自律分散式AVC系統在地區電網中的應用

楊洪耕， 馬繼山， 袁志堅

(1.四川大學電氣信息學院， 成都 610065； 2.德陽電業局， 德陽 618000)

自律分散式AVC系統在地區電網中的應用

楊洪耕1， 馬繼山1， 袁志堅2

(1.四川大學電氣信息學院， 成都 610065； 2.德陽電業局， 德陽 618000)

針對傳統集中式AVC系統存在的問題，結合自律分散系統的思想，提出正常情況下集中控制與故障情況下自律分散控制相結合的控制模式，構建了地區電網自律分散式AVC系統；在地區電網內部進行分區，將大規模地區電網的無功優化問題分解為若干小規模子系統的優化問題，對粒子群算法進行改進，采用多線程技術實現各區域并行計算；并結合地區電網的實際情況，確立了AVC系統的省地協調控制策略；運行分析表明，該系統可有效地改善電壓品質，降低網損，提高經濟效益。

自動電壓控制； 自律分散控制； 粒子群算法； 多線程并行計算； 協調控制；

電力系統電壓無功優化控制關系到保證供電質量、滿足用戶無功需求, 同時可以降低有功損耗，提高電網運行的經濟效益。隨著調度自動化系統SCADA(supervisory control and data acquisition)的普及，自動電壓控制AVC系統在電網無功電壓調節方面發揮著越來越重要的作用。

目前國內地區電網AVC系統常采用集中式控制結構[1～5]，即實時采集全網數據進行分析計算，得出無功電壓調整方案后自動下發至各子站執行。集中式控制能實現全網電壓無功優化，但在系統可靠性方面存在不足。一旦中心系統因故障原因終止運行，則整個系統不能正常工作。對規模較大的地區電網，由于控制變量數量大、層次多，全網集中優化在計算速度和內存需求方面均難以滿足電網在線計算和實時控制的要求[6]。

為解決集中式AVC系統中存在的問題，本文結合自律分散系統的思想[7，8]，利用多線程技術，構建了地區電網自律分散式AVC系統。基于無功優化目標函數中網損與節點電壓無功的相關性，對粒子群優化算法(PSO)[9]進行改進，動態自適應調整罰因子，改善了尋優效果。計及省地AVC協調控制要求，確立了省地AVC協調控制策略。

1 自律分散式AVC系統

1.1 系統結構

自律分散式AVC系統由地調AVC系統和縣調AVC系統構成，其中地調AVC系統運行在地區調度中心。每個縣調集控站運行一套縣調AVC系統。省地AVC及地縣AVC間采用集中控制與自律分散控制相結合的控制模式，其控制結構見圖1。

圖1 地區電網自律分散AVC系統控制結構圖

地區電網AVC系統除滿足本地電網電壓無功安全經濟運行外，仍須實時追隨省調給出的協調變量設定值。若省網AVC系統因故障退出運行，則地區電網AVC系統自動轉為就地控制，按照預設限值進行控制。

地縣間通訊正常時，AVC系統為地調計算模式，縣調AVC系統負責接收地調AVC系統的控制命令，并將其轉發至SCADA系統，完成對設備的閉環控制。

若地調AVC系統出現故障,則系統自動將各區域轉為縣調計算模式。縣調AVC系統根據本地實時數據及電網參數直接對所轄電網進行優化計算，將控制策略發至SCADA執行。從而實現故障情況下電網控制權的切換，最大限度地保障了系統安全可靠運行。

地調AVC系統恢復正常后，各縣調AVC系統自動轉為地調計算模式，同時縣調AVC系統將本地數據庫更新匯總到地調數據庫。

1.2 系統功能體系

地調AVC系統和縣調AVC系統作為自律分散系統中的子系統，圖2為地調及縣調AVC系統主要功能模塊和各模塊間相互關系。

地調及縣調AVC系統均包括自行開發的實時數據庫和商用數據庫，前者側重實時數據，訪問速度快；后者用于保存靜態數據和歷史數據，可靠性高。各縣調數據庫中包含縣調集控站所轄本地電網數據，地調數據庫則將全網數據庫進行匯總，縣地間數據庫保持同步更新。用戶可通過模型維護平臺完成系統建模，模型保存在商業數據庫中。系統核心為分析計算和用戶監控兩個模塊，包含如圖2所示若干子功能。所有控制日志和歷史數據都保存在商用數據庫中，可通過用戶監控平臺查詢和分析。

