大型水庫配電網(wǎng)無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制方法

涂 剛

（廣西壯族自治區(qū)水利廳那板水庫管理中心，廣西 防城港 535500）

引 言

影響電壓的最主要因素是無功功率，當(dāng)電壓發(fā)生變化時，配電網(wǎng)必須有足夠的無功電源和強(qiáng)大的調(diào)節(jié)能力，否則就必須增加無功補(bǔ)償設(shè)備以達(dá)到調(diào)節(jié)電壓穩(wěn)定的目的。配電網(wǎng)無功優(yōu)化的控制很大程度影響著電壓及線路損耗，決定著配電網(wǎng)的電能質(zhì)量[1]。由此可見，無功優(yōu)化控制對電壓穩(wěn)定的調(diào)節(jié)有著重要作用。無功優(yōu)化是一種能夠全方位維持配電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的重要手段，它可以降低配電網(wǎng)運(yùn)行中所產(chǎn)生的線路損耗，提高電網(wǎng)供電質(zhì)量。大型水庫工程運(yùn)行中，在滿足水庫配電網(wǎng)電壓基本要求下，根據(jù)配電網(wǎng)實際負(fù)荷動態(tài)變化對水庫配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行無功優(yōu)化，可以實現(xiàn)對線路損耗與配電網(wǎng)運(yùn)行成本最小化的目標(biāo)[2]?，F(xiàn)階段，大型水庫常用的配電網(wǎng)無功優(yōu)化方法多是采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，其適用范圍有限，在部分大型水庫配電網(wǎng)運(yùn)行中的無功優(yōu)化效果較差，導(dǎo)致水庫電能質(zhì)量與電壓水平得不到保障[3]。日分段是一種根據(jù)配電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測曲線的變化規(guī)律，劃分次日配電網(wǎng)控制時段進(jìn)而調(diào)節(jié)有載調(diào)壓變壓器，確定各個時段的最優(yōu)運(yùn)行方式。為了改善大型水庫常規(guī)配電網(wǎng)無功優(yōu)化方法的不足，在常規(guī)方法基礎(chǔ)上引入日分段理念，構(gòu)建配電網(wǎng)無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制方法，實現(xiàn)對大型水庫配電網(wǎng)全天無功優(yōu)化目標(biāo)。

1 大型水庫配電網(wǎng)無功優(yōu)化控制方法設(shè)計

配電網(wǎng)無功優(yōu)化是保證系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性并降低電網(wǎng)線路有功損耗，可靠減少設(shè)備動作次數(shù)，從而實現(xiàn)配電網(wǎng)電壓無功優(yōu)化運(yùn)行與調(diào)節(jié)設(shè)備動作次數(shù)的重要措施。配電網(wǎng)無功優(yōu)化控制方法，主要是通過獨(dú)立的無功補(bǔ)償裝置采集全網(wǎng)各節(jié)點運(yùn)行電壓、無功功率、有功功率等在線參數(shù)，并依據(jù)水庫配電網(wǎng)歷史資料，以配電網(wǎng)區(qū)域電能損耗最少、設(shè)備動作次數(shù)最少為約束條件，通過優(yōu)化算法形成相應(yīng)控制策略，對有載調(diào)壓變壓器分接開關(guān)、無功補(bǔ)償設(shè)備投切進(jìn)行的優(yōu)化控制[4]。系統(tǒng)控制指令借助調(diào)度自動化系統(tǒng)功能，利用調(diào)度控制中心自動執(zhí)行或通過獨(dú)立的無功補(bǔ)償裝置監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)和執(zhí)行控制策略，從而實現(xiàn)大型水庫配電網(wǎng)電壓的無功優(yōu)化運(yùn)行。

1.1 建立大型水庫配電網(wǎng)無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

對大型水庫配電網(wǎng)的運(yùn)行情況及運(yùn)行特征做出多方位分析，建立配電網(wǎng)無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，通過模型迭代訓(xùn)練作用獲取配電網(wǎng)各項參數(shù)。選擇水庫配電網(wǎng)控制變量，例如水庫配電網(wǎng)發(fā)電機(jī)端電位儀、投切電容器組、分接頭檔位等，在滿足配電網(wǎng)無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型約束條件的前提情況下，帶入選擇的控制變量以生成最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)[5]。最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)需要滿足的約束條件如下：

式中 r——大型水庫配電網(wǎng)用來進(jìn)行無功優(yōu)化的控制變量；x——配電網(wǎng)無功優(yōu)化過程中的狀態(tài)變量；F（r，x）——無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的目標(biāo)函數(shù)；g（r，x）——無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的約束條件；h（r，x）——配電網(wǎng)無功優(yōu)化過程中狀態(tài)變量與控制變量約束條件。

通過表達(dá)式，得出配電網(wǎng)無功優(yōu)化最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)，以實現(xiàn)大型水庫配電網(wǎng)最小有功功率損耗為核心目標(biāo)。優(yōu)化上述數(shù)學(xué)模型，將配電網(wǎng)有功損耗降至最小，得出如下數(shù)學(xué)模型表達(dá)式：

