基于全網(wǎng)優(yōu)化分布控制式電壓無功綜合控制系統(tǒng)的優(yōu)化與控制設(shè)計(jì)

濟(jì)南鋼鐵股份有限公司檢修公司 王沫

濟(jì)南鋼鐵股份有限公司電力部門在變電站中使用無功補(bǔ)償成套裝置，原使用的此類裝置主要存在以下幾個(gè)問題：（1）動(dòng)作頻繁。由于配電網(wǎng)早晚負(fù)荷波動(dòng)較大，導(dǎo)致電壓經(jīng)常運(yùn)行在上下限范圍邊緣。原裝置由于缺乏有效的判據(jù)，使變壓器分接頭頻繁操作，補(bǔ)償電容頻繁投切。（2）原裝置由于分散裝設(shè)，只能補(bǔ)償裝置所在的站點(diǎn)，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)則基本不起作用。且各裝置動(dòng)作相互獨(dú)立，沒有考慮到相互間的影響，導(dǎo)致網(wǎng)損較高，同時(shí)缺乏協(xié)調(diào)也導(dǎo)致各站操作更加頻繁。（3）對(duì)電網(wǎng)的電壓/無功情況缺乏有效而系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，手動(dòng)控制勞動(dòng)強(qiáng)度大，運(yùn)行人員很難做到精度較高的控制和多進(jìn)程實(shí)時(shí)控制。

本文主要介紹全網(wǎng)電壓無功優(yōu)化的優(yōu)化模型及算法和分布終端電壓無功綜合控制裝置的優(yōu)化方案。全網(wǎng)的電壓無功優(yōu)化計(jì)算程序，對(duì)全網(wǎng)的電壓無功進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算機(jī)分析，得出全網(wǎng)電壓無功優(yōu)化控制的策略，將該控制策略以定值的形式下發(fā)給各分布終端電壓無功綜合自動(dòng)控制裝置，終端電壓無功綜合自動(dòng)控制裝置根據(jù)定值對(duì)該站點(diǎn)的變壓器分接頭位置和電容器組實(shí)行自動(dòng)優(yōu)化選擇和控制投切，從而做到保證電壓合格率和降低配網(wǎng)線控的目的。

1 優(yōu)化模型及算法

本文以整個(gè)系統(tǒng)的有功網(wǎng)損為目標(biāo)函數(shù)。連續(xù)無功優(yōu)化的非線性規(guī)劃模型為：

式中 f(x1,x2)為系統(tǒng)有功損耗；g(x1,x2)=0為潮流方程；x1=[QTG,QTC,VT,TTB]；QG,QC分別為發(fā)電機(jī)、無功補(bǔ)償裝置的無功出力向量；V為所有節(jié)點(diǎn)電壓幅值構(gòu)成的列向量；TB為有載調(diào)壓變壓器的變比列向量；x1∈RN,N為有約束的優(yōu)化變量總數(shù)；x1max,x1m in分別為優(yōu)化變量的上、下限值；x2為除平衡節(jié)點(diǎn)外的其他節(jié)點(diǎn)電壓相角和平衡機(jī)的有功出力構(gòu)成的列向量；x2∈Rn，n為系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)數(shù)。引入松弛變量l、u，將不等式約束轉(zhuǎn)換成等式約束：

采用非線性內(nèi)點(diǎn)法求解上述模型。

引入對(duì)數(shù)壁壘函數(shù)消去松弛變量的非負(fù)性，并對(duì)等式約束引入拉格朗日乘子，得到拉格朗日函數(shù)：

其中 y、w、z為拉格朗日乘子向量，且z≥0，w≤0，L為壁壘參數(shù)，且L≥0。根據(jù)Karush-Kuhn-Tucker最優(yōu)性條件可得：

