高壓配電網(wǎng)無功優(yōu)化集中控制系統(tǒng)研究

任雷雷

（德州智能電氣設(shè)備有限公司，山東德州 253400）

現(xiàn)在很多的變電站在工作的時候都開始應(yīng)用無功電壓綜合自動控制裝置，無功電壓綜合自動控制裝置在使用的時候有一個缺點(diǎn)就是只能采集一個運(yùn)行參數(shù)，很難控制電網(wǎng)變電站的電容器的調(diào)控。為了更好地進(jìn)行全局控制，需要在應(yīng)用時進(jìn)行動態(tài)無功優(yōu)化計算，從而使每個時段都能優(yōu)化連接，這樣既能合理分配投切次數(shù)，又能控制全網(wǎng)潮流。

1 高壓配電網(wǎng)無功優(yōu)化運(yùn)行的特點(diǎn)

配電網(wǎng)全網(wǎng)無功優(yōu)化配置能夠根據(jù)電壓等級的不同預(yù)測到電壓負(fù)荷的情況，根據(jù)無功優(yōu)化分層區(qū)無功平衡原則，通過無功潮流的方式補(bǔ)償和確定容量。

高壓配電網(wǎng)無功優(yōu)化運(yùn)行就是在現(xiàn)有手段上，不變更配置調(diào)整無功資源運(yùn)行的方式以此來提高電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況。因?yàn)闊o功和電壓之間的關(guān)系比較密切，所以設(shè)備可以通過優(yōu)化計算的結(jié)果找到最優(yōu)的運(yùn)行方式，這樣既能保證母線電壓的范圍，又能降低網(wǎng)損。

高壓配電網(wǎng)無功優(yōu)化運(yùn)行時有以下特點(diǎn)存在。

（1）非線性：非線性既包括目標(biāo)函數(shù)內(nèi)容，又包括約束條件內(nèi)容。（2）離散性：離散控制變量包括：移相器分接頭位置、無功補(bǔ)償器投切等。（3）動態(tài)性：電力系統(tǒng)會隨著流動時間的變化而變化，除此之外流動時間的變化還會影響到電壓的變量。（4）復(fù)雜性：在無功優(yōu)化的過程中會存在等式約束和不等式約束2種，約束條件的數(shù)目和電網(wǎng)規(guī)模也有著密不可分的關(guān)系。（5）魯棒性：電力系統(tǒng)的調(diào)壓不僅需要滿足正常工作時對負(fù)荷的要求，還需要滿足最大負(fù)荷的方式和最小負(fù)荷的方式2種。（6）多目標(biāo)：通過線損的方式提高電壓的質(zhì)量，重點(diǎn)突出目標(biāo)的多樣性。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方案

無功優(yōu)化系統(tǒng)主要由2臺計算機(jī)組成，2臺計算機(jī)分別負(fù)責(zé)不同的工作指令，其中一臺計算機(jī)負(fù)責(zé)控制轉(zhuǎn)發(fā)命令、狀態(tài)評估等工作；另一臺計算機(jī)負(fù)責(zé)計算限值、無功優(yōu)化等工作。無功優(yōu)化控制系統(tǒng)在工作的時候底層的數(shù)據(jù)采集和通信模塊會從調(diào)度自動化系統(tǒng)的電網(wǎng)運(yùn)行中進(jìn)行采集，采集完成之后把控制方案通過專用通道的方式傳送到變電站的無功電壓綜合自動控制裝置中完成工作指令。

控制系統(tǒng)在工作的時候每隔1h 會更新一次，更新之后的數(shù)據(jù)會通過拓?fù)浞治鲞M(jìn)入到無功優(yōu)化數(shù)據(jù)庫中。拓?fù)浞治瞿K能夠通過人工輸入的方法來控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)支路關(guān)聯(lián)配置表；如果在使用的時候發(fā)現(xiàn)有變位信號出現(xiàn)的時候就可以把分析完的變位信號儲存到數(shù)據(jù)庫中。在控制命令啟動的時候要對預(yù)測進(jìn)行計算或者修正，之后把預(yù)測好的母線負(fù)荷存進(jìn)數(shù)據(jù)庫中。

當(dāng)系統(tǒng)存儲完成之后可以通過查詢數(shù)據(jù)庫的方法進(jìn)行儲存，在完成預(yù)測負(fù)荷之后狀態(tài)估計模塊就可以對這些預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

電壓無功優(yōu)化模塊可以根據(jù)通過分析負(fù)荷曲線、變電站內(nèi)容等信息找出未來時段、變電站母線電壓分布情況，進(jìn)而計算出變電站最佳無功限制曲線和最佳電壓限制曲線圖。