圖2 地區電網自律分散AVC系統功能體系

2 無功電壓優化控制

2.1 目標函數

本文以包含能損費和調節代價的運行費用最小為目標[6]，同時引入對PQ節點電壓幅值和省網關口節點注入無功的懲罰項，構成的擴展目標函數為：

(1)

式中：Ploss為系統的有功損耗；NPO、NB、NT、NC分別為PQ節點個數、省網關口節點數、可調變壓器數和補償電容器節點數；Ui、Uimax、Uimin分別為PQ節點電壓、電壓上限值和下限值；Qi為關口節點無功，Qimax、Qimin為無功上限值和下限值；λvi、λqi分別為電壓罰因子和無功罰因子；ΔXTi、CTi分別為變壓器抽頭變化量和調節成本，ΔXCi、CCi分別為電容器組數變化量和調節成本；同時式(1)要滿足潮流平衡方程約束。

2.2 動態調整罰因子

本文根據適應度函數對每個節點電壓無功的靈敏度，分別求取其對應的罰因子，實現了罰因子的動態自適應調整。

式(1)中，網損如式(2)所示：

(2)

單獨考慮式(1)中第一項和第二項，對電壓Ui求偏導，令偏導數為零，以λVi絕對值作為節點i處的電壓罰因子，如下所示：

2Ujcosθij)+2λUi(Ui-Uilim)=0

(3)

式中：n為系統節點數目；j∈i表示節點j與i之間有線路相連；Gij為節點i、j間的電導；上式中的(Ui-Uilim)可根據實際需要，設為一個固定值，其值越小，目標函數對電壓越限量越敏感。

單獨考慮式(1)中第一項和第三項，對電壓Ui求偏導，令偏導數為零，如下所示：

(4)

由潮流平衡方程可得：

(5)

將式(5)代入式(4)，以λqi絕對值作為節點i處的無功罰因子。

2.3 地調多區域并行計算

地區電網中各縣域電網多為弱環網或輻射狀運行，且縣域間無功電壓存在解耦性。為提高計算速度并適應當前調度管理體制，本文在220 kV主變高壓側對地區電網和省網進行分層，并在地區電網內按集控站所控范圍進行分區，分別對各子網進行優化。

本文采用多線程技術實現了各區域并行計算，并利用線程池技術(Thread pool)有效管理服務器中的線程。地調優化計算中多線程處理方式見圖3。

圖3 多線程優化計算示意圖

在線程創建上，采用“一縣調一線程”的原則，將AVC分析計算模塊進行封裝，為每個縣調對象創建一個線程，由相應線程來完成優化計算。當任務結束時,該線程并不會被立即銷毀，而是在線程池中被標識為暫停狀態(Suspended)；若縣調對象向線程池發出一個計算請求,則處于暫停狀態的線程會被喚醒以完成相關任務。由于程序向線程池發起計算請求的速度遠小于一個線程處理優化計算任務的速度,線程池不需要為每個縣調對象創建更多線程而一直重用同一個線程，從而有效地控制了創建和銷毀線程帶來的開銷，節約了系統資源。

2.4 省地協調策略

根據現行調度管理體制并結合無功分層原則，本文采用省地間關口，即220 kV主變高壓側功率因數作為協調變量[10]。地調AVC系統定時計算并上傳各220 kV變電站供電片區的關口可增/減無功容量，省調側根據地調上傳無功可調節能力，經全網優化后，下發各關口動態功率因數限值。地調AVC系統根據省調下發的限值，對地區電網進行無功優化控制。