式中 e為單位列向量，e∈R；L，U，W，Z分別l，u，w，z的分量為對(duì)角元素的對(duì)角陣。用牛頓法求解上述方程，得到修正方程為：

求上述方程，可得到原變量和對(duì)偶變量的修正量。

2 優(yōu)化方案

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)采用分層控制結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 分層式優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為分層分布式，分為三層，包括三種代理。其中，管理代理（Management 代理, 簡稱MA）是系統(tǒng)的最高層，負(fù)責(zé)確定無功補(bǔ)償設(shè)備的配置地點(diǎn)、劃分電網(wǎng)以及發(fā)起和協(xié)調(diào)區(qū)域優(yōu)化代理的分布并行優(yōu)化計(jì)算等工作。中間層系統(tǒng)由區(qū)域優(yōu)化代理（Area Optim ization 代理, 簡稱AOA）組成，AOA分布在各區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息和相關(guān)參數(shù)，利用現(xiàn)有的無功優(yōu)化軟件進(jìn)行區(qū)域內(nèi)尋優(yōu)計(jì)算，通過相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)無功優(yōu)化，計(jì)算結(jié)果既能下發(fā)給本區(qū)域的無功電壓控制代理，也可上傳至管理代理，作為調(diào)度人員的決策參考。最底層系統(tǒng)由無功電壓控制代理（Voltage and Reactive Power Control 代理, 簡稱VRA）組成。VRA代表分散在電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器和有載調(diào)壓變壓器等無功電壓設(shè)備的智能控制器，在正常情況下作為AOA的數(shù)據(jù)采集機(jī)構(gòu)，并且接收AOA發(fā)來的本地節(jié)點(diǎn)的無功、電壓最優(yōu)設(shè)定值。VRA根據(jù)這些最優(yōu)設(shè)定值，調(diào)整無功、電壓的控制范圍。當(dāng)它監(jiān)測(cè)到本地節(jié)點(diǎn)的無功或者電壓越限時(shí)，自動(dòng)控制無功源的出力和有載調(diào)壓變壓器分接頭的位置，確保本地節(jié)點(diǎn)電壓和無功功率運(yùn)行在最優(yōu)設(shè)定值附近，控制時(shí)間常數(shù)一般為幾秒。

由此可見，本系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)具有如下特點(diǎn)：傳統(tǒng)上由最高層系統(tǒng)承擔(dān)的無功優(yōu)化計(jì)算現(xiàn)在分散到中間層系統(tǒng)的各AOA中，這樣，最高層的工作負(fù)擔(dān)大大減輕；中間層系統(tǒng)是全網(wǎng)優(yōu)化的關(guān)鍵。

2.1 管理代理(MA)

管理代理是整個(gè)系統(tǒng)的管理、協(xié)調(diào)中心。它的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 MA的結(jié)構(gòu)

MA各模塊的功能如下：

（1）通信模塊負(fù)責(zé)MA與AOA層之間的數(shù)據(jù)交換；

（2）數(shù)據(jù)庫中存放電網(wǎng)分區(qū)結(jié)果、無功補(bǔ)償設(shè)備配置結(jié)果、VRA的狀態(tài)數(shù)據(jù)、并行優(yōu)化計(jì)算結(jié)果、并行優(yōu)化計(jì)算的參數(shù)和各代理的設(shè)備信息等數(shù)據(jù)。

（3）知識(shí)庫中存放代理術(shù)語。可根據(jù)需要更新這些術(shù)語，同時(shí)也要更新其他代理知識(shí)庫中的代理術(shù)語。術(shù)語的更新必須遵循依賴性、集成化、一致性等原則。

（4）協(xié)調(diào)模塊由注冊(cè)模塊、報(bào)警模塊、推理模塊三部分組成，如圖3所示。

圖3 MA協(xié)調(diào)模塊結(jié)構(gòu)

其中，注冊(cè)模塊管理各代理的注冊(cè)信息。每一個(gè)AOA在加入到系統(tǒng)之前，都需要在注冊(cè)模塊中注冊(cè)自己的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)以及邊界節(jié)點(diǎn)信息；報(bào)警模塊提供各AOA的故障信息，若AOA通信過程中出現(xiàn)故障，則產(chǎn)生報(bào)警信息；推理模塊根據(jù)故障信息判斷AOA的運(yùn)行狀況，并上傳至信息管理模塊。若某一AOA的相鄰AOA均產(chǎn)生該AOA的報(bào)警信息，則推理模塊判斷該AOA已不起作用，上報(bào)信息管理模塊，并將此AOA的注冊(cè)信息從注冊(cè)模塊中刪除。

（5）信息管理模塊面向用戶，有以下幾個(gè)功能：

整個(gè)系統(tǒng)的地理信息圖便于用戶察看各代理的狀態(tài)信息和無功優(yōu)化計(jì)算結(jié)果、了解電網(wǎng)的運(yùn)行情況，用戶可直接進(jìn)行添加、編輯代理的操作。

形成供電可靠性、電壓合格率等各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表和電壓、電流等狀態(tài)曲線。

設(shè)置DPVROA-APP的參數(shù)。

（6）無功補(bǔ)償設(shè)備配置模塊用于確定補(bǔ)償?shù)攸c(diǎn)。

（7）全網(wǎng)無功優(yōu)化發(fā)起模塊負(fù)責(zé)向AOA下發(fā)全網(wǎng)優(yōu)化參數(shù)，在較大的負(fù)荷擾動(dòng)或網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化之后，盡快啟動(dòng)全網(wǎng)無功優(yōu)化計(jì)算。

本方案中，管理代理MA為選配的待擴(kuò)展模塊，在多區(qū)域聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化之前，該代理被禁用。

2.2 區(qū)域優(yōu)化代理（AOA）

AOA根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)數(shù)據(jù)，進(jìn)行區(qū)域優(yōu)化計(jì)算，并與相鄰AOA協(xié)商，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)無功優(yōu)化。它的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 AOA的結(jié)構(gòu)

AOA各模塊的功能如下：

（1）知識(shí)庫中存放代理的基本知識(shí)及可供選用的優(yōu)化算法。AOA可根據(jù)區(qū)域電網(wǎng)的特點(diǎn)自主選擇優(yōu)化算法。

