特高壓輸電線路無功優(yōu)化控制策略探究

梁 暉

（國電南瑞南京控制系統(tǒng)有限公司，江蘇 南京 210000）

1 研究的意義

因為特高壓輸配線路的電壓具有較高等級，其線路單位距離充電的功率較大，其電壓額定值為1 000 kV，特高壓輸配線路所承載的無功功率大約是輸電500 kV線路的5倍，所以極易產(chǎn)生較高的過電壓。另外，輸電特高壓線路無功功率也將伴隨其輸送功率的改變而產(chǎn)生變化，但是特高壓輸配電網(wǎng)在不同發(fā)展時期，輸送線路的有功功率存在比較大的差別。例如，特高壓輸配電網(wǎng)在開始建設(shè)時，傳輸電能的方式主要為點對點，該辦法受系統(tǒng)阻抗性影響，其穩(wěn)定性受限，線路運行有功功率低于其自然功率，這時線路上則會產(chǎn)生無功過剩功率。再比如，特高壓輸配電網(wǎng)進入中、后期建設(shè)時，可實現(xiàn)所有區(qū)域的電網(wǎng)相聯(lián)，這時線路運行有功的功率則會較大提升。為進一步實現(xiàn)資源優(yōu)化配置，最大限度地用好所有區(qū)域的發(fā)電電網(wǎng)資源，在特高壓線路輸電有功功率會隨時發(fā)生改變，由此引起無功功率也相應(yīng)發(fā)生改變，造成無功平衡與控制電壓較為困難。為確保特高壓交流電網(wǎng)能夠經(jīng)濟、安全運行，就要將特高壓交流電網(wǎng)的過電壓與無功的補償關(guān)系進行有效的處理。在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)順利完工并投入運行，實現(xiàn)其強大的輸送能力，提高經(jīng)濟效益。為此，必須要根據(jù)特高壓輸配系統(tǒng)運行的狀況，對其線路無功功率控制方法進行分析研究，以為電網(wǎng)的互聯(lián)運行做好技術(shù)保障。

2 電網(wǎng)特高壓無功電壓的控制分區(qū)

2.1 特高壓電網(wǎng)相關(guān)無功電壓的控制分區(qū)法

首先，該辦法對特高壓交流輸配線路所屬主網(wǎng)架互聯(lián)的電網(wǎng)加以分層。單獨把特高壓電網(wǎng)線路分作一層，再把其他的節(jié)點分作一層，然后依據(jù)特高壓電網(wǎng)運行的方式及其結(jié)構(gòu)進行建立，特高壓的近區(qū)可以設(shè)為控制二級分區(qū)。因為現(xiàn)在特高壓交流電網(wǎng)系統(tǒng)AVC關(guān)鍵控制辦法是50 kV電廠，所以將特高壓變電站的500 kV母線側(cè)作為中樞母線P51。再依據(jù)靈敏度分析確定無功控制電壓產(chǎn)生關(guān)鍵作用的發(fā)電機，并對其加以保留。把近區(qū)500 kV其他電網(wǎng)部分等值成負荷或注入功率，由此構(gòu)成了近區(qū)特高壓電網(wǎng)[1]。圖1為特高壓的等值圖。

2.2 基于靈敏度分析的近區(qū)發(fā)電機選取

圖1 特高壓的等值圖

因為近區(qū)特高壓電網(wǎng)具有較多的節(jié)點及變量，若要把這些都考慮在內(nèi)，就會形成數(shù)目龐大的變量控制問題。要想將這些問題有效解決，就要進行變量的優(yōu)選，從中選取關(guān)鍵控制性變量。故此，本文采取分析靈敏度法選用具有較高靈敏度的電機在近區(qū)使用。文中使用的靈敏度標準是電壓靈敏度控制及有功靈敏度網(wǎng)損。這兩項指標可用來判斷控制量對系統(tǒng)損壞程度及對母線的電壓影響。因為在選取發(fā)電機近區(qū)的同時要對系統(tǒng)網(wǎng)損靈敏度及母線控制電壓靈敏度進行充分考慮。故此在文中把控制變量對有功靈敏度網(wǎng)損及對母線中樞控制電壓的靈敏度進行加權(quán)疊加，構(gòu)建靈敏度綜合評價運算函數(shù)，具體如下：

式中，|ΔfPlots|代表的是有功靈敏度網(wǎng)損絕對值；fPlots代表有功初始網(wǎng)損值；|Δfv|代表電壓靈敏度控制絕對值；fv代表中樞母線的電壓初值。根據(jù)式（1）計算求得所有控制綜合變量靈敏度，然后再把綜合變量靈敏度按次序由高至低排序，擇優(yōu)挑選若干變量，也就是要擇優(yōu)挑選若干電機當(dāng)作近區(qū)發(fā)電機。本文的優(yōu)選變量控制辦法為控制變量的最大綜合靈敏度標準，省略低于1/10的最大綜合靈敏度變量[2]。

2.3 特高壓電網(wǎng)近區(qū)無功控制電壓分區(qū)法的流程及計算

（1）對特高壓電網(wǎng)輸配線路的基本數(shù)據(jù)進行輸入，一般包括數(shù)據(jù)節(jié)點、發(fā)電機總量、電網(wǎng)線路的相關(guān)數(shù)據(jù)等內(nèi)容。