式中 DP——大型水庫配電網(wǎng)有功損耗；

Qa——配電網(wǎng)無功補(bǔ)償量；

Vi——配電網(wǎng)電壓上下限；

Vimin和Vimax——配電網(wǎng)電壓的最小和最大限值；

Qr——配電網(wǎng)自動投切補(bǔ)償容量；

Qrmin和Qrmax——配電網(wǎng)自動投切補(bǔ)償容量的最小和最大限值；

d——配電網(wǎng)潮流等式約束。

通過建立的無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，在保證配電網(wǎng)電壓質(zhì)量符合要求的情況下，降低有功損耗，設(shè)置無功補(bǔ)償組數(shù)，不斷調(diào)節(jié)帶負(fù)載調(diào)壓的變壓器。無功優(yōu)化補(bǔ)償過程中，對優(yōu)化模型求解后得出每個分段下的最優(yōu)目標(biāo)值如表1 所示。

表1 無功補(bǔ)償數(shù)值及對應(yīng)優(yōu)化目標(biāo)和權(quán)重

1.2 劃分配電網(wǎng)控制時段

基于上述大型水庫配電網(wǎng)無功優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立，通過日分段原理對配電網(wǎng)控制時段進(jìn)行合理劃分。劃分大型水庫配電網(wǎng)控制時段能夠有效限制配電網(wǎng)設(shè)備調(diào)節(jié)的動作次數(shù)，并將設(shè)備調(diào)節(jié)動作次數(shù)轉(zhuǎn)化為提高配電網(wǎng)電壓質(zhì)量的調(diào)整代價，減少全天網(wǎng)損。本文選取配電網(wǎng)操作處罰費(fèi)用作為調(diào)整代價，通過上述數(shù)學(xué)模型的迭代作用修正其懲罰系數(shù)，從而獲取最優(yōu)化的配電網(wǎng)控制分段結(jié)果。為了提高配電網(wǎng)控制時段劃分的精確性，需要計算配電網(wǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備在次日各個時刻對應(yīng)的動作效益，計算表達(dá)式為：

式中 Dqi，j——大型水庫配電網(wǎng)運(yùn)行至j 時刻對應(yīng)的調(diào)節(jié)設(shè)備動作效益；

rj——j 時刻配電網(wǎng)運(yùn)行電價；

Dt——配電網(wǎng)無功優(yōu)化時間間隔；

Dki，j——配電網(wǎng)運(yùn)行至j 時刻全網(wǎng)有功損耗；Dkj′——配電網(wǎng)j 時刻無功優(yōu)化后對應(yīng)的全網(wǎng)有功損耗；

Ci，j——配電網(wǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備的動作代價。根據(jù)計算獲取次日各個時刻對應(yīng)的配電網(wǎng)調(diào)節(jié)設(shè)備動作效益，選取適配度較高的懲罰系數(shù)，初步劃分大型水庫配電網(wǎng)次日控制時段[8]。若動作效益Dqi，j大于0，則將配電網(wǎng)運(yùn)行時刻j 設(shè)置為一個獨(dú)立的控制時段；若動作效益Dqi，j小于等于0，則將配電網(wǎng)運(yùn)行時刻j 與時刻j-1 合并，合并成一個控制時段。根據(jù)控制時段劃分結(jié)果，計算無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制序列，得出新值序列并調(diào)節(jié)配電網(wǎng)各節(jié)點負(fù)荷。采用并聯(lián)補(bǔ)償電容器，通過其無功補(bǔ)償能力對網(wǎng)損較大的控制時段進(jìn)行細(xì)分處理，即得出大型水庫配電網(wǎng)控制時段最終的分段結(jié)果。

1.3 無功優(yōu)化日分段解耦控制

對大型水庫配電網(wǎng)控制時段完成劃分后，再開展對配電網(wǎng)進(jìn)行無功優(yōu)化日分段解耦控制，實現(xiàn)綜合優(yōu)化控制的目標(biāo)。通過解耦處理方式，得出單一時段大型水庫配電網(wǎng)的無功優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，其無功優(yōu)化日分段解耦表達(dá)式為：

式中 fa——單一時段大型水庫配電網(wǎng)綜合優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)；

Pe（r，x）——單一時段大型水庫配電網(wǎng)網(wǎng)損值；

V（x）——大型水庫配電網(wǎng)電壓質(zhì)量罰函數(shù)；

K（r）——大型水庫配電網(wǎng)電壓設(shè)備動作罰函數(shù)。通過該解耦表達(dá)式改寫配電網(wǎng)無功優(yōu)化狀態(tài)的變量，將其改寫為概率約束，并根據(jù)配電網(wǎng)運(yùn)行的實際工況，設(shè)定置信度。配電網(wǎng)電壓質(zhì)量罰函數(shù)、配電網(wǎng)電壓設(shè)備動作罰函數(shù)與配電網(wǎng)網(wǎng)損期望以及電壓概率分布具有一定關(guān)系[6]。通過無功優(yōu)化日分段解耦結(jié)果，對大型水庫配電網(wǎng)網(wǎng)損與電壓質(zhì)量進(jìn)行全面控制，衡量配電網(wǎng)無功優(yōu)化過程中沖突目標(biāo)的動態(tài)變化，對影響配電網(wǎng)無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制的沖突目標(biāo)進(jìn)行取舍，進(jìn)而高效實現(xiàn)配電網(wǎng)日分段綜合優(yōu)化控制的目標(biāo)。

