高压配电网无功优化集中控制系统研究

任雷雷

（德州智能电气设备有限公司，山东德州 253400）

现在很多的变电站在工作的时候都开始应用无功电压综合自动控制装置，无功电压综合自动控制装置在使用的时候有一个缺点就是只能采集一个运行参数，很难控制电网变电站的电容器的调控。为了更好地进行全局控制，需要在应用时进行动态无功优化计算，从而使每个时段都能优化连接，这样既能合理分配投切次数，又能控制全网潮流。

1 高压配电网无功优化运行的特点

配电网全网无功优化配置能够根据电压等级的不同预测到电压负荷的情况，根据无功优化分层区无功平衡原则，通过无功潮流的方式补偿和确定容量。

高压配电网无功优化运行就是在现有手段上，不变更配置调整无功资源运行的方式以此来提高电网的经济运行情况。因为无功和电压之间的关系比较密切，所以设备可以通过优化计算的结果找到最优的运行方式，这样既能保证母线电压的范围，又能降低网损。

高压配电网无功优化运行时有以下特点存在。

（1）非线性：非线性既包括目标函数内容，又包括约束条件内容。（2）离散性：离散控制变量包括：移相器分接头位置、无功补偿器投切等。（3）动态性：电力系统会随着流动时间的变化而变化，除此之外流动时间的变化还会影响到电压的变量。（4）复杂性：在无功优化的过程中会存在等式约束和不等式约束2种，约束条件的数目和电网规模也有着密不可分的关系。（5）鲁棒性：电力系统的调压不仅需要满足正常工作时对负荷的要求，还需要满足最大负荷的方式和最小负荷的方式2种。（6）多目标：通过线损的方式提高电压的质量，重点突出目标的多样性。

2 控制系统结构与实现方案

无功优化系统主要由2台计算机组成，2台计算机分别负责不同的工作指令，其中一台计算机负责控制转发命令、状态评估等工作；另一台计算机负责计算限值、无功优化等工作。无功优化控制系统在工作的时候底层的数据采集和通信模块会从调度自动化系统的电网运行中进行采集，采集完成之后把控制方案通过专用通道的方式传送到变电站的无功电压综合自动控制装置中完成工作指令。

控制系统在工作的时候每隔1h 会更新一次，更新之后的数据会通过拓扑分析进入到无功优化数据库中。拓扑分析模块能够通过人工输入的方法来控制网络节点支路关联配置表；如果在使用的时候发现有变位信号出现的时候就可以把分析完的变位信号储存到数据库中。在控制命令启动的时候要对预测进行计算或者修正，之后把预测好的母线负荷存进数据库中。

当系统存储完成之后可以通过查询数据库的方法进行储存，在完成预测负荷之后状态估计模块就可以对这些预测数据进行修正。

电压无功优化模块可以根据通过分析负荷曲线、变电站内容等信息找出未来时段、变电站母线电压分布情况，进而计算出变电站最佳无功限制曲线和最佳电压限制曲线图。

无功优化控制系统的启动可以由使用用户自己设定，用户可以利用每天监测到的数据计算出电网的实际有功损耗。实时监测数据能够显示实际负荷和预测负荷的误差情况，当误差大于设定值的时候就会自动启动负荷预测修正计算过程，结束完成之后计算出电压限制和无功限制等数据信息。

控制系统主要功能包括以下几种：①预测母线负荷；②分析负荷特性；③计算潮流内容；④优化计算信息；⑤修改参数；⑥控制优化和分析运行效益；⑦查询和修改VQC 限制。

3 动态无功优化数学模型

在建立动态无功优化数学模型的时候先设置电网节点，然后以24h 的电能损耗为主要目标函数，以变压器分接头位置和无功补偿量为控制变量进行建立。在研究高压、中压配电线路补偿基础上，对低压线路无功补偿采用了“三分之二法则”，以此作为低压配电线路无功优化补偿基本模式。所谓“三分之二法则”指的是以一段仅有首段的电源线路为研究对象，无功负荷作用于其中，将其等分为3份，则在线路三分之二处属于无功补偿设备安装最佳地点，同时期无功补偿容量约占三分之二的总无功负荷，具体如图1所示。

所谓的无功补偿的最优配置，指的是在低压配电网中，确定无功补偿装置安装最佳地点和补偿最佳容量的。具体步骤如下所示。

（1）按“三分之二法则”对无功补偿装置进行最佳配置，如式（1）所示，同时将无功补偿装置的安装最佳地点设置在主线无功负荷分布的三分之二处。

图1 线路无功负荷分布和优化前后无功潮流图

（2）首先对无功分布负荷在各段主线的分布进行标定，然后把具有一个分叉主线等效转换成2条无分叉主线按线路负荷分布情况，把有分叉主线等效转换成两条无分叉主线，如式（2）、式（3）所示。

