基于招投標策略的地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化控制

陳星鶯，史豪杰，劉 健，余 昆，廖迎晨

（1.河海大學 能源與電氣學院，江蘇 南京 211100；2.江蘇省配用電與能效工程技術(shù)研究中心，江蘇 南京 211100；3.陜西電力科學研究院，陜西 西安 710054）

0 引言

電力系統(tǒng)無功優(yōu)化控制關(guān)系到用戶無功需求、供電質(zhì)量和系統(tǒng)電壓穩(wěn)定是否得到保障，也是降低網(wǎng)損、提高系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的有效措施[1]。

地區(qū)電網(wǎng)在線無功優(yōu)化控制通過實時調(diào)節(jié)變壓器有載分接開關(guān)和無功補償裝置的狀態(tài)來優(yōu)化電網(wǎng)潮流分布，達到母線電壓和樞紐節(jié)點功率因數(shù)合格等目的，是一個具有等式和不等式約束的非線性混合整數(shù)規(guī)劃問題。求解該問題時要求優(yōu)化算法能滿足如下條件：①計算收斂并實時給出控制方案；②可靠處理地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化中大量的離散控制變量；③支持用戶對優(yōu)化目標、約束條件、設(shè)備狀態(tài)等進行調(diào)整。

目前，已有線性規(guī)劃法、非線性規(guī)劃法、遺傳算法等被應(yīng)用于解決該問題[2-8]。但這些方法不能很好地滿足上述幾個條件，比如，以遺傳算法為代表的智能算法在迭代過程中需要大量的潮流計算，時間上難以滿足實時控制的要求?？紤]到地區(qū)電網(wǎng)是環(huán)網(wǎng)設(shè)計、開環(huán)運行，通過調(diào)度員的經(jīng)驗，可以獲得一些無功優(yōu)化控制的規(guī)則，形成專家系統(tǒng)次優(yōu)控制策略集。該方法作為常規(guī)無功優(yōu)化方法的后備保障，確保了在線無功優(yōu)化控制系統(tǒng)的魯棒性。

早期的無功優(yōu)化控制專家系統(tǒng)為九區(qū)圖及其改進方法[9-12]，九區(qū)圖方法簡單易行，可以在一定程度上提高單座變電站的電壓合格率和功率因數(shù)，但很難從全網(wǎng)角度實現(xiàn)無功電壓優(yōu)化控制。地區(qū)電網(wǎng)具有多級有載調(diào)壓，通常會出現(xiàn)電壓頻繁調(diào)整，造成電壓調(diào)節(jié)不合理和設(shè)備調(diào)節(jié)振蕩現(xiàn)象。調(diào)度自動化系統(tǒng)的完善促進了地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化向全網(wǎng)在線無功優(yōu)化控制發(fā)展?；谌W(wǎng)的無功優(yōu)化控制專家系統(tǒng)須考慮全網(wǎng)的控制目標、不同電壓等級母線電壓約束、設(shè)備動作次數(shù)約束等，這些規(guī)則與具體電網(wǎng)相關(guān)，很難通過IF…THEN…產(chǎn)生式規(guī)則形成統(tǒng)一的專家?guī)?，降低了系統(tǒng)的可維護性和魯棒性，尤其是隨著電網(wǎng)規(guī)模增大，問題越發(fā)突出。

本文將招投標策略應(yīng)用到地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化問題中，同時利用多智能體系統(tǒng)（MAS）并行、協(xié)調(diào)求解問題的特點，建立基于招投標策略的無功優(yōu)化控制決策模型和基于多智能體（Agent）技術(shù)的無功優(yōu)化控制系統(tǒng)架構(gòu)，以避免傳統(tǒng)無功優(yōu)化專家系統(tǒng)軟件復(fù)雜的邏輯，增強系統(tǒng)的可維護性和可擴展性。

