配電網混成電壓控制系統指標體系設計與應用

王哲， 陳穎， 梅生偉， 李銳

(清華大學電機工程與應用電子技術系，北京100084)

0 引言

隨著國民經濟的增長，我國的電力工業發展迅速，無論是裝機總量還是網架建設都取得了長足的進步。然而，用戶對高質量、不間斷服務電能的需求越來越高，同時供電企業的利潤空間受到電價政策和供電區域市場容量的限制。如何在確保系統的安全與穩定和電能質量的同時，提高經濟效益，是電力系統的運行面臨的新挑戰。

配電網作為向用戶供應和分配電能的重要環節，直接體現了整個電力系統對用戶的供電能力和質量。因此，加強配電網的建設與管理，對于經濟發展和社會穩定都具有非常重要的意義。目前許多國家在關注智能的、自動化的配電網［1－2］，以期利用各種先進的自動化技術、通信技術、信息技術以及現代管理理念和手段，實現系統安全、經濟和優質的多目標優化運行。

為了實現上述目標，需要對系統的安全性、經濟性水平和電能質量進行有效的衡量與評估。本文在考慮系統安全性、經濟性和電能質量等控制目標的基礎上，構建了針對配電網多目標趨優電壓控制的指標體系。由此指標體系出發，可判斷混成控制中的事件是否發生，進而驅動控制邏輯，使得系統始終處于多目標趨優運行狀態。

1 混成電力控制系統基本原理

如果把現有電力系統中所有的控制目標和約束條件綜合考慮，將得到一個非常復雜的多目標優化問題，很難直接用純數學的方法求解。混成自動控制理論為解決上述問題提供了新的途徑，其基本思想是:將一切不滿足要求和不滿意的狀態都分類地定義為事件，評定事件類型，通過控制使得系統回歸至無事件狀態，則系統的各項指標一定是足夠滿意的。

混成電力控制系統的基本結構如圖1所示。這種基于事件驅動的概念和方法在電力系統中得到了實際應用，并取得很好的效果［3－5］。

圖1 混成電力控制系統結構示意圖Fig．1 Frame of hybrid control in power system

指標體系在混成控制的決策和執行過程中扮演著重要的角色，其作用主要體現在以下幾個方面:首先，對于決策層，如何選取評價指標，將直接影響事件的觸發判斷，進而影響后續的控制行為;其次，對于操作層，指標要作為優化模型的目標函數，其選取和計算將影響到整個優化問題的求解過程和結果;再次，對于執行層，為了驗證控制的效果，在控制設備執行完操作指令后，還需要對系統新狀態的指標進行校驗;此外，通過指標在一段時間內的統計信息，還可找出電網運行中的薄弱點，從而有針對性地進行改造建設，盡可能達到電網整體效益的最大化。

文獻［3，5］分別提出了無功/電壓和有功/頻率兩類混成電力控制系統，同時為了適應事件驅動的要求，構建了用于各類事件觸發判斷的指標體系。這些工作主要針對輸電網而提出。

相對輸電網絡，配電網有其自身特點，例如①配電網的網絡結構呈輻射狀，其電壓控制要分區分層進行，要協調兼顧不同區域之間和不同電壓等級之間的相互影響;②配電網中需要更加關注網損和電壓質量問題;③配電網的主要控制設備是可投切電容/電抗器和有載調壓變壓器分接頭，均為離散調節設備，時間常數大，且不可頻繁動作;④配電網的自動化和信息化水平不高，往往會導致量測數據質量較差等。因此，構建配電網混成電壓控制系統，不能完全照搬輸電網的經驗，必須構建一套有針對性的、合理的指標體系。

2 配電網混成電壓控制指標體系設計

2.1 基本思路

配電網混成電壓控制指標體系包括安全穩定性、電壓質量、經濟性三個方面。為了更加適應配電網混成自動控制的需要，確保事件判斷與控制決策的正確性、合理性，指標體系的構建遵循如下基本思路:

第一步，指標的選取。每一個控制目標都有多種評價指標可供選擇，在混成控制中，指標作為事件觸發的在線判據，首先應強調實時性，要便于測量、計算簡單，另外指標與控制量之間的關系要直接明確，因此那些難于量測、計算復雜度高或者與控制量之間關系不確切的指標都不適合。