無功優(yōu)化控制系統(tǒng)的啟動可以由使用用戶自己設(shè)定，用戶可以利用每天監(jiān)測到的數(shù)據(jù)計算出電網(wǎng)的實(shí)際有功損耗。實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠顯示實(shí)際負(fù)荷和預(yù)測負(fù)荷的誤差情況，當(dāng)誤差大于設(shè)定值的時候就會自動啟動負(fù)荷預(yù)測修正計算過程，結(jié)束完成之后計算出電壓限制和無功限制等數(shù)據(jù)信息。

控制系統(tǒng)主要功能包括以下幾種：①預(yù)測母線負(fù)荷；②分析負(fù)荷特性；③計算潮流內(nèi)容；④優(yōu)化計算信息；⑤修改參數(shù)；⑥控制優(yōu)化和分析運(yùn)行效益；⑦查詢和修改VQC 限制。

3 動態(tài)無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

在建立動態(tài)無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的時候先設(shè)置電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，然后以24h 的電能損耗為主要目標(biāo)函數(shù)，以變壓器分接頭位置和無功補(bǔ)償量為控制變量進(jìn)行建立。在研究高壓、中壓配電線路補(bǔ)償基礎(chǔ)上，對低壓線路無功補(bǔ)償采用了“三分之二法則”，以此作為低壓配電線路無功優(yōu)化補(bǔ)償基本模式。所謂“三分之二法則”指的是以一段僅有首段的電源線路為研究對象，無功負(fù)荷作用于其中，將其等分為3份，則在線路三分之二處屬于無功補(bǔ)償設(shè)備安裝最佳地點(diǎn)，同時期無功補(bǔ)償容量約占三分之二的總無功負(fù)荷，具體如圖1所示。

所謂的無功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)配置，指的是在低壓配電網(wǎng)中，確定無功補(bǔ)償裝置安裝最佳地點(diǎn)和補(bǔ)償最佳容量的。具體步驟如下所示。

（1）按“三分之二法則”對無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行最佳配置，如式（1）所示，同時將無功補(bǔ)償裝置的安裝最佳地點(diǎn)設(shè)置在主線無功負(fù)荷分布的三分之二處。

圖1 線路無功負(fù)荷分布和優(yōu)化前后無功潮流圖

（2）首先對無功分布負(fù)荷在各段主線的分布進(jìn)行標(biāo)定，然后把具有一個分叉主線等效轉(zhuǎn)換成2條無分叉主線按線路負(fù)荷分布情況，把有分叉主線等效轉(zhuǎn)換成兩條無分叉主線，如式（2）、式（3）所示。

（3）轉(zhuǎn)換后兩條無分叉主線分別按無分叉主線進(jìn)行最優(yōu)配置，如式（4）、式（5）、式（6）所示。

4 計算方法

在計算的時候因?yàn)闊o功優(yōu)化系統(tǒng)控制變量比較多，導(dǎo)致搜索空間也比較大，要想完成搜索任務(wù)就需要引入先進(jìn)的優(yōu)化搜索技術(shù)。

在計算的時候可以通過以下幾方面提高優(yōu)化算法的計算效率：

4.1 通過提高潮流計算的效率的方式提高優(yōu)化算法的計算效率

在計算遺傳算法求解無功優(yōu)化問題的時候可以根據(jù)軟件編程的方式進(jìn)行計算，為了減少計算時間，可以在計算的初期適當(dāng)降低潮流計算的準(zhǔn)確度，在計算后期的時候在提高潮流計算的準(zhǔn)確度，這樣就可以在保證計算準(zhǔn)確率的基礎(chǔ)上提高潮流計算的效率。

在遺傳算法的群體中每1個個體的適應(yīng)度計算量都非常大，所以在選擇的時候群體都會受到影響，在計算的時候要先做檢查，確定完成之后再進(jìn)行判斷。在所有的基因中，會有幾個不同的基因存在，要想讓基因保持相同，可以通過調(diào)整計算經(jīng)驗(yàn)的方式來改變現(xiàn)狀，這樣對于相同的個體就可以做一次潮流計算，既計算出了個體潮流的初始值，又提高了潮流計算的效率。

4.2 利用專家知識指導(dǎo)變異位置與方向的方法提高優(yōu)化算法的計算效率

在計算優(yōu)解的過程中，要想得到可行解才能消除電壓無功的越限，這樣就可以得到需要的最優(yōu)解。因?yàn)闊o功功率的傳輸距離比較短，所以在進(jìn)行的時候需要調(diào)整無功補(bǔ)償?shù)脑O(shè)備位置和變壓器的電壓情況。如果在調(diào)整的時候沒有合適的調(diào)節(jié)手段，就需要調(diào)節(jié)距離電氣最近的控制變量。

在研究的時候可以通過消除電壓的越限來確定優(yōu)先變異的基因位置和方向，這樣可以減少搜索時存在的盲目性，不僅如此還能在增加算法搜索能力的基礎(chǔ)上提高潮流收斂的速度。

