高壓配電網無功優化集中控制系統研究

任雷雷

（德州智能電氣設備有限公司，山東德州 253400）

現在很多的變電站在工作的時候都開始應用無功電壓綜合自動控制裝置，無功電壓綜合自動控制裝置在使用的時候有一個缺點就是只能采集一個運行參數，很難控制電網變電站的電容器的調控。為了更好地進行全局控制，需要在應用時進行動態無功優化計算，從而使每個時段都能優化連接，這樣既能合理分配投切次數，又能控制全網潮流。

1 高壓配電網無功優化運行的特點

配電網全網無功優化配置能夠根據電壓等級的不同預測到電壓負荷的情況，根據無功優化分層區無功平衡原則，通過無功潮流的方式補償和確定容量。

高壓配電網無功優化運行就是在現有手段上，不變更配置調整無功資源運行的方式以此來提高電網的經濟運行情況。因為無功和電壓之間的關系比較密切，所以設備可以通過優化計算的結果找到最優的運行方式，這樣既能保證母線電壓的范圍，又能降低網損。

高壓配電網無功優化運行時有以下特點存在。

（1）非線性：非線性既包括目標函數內容，又包括約束條件內容。（2）離散性：離散控制變量包括：移相器分接頭位置、無功補償器投切等。（3）動態性：電力系統會隨著流動時間的變化而變化，除此之外流動時間的變化還會影響到電壓的變量。（4）復雜性：在無功優化的過程中會存在等式約束和不等式約束2種，約束條件的數目和電網規模也有著密不可分的關系。（5）魯棒性：電力系統的調壓不僅需要滿足正常工作時對負荷的要求，還需要滿足最大負荷的方式和最小負荷的方式2種。（6）多目標：通過線損的方式提高電壓的質量，重點突出目標的多樣性。

2 控制系統結構與實現方案

無功優化系統主要由2臺計算機組成，2臺計算機分別負責不同的工作指令，其中一臺計算機負責控制轉發命令、狀態評估等工作；另一臺計算機負責計算限值、無功優化等工作。無功優化控制系統在工作的時候底層的數據采集和通信模塊會從調度自動化系統的電網運行中進行采集，采集完成之后把控制方案通過專用通道的方式傳送到變電站的無功電壓綜合自動控制裝置中完成工作指令。

控制系統在工作的時候每隔1h 會更新一次，更新之后的數據會通過拓撲分析進入到無功優化數據庫中。拓撲分析模塊能夠通過人工輸入的方法來控制網絡節點支路關聯配置表；如果在使用的時候發現有變位信號出現的時候就可以把分析完的變位信號儲存到數據庫中。在控制命令啟動的時候要對預測進行計算或者修正，之后把預測好的母線負荷存進數據庫中。

當系統存儲完成之后可以通過查詢數據庫的方法進行儲存，在完成預測負荷之后狀態估計模塊就可以對這些預測數據進行修正。

電壓無功優化模塊可以根據通過分析負荷曲線、變電站內容等信息找出未來時段、變電站母線電壓分布情況，進而計算出變電站最佳無功限制曲線和最佳電壓限制曲線圖。

無功優化控制系統的啟動可以由使用用戶自己設定，用戶可以利用每天監測到的數據計算出電網的實際有功損耗。實時監測數據能夠顯示實際負荷和預測負荷的誤差情況，當誤差大于設定值的時候就會自動啟動負荷預測修正計算過程，結束完成之后計算出電壓限制和無功限制等數據信息。

控制系統主要功能包括以下幾種：①預測母線負荷；②分析負荷特性；③計算潮流內容；④優化計算信息；⑤修改參數；⑥控制優化和分析運行效益；⑦查詢和修改VQC 限制。

3 動態無功優化數學模型

在建立動態無功優化數學模型的時候先設置電網節點，然后以24h 的電能損耗為主要目標函數，以變壓器分接頭位置和無功補償量為控制變量進行建立。在研究高壓、中壓配電線路補償基礎上，對低壓線路無功補償采用了“三分之二法則”，以此作為低壓配電線路無功優化補償基本模式。所謂“三分之二法則”指的是以一段僅有首段的電源線路為研究對象，無功負荷作用于其中，將其等分為3份，則在線路三分之二處屬于無功補償設備安裝最佳地點，同時期無功補償容量約占三分之二的總無功負荷，具體如圖1所示。

所謂的無功補償的最優配置，指的是在低壓配電網中，確定無功補償裝置安裝最佳地點和補償最佳容量的。具體步驟如下所示。

（1）按“三分之二法則”對無功補償裝置進行最佳配置，如式（1）所示，同時將無功補償裝置的安裝最佳地點設置在主線無功負荷分布的三分之二處。

圖1 線路無功負荷分布和優化前后無功潮流圖

（2）首先對無功分布負荷在各段主線的分布進行標定，然后把具有一個分叉主線等效轉換成2條無分叉主線按線路負荷分布情況，把有分叉主線等效轉換成兩條無分叉主線，如式（2）、式（3）所示。

