考慮安全約束條件的電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)設計

陶用偉

（貴州電網(wǎng)有限責任公司凱里供電局，貴州 凱里 556000）

在國家經(jīng)濟發(fā)展水平不斷提升的背景下，對于電網(wǎng)供電量的需求越來越大，因此為了控制電網(wǎng)運行中的資源損耗，設計一個電網(wǎng)損耗控制系統(tǒng)。已知現(xiàn)階段的電力系統(tǒng)由各種電壓變電所、輸配電線路組成，主要有變電、輸電以及配電等工作環(huán)節(jié)[1]。

傳統(tǒng)設計方法的控制系統(tǒng)，由于忽略了約束參數(shù)的重要性，導致單一約束條件下系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性較差，使損耗控制效果并不理想，因此文中考慮安全約束條件，設計一個電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分考慮系統(tǒng)的使用安全性約束條件，通過優(yōu)化各項控制模量，增強系統(tǒng)在執(zhí)行控制任務過程中的穩(wěn)定性，提高抗干擾性，降低電網(wǎng)運行損耗，在很大程度上節(jié)約了資源，為國家戰(zhàn)略性發(fā)展目標的實現(xiàn)提供技術(shù)支持[2]。

1 電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)硬件設計

電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)中，由于設備種類繁多復雜，且連接位置相對分散，除了變送電外還有許多配置環(huán)節(jié)，因此為保證系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，在電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)中添加了監(jiān)控模塊。電網(wǎng)運行損耗控制系統(tǒng)主要包括4個部分：上位機監(jiān)控模塊、系統(tǒng)控制器、EtherCAT從站以及現(xiàn)場儀表等各類執(zhí)行機構(gòu)。為保證控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控以及穩(wěn)定通訊，對傳統(tǒng)系統(tǒng)控制器即主站控制器進行替換，圖1為主控器實物圖[3]。

圖1 主控器實物圖

主控器作為電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的核心設備，能夠保證軟件平臺的運行、程序的運算、控制命令的生成以及數(shù)據(jù)的存儲。文中選用的主控器利用其自身的PC控制技術(shù)，實現(xiàn)人機交互性更強的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理以及反饋，實現(xiàn)系統(tǒng)硬件運行的穩(wěn)定和軟件的兼容。主控器結(jié)合控制平臺對電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)各分布式電源、各負荷回路展開實時監(jiān)控和管理，實現(xiàn)系統(tǒng)整體的穩(wěn)定運行。

2 電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件設計

在系統(tǒng)硬件設置的基礎(chǔ)上，在考慮安全約束條件的前提下，設計電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的軟件，確保所有控制程序在約束條件的限制下，能夠在安全的范圍內(nèi)執(zhí)行損耗優(yōu)化控制任務，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。

2.1 設定電網(wǎng)運行損耗基本控制規(guī)則

電網(wǎng)運行時，其兩側(cè)饋線輸出的功率分別影響負荷分布和系統(tǒng)阻抗與兩側(cè)電壓差值；同時，兩側(cè)饋線輸出的功率是獨立存在的，根據(jù)上述電網(wǎng)運行的基本特征，設定電網(wǎng)運行損耗基本控制規(guī)則。

調(diào)節(jié)兩側(cè)母線電壓差，改變電網(wǎng)運行時的循環(huán)功率，實現(xiàn)兩側(cè)饋線出力的調(diào)節(jié)。當電力控制系統(tǒng)由開環(huán)運行狀態(tài)轉(zhuǎn)入閉環(huán)運行狀態(tài)時，通過執(zhí)行合環(huán)操作，實現(xiàn)具有保護作用的電網(wǎng)運行損耗控制規(guī)則的設定。假設在負荷相對穩(wěn)定的條件下，忽略其電壓特性，設循環(huán)功率為?，在電網(wǎng)兩側(cè)功率變化量Δp大小相同、方向相反的情況下，得到圖2所示的電網(wǎng)運行穩(wěn)態(tài)控制規(guī)律等值電路圖[4]。

圖2 電網(wǎng)運行等值電路圖

假定A側(cè)饋線出口處的裝置串聯(lián)補償電壓為Ua，補償后出口處的電壓為Ub，得到循環(huán)功率?與串聯(lián)補償電壓Ua和Ub之間的關(guān)系為：

