基于全网优化分布控制式电压无功综合控制系统的优化与控制设计

济南钢铁股份有限公司检修公司 王沫

济南钢铁股份有限公司电力部门在变电站中使用无功补偿成套装置，原使用的此类装置主要存在以下几个问题：（1）动作频繁。由于配电网早晚负荷波动较大，导致电压经常运行在上下限范围边缘。原装置由于缺乏有效的判据，使变压器分接头频繁操作，补偿电容频繁投切。（2）原装置由于分散装设，只能补偿装置所在的站点，对区域电网则基本不起作用。且各装置动作相互独立，没有考虑到相互间的影响，导致网损较高，同时缺乏协调也导致各站操作更加频繁。（3）对电网的电压/无功情况缺乏有效而系统的实时监控，手动控制劳动强度大，运行人员很难做到精度较高的控制和多进程实时控制。

本文主要介绍全网电压无功优化的优化模型及算法和分布终端电压无功综合控制装置的优化方案。全网的电压无功优化计算程序，对全网的电压无功进行优化计算机分析，得出全网电压无功优化控制的策略，将该控制策略以定值的形式下发给各分布终端电压无功综合自动控制装置，终端电压无功综合自动控制装置根据定值对该站点的变压器分接头位置和电容器组实行自动优化选择和控制投切，从而做到保证电压合格率和降低配网线控的目的。

1 优化模型及算法

本文以整个系统的有功网损为目标函数。连续无功优化的非线性规划模型为：

式中 f(x1,x2)为系统有功损耗；g(x1,x2)=0为潮流方程；x1=[QTG,QTC,VT,TTB]；QG,QC分别为发电机、无功补偿装置的无功出力向量；V为所有节点电压幅值构成的列向量；TB为有载调压变压器的变比列向量；x1∈RN,N为有约束的优化变量总数；x1max,x1m in分别为优化变量的上、下限值；x2为除平衡节点外的其他节点电压相角和平衡机的有功出力构成的列向量；x2∈Rn，n为系统节点数。引入松弛变量l、u，将不等式约束转换成等式约束：

采用非线性内点法求解上述模型。

引入对数壁垒函数消去松弛变量的非负性，并对等式约束引入拉格朗日乘子，得到拉格朗日函数：

其中 y、w、z为拉格朗日乘子向量，且z≥0，w≤0，L为壁垒参数，且L≥0。根据Karush-Kuhn-Tucker最优性条件可得：

式中 e为单位列向量，e∈R；L，U，W，Z分别l，u，w，z的分量为对角元素的对角阵。用牛顿法求解上述方程，得到修正方程为：

求上述方程，可得到原变量和对偶变量的修正量。

2 优化方案

实时控制系统采用分层控制结构，如图1所示。

图1 分层式优化控制结构

系统的结构为分层分布式，分为三层，包括三种代理。其中，管理代理（Management 代理, 简称MA）是系统的最高层，负责确定无功补偿设备的配置地点、划分电网以及发起和协调区域优化代理的分布并行优化计算等工作。中间层系统由区域优化代理（Area Optim ization 代理, 简称AOA）组成，AOA分布在各区域电网内，根据区域电网的数据信息和相关参数，利用现有的无功优化软件进行区域内寻优计算，通过相互协调实现全网无功优化，计算结果既能下发给本区域的无功电压控制代理，也可上传至管理代理，作为调度人员的决策参考。最底层系统由无功电压控制代理（Voltage and Reactive Power Control 代理, 简称VRA）组成。VRA代表分散在电力系统中的发电机、并联电容器、并联电抗器和有载调压变压器等无功电压设备的智能控制器，在正常情况下作为AOA的数据采集机构，并且接收AOA发来的本地节点的无功、电压最优设定值。VRA根据这些最优设定值，调整无功、电压的控制范围。当它监测到本地节点的无功或者电压越限时，自动控制无功源的出力和有载调压变压器分接头的位置，确保本地节点电压和无功功率运行在最优设定值附近，控制时间常数一般为几秒。

由此可见，本系统的结构具有如下特点：传统上由最高层系统承担的无功优化计算现在分散到中间层系统的各AOA中，这样，最高层的工作负担大大减轻；中间层系统是全网优化的关键。

2.1 管理代理(MA)

管理代理是整个系统的管理、协调中心。它的结构如图2所示。

图2 MA的结构

MA各模块的功能如下：

（1）通信模块负责MA与AOA层之间的数据交换；

（2）数据库中存放电网分区结果、无功补偿设备配置结果、VRA的状态数据、并行优化计算结果、并行优化计算的参数和各代理的设备信息等数据。

（3）知识库中存放代理术语。可根据需要更新这些术语，同时也要更新其他代理知识库中的代理术语。术语的更新必须遵循依赖性、集成化、一致性等原则。

（4）协调模块由注册模块、报警模块、推理模块三部分组成，如图3所示。

图3 MA协调模块结构

其中，注册模块管理各代理的注册信息。每一个AOA在加入到系统之前，都需要在注册模块中注册自己的网络标识以及边界节点信息；报警模块提供各AOA的故障信息，若AOA通信过程中出现故障，则产生报警信息；推理模块根据故障信息判断AOA的运行状况，并上传至信息管理模块。若某一AOA的相邻AOA均产生该AOA的报警信息，则推理模块判断该AOA已不起作用，上报信息管理模块，并将此AOA的注册信息从注册模块中删除。

