配電變電站在線經濟運行與控制

趙蘭明

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

0 引言

提高變電站運行的經濟性對于減少電網損耗具有重要意義。變電站作為電網的重要組成部分，通過合理安排變壓器的運行方式，控制有載調壓分接頭開關和無功補償設備，可以提高變壓器功率因數、調整二次側電壓，進而降低系統中電能損耗。

傳統的變電站經濟運行并未考慮變壓器經濟運行與無功優化之間的關系，將它們統一描述成為一個組合優化問題，可以提高變電站運行的經濟性和自動化程度。

1 變電站經濟運行與控制的基本構架

在變電站的接線方式、量測配置、拓撲結構等深入的分析的基礎上采用基于LS-SVM和遺傳算法相結合的思想，建立變電站日負荷預測模型和算法，給出24 h的整點負荷預測值［1-5］。依此確定一天中變壓器的經濟運行方式，初步形成分接頭和電容器組的控制策略。為了減少日負荷預測誤差的影響，在離散量(變壓器運行方式、電容器投切)不變的前提下，利用在線校正策略確定有載調壓變壓器的位置(工作基點)，以達到最好的實時控制效果。控制周期內依靠變電站的自動控制。變電站經濟運行與控制的基本構架如圖1所示。

圖1 變電站經濟運行與控制基本構架

2 變壓器運行方式優化

2.1 變壓器經濟運行概念

通過變壓器運行方式優化，可以解決變壓器經濟投切時機的選取和變壓器投切次數的控制問題，從而真正意義上做到變壓器在線經濟運行。文獻［6］介紹了變壓器經濟運行的判別方法，并且用時段控制法和模糊決策法對變壓器運行方式優化，但對變壓器經濟運行與電網運行之間的影響，包括變壓器經濟運行與電網電壓無功優化之間的關系均未考慮。

根據負荷預測曲線，找出要切換運行方式時間段，利用目標函數求出不同運行方式的損耗，通過比較損耗的大小選擇最佳運行方式［7-9］，并且在此基礎上進行變電站的動態無功優化。

變壓器的技術參數主要有：額定容量SN，空載電流 I0，空載損耗 P0，短路損耗 PK，短路電壓 UK。對于雙繞組變壓器其有功功率損耗和無功功率損耗分別為：

式中：Q0為空載勵磁損耗，kVar；QK為額定漏磁功率，kVar；β 為負載系數。

綜合功率損耗為：

式中：kQ為無功經濟當量，它的大小與變壓器無功負荷，網絡電阻以及電壓等級有關，通常取值在0.01～0.08。

單臺與兩臺并列運行之間技術特性優劣的判定：

圖2 兩種運行方式損耗曲線

2.2 變壓器經濟運行決策

Δt最小時間間隔，Δpi為對應負荷曲線上某一點的有功損耗大小。根據負荷預測得到的變電站未來24 h的負荷預測值，以變壓器經濟運行的臨界值作為分界線，通過計算各種運行方式的損耗大小，確定變電站最佳的運行方式，下面詳細介紹此過程。

圖3 負荷曲線

規定負荷曲線每次上穿臨界值到下穿臨界值為一個時間段，對于圖3所示的負荷曲線，運行方式可能發生轉換的時間段為 t1～t2，t3～t4，t1～t4。

因此，一天中運行方式安排有以下幾種情況：

t1～t2AB并聯運行，其余時間變壓器A運行；

t3～t4AB并聯運行，其余時間變壓器A運行；t1～t4AB并聯運行，其余時間變壓器A運行。

根據式(5)通過計算以上三種情況下全天的損耗，分別記為 w1，w2，w3，比較它們的大小就可以確定變壓器的運行方式。

2.3 仿真分析

某變電站有兩臺SFZ7-31500/110型變壓器，變比為 110±8×1.25%/10.5 kV，變壓器參數見表 1。

表1 變壓器名牌參數

取無功經濟當量取kQ=0，得變壓器經濟運行臨界值為22.15 MVA。做出變壓器的損耗曲線(圖4)，根據變電站的日負荷預測曲線(圖 5)，利用2.2節中介紹的變壓器經濟運行決策方法，得到變壓器的運行方案為：5時以前單臺變壓器運行，5時以后，兩臺并聯運行。

圖4 變壓器損耗曲線

圖5 日負荷曲線

3 變電站動態電壓無功決策

3.1 電壓無功控制數學模型

變電站等值電路圖如圖6所示。

圖6 變壓器損耗曲線

V1為變電站高壓母線電壓，是給定量，主要由上級系統確定，它的大小直接影響變電站的控制目標，通常其值變化不大，可以視為恒定值。V2為二次側母線電壓，ZT=RT+XT，為歸算到低壓側的變壓器阻抗參數，忽略變壓器的勵磁支路，低壓側補償容量記為 QC，PL，QL為負荷預測值。