（3）转换后两条无分叉主线分别按无分叉主线进行最优配置，如式（4）、式（5）、式（6）所示。

4 计算方法

在计算的时候因为无功优化系统控制变量比较多，导致搜索空间也比较大，要想完成搜索任务就需要引入先进的优化搜索技术。

在计算的时候可以通过以下几方面提高优化算法的计算效率：

4.1 通过提高潮流计算的效率的方式提高优化算法的计算效率

在计算遗传算法求解无功优化问题的时候可以根据软件编程的方式进行计算，为了减少计算时间，可以在计算的初期适当降低潮流计算的准确度，在计算后期的时候在提高潮流计算的准确度，这样就可以在保证计算准确率的基础上提高潮流计算的效率。

在遗传算法的群体中每1个个体的适应度计算量都非常大，所以在选择的时候群体都会受到影响，在计算的时候要先做检查，确定完成之后再进行判断。在所有的基因中，会有几个不同的基因存在，要想让基因保持相同，可以通过调整计算经验的方式来改变现状，这样对于相同的个体就可以做一次潮流计算，既计算出了个体潮流的初始值，又提高了潮流计算的效率。

4.2 利用专家知识指导变异位置与方向的方法提高优化算法的计算效率

在计算优解的过程中，要想得到可行解才能消除电压无功的越限，这样就可以得到需要的最优解。因为无功功率的传输距离比较短，所以在进行的时候需要调整无功补偿的设备位置和变压器的电压情况。如果在调整的时候没有合适的调节手段，就需要调节距离电气最近的控制变量。

在研究的时候可以通过消除电压的越限来确定优先变异的基因位置和方向，这样可以减少搜索时存在的盲目性，不仅如此还能在增加算法搜索能力的基础上提高潮流收敛的速度。

4.3 通过优化编码的方法提高优化算法的计算效率

在编码运行的时候需要先处理变压器的控制变量以此来减少染色体的长度。在运行的时候需要在数组的下标编制上相对应的编码，减少变比和档位的换算和查找。在设计适应度函数的时候可以使用映射法来区分个体之间的优点和缺点。在编制的时候还可以随着迭代次数的增加而加大惩罚的力度，尽可能地将搜索控制在可行域中间。

5 无功电压综合自动控制装置限值的计算

无功电压综合自动控制装置限值在计算的时候要以最优曲线为主进行计算。在计算的时候需要先设定电压和无功限值之间的宽度。之后在计算出变电站的最优无功补偿量和变压器分接头的档位，以此计算出最佳的无功、电压的上下限的数值。

6 高压配电网无功优化集中控制系统研究案例

本文在研究的时候选择3种类型的变电站，分别是330 kV变电站、220 kV 变电站、110 kV 变电站，在电网中一共有42个节点，36条线路，在运行的时候先用遗传算法对系统进行优化，通过优化对比发现，优化之前系统有3个节点的电压值比下限低，经过优化之后发现每个节点的电压都有一定程度的提高，有功功率的损耗也呈现下降趋势。试行运行之后能够发现遗传算法在使用时候能充分满足在线计算的要求。

7 配电网无功优化配置的原则

在配电网中，无功功率具有一定流动性，其是保障配电网安全、稳定、持续运行的关键所在。无功功率的流动性不利于减低电网损耗，提高电能质量。因此，降低或避免无功功率在配电网中的流动性，对提高配电网系统质量具有积极作用。基于此，无功优化配置应按照“分级分区补偿、就地平衡”的原则进行，按照以下几方面要求实现无功补偿设备的合理布局。

（1）在配电网无功补偿过程中，应坚持配电网总体和局部平衡的相统一性。这是由于不合理的无功电源布局会导致局部无功电力的不平衡，进一步影响变电站或线路的无功电力，进而产生大量流动的无功功率问题。具有长途交换或输送的无功功率，严重增加了配电网的电网损耗。

（2）在配电网无功补偿过程中，坚持低压配电补偿为主，其他补偿方案为辅的原则。变电站以补偿主变压器无功损耗为主，在无功传输降低方面则集中在变电站以上输配电线中，实现电网损耗的降低。鉴于低压配电网的线损在配电网整体上所占比例较高，这就要求在配电网无功补偿过程中，坚持低压配电补偿为主，其他补偿方案相结合。

（3）在配电网无功补偿过程中，坚持电力部门补偿和用户补偿相统一原则。物攻的就地补偿、就地平衡是实现配电网无功功率输送降低、用户电压质量提高以及用户功率因数补偿的前提条件，这就要求低压侧补偿过程汇总采用较多配电变压器，同时确保电力部门补偿和用户补偿相结合。

（4）在配电网无功补偿过程中，坚持以配网降损为主，以降损和调压为辅的原则。由于配电网无功优化配置以实现无功电力就地平衡为目的，以实现电压质量改善和电网损耗降低为目标，因此需在配电网无功补偿过程中，以配网降损为主，以降损和调压为辅，最终实现无功补偿的社会效益和经济效益。

8 结束语

综上所述，通过以上方式能够发现在高压配电网中应用无功优化集中控制系统，能够从优化和控制的角度提高系统电压的合格率、降低系统的总线损。从而提高电网管理的水平，最终提高电力输送效率。