（5）信息管理模块面向用户，有以下几个功能：

整个系统的地理信息图便于用户察看各代理的状态信息和无功优化计算结果、了解电网的运行情况，用户可直接进行添加、编辑代理的操作。

形成供电可靠性、电压合格率等各种统计报表和电压、电流等状态曲线。

设置DPVROA-APP的参数。

（6）无功补偿设备配置模块用于确定补偿地点。

（7）全网无功优化发起模块负责向AOA下发全网优化参数，在较大的负荷扰动或网络拓扑结构变化之后，尽快启动全网无功优化计算。

本方案中，管理代理MA为选配的待扩展模块，在多区域联网优化之前，该代理被禁用。

2.2 区域优化代理（AOA）

AOA根据当前的状态数据，进行区域优化计算，并与相邻AOA协商，实现全网无功优化。它的结构如图4所示。

图4 AOA的结构

AOA各模块的功能如下：

（1）知识库中存放代理的基本知识及可供选用的优化算法。AOA可根据区域电网的特点自主选择优化算法。

（2）优化计算模块进行区域电网优化计算，即采用知识库中的优化算法求解，结果存放在数据库中。

（3）数据库根据所存放数据的特点，分为3部分：参数数据库、历史数据库和实时数据库。

参数数据库存放本地AOA、相邻AOA、及区域内VRA的网络标识。实时数据库中存放实时数据、区域优化计算的初始值和中间结果，每一次迭代计算得到的结果都将替代上一次迭代计算的结果。其中实时数据包括区域内部节点的状态数据、边界节点的状态数据、线路参数以及相邻区域边界节点的状态数据。历史数据库存放优化参数和优化的最终结果。

（4）协商模块负责与相邻AOA协调，协商边界节点参数。AOA每一次迭代计算结束后，将主动向相邻AOA查询边界节点参数，然后与自己的计算结果比较，决定是否继续迭代计算。若比较结果小于规定的某一阈值，则停止本次优化；否则修改参数，进入下一次迭代。

（5）通信模块根据功能分为三个子模块：

子模块1：接入最底层系统。一方面接收由VRA采集的实时状态数据，另一方面根据优化结果下发控制命令。

子模块2：与相邻AOA通信，交换边界节点参数。

子模块3：与MA通信。一方面接收MA发来的DPVROA-APP的参数或协调信息，另一方面将优化计算的结果上传给MA或向MA发送请求信息。

2.3 无功电压控制代理（VRA）

无功电压控制代理跟踪本地节点的无功、电压变化，自动调节无功源的出力或调压变压器分接头的位置，使得无功、电压运行在最优设定值附近。它由知识库、推理模块、决策模块、数据采集模块等组成，结构如图5所示。

图5 VRA的结构

VRA的功能如下：

（1）数据采集模块感知本地节点状态的变化，采集本地节点的电压、电流、有功功率、无功功率、有载调压变压器分接头位置等状态数据，并存放到数据库中。

（2）数据库中存放本地节点的状态数据、本地代理的网络标识。

（3）通信模块采用ACL与所属的AOA进行通信，一方面将数据库中的数据传给AOA，另一方面接收AOA发来的优化计算结果。

（4）知识库中存放代理术语、九区图中无功和电压上下限的整定规则、无功电压控制策略。

（5）决策模块根据无功、电压最优设定值和上下限整定规则，确定九区图的控制范围。

（6）推理模块根据节点无功、电压的测量值和控制策略，自动调节无功源的无功出力或者有载调压变压器的分接头位置，使得本地节点电压和无功功率运行在控制范围之内。

2.4 优化指标

开放性：系统可与调度自动化系统接口，从而使用调度自动化系统的数据或向其提供数据。系统的算法库、元件库可供操作员添加或修改，使系统保持最新状态。

可扩展性：通过MA的管理，使算法能够自动适应电网的变化，能够实现多区域互联下的电网无功优化。

准最优性：保证电网中各节点运行在电压/无功的最优值附近。

3 结束语

采用全网优化分布控制式电压无功综合控制系统，根据投运以来的运行情况分析，该系统的安全可靠性和补偿效果均比以前所使用的同类产品有了较大的提高，从而起到了提高电压质量、降低线路损耗的作用。无功优化控制软件的应用为我局提供了较为系统的、先进的电压无功管理手段，大大降低了网损，减少了装置的频繁动作。

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