第二步，指標的歸一化。傳統的指標，都是定性給出系統狀態合格或者不合格，而無法給出具體的量化信息。利用模糊理論，能夠更全面、真實、自然、量化地反映電能質量的性質［6－7］。本文借鑒這種思想，把所有的指標均轉化為模糊理論中的滿意度，取值范圍在0～1之間，于是在進行事件判斷時，不再是簡單給出滿意或不滿意，而是具體的給出滿意度大小。這樣一方面可以消除各物理量之間量綱不一致的問題，將不同優化控制目標統一到相同的尺度進行度量和評估，提高指標對不同系統的適應性;另一方面，當系統處于滿意和不滿意之間的“過渡狀態”時，可以根據情況選擇是否進行控制，這在一定程度上能夠減少不必要的設備動作，降低設備損耗。

2.2 安全穩定性指標

與輸電網相比，配電系統電壓等級低、動態元件少，一般認為配電網穩定問題主要是靜態電壓穩定。目前關于靜態電壓穩定性指標的研究已有很多工作［8－10］。其中，文獻［8］提出了一種易于計算的電壓穩定性指標，母線i的穩定性定義為

將指標(1)歸一化，得到安全穩定性指標

式中 i=1，2，…，n。

綜上，IS指標的計算只需要用到雅克比矩陣相關元素和母線電壓，非常方便，并且在不同的種負荷水平下都能保持良好的魯棒性［8］，因而適合作為配電網的安全穩定指標。

2.3 電壓質量指標

針對配電網中最關心的電壓質量問題，采用文獻［6］的評價指標作為電壓質量指標:

1)母線電壓滿意度。傳統的調度控制方式主要關心母線電壓越限的情況，而忽略了母線電壓接近上限或下限運行的狀態。單個母線i的電壓滿意度為

其中:V表示母線實測電壓;VL1、VH1分別為電壓的下限和上限;VL2、VH2分別為接近下限和上限的給定值。系統電壓正常時，滿意度為1;當電壓接近上下限時，滿意度逐漸下降;當電壓越過上下限時，滿意度降為0。

2)整體電壓滿意度。在單個母線電壓滿意度的基礎上，可進一步得到系統的整體電壓滿意度為

其中，Q(Vi)是母線i的電壓滿意度;λi是對應的權重系數，反映了用戶對該母線關注的程度。一般而言，在配電網中，運營方更關心帶有負荷的低壓側母線電壓，因此這類母線權重系數較大。

2.4 經濟性指標

網損是衡量電網運行經濟性的主要指標，合理調節系統的電壓和無功水平，能有效降低線損，對提高系統的經濟性具有非常重要的意義。

將網損進行歸一化，選取經濟性指標為

其中:IE為運行經濟性指標;PL為實際網損;PLopt為該斷面的最優網損。通過以網損最小為目標的最優潮流(optimal power flow，OPF)計算得到，PLmax是可接受的最大網損。

該指標采用當前潮流斷面的實際網損與理論最優網損之間的差距來衡量電力系統運行的經濟性。對配電網而言，若網損偏離最優點超過10%以上(即PLmax=1.1PLopt)，認為此狀態不可接受。

2.5 指標的評判標準

在配電網混成電壓控制系統中，上述各類指標及其評判標準如表1所示。表中各指標的事件觸發閾值是參考值，在實際運行過程中可根據情況和歷史經驗來設置調整，以確保事件能夠在恰當的實際被觸發，這樣形成的控制指令才能更加及時有效。

3 配電網混成電壓控制邏輯求解

應用指標體系對系統狀態進行判斷，若產生事件，則需要啟動事件處理流程。針對某一類事件所產生的控制策略，在執行調節的過程中可能會影響其他的指標，使其惡化，嚴重的情況下甚至會引發生成其他類型的事件，這種顧此失彼的調節顯然是沒有意義的。

為了綜合考慮調節對各種指標帶來的不同影響，尤其是當有多個事件同時產生的情況，需構建多目標優化問題的數學模型并求解，這方面的算法研究工作有很多［11－13］。然而，這些算法求解速度較慢，難以在線應用，因此，提出了的實用的多目標趨優求解思路。