2.2 設置系統(tǒng)安全約束條件

安全約束條件作為保證系統(tǒng)平穩(wěn)運行的重要參數(shù)，直接影響電網(wǎng)的運行效果，因此在電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件設計中，引入其約束條件。根據(jù)已經(jīng)獲得的電網(wǎng)控制規(guī)則，設定的安全約束條件包括機組運行約束和系統(tǒng)約束兩方面[7]。

式中：fi（t）表示機組i在t時刻的出力約束函數(shù)；Fi（t）表示機組i在t時刻的連續(xù)運行約束函數(shù)。系統(tǒng)約束包括功率平衡安全約束和旋轉(zhuǎn)備用安全約束。設B（t）表示t時段內(nèi)系統(tǒng)B的總負荷；Z（t）表示同時段內(nèi)系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)備用容量[9]，則功率平衡安全約束和旋轉(zhuǎn)備用安全約束條件可設置為：

式中：n表示約束次數(shù)。通過上述公式完成對系統(tǒng)安全約束條件的設置，保證電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)在上述安全約束條件的限制下平穩(wěn)運行。

2.3 優(yōu)化電網(wǎng)運行損耗控制參數(shù)

在完成約束條件設置的基礎(chǔ)上，優(yōu)化電網(wǎng)運行損耗控制參數(shù)，利用小信號穩(wěn)定性分析法實現(xiàn)控制參數(shù)的優(yōu)化，使控制系統(tǒng)在遭受小干擾時，可以保持系統(tǒng)同步運行的能力。小信號穩(wěn)定性分析方法圍繞控制系統(tǒng)狀態(tài)矩陣的基本特征展開，根據(jù)狀態(tài)矩陣得到的系統(tǒng)特征值為：

式中：φ表示描述系統(tǒng)特征值的參數(shù)；I表示離散參數(shù)；k表示系統(tǒng)狀態(tài)矩陣[10]。引入優(yōu)化指標重新整理式（4），得到全新的特征參數(shù)：

式中：β表示離散后引入的約定參數(shù)；λ表示振蕩幅值。已知該特征值φ所對應的振蕩模式可描述為式（6）的形式：

其中：hφ表示特征值φ的振蕩模量；ω表示權(quán)重指數(shù)；t表示振蕩時段；ε表示特約參量。當λ＜0時，特征值實部對應振蕩幅值，虛部對應振蕩頻率，則有：

根據(jù)時間的變化特性，當振蕩的幅值趨近于0時，振蕩呈現(xiàn)衰減狀態(tài)，則衰減速度的阻尼比為：

其中：Wn表示n個振蕩模式的參與狀態(tài)。根據(jù)振蕩頻率，結(jié)合式（8）和式（9），計算振蕩幅值的靈敏度指標為：

式中：f[*]表示靈敏度計量函數(shù)；e表示常數(shù)值。當s≥0.95時，實現(xiàn)對控制參數(shù)λ的優(yōu)化[12]。

2.4 設計電網(wǎng)運行損耗分層控制模式

根據(jù)控制規(guī)則、安全約束條件以及優(yōu)化后的控制參數(shù)，設計電網(wǎng)運行損耗分層控制模式。分層控制模式可分為兩大類，包括有功功率分配和無功功率分配[13]。

已知現(xiàn)有條件下，電網(wǎng)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運行中所有逆變器的運行頻率相同，即存在：

根據(jù)電網(wǎng)運行損耗一般控制方程，得出有功功率分配控制模式：

但由于電網(wǎng)中的逆變器與系統(tǒng)公共母線之間在線路阻抗上存在電壓不同、負荷分布不均勻的問題，導致逆變器虛擬輸出電壓也不相同，圖3為優(yōu)化阻尼比后，兩電網(wǎng)并聯(lián)運行的等效模型示意圖[14]。

圖3中，優(yōu)化后的控制參數(shù)和設置的安全約束條件在一定程度上抵消了干擾數(shù)據(jù)，因此得到無功率分配控制方程為：

圖3 電網(wǎng)并聯(lián)運行的等效模型

式中：Q0表示初始運行功率；Qn表示所有逆變器的總運行功率；x表示分配系數(shù)；Δx表示約束后的分配值；μ表示分批基準[15]。通過上述兩個層面的電網(wǎng)功率分配模式設計，實現(xiàn)對電網(wǎng)運行損耗的分層控制，至此在考慮安全約束條件下，電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)設計完畢。