（2）根據(jù)電網(wǎng)的等級對電網(wǎng)分層，其中特高壓的節(jié)點可分成一層，另外節(jié)點可分成另一層。

（3）選用特高壓交流變電站的中壓側(cè)，將500 kV母線當(dāng)作中樞電網(wǎng)母線，劃分成特高壓的近區(qū)。

（4）用分析靈敏度法對近區(qū)的電機進行選擇，完成近區(qū)其他各電網(wǎng)等值。

（5）將分區(qū)的結(jié)果進行輸出。圖2為特高壓分區(qū)流程圖。

圖2 特高壓分區(qū)流程圖

3 特高壓電網(wǎng)輸配線路無功控制電壓潮流計算

在特高壓交流近區(qū)輸配電網(wǎng)的電壓無功控制下，需通過最佳潮流的計算，再把最佳優(yōu)化潮流計算的結(jié)果傳遞給控制中心，最終實現(xiàn)電壓的全局控制。完成潮流最優(yōu)計算的基礎(chǔ)是創(chuàng)建特高壓電路的無功優(yōu)化電壓模型，同時對優(yōu)化無功遺傳的算法加以改進[3]。

3.1 遺傳算法及其基本操作

3.1.1 遺傳類算法的特點

（1）傳統(tǒng)的算法是針對變量進行處理的，遺傳的算法是針對個體基因進行處理。所以遺傳的算法能夠?qū)ο蠼Y(jié)構(gòu)加以操作。該算法也因為此特點而得以推廣。

（2）遺傳類算法于初期搜索時選取隨機擇取的方法，并沒有確定性，在遺傳類的算法中所用的操作基本為隨機性操作[4]。

（3）遺傳類的算法進行多點同時空間搜索，在傳統(tǒng)算法中一般都是由空間中某一初始點開始展開搜索，如此便于全局的快速收斂，能夠有效降低局部陷入最優(yōu)狀態(tài)。

（4）遺傳類算法選擇搜索概率規(guī)則，捜索的空間為不確定性。與其他方法比較，此方法并不是由一點開始，后沿其一條固定線尋找最優(yōu)解，而是對整個的空間進行同時搜索，其全局收斂到最優(yōu)的可能性較大。

3.1.2 遺傳類算法基本操作

（a）選擇的操作

選擇的操作方式是指在群體內(nèi)挑選具有較大適應(yīng)度的個體及具有淘汰較小適應(yīng)度的個體。挑選標準是盡可能的挑選較大適應(yīng)度的個體進入繁殖庫，也就是適應(yīng)度值越大越有機會入選，由此個體內(nèi)優(yōu)良的基因才能得以遺傳，從而體現(xiàn)出自然界“適者生存”的進化法則[5]。

（b）交叉的操作

生物基因遺傳重組對生物的進化起著重要作用。但遺傳基本算法交叉式操作是該算法內(nèi)最核心、最主要的操作。所謂交叉指的是將兩個及以上個體基因重組替換生成出新的個體操作。是在一定概率交叉下將種群內(nèi)兩個二進制個體位碼替換重組生成出新基因，并且重新組合成新基因組。

（c）變異的操作

變異指的是將群體內(nèi)二進制的個體位碼發(fā)生改變，個體多樣性增加。但依據(jù)不同遺傳算法的編碼方式，變異可分為二進制及實值兩大類。

3.2 標準的遺傳

標準的遺傳計算方法屬于群體型的一種操作，主要針對的是群體內(nèi)所有的個體。該方法具體操作時選取H個遺傳基本算子，分別為交叉、變異、選擇3類算子，其遺傳操作進化過程比較簡單，易于理解，是其他遺傳算法改進的基礎(chǔ)。

4 關(guān)于改進無功優(yōu)化的遺傳算法

遺傳類的算法指以生物進化論及遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，隨機并發(fā)式捜索優(yōu)化的算法，由于具有捜索優(yōu)先性、計算隱蔽性、問題開放性等諸多優(yōu)勢被普遍應(yīng)用。可遺傳類標準的算法在性能方面存在明顯瓶頸。基于此，本文對其算法做了改進。

4.1 編碼的改進

本文根據(jù)無功控制優(yōu)化變量同時具備離散與連續(xù)的特點，選取混合式編碼的辦法，此時電機電壓是連續(xù)的變量，采用的是實數(shù)式編碼。

4.2 保留精英策略

本文在設(shè)計操作時引入保留精英策略，詳細操作如下：

（1）首先要計算出每代的個體適應(yīng)度實際函數(shù)值；

（2）若是父代的種群內(nèi)最優(yōu)適應(yīng)度個體函數(shù)值超過子代，則會將父代的種群最優(yōu)適應(yīng)度個體換掉那個在子代的種群內(nèi)最差的個體；相反，不做任何的操作。

4.3 策略選擇的改進

該策略選擇的操作情況如下：

（1）從父代的種群內(nèi)隨機抽選出個體兩個，然后進行適應(yīng)度情況比較，選取適應(yīng)度較高的個體投入到繁殖庫；

（2）重復(fù)操作M次，即可以獲取繁殖庫所需要的適應(yīng)度高的M個最優(yōu)個體。

5 交叉及變異的操作

因為電力運行系統(tǒng)的無功變量控制同時具備連續(xù)和離散兩種變量，進行交叉式操作時，要想確保離散式變量免受破壞，就要采取類似于二進制的單點式或兩點式以及多點式的交叉方式。其中多點式交叉經(jīng)常破壞部分基因較好的組合，為有效減少破壞而采用了單點式交叉的方法。其中連續(xù)變量，在交叉方法中都能使用。

6 結(jié) 論

本文將特高壓輸配系統(tǒng)作為研究分析的目標，對特高壓線路輸電無功控制電壓方法及其優(yōu)化無功模型算法進行深入研究，并結(jié)合以往科研人員的研究成果，與特高壓交流系統(tǒng)特點進行有效結(jié)合，提出完整可靠的特高壓輸配線路電壓無功控制方法。