基于最優控制理論的配網自動化應用研究

廖俊先

（廣東電網有限責任公司茂名電白供電局,廣東茂名，525000）

基于最優控制理論的配網自動化應用研究

廖俊先

（廣東電網有限責任公司茂名電白供電局,廣東茂名，525000）

在電力系統中應用最優控制理論可以對各種方案進行優化，從而使得電力系統的運行實現自動化、智能化發展。本文從最優控制理論出發對配網自動化的相關問題進行分析和探討。

最優控制理論；配網自動化；電力系統

0 引言

配網自動化是未來電力系統發展的趨勢，在配電網自動化系統中，合理、安全、穩定的自動化控制，是維護電力系統穩定性的重要途徑，隨著現代控制理論的深入研究，最優控制理論在電力系統中的應用越來越廣泛，最優控制理論是根據已經建立起來的被控對象的數時域或者頻域數學模型，從各種控制方案中找出最優方案的學科，是現代控制理論的一個重要組成部分。從數學角度來講，最優控制理論是要對帶有約束條件的函數問題進行求解，屬于變分學的理論范疇。但是數學領域中的經典變分理論只能解決容許控制屬于開集的一類問題，在很多工程領域中，所遇到的問題都是容許控制屬于閉集的，所以經典的變分理論并不能產生相應作用。在基礎上產生了現代變分理論，在配網自動化領域中的應用更具有針對性。

1 最優控制理論在配電網規劃領域中的應用

配電網規劃建設涉及很多領域，也涉及很多復雜的變量和約束條件，要求要對新建的變電站的建設時間、建設地點、變電站的容量大小等進行最優選擇，以滿足未來變電站使用過程中的符合增長需求，同時，所選擇的規劃方案還應該要滿足變電站容量、電壓降落、輻射狀網絡結構等約束。在具體的規劃過程中，可以根據已知的規劃水平對變電站的負荷水平進行預測，還可以根據現有的網絡以及給定的參數，對新建的線路進行合理地布局，從而使得輸電網絡的擴展性更好，能夠滿足安全運行的要求和經濟性要求，在這種前提下，最常用的一個方案就是對配電網的分段開關進行合理設計。隨著電力市場的不斷改革，電力系統運行的可靠性受到的關注程度越來越高，關于電力系統的可靠性研究，其目標函數一般為可靠性邊際成本與可靠性邊際效益之和?？煽啃赃呺H成本指的是每當增加一個單位可靠性水平所需要增加的投資成本，可靠性邊際效益則指的是每當增加了一個單位可靠性水平而獲得的經濟效益或者因為增加可靠性而減少的缺電成本。分段開關優化配置就是在原來的配電網絡基礎上對配電網絡進行改造和建設的過程，可靠性邊際成本包括分段開關的投資費用和運行維修費用，可靠性邊際效益是因為電力供給不足所造成的用戶停電損失，在這個系統中，開關投資費用、運行維修費用以及用戶停電損失費用是整個系統的總費用。

圖1 主饋線系統中分段開關裝設位置

如圖1所示，這是一個主饋線系統，假設這個系統中有n條主饋線，饋線的總長度以及總的負荷分別為l和PL，第i段主饋線的長度和負荷分別為il和LiP線路的平均故障率為λ，平均修復時間為tr；分段開關的倒閘操作時間指的是對故障點進行定位以及隔離的時間，用t1表示；聯絡開關的倒閘操作時間指的是故障點的定位時間以及對聯絡開關進行切換的時間，用t2表示，忽略系統中的變壓器、斷路器以及開關本身的故障，可以得到缺供電量的計算公式：

不同的分段開關配置模式所對應的可靠性指標是不相同的，在傳統的經典概念中，可靠性指標包括平均故障率、平均停運連續時間以及平均年停運時間，但是這幾個指標并不能完全表示出電力系統停運的嚴重程度。上述公式中的缺供電量指標適用于對可靠性進行綜合評價，在最優控制理論中，可以利用缺電量作為評價函數，進行建模分析，對不同的開關配置方案的優劣程度進行評價和分析。