1 招投標策略與地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化

招投標是在市場經(jīng)濟條件下，進行大宗貨物的買賣、工程建設(shè)項目的發(fā)包與承包以及服務(wù)項目的采購與提供時，所采取的一種交易方式。招投標策略是為實現(xiàn)目標進行的招投標系列方案集合，主要包括投標方案、評標方法和中標方式等。對于大型項目可以拆分成多個標包，采用分標包競標的方式進行。一個單位可給多個標包投標，也可以同時中多個標，每個標包的中標單位共同負責該項目。

典型的地區(qū)電網(wǎng)以220 kV變電站為中心成輻射狀供電，其無功優(yōu)化控制須考慮實際操作約束，在非組合優(yōu)化情況下，控制周期內(nèi)同一變電站只允許一臺設(shè)備動作。通過比較可知，搜尋合適的操作設(shè)備過程類似于招投標，動作設(shè)備即為中標對象，無功優(yōu)化的目標和約束條件可視為招標中的多個評標依據(jù)。因此，本文提出依據(jù)招投標策略進行地區(qū)電網(wǎng)的無功優(yōu)化決策，各變電站根據(jù)控制需要發(fā)出招標需求，一旦在網(wǎng)內(nèi)出現(xiàn)招標需求，各變電站將依據(jù)招標需求制定投標書供評標使用。

變電站的投標書制作內(nèi)容主要是確定投標設(shè)備，投標書的結(jié)構(gòu)和制作流程如圖1所示。

圖1 投標書的結(jié)構(gòu)和制作流程Fig.1 Bidding document structure and its design flowchart

圖1所示的投標書制作過程主要針對單一廠站越限的情況，如果所有標書都被廢棄，即無法通過單一設(shè)備消除越限，則通過聯(lián)合越限廠站的上下級廠站制作組合投標書。當某一時刻存在多個廠站發(fā)生越限時，則將每個廠站的越限事件視為一個標包，多個標包同時獨立招標，然后在評標時協(xié)調(diào)選擇每個標包的中標單位共同參與全網(wǎng)優(yōu)化，最終確定動作設(shè)備。

2 基于招投標策略的無功優(yōu)化控制決策模型

2.1 招標評價模型

目前主要的評標方法有綜合評標法、評標價法[13-14]。綜合評標法把各因素（商務(wù)評分、技術(shù)評分等）乘以相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)，折合成總評分，以總評分最高者為中標單位。本文的招標評價模型是依據(jù)綜合評標法演化而來，對每個參與投標的方案按照n個指標依次進行評分，根據(jù)最后打分的結(jié)果進行排序，得分最高的方案中標。招標評價模型如下：

其中，F(xiàn)i（x1，x2，…，xm）為各評價指標的評分函數(shù)，x1、x2、…、xm為m個標書中對應(yīng)同一評價指標的指標值（如有功損耗），m為標書個數(shù)（投標方案）；n為評價指標個數(shù)；λi為各評標依據(jù)的權(quán)重系數(shù)；Sk為投標書k的最終得分。系統(tǒng)可以根據(jù)需要采用不同的評標依據(jù)和權(quán)重系數(shù)，評出的標優(yōu)化的結(jié)果也不相同。

2.2 基于招標評價方式的地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化模型

地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化的目標和約束很多，綜合考慮系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行，本文將有功損耗、設(shè)備動作代價、當日設(shè)備剩余動作次數(shù)、反時限動作時間、母線電壓和關(guān)口功率因數(shù)作為評價指標。

2.2.1 有功損耗評價指標

根據(jù)每個投標方案設(shè)備動作后的情況進行潮流計算，計算該方案的有功網(wǎng)損：

其中，F(xiàn)1k為方案k的有功損耗評分值；Nnode為系統(tǒng)節(jié)點數(shù)目；i? j表示節(jié)點j與i之間有線路相連；Gij為節(jié)點 j、i之間的電導；Ui、Uj分別為節(jié)點 i、 j的電壓；θij為節(jié)點i、j之間的電壓相角差；Pk為投標書k中設(shè)備動作后的有功損耗。 由式（2）可知，F(xiàn)1k?（0，1]，有功損耗越小的方案其F1k的值就越大。

2.2.2 設(shè)備動作代價評價指標[15-16]