一般省調側電網模型只建設到220 kV主變，110 kV以下電網等值為負荷，由于模型不完備，省調下發關口功率因數限值存在省調側最優性與地調側可行性的矛盾。若省調下發關口功率因數可行，地區電網AVC系統則按照省調下發的約束進行優化。若省調下發限值不可行，在正常狀態下，采用約束松弛策略，放棄對省調下發關口功率約束的

跟蹤，按照原有的地調約束條件進行優化；在緊急狀態下，則犧牲地調側的電壓合格率，嚴格按照省調下發的關口功率因數約束執行，保證系統的電壓穩定性。圖4為地調AVC協調控制示意圖。

圖4 AVC系統省地協調控制流程

3 系統運行平臺及應用情況

本文開發的自律分散AVC系統與原有的EMS平臺分開，運行于單獨的AVC服務器上。服務器為雙4核CPU配置，適于多線程計算。

目前，該系統于2009年4月開始已在多個地區電網實際運行，結果表明該系統運行穩定，控制效果良好，主要包括以下方面：

1)電壓運行曲線更加合理，提高了電壓合格率。AVC系統投入閉環后各控制母線電壓曲線在高峰時段靠近上限運行，低谷時段靠下限運行，符合逆調壓要求，見圖5某110 kV母線在兩個負荷相似日的電壓曲線。

圖5 投入AVC前后110kV母線電壓對比

2)降低系統網損。投入AVC前后網損對比見圖6、7。其中4月11日AVC閉環運行，4月18日AVC開環運行。兩天的負荷曲線相當接近，而4月18日的網損曲線有較大幅度的升高。其中，4月11日網損率較4月18日降低了0.057%。

圖6 相似日負荷曲線對比

圖7 投入AVC前后網損對比

4 結語

本文開發的自律分散AVC系統具有如下特點：

1)分設地調AVC系統和縣調AVC系統，可選擇性的進行分區控制，電網運行參數可在各縣調AVC系統中在線修改，修改后縣調AVC數據庫自動與地調AVC數據庫保持同步更新。具有在線可擴展、在線維護和在線容錯能力。

2)首次采用多線程技術對電網進行分區并行優化計算，充分利用系統資源，提高了計算速度。

3)考慮省地AVC系統聯合協調控制，在正常和緊急狀態下分別采取相應的優化策略，實現了不同狀態下的協調優化控制，以最大程度地滿足省調下發的協調變量值。

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ApplicationofAutonomousDecentralizedAVCSysteminAreaPowerSystem

YANG Hong-geng1， MA Ji-shan1， YUAN Zhi-jian2

(1.College of Electrical and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China； 2.Deyang Electric Power Bureau, Deyang 618000, China)

Based on the existing problems in current centralized AVC system, an autonomous decentralized AVC system is designed with a combination of the ideas of autonomous decentralized system. This paper presented a control model of centralized control on normal conditions and autonomous decentralized control on fault conditions. The area power system is divided into several control zones, then the optimization problem of the whole large scale area power system is divided into several optimization sub-problems of small scale systems. Parallel computing is applied in several regions with the technology of multithread and modified particle swarm algorithm. An overall scheme of coordinate AVC for area power network and provincial power network is proposed. The operation result shows that the AVC system is effective on improving the quality of voltage, reducing the loss in network, making more profit.

auto voltage control(AVC)； autonomous decentralized control； particle swarm algorithm； multithread parallel computing； coordinate control

2010-05-17；

2010-06-29

TM761

A

1003-8930(2011)06-0131-04

楊洪耕(1949-)，男，教授，博士生導師，主要從事電能質量分析與控制、區域電壓無功控制等方面的研究與教學工作。Email:yangsi@mail.sc.cnifo.net 馬繼山(1986-)，男，碩士研究生，研究方向為電力系統無功優化、電能質量。Email:majishan8341@163.com 袁志堅(1965-)，男，博士，高級工程師，研究方向為自動化與通訊系統管理。Email:yuan-zj@2lcn.com