0 引言

　　電力工業是國民經濟的重要基礎產業，近年來我國電力工業飛速發展，電力系統的規模日益擴大，已進入特高壓、大電網、大機組、西電東送、南北互濟、建設堅強智能電網的嶄新發展階段，電力供應已經基本可以滿足我國國民經濟和社會發展的需要[1-5]。目前，電能質量成為日益突出的問題[6]。電壓是衡量電能質量的重要指標之一，電壓越上限或越下限都會給電網穩定帶來安全隱患。電壓越上限會加快供電設備絕緣老化；電壓越下限會對輸變電設備的送電能力造成不良影響，增加電網有功損耗，并且會導致電壓崩潰等嚴重電力系統事故[7-9]。因此我們致力于將電壓保持在一個科學合理的范圍，這不僅僅影響著電網運行的安全，也是廣大電力用戶能否可靠用電的基礎。同時優良的電壓質量可以降低電能損耗，提高電力企業的經濟效益。

　　電壓和無功功率的分布有著緊密的關系[10]。在大多數情形下，造成線路與電力變壓器上壓降損失和有功功率損耗的主要原因是無功潮流的不合理流動。因此，無功潮流的合理調控是改善電壓質量、減少系統中網損的有效途徑[11-12]。從發電機和高壓輸電線路上發出的無功電源一般不能滿足負載的需求，因此電網中需要配置一些無功補償設備來滿足無功需求、確保設備的工作電壓為額定標準電壓。在電力系統中，各種無功補償功率裝置的調節效果和功能千差萬別，實際常用的無功補償裝置有并（串）聯電容器、同步調相機、變壓器、靜止無功補償器等。如何設置這些無功補償設備，使得地區電網無功功率能按照電壓等級分層平衡，即不同電壓等級的電網之間無功潮流為零或盡可能減少，是電力系統無功領域研究的主要課題之一[13]。

　　以往由電力系統調度中心專責工程師定期對地區電網進行無功平衡計算，在保證關口功率因數和母線電壓合格的約束下，分區計算出無功補償量。再由調度員按照計算結果對變電站運行人員下達指令，對相關設備監盤，在適當時間投切無功補償設備、調節變壓器電壓分接裝置[13-16]。

　　近年來，隨著大連地區經濟快速發展，地區電網的規模越來越大，電力系統無功平衡計算也變得越來越困難，需要開發并研制一套電網的自動電壓控制及無功優化（Automatic Voltage Control，AVC）系統。

　　本文主要解決的問題是：在大連地區電網給定無功補償容量的前提下，設計一套自動電壓控制及無功優化策略，根據此策略編寫軟件，借助調度自動化EMS系統-OPEN3000平臺運行該軟件，最終使大連地區電網無功潮流分布趨于優化，電壓質量進一步提高，網損降低，減輕調度及變電運行人員的工作強度，實現電力系統的經濟運行。

1 無功優化算法對比

　　電力系統無功優化的常規算法主要有線性規劃法、動態規劃法、內點法、粒子群算法、非線性規劃法、蟻群算法等[17-20]，這一類算法一般是從某個初始值開始，按照既定的軌跡連續地改進已求出的解，以達到收斂于最優解的目標。下面介紹幾種比較典型的算法。

　　1.1 線性規劃法

　　線性規劃法的理論成熟、模型簡單、計算速度快、收斂性好、算法穩定，可以處理大量的約束，因而被廣泛的應用到電力系統無功優化中。但是無功優化是一個非線性規劃問題，只能采用逐次線性規劃法求解非線性問題的思路引入線性規劃法，這使得在解決電網實時問題需要快速做出判斷時，情況變得復雜。

　　1.2 動態規劃法

　　動態規劃方法是一種無功優化有效的方法，它主要用來解決多階段決策過程最優化問題。這種方法對目標函數和約束沒有很嚴格的限制，但在一定條件下，也可以解決一些靜態規劃中與時間無關的最優化問題。這種算法在實際應用中的數學模型難以確定，且與理論模型相比，實際會增加狀態變量的數目，這樣一來可能出現“維數災”，這些限制了這種算法的實際應用。

　　1.3 粒子群算法

　　在粒子群算法中，每個問題的最優解均可假設為搜索空間中的一顆粒子，而這些粒子都有一個由目標函數確定的適應值及決定它們的飛行方向和速度。逐次進行迭代計算后，該粒子通過跟蹤個體極值和全局最優解來更新自己的位置。之后該粒子就追隨當前的最優粒子在解空間搜索，從理論上可以找到全局最優解。但這種算法的計算時間往往較長，對于技術人員在線分析不能提供很大的幫助。