（3）轉換后兩條無分叉主線分別按無分叉主線進行最優配置，如式（4）、式（5）、式（6）所示。

4 計算方法

在計算的時候因為無功優化系統控制變量比較多，導致搜索空間也比較大，要想完成搜索任務就需要引入先進的優化搜索技術。

在計算的時候可以通過以下幾方面提高優化算法的計算效率：

4.1 通過提高潮流計算的效率的方式提高優化算法的計算效率

在計算遺傳算法求解無功優化問題的時候可以根據軟件編程的方式進行計算，為了減少計算時間，可以在計算的初期適當降低潮流計算的準確度，在計算后期的時候在提高潮流計算的準確度，這樣就可以在保證計算準確率的基礎上提高潮流計算的效率。

在遺傳算法的群體中每1個個體的適應度計算量都非常大，所以在選擇的時候群體都會受到影響，在計算的時候要先做檢查，確定完成之后再進行判斷。在所有的基因中，會有幾個不同的基因存在，要想讓基因保持相同，可以通過調整計算經驗的方式來改變現狀，這樣對于相同的個體就可以做一次潮流計算，既計算出了個體潮流的初始值，又提高了潮流計算的效率。

4.2 利用專家知識指導變異位置與方向的方法提高優化算法的計算效率

在計算優解的過程中，要想得到可行解才能消除電壓無功的越限，這樣就可以得到需要的最優解。因為無功功率的傳輸距離比較短，所以在進行的時候需要調整無功補償的設備位置和變壓器的電壓情況。如果在調整的時候沒有合適的調節手段，就需要調節距離電氣最近的控制變量。

在研究的時候可以通過消除電壓的越限來確定優先變異的基因位置和方向，這樣可以減少搜索時存在的盲目性，不僅如此還能在增加算法搜索能力的基礎上提高潮流收斂的速度。

4.3 通過優化編碼的方法提高優化算法的計算效率

在編碼運行的時候需要先處理變壓器的控制變量以此來減少染色體的長度。在運行的時候需要在數組的下標編制上相對應的編碼，減少變比和檔位的換算和查找。在設計適應度函數的時候可以使用映射法來區分個體之間的優點和缺點。在編制的時候還可以隨著迭代次數的增加而加大懲罰的力度，盡可能地將搜索控制在可行域中間。

5 無功電壓綜合自動控制裝置限值的計算

無功電壓綜合自動控制裝置限值在計算的時候要以最優曲線為主進行計算。在計算的時候需要先設定電壓和無功限值之間的寬度。之后在計算出變電站的最優無功補償量和變壓器分接頭的檔位，以此計算出最佳的無功、電壓的上下限的數值。

6 高壓配電網無功優化集中控制系統研究案例

本文在研究的時候選擇3種類型的變電站，分別是330 kV變電站、220 kV 變電站、110 kV 變電站，在電網中一共有42個節點，36條線路，在運行的時候先用遺傳算法對系統進行優化，通過優化對比發現，優化之前系統有3個節點的電壓值比下限低，經過優化之后發現每個節點的電壓都有一定程度的提高，有功功率的損耗也呈現下降趨勢。試行運行之后能夠發現遺傳算法在使用時候能充分滿足在線計算的要求。

7 配電網無功優化配置的原則

在配電網中，無功功率具有一定流動性，其是保障配電網安全、穩定、持續運行的關鍵所在。無功功率的流動性不利于減低電網損耗，提高電能質量。因此，降低或避免無功功率在配電網中的流動性，對提高配電網系統質量具有積極作用。基于此，無功優化配置應按照“分級分區補償、就地平衡”的原則進行，按照以下幾方面要求實現無功補償設備的合理布局。

（1）在配電網無功補償過程中，應堅持配電網總體和局部平衡的相統一性。這是由于不合理的無功電源布局會導致局部無功電力的不平衡，進一步影響變電站或線路的無功電力，進而產生大量流動的無功功率問題。具有長途交換或輸送的無功功率，嚴重增加了配電網的電網損耗。

（2）在配電網無功補償過程中，堅持低壓配電補償為主，其他補償方案為輔的原則。變電站以補償主變壓器無功損耗為主，在無功傳輸降低方面則集中在變電站以上輸配電線中，實現電網損耗的降低。鑒于低壓配電網的線損在配電網整體上所占比例較高，這就要求在配電網無功補償過程中，堅持低壓配電補償為主，其他補償方案相結合。

（3）在配電網無功補償過程中，堅持電力部門補償和用戶補償相統一原則。物攻的就地補償、就地平衡是實現配電網無功功率輸送降低、用戶電壓質量提高以及用戶功率因數補償的前提條件，這就要求低壓側補償過程匯總采用較多配電變壓器，同時確保電力部門補償和用戶補償相結合。

（4）在配電網無功補償過程中，堅持以配網降損為主，以降損和調壓為輔的原則。由于配電網無功優化配置以實現無功電力就地平衡為目的，以實現電壓質量改善和電網損耗降低為目標，因此需在配電網無功補償過程中，以配網降損為主，以降損和調壓為輔，最終實現無功補償的社會效益和經濟效益。

8 結束語

綜上所述，通過以上方式能夠發現在高壓配電網中應用無功優化集中控制系統，能夠從優化和控制的角度提高系統電壓的合格率、降低系統的總線損。從而提高電網管理的水平，最終提高電力輸送效率。