農網電壓及無功優化控制系統的研究

賴偉源 （廣東省高級技工學校廣州校區，廣東 廣州 510800）

近幾年隨著農電系統的大力改造和發展，農網或縣級供電企業在調度自動化、變電站綜合自動化等電力自動化水平上得到了空前和飛速的發展。迄今為止，農網各級變電站基本上均安裝了電壓無功控制裝置，但上述電壓無功控制裝置最大限度只能實現局部電壓無功優化控制，局部的電壓無功優化策略與基于全局的電壓無功優化策略有可能得出不同甚至完全相反的結論。局部電壓無功優化的主要目的或作用是維持局部電壓的質量；全局電壓無功優化的主要目的或作用是在維持系統電壓質量的前提下，盡可能使網損最小。

農網電壓及無功優化控制管理系統通過調度自動化SCADA系統采集全網各節點運行電壓、支路無功功率和有功功率等實時數據，以電網有功功率損耗最少為目標，以各節點電壓合格、系統潮流平衡等為約束條件，進行綜合優化處理后，形成有載調壓變壓器分接開關調節和無功補償設備投切控制指令，從而實現全局電壓無功優化的目的。系統可以從全網角度有效地實現電網無功電壓的優化與實時閉環控制，降低電網電能損耗，提高電網電壓質量，增加電網設備輸電能力。

1 電網無功優化計算方法概述

電力系統電壓/無功優化計算方法，從本質上講是一種大規模非線性約束條件下的極優求解問題。

若將解析法與直接法（或搜索法）兩者相結合，則基本上可以實現上述目的。為此，我們選擇了由國外研究人員提出的序列二次規劃計算方法（Sequential Quadratic Programming）。順序二次規劃計算方法具有解析法和直接法等兩類方法的優點，它不用解析列出梯度函數方程以及求解海賽矩陣，也不用像內點法或外點法一樣要求解一系列的無約束極小問題，而是通過自適應有限差分方法（Finite-differencing Derivatives）來自動計算梯度函數。

在農網電壓及無功優化控制系統中，直接調用MATLAB/Optimization Toolbox這一商業化的優化計算工具包來實現無功優化計算。該優化計算工具包中具有通用的、經多方面反復測試過的SQP（序列二次規劃計算方法）求解程序。

圖1 無功優化計算程序流程圖

2 系統運行模式

農網電壓及無功優化控制管理系統是網絡版軟件，而且是基于3層（數據庫服務器—應用服務器—客戶端）分布的應用系統模式，并支持廣域網（遠程客戶端）應用。

系統運行模式如圖2所示。

3 系統的主要功能

3.1 一體化電網繪圖與拓撲建模

主要是為用戶提供一種“可視化”的定義、描述、繪制電網的工具。電網圖形的繪制可直接根據系統提供的工具進行操作，配網、臺區兩層電網既可各自繪制，也可一體化繪制。

3.2 數據接口

農網電壓及無功優化控制管理系統作為一個專業應用軟件，既與SCADA系統互聯，以提取相關信息，同時又應該保持SCADA系統的相對獨立性。

圖2 農網電壓及無功優化控制管理系統運行模式

在農網電壓及無功優化控制管理系統中我們采取的是單向數據接口設計，SCADA系統所采集的實時信息由前置機直接發送到無功優化系統中的實時數據庫中。該實時數據與SCADA系統界面所顯示的實時數據是完全同步的，并且這種采集方式只具有單向性，采集行為不影響調度系統的正常運行。

3.3 網損分析

（1）實時網損分析

可計算全網、各線路、各變壓器的理論、統計功率（有功、無功）損耗，并可查看具體的計算過程。

（2）實時網損統計分析

可對電網的理論、統計功率（有功、無功）損耗進行相互對比分析；可將分析結果以圖形（餅圖、柱圖、點圖）和數據的方式進行顯示。

（3）網損變化趨勢分析

將電網有功功率損耗變化趨勢和電網無功功率損耗變化趨勢以波形圖的方式顯示出來進行系統分析。

3.4 電壓無功優化

通過調度自動化SCADA系統采集全網各節點運行電壓、支路無功功率和有功功率等實時數據，進行綜合優化處理后，形成有載調壓變壓器分接開關調節和無功補償設備投切控制指令，從而實現全局電壓/無功優化的目的。

系統分析全網在運行的設備和線路的損耗方程式，調用優化工具進行計算，實時計算出電壓/無功優化控制策略，并用圖形的方式顯示每次迭代計算的結果，給用戶計算過程的直觀顯示，輸出求解結果，給出電壓/無功優化控制指令。

4 實際應用注意事項

4.1 電網運行參數的更新

從目前農網的實際情況看，電網的基本參數基本上可以保證其準確性。電網運行參數中有載調壓側檔位也基本上可以實時采集上來。但無載調壓側的檔位，目前還需要人工錄入和適時修改。此外，變電站內主變設備、站外線路等發生改變時，也需要在程序中對相應的參數進行修改。

4.2 遙調、遙控問題

當采用系統優化計算方法這種控制策略時，當值調度員應該理解這一新的控制方法與傳統方法的不同之處：

（1）傳統方法在實施遙調、遙控時所涉及的設備（主變、電容器）基本上是單一的，即只涉及遙調一個主變分接開關或遙控一組母線電容器的投切問題；

（2）采用系統無功優化計算方法這種策略時，優化計算出來的結果一般涉及對所有有載分接開關、所有母線補償電容器的遙調和遙控問題。

因此，當采用新的控制策略時，當值調度員應具備電力系統無功優化計算的一些基本理論知識。優化計算結果求解出來后，遙調、遙控的實現最好循序漸進，由人工干預執行遙調、遙控到最終的閉環自動遙調、遙控。

5 結論與展望

農網電壓及無功優化控制管理系統是一個全新的電網電壓無功優化控制方式。根據現場試運行的情況，若采用優化計算程序，電網有功功率損耗在理論上可以減少10%～30%左右。概括起來，農網電壓及無功優化控制管理系統具有以下幾個方面的作用或效益：

(1）減少電網電能損耗，降損節能。

(2）綜合考慮了所有電壓/無功調節手段，提高了設備或裝置的利用率和利用效果。

(3）為電網配置電壓/無功調節設備提供了一個新的、科學的工具。

(4）可以節省電網自動化建設方面的投資。

很顯然，若電網全部采用VQC控制方式，則投資遠遠大于一個電網只購置一套無功優化計算軟件的投資。同時，由于本控制系統不額外增加任何硬件裝置，可以免除大量的現場硬件維護，從而節省維護費用。