　　1.4 蟻群算法

　　蟻群算法通過模擬蟻群搜索食物的過程，達到求解比較困難的組合優化目的。它采用有記憶的人工螞蟻，通過個體之間的信息交流與相互協作來找到從蟻穴到食物源的最短途徑。這種算法方便發現相對較優的解，不會輕易陷入局部最優的求解中，在求解離散優化問題上已經顯示出了優勢。此外，它還具有很強的魯棒性和搜索較優解的能力，方法不與其他算法結合使用。但是其自身存在一定的不足，如求解過程中易出現停滯現象，當群體規模變大時，優化時間較長，這使得它的使用范圍也變得十分有限。

　　上述無功優化算法均為離線算法，對于無功潮流分析、無功規劃起到很重要的作用[21，22]。但對于調度員實時監控，在線分析，即時做出判斷的決策而言，需要一種在線計算的方法來解決[23-25]。筆者經過研究多種算法的優缺點后認為必須充分利用大連地區電網是開式電網的運行特性，對無功電壓優化控制數學模型進行簡化和分解，再利用專家系統和解耦法相結合的方法進行求解。

2 無功優化數學模型的確立

　　電力系統無功優化控制是一個多變量、非線性、多約束的組合優化問題,取數學模型的目標值為電網線損和變損最小。

　　F＝minPloss(1)

　　同時要滿足以下等式約束條件和不等式約束條件：

　　(1)節點電壓約束：

　　Vmin<Vi<Vmax(2)

　　(2)發電機無功出力約束：

　　Gmin<Gi<Gmax(3)

　　(3)有載調壓分接頭檔數調節上下限：

　　Tmin<Ti<Tmax(4)

　　(4)設備動作次數上限：

　　有動作次數約束的設備包括電容器、電抗器、有載調壓分接頭。

　　(5)關口功率方程約束：

　　其中：Vi為第i條母線的電壓，Vmin指最小值，Vmax指最大值，以下約束相同。

　　所有節點i都需要滿足有功方程；所有PQ節點都需要滿足無功方程；Gij、Bij為節點導納陣元素；Vi為第i條母線的電壓；?茲ij為母線i和母線j的電壓相角差；PGi和QGi為母線i上所帶發電機的有功功率和無功功率；PDi和QDi為母線i上所帶負荷的有功功率和無功功率。

　　AVC無功優化系統即在滿足式(2)～式(7)的條件下，尋求在系統經濟運行時的無功潮流最優分布方案，包括調節發電機無功出力，投切電容器、電抗器，調節有載調壓主變分接頭等。

3 AVC控制模型

　　AVC系統采用廠站/區域兩級控制模式，廠站可由人工按照需求設置按本地控制或按區域控制。本地控制時根據九區圖基本原理動作，區域控制時參與全網優化協調。這種控制體系可以由人工設置投/退控制模式，使得控制方式具有一定的靈活性。

　　AVC系統在區域無功優化控制中將省級調度管轄電網和地區調度管轄電網進行分層，在地區調度管轄電網內再進行分區。在數據庫模型中分別對控制區域、受控廠站、控制母線、受控設備（發電機、變壓器、電抗器）進行定義和分層分區記錄，通過數據庫中的數學模型在它們之間建立一種靜態關聯。

　　控制模型層次結構如圖1所示。

　　AVC系統是基于電網調度EMS平臺設計的，從PAS網絡建模獲取控制模型、從SCADA系統實時采集數據并進行在線分析和計算，對電網內所有載調壓裝置和無功補償設備進行集中監視、分級管理和在線控制，實現大連全域電網無功電壓優化控制的閉環運行。

　　由上所述，地區電網AVC系統需要基于電網調度EMS平臺，從SCADA遙測中采集實時數據并進行狀態分析和潮流計算，利用PAS軟件進行建模，收集SCADA實時數據和并進行狀態分析和計算，根據結果對所有受控設備進行統一監測、管理、控制，實現大連全域電網電壓無功優化。

4 可調節參數

　　AVC參數分為全局參數和設備參數，決定控制策略的啟動。缺省采用全局參數，也可針對具體設備設置下列參數。當設備參數設置驗證生效后，采用設備參數。

　　調節參數主要包括電壓限值、動作次數限值、設備動作時間間隔和程序控制參數等。

　　根據電力行業標準規定在正常運行方式下，220 kV電壓范圍242 kV~220 kV；220 kV變電站的66 kV母線或發電廠出口母線電壓范圍64.02 kV~70.62 kV；220 kV變電站及非用戶66 kV變電站10 kV母線電壓范圍為10 kV~10.7 kV；以保證66 kV用戶變電站母線電壓范圍控制在62.7 kV~69.3 kV；35 kV用戶供電電壓范圍33.25 kV~36.75 kV；10 kV用戶和配電變電站母線電壓范圍為9.3 kV~10.7 kV；380 V供電首端母線電壓范圍為380 V~407 V；以保證380 V用戶側三相供電電壓范圍為353.4 V~406.6 V，220 V用戶側單相供電電壓范圍為198 V~235.4 V。

