配電網臺區低電壓治理的混雜模型構建與仿真

張靜+胡翔+李題印+孫亮+楊帥

摘 要：本文建立表征配電網多個關聯臺區低電壓調節變化過程的動態混雜模型，計及配電網臺區電壓水平約束，將電壓偏差、網絡損耗和調節費用最小等多個目標函數進行優先排序，綜合各種電壓調節手段，考慮安全運行約束和目標優先級，設計基于多目標約束模型預測控制的臺區電壓控制策略。

關鍵詞：低電壓；治理措施；動態混雜模型；控制策略

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.24.193

1 建立動態混雜模型

以提出的多個措施合理采用的最優控制策略為根據，結合電力系統的實際情況，本文提出了建立一種混雜自動電壓控制（HAVC）模型來治理配電臺區的低電壓問題，以增強臺區對電壓水平的控制能力，保證臺區電壓質量的穩定性，同時減少網絡的損耗。

1.1 控制模型

根據已有的配電網軟件、硬件等基礎設施和技術條件，充分利用通信網絡和調度自動化系統，本文提出了配電臺區的混雜分層自動電壓控制模型。該模型主要由最高層，中間層，基層三個控制層構成。三個控制層的控制指令由上而下進行傳達，層與層之間有數據交互。調度員可在系統內各層間實時人為干預各控制層的控制指令。系統的運行狀態、電壓水平等信息以及控制指令均可以記錄、存儲。以下為各控制層所擔負的任務：

（1）最高層。最高層的任務主要是處理、決策、指令的產生與下達。該層首先是利用SCADA系統（監測控制和數據采集系統）配電臺區各關鍵節點的電壓狀態進行監視，實時儲存節點電壓信息，并形成動態的數據庫，同時統計在某時間段內配電臺區各節點電壓的合格率；確定關鍵節點的標準范圍，然后形成離散事件控制指令驅動下一層。最高層實時顯示電壓安全域以及實際運行點的動態位置，為系統調度員提供參考。

（2）中間層。系統，形成包括實時節點電壓的動態數據庫，并接受最高層離散事件的驅動，處理數據和運算，實時求解非線性方程組；臺區內部各控制設備的運行狀態，形成各種控制操作決策，通過與層與層之間的接口環節可以實時對操作決策的各種方案進行有效組合，得到最優方案；最后，將該控制方案以指令的形式傳達給基層的設備。

（3）基層。基層接受中間層的綜合優化控制方案，通過層內控制器的反饋控制，執行控制指令，完成最終的目標。同時中央處理單元可以通過接口環節接受調度人員的操作指令，也可以將中間層傳達的控制指令輸出顯示，以供操作人員儲存各種數據信息，實現人機交互。

1.2 控制的特點

混雜自動電壓控制具有以下的特點：首先，混雜自動電壓控制（HAVC）是針對電力系統的管理與調控分層的性質、控制指令的離散性、“離散事件”的發生與底層運行元件狀態量變化的連續性相交互、電壓控制問題的多重目標等一系列特征，將混雜系統的理念運用在電力系統電壓控制問題之上，建立混雜自動電壓控制模型并給出其控制方法及實現方式。

其次，相比于現有的二級電壓控制方案HAVC系統及控制方法有以下重要的差異和優勢：其一，HAVC系統是由Events進行驅動的，控制指令直接響應于該事件并消除這一事件，而多級電壓控制方案是以設定時間來啟動的；其二，HAVC系統具有分層的結構，總體控制目標分層實現的特點，最高層與中間層各司其職，因此其各自擁有本層的SCADA系統和數據庫以及分析處理軟件，降低了分析和處理數據的計算復雜程度，調控速度和有效性大大提高。

第三，事件驅動還有個重要的優點，即能夠把不滿足復合目標中的任何一種狀態都形成具有不同性質的事件；HAVC系統的控制結果消除了該事件，以達到了復合目標控制的目的。因此，所提出的HAVC系統使多目標控制變得切實可行。目前關于電壓控制方面的研究難以達到應用HAVC系統的效果

