電力系統動態無功優化調度的調節代價探討

白強 BAI Qiang

（國網稷山縣供電公司，運城 043200）

（State Grid Jishan Power Supply Company，Yuncheng 043200，China）

0 引言

隨著社會的發展，人們對于用電質量的要求也越來越高。電壓質量作為衡量電力系統電能質量的重要指標，因其電壓波動而造成的電氣設備危害最為普遍。電壓波動不僅會影響到電氣設備的性能，更可能嚴重危害電力系統的安全穩定運行。無功優化調度作為優化電網無功潮流分布，以降低電網損耗的重要措施，已被廣泛運用到電力系統中。然而，電力系統的無功優化調度過程中，可能因為控制設備所處的環境，在進行操作、切換時，很可能會產生電弧、高溫或者瞬間的沖擊電流等對電氣設備造成危害。以下就簡單分析一些電力系統的無功優化調度的調節代價的數學模型。

1 電力系統無功優化調度概述

所謂電力系統的無功優化調度就是指在電力系統無功電源比較充足的狀態中，以調節發電機機端的電壓、變壓器抽頭的變比、以及改變無功補償裝置出力等操作來調整電力系統的無功潮流，使得整個電網系統的功耗降低到最小，以優化電力的運行。也就是說，在滿足系統安全約束的條件下，來調整系統的控制變量，以保證全網無功功率的平衡，保證優質、經濟的供電。

事實上，合理的無功優化是保證電力系統供電可靠和安全穩定的主要措施，不僅可以降低電網的損耗，更能提高電能質量。隨著電力產業規模的不斷擴大，輸電線路的電壓等級不斷升高，而無功電源的設計與無功優化的技術又跟不上電力系統的發展，因此也導致了電壓質量差、負荷功率低、線路損耗大的現象。而當前的無功優化調度僅僅只考慮到了減小網損，而對于操作帶來的調節代價卻沒有過多重視。由于調節代價產生的效應，必須進一步研究優化算法，避免單純的降損而對控制設備進行過多的調節而損耗設備。

2 調節代價涉及的幾個要點

為了減小網絡有功損耗，無功優化調度過多的對控制設備進行操作，從而產生調節代價，損耗電力系統相關設備。在電網運行方面。加強無功補償裝置運行管理，提高電容器可用率并合理投退無功補償裝置，確保主變功率因數運行在合格范圍，優先保證電壓合格率。綜合來看，控制設備的調節代價主要包括以下幾個方面：

首先，控制設備的調節代價對調節設備的投資，主要包括變壓器的抽頭調節裝置、補償裝置中的斷路器等。其次，調節代價僅僅只和無功優化調度相關的控制設備進行調整所產生的維護費用有關，例如，抽頭調節裝置的檢修、換油，以及電容器組的斷路器檢修工作費用等。對于無功優化調度的開環控制情況，因進行無功調度會增加運行人員的工作量與工作時間，因此所產生的人工費也相對增加；而針對閉環控制的情況下，則要考慮新增設閉環控制設備所產生的成本。另外，由于對控制設備進行過多的操作而引發的變壓器以及無功補償裝置的使用壽命的情況，也同樣的是變相增大了調度代價。除此之外，如果繼電保護裝置能夠正常的運行，并保證變壓器等設備的損壞程度降低，仍考慮到因設備故障造成的停電損失費用等。以下舉例說明一些情況對電力系統做無功補償造成的調節代價。

假設一臺變壓器的成本是Ft，而其抽頭調節裝置的成本、允許總調節次數、從不調整時的預期壽命分別為Ftap、Tt、at。假設對于抽頭調節裝置的檢修周期為Ta，那么經過Tt次的抽頭調整后，機械的壽命將所見到，如果每檢修一次設備產生的費用是Ff，設在時間內，因為裝置故障所損失的資金為FL，每一年投入的運營人員人工費支付出FM，當在開環控制情況下，則該變壓器的抽頭單位調節代價為

以上公式中出現的Fc對應的是抽頭調整部分的閉環控制設備所花費的投資，ac則表示閉環控制設備的預期壽命。

上述的例子可以看出，如果不考慮設備的故障損失，針對在110kV 電網的變壓器抽頭URC 約在1.0-2.0元/次，而針對220kV 中的變壓器抽頭URC 則為1.5-2.5元/次。而如果不考慮故障損失的話，10kV 無功補償裝置的投切URC 則為0.5-1.2元/次，這樣算來，對于電力系統的動態無功優化調度產生的調度代價是不可忽略的。

3 電力系統運行時狀態變量的約束處理

以下以災變遺產算法來詳細計算電力系統的動態無功優化調度，基于無約束的優化方法，將控制變量的約束體現到編碼的定義域中去。而此時，狀態變量的約束也可以作為懲罰項被納入目標函數中，已構成擴展目標函數。實際上，如果要對目標函數進行尋優，往往結果會使得部分的狀態變量接近約束的極限。而如果在兩次優化計算中，因時間間隔的負荷變化幅度太大，極易導致狀態變量越限的現象，從而引起電網安全隱患。而為了保障結果的安全裕度與高魯棒性，必須對節點的電壓幅值以及發電機節點的無功約束邊界進行調整。

而這里所致的魯棒性就是說因一些不確定的因素影響，控制系統要在復雜的環境下保持正常運行與有效的控制能力。對于電力系統的無功優化來講，由軟件提供的無功優化解，通常是按照當前的或者說事先預測的負荷水平為依據來計算的。而實際上，在實際的情況下，負荷是處于一個隨時不確定的波當中的，最終很可能導致優化調整后出現新的節點電壓越限的情況。所以，對于實施無功優化控制所提出的魯棒性要求，盡量避免因兩次優化計算時間間隔期間，發生電壓質量不合規定的情況。

除此之外，就當前針對電力系統的動態無功優化調度而言，基本都沒有考慮負荷與電壓變化兩者的之間的關系。也就是說，最終負荷電壓的特征會因為優化計算與實際操作后的潮流有一定誤差。所以，可以通過減小狀態變量的允許范圍，以減少不利因素的影響。此外，針對區域電壓整體波動較大的情況，通過工程應用還可以提高軟件的啟動頻率，如果是波動較為緩慢，也可以用來降低啟動頻率，保障盡可能高的電壓，從而提高電能質量，實現可靠供電。

4 結語

對于電力系統動態無功優化調度的調節代價，經過科學的數學模型和科學的計算方式，使得控制設備調節次數過多而引起的調節代價達到一個幾乎平衡的狀態，以避免頻繁的設備控制操作?？傊?，電力系統無功優化調度達到了提高電網安全、穩定經濟運行水平，降低電壓崩潰事故而引起的大規模停電風險；提高供電的電壓質量；提高輸電效率，最大限度降低線損；減輕監控值班人員勞動強度等效益，同時加快了電網電力調度運行從經驗型、分析型調度向決策型、智能型調度前進的步伐，有效提升江津電網安全、穩定、經濟運行技術水平，使電網自動化水平邁上了一個新的臺階。

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