农网电压及无功优化控制系统的研究

赖伟源 （广东省高级技工学校广州校区，广东 广州 510800）

近几年随着农电系统的大力改造和发展，农网或县级供电企业在调度自动化、变电站综合自动化等电力自动化水平上得到了空前和飞速的发展。迄今为止，农网各级变电站基本上均安装了电压无功控制装置，但上述电压无功控制装置最大限度只能实现局部电压无功优化控制，局部的电压无功优化策略与基于全局的电压无功优化策略有可能得出不同甚至完全相反的结论。局部电压无功优化的主要目的或作用是维持局部电压的质量；全局电压无功优化的主要目的或作用是在维持系统电压质量的前提下，尽可能使网损最小。

农网电压及无功优化控制管理系统通过调度自动化SCADA系统采集全网各节点运行电压、支路无功功率和有功功率等实时数据，以电网有功功率损耗最少为目标，以各节点电压合格、系统潮流平衡等为约束条件，进行综合优化处理后，形成有载调压变压器分接开关调节和无功补偿设备投切控制指令，从而实现全局电压无功优化的目的。系统可以从全网角度有效地实现电网无功电压的优化与实时闭环控制，降低电网电能损耗，提高电网电压质量，增加电网设备输电能力。

1 电网无功优化计算方法概述

电力系统电压/无功优化计算方法，从本质上讲是一种大规模非线性约束条件下的极优求解问题。

若将解析法与直接法（或搜索法）两者相结合，则基本上可以实现上述目的。为此，我们选择了由国外研究人员提出的序列二次规划计算方法（Sequential Quadratic Programming）。顺序二次规划计算方法具有解析法和直接法等两类方法的优点，它不用解析列出梯度函数方程以及求解海赛矩阵，也不用像内点法或外点法一样要求解一系列的无约束极小问题，而是通过自适应有限差分方法（Finite-differencing Derivatives）来自动计算梯度函数。

在农网电压及无功优化控制系统中，直接调用MATLAB/Optimization Toolbox这一商业化的优化计算工具包来实现无功优化计算。该优化计算工具包中具有通用的、经多方面反复测试过的SQP（序列二次规划计算方法）求解程序。

图1 无功优化计算程序流程图

2 系统运行模式

农网电压及无功优化控制管理系统是网络版软件，而且是基于3层（数据库服务器—应用服务器—客户端）分布的应用系统模式，并支持广域网（远程客户端）应用。

系统运行模式如图2所示。

3 系统的主要功能

3.1 一体化电网绘图与拓扑建模

主要是为用户提供一种“可视化”的定义、描述、绘制电网的工具。电网图形的绘制可直接根据系统提供的工具进行操作，配网、台区两层电网既可各自绘制，也可一体化绘制。

3.2 数据接口

农网电压及无功优化控制管理系统作为一个专业应用软件，既与SCADA系统互联，以提取相关信息，同时又应该保持SCADA系统的相对独立性。

图2 农网电压及无功优化控制管理系统运行模式

在农网电压及无功优化控制管理系统中我们采取的是单向数据接口设计，SCADA系统所采集的实时信息由前置机直接发送到无功优化系统中的实时数据库中。该实时数据与SCADA系统界面所显示的实时数据是完全同步的，并且这种采集方式只具有单向性，采集行为不影响调度系统的正常运行。

3.3 网损分析

（1）实时网损分析

可计算全网、各线路、各变压器的理论、统计功率（有功、无功）损耗，并可查看具体的计算过程。

（2）实时网损统计分析

可对电网的理论、统计功率（有功、无功）损耗进行相互对比分析；可将分析结果以图形（饼图、柱图、点图）和数据的方式进行显示。

（3）网损变化趋势分析

将电网有功功率损耗变化趋势和电网无功功率损耗变化趋势以波形图的方式显示出来进行系统分析。

3.4 电压无功优化

通过调度自动化SCADA系统采集全网各节点运行电压、支路无功功率和有功功率等实时数据，进行综合优化处理后，形成有载调压变压器分接开关调节和无功补偿设备投切控制指令，从而实现全局电压/无功优化的目的。

系统分析全网在运行的设备和线路的损耗方程式，调用优化工具进行计算，实时计算出电压/无功优化控制策略，并用图形的方式显示每次迭代计算的结果，给用户计算过程的直观显示，输出求解结果，给出电压/无功优化控制指令。

4 实际应用注意事项

4.1 电网运行参数的更新

从目前农网的实际情况看，电网的基本参数基本上可以保证其准确性。电网运行参数中有载调压侧档位也基本上可以实时采集上来。但无载调压侧的档位，目前还需要人工录入和适时修改。此外，变电站内主变设备、站外线路等发生改变时，也需要在程序中对相应的参数进行修改。

4.2 遥调、遥控问题

当采用系统优化计算方法这种控制策略时，当值调度员应该理解这一新的控制方法与传统方法的不同之处：

（1）传统方法在实施遥调、遥控时所涉及的设备（主变、电容器）基本上是单一的，即只涉及遥调一个主变分接开关或遥控一组母线电容器的投切问题；

（2）采用系统无功优化计算方法这种策略时，优化计算出来的结果一般涉及对所有有载分接开关、所有母线补偿电容器的遥调和遥控问题。

因此，当采用新的控制策略时，当值调度员应具备电力系统无功优化计算的一些基本理论知识。优化计算结果求解出来后，遥调、遥控的实现最好循序渐进，由人工干预执行遥调、遥控到最终的闭环自动遥调、遥控。

5 结论与展望

农网电压及无功优化控制管理系统是一个全新的电网电压无功优化控制方式。根据现场试运行的情况，若采用优化计算程序，电网有功功率损耗在理论上可以减少10%～30%左右。概括起来，农网电压及无功优化控制管理系统具有以下几个方面的作用或效益：

(1）减少电网电能损耗，降损节能。

(2）综合考虑了所有电压/无功调节手段，提高了设备或装置的利用率和利用效果。

(3）为电网配置电压/无功调节设备提供了一个新的、科学的工具。

(4）可以节省电网自动化建设方面的投资。

很显然，若电网全部采用VQC控制方式，则投资远远大于一个电网只购置一套无功优化计算软件的投资。同时，由于本控制系统不额外增加任何硬件装置，可以免除大量的现场硬件维护，从而节省维护费用。