基于設備動作診斷的智能電網AVC控制策略研究

朱文灝，郭其一，王杰（.同濟大學電子與信息工程學院，上海　20804；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海　2009；.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇　南京　2006）

基于設備動作診斷的智能電網AVC控制策略研究

朱文灝1，2，郭其一1，王杰3
（1.同濟大學電子與信息工程學院，上海201804；2.上海施耐德低壓終端電器有限公司，上海201109；3.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061）

在傳統AVC分級分區控制策略的基礎上，加設了負荷預測環節和考慮設備當前狀態電氣控制屬性診斷環節，使控制策略更加具有預見性，并根據設備的運行狀態實現超前控制，減小了設備動作延時。此系統已投入電網實際運行，實驗結果表明該系統對提高地區智能電網電壓合格率、優化無功有較好的效果。新系統優化了設備動作次數，顯著減小了因設備頻繁動作導致的設備損壞事故，提高了設備使用壽命。

AVC；負荷預測；超前控制；動作診斷

1　引言

電壓質量是反應電力系統運行狀況的重要參考因素［1］，同時，電壓質量對整個電網中工作的設備都有影響。隨著電力系統自動化及通信技術的快速發展，基于EMS/SCADA系統的電網自動電壓控制（AVC）技術應用日益普遍，對電力系統進行實時有效的無功補償，從而構建出能夠保證智能化電網安全高效運行的技術方法［2］。

目前，在傳統的電網AVC中，主要是針對電力系統當前時間斷面的狀態，沒有考慮歷史經驗和未來變化趨勢［3-4］。因此，不可避免地出現設備頻繁投切、設備利用率不高等現象，設備動作次數不能得到優化。文獻［5］給出了一種考慮負荷變化趨勢的電壓無功控制思路，但其并未考慮設備的動作狀態以及最大動作次數的約束。文獻［6］主要研究了采用加速和惰性因子，來進行分析無功持續越限時間、連續動作時間間隔以及電壓，最終提出了應用判定設備運行狀況的診斷函數（可動作或者不可動作）的方法，這種方法有效的防止了變壓器分接頭和電容器/電抗器組頻繁開關動作，但該方法產生了至少十分鐘的延時，不利于AVC實時有效的無功電壓控制。

綜合自動化系統在當前的變電所應用更加的廣泛，這就方便實現電網監測的實時化，并且能夠在相應的階段將歷史負荷數進行存儲。此外，綜合自動化系統的推廣能夠實現超短和短時間內的負荷預測。本文研究在傳統分級分區控制策略的基礎上，綜合考慮負荷變化趨勢并加入考慮變壓器分接頭和電容器/電抗器組當前狀態電氣控制屬性診斷環節，提出一種基于設備動作診斷的AVC控制策略，使控制策略具有預見性，根據設備的運行狀態實現超前控制，在整個時間序列上優化設備動作次數，提高設備利用率和設備使用壽命。

2　無功優化模型

完整的動態無功優化模型的構建應當計及變壓器分接頭和電容器/電抗器等補償裝置投切開關的動作次數約束，同時，需要結合設備在工作過程中存在的變量離散特性，該特性實際上屬于混合非線性整數規劃范疇的研究問題。

在系統中假設共有節點的數目為n，有載調壓變壓器的臺數為u，可調發電機的臺數為m，同時，可投切電容器/電抗器組裝設在r個不同的節點上。按照每五分鐘為1段的標準，從而對整個電網母線的全天有功無功變化曲線進行劃分，按照該標準共劃分287段，于是以系統全天電能損耗最小為目標的無功優化模型可以描述為［7］:

式中:f（x1（t），x2（t），x3（t））為第t個時間段的電網有功損耗；g（x1（t），x2（t），x3（t））=0為第t個時間段的節點功率平衡方程，g（x1（t），x2（t），x3（t））∈R（2n）；x1（t）=為第t個時間段由離散變量構成的列向量x1（t）∈R（p），p=r+u；QC（t）為第t個時間段可投切電容器/電抗器組的無功出力列向量，QC（t）∈R（r）；為第 t個時段有載調壓變壓器的變比列向量，為第t個時間段由連續變量構成的列向量，x2（t）∈R（q），q=m+n；QG（t）為第t個時間段發電機的無功出力構成的列向量，QG（t）∈R（m）；U（t）為第t個時間段各節點電壓幅值構成的列向量，U（t）∈R（n）；x3（t）=［PG（t），θ（t）］T，x3（t）∈Rq，q=m +n，PG（t）為第t個時間段發電機的有功出力構成的列向量，PG（t）∈Rm，θ（t）為第t個時間段各節點與平衡節點相位差構成的列向量，θ（t）∈R（n），x3（t）∈Rq。Cx1為由控制設備（有載調壓變壓器和電容器/電抗器）最大動作次數約束值構成的列向量，Cx1∈Rp；Sx1為對角矩陣，其對角元素分別對應于電容器/電抗器組無功出力或有載調壓變壓器變比的調節步長，Sx1∈R（p×p）。

式（4）為可投切電容器/電抗器組和有載調壓變壓器分接頭在一天內的動作次數約束。可投切電容器/電抗器組（或有載調壓變壓器分接頭）在每一時間段的動作次數能夠解釋為以下內容:在某一時刻的結束點和開始點的無功出力絕對差值，再除以相應的調節步長［8］。

3　AVC控制模式

以上敘述的模型中存在諸多的不等式和等式約束，同時還包括離散變量，屬于復雜的非線性規劃問題。文獻［7-9］均采用原對偶內點法，以求獲得無功優化的全局最優解。然而，在實際中無功控制手段存在差異性，同時受到作用效果非線性和分布局部性的影響，獲得無功優化結果較為困難，不能采用類似于傳統等網損微增率問題處理方式，這就影響了實際應用效果。本文中的地區電網AVC借鑒了傳統分級分區思想，以實現提高電壓合格率、降低網絡損失為目標，建立計及設備動作次數約束的控制模型。

AVC系統根據電力系統電壓無功空間的分布狀態通過PAS網絡建模進行分級分區，控制模式優先考慮先“區域電壓優化控制”的模式，如果該控制不符合要求就可以采用“各級電壓校正控制”的模式，若以上兩種模式均不符合要求，就可以使用“區域無功優化控制”模式。區域電壓較低或較高時，首先采用“區域電壓優化控制”模式，快速優化校正系統中樞點母線電壓水平；若各級電壓越限，則采用各級“電壓校正控制”模式，首先保證節點電壓水平合格；全網的電壓水平合格時再考慮經濟運行，采用“區域無功優化控制”模式［11］，如圖1所示。

根據以往的電壓調整情況分析，優化區域電壓控制與就地電壓控制策略相互配合，通過動作一次中樞變電站的調壓設備來實現整個片區電壓合格，避免下級子站分別動作，可以有效地減少分區中下級站設備的動作次數。

圖1　AVC控制模式工作圖

4　加設環節

4.1負荷預測環節

自動化控制系統能夠促進變電所的工作質量，同時，由于具備大存儲和再見檢測的特點，這就能夠實現更加準確的掌控電網負荷數據，給出電網負荷未來的變化趨勢［12］。

設無功補償控制裝置的動作延時定值為Ts，則電壓無功越限后，就可以借助采用預測獲得負荷曲線，計算出在分析中電壓無功越限持續時間ΔT。并且，通過計算出持續時間ΔT，按照該值的大小進行評估投切電容器/電抗器組以及變壓器分接頭是否需要調整。IEEE中針對電能質量和電磁現象進行了詳細的歸類劃分［13-14］，根據這些數據可知，通常認為短時電壓變動范圍為3s～1min，則可以令TS等于60s，在此過程中不需要考慮變壓器分接頭調節對無功的作用，然而，當持續時間小于60s，此時的變壓器分接頭就不需要產生任何動作；如果無功和電壓越界持續時間都小于60s時，此種情況下電容器/電抗器組暫不動作［5］。

表1　設備動作判據分析

基于全天各時段負荷水平以及變化趨勢等辨識結果，研究超前控制策略，使多時間斷面的設備動作前后協調，過濾電壓無功的抖動，在滿足電壓無功運行目標的前提下減少設備動作次數和動作延時。