在實時無功優(yōu)化調(diào)度中，有載調(diào)壓分接開關(guān)和電容器開關(guān)頻繁動作將會縮短設(shè)備使用壽命，據(jù)此建立設(shè)備動作代價指標：

其中，F(xiàn)2k為方案k的設(shè)備動作代價評分值；ΔXTi、CTi分別為變壓器抽頭調(diào)節(jié)次數(shù)和調(diào)節(jié)成本；ΔXCi、CCi分別為電容器動作次數(shù)和調(diào)節(jié)成本；NT、NC分別為變壓器和電容器臺數(shù)。 由式（3）可知，F(xiàn)2k?（0，1]，動作次數(shù)越少、調(diào)節(jié)代價越小的設(shè)備其F2k越大。

2.2.3 日設(shè)備剩余動作次數(shù)評價指標

日設(shè)備剩余動作次數(shù)是每臺設(shè)備的日動作次數(shù)上限與當前已動作次數(shù)之差。每個投標方案中需要控制的設(shè)備剩余動作次數(shù)記為Ak，則將日設(shè)備剩余動作次數(shù)評價指標的評分歸一化之后得：

其中，F(xiàn)3k為方案k的日設(shè)備剩余動作次數(shù)評分值。由式（4）可知，F(xiàn)3k?（0，1]，日設(shè)備剩余動作次數(shù)越多的設(shè)備，其F3k的取值越大。

2.2.4 反時限動作時間評價指標

為了防止某些設(shè)備頻繁動作，采用反時限的原理，在同等條件下，距離上次動作時間最長的設(shè)備優(yōu)先動作。設(shè)投標時間Tc和設(shè)備上次動作時刻T1的差值為Tk=Tc-T1，由此可得：

其中，F(xiàn)4k為方案k的反時限動作時間評分值。由式（5）可知，F(xiàn)4k?（0，1]，投標時間和上次動作時刻相差的時間越長，對應(yīng)的F4k取值越大。

2.2.5 母線電壓和關(guān)口功率因數(shù)考核指標

母線電壓和功率因數(shù)是描述電網(wǎng)運行狀態(tài)的重要指標，本文采用功率因數(shù)轉(zhuǎn)化得來的關(guān)口無功大小表示功率因數(shù)的情況，母線電壓和功率因數(shù)轉(zhuǎn)化形成的無功評價指標如式（6）所示。

其中，F(xiàn)5k為母線電壓和關(guān)口功率因數(shù)指標；Uk、Qk分別為電壓和無功指標；N、NB分別為母線電壓考核條數(shù)和關(guān)口功率因數(shù)考核數(shù)；Ui、Uimax、Uimin分別為母線電壓、母線電壓上限值和下限值；Uilim為母線電壓指標限值；Qi、Qimax、Qimin分別為關(guān)口無功功率、無功上限值和無功下限值；Qilim為關(guān)口無功功率指標限值。 由式（6）可知，Uk、Qk越小則 F5k的值越大。

在設(shè)定評分依據(jù)及其計算模型后，根據(jù)各評分依據(jù)之間的重要程度，確定各自的權(quán)值，并計算每個投標書的評分，將其按從高到低排序，供評標使用。投標書k的評分公式如下：

得分最高的投標書即為最后的中標單位，記為SH：

針對出現(xiàn)有l(wèi)處越限的全網(wǎng)優(yōu)化，其評標模型如下：

其中，SHi為標包i的最高得分；Sli為標包l的第i個投標單位的得分。

基于上述評標模型，評標工作可以盡量做到選擇較少的設(shè)備，滿足較多的調(diào)控目標，并降低網(wǎng)損，同時可以避免因優(yōu)化造成單臺設(shè)備頻繁動作。

3 基于多智能體技術(shù)的無功優(yōu)化控制系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 多智能體技術(shù)

智能體技術(shù)源于分布式人工智能（DAI），是近年來計算機科學領(lǐng)域中的一個重要概念[17-19]。多智能體系統(tǒng)是一個松散耦合的代理網(wǎng)絡(luò)，這些智能體通過交互協(xié)調(diào)，解決超出單個智能體能力或知識的問題。