以上部分闡述了配電臺區混雜自動電壓控制模型和實現方式。下面將介紹如何中實現對電壓質量和穩定性以及經濟性的保證。

1.2.1 電壓質量的保證

控制過程中，首先要找出關鍵節點，其能夠反映臺區電壓水平，給予其電壓約束，并形成控制預警環節。若電壓超出標準范圍，最高層將生成控制指令并下達給中間層；中間層接受上層指令，實時進行數據處理，得出控制策略，通過下接口下達給基層；基層接受指令后，調節有載調壓變壓器分接頭、低壓無功補償設備，保證能夠將臺區電壓維持在一定水平。

1.2.2 電壓穩定性的保證

在混雜自動電壓控制系統中，電壓的穩定性始終占有重要位置。最小模特征值的幅值是最高層中形成離散事件的主要因素。該控制系統以求解的最小模特征值為依據對臺區電壓水平穩定域范圍進行描繪，并形成相應控制預警環節。

1.2.3 網絡損耗最小的保證

實際運行中的電力系統，為了提高設備的使用壽命，減少控制設備的投切次數以及減少操作人員的勞動程度，系統將設置一個最低的損耗值：當時，也就是電力系統實際的網損與最優潮流計算得到的網損之差超過一定限值時，系統才產生指令，逼近優化潮流并保證電壓的穩定性及電壓質量合格。于此同時，能夠實時顯示并且存儲系統的網損。

2 仿真研究

首先必須要對混雜自動電壓控制方案進行仿真實驗以驗證其是否可靠、有效，驗證之后才能將其安裝運用到實際的配電臺區之中。

2.1 靜態電壓控制仿真

基于混雜系統的理念研究靜態電壓控制問題。首先要構造靜態混雜電壓分層控制模型。以該模型為基礎，分別設計出了各層的控制器。其中最高層可以對電力系統進行分析并判斷電壓穩定性，并考慮了電壓安全性和系統經濟性兩個優化目標，若指標超過限額，將會構造離散事件；然后利用形成的離散事件去驅動控制環節形成電壓的控制指令并且傳送給中間層；中間層依據接收的最高層的控制指令建立優化指標函數，通過求解得到底層無功補償器節點和發電機節點的控制量，以及調壓變壓器的變比改變量，再由通信系統將這些控制量送到基層；最后由基層的各元件的控制器實現對系統電壓狀態的調控。

進行仿真研究時采用的系統是IEEE-22母線系統，其結構如圖2所示。

在靜態電壓控制中，將常規二級電壓控制和混雜自動電壓控制的輸出結果進行了對比研究。在靜態混雜自動電壓控制中，控制目的在于減少線路損耗的前提下將最小模特征值的幅值從5.08增加到5.4，從而得到各控制節點的控制量。常規控制目的是使關鍵節點的電壓與混雜控制后的節點電壓值相等，進而得到該控制方法所對應的控制節點的控制量。

靜態混雜自動電壓控制的穩定性較比初始狀態有了較大幅度的提高，最小模特征值的幅值增加了6.386%，而且較常規二級電壓控制相比效果更佳；同時，有效地減少了系統的網損，有功損耗也分別減少了13.27%，提高了電力系統運行的經濟效益。

2.2 動態混雜電壓控制仿真

建模所采用的研究對象選擇的是彭州地調局域電網。該模型中包含了發電機、線路、變壓器及負荷等模型。該模型共有43個母線節點，覆蓋了五個電壓等級。其中500kV節點1個、220kV節點3個、110kV節點12個、35kV節點4個、10kV節點14個、中性節點9個。該模型包含輸電線路15條、三繞組變壓器9臺、兩繞組變壓器14臺、負荷11個、電容器44臺、電抗器1臺。220kV變電站內分別配有并聯運行220/110/10三繞組變壓器2臺，高壓側配17檔有載調壓分接頭開關。該電網模型中的10kV母線處配置了多臺電容器組以及電抗器組。

在動態混雜電壓控制研究中，將節點光明、天彭、繁江、三邑、太和、紅旗、五塊石處負荷以10s為時間間隔為均勻加大2.0（標幺值）的無功功率，從0開始到60s為止，并保持60s時刻的負荷不變。以此為前提條件并對變電站低壓側電抗器的投切加以考慮，對比研究了三種控制方案：①發電機組均采用常規勵磁的電壓控制；②發電機組均采用常規二級電壓控制；③發電機組均采用混雜自動電壓控制方案。

本文系吉林省發改委產業創新專項資金項目（2016C074）和吉林市科技局科技發展規劃項目（20156406）成果之一。