　　(1)考慮到負荷特性，在區域或單一變電站負荷高峰期間，電壓設置可按照規定上限值下調一檔，下限值上調一檔；在負荷低谷高峰期間，電壓設置可按照規定上限值下調二檔，下限值上調二檔。以66 kV變電站10 kV母線為例，在負荷高峰期間，電壓上限設置為10.6，電壓下限設置為10.1；在負荷低谷期間，電壓上限設置為10.5，電壓下限設置為10.2。

　　(2)變電站主變高壓側受電網無功潮流超過本站電容器最小投切容量，將自動或提示投入電容器。

　　(3)功率因數限值：當負荷處于高峰或低估時，流入母線的潮流的功率因數越限時，將自動或提示切除電容器。

　　(4)功率因數控制：置為“是”，受控站高壓側流入母線無功按功率因數限值控制；置為“否”，控制指標是受控站高壓側不發生無功倒流。

　　(5)負荷分段：設置格式形如0－7：0；7－22：1；22－24：0；其含義是將全天負荷分為三段；冒號為段間的分隔符，在每個字段中，表明起始時間和負荷性質，如0－7：0，表示該段為0點至7點低谷時段，而7－22：1則表示該段為7點至22點高峰時段。

　　(6)電容器投切的最小時間間隔初設為：300 s，可根據運行情況進行調節。

　　(7)主變分接開關的最小調整時間間隔初設為：120 s，可根據運行情況進行調節。

　　(8)主變日動作次數限值及時段劃分。

　　(9)容抗器日動作次數限值及時段劃分。

　　檔位類型不一致變壓器需設置AVC并聯檔位狀態圖，對于可以自動處理的檔位不一致，AVC將自動發命同步，否則提示調度員手工調節。

5 計算方法及過程

　　AVC系統從調度SCADA采集全電網實時運行數據，在保證算法實用性基礎上不斷提高先進性。以全電網電能損耗最小為目標函數，通過對該目標函數快速求解，來實現全網實時閉環控制。但直接對目標函數求解會耗費大量時間和心力且十分復雜，很難實現實時控制。但由于地方電網具有開放運行的特性，同時無功電壓控制的“專家系統”也可以拿來利用，我們可以利用這兩個方面對無功電壓優化控制數學模型進行簡化，進而分解，然后采用解析算法和專家系統混合算法共同求解，兩種算法的混合可以更好地保證控制系統的魯棒性，同時對于控制決策的速度、精度、可靠性等都具有正向影響。

　　具體的計算方法是，首先設定全網的電能損耗最小值上下限，在這個空間范圍內，可對它連續求次優解。同時計算電容器投切與變壓器分接頭動作次數，動作次數最少時對應的“次優”解即為最優解。

　　而后利用已求出的最優解，得出電容器投切次數和變壓器分接頭調節次數，給受控站發出控制命令，執行投切電容器與調節主變分接頭的操作。事故運行方式時最高電壓72.6 kV，最低電壓59.4 kV。

6 AVC系統的實施效果

　　大連地區電網已投運的區域AVC系統建立在地調EMS的OPEN3000操作平臺上。目前大連電網中13座220 kV變電所和61座66 kV變電所的母線電壓已由AVC系統自動調節，其調整包括了按照擬定的策略自動投切電容器和調節變壓器分接頭的優化控制。從投運到現在一年多的實施效果來看，區域AVC系統有效維持了電壓和功率因數在一定的水平，減輕了調度監控及廠站運行人員的工作強度，對系統的節能降損也起到了積極的作用，在一定程度上達到了預期的控制目標，為全域AVC系統在大連地區電網的實施奠定了基礎。

　　區域AVC系統投運后，全網各級、各類電壓合格率有了不同程度的提升。如表1所示。

　　區域AVC系統投運后，大連電網綜合線損率下降了0.07個百分點。其中220 kV一次網損率為0.45，同比持平。66 kV送變損率為0.84%，同比下降了0.07個百分點。

　　由數據可見，區域AVC投運后，大連全網綜合線損顯著降低。這一方面得益于66 kV系統對現有無功資源的充分利用，更重要一方面是通過電容器的合理投切使得66 kV系統無功潮流得到了優化分配。

7 結論

　　當下大連電網的自動化技術日趨成熟，尤其是基于調度自動化SCADA系統的高級應用軟件，如狀態估計、靜態安全分析，在線潮流計算、網絡拓撲等都逐步具備實際應用條件，在這個前提下對其功能進一步拓展，開發大連全域電網無功電壓優化控制系統。以目前大連局部地區已投入的AVC系統為基礎，在不增加新的硬件設備投資的條件下，將調度自動化主站端的AVC控制軟件做進一步的改進，從策略上謀求大連電網全域化電壓控制。大連全網的AVC系統的實現一方面可以使大連電網電壓質量得到提升，另一方面可以使大連地區電能的供應變得經濟。同時AVC系統更新后地調SCADA/EMS系統的操作界面也會變得直觀而顯性化。

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