大型水庫配電網無功優化日分段綜合優化控制方法

涂 剛

（廣西壯族自治區水利廳那板水庫管理中心，廣西 防城港 535500）

引 言

影響電壓的最主要因素是無功功率，當電壓發生變化時，配電網必須有足夠的無功電源和強大的調節能力，否則就必須增加無功補償設備以達到調節電壓穩定的目的。配電網無功優化的控制很大程度影響著電壓及線路損耗，決定著配電網的電能質量[1]。由此可見，無功優化控制對電壓穩定的調節有著重要作用。無功優化是一種能夠全方位維持配電網安全可靠運行的重要手段，它可以降低配電網運行中所產生的線路損耗，提高電網供電質量。大型水庫工程運行中，在滿足水庫配電網電壓基本要求下，根據配電網實際負荷動態變化對水庫配電網運行狀態進行無功優化，可以實現對線路損耗與配電網運行成本最小化的目標[2]。現階段，大型水庫常用的配電網無功優化方法多是采用BP 神經網絡原理，其適用范圍有限，在部分大型水庫配電網運行中的無功優化效果較差，導致水庫電能質量與電壓水平得不到保障[3]。日分段是一種根據配電網負荷預測曲線的變化規律，劃分次日配電網控制時段進而調節有載調壓變壓器，確定各個時段的最優運行方式。為了改善大型水庫常規配電網無功優化方法的不足，在常規方法基礎上引入日分段理念，構建配電網無功優化日分段綜合優化控制方法，實現對大型水庫配電網全天無功優化目標。

1 大型水庫配電網無功優化控制方法設計

配電網無功優化是保證系統安全性、穩定性、經濟性并降低電網線路有功損耗，可靠減少設備動作次數，從而實現配電網電壓無功優化運行與調節設備動作次數的重要措施。配電網無功優化控制方法，主要是通過獨立的無功補償裝置采集全網各節點運行電壓、無功功率、有功功率等在線參數，并依據水庫配電網歷史資料，以配電網區域電能損耗最少、設備動作次數最少為約束條件，通過優化算法形成相應控制策略，對有載調壓變壓器分接開關、無功補償設備投切進行的優化控制[4]。系統控制指令借助調度自動化系統功能，利用調度控制中心自動執行或通過獨立的無功補償裝置監控系統下達和執行控制策略，從而實現大型水庫配電網電壓的無功優化運行。

1.1 建立大型水庫配電網無功優化數學模型

對大型水庫配電網的運行情況及運行特征做出多方位分析，建立配電網無功優化數學模型，通過模型迭代訓練作用獲取配電網各項參數。選擇水庫配電網控制變量，例如水庫配電網發電機端電位儀、投切電容器組、分接頭檔位等，在滿足配電網無功優化數學模型約束條件的前提情況下，帶入選擇的控制變量以生成最優目標函數[5]。最優目標函數需要滿足的約束條件如下：

式中 r——大型水庫配電網用來進行無功優化的控制變量；x——配電網無功優化過程中的狀態變量；F（r，x）——無功優化數學模型的目標函數；g（r，x）——無功優化數學模型的約束條件；h（r，x）——配電網無功優化過程中狀態變量與控制變量約束條件。

通過表達式，得出配電網無功優化最優目標函數，以實現大型水庫配電網最小有功功率損耗為核心目標。優化上述數學模型，將配電網有功損耗降至最小，得出如下數學模型表達式：

式中 DP——大型水庫配電網有功損耗；

Qa——配電網無功補償量；

Vi——配電網電壓上下限；

Vimin和Vimax——配電網電壓的最小和最大限值；

Qr——配電網自動投切補償容量；

Qrmin和Qrmax——配電網自動投切補償容量的最小和最大限值；

d——配電網潮流等式約束。

通過建立的無功優化數學模型，在保證配電網電壓質量符合要求的情況下，降低有功損耗，設置無功補償組數，不斷調節帶負載調壓的變壓器。無功優化補償過程中，對優化模型求解后得出每個分段下的最優目標值如表1 所示。

表1 無功補償數值及對應優化目標和權重

1.2 劃分配電網控制時段

基于上述大型水庫配電網無功優化數學模型的建立，通過日分段原理對配電網控制時段進行合理劃分。劃分大型水庫配電網控制時段能夠有效限制配電網設備調節的動作次數，并將設備調節動作次數轉化為提高配電網電壓質量的調整代價，減少全天網損。本文選取配電網操作處罰費用作為調整代價，通過上述數學模型的迭代作用修正其懲罰系數，從而獲取最優化的配電網控制分段結果。為了提高配電網控制時段劃分的精確性，需要計算配電網調節設備在次日各個時刻對應的動作效益，計算表達式為：

式中 Dqi，j——大型水庫配電網運行至j 時刻對應的調節設備動作效益；

rj——j 時刻配電網運行電價；

Dt——配電網無功優化時間間隔；

Dki，j——配電網運行至j 時刻全網有功損耗；Dkj′——配電網j 時刻無功優化后對應的全網有功損耗；

Ci，j——配電網調節設備的動作代價。根據計算獲取次日各個時刻對應的配電網調節設備動作效益，選取適配度較高的懲罰系數，初步劃分大型水庫配電網次日控制時段[8]。若動作效益Dqi，j大于0，則將配電網運行時刻j 設置為一個獨立的控制時段；若動作效益Dqi，j小于等于0，則將配電網運行時刻j 與時刻j-1 合并，合并成一個控制時段。根據控制時段劃分結果，計算無功優化日分段綜合優化控制序列，得出新值序列并調節配電網各節點負荷。采用并聯補償電容器，通過其無功補償能力對網損較大的控制時段進行細分處理，即得出大型水庫配電網控制時段最終的分段結果。