4.2設備電氣屬性診斷環節

為了防止設備動作太頻繁而過早地失去調控能力，提出設備動作次數均衡環節。在設備動作均衡環節，文獻［6］把設備最大允許日動作次數Nmax在一天內進行了24時段的等距分配，未考慮實際負荷的變化情況以及變壓器分接頭與電容器/電抗器等不同設備的調壓特性。本文則根據實際的電網運行狀況，選擇合適的控制對象和優先級，將Nmax在一天內根據負荷預測的變化情況進行權重分配。

圖2　日無功負荷曲線圖

由圖2可以看出，一般情況日無功負荷分為低谷和高峰負荷時間段，其中，低估負荷時間段為在當天晚上23點值第二天早八點，相應地，高峰負荷時期為早上8點到晚上23點。同時，考慮到低谷負荷時期實現系統容性無功的平衡，就可以同時投入多組的電抗器，因此電抗器組在低谷負荷期分得的動作次數應該多一些。類似地，高峰負荷時期也應投入多組電容器。所以，電容器組在高峰負荷期分得的動作次數應該多一些。本文將權重比取為4∶1，即在高峰（低谷）負荷時期，電容器組（電抗器組）的動作次數占全天動作次數的80%。

根據變壓器的分接頭不同的調整特性，可將變壓器的分接頭最大允許日動作次數Nmax進行了24時段的等距分配。

對于以下三種情況:

（1）由AVC系統通過遙控接口下達的設備再次動作要求時間差小于設備最短允許間隔時間。

（2）計數器統計的某電氣設備的動作次數達到所在時間段所分配的次數。

（3）計數器統計的設備當天動作的總次數達到設備最大允許日動作次數Nmax。

對各變壓器分接頭，電容器/電抗器組等設備進行電氣屬性診斷，當出現上述三種情況中的任何一種時，自動閉鎖該設備即診斷結果為不可動作。

5　案例分析

將本文加設的負荷預測環節與設備狀態診斷環節應用到某市智能電網電壓無功優化控制（AVC）系統的設計研發中。AVC系統流程圖如圖3所示。

AVC與 OPEN3000 EMS平臺一體化設計，從SCADA獲取實時采集數據，并結合超短期負荷預測值，從PAS網絡建模獲取控制模型，以電壓合格率最高和全網網損最小為目標，以各考核母線的電壓、功率合格和電容器/電抗器與變壓器分接頭兩類控制設備的動作次數最少為約束條件，經過計算和分析全網無功電壓優化問題，在此過程能夠實時發布控制方案，并且能夠結合SCADA遙控遙調功能，針對系統中的電容器/電抗器組和變壓器分接頭的進行閉環控制［15］。

圖3　智能電網AVC系統流程圖

表2　AVC投入前電網運行結果分析

表3　AVC投入后電網運行結果分析

由表1和表2可見，由于本文加入了負荷預測的超前控制方案，可以有效的過濾掉變化時間很短的負荷“抖動”，顯著的減少了設備的動作次數。AVC系統投入后，動作次數優化比例達到30%。

由于加入了設備的電氣屬性狀態診斷環節，合理的根據實際負荷的變化情況以及變壓器分接頭與電容器/電抗器等不同設備的調壓特性分配不同時間段的動作次數，并及時的對設備進行閉鎖，可以有效的對設備進行安全的操作。同時，該地區電網的電壓和功率因數的合格率也得到了顯著提高，這是由于控制策略中有效地結合了系統負荷預測的結果，根據負荷變化趨勢確定進行無延時控制。

6　結語

本文通過研究智能電網負荷預測，提出了電壓無功超前控制策略，能夠根據電網負荷預測進行對符合變化進行自行劃分，并根據不同的負荷趨勢確定設備最大允許日動作次數在不同時間段的權重系數。同時，通過使用計數器約束了系統動作次數，并且結合了設備實時運行狀態的控制屬性，建立告警事件和保護事件庫，及時的將電氣設備自動閉鎖。該策略避免了一次設備的頻繁動作，優化電氣設備的調節次數，降低設備損壞風險，延長使用壽命，體現了控制的智能性。通過在實際電網中的應用，證明該系統能夠實現可靠和穩定的工作，并增加智能電網的效益。

［1］ 胡偉，王淑穎，徐飛，等.基于分層控制的AGC與AVC自動優化協調控制策略［J］.電力系統自動化，2011，35（15）：40-45.