2 配電網故障定位研究

在電力系統的配電網運行過程中經常會出現各種故障，必須要及時對各種故障進行定位分析，找到故障原因所在，并且及時排除各種故障，才能確保電力配電網的可靠運行。

圖2 典型饋線系統

如圖2所示，該結構是典型的配電網環網結構，S3是聯絡開關，是處于長期打開的狀態，由變電站A和B進行供電，如果發生故障的位置是開關S1和開關S2之間，則線路出口保護會使得斷路器B1發生相應的動作，將故障線路切除。在傳統線路控制中，對于出現的故障進行處理是通過重合器和分段器之間的多次重合配合，實現故障隔離并且恢復供電，但需要注意的是，由于重合器的多次重合，也會對配電系統造成干擾，因此這種方法并不是最理想的。為了實現具有更好性能的饋線自動化，在控制開關上安裝了智能終端，并且可以通過通信系統的控制實現饋線自動化，這種饋線自動化的基本原理是，當S1和S2兩個開關之間出現故障的時候，線路保護裝置會啟動，使得斷路器B1發生相應的動作，即將故障線路切除，同時，在開關S1處裝設的檢測器檢測到故障電流但是裝設在開關S2處的裝置沒有檢測到故障電流，系統會自動認為故障是發生在S1和S2之間，會快速跳開S1和S2這兩個開關，并且合上聯絡開關S3，實現對未發生故障的區域進行恢復供電。這種依賴通信系統以及檢測裝置實現的饋線自動化是配網自動化過程中的一個重要基礎，對于配電網運行過程中的運行狀態的監控是很有必要的。

3 配電網故障定位系統

對配電網的故障進行定位處理，是一個實時在線的過程，處理的信息大多是來自于戶外的各種通信裝置，這些通信裝置所處的環境比較惡劣、溫差較大，而且很多都是安裝在電力柱上或者配電柜內的，受到外界的干擾較多。加上配電網的通信點一般比較分散，數量較多，很難采用同一種通信方式對這些問題進行解決。因此在實際應用過程中，一般都會采用混合通信方式，加上開關節點的松動、通信裝置本身的誤判因素，會導致配電網的故障信息受到干擾或者信息丟失。如果出現誤判，將會使得停電時間延長，同時還會降低供電的可靠性，因此在配電網中應該要研究一種具有較強容錯性的算法，即當反饋回來的故障信息有一些誤差時，系統還是能夠對故障區域做出準確的判斷。這種尋優算法在速度上要慢于矩陣算法，實質上是為了找出網絡中的各個設備的狀態，比如是否出現了故障。配電網故障定位的尋優算法，也是一個組合優化的問題，目的是為了要找到一個包含配電網中各個設備狀態的最佳組合情況，從而使得設備的故障狀態和通信裝置所反映出來的故障信息是吻合的。

4 配電網優化及重構

配電網優化重構指的是當配電網正常運行的時候，能夠根據符合的實時分布情況對配電網絡當前的理想運行方式進行選擇，并且要對開關的操作情況進行決策。在執行開關操作的時候，應該要調整配電網的運行結構，也就是要強制改變各個符合的供電路徑，使得配電網處于優化的狀態。配電網優化重構可以有效地降低配電網的損耗，節約能源，并且能夠提高供電質量和供電的可靠性，延長電力設備的使用壽命。通過對配電網進行重構，一方面可以使得各種負荷實現平衡，消除過載的現象，另一方面還能降低損耗，提高配電網絡的經濟性。從數學角度來看，配電網的重構優化是一個多目標、多約束、非線性的組合問題，一個配電網中有很多個開關，所產生的信息量巨大，因此必須要采用信息簡化措施，當前在配電網優化重構過程中所采用的方法有數學優化方法、啟發式方法、近全局尋優方法、人工智能方法等。

5 結語

在電力行業的發展過程中由于人們對電力產品的需求越來越大，對配電網的運行要求也越來越高，在配電網自動化過程中，應該要根據最有控制理論，對配電網的各環節的性能進行提升，從而使得配電網的運行更加可靠、穩定。

[1]楊宏宇.有關最優控制理論在電力系統配網自動化中應用研究[J].電子世界，2013（22）.

[2]邱燕軍.最優控制理論在電力系統配網自動化中的應用概述[J].電源技術應用，2013（06）.

[3]俞利峰.最優控制理論在電力系統配網自動化中的應用[J].中國科技投資，2013（A15）.

Research on the application of network automation based on optimal control theory

Liao Junxian
(Guangdong power grid co., LTD,Maoming Guangdong,525000)

The optimal control theory can be optimized in the power system, so that the operation of power system can be automated and intelligently developed This paper analyzes and discusses the related problems of network automation from the optimal control theory

optimal control theory; Network automation; The power system