1.3 無功優化日分段解耦控制

對大型水庫配電網控制時段完成劃分后，再開展對配電網進行無功優化日分段解耦控制，實現綜合優化控制的目標。通過解耦處理方式，得出單一時段大型水庫配電網的無功優化目標函數，其無功優化日分段解耦表達式為：

式中 fa——單一時段大型水庫配電網綜合優化控制目標函數；

Pe（r，x）——單一時段大型水庫配電網網損值；

V（x）——大型水庫配電網電壓質量罰函數；

K（r）——大型水庫配電網電壓設備動作罰函數。通過該解耦表達式改寫配電網無功優化狀態的變量，將其改寫為概率約束，并根據配電網運行的實際工況，設定置信度。配電網電壓質量罰函數、配電網電壓設備動作罰函數與配電網網損期望以及電壓概率分布具有一定關系[6]。通過無功優化日分段解耦結果，對大型水庫配電網網損與電壓質量進行全面控制，衡量配電網無功優化過程中沖突目標的動態變化，對影響配電網無功優化日分段綜合優化控制的沖突目標進行取舍，進而高效實現配電網日分段綜合優化控制的目標。

2 實驗論證分析

綜合上述內容，對大型水庫配電網提出無功優化日分段綜合優化控制流程。在綜合優化控制方法投入水庫配電網工程應用之前，開始如下文所示的模擬實驗分析，檢驗該優化控制方法的可行性，在保證其能夠對配電網無功優化做出有效控制后，才能投入到水庫配電網的無功優化控制中。

2.1 實驗準備與開展

選取廣西地區某S 大型水庫配電網工程為此次的研究對象。S 大型水庫位于所在地區縣城上游3.5 km，水庫設計洪水標準為100 年一遇，它對該地區主要起到防洪、供水、農業灌溉以及水產養殖等作用。

該水庫配電網中的變壓器存在一定差異，其10 kV側分別安裝單組容量為2.5 Mvar、2.7 Mvar 和3.0 Mvar 的補充電容器。在掌握大型水庫配電網相關信息數據后，將上述提出的無功優化日分段綜合優化控制方法應用到水庫配電網中，以檢驗其日分段實際綜合優化控制效果。

2.2 實驗結果分析

引入對比分析的方法原理，將本文內容上述提出的大型水庫配電網無功優化日分段綜合優化控制方法設置為實驗組，將文獻[1]提出的基于在線極限學習機的控制方法設置為對照組1，文獻[3]提出的基于隨機矩陣理論的控制方法設置為對照組2，分別進行日分段綜合優化控制效果對比分析。選取無功優化日分段綜合優化控制后配電網電壓合格率作為此次實驗的評價指標，計算表達式為：

式中 P——配電網監測點電壓合格率；

Ta——配電網監測點電壓超限時間；

T——配電網監測點電壓運行時間。

通過計算表達式得出配電網各個監測點的電壓合格率，電壓合格率越高，說明S 大型水庫配電網無功優化日分段綜合優化控制效果越好，全天網損越小，供電質量就越高，反之同理。為了避免實驗結果存在的偶然性，在S 大型水庫配電網中再隨機布設6 組監測點，標號為01～06。利用MATLAB 模擬分析軟件，計算并統計各組監測點電壓合格率，繪制如圖1 所示的評價指標對比圖。

圖1 S 大型水庫配電網無功優化對比結果

根據圖1 和表2 的對比結果可以看出，在三種優化控制方法應用后，S 大型水庫配電網各組監測點的電壓合格率存在較大差距。其中，應用本文提出的日分段綜合優化控制方法后，6 組監測點電壓合格率明顯高于另外兩種方法，電壓合格率最高可達99.5%，最低為97.3%；對照組1 電壓合格率最高為94.2%，最低為90.4%；對照組2 電壓合格率最高為95.5%，最低為91.5%，三種優化控制方法應用效果如表2 所示。由此對比結果不難看出，本文提出的無功優化日分段綜合優化控制方法具有顯著的控制效果，能夠有效地提高大型水庫配電網電壓合格率，減少全天網損并改善了電壓質量，保障了水庫配電網的安全穩定運行。

表2 三種無功電壓優化效果參數對比值

3 結 語

為了打破傳統水庫配電網無功優化方法的局限性，解決其全局優化效果不佳的問題，本文引入日分段理念，并結合廣西地區某S 大型水庫工程為例，提出了一種大型水庫配電網無功優化日分段綜合優化控制方法。通過本文研究，對配電網負荷的全局變化進行了論證分析，采取的配電網無功優化日分段綜合優化控制方法，有效地減少了配電網全天線路的損耗，優化了配電網全天各個時段電壓質量與電能質量，使大型水庫電力系統的整體電壓水平得到了改善，具有重要意義。