第一步，判斷是否產生事件。根據系統初始狀態計算各個指標，判斷是否有事件發生，并將當前發生的事件集合記作

其中，ES，EQ，EE分別代表安全穩定性事件，電壓質量事件，和經濟性事件。通過指標體系和系統狀態判斷系統中是否有事件發生，若發生電壓質量事件，則EQ=1，反之EQ=0(ES和EE類似);

第二步，建立描述事件的優化問題。若有事件生成，即E≠{0，0，0}，則建立多目標優化問題模型為

其中目標函數是各類事件對應的指標;X為待求解的控制變量，包括電容/電抗器的投切量和變壓器分接頭的檔位等;G(X)是潮流方程的等式約束;H(X)是變量上下限所要滿足的不等式約束;

第三步，求解優化問題以消除事件。由于IS，IQ，IE均為無量綱的滿意度指標，且取值范圍都在0～1之間，可采用滿意度最大法進行求解:定義變量λ，在保證所有指標都不小于λ的前提下，使得λ盡可能最大化，即將原優化問題式(7)轉化為式(8)，即

當λ盡可能大，則能保證多個指標同時滿足一定要求，從而實現整體的多目標趨優控制。

4 算例測試

以南方某市一個供電區域的配電網實際系統為例，如圖2所示，該系統中共有1個220kV母線(A1)，4 個110kV 母線(A2，B1，C1，D1，E1) 和 10 個10kV母線。控制變量包括所有10kV母線所連的可投切電容器組，以及所有110kV變電站的有載調壓變壓器分接頭。

圖2 應用算例網絡圖Fig．2 Network of testing system

選取某一時刻實際量測作為初始狀態進行分析:該狀態下系統負荷較輕，系統電壓質量較高，安全穩定性指標和電壓質量指標都處于滿意狀態，但經濟性指標偏低，故產生經濟性事件。若僅考慮改善經濟性指標，進行單目標優化控制，則控制后安全穩定性指標和電壓質量指標都會下降;若按照式(8)的方法進行協調優化控制，則安全穩定性指標和經濟性指標同時得到改善，電壓質量指標雖有所下降，但尚處于可接受范圍內。表2是不同控制策略的效果比較。

表2 輕負荷狀態控制前后指標對比Table 2 Comparison of indicators for light load status

選取另一時刻實際量測作為初始狀態進行分析，該狀態下系統負荷較重，系統電壓質量指標和經濟性指標均偏低，同時產生電壓質量事件和經濟性事件。按照式(8)的方法進行協調優化控制，控制前后結果比較如表3所示，電壓質量指標和經濟指標均得倒改善，恢復了無事件狀態，同時安全穩定性指標也得到了提高。

表3 重負荷狀態控制前后指標對比Table 3 Comparison of indicators for heavy load status

進一步，再次調整系統狀態，使得系統負荷增加50%。該狀態下系統電壓質量指標和經濟性指標均嚴重偏低，同時產生電壓質量事件和經濟性事件。按式(8)的方法進行協調優化控制，控制前后結果比較如表4所示:電壓質量指標和經濟指標雖得到改善，但電壓質量指標依然未能恢復至無事件的滿意狀態，說明在這種惡劣的情況下，僅靠對現有設備的調節已經不足以支持負荷的增長，系統長期運行在這樣的狀態將是非常危險的，需加大無功補償和電網的投資建設。通過安全穩定性指標對應的母線(B3)，可進一步判斷出電網安全穩定運行的薄弱區域(變電站B)。

表4 超重負荷狀態控制前后指標對比Table 4 Comparison of indicators for overload status

表5給出了在不同負荷狀態下，求解協調優化問題得到的各控制變量變化值。

表5 不同狀態的控制措施Table 5 Operations of control devices for different status

5 結論

從安全穩定性、電能質量、經濟性等控制目標出發，本文建立了用于判斷事件和形成控制的配電網混成電壓控制系統指標體系。指標的選取以簡單易測、便于計算、與控制量關系明確為原則，能夠滿足工程實用化的需求。所有指標采用無量綱的相對量進行標幺化，取值范圍都在0～1之間，使各控制目標能在同一尺度下進行評判和優化。將該指標體系應用于實際配電網混成電壓控制系統，測試結果驗證了指標體系作為事件觸發判據和優化控制目標的正確性和實用性。

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