［2］Liang R-H，Wang Y-S.Fuzzy-Based Reactive Power and Voltage Control in a Distribution System［J］.IEEE Trans on Power Delivery，2003，18 （2）：610-618.

［3］DENG You-man，REN Xiao-juan，ZHAO Chang-he and ZHAO Dapu.A Heuristie and Algorithmic Combined Approach for Reactive Power Optimization with Time-varying Load Demand in Distribution Systems，IEEE Trans on Power Systems［J］，2002，17（4）：1068（1072.

［4］孫宏斌，張伯明，郭慶來，等.基于軟分區的全局電壓優化控制系統設計.電力系統自動化［J］，2003，27（8）：16-20.

［5］熊小伏，王志勇.引入負荷預測的變電站電壓無功控制［J］.電力系統自動化，2003，27（13）：58-60.

［6］魏小淤，楊洪耕.基于控制設備動作狀態診斷的區域電網電壓無功控制方法［J］.電力系統保護與控制，2009，37（24）：46-50.

［7］賴永生，陳燕梅，黃偉.考慮開關動作次數約束的地區供電系統電壓無功控制［J］.電工技術，2011，9（1）：17-20.

［8］劉明波，朱春明，錢康齡，等.計及控制設備動作次數約束的動態無功優化算法［J］.中國電機工程學報，2004，24（3）：34-40.

［9］程瑩，劉明波.含離散控制變量的大規模電力系統無功優化［J］.中國電機工程學報，2002，22（5）：54-60.

［10］HU Z，Wang X，Chen Hetal.Volt/var Control in Distribution Systems Using a Time-interval Based Approach［J］.IEE Proc Gener，Transm，and Distrib，2003，150（5）：548-554.

［11］劉建輝.地區電網無功優化閉環控制系統的實現［D］.廣州：華南理工大學，2009.

［12］路軼，王民昆.基于短期負荷預測的超短期負荷預測曲線外推法［J］.電力系統自動化，2006，30（16）：102-104.

［13］BIE Zhao-hong，SONG Yong-hua，WANG Xi-fan，et al.Integration of algorithmic and heuristic techniques for transition-optimised voltage and reactive power control［J］，IEE Proceedings：C Generation，Transmission and Distribution，2006，153（2）：205-210.

［14］Sun H B，Guo Q L，Zhang B M.Research and prospects for automatic voltage control techniques in large-scale power grids（in Chinese）.J Electric Power Sci&Tech，2007，22（1）：7-12.

［15］韓本帥.山東電網AVC中的無功優化研究［D］.山東：山東大學，2009-04-12.

Analysis on Power Grid AVC Control Strategy Based on Equipment Action Diagnosis

ZHU Wen-hao1，2，GUO Qi-yi1，WANG Jie3
（1.Electronics and Insformation College，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.Shanghai Schneide Low Voltage Terminal Apparatus Co.，Ltd.，Shanghai 201109，China；3.Nanduan Science and Technology
Co.，Ltd.，Nanjing 210061，China）

On the basis of hierarchical&zonal control strategy of conventional AVC system，a load predication process and a diagnosis process for current electrical control status were added to enhance the predictability，realizing the advanced control and reducing the equipment action delay comparing to the current status.This system has been put in application of smart grid，and the experimental results shows that the new system possesses a excellent effects in increasing the qualified rate of regional network voltage and in enhancing the reactive power optimization.The new system optimized the equipment action times，and substantially reduced the equipment damage accidents due to the over-frequent actions and thus increasing the equipment life span.

AVC；load prediction；advanced control；action diagnosis

TM71

B

1004-289X（ 2015） 06-0013-05

2014-12-15

朱文灝（1977-），男，高級工程師，博士研究生，研究方向：智能電網用戶端信息系統安全性可靠性；郭其一（1961-），男，教授，工學博士，博士生導師.主要研究方向為電氣工程及其自動化。