2 實驗論證分析

綜合上述內(nèi)容，對大型水庫配電網(wǎng)提出無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制流程。在綜合優(yōu)化控制方法投入水庫配電網(wǎng)工程應(yīng)用之前，開始如下文所示的模擬實驗分析，檢驗該優(yōu)化控制方法的可行性，在保證其能夠?qū)ε潆娋W(wǎng)無功優(yōu)化做出有效控制后，才能投入到水庫配電網(wǎng)的無功優(yōu)化控制中。

2.1 實驗準(zhǔn)備與開展

選取廣西地區(qū)某S 大型水庫配電網(wǎng)工程為此次的研究對象。S 大型水庫位于所在地區(qū)縣城上游3.5 km，水庫設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 年一遇，它對該地區(qū)主要起到防洪、供水、農(nóng)業(yè)灌溉以及水產(chǎn)養(yǎng)殖等作用。

該水庫配電網(wǎng)中的變壓器存在一定差異，其10 kV側(cè)分別安裝單組容量為2.5 Mvar、2.7 Mvar 和3.0 Mvar 的補(bǔ)充電容器。在掌握大型水庫配電網(wǎng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)后，將上述提出的無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制方法應(yīng)用到水庫配電網(wǎng)中，以檢驗其日分段實際綜合優(yōu)化控制效果。

2.2 實驗結(jié)果分析

引入對比分析的方法原理，將本文內(nèi)容上述提出的大型水庫配電網(wǎng)無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制方法設(shè)置為實驗組，將文獻(xiàn)[1]提出的基于在線極限學(xué)習(xí)機(jī)的控制方法設(shè)置為對照組1，文獻(xiàn)[3]提出的基于隨機(jī)矩陣?yán)碚摰目刂品椒ㄔO(shè)置為對照組2，分別進(jìn)行日分段綜合優(yōu)化控制效果對比分析。選取無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制后配電網(wǎng)電壓合格率作為此次實驗的評價指標(biāo)，計算表達(dá)式為：

式中 P——配電網(wǎng)監(jiān)測點電壓合格率；

Ta——配電網(wǎng)監(jiān)測點電壓超限時間；

T——配電網(wǎng)監(jiān)測點電壓運(yùn)行時間。

通過計算表達(dá)式得出配電網(wǎng)各個監(jiān)測點的電壓合格率，電壓合格率越高，說明S 大型水庫配電網(wǎng)無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制效果越好，全天網(wǎng)損越小，供電質(zhì)量就越高，反之同理。為了避免實驗結(jié)果存在的偶然性，在S 大型水庫配電網(wǎng)中再隨機(jī)布設(shè)6 組監(jiān)測點，標(biāo)號為01～06。利用MATLAB 模擬分析軟件，計算并統(tǒng)計各組監(jiān)測點電壓合格率，繪制如圖1 所示的評價指標(biāo)對比圖。

圖1 S 大型水庫配電網(wǎng)無功優(yōu)化對比結(jié)果

根據(jù)圖1 和表2 的對比結(jié)果可以看出，在三種優(yōu)化控制方法應(yīng)用后，S 大型水庫配電網(wǎng)各組監(jiān)測點的電壓合格率存在較大差距。其中，應(yīng)用本文提出的日分段綜合優(yōu)化控制方法后，6 組監(jiān)測點電壓合格率明顯高于另外兩種方法，電壓合格率最高可達(dá)99.5%，最低為97.3%；對照組1 電壓合格率最高為94.2%，最低為90.4%；對照組2 電壓合格率最高為95.5%，最低為91.5%，三種優(yōu)化控制方法應(yīng)用效果如表2 所示。由此對比結(jié)果不難看出，本文提出的無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制方法具有顯著的控制效果，能夠有效地提高大型水庫配電網(wǎng)電壓合格率，減少全天網(wǎng)損并改善了電壓質(zhì)量，保障了水庫配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 三種無功電壓優(yōu)化效果參數(shù)對比值

3 結(jié) 語

為了打破傳統(tǒng)水庫配電網(wǎng)無功優(yōu)化方法的局限性，解決其全局優(yōu)化效果不佳的問題，本文引入日分段理念，并結(jié)合廣西地區(qū)某S 大型水庫工程為例，提出了一種大型水庫配電網(wǎng)無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制方法。通過本文研究，對配電網(wǎng)負(fù)荷的全局變化進(jìn)行了論證分析，采取的配電網(wǎng)無功優(yōu)化日分段綜合優(yōu)化控制方法，有效地減少了配電網(wǎng)全天線路的損耗，優(yōu)化了配電網(wǎng)全天各個時段電壓質(zhì)量與電能質(zhì)量，使大型水庫電力系統(tǒng)的整體電壓水平得到了改善，具有重要意義。