根據潮流方程：

其中 QC=2bπfV22×10-6，設 a=2bπf×10-6，則 QC=aV22，f為系統頻率，單位為Hz，b為電容組的等值電容，單位為F。

解得［10］：

3.2 蟻群算法進行電壓無功控制

文獻［11］介紹了基于分布均勻度的自適應蟻群算法，文獻［12］將其應用到變電站的電壓無功綜合控制中，但未考慮到變壓器運行方式的變化，本文在變壓器運行方式優化的基礎上，采用自適應蟻群優化方法對每天變壓器分接頭檔位和電容器投切尋找最優的控制策略。將一天劃分為24個時段，每個時段可以引入兩個控制變量TAPi和Ci(i=1～24)。TAPi表示第i個時段變壓器的檔位，對于17檔的變壓器，其取值為［-8，8］的整數值。Ci表示i時段電容器的投切情況，Ci=0，表示i時段未投入變壓器，Ci=1，表示i時段投入1組電容器，Ci=2，表示i時段投入2組變壓器，以此類推。這樣形成一個48個整數的序列，求解最優控制策略的問題就是在所有的求解空間內求出一個控制序列，即螞蟻的最佳路徑，使目標函數取最大值。

3.3 目標函數的建立

定義第 時刻的二次側電壓滿意度為：

式中：x=|U2i-U2e|/U2e；U2i是 i時刻的二次側電壓，U2e是i時刻的二次側期望電壓。

定義目標函數：

α為懲罰因子，定義為：

ε為很小的正數，α(Nc)為電容器動作次數的懲罰因子，α(NTAP)為變壓器分接頭動作次數的懲罰因子。

Nc為24 h動作次數，Ncmax為24 h最大允許動作次數。

NTAP為24 h變壓器動作次數，NTAPmax為24 h允許動作次數。

3.4 仿真分析

針對2.3節中的變電站，進行動態無功優化，已知它有4組電容器，每組額定容量為3 Mvar，分接頭初始檔位為-1，電容器投入了3組。仿真結果見圖 7、8、9。

由圖8和圖9可以看出，變壓器分接頭動作了8次，電容器組投切了10次，仿真表明，本文使用的方法在維持變壓器低壓側電壓在期望值的同時，有效的減少了分接頭和電容器的動作次數。

圖7 二次側電壓水平

圖8 電容器組投切變化

圖9 有載調壓變壓器分接頭變化

4 在線校正策略

4.1 負荷預測變動

由于負荷預測取的整點負荷預測值，不能代表變電站全部時刻的負荷水平，以及突發事件的影響，日負荷預測有時會產生較大的誤差，相應的控制策略就可能失效，這時就要對動態優化策略進行在線校正，以實現最小偏差下的變電站軟控制。

變電站實際負荷與預測負荷如圖10所示。

圖10 實際負荷與預測負荷曲線

4.2 校正策略

日時間級的決策確定了變壓器的經濟運行方式，初步確定了變壓器分接頭以及離散量(電容器組)的調整策略，在線校正就是通過前瞻一個時段，并結合在線預報，決策允許連續調節量的工作基點(如有載調壓分接頭初始位置)，在30 min內依靠變電站自動控制，基點決策不同，實時控制效果就不同。

根據電壓滿意度的定義，決策能夠使當前時刻和下一時刻(30 min)電壓水平最好的分接頭初始位置，選擇動作次數最少的投切方法作為現時刻有載調壓變壓器分接頭的初始位置。

數學模型的建立：

二次側電壓滿意度仍采用式(7)的定義，目標函數變為：

S1為當前時刻電壓滿意度，S2為下一時刻電壓滿意度。

α為懲罰因子，定義為：

ε為很小的正數，α(NTAP)為分接頭動作次數的懲罰因子。

NTAP為兩時刻分接頭動作次數，NTAPmax為允許動作次數，定義為4。

4.3 仿真算例

對3.4節中得到的變電站動態優化策略進行校正，結果見圖 11、12、13。

圖11 在線預測與實際負荷曲線

通過實際負荷與在線預測負荷對比，可以看出預測負荷跟蹤實際負荷的變化，有功和無功負荷預測平均相對誤差分別在6%和5%左右，滿足在線時間級控制決策的要求。

圖12 二次側電壓水平

以變電站實際負荷進行仿真發現，通過在線時間級的控制，二次側電壓基本維持在期望值附近，這樣就可以減少后續的調節(實時的控制)。

圖13 變壓器分接頭變化

從圖13可以發現，變壓器分接頭動作了11次，比日時間級的優化策略多出3次，但是校正后的策略更接近實時控制的要求。

5 結語

變壓器運行方式以及電壓無功的動態優化是建立在負荷預測的基礎上的，只有保證負荷預測足夠精確，才能得出具有實用價值的控制方案，本文采用LS-SVM與遺傳算法相結合的技術，對于日時間級的決策，確定變壓器經濟運行方式以及離散量如電容器組的投切都是沒有問題的，然而整點負荷值并不能代表變電站每個時刻的負荷水平，以及負荷預測誤差的影響，日時間級的決策會存在控制誤差，本文通過引入在線時間級的校正策略，調整有載調壓變壓器分接頭的工作基點，進一步減小負荷波動對變電站實時控制的影響，仿真表明，該方法具有較好的調節效果。