用于實(shí)時(shí)調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式降低電網(wǎng)損耗，系統(tǒng)直接接入SCADA系統(tǒng)，與電能表集抄系統(tǒng)接口及運(yùn)行方式、線損專工管理工作站均通過(guò)二次防護(hù)系統(tǒng)隔離。

2.3 實(shí)現(xiàn)功能

2.3.1 自動(dòng)采集與數(shù)據(jù)處理功能

（1）通過(guò)與SCADA系統(tǒng)的接口采集到所需的電網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)量，作為狀態(tài)估計(jì)、潮流分析、拓樸分析、自動(dòng)分區(qū)等計(jì)算的數(shù)據(jù)依據(jù)。（2）具有隨時(shí)招測(cè)電能表集抄系統(tǒng)采集終端數(shù)據(jù)功能，可自由定義定時(shí)采集的周期和起始時(shí)間、重復(fù)招測(cè)的次數(shù)、抄表數(shù)據(jù)范圍。設(shè)置定時(shí)自動(dòng)招測(cè)時(shí)間為每日零點(diǎn)，周期為上次零點(diǎn)至本次零點(diǎn)24 h。（3）對(duì)無(wú)法招測(cè)的表計(jì)，系統(tǒng)以不同方式發(fā)出報(bào)警，以便進(jìn)行人工招抄。對(duì)未能抄錄的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)恢復(fù)正常時(shí)能自動(dòng)補(bǔ)測(cè)，以保證數(shù)據(jù)的完整性和連續(xù)性。（4）提供多種修補(bǔ)數(shù)據(jù)的方法，但對(duì)所修補(bǔ)的數(shù)據(jù)加以標(biāo)記，以保證原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和不可修改性。（5）采集的電能量數(shù)據(jù)帶時(shí)標(biāo)存入原始數(shù)據(jù)庫(kù)。（6）對(duì)自SCADA所采集數(shù)據(jù)，參照電能表數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行處理接近真實(shí)數(shù)據(jù)。

2.3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析功能

系統(tǒng)對(duì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，應(yīng)具備以下統(tǒng)計(jì)分析功能：（1）變電站的96點(diǎn)和24點(diǎn)有功、無(wú)功日負(fù)荷曲線記錄。（2）變電站年、月、日最大、最小、平均有功、無(wú)功負(fù)荷分析。（3）變電站有功、無(wú)功日電量記錄，年、月最大、最小、平均日電量分析。

2.3.3 網(wǎng)損實(shí)時(shí)計(jì)算

將有功損耗進(jìn)行積分，就能得到一個(gè)元件、一站、一片及全網(wǎng)一天的有功損耗電量、，繼而得到每月、每年的全網(wǎng)有功損耗電量。

2.3.4 定時(shí)優(yōu)化的功能

為減少系統(tǒng)計(jì)算量，可設(shè)置優(yōu)化計(jì)算的時(shí)間間隔，設(shè)定實(shí)時(shí)優(yōu)化計(jì)算或按某一時(shí)間間隔進(jìn)行定時(shí)計(jì)算。

2.3.5 電網(wǎng)降損方式調(diào)整建議

根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，系統(tǒng)對(duì)允許的各種運(yùn)行方式進(jìn)行潮流計(jì)算，與實(shí)際運(yùn)行方式進(jìn)行比較，提出降低電網(wǎng)有功損耗的建議運(yùn)行方式并指出調(diào)整后可降低的有功、無(wú)功損耗。

2.3.6 簡(jiǎn)單的負(fù)荷預(yù)測(cè)

在記錄變電站、電網(wǎng)負(fù)荷曲線的基礎(chǔ)上，每日0:00預(yù)測(cè)各站所負(fù)荷曲線并存儲(chǔ)，系統(tǒng)在計(jì)算本次優(yōu)化結(jié)果時(shí)根據(jù)預(yù)測(cè)負(fù)荷曲線估計(jì)至下次優(yōu)化方式調(diào)整可節(jié)約的電量，若方式調(diào)整時(shí)間間隔小或節(jié)約的電量小于設(shè)定閾值則不進(jìn)行調(diào)整。

2.3.7 離線線損分析

（1）典型日線路理論計(jì)算功能。系統(tǒng)可由歷史數(shù)據(jù)庫(kù)中提取任一日、任一時(shí)刻（整點(diǎn)或一刻）電網(wǎng)運(yùn)行斷面進(jìn)行線路理論計(jì)算，所輸出報(bào)表格式符合國(guó)家電網(wǎng)公司、山東電力集團(tuán)公司要求格式。（2）在取某一時(shí)刻進(jìn)行線損理論計(jì)算時(shí)，可人為調(diào)整任一站所的負(fù)荷值以適應(yīng)計(jì)算未來(lái)某一負(fù)荷水平下電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式的需要，報(bào)表輸出格式與國(guó)家電網(wǎng)公司所要求的報(bào)表格式相同。

2.3.8 電網(wǎng)線損統(tǒng)計(jì)功能

按日、月、季、年生成電網(wǎng)損耗電量統(tǒng)計(jì)報(bào)表，可進(jìn)行分壓分層線損電量及線損率統(tǒng)計(jì)。

2.3.9 系統(tǒng)管理功能

（1）圖形維護(hù)功能：系統(tǒng)使用電網(wǎng)單線圖作為運(yùn)行主界面，電網(wǎng)圖及參數(shù)庫(kù)應(yīng)維護(hù)方便。（2）關(guān)口管理功能：設(shè)置地區(qū)電網(wǎng)與省網(wǎng)計(jì)量關(guān)口、設(shè)置各電壓等級(jí)線損統(tǒng)計(jì)分界。（3）分片管理功能：以電源點(diǎn)（線損理論計(jì)算、潮流計(jì)算的平衡點(diǎn)）不同設(shè)置供電區(qū)域（片）的名稱，各片的范圍因電網(wǎng)運(yùn)行方式不同由系統(tǒng)自動(dòng)適應(yīng)。（4）報(bào)表管理功能。系統(tǒng)各種統(tǒng)計(jì)、分析、計(jì)算結(jié)果以數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，在必要時(shí)生成抒表輸出，應(yīng)具備對(duì)各類報(bào)表的格式、內(nèi)容進(jìn)行增、刪、改的功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

地區(qū)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度輔助決策系統(tǒng)是一個(gè)以實(shí)時(shí)分析電網(wǎng)運(yùn)行狀況、為調(diào)度人員提供電網(wǎng)運(yùn)行方式調(diào)整方案降低電網(wǎng)損耗的系統(tǒng)，同時(shí)具備離線線損理論計(jì)算、網(wǎng)損統(tǒng)計(jì)等電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析功能。該系統(tǒng)的投入使用可使電網(wǎng)調(diào)度由經(jīng)驗(yàn)型調(diào)度走向知識(shí)型調(diào)度，使電網(wǎng)總是處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方式，為減少電網(wǎng)損耗、降低企業(yè)成本起到積極作用。

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