多智能體系統(tǒng)由大量自治的軟件或硬件實體組成，單個智能體完全有能力解決局部問題，但不能獨自實現(xiàn)全局目標。每個智能體有自己的輸入輸出數(shù)據(jù)接口，因而整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)很分散。多智能體系統(tǒng)中存在一組協(xié)調(diào)智能體，負責解決智能體間的決策沖突[20-22]。

利用智能體智能化的工作機制和強大的開發(fā)應(yīng)用功能，將無功優(yōu)化專家系統(tǒng)次優(yōu)控制規(guī)則轉(zhuǎn)化為軟件組件的進程和經(jīng)驗，并將分層協(xié)調(diào)機制作為一種環(huán)境來協(xié)調(diào)電力系統(tǒng)各智能體之間的控制，構(gòu)建一套新的框圖模式，為電網(wǎng)無功優(yōu)化控制提供新的解決方案。

3.2 基于多智能體技術(shù)的無功優(yōu)化控制系統(tǒng)架構(gòu)

本文依據(jù)多智能體技術(shù)建立地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化控制系統(tǒng)架構(gòu)，主要設(shè)置如圖2所示的智能體。

圖2 地區(qū)電網(wǎng)無功優(yōu)化控制的多智能體系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 Framework of multi-Agent system for optimal reactive power control of district power grid

3.2.1 控制級智能體

控制級智能體（Con_Agent）設(shè)置為無功優(yōu)化控制系統(tǒng)中的基本優(yōu)化單元，包含變電站設(shè)備信息、預(yù)算模塊、設(shè)備閉鎖信息、動作次數(shù)記錄、考核界限等。本文將變電站定義為控制級智能體，作為投標單位，各控制級智能體可根據(jù)招標需求并行制作投標書。

3.2.2 協(xié)調(diào)級智能體

一套無功優(yōu)化控制系統(tǒng)只設(shè)置一個協(xié)調(diào)級智能體（Coordinate_Agent）。協(xié)調(diào)級智能體是全網(wǎng)無功優(yōu)化中樞，負責受理招標請求、制作標書、評標、廣播標書、發(fā)放中標通知等。

3.2.3 通信級智能體

通信級智能體（Comm_Agent）負責智能體之間的數(shù)據(jù)通信、信息通信，轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包含實時的遙測／遙信數(shù)據(jù)、命令數(shù)據(jù)、協(xié)調(diào)請求等。線程間的智能體采用消息通信，進程間的智能體采用TCP／IP協(xié)議通信。

3.2.4 接口級智能體

接口級智能體（Int_Agent）包含與 SCADA／EMS相連的數(shù)據(jù)接口。

3.3 基于招投標策略的智能體協(xié)調(diào)控制

基于招投標策略的智能體協(xié)調(diào)控制策略流程框圖如圖3所示，具體控制流程如下。

a.若無招標請求，協(xié)調(diào)級智能體定時廣播全網(wǎng)優(yōu)化的標書，各控制級智能體按照逆調(diào)壓原則優(yōu)化所管轄廠站的無功潮流分布，達到局部優(yōu)化。

b.當某個控制級智能體檢測到該變電站范圍內(nèi)某個節(jié)點電壓或功率因數(shù)越限時，主動向協(xié)調(diào)級智能體發(fā)出招標請求，并報告越限情況。協(xié)調(diào)級智能體收到招標請求后，制作標書，并向系統(tǒng)內(nèi)所有控制級智能體廣播標書。招標書根據(jù)控制目標的不同可分為不同標的，如母線電壓越限、功率因數(shù)越限等。

c.收到招標書的控制級智能體，將根據(jù)本廠站的情況立即生成投標書。投標書的內(nèi)容包括即將要動作的設(shè)備、響應(yīng)并解決的標的。如果找不到合適的設(shè)備動作，則發(fā)送棄標信息。