3 實驗測試

為驗證設計的優(yōu)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提出實驗測試要求，檢驗考慮安全約束條件下，所設計優(yōu)化控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了讓實驗測試結(jié)果更具有說服力，將該系統(tǒng)與傳統(tǒng)控制系統(tǒng)進行對比，根據(jù)對比分析結(jié)果，得出具體實驗結(jié)論。

3.1 實驗準備

建立實驗測試平臺，將監(jiān)控設備、主站控器、從站控制器、逆變器以及各個通訊器，與測試計算機之間建立連接，搭建的實驗測試環(huán)境如圖4所示。

圖4 實驗測試環(huán)境

實驗測試系統(tǒng)，從主站服務器的實時數(shù)據(jù)庫中將電網(wǎng)運行損耗數(shù)據(jù)提取至工作站，確保系統(tǒng)控制程序在工作站中正常運行。設置實時測試數(shù)據(jù)提取程序，按照該程序得出兩個電網(wǎng)運行損耗控制系統(tǒng)的測試結(jié)果。實驗共分成兩組進行，其中A組為測試實驗組，B組為測試對照組，每一組均進行3次損耗控制實驗測試，每次實驗測試時間分別設定為12小時、24小時和48小時。

3.2 結(jié)果分析

設置文中設計的控制系統(tǒng)為實驗A組，傳統(tǒng)設計方法下的控制系統(tǒng)為對照B組，圖5為實驗測試對比結(jié)果。

根據(jù)上述3組測試結(jié)果可知，文中設計的電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)，在3個運行時段的測試下，其穩(wěn)定性指標一致保持相對平穩(wěn)的狀態(tài)。而傳統(tǒng)設計方法下的電網(wǎng)運行損耗控制系統(tǒng)，在0～48小時的3段檢測內(nèi)，其穩(wěn)定性曲線波動越來越劇烈，只在12小時測試內(nèi)，有較為穩(wěn)定的測試結(jié)果，超出該時段后，該系統(tǒng)波動較大，無法控制自身運行的穩(wěn)定性，導致無法合理控制電網(wǎng)運行損耗。上述結(jié)果說明，文中設計系統(tǒng)的控制穩(wěn)定性較好，能夠?qū)崿F(xiàn)電網(wǎng)運行損耗的優(yōu)化控制[16]。這是由于該系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)化后的控制參數(shù)和設置的安全約束條件，在一定程度上抵消了干擾數(shù)據(jù)，從而提高了控制結(jié)果的穩(wěn)定性。

為了進一步驗證文中設計系統(tǒng)的應用效果，以抗干擾性為實驗指標，對傳統(tǒng)系統(tǒng)和文中設計系統(tǒng)進行比較，結(jié)果如圖6所示。其中，抗干擾性用數(shù)值進行表示，數(shù)值越大，表示抗干擾性能越好。

圖6 抗干擾性實驗測試對比結(jié)果

分析圖6可知，文中設計的系統(tǒng)在實驗測試時間內(nèi)，抗干擾系數(shù)明顯高于傳統(tǒng)系統(tǒng)，并且變化波動較小，相比較之下，傳統(tǒng)系統(tǒng)的波動較大，說明文中設計的系統(tǒng)能夠抵御外界干擾因素帶來的影響，保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，進一步說明了考慮安全約束條件的電網(wǎng)運行損耗優(yōu)化控制系統(tǒng)的有效性。

4 結(jié)束語

文中設計的電網(wǎng)運行損耗控制系統(tǒng)，在傳統(tǒng)系統(tǒng)設計的基礎(chǔ)上，通過設定一系列穩(wěn)定性指標或因素，增加系統(tǒng)在執(zhí)行控制任務時的運行穩(wěn)定性，使系統(tǒng)可以處在一個長時間穩(wěn)定的工作狀態(tài)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的運行安全，保證電網(wǎng)運行損耗的有效控制。但設計的系統(tǒng)沒有著重說明軟件的兼容性，在今后的研究工作中，可以針對這一問題展開討論。