（2）優(yōu)化計(jì)算模塊進(jìn)行區(qū)域電網(wǎng)優(yōu)化計(jì)算，即采用知識(shí)庫中的優(yōu)化算法求解，結(jié)果存放在數(shù)據(jù)庫中。

（3）數(shù)據(jù)庫根據(jù)所存放數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，分為3部分：參數(shù)數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫。

參數(shù)數(shù)據(jù)庫存放本地AOA、相鄰AOA、及區(qū)域內(nèi)VRA的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、區(qū)域優(yōu)化計(jì)算的初始值和中間結(jié)果，每一次迭代計(jì)算得到的結(jié)果都將替代上一次迭代計(jì)算的結(jié)果。其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包括區(qū)域內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、邊界節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、線路參數(shù)以及相鄰區(qū)域邊界節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。歷史數(shù)據(jù)庫存放優(yōu)化參數(shù)和優(yōu)化的最終結(jié)果。

（4）協(xié)商模塊負(fù)責(zé)與相鄰AOA協(xié)調(diào)，協(xié)商邊界節(jié)點(diǎn)參數(shù)。AOA每一次迭代計(jì)算結(jié)束后，將主動(dòng)向相鄰AOA查詢邊界節(jié)點(diǎn)參數(shù)，然后與自己的計(jì)算結(jié)果比較，決定是否繼續(xù)迭代計(jì)算。若比較結(jié)果小于規(guī)定的某一閾值，則停止本次優(yōu)化；否則修改參數(shù)，進(jìn)入下一次迭代。

（5）通信模塊根據(jù)功能分為三個(gè)子模塊：

子模塊1：接入最底層系統(tǒng)。一方面接收由VRA采集的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，另一方面根據(jù)優(yōu)化結(jié)果下發(fā)控制命令。

子模塊2：與相鄰AOA通信，交換邊界節(jié)點(diǎn)參數(shù)。

子模塊3：與MA通信。一方面接收MA發(fā)來的DPVROA-APP的參數(shù)或協(xié)調(diào)信息，另一方面將優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果上傳給MA或向MA發(fā)送請(qǐng)求信息。

2.3 無功電壓控制代理（VRA）

無功電壓控制代理跟蹤本地節(jié)點(diǎn)的無功、電壓變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)無功源的出力或調(diào)壓變壓器分接頭的位置，使得無功、電壓運(yùn)行在最優(yōu)設(shè)定值附近。它由知識(shí)庫、推理模塊、決策模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等組成，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 VRA的結(jié)構(gòu)

VRA的功能如下：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊感知本地節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的變化，采集本地節(jié)點(diǎn)的電壓、電流、有功功率、無功功率、有載調(diào)壓變壓器分接頭位置等狀態(tài)數(shù)據(jù)，并存放到數(shù)據(jù)庫中。

（2）數(shù)據(jù)庫中存放本地節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)數(shù)據(jù)、本地代理的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)。

（3）通信模塊采用ACL與所屬的AOA進(jìn)行通信，一方面將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)傳給AOA，另一方面接收AOA發(fā)來的優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。

（4）知識(shí)庫中存放代理術(shù)語、九區(qū)圖中無功和電壓上下限的整定規(guī)則、無功電壓控制策略。

（5）決策模塊根據(jù)無功、電壓最優(yōu)設(shè)定值和上下限整定規(guī)則，確定九區(qū)圖的控制范圍。

（6）推理模塊根據(jù)節(jié)點(diǎn)無功、電壓的測(cè)量值和控制策略，自動(dòng)調(diào)節(jié)無功源的無功出力或者有載調(diào)壓變壓器的分接頭位置，使得本地節(jié)點(diǎn)電壓和無功功率運(yùn)行在控制范圍之內(nèi)。

2.4 優(yōu)化指標(biāo)

開放性：系統(tǒng)可與調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)接口，從而使用調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)或向其提供數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的算法庫、元件庫可供操作員添加或修改，使系統(tǒng)保持最新狀態(tài)。

可擴(kuò)展性：通過MA的管理，使算法能夠自動(dòng)適應(yīng)電網(wǎng)的變化，能夠?qū)崿F(xiàn)多區(qū)域互聯(lián)下的電網(wǎng)無功優(yōu)化。

準(zhǔn)最優(yōu)性：保證電網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)運(yùn)行在電壓/無功的最優(yōu)值附近。

3 結(jié)束語

采用全網(wǎng)優(yōu)化分布控制式電壓無功綜合控制系統(tǒng)，根據(jù)投運(yùn)以來的運(yùn)行情況分析，該系統(tǒng)的安全可靠性和補(bǔ)償效果均比以前所使用的同類產(chǎn)品有了較大的提高，從而起到了提高電壓質(zhì)量、降低線路損耗的作用。無功優(yōu)化控制軟件的應(yīng)用為我局提供了較為系統(tǒng)的、先進(jìn)的電壓無功管理手段，大大降低了網(wǎng)損，減少了裝置的頻繁動(dòng)作。

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