圖3 基于招投標策略的智能體協(xié)調(diào)控制策略圖Fig.3 Bidding-strategy-based coordinated control among Agents

d.協(xié)調(diào)級智能體收到所有投標信息后，根據(jù)第2節(jié)的評標模型對每份投標書進行評標。協(xié)調(diào)級智能體評完標書后，向中標的控制級智能體發(fā)送中標通知。該控制級智能體收到中標通知后，即可發(fā)出設(shè)備操作命令。

4 算例分析

由于地區(qū)電網(wǎng)采用開環(huán)方式運行，不同220 kV變電站所供負荷之間相對獨立，因此本文采用220kV變電站所供電的區(qū)域進行仿真分析，如圖4所示。分別采用十七區(qū)圖原理、最優(yōu)化方法以及本文方法對24個時段數(shù)據(jù)進行仿真分析，結(jié)果如表1、2所示。

圖4 配電網(wǎng)接線圖Fig.4 Wiring diagram of distribution network

表1 時段11不同控制方式下設(shè)備動作比較Table 1 Comparison of device action among different control strategies for period 11

表2 不同控制方式結(jié)果比較（24 h）Table 2 Comparison of results among different control strategies（24 h）

表1是時段 11的仿真結(jié)果，采用十七區(qū)圖原理要求1—3號變電站均升高變壓器分接頭，原因是3座變電站的電壓均偏低。采用本文方法則分別形成3個標包進行招標，在每個標包中，9號變電站的母線電壓和關(guān)口功率因數(shù)指標均較大，因為能消除更多的電壓越限，所以在評標環(huán)節(jié)中標。最終結(jié)果是只需9號變電站設(shè)備動作，相比于十七區(qū)圖原理，減少了總的設(shè)備動作次數(shù)。最優(yōu)化方法的目標是網(wǎng)損和10 kV母線電壓偏差最小，通過全網(wǎng)優(yōu)化雖然降低了網(wǎng)損、消除了電壓越限，但是設(shè)備動作次數(shù)較多，大量計算造成較長時間才能獲得優(yōu)化結(jié)果，延長了越限存在時間。

表2是對24個連續(xù)時段進行仿真計算得出的綜合指標。由表可知，3種控制方法的網(wǎng)損大小相近，但相比于十七區(qū)圖原理，本文方法考慮了多座變電站之間的協(xié)調(diào)，設(shè)備動作次數(shù)減少，功率因數(shù)和電壓得到改善。雖然采用最優(yōu)化方法所得的低壓側(cè)平均電壓比本文方法更好，但會大幅增加設(shè)備動作次數(shù)和計算時間，并且優(yōu)化過程與具體的電網(wǎng)數(shù)據(jù)密切相關(guān)，不能保證所有情況都能快速有效地搜尋到最優(yōu)策略。

另外，采用本文提供的方法設(shè)計的系統(tǒng)已經(jīng)在南方電網(wǎng)進行應(yīng)用，對應(yīng)用系統(tǒng)3個月內(nèi)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析可知，10 kV和35 kV電壓合格率提高了1.4%；電容器平均運行率為40.67%，提高了10%；110 kV主變有載分接開關(guān)調(diào)節(jié)次數(shù)有明顯減少，這必將大幅改善電壓質(zhì)量，提升主變健康水平，降低系統(tǒng)網(wǎng)損。

5 結(jié)語

采用招投標策略實現(xiàn)地區(qū)電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制是一種區(qū)別于基于優(yōu)化算法的全局優(yōu)化和基于十七區(qū)圖原理的局部優(yōu)化方法。該方法通過集中評價各變電站動作設(shè)備帶來的影響以確定動作設(shè)備，快速實現(xiàn)多座變電站電壓無功控制的協(xié)調(diào)，保證優(yōu)化效果較好。利用多智能體實現(xiàn)招投標策略，能夠避免采用優(yōu)化算法可能出現(xiàn)的不收斂問題，以及優(yōu)化時間過長帶來的無策略狀態(tài)，保證系統(tǒng)的魯棒性；同時避免了專家系統(tǒng)中大量復(fù)雜的IF…THEN…規(guī)則，可通過改變評標依據(jù)的權(quán)重來改變無功優(yōu)化中多目標之間的關(guān)系，增強了系統(tǒng)的可維護性和擴展性。