4.3 通過優(yōu)化編碼的方法提高優(yōu)化算法的計算效率

在編碼運(yùn)行的時候需要先處理變壓器的控制變量以此來減少染色體的長度。在運(yùn)行的時候需要在數(shù)組的下標(biāo)編制上相對應(yīng)的編碼，減少變比和檔位的換算和查找。在設(shè)計適應(yīng)度函數(shù)的時候可以使用映射法來區(qū)分個體之間的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在編制的時候還可以隨著迭代次數(shù)的增加而加大懲罰的力度，盡可能地將搜索控制在可行域中間。

5 無功電壓綜合自動控制裝置限值的計算

無功電壓綜合自動控制裝置限值在計算的時候要以最優(yōu)曲線為主進(jìn)行計算。在計算的時候需要先設(shè)定電壓和無功限值之間的寬度。之后在計算出變電站的最優(yōu)無功補(bǔ)償量和變壓器分接頭的檔位，以此計算出最佳的無功、電壓的上下限的數(shù)值。

6 高壓配電網(wǎng)無功優(yōu)化集中控制系統(tǒng)研究案例

本文在研究的時候選擇3種類型的變電站，分別是330 kV變電站、220 kV 變電站、110 kV 變電站，在電網(wǎng)中一共有42個節(jié)點(diǎn)，36條線路，在運(yùn)行的時候先用遺傳算法對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過優(yōu)化對比發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化之前系統(tǒng)有3個節(jié)點(diǎn)的電壓值比下限低，經(jīng)過優(yōu)化之后發(fā)現(xiàn)每個節(jié)點(diǎn)的電壓都有一定程度的提高，有功功率的損耗也呈現(xiàn)下降趨勢。試行運(yùn)行之后能夠發(fā)現(xiàn)遺傳算法在使用時候能充分滿足在線計算的要求。

7 配電網(wǎng)無功優(yōu)化配置的原則

在配電網(wǎng)中，無功功率具有一定流動性，其是保障配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵所在。無功功率的流動性不利于減低電網(wǎng)損耗，提高電能質(zhì)量。因此，降低或避免無功功率在配電網(wǎng)中的流動性，對提高配電網(wǎng)系統(tǒng)質(zhì)量具有積極作用?；诖?，無功優(yōu)化配置應(yīng)按照“分級分區(qū)補(bǔ)償、就地平衡”的原則進(jìn)行，按照以下幾方面要求實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償設(shè)備的合理布局。

（1）在配電網(wǎng)無功補(bǔ)償過程中，應(yīng)堅持配電網(wǎng)總體和局部平衡的相統(tǒng)一性。這是由于不合理的無功電源布局會導(dǎo)致局部無功電力的不平衡，進(jìn)一步影響變電站或線路的無功電力，進(jìn)而產(chǎn)生大量流動的無功功率問題。具有長途交換或輸送的無功功率，嚴(yán)重增加了配電網(wǎng)的電網(wǎng)損耗。

（2）在配電網(wǎng)無功補(bǔ)償過程中，堅持低壓配電補(bǔ)償為主，其他補(bǔ)償方案為輔的原則。變電站以補(bǔ)償主變壓器無功損耗為主，在無功傳輸降低方面則集中在變電站以上輸配電線中，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)損耗的降低。鑒于低壓配電網(wǎng)的線損在配電網(wǎng)整體上所占比例較高，這就要求在配電網(wǎng)無功補(bǔ)償過程中，堅持低壓配電補(bǔ)償為主，其他補(bǔ)償方案相結(jié)合。

（3）在配電網(wǎng)無功補(bǔ)償過程中，堅持電力部門補(bǔ)償和用戶補(bǔ)償相統(tǒng)一原則。物攻的就地補(bǔ)償、就地平衡是實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)無功功率輸送降低、用戶電壓質(zhì)量提高以及用戶功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)那疤釛l件，這就要求低壓側(cè)補(bǔ)償過程匯總采用較多配電變壓器，同時確保電力部門補(bǔ)償和用戶補(bǔ)償相結(jié)合。

（4）在配電網(wǎng)無功補(bǔ)償過程中，堅持以配網(wǎng)降損為主，以降損和調(diào)壓為輔的原則。由于配電網(wǎng)無功優(yōu)化配置以實(shí)現(xiàn)無功電力就地平衡為目的，以實(shí)現(xiàn)電壓質(zhì)量改善和電網(wǎng)損耗降低為目標(biāo)，因此需在配電網(wǎng)無功補(bǔ)償過程中，以配網(wǎng)降損為主，以降損和調(diào)壓為輔，最終實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)纳鐣б婧徒?jīng)濟(jì)效益。

8 結(jié)束語

綜上所述，通過以上方式能夠發(fā)現(xiàn)在高壓配電網(wǎng)中應(yīng)用無功優(yōu)化集中控制系統(tǒng)，能夠從優(yōu)化和控制的角度提高系統(tǒng)電壓的合格率、降低系統(tǒng)的總線損。從而提高電網(wǎng)管理的水平